автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка, исследование и применение эпоксидофторопластов и специального оборудования для изготовления самосмазывающихся подшипников скольжения

На правах рукописи ТАРАСЕНКО АНДРЕЙ ТРОФИМОВИЧ

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭПОКСИДОФТОРОПЛАСТОВ И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

Специальность 05.02.01. Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени , кандидата технических наук

I

Комсомольск-на-Амуре - 2005

Работа выполнена в ГОУВПО «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Иванов Валерий Александрович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Верхотуров Анатолий Демьянович

кандидат технических наук, доцент Телеш Василий Васильевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Дальэнергомаш», г. Хабаровск

Защита состоится 6 октября 2005 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (КнАГТУ) по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, КнАГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

/

Автореферат разослан «О » сентября

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.092.01, кандидат технических наук, доцент

Пронин А.И.

¿00 £ -V /3220

rcy

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из направлений обеспечения высокой надежности и работоспособности машин является использование прогрессивных полимерных композиционных материалов (ПКМ). Наиболее высокие требования предъявляются к ПКМ используемым в узлах подвижных и неподвижных соединений: высокая прочность, антизадирная и несущая способность, износостойкость, вибро - и удароустойчивость, минимальные габариты и материалоемкость, повышенная термопрочность и химическая стойкость к агрессивным средам. Наряду с применяемыми для высоконагруженных узлов известными ПКМ на основе фторопластов, металлополимеров, полиамидов, полиэтиленов, термореактопластов, полиуретанов высокие эксплуатационные показатели для широкого спектра подшипниковых, уплотнительных и конструкционных изделий показали эпоксидофторопластовые материалы (ЭФ).

Данные материалы, получившие обозначения MAC (материалы антифрикционные самосмазывающиеся), предназначены для эксплуатации без смазки, в воде, при высоких давлениях до 100 МПа, повышенных скоростях скольжения до 40 м/с со смазкой, в диапазоне температур от -60 °С до + 120 °С при низком коэффициенте трения до 0,05. В настоящее время внедрение этих материалов производится индивидуальными и малыми партиями. Для организации серийного производства самосмазывающихся подшипников скольжения (СПС) из материалов MAC на основе литьевых эпоксидных композиций требуется механизация и автоматизация технологического процесса, разработка и исследование таких специфических операций как смешивание и дозирование, центробежное формирование, прессование, намотка и отверждение. Например, наиболее трудоемкие операции формирования, дозирования и смешивания требуют разработки нового специального оборудования и аппаратов, исследования режимов переработки и проведения анализа получаемых структур материалов. Для расширения областей применения MAC требуется разработка и испытание новых составов с повышенными физико-механическими и триботехническими свойствами.

Таким образом, модификация известных полимерных композиционных материалов с целью повышения прочностных и антифрикционных характеристик, а также создание и исследование технологии и специального оборудования для переработки и изготовления изделий являются приоритетным научным направлением и актуальной научно-технической проблемой для материаловедения и машиностроения.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка новой группы самосмазывающихся материалов с повышенной износостойкостью и прочностью, а так же механизация и автоматизация

технологии производства изделии m зпвкеи

ятокеидофторопластов.

>'С. НАЦИОНАЛЬНАЯ

Р'

БИБЛИОТЕКА

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. Модификация и исследование эпоксидофторопластовых материалов с новыми антифрикционными и армирующими наполнителями для улучшения прочностных и триботехнических свойств.

2. Разработка новых составов эпоксидофторопластовых материалов и технологии их переработки и формирования изделий, содержащих в качестве матрицы эпоксидные литьевые смолы, а в качестве наполнителей и антифрикционных материалов - фторопласты, графит, дисульфид молибдена, металлические порошки, стекло, углеграфитовые волокна.

3. Выполнение комплексных исследований влияния новых антифрикционных и армирующих наполнителей на физико-механические, адгезионные, структурные, триботехнические свойства разработанных ПКМ, а также установление их связи с технологическими параметрами.

4. Разработка методики и системы измерения свойств при триботехнических исследованиях параметров материалов в широком диапазоне скоростей скольжения, давлений, температур, и способов смазки.

5. Разработка и исследование специального оборудования позволяющего механизировать и автоматизировать основные операции переработки эпоксидофторопластов в изделия - подготовку армирующих компонентов, смешивание наполнителей со смолой, формирование подшипников центробежным способом.

6. Разработка опытных конструкций узлов на основе MAC и технологии производства изделий из эпоксидофторопластов.

7. Выполнение производственных и эксплуатационных испытаний, и внедрение самосмазывающихся подшипников в высоконагруженные узлы машин и оборудования на промышленных предприятиях Дальнего Востока.

Научная новизна:

1. Модицифированы базовые составы эпоксидофторопластов с использованием новых компонентов в полимерных композиционных антифрикционных материалах: мелкодисперсного фторопласта, углеграфитовых высокомодульных волокон, дисульфида молибдена и металлических порошков бронзы и свинца с целью улучшения физико-механических и триботехнических характеристик при работе без смазки и водных средах.

2. Разработаны эффективные способы и устройства смешивания и дозирования высоковязких эпоксидных компаундов с комплексом волокнистых и порошковых наполнителей, а также отвердителей и пластификаторов.

3. При исследовании процесса смешивания эпоксидофторопластовых компаундов проведена оценка диспергирования фторопластовых и армирующих волокнистых наполнителей с использованием микроструктурного анализа, определяющая степень гомогенности внутренней структуры получаемых антифрикционных материалов.

4. Разработан широтно-импульсный способ центробежного формования изделий из высоконаполненных эпоксидофторопластов и устройство для его реализации, позволяющие изменять получаемую структуру и эксплуатационные свойства самосмазывающихся подшипников скольжения.

Новизна проведенных исследований подтверждена также 11 авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны и исследованы материалы типа ЭФ ЛОНГ (МАС-1УКН, МАС-2УКН и др.) для эксплуатации в узлах трения без смазки и в воде при давлениях до 100 МПа.

2. Разработаны технические условия на материалы антифрикционные, самосмазывающиеся (ТУ 5.960 - 34.001.85) и технологические процессы изготовления триботехнических изделий методом центробежного формирования.

3. Разработана широкая гамма триботехнических изделий из материалов ЭФЛОНГ, включающая втулки и вкладыши подшипников, шарнирные соединения, направляющие, подшипниковые опоры для работы на открытом воздухе, без смазки или со смазкой, в водных средах, в диапазоне температур от -60 С до +120 С.

4. Создан универсальный стенд для триботехнических испытаний новых материалов и узлов трения - измерительно-вычислительный комплекс (ИВК МФТ).

5. Созданы опытные аппараты для дозирования и смешивания высоконаполненных эпоксидных композиций типа MAC.

6. Созданы опытные станки для центробежного формирования триботехнических изделий.

7. Создан и внедрен в производство опытно-промышленный участок по изготовлению триботехнических изделий центробежным методом на основе материалов ЭФЛОНГ.

8. Получены данные производственных и эксплуатационных испытаний подшипниковых и уплотнительных систем на основе материалов ЭФЛОНГ.

9. Материалы типа ЭФЛОНГ внедрены в высоконагруженных узлах машин и оборудования - подшипниках лебедок, опорах транспортера, в поворотных устройствах гидроманипуляторов, в гидроцилиндрах лесных и строительно-дорожных машин, в направляющих тяжелых деревообрабатывающих станков и др.

Реализаиия результатов.

1. Научно-исследовательская лаборатория композиционных материалов ТОГУ оснащена специальным опытным оборудованием (смесителями, центробежным и намоточным станками, прессом, блоком для термической обработки), предназначенным для производства и испытания изделий на основе разработанных ПКМ.

2. На машиностроительном заводе им. А. М Горького (г. Хабаровск) внедрен опытно-промышленный участок по изготовлению самосмазывающихся подшипников из материалов МАС-1 и МАС-2 для лебедок и транспортеров.

