автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Разработка износостойкого нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с целью повышения работоспособности и долговечности металлополимерных герметизирующих устройств

На правах рукописи

Кургузова Олеся Александровна

РАЗРАБОТКА ИЗНОСОСТОЙКОГО НАНОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Специальность: 05.16.09 — Материаловедение (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск 2014

005552516

005552516

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: Машков Юрий Константинович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», профессор кафедры «Физика»

Официальные опноненты: Соколова Марина Дмитриевна

доктор технических наук, профессор, Институт проблем нефти и газа СО РАН, заведующий лабораторией

Тренихин Михаил Викторович

кандидат химических наук, старший научный сотрудник. Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Научно-технический комплекс «Криогенная

техника»

Защита состоится «24» октября 2014 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.10 при ФГБОУ ВПО «ОмГТУ» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ФГБОУ ВПО «ОмГТУ». Факс: 8 (3812) 65-25-79 E-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ОмГТУ».

Автореферат разослан «3 » 09 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.178.10 - .

к.ф.-м.н., профессор Суриков Вад.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Антифрикционные полимерные композиционные материалы широко применяются для изготовления уплотнительных элементов в различных видах современной техники и во многом определяют ее надежность и долговечность.

Задача повышения надежности и долговечности машин соответствует приоритетным направлениям развития науки, техники и технологии РФ «Индустрия наносистем» и «Перспективные виды вооружения, военной и специальной техники» и особенно актуальна для изделий криогенной техники и многоцелевых гусеничных машин (МГМ). Это объясняется тем, что ходовая часть этих машин, работающих в условиях бездорожья, пересеченной местности и водных преград, испытывает высокие динамические нагрузки, при этом подшипниковые узлы нуждаются в надежной защите от внешних загрязнений с абразивными частицами.

Анализ конструкций, условий эксплуатации и физических причин потери работоспособности герметизирующих устройств (ГУ) поддерживающих катков показал, что для устранения выявленных недостатков и повышения надежности ходовой части МГМ необходимо разработать и применить новый более износостойкий антифрикционный материал для уплотнительных элементов и усовершенствовать конструкцию герметизирующих устройств. Новый композиционный материал должен иметь более высокие по сравнению с эластомерными композитами триботехнические свойства и длительно сохранять их в заданных условиях эксплуатации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР: Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2012-2013 годы), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 годы) и гранта РФФИ (2012-2013годы).

Цель работы - повышение износостойкости полимерного антифрикционного композиционного материала в условиях эксплуатации при неудовлетворительной смазке в широком интервале температур, включая криогенные,

например, в качестве уплотняющих элементов металлополимерных герметизирующих устройств многоцелевых гусеничных машин (МГМ), обеспечивающее повышение работоспособности и долговечности герметизирующих устройств.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. На основе анализа известных материалов металлополимерных узлов трения и трибосистем разработать новый ПКМ на основе ПТФЭ, обладающий высокой износостойкостью и антифрикционностью в условиях эксплуатации при неудовлетворительной смазке в широком интервале температур.

2. Исследовать особенности процессов структурной модификации ПТФЭ введением наполнителей различного вида, в том числе комплексных с нанораз-мерными компонентами и их влияния на параметры надмолекулярной структуры полимерной матрицы ПКМ.

3. Исследовать закономерности влияния параметров надмолекулярной структуры ПТФЭ, наполняемого углеродными модификаторами на механические и триботехнические свойства ПКМ.

4. Исследовать влияние ограничения объемного теплового расширения заготовок ПКМ при их термообработке на структуру и свойства ПКМ.

5. Разработать конструкцию комбинированного герметизирующего устройства оси поддерживающего катка ходовой части МГМ с учетом физико-механических свойств материалов силового и уплотняющего элементов и условий эксплуатации ГУ.

6. Разработать установку и методику для исследования износостойкости уплотняющих элементов ГУ из нового ПКМ, оценить работоспособность и долговечность разработанного герметизирующего устройства.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности процессов структурной модификации наполненного ПТФЭ, отражающие взаимосвязь вида и концентрации полидисперсных модификаторов, включая наноразмерные, на морфологию, степень кристалличности и размеры кристаллических образований.

2. Получены зависимости механических и триботехнических свойств полимерных нанокомпозитов на основе ПТФЭ от концентрации углеродных нанотрубок (УНТ) в составе комплексного наполнителя модификатора и огра-

ничения объемного теплового расширения при термообработке ПКМ.