3. Решен ряд практических задач в отраслях производства и ремонта машин на промышленных предприятиях Дальнего Востока: Коппинский лесопромышленный комбинат (г. Ванино), ППСО «Приморремрыбфлот» (г. Находка), ЗАО «Дальлеспром-Тимберджек» (г. Хабаровск), ООО «Алькан ДВ» (г. Хабаровск). Экономический эффект от внедрения СПС только в 2004 году составил более 400 тыс. рублей.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 38 работах, в том числе 11 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Работа рассматривалась и одобрена на расширенных научных семинарах кафедр «Машины и оборудование лесного комплекса» и «Литейное производство и технология материалов» Тихоокеанского государственного университета. Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Опыт применения автоматических станочных систем» Хабаровск, 1988; «Проблемы и перспективы применения полимерных материалов в народном хозяйстве Дальневосточного региона» Хабаровск 1989; «Оптимизация эксплуатационных свойств опор скольжения», семинар-школа «Триболог-6М», Рыбинск, 1990; «Композиционные полимерные материалы», Ижевск, 1990; «Проблемы создания и эксплуатации технологического оборудования», Хабаровск, 1992; «Славянтрибо-4. Трибология и технология», Санкт-Петербург, 1997; «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (ТПКММ), Москва, 2005.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложений, списка литературных источников из 154 наименований. Включает 223 страницы печатного текста, 26 таблиц, 69 рисунков.

Автор выражает благодарность своему второму научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Захарычеву Сергею Петровичу за оказанную помощь в постановке задач исследования и экспериментов, за консультации при написании и представлении данной работы к защите.

На защиту выносятся:

1. Полимерные композиционные материалы - эпоксидофторопласты на основе олигомерной матрицы, антифрикционных наполнителей и армирующих углеграфитовых волокнистых компонентов с улучшенными характеристиками антифрикционное™ и износостойкости в условиях работы без смазки, в водных средах или с ограниченной масляной смазкой.

2. Технология и оборудование для переработки эпоксидофторопластовых композитов и изготовления самосмазывающихся

подшипников скольжения, включающие трудоемкие операции подготовки и измельчения волокнистых компонентов, смешивания и дозирования композиций, центробежного формирования и термообработки.

3. Результаты исследования физико-механических, структурных и триботехнических характеристик СПС; их взаимосвязи с эксплуатационными свойствами.

4. Дозирующе-смешивающее оборудование для переработки высоковязких эпоксидных компаундов, а так же методика и результаты исследования технологических и конструктивных параметров процесса смешивания и взаимосвязь их со структурой и функциональными свойствами изделий.

5. Результаты производственных и эксплуатационных испытаний и внедрения самосмазывающихся подшипников на основе эпоксидофторопластов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности работы, определены основные цели и задачи исследований, изложена научная новизна, практическая значимость работы при реализации полученных результатов, приведены данные об апробации и сведения о публикациях основных результатов работы.

В первой главе приведен обзор и анализ развития полимерных композиционных материалов на основе термопластичных и термореактивных связующих в области антифрикционного материаловедения для машиностроения. Проблемам создания и исследования полимерных композиционных материалов для узлов трения посвящены исследования А. П. Семенова, В. А. Белого, Р. М. Матвиевского, Ю. Н. Дроздова, Б. Д. Воронкова, Ю. Н. Васильева, Н. П. Истомина, В. К. Крыжановского, А. П. Краснова В. А. Иванова, и других.

На основе системного подхода представлена методика трехуровневого описания триботехнических систем, имеющих сложную композиционную или комбинированную структуру. Выделены общие методологические основы создания и исследования подшипниковых систем на основе ПКМ.

Анализ литературы, патентных исследований и большого опыта практических испытаний показал, что антифрикционные эпоксидофторопластовые материалы на основе термореактивных литьевых эпоксидных смол и политетрафторэтилена (фторопласта—4) с наполнителями: графитом и мелкорублеными армирующими волокнами - перспективны для обеспечения самосмазываемости, высокой несущей способности и износостойкости поверхностей скольжения.

Необходимость в промышленном освоении методов изготовления подшипников и уплотнений из ЭФ, сочетающих высокие показатели как по триботехническим и физико-механическим свойствам, так и по

производительности процесса требует совершенствования таких перспективных процессов переработки и формирования материалов как смешивание и дозирование, центробежное формирование, прессование, намотка и др.

Главной причиной ограниченного применения олигомерополимерных материалов является малоизученность данного класса новых ПКМ, отсутствие информации по технологии их переработки в изделия. Значительные сложности при изготовлении изделий из ЭФ и его модификаций требуют постоянного совершенствования существующих и разработки новых материалов, технологических приемов и специального оборудования для механизации процессов смешивания, формирования и термообработки и т.д. Исходя из этого, были поставлены цель и задачи исследований.

Во второй главе дана характеристика объектов и методов исследования, оригинального оборудования, разработанного для изучения характеристик ПКМ.

На основе принятого системного подхода обобщенную структуру (Б) комбинированного подшипника можно представить в виде

где SW2 - структура комбинированного металлополимерного подшипникового узла; SW1 - структуры подшипниковых подсистем; БА^О -структуры исходных компонентов ПКМ; К[,У,Е,2 - подсистемы и элементы; и,Т - контактирующие детали; Ь - смазка; О - окружающая среда; А -дополнительные смазывающие компоненты; В - рабочая поверхность ПКМ; С - упрочняющие элементы ПКМ; Б - покрытие; в - рабочий ЭФ материал; Н - соединяющие элементы; К - основа конструктивная; Ъ — совокупность микрофизических компонентов ПКМ; Я - взаимосвязи; Р - свойства.

Основными объектами исследования, согласно принятой трехуровневой структуры СПС, служили: 1) исходные компоненты композиций ПКМ - связующая смола, фторопластовые наполнители, твердые смазки, армирующие микроволокна, металлические порошки (SW0);

2) ПКМ на базовой эпоксидофторопластовой основе, изготовленные центробежным способом и обозначенные как материалы группы ЭФЛОНГ (8\У1);

3) комбинированные металлополимерные подшипники и опоры, контрповерхности, смазка и окружающая среда (SW2).

Объектами исследования, также, являлись технологические процессы и опытное оборудование, разработанное специально для технологии эпоксидофторопластов - устройства для рубки волокна, смесители,

'5 = {БЖ^Зт^о}

ы = {у,Е,г}

у = {и,т,ь,<2} Е = {А, В, С, Д Н,К,С}

1 = {г}

5Ж2 =

5Яг0 = {г,Р,Я}

центробежные станки и др. Обобщенная схема технологического процесса и оборудования для производства изделий из материалов ЭФ ЛОНГ приведена на рис. 1.

Материалы ЭФЛОНГ перерабатывались в изделия из эпоксидных литьевых высоковязких композиций следующими методами - свободным литьем в форму, нанесением шпателем на подготовленную поверхность, центробежным литьем в цилиндрических формах.

Методы экспериментальных исследований были подразделены на материаловедческие, триботехнические, стендовые и эксплуатационные.

Материаловедческие методы, включая физико-химические, физико-механические, термогравиметрические исследования, выполнялись по стандартным методикам. Для изучения структуры исследуемых ПКМ (рис. 2, 3) использовались оптический микроскоп «Микро 2000» и электронный сканирующий микроскоп Carl Zeiss (Leo) Evo 40 HV. Для определения плотности ПКМ применялись пикнометрические методы. Водопоглощение исследовалось по методике, описанной в ГОСТ 17177-87. Прочностные испытания (на сжатие) проводились в соответствии с ГОСТ 4651-82 на испытательной машине УМ-Б.

В испытаниях на сдвиг и на отрыв изучалось влияние материала металлической основы на прочность сцепления с покрытиями из материалов типа MAC. Прочностные испытания проводились на разрывной машине при скорости перемещения образцов 0,3 мм/с. Твердость изучаемых ПКМ оценивалась на приборе Роквелла.

Термогравиметрические исследования проводились на дериватографе Q-1500 в интервале температур 20-1000 С с применением методов ДТА -дифференциального анализа, ТГ - термогравиметрического анализа и ДТГ -дифференциального термогравиметрического анализа. Термостойкость материалов ЭФЛОНГ оценивалась по температурам: tnp - начала разложения, t50 - температура при которой достигается 50% потеря массы образца. Значения ЕАк - кажущейся энергии активации - получены обработкой результатов ТГ по методу Фримена и Кэрролла.

Для триботехнических исследований по определению износостойкости, коэффициента трения, прирабатываемости антифрикционных материалов были разработаны измерительно-вычислительный комплекс к машине трения (ИВК МФТ) и торцевой трибометр. Данные установки позволили исследовать ПКМ как радиальные, так и упорные подшипниковые узлы при трении без смазки, в воде, в масле и при давлениях 1,0 - 150 МПа в диапазоне скоростей от 0,03 до 100 м/с.

Математическая обработка данных по изучению зависимостей плотности р, прочности на сжатие сг, водопоглощения w и коэффициента трения / от содержания компонентов в материалах ЭФЛОНГ проводились с использованием метода Лагранжа.

Исследование технологических и конструкционных параметров дозирующе-смешивающих аппаратов (ДСА) и станка для центробежного

Рис. 1. Технологическая схема производства самосмазывающихся подшипников (СП): I - устанорвка для рубки стекловолокна; 2 - печь отжига; 3 - пальцевая мельница; 4 - исходные компоненты; 5 - весодозирующее устройство; 6 - первичный смеситель; 7 - дозатор компаунда; 8 - емкость для смолы; 9 - дозатор отвердителя; 10 - конечный смеситель ;11 - установка промывки; 12 - пресс формирования пласстин;'13 - намоточная установка; 14 - центробежная установка; 15 - печь термообработки полимера; 16-станок мехобработки

где

Рис. 2 Микроструктура и топография поверхности наполнителей эпоксидофторопластов: а - порошок фторопласта Ф-4 в отраженных электронах (х5460); б - порошок фторопласта Ф-4НТД во вторичных электронах (х 10000); в - сверхвысокомодульное углеродное волокно УКН-5000 во вторичных электронах (х20000); г - высокомодульное углеродное волокно «Грален» во вторичных электронах (х14790); д - порошок дисульфида молибдена (Мо82) во вторичных электронах (х22140); е -частица бронзового порошка, поляризованный свет (х400)

а б в

Рис. 3 Структура компаунда на конечном этапе гомогенизации: а - ЭД-20+Ф-4, поляризованный свет (х50); б - ЭД-20+углеродное волокно УКН-5000, поляризованный свет (х50); в - ЭД-20+бронзовый порошок с дисперсностью 50 микрон, поляризованный свет (х50), воздух удален методом тепловой флотации

формирования подшипников скольжения (СЦФ) проводились с применением специальных комплектов измерительной аппаратуры.

Стендовые и производственные испытания подшипников из MAC проводились на стендах и в производственных условиях машиностроительных или ремонтных предприятий.

Эксплуатационные данные по наработке и надежности опытных узлов с МАС-подшипниками фиксировались по отзывам и актам испытаний, полученным на предприятиях, которые использовали новые материалы в машинах и оборудовании.

В третьей главе разработаны и исследованы основные технологические операции и специальное оборудование по переработке эпоксидофторопластов в изделия для опытно-промышленной технологии, в частности, таких операций, как подготовка исходных компонентов, смешивание их со смолой и центробежное формирование изделий. Одновременно проводилось исследование структуры получаемых материалов.

Создание технологии ЭФЛОНГ включало выработку принципиальных идей, конструирование и изготовление специального оборудования, исследование и оптимизацию режимов переработки ПКМ в изделия, разработку оснастки и инструментов, автоматизацию отдельных операций, ответственных за качество конечного продукта и безопасность оператора.

Подготовка исходных компонентов включала разработку способов и устройств для механизированного измельчения стекловолокна марок РБТ-10 или РБН-10, измельчение и сушку порошкового фторопласта-4, а также смешивание всех компонентов.

Разработана, изготовлена и внедрена специальная опытная установка для механизированной рубки стекловолокна. В результате экспериментального исследования определены оптимальные параметры эксцентрикового устройства УРС-3: частота вращения резца - 500...600 об/мин; способ подготовки стеклотканей - скручивание в жгут диаметром 2,5 - 3 мм; скорость подачи жгута - 1... 1,2 м/мин; диаметр отверстия - 6 мм; эксцентриситет - 7 мм; производительность - 10... 15 г/мин.

Решена проблема механизированного смешивания и дозирования высоковязких эпоксидных композиций, наполненных порошковыми и мелкорублеными волокнами, созданы специальные конструкции смесителей (авторские свидетельства №№ 1720867, 1754465), обеспечивающие качество, производительность, экологичность, управление режимом смешивания и подачу готового композита (рис. 4). При смешивании эпоксидной смолы с порошкообразными наполнителями оптимальной является схема, в которой реализовано принудительное перемешивание компонентов в массе компаунда в конусном корпусе за счет вращения трех цилиндрических валков и охватывающих их спиралей, связанных дифференциальным механизмом с переменным передаточным числом, зависящим от массы, состава и температуры композита.

Рис. 4. Измерительная схема исследования режимов переработки дозирующе-смешивающего аппарата ДСА-4; 1 - корпус смесителя; 2 -водило мешалок; 3 - центральная мешалка; 4 - боковые мешалки; 5 - муфта; 6 - двигатель первичного смесителя; 7 - дозатор; 8 - двигатель дозатора; 9 -весодозирующее устройство; СИ 8 - счетчик импульсов; 2ТРМ1 - цифровой термоизмеритель

Рис. 5. Температурная (а) и кинематическая (б) характеристики дозирующе-смешивающего аппарата ДСА-4 при различных массах загрузки МАС-1 в кг: 1 - 2,45; 2 - 3,66; 3-5

Экспериментально установлены оптимальные конструктивные параметры и режимы смешивания компаундов ЭФЛОНГ в конусном смесителе: объем конуса - 6200 см3 (6,2 л); угол конуса - 38 - 40 частота вращения центрального вала - 1300... 1500 об/мин; максимальная частота вращения водила - 100... 120 об/мин; количество валов-сателлитов - 2; диаметры валов-сателлитов - 12/20 мм; диаметр спиралей - 4/24 мм; шаг спиралей - 40 мм; диаметр и длина выходного патрубка - 31/100 мм; предельная температура нагрева конуса - 37.. .40 °С.

В результате изучения процесса смешивания ЭФ компаундов, одновременно проводились микроструктурные исследования формируемых составов, позволяющие контролировать и управлять степенью гомогенности структур антифрикционных материалов (рис. 3).

В результате исследований определены для компаундов марки МАС-1А (без стекловолокна) температурная и кинематические характеристики смесителей ДСА (рис. 5)

Исследования режимов разогрева компаунда (рис. 5,а) показали необходимость установки дополнительного нагревателя в конусе, что было реализовано в дозирующе-смешивающих аппаратах ДСА-4 и ДСА-5. Также были определены показатели критической массы компаунда в конусе, от которой зависит допустимая скорость вращения сателлитных блоков.

Разработка конечного смесителя (рис.1, поз. 10), позволяющего смешивать компаунд с отвердителем, устранила возникновение застойных зон, обеспечила самоочистку ротора, корпуса и стабилизировало качество композиции, поступающей на формирование изделий.

Экспериментально установлены влияние отношения шага шнека к диаметру ротора равное 3,2...4,5, а также соотношение частот вращения ротора и шнека равное 9... 15 на качество композиций через характеристики качества получаемых из них материалов - коэффициент трения и интенсивность изнашивания. Разработка конечного смесителя позволила решить проблему как циклического, так и непрерывного процесса подачи готового компаунда к формирующим устройствам. Экспериментально определены параметры для конечного смесителя применительно к композитам ЭФЛОНГ.

Определены функциональные зависимости, позволяющие математически рассчитывать отдельные параметры технологических режимов смешивания, в частности, производительность подачи компаунда, скорость разогрева компаунда в конусном смесителе, кинематическую скорость вращения водила, мощность смешивания и др.

Исследовался центробежный способ формирования изделий из материалов серии ЭФЛОНГ и определялись параметры технологического процесса. Схема станка для центробежного формирования образцов и изделий приведена на рис. 1 поз. 14. Исследовались различные температурно-скоростные режимы формирования и отверждения, позволяющие управлять структурой материалов ЭФЛОНГ, в частности,

градиентом содержания фторопласта-4 по толщине слоя, наличием пористости, адгезией полимерного слоя к металлической основе, шероховатостью поверхности.