3. Разработан новый полимерный антифрикционный композиционный материал на основе ПТФЭ, износостойкость которого в условиях сухого трения в 1,9 раза превосходит износостойкость известных ПКМ (A.C. №1812190 МПК, патент РФ №2307130 С1).

Практическая значимость:

1. Разработано устройство для термообработки (спекания) заготовок полимерных композиционных материалов, обеспечивающее ограничение объемного теплового расширения в процессе термической обработки заготовок ПКМ и регулировку давления сжатия заготовок перед спеканием.

2. Разработана конструкция комбинированного герметизирующего устройства поддерживающих катков МГМ, с уплотняющими элементами из разработанного ПКМ, обеспечивающая значительное повышение работоспособности и долговечности ГУ по сравнению с серийными ГУ с резиновыми уплотнительными манжетами.

3. Разработаны методика и установка для проведения стендовых испытаний разработанных ГУ поддерживающих катков МГМ, обеспечивающие получения надежных оценок работоспособности и долговечности ГУ.

Личный вклад автора

Автор участвовал в обсуждении и постановке задач, решаемых в диссертационной работе, провел анализ известных методов повышения износостойкости и долговечности полимерных композиционных материалов, надежности и ресурса герметизирующих устройств. Автор диссертации принимал непосредственное участие в выборе наиболее эффективных структурно-активных модификаторов, в изготовлении образцов ПКМ и исследовании их структуры и физико-механических свойств, самостоятельно проводил расчет разрабатываемой конструкции герметизирующего устройства, разработал методику и участвовал в испытании герметизирующего устройства.

Автор выполнил анатиз и обобщение результатов экспериментальных исследований, участвовал в обсуждении и формулировке положений, выносимых на защиту.

Защищаемые положения и результаты:

1. Закономерности структурной модификации наполненного ПТФЭ, отражающие взаимосвязь вида и концентрации структурно-активных полидисперсных модификаторов и условий термообработки композиции с фазовым составом, морфологией и параметрами надмолекулярной структуры ПКМ.

2. Концентрационные зависимости триботехнических свойств разработанного полимерного нанокомпозита от концентрации углеродных нанотрубок в составе комплексного модификатора.

3. Новый полимерный антифрикционный композиционный материал с комплексным микро-наномодификатором, отличающийся более высокой в 1,9 раза износостойкостью по сравнению с прототипом.

Апробация работы

Основные результаты исследований и разработки докладывались и обсуждались на: международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2011); VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2012); научно-практической конференции «Броня-2012» (Омск, 2012); научно-практической конференции «Броня-2013» (Омск, 2013); V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск, 2013), III Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Омск, 2014).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 107 страниц текста, включая 34 рисунок, 5 таблиц и 4 приложения с результатами экспериментальных исследований характеристик механических и триботехнических свойств разработанного ПКМ и актами об использовании материалов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, связанной с задачей обеспечения и повышения работоспособности и долговечности материала уплотняющих элементов и герметизирующих устройств транспортных машин и технологического оборудования.

В первой главе диссертации приведен анализ структуры и свойств известных полимерных композиционных материалов и методов повышения их механических и триботехнических свойств, а также анализ конструкции и условий эксплуатации герметизирующих устройств поддерживающих и опорных катков ходовой части многоцелевых гусеничных машин. Показано, что поддерживающие катки работают в условиях интенсивного внешнего загрязнения, в процессе работы в зоне герметизации и трения образуется абразивная масса, приводящая к интенсивному изнашиванию уплотнительных манжет. Также причиной отказа серийных герметизирующих устройств является преждевременное старение, износ и повреждение уплотнительных резиновых манжет.

Названные причины определяют два направления работ для повышения работоспособности и долговечности ГУ: разработка и применение более износостойкого и долговечного материала для уплотняющих элементов (манжет), совершенствование конструкции герметизирующих устройств с учетом условий эксплуатации и свойств материала уплотнительных элементов.

Анализ работ в области триботехнического материаловедения показал, что наиболее перспективным материалом для уплотняющих элементов герметизирующего устройства следует считать полимерный композиционный материал (ПКМ) на основе ПТФЭ, который обладает высокой износостойкостью и антифрикционностью, а также стабильностью физико-механических свойств при эксплуатации в различных средах, широком интервате рабочих температур и при неудовлетворительной смазке, характерных для условий эксплуатации герметизирующих устройств многоцелевых гусеничных машин.

Кроме того, введение в ПТФЭ структурно-активных наполнителей при создании позволяет направленно изменять структуру материала, значительно

улучшая его физико-механические и триботехнические свойства. Выбор состава наполнителей должен обеспечить комплексное повышение свойств ПКМ триботехнического назначения в соответствии с заданными условиями эксплуатации.