Разработан способ и устройство для центробежного формирования, при котором производится многократное чередование периодов вращения формы с низкой и высокой частотой вращения. При этом, задаваемый переменный скоростной и температурный режим зависит от состава полимерной смеси, и размеров формуемых изделий и требуемой структуры материала. Повторяющиеся короткие высокоскоростные режимы способствуют равномерному растеканию полимерной смеси по внутренней поверхности формы, лучшей адгезии полимера к металлической основе и эффективному удалению газовых включений (пузырьков) из слоя полимерной композиции, а введение низкоскоростных длительных периодов способствует предотвращению ликвации (расслоения) компонентов под действием центробежных сил.

Исследовались различные способы получения соединяющих слоев, обеспечивающих повышение сцепления материалов ЭФЛОНГ с металлической основой - термические, механические и клеевые. Разработаны технологические процессы и определены режимы обработки металлических поверхностей под покрытия МАС-1, МАС-2, как для вновь изготавливаемых СПС, так и для ремонта. В работе приведены составы изученных материалов.

В четвертой главе приведены результаты исследований физико-механических, адгезионных, термических и триботехнических свойств разработанных экспериментальных ЭФ-материалов.

Исследовано влияние наполнителей (фторопластов Ф-4 и Ф-4НТД, графита, МоБг, стекло- и углеграфитовых волокон, масла) на химические, физико-механические и триботехнические свойства экспериментальных составов.

Анализ полученных данных показывает, что введение фторопласта Ф-4 и Ф-4 НТД, стекло и углеграфитовых волокон повышает плотность ПКМ. Дополнительная пропитка маслом, а также термообработка материалов ЭФЛОНГ при температуре 100... 120 °С также приводит к росту плотности. Отмечено немонотонное изменение плотности при увеличении концентрации Ф-4 и Ф-4НТД (максимум плотности достигается при 15 масс. %), что объясняется с образованием пленочной структуры матрицы (явление первичной бифуркации).

Установлено, что наполнители снижают водопроницаемость композитов пропорционально их массовой доле. Введение фторопластов Ф-4 и Ф-4 НТД в количестве 15-20 масс % увеличивает водопоглощение материалов в 1,5-2 раза по сравнению с ненаполнеными ПКМ. Рубленные стекло- и углеграфитовые волокна в количестве 1-3 масс. % снижают водопроницаемость в 3-5 раз. Для всех образцов эпоксидофторопластов наибольшая скорость диффузии воды наблюдается втечении первых (20 - 30

часов), затем она снижается. С уменьшением дисперсности фторопластовых наполнителей материалов их водопоглощение увеличивается, а коэффициенты диффузии и проницаемости уменьшаются.

Минимальные коэффициенты проницаемости, диффузии и сорбции наблюдались в двухкомпонентных образцах содержащих 15-20 масс. % фторопласта Ф-4 НТД.

Параметры прочности на сжатие с введением 1-2 масс. % волокон УКН-5000 изменялись в пределах 122,7...133,6 МПа, что в 2,5 - 2,7 раза превышает показатели прочности ненаполненной смолы ЭД-20.

Исследования твердости показали, что материалы в составе 0,5-2,0 масс.% углеволокна УКН-5000, 14-22 масс. % фторопласта Ф-4 и 4-5 масс.% графита обладают твердость НВ 92-103.

Исследование адгезионной прочности эпоксидных и эпоксидофторопластовых соединений показали, что с увеличением толщины слоя (от ОД до 0,8 мм) прочность уменьшается. Увеличение шероховатости склеиваемых поверхностей стали 20 с Rz 20 до Rz 40, приводило к повышению прочности отрыва с 11,9 МПа до 22,4 МПа.

При испытаниях на отрыв материалов, соединенных составом MAC - 1, разрушающие напряжения получены - 13,6 МПа на стали 20, и 5,0 МПа на стали 20 с химическим фосфатированием. При испытаниях на отрыв - 8,9 МПа на стали 3, 3,3 МПа на образцах из алюминиевого сплава АМГ-6. При испытаниях на сдвиг характер разрушения отрыв материала MAC от металла, при испытаниях на отрыв - разрушение по покрытию ЭФ ЛОНГ.

Исследования термостойкости образцов со стекло- и углеграфитовыми волокнами (МАС-1 и МАС-1УКН) показали, что их значения практически мало различаются: tnp = 250 и 255 °С и t50 = 480 и 497 °С соответственно. Установлены верхние границы диапазона эксплуатационных температур, которые для материалов ЭФ ЛОНГ составляют не более 100 "С (при длительной эксплуатации), не более 150 °С (при отдельных кратковременных повышениях температуры).

Физико-механические свойства и термические свойства антифрикционных материалов армированных стекловолокном (MAC - 1) и углеволокном (MAC - 1УКН) приведены в табл. 1.

Проводилось исследование статической несущей способности узлов вал-втулка с покрытием MAC - 1УКН (рис. 6). Экспериментально установлены параметры статической допустимой грузоподъемности [р]ст и рабочей грузоподъемности [р]р = 0,7-0,84 [р]ст. Видно, что с увеличением диаметров подшипников допустимая грузоподъемность несколько уменьшается.

Определены триботехнические характеристики материалов ЭФ ЛОНГ. В условиях возвратно-вращательного движения подшипники скольжения с материалом МАС-1 и МАС-1УКН показали без смазки высокую несущую способность - до 100 МПа при F=0,03 м/с и износостойкость Ih = 10"® - 10'8 мм/мм при коэффициенте трения/=0,15 - 0,05 (при р= 15-100 МПа).

ра, МП а 150

100

2,5 5 7,5 В,%

Рис. 6. Статическая прочность покрытий ЭФЛОНГ (MAC - 1УКН) для

1 \ \

/ \ / \ / \ 2 __ \ \ \ -[plan

и \ 1

V

Обозначение материалов Состав МАС, масс. %

ЭД-20 + ПЭПА Ф-4 Графит Углеволокно

М, 78 15 5 УКН-5000 (2)

М3 79 15 5 УКН-5000(1)

м, 79 15 5 Грален (1)

Рис. 7. Зависимости коэффициент трения (а) и износостойкости (б) от давления материалов ЭФЛОНГ при работе с водой

Таблица 1

Физико-механические, физико-химические и термические свойства антифрикционных материалов ЭФ ЛОНГ

Показатели ЭФЛОНГ ЭД-20 + ПЭПА

МАС-1 МАС-1УКН

Плотность, кг/м3 1291,6 1170,4 1115,0

Водопоглощение за одни сутки, % 0,094 0,13 0,18

Коэффициент диффузии' 10'12м2/с 1,51 0,65 1,60

Коэффициент проницаемости 10'"кг/(м с) 1,13 1,27 19,63

Прочность при сжатии, МПа 81,8 122,7 44,5

Твердость по Бринелю, НВ 88 98 86

Термостойкость, °С 250,0 265,0 245,0

Температура рабочая, °С до 120 до 120 до 100

При торцевом трении в диапазоне скоростей скольжения 7=0,05-0,25 м/с и давлений ра = 5-20 МПа наилучшие триботехнические характеристики показала пара «хром-МАС-2УКН» по сравнению с металлофторопластовой лентой.

Исследование износостойкости пары трения сталь « 14X17Н2 -МАС-1УКН » при ра = 25 МПа и К=0,45 м/с в водной среде показали, что интенсивность износа составила 1к - 15,3 -10"9 мм/мм при температуре трения не превышающей 65-70 °С. Улучшение трибохарактеристик при работе в водных средах достигалось при использовании углеграфитовых волокон вместо стекловолокна. При этом параметр [ра V] = 8-10 МПа м/с.

Зависимости коэффициента трения и износостойкости от давления для материалов ЭФ ЛОНГ при работе с водой приведены на рис 7.

Исследовалось влияние режимов жидкой смазки при сравнительных испытаний упорных подшипников на стенде ИВК МФТ (табл. 2).

Полученные результаты позволили рекомендовать СПС на основе материалов ЭФ ЛОНГ для работы в масляных средах при условиях трения:

- при ограниченной смазке в диапазоне /?а = 2,5... 15 МПа и У= 2...6 м/с, установлены предельные показатели \ргУ] < 60 МПа м/с и при температуре 65 °С; [раУ] < 50 МПам/с при температуре 100 °С;

- при граничном режиме трения [ра] < 6 МПам/с при V = 2 м/с; \рлУ] < 10 МПам/с - с плохими условиями теплоотвода; \р,У\ < 14 МПам/с - с хорошими условиями теплоотвода; [Т] = 170 °С (длительная работа); [Т] = 260 °С (кратковременная перегрузка).

Модификация эпоксидофторопласта МАС-2УКН с введением дисульфида молибдена, свинца и висмута повышает несущую способность и износостойкость материала в масляных средах (табл. 2).

Таблица 2

Сравнительные испытания упорных подшипников на стенде ИВК МФТ

Материал Режимы испытаний Результаты испытаний

Р. МПа V, м/с Смазка ¡ПР , км / Д, мкм/км Примечание

Баббит Б-83 Металлофторопласт МАС-2УКН 2,3 0,4 Без смазки 2-3 3,34,4 0,2-0,3 0,1-0,23 0,33 0,32 Неработоспособен

Баббит Б-83 Металлофторопласт МАС-2УКН 4,6 1,0 Ограниче иная смазка 0,5 кап/мин 4-5 2,2-3 2,34,2 0,01-0,02 0,01-0,4 0,0030,004 0,26 5,8 0,18-0,24 Прихватки и разрушение в период 720 км

Баббит Б-83 Металлофторопласт МАС-2УКН 4,6 10,0 1,0 2,0 Обильная смазка 6 кап/мин 4-5 2-2,5 2,83,3 0,001 0,01-0,4 0,003 0,2 4,7 0,24 -

Определены проектные параметры МАС - материалов армированных углеграфитовым волокнами для разных условий трения:

- при смазке водой в диапазоне = 2,5-15 МПа и V = 0,6 - 1,3 м/с установлены предельные показатели [рУ] < 18,0 МПа м/с , при температуре 65 - 75 'С;

- при работе без смазки в диапазоне = 0,5-2,5 МПа и V = 0,04 - 0,4 м/с установлены допустимые показатели [раР] < 0,5 м/с при температуре 65 -75 "С;

при циркуляционной смазке допустимые показатели работоспособности: при температуре до 65 "С - [раК] < 65 МПам/с; при температуре до 80 'С - \рУ\ < 55 МПам/с.

Исследование триботехнических параметров эпоксидофторопластовых материалов проводили при работе без смазки, в среде пресной воды и ограниченной или циркуляционной жидкой смазки. Полученные триботехнические характеристики позволили модифицировать составы ПКМ в зависимости от условий эксплуатации и спроектировать оптимальные конструкции узлов для транспортеров, рольгангов, лебедок, манипуляторов.

В пятой главе приведены результаты эксплуатационных испытаний, внедрения технологий эпоксидофторопластов в производство.

Разработаны технология, специальное оборудование и производственный участок по изготовлению изделий из материалов ЭФЛОНГ способом центробежного формирования. Основной комплект оборудования приведен на рис. 8 и 9.

Назначение опытного технологического участка - изготовление деталей типа тел вращения - втулок, цилиндров, вкладышей, пластин направляющих (рис.10). С помощью данного комплекта реализуются способы формирования изделий - ручной, шпательный, литье в форму, центробежное формирование деталей от 20 до 500 мм в диаметре. Данная технология внедрена в лаборатории композиционных материалов ТОГУ, на Хабаровском

Рис. 8. Дозирующее-смешивающий аппарат ДСА - 5

Рис. 9. Станок для центробежного формирования изделий СЦФ-3

Рис. 10. Детали лебедок и транспортеров скольжения на основе эпоксидофторопластов

судостроительном заводе им. A.M. Горького, в Находкинском ППСО по

ремонту судового оборудования.

В работе приведены акты и результаты внедрения научно-технической

продукции.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Модифицированы полимерные композиционные антифрикционные материалы - эпоксидофторопласты - с использованием новых компонентов: мелкодисперсного фторопласта, углеграфитовых высокомодульных волокон, дисульфида молибдена и металлических порошков бронзы и свинца с целью улучшения физико-механических и триботехнических характеристик при работе без смазки и водных средах.

2. С использованием микроструктурного анализа при исследовании процесса смешивания эпоксидофторопластовых компаундов проведена оценка диспергирования фторопластовых и армирующих волокнистых наполнителей, определяющая степень гомогенности внутренней структуры получаемых антифрикционных материалов.

3. Экспериментально исследовано влияние новых наполнителей в эпоксидофторопластовые материалы - фторопласта Ф-4НТД, капролона, углеграфитовых волокон (грален, эвлон, УКН-5000) на физико-механические и триботехнические свойства. Установлено, что использование рубленных углеграфитовых микроволокон грален УКН-5000 вместо стекловолокон позволяет повысить износостойкость, прочность и уменьшить трение самосмазывающихся подшипников.

4. Для экспериментального изучения триботехнических характеристик новых материалов в широком диапазоне рабочих условий разработан измерительно-вычислительный комплекс ИВК МФТ, позволяющий исследовать, как радиальные, так и торцевые пары трения в диапазоне давлений 0,1-50 МПа, скоростей скольжения 0,1 - 100 м/с, рабочих температур (-70...+400°С).

5. В результате комплексного изучения свойств эпоксидофторопластовых материалов получены рабочие параметры (давление, скорость скольжения, параметр [pV], температурная стойкость, среда), позволяющие рекомендовать их для эксплуатации в узлах машин и оборудования. Исследование адгезионной прочности эпоксидофторопластов и других эпоксидных композиций на отрыв и на сдвиг позволило получить количественные характеристики для использования на практике.

6. Разработана и исследована технология переработки эпоксидофторопластового композиционного материала, армированного стекло- или углеграфитовыми волокнами (до 5 масс.%) способом центробежного формирования подшипников скольжения.

7. Разработаны и исследованы технология и специальное оборудование для технологического процесса - устройства для рубки волокна, дозирующе-смешивающие устройства, станок для центробежного формирования

изделий Определены рациональные параметры технологических операций измельчения волокнистых компонентов, смешивания и центробежного формирования.

8. Производственные испытания эпоксидофторопластовых подшипников в узлах судовых лебедок и конвейеров показали их высокую надежность в условиях трения без смазки и в водной среде, что позволило создать конструкцию лебедки, оснащенную только самосмазывающимися подшипниками и не требующую технического обслуживания и смазки в течение всего периода эксплуатации.

9. Применение эпоксидофторопластов вместо бронзовых материалов в направляющих тяжелых деревообрабатывающих станков, в опорных элементах телескопических рукоятей, в опорно-поворотных и шарнирных устройствах гидроманипуляторов и крановых установок позволяет продлевать срок эксплуатации и повысить надежность машин и оборудования.

10. Производственные испытания конструкции катка с самосмазкой для лесотранспортера позволило обеспечить наработку более 10 тыс. машиночасов до ремонта при круглогодичной эксплуатации.

И. Создана и реализована в промышленности технология и производственный участок для изготовления изделий на основе эпоксидофторопластов и конструкционных армированных эпоксидных компонентов. Ведется разработка механизированных технологий производства сложных конструкций из углепластиковых ПКМ - кабин для манипуляторов и рабочих колес для центробежно-компрессорных машин.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Патент № 2172678 РФ. Способ изготовления подшипника скольжения/ Иванов В.А., Богачев А.П., Тарасенко А.Т.

2. A.c. СССР № 1754465. Смеситель компаунда с отвердителем / Иванов В.А., Захарычев С.П., Тарасенко А.Т., Авдеев В.А.

3. Патент № 2179512 РФ. Способ изготовления антифрикционных изделий./ Иванов В.А., Тарасенко А.Т., Богачев А.П.

4. Патент № 2072917 РФ. Способ центробежного формирования изделий из полимерной композиции и устройство для его осуществления./ Иванов В.А., Захарычев С.П., Тарасенко А.Т., Авдеев В.А.

5. A.c. СССР № 1720867. Смеситель / Иванов В.А., Захарычев С.П., Тарасенко А.Т., Авдеев В.А.

6. A.c. СССР № 1684060. Устройство для резки нитей из искусственных волокон / Захарычев С.П., Иванов В.А, Тарасенко А.Т., Авдеев В.А.