С целью получения требуемого сочетания свойств композиционного материала на основе анализа ранее выполненных исследований и с учетом результатов предварительных исследований были выбраны три компонента для комплексного наполнителя: углеродные нанотрубки, полидисперсный скрыто-кристаллический графит природного происхождения (СКГ) и дисперсный дисульфид молибдена.

На основе результатов проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена выбору методов и средств экспериментального исследования структуры, механических и триботехнических свойств разрабатываемых полимерных композиционных материалов, влияния состава и концентрации наполнителей на свойства ПКМ, разработке установки и методики исследования работоспособности металлополимерного герметизирующего устройства в условиях, приближенных к условиям эксплуатации в ступицах поддерживающих катков МГМ.

В соответствии с задачами в работе использованы следующие методы и средства экспериментальных исследований:

1) исследование механических свойств ПКМ;

2) исследование триботехнических свойств ПКМ;

3) оптимизационное исследование состава разрабатываемого ПКМ;

4) исследование структурно-фазового состояния и надмолекулярной структуры наполненного ПТФЭ;

5) исследование износостойкости уплотнительных элементов и работоспособности разработанного герметизирующего устройства в условиях нагру-жения, соответствующих эксплуатационным.

Исследование механических свойств (предела прочности, модуля упругости, относительного удлинения при растяжении) проводили на разрывной машине Zwick Roell в соответствии с ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Методы испытания на растяжение».

Для исследований триботехнических свойств ПКМ использовали специальную установку-трибометр с механическим приводом на базе настольного сверлильного станка, в рабочем узле которого реализуется торцовая схема трения палец-диск (рис. 1).

Рисунок 1 — Рабочий узел стенда для испытания на трение и износ: 1 - корпус держателя образцов: 2 - втулка; 3 - контртело; 4 - опора: 5 - втулка-изолятор; 6 - держатель образцов; 7 - плита; 8 - кожух; 9 - шпиндель станка;

10 - шаровая опора

Структурно-фазовое состояние разрабатываемого ПКМ и влияние вводимых наполнителей на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры исследовали методом рентгеноструктурного анализа на рентгеновском дифрак-тометре D8 Advance. Полученные дифрактограммы расшифровывали по методике качественного фазового анализа. Параметры гексагональной кристаллической ячейки, степень кристалличности и размеры кристаллитов наполненного ПТФЭ рассчитывали по известным формулам, используя полученные дифрактограммы и соответствующие программные средства. Погрешность расчета параметров кристаллической решетки составляла 2 %, остальных величин - не более 5 %.

Оптимизацию состава по концентрации наполнителей разрабатываемого антифрикционного ПКМ проводили методом многокритериальной оптимизации с использованием ЛПт-последовательностей, которые обладают наилучшими характеристиками равномерности. В качестве независимых параметров создаваемого композиционного материала были приняты массовые концентрации компонентов: Кскг (СКГ), Кунт (УНТ). Кдм (ДМ). По результатам испытаний определялся оптимальный состав комплексного наполнителя.

Третья глава посвящена разработке нового полимерного композиционного материала и способов повышения эффективности структурной модификации. Выше было показано, что в условиях эксплуатации уплотнений ходовой части МГМ наилучшей работоспособностью и сохраняемостью обладают материалы на основе ПТФЭ, который и был принят в качестве полимерной основы для разрабатываемого полимерного нанокомпозита.

Известно, что структурная модификация ПТФЭ введением наноразмер-ных модификаторов, например, углеродных нанотрубок, способствует развитию структурообразующих процессов и приводит к изменению надмолекулярной структуры и повышению физико-механических и триботехнических свойств композиционного материала. Несмотря на то, что УНТ считаются весьма перспективными армирующими наполнителями-модификаторами благодаря своим прочностным свойствам и высокой структурной активности до настоящего времени не разработана технология создания ПКМ, обеспечивающая равномерное распределение нанотрубок в матрице. Предварительные наши исследования триботехнических свойств ПТФЭ, наполненного полидисперсным СКГ - 8 % масс, и УНТ с концентрацией нанотрубок в интервате 0,5...3,5 % масс., показали, что введение нанотрубок приводит к значительному повышению износостойкости ПТФЭ. Полученная концентрационная зависимость скорости изнашивания (рис. 2) имеет экстремальный характер с минимумом при концентрации 2,0 % масс.

При разработке нового ПКМ использовались результаты предварительных исследований с опыта широкого применения дисперсного дисульфида молибдена (ДМ) в качестве наполнителя в ПКМ на основе ПТФЭ. Поэтому в соответствии с методикой оптимизации состава разрабатываемого ПКМ в качестве независимых параметров исследуемой системы (композиционного материала) были выбраны массовые концентрации компонентов (СКГ, УНТ, ДМ) и критерии качества: скорость изнашивания (I) и коэффициент трения ((), а также критериальные ограничения: 1Кр = 18,5-10~4г/ч - скорость изнашивания и ^р = 0,11 - коэффициент трения материала-прототипа Криолон-5 для аналогичных условий испытаний. Согласно алгоритму многокритериальной оптимизации были определены пробные точки (8 точек) и составлена таблица для

испытаний 8 образцов различного состава с концентрацией компонентов в пределах: УНТ - (0,31-4,37), СКГ - (1,5-11,25), ДМ - (0,38-2,62) % масс. Результаты испытаний и значения независимых параметров приведены в таблице 1 (получено совместно с Кропотиным О.В.).

Рисунок 2 - Концентрационная зависимость скорости изнашивания ПКМ с наполнителем: 8 % масс.СКГ + (0,5-3,5)% масс.УНТ

Таблица I

Значения независимых параметров и результаты испытаний ПКМ

№ образца (пробной точки) Независимые параметры Критерий качества Л, 10"4 г/ч Критерий качества Г Е, МПа МПа (5,%

Кунт, % Кскг, % Кдм, %

1 2,5 6 1,5 10,2 0,13 179 15,0 97

2 1,25 9 0,75 5,7 0,11 187 12,7 135

3 3,75 3 2,25 13,4 0,12 149 20,0 50

4 0,63 7,5 2,62 8,2 0,11 197 16,5 177

5 3,12 1,5 1,13 11,4 0,13 166 14,9 115

6 1,87 4,5 1,88 8,2 0,13 187 17,0 162

7 4,37 10,5 0,38 10,5 0,14 110 9,5 67

8 0,31 11,25 2,06 10,3 0,13 110 12,0 135

Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что для всех исследуемых композиций выполняется условие 1<1Кр, однако условие ^^р, выполняется

лишь для двух композиций: № 2 и № 4. а для остальных композиций значение f незначительно превышает критериальное значение. Это может быть обусловлено влиянием неравномерного распределения УНТ в матрице и слабым адгезионным взаимодействием наполнителя с полимером.

Характеристики механических свойств ав, Е, 5 имеют относительно невысокие значения, но приемлемые для полимерных антифрикционных материалов триботехнического назначения. Значение модуля упругости сравнительно небольшое, что способствует повышению герметизирующей способности уплотнительных элементов. Таким образом, получены композиционные материалы, для которых значения скорости изнашивания меньше критериального на 30-70 %, при этом образец № 2 имеет наименьшую скорость изнашивания 5,7-10 "4 г/ч, а образцы № 4 и № 6 имеют .1 = 8,2-10 ~4г/ч. Средняя скорость изнашивания трех названных образцов равна 7,36-10"4 г/ч, что в 2,5 раза меньше .Гкр. На этом основании было принято решение не продолжать оптимизационное исследование и при дальнейших исследованиях использовать композиционный материал состава, соответствующего образцу № 2.

С целью повышения эффективности структурной модификации ПТФЭ полидисперсными наполнителями путем совершенствования технологического процесса исследовали влияние ограничения объемного теплового расширения в процессе термообработки (спекания) заготовок ПКМ. Для этого было разработано специальное закрытое устройство (рис. 3), ограничивающее тепловое расширение композиции при повышении температуры до температуры спека-

Рисунок 3 - Устройство для термообработки заготовок ПКМ в условия всестороннего сжатия: 1 - стакан; 2 - пуансон; 3 - пружина сжатия; 4 - опорное кольцо; 5 - регулировочный винт; 6 - заготовка ПТФЭ-композита

В устройство устанавливали прессованные заготовки образцов ПКМ и пружиной создавали необходимое давление сжатия образца в осевом направлении. Собранное устройство помещали в печь и производили термообработку -нагрев до 360 °С, выдержку при этой температуре и охлаждение по заданной программе. В таблице 2 приведены сравнительные характеристики механических и триботехнических свойств образцов ПКМ, термообработанных свободным спеканием и в условиях объемного ограничения теплового расширения.