7. A.c. СССР № 1830375. Траверса для лесоматериалов / Богачев А..П., Иванов В.А, Иванов Н.А, Тарасенко А.Т., Александров A.A.

8. A.c. СССР № 1666422. Траверса для лесоматериалов / Богачев А..П., Иванов В.А, Иванов Н.А, Тарасенко А.Т.

9. Патент РФ № 2179512. Способ изготовления антифрикционных изделий. / Иванов В.А., Богачев А.П., Тарасенко А.Т.

10. Тарасенко А.Т., Иванов В.А., Захарычев С.П. Модернизация кабин для манипуляторов лесных машин. Ремонт, восстановление, модернизация, № 3, 2002, с. 31-32.

11. Патент РФ № 2238448. Способ изготовления подшипника скольжения / Иванов В.А., Богачев А.П., Тарасенко А.Т. и др.

12. Патент РФ № 2243095. Способ изготовления подшипника скольжения / Иванов В.А., Богачев А.П., Тарасенко А.Т. и др.

13. Иванов В.А., Захарычев С.П., Тарасенко А.Т. и др. Ремонт подшипников опорно-поворотных устройств гидравлических манипуляторов. Леспром, Хабаровск, № 2,2004, с.12-13.

14. Иванов В.А., Захарычев С.П., Тарасенко А.Т. и др. Ремонт гидравлических двигателей лесных машин. Лесоэксплуатация. Вып. 5. Межвуз. сб. научн. трудов. 2004, Красноярск, с. 197-200,

15. Тарасенко А.Т., Захарычев С.П. Самосмазывающиеся материалы в узлах лесопромышленного оборудования. Лесной комплекс Дальнего Востока. Декабрь-январь 2003-2004, c.l 1.

16. Тарасенко А.Т., Иванов В.А., Захарычев С.П. Разработка кабин для манипуляторов лесных машин. Леспром, №1,2004, с. 11-12.

Тарасенко Андрей Трофимович

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭПОКСИДОФТОРОПЛАСТОВ И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ ПОДШИПНИКОВ

СКОЛЬЖЕНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать. Формат 60x84/16 Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,33 Уч.-изд. л. 1X Тираж 120 экз. Заказ

Отдел оперативной полиграфии издательства ГОУВПО ТОГУ 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

»15592

РНБ Русский фонд

2006-4 13220

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО АНТИФРИКЦИОННЫМ ПОЛИМЕРНЫМ МАТЕРИАЛАМ.

1.1. Обзор современных направлений повышения надежности и износостойкости нагруженных узлов трения.

1.2. Системный подход к проблеме триботехники самосмазывающихся ПКМ.

1.3. Антифрикционные материалы на основе фторопластов и термореактивных связующих.

1.4. Особенности технологии изготовления изделий из литьевых эпоксидных композитов.

Выводы.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Основы системного подхода к методологии создания и исследования самосмазывающихся подшипников на основе ПКМ.

2.2. Исходные компоненты, композиционные материалы и комбинированные конструкции подшипников скольжения.

2.3. Микроструктурное исследование наполнителей.

2.4. Методики исследования физико - химических, физико-механических, термических свойств и структуры полимерных композиционных материалов.

2.5. Методики и оборудование для триботехнических испытаний пар трения.

Выводы

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЭПОКСИДОФТОРОПЛАСТОВ.

3.1. Основы технологии производства триботехнических изделий.

3.2. Разработка и исследование технологии и оборудования для подготовки порошковых и волокнистых компонентов. 3.3. Разработка и исследование оборудования и технологии для смешивания, дозирования и подачи эпоксидофторопластовых компаундов.

3.3.1. Анализ процесса смешивания и создание дозирующе-смешивающего аппарата.

3.3.2. Методика исследования параметров конусного смесителя

Й 3.3.3. Исследование конструктивных и технологических параметров конусного смесителя ДСА.

3.3.4.Микроструктурное исследование процессов смешивания и гомогенизации.;.

3.4. Разработка и исследование технологии и оборудования для центробежного формирования и отверждения заготовок из материалов ЭФЛОНГ.

Выводы.

4.РЕЗУЛБТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЭПОКСИДОФТОРОПЛАСТОВ.

4.1. Исследование физико-химических свойств эпоксидофторопластов

4.2. Исследование адгезионной прочности эпоксидофторопластовых соединений.

4.3. Исследование механических свойств эпоксидофторопластов.

4.4. Изучение термостойкости композиционных

А эпоксидофторопластов.

4.5. Исследование триботехнических характеристик эпоксидофторопластов. v 4.5.1, Исследование влияния фторопластовых наполнителей.

4.5.2. Исследование влияния наполнителей на трибохарактеристики при работе эпоксидофторопластов в водных средах.

4.5.3. Работоспособность эпоксидофторопластовых материалов в масляных средах.

Выводы.

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ ПОДШИПНИКОВ.

5.1. Результаты производственных ресурсных испытаний судовых лебедок.

5.2. Внедрение направляющих для станков и телескопических рукоятей манипуляторов.

Hi 5.3. Разработка технологий ремонта узлов трения гидравлических манипуляторов.

5.4. Применение эпоксидофторопластов в катках транспортеров.

5.5. Создание опытной технологии производства самосмазывающихся эпоксидофторопластовых подшипников.

Качество машин, станков и оборудования в большой степени определяется параметрами надежности, которые в настоящее время недостаточны для большинства машиностроительных изделий, производимых и эксплуатируемых в России. Отказы техники, в основном, возникают в результате недостаточной износостойкости узлов трения [1,2,3].

Одним из направлений обеспечения надежности узлов машин является использование прогрессивных полимерных композиционных материалов (ПКМ) [4, 5, 6 - 19]. Наиболее высокие требования к ПКМ предъявляются для использования в подшипниковых узлах трения, это - низкий коэффициент трения, высокая несущая способность, износостойкость, самосмазываемость, антизадирная стойкость, вибро- и удароустойчивость, повышенная термостойкость и химическая стойкость к агрессивным средам [13, 17, 18 - 22].

За последние годы триботехническое материаловедение выдвинуло широкий класс антифрикционных самосмазывающихся материалов -наполненные фторопласты, металлополимеры, графитопласты, АМС-пластики, полимерные волокниты, металлофторопласты - применение которых значительно улучшило технические характеристики машин [5, 6, 10, 13, 104 - 108]. Применение новых ПКМ в узлах трения позволяет упростить и облегчить их конструкции, снизить трудоемкость и затраты на ремонт и обслуживание, повысить надежность при работе с низкими или высокими температурами, уменьшить загрязнение машин и окружающей среды.

В связи с развитием на Дальнем Востоке таких отраслей, как нефте-, газо- и горнодобывающая, дорожное строительство, лесозаготовительная и деревообрабатывающая, а также ростом транспорта и перерабатывающих технологий, важнейшей проблемой становится организация обслуживания и ремонта машин, а также производство запасных частей и комплектующих. Поэтому создание гибкого универсального производства триботехнических изделий на основе современных ПКМ является актуальной проблемой материаловедения и машиностроения. Данная технология должна быстро перестраиваться на серийное или индивидуальное производство, на изготовление заготовок различной формы и размеров, состав полимерного композита должен быть универсальным для широкого спектра условий эксплуатации, а также легко изменяться, при необходимости, на другой состав. Изделия на основе ПКМ должны быть ремонтопригодны и не ухудшать технические параметры машин.

Однако разработки российских ученых недостаточно активно внедряются в производство машин по причинам технологической отсталости, недостаточной информированности, низкой конкурентоспособности [91].

Выполняемые на протяжении последних лет в Тихоокеанском государственном университете исследования, показали перспективность применения эпоксидофторопластовых материалов для широкого спектра триботехнических изделий - подшипниковых и уплотнительных систем [15, 16, 56, 66, 92, 131]. Разработанные материалы технологичны, имеют высокую износостойкость, самосмазываемость, достаточно низкий коэффициент трения, работоспособны в нагруженных узлах трения. Данные материалы, изготовленные на основе эпоксидной смолы, фторопласта-4, твердых смазок, армирующих компонентов, металлических порошков получившие обозначения ЭФЛОНГ, ЭФ ЛАСТ и ФЭЛОН перспективны для дальнейшего развития и исследования, а также для создания механизированной гибкой технологии и оборудования для переработки и производства самосмазывающихся подшипников на основе ЭФ-материалов [15, 16]. Задача совершенствования составов ПКМ и их технологий отвечает требованиям современного машиностроительного и ремонтного производства.

Данная специфическая для машиностроителей технология производства эпоксидофторопластовых антифрикционных изделий требует разработки специального оборудования, станков, инструментов и приспособлений; исследования новых технологических способов и приемов; определения режимов переработки и изготовления триботехнических изделий; исследования свойств новых износостойких ПКМ в различных условиях эксплуатации; постоянного совершенствования и модификации составов ПКМ.

Ранее выполненные исследования [15,16,56,66,92,131] больше посвящены разработке и исследованию свойств эпоксидофторопластовых материалов и меньше вопросам технологии, специального оборудования и применению новых материалов в производственных условиях.

Решению этих задач и посвящена данная работа. В основном все экспериментальные и теоретические исследования выполнены в научно -исследовательской лаборатории композиционных материалов, на кафедрах Тихоокеанского государственного университета.

Целью настоящей работы является разработка новой группы эпоксидофторопластовых самосмазывающихся материалов с повышенной износостойкостью и прочностью, а так же повышение производительности и качества изделий за счет механизации и автоматизации технологии производства.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. Модификация и исследование эпоксидофторопластовых материалов с новыми антифрикционными и армирующими наполнителями для улучшения прочностных и триботехнических свойств.

2. Разработка новых составов эпоксидофторопластовых материалов и технологии их переработки и формирования изделий, содержащих в качестве матрицы эпоксидные литьевые смолы, а в качестве наполнителей и антифрикционных материалов - фторопласты, графит, дисульфид молибдена, металлические порошки, стекло- и углеграфитовые волокна.

3. Выполнение комплексных исследований влияния новых антифрикционных и армирующих наполнителей на физико-механические, адгезионные, структурные, триботехнические свойства разработанных ПКМ, а также установление их связи с технологическими параметрами.

4. Разработка методики и системы измерения свойств при триботехнических исследованиях параметров материалов в широком диапазоне скоростей скольжения, давлений, температур, и способов смазки.

5. Разработка и исследование специального оборудования позволяющего механизировать и автоматизировать основные операции переработки эпоксидофторопластов в изделия - подготовку армирующих компонентов, смешивание наполнителей со смолой, формирование подшипников центробежным способом.

6. Разработка опытных конструкций узлов на основе MAC и технологии производства изделий из эпоксидофторопластов.

7. Выполнение производственных и эксплуатационных испытаний, и внедрение самосмазывающихся подшипников в высоконагруженные узлы машин и оборудования на промышленных предприятиях Дальнего Востока.

Научная новизна работы

1. Модицифированы базовые составы эпоксидофторопластов с использованием новых компонентов в полимерных композиционных антифрикционных материалах: мелкодисперсного фторопласта, углеграфитовых высокомодульных волокон, дисульфида молибдена и металлических порошков бронзы и свинца с целью улучшения физико-механических и триботехнических характеристик при работе без смазки и водных средах.

2. Разработаны эффективные способы и устройства смешивания и дозирования высоковязких эпоксидных компаундов с комплексом волокнистых и порошковых наполнителей, а также отвердителей и пластификаторов.

3. При исследовании процесса смешивания эпоксидофторопластовых компаундов проведена с использованием микроструктурного анализа оценка диспергирования фторопластовых и армирующих волокнистых наполнителей определяющая степень гомогенности внутренней структуры получаемых антифрикционных материалов.

4. Разработан широтно-импульсный способ центробежного формования изделий из высоконаполненных эпоксидофторопластов и устройство для его реализации, позволяющие изменять получаемую структуру и эксплуатационные свойства самосмазывающихся подшипников скольжения.

Новизна проведенных исследований подтверждена также 12 авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Практическая ценность работы

1. Разработаны и исследованы материалы типа ЭФ ЛОНГ (МАС-1УКН, МАС-2УКН и др.) для эксплуатации в узлах трения без смазки и в воде при давлениях до 100 МПа.

2. Разработаны технические условия на материалы антифрикционные, самосмазывающиеся (ТУ 5.960 - 34.001.85) и технологические процессы изготовления триботехнических изделий методом центробежного формирования.

3. Разработана широкая гамма триботехнических изделий из материалов ЭФЛОНГ, включающая втулки и вкладыши подшипников, шарнирные соединения, направляющие, подшипниковые опоры для работы на открытом воздухе, без смазки или со смазкой, в водных средах, в диапазоне температур от -60°С до +120°С.

4. Создан универсальный стенд для триботехнических испытаний новых материалов и узлов трения - измерительно-вычислительный комплекс (ИВК МФТ).

5. Созданы опытные аппараты для дозирования и смешивания высоконаполненных эпоксидных композиций типа MAC.

6. Созданы опытные станки для центробежного формирования триботехнических изделий.

7. Создан и внедрен в производство опытно-промышленный участок по изготовлению триботехнических изделий центробежным методом на основе материалов ЭФЛОНГ.

8. Получены данные производственных и эксплуатационных испытаний подшипниковых и уплотнительных систем на основе материалов ЭФЛОНГ.

9. Материалы типа ЭФЛОНГ внедрены в высоконагруженных узлах машин и оборудования - подшипниках лебедок, опорах транспортера, в поворотных устройствах гидроманипуляторов, в гидроцилиндрах лесных и строительно-дорожных машин, в направляющих тяжелых деревообрабатывающих станков и др.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 39 работах, в том числе 12 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Работа рассматривалась и одобрена на расширенных научных семинарах кафедр «Машины и оборудование лесного комплекса» и «Литейное производство и технология материалов» Тихоокеанского государственного университета. Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Опыт применения автоматических станочных систем» Хабаровск, 1988; «Проблемы и перспективы применения полимерных материалов в народном хозяйстве Дальневосточного региона» Хабаровск 1989; «Оптимизация эксплуатационных свойств опор скольжения», семинар-школа «Триболог-бМ», Рыбинск, 1990; «Композиционные полимерные материалы», Ижевск, 1990; «Проблемы создания и эксплуатации технологического оборудования», Хабаровск, 1992; «Славянтрибо-4. Трибология и технология», Санкт-Петербург, 1997; «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (ТПКММ), Москва, 2005.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложений, списка литературных источников из 154 наименований. Включает 197 страниц печатного текста, 27 таблиц, 70 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Модифицированы полимерные композиционные антифрикционные материалы - эпоксидофторопласты - с использованием новых компонентов: мелкодисперсного фторопласта, углеграфитовых высокомодульных волокон, дисульфида молибдена и металлических порошков бронзы и свинца с целью улучшения физико-механических и триботехнических характеристик при работе без смазки и водных средах.

2. С использованием микроструктурного анализа при исследовании процесса смешивания эпоксидофторопластовых компаундов проведена оценка диспергирования фторопластовых и армирующих волокнистых наполнителей, определяющая степень гомогенности внутренней структуры получаемых антифрикционных материалов.

3. Экспериментально исследовано влияние новых наполнителей в эпоксидофторопластовые материалы - фторопласта Ф-4НТД, капролона, углеграфитовых волокон (грален, эвлон, УКН-5000) на физико-механические и триботехнические свойства. Установлено, что использование рубленных углеграфитовых микроволокон грален УКН-5000 вместо стекловолокон позволяет повысить износостойкость, прочность и уменьшить трение самосмазывающихся подшипников.

4. Для экспериментального изучения триботехнических характеристик новых материалов в широком диапазоне рабочих условий разработан измерительно-вычислительный комплекс ИВК МФТ, позволяющий исследовать, как радиальные, так и торцевые пары трения в диапазоне давлений 0,1 - 50 МПа, скоростей скольжения 0,1 - 100 м/с, рабочих температур (-70.+400°С).

5. В результате комплексного изучения свойств эпоксидофторопластовых материалов получены рабочие параметры (давление, скорость скольжения, параметр [paV], температурная стойкость, среда), позволяющие рекомендовать их для эксплуатации в узлах машин и оборудования.

Исследование адгезионной прочности эпоксидофторопластов и других эпоксидных композиций на отрыв и на сдвиг позволило получить количественные характеристики для использования на практике.

6. Разработана и исследована технология переработки эпоксидофторопластового композиционного материала, армированного стекло- или углеграфитовыми волокнами (до 5 масс.%) способом центробежного формирования подшипников скольжения.

7. Разработаны и исследованы технология и специальное оборудование для технологического процесса - устройства для рубки волокна, дозирующе-смешивающие устройства, станок для центробежного формирования изделий Определены рациональные параметры технологических операций измельчения волокнистых компонентов, смешивания и центробежного формирования.

8. Производственные испытания эпоксидофторопластовых подшипников в узлах судовых лебедок и конвейеров показали их высокую надежность в условиях трения без смазки и в водной среде, что позволило создать конструкцию лебедки, оснащенную только самосмазывающимися подшипниками и не требующую технического обслуживания и смазки в течение всего периода эксплуатации.

9. Применение эпоксидофторопластов вместо бронзовых материалов в направляющих тяжелых деревообрабатывающих станков, в опорных элементах телескопических рукоятей, в опорно-поворотных и шарнирных устройствах гидроманипуляторов и крановых установок позволяет продлевать срок эксплуатации и повысить надежность машин и оборудования.

10. Производственные испытания конструкции катка с самосмазкой для лесотранспортера позволило обеспечить наработку более 10 тыс. машиночасов до ремонта при круглогодичной эксплуатации.

11. Создана и реализована в промышленности технология и производственный участок для изготовления изделий на основе эпоксидофторопластов и конструкционных армированных эпоксидных компонентов. Ведется разработка механизированных технологий производства сложных конструкций из углепластиковых ПКМ — кабин для манипуляторов и рабочих колес для центробежно-компрессорных машин.

1. Композиционные материалы в машиностроении /Ю.Л.Пилиповский, Т.В. Грудина, А.Б. Сапожникова и др. Киев: Тэхника, 1990.- 141 с.

2. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

3. Трение, изнашивание и смазка: Справочник / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. Кн. 1.- 400 с.

4. Справочник по триботехнике: В 3 т. Т. 2: Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения / Под ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1990. - 416 с.

5. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1988. 328 с.

6. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / Е.В. Зиновьев, А.Л.Левин, М.М. Бородулин, А.В. Чичинадзе.; М.: Машиностроение, 1980. - 208 с.

7. Коршак В.В. Термостойкие полимеры. М.: Наука, 1969. - 381 с.

8. Брейтуэйт Е.Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия: Пер. с англ. / Под ред. В.В. Синицына. М.: Химия, 1967. -320 с.

9. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел: Пер. с англ. / Под ред. И.В. Крагельского. М.: Машиностроение, 1968. - 543 с.

10. Воронков Б.Д. Подшипники сухого трения. Л.: Машиностроение, 1968.- 140 с.

11. Николаев А.Ф. Технология пластических масс. Л.: Химия, 1977. -386 с.

12. Наполнители для полимерных композиционных материалов / Под ред. Г.С. Каца и Д.В. Милевски. М.: Химия, 1981.-736 с.

13. Семенов А.П., Савинский Ю.Э. Металлофторопластовые подшипники. -М.: Машиностроение, 1976. 192 с.

14. Истомин Н.П. Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторполимеров. М.: Наука, 1981.- 146 с.

15. Иванов В.А. Совершенствование материалов и конструкций узлов лесопромышленного оборудования: Обзор информ. М.: ВНИПИЭИ леспром., 1987. - 44 с.

16. Иванов В.А., Хосен Ри. Прогрессивные самосмазывающиеся материалы на основе эпоксидофторопластов для триботехнтческих систем. -Владивосток, Хабаровск: ДВО РАН, 2000. 429 с.

17. Крыжановский В.К. Износостойкие реактопласты. JL: Химия, 1984.- 121 с.

18. Погосян А.К. Трение и износ наполненных полимерных материалов. -М.: Наука, 1977.- 138 с.

19. Сагалаев Г.В., Шембель H.JT. Основные принципы создания композиционных полимерных материалов для узлов сухого трения / Фрикционные и антифрикционные пластмассы. М.: МДНТП, 1975. -С. 22-30.

20. Триботехнические свойства антифрикционных самосмазывающихся пластмасс / Под ред. Г.В. Сагалаева, H.J1.Шембель. М.: Изд-во стандартов, 1982. - 64 с.

21. Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. М.: Машиностроение, 1976. - 151 с.

22. Белый В.А., Свириденок А.И., Петроковец М.И., Савкин В.Г. Трение и износ материалов на основе полимеров. Мн.: Наука и техника. 1976. -430 с.

23. Композиционные материалы: Справочник / Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тернопольского. М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

24. Ли X. Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам: Пер. с англ. / Под ред. Н.В. Александрова. М.: Энергия, 1973. - 415 с.

25. Промышленные полимерные композиционные материалы / Под ред. М. Ричардсона; Пер. с англ. / Под ред. П.Г. Бабаевского. М.: Химия, 1980. - 472 с.

26. Справочник по композиционным материалам / Под ред. Дж. Любина. -М.: Мир, 1988.-Т. 1-2.

27. Чернин Э.И., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции. М.: Химия, 1982. - 232 с.

28. Структура волокон / Под ред. Д.В. Херла, Р.Х Петерса. М.: Химия, 1969.-400 с.

29. Зиновьев Е.В., Чичинадзе А.В. Физико-химическая механика трения и оценка фрикционных материалов. М.: Наука, 1978. - 206 с.

30. Металлополимерные материалы и изделия / Под ред. В.А. Белого. М.: Химия, 1979.-312 с.

31. Альперин В.И., Корольков Н.В., Мотовкин А.В. и др. Конструкционные стеклопластики. М.: Химия, 1979. - 360 с.

32. Евдокимов Ю.А., Барсуков Р.Х. результаты исследований антифрикционных свойств группы полимерных композиций, изготовленных на базе эпоксидных смол / Механика полимеров. 1972. -N1.-C. 87-90.

33. Хахалина Н.Ф., Русанова А.А., Лапиус А.С. Композиционные полимерные материалы для направляющих металлорежущих станков / Пластические массы. 1984. N 6. - С. 20 - 22.

34. Николаев А.Ф. Синтетические полимеры и пластмассы на их основе. -М.- Л.: Химия, 1966. 653 с.

35. Сысоев П.В., Близнец М.М., Зайцев А.Л. и др. Износостойкие композиты на основе реактопластов. Минск: Наука и техника, 1978. -192 с.в машиностроении: Тез. Докл. Науч.-техн. Конф. Минск, 1988. - С.26 -27.

36. Корюкин А.В. Металлополимерные покрытия полимеров. М.: Химия, 1983.-240 с.

37. Крыжановский В.К., Конова О.В. Влияние топологической структуры и физического состояния индивидуальных эпоксиполимеров на их трибологические особенности // Трение и износ. 1993. Т. 14. - N 2. - С. 322 - 327.

38. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / Под ред. В.Д. Зозули, E.JI. Шведкова, Д.Д. Раввинского, Э.Д. Брауна. Киев: Наук. Думка, 1990. - 264 с.

39. Сидоренко Г.А., Свидерский В.П., Герасимов В.Д., Никонов В.З. Антифрикционные термостойкие полимеры. Киев: Техника, 1978.246 с.

40. Баском В. Композиционные материалы. Т. 6: Поверхности раздела в полимерных композитах / Под ред. Г.М. Гуняева.- М.: Мир, 1978. С. 88-118.

41. Белый В.А. Егоренков Н.И., Плескачевский Ю.М. Адгезия полимеров к металлам. Мн.: Наука и техника, 1971. - 286 с.

42. Трение и износ полимерных композитов / Под ред. К. Фридриха. Л.: Химия, 1991.-305 с.

43. Сысоев П.В., Богданович П.Н., Лизарев А.Д. Деформация и износ полимеров при трении. Мн.: Наука и техника, 1985. - 239 с.

44. Сысоев В.П., Близнец М.М., Погосян А.К. Антифрикционные эпоксидные композиты в станкостроении. Мн.: Наука и техника, 1990. -231 с.47.48,49.