Таблица 2

Характеристики механических и триботехнических свойств ПКМ, изготовленных при различных способах спекания

Способ спекания (термообработки) Характеристики свойств (средние значения)

Скорость изнашивания ,1,10"4 г/час Коэффициент трения, { Модуль упругости, " Е, МПа Предел прочности, ^В,МПа Относительное удлинение, 8,»/о

Свободное спекание 5,7 0,11 187 12,7 135

Спекание с ограничением теплового расширения 4,5 0,10 248 18,9 170

Приведенные данные показывают, что при спекании образцов в условиях ограничения теплового расширения предел прочности повышается на 48 %, модуль упругости - на 31,9 %, относительное удлинение - на 29 %. При этом скорость изнашивания уменьшается на 21 %, коэффициент трения - на 9 %. Следовательно, предлагаемый способ термообработки в закрытом устройстве является весьма эффективным. Подана заявка на этот способ и устройство для его реализации (совместно с Кропотиным О.В.) регистрационный № 20131225074 от 29.05.2013 г.

Исследование закономерностей структурно-фазовых превращений в матрице при модификации ПТФЭ комплексным наполнителем, в том числе с использованием рассмотренного способа термообработки, проводили методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии.

Полученные дифрактограммы отражают аморфно-кристаллическую структуру ПТФЭ и содержат полезную информацию в области углов дифракции 2в = 10° - 60° о кристаллической и аморфной фазах. На рисунке 4 по-

казана общая дифрактограмма поверхности ПКМ, полученного при спекании в условиях ограничения теплового расширения. Дифрактограмма содержит аморфное гало третьего порядка отражения от плоскостей (001) полимерной матрицы ПТФЭ и дифракционные максимумы (003) и (100) от ее кристаллических областей, а также рефлексы от наполнителей. Аналогичный вид имеет дифрактограмма от образцов ПКМ, полученных при свободном спекании.

2-ТЪев ■ 5са]г

Рисунок 4 - Дифрактограмма поверхности ПКМ, полученного при спекании в условиях ограничения теплового расширения образца состава: СКГ - 9 масс.%, Мо52-0,75масс.%, УНТ-1,25 масс.%, ПТФЭ-остальное

По положению дифракционных максимумов и их полуширине были рассчитаны параметры кристаллической ячейки «а» и «с», а также размеры кристаллитов «Ь». Полученные результаты (табл. 3) показывают, что параметры кристаллической ячейки «а» и «с» в пределах погрешностей измерений остаются постоянными и не зависят от степени наполнения полимера и условий термообработки. Невысокие значения степени кристалличности ПКМ, содержащих комплексный наполнитель, при относительно высоком среднем размере кристаллитов, свидетельствует о небольшой доле кристаллических структурных элементов.

Таблица 3

Результаты рентгеноструктурного анализа образцов Г1КМ

Способ изготовления образцов Параметры надмолекулярной структуры

а, им с, нм К, % L, нм

Свободное спекание 0,563 1,59 56 70

Спекание при ограничении теплового расширения 0,564 1,59 64 60

Для сравнения эффективности нового способа спекания образцов на рисунке 5 представлены концентрационные зависимости степени кристалличности ПКМ, полученного при свободном спекании и в условиях объемного ограничения теплового расширения.

CRT. % масс

Рисунок 5 - Концентрационная зависимость степени кристатличности ПКМ: 1 - при свободном спекании: 2 - при спекании с ограничением теплового расширения

(совместно с Кропотиным О.В.)

Приведенные зависимости показывают, что при свободном спекании степень кристалличности меньше во всем диапазоне концентраций, что связано с уменьшением уровня адгезионного взаимодействия частиц наполнителя и матрицы при свободном спекании и свидетельствуют о снижении структурной активности наполнителя и эффективности структурной модификации ПТФЭ при свободном спекании.

Методом электронной микроскопии установлено, что введение в ПТФЭ углеродных нанотрубок в количестве 1,5-3,5 % масс, приводит к измельчению исходной ламелярной структуры полимера (рис.6), которая разбивается нано-трубками на небольшие (относительно структуры ненаполненного ПТФЭ) сегменты.

Рисунок 6 ~ Микрофотографии скола образца ПТФЭ, содержащего 1.5 масс.% и 3.5 масс.% УНТ (увеличение 3500) (получено совместно с Кропотиным О.В.)

При этом наблюдается значительное изменение морфологии надмолекулярной структуры ПТФЭ с образованием кристаллических областей. Аналогичные изменения структурны наполненного ПТФЭ идентифицируются как сильно дефектные сферолиты. Образование сферолитов наблюдается вблизи и вдоль нанотрубок. Неравномерность распределения частиц в матрице приводит к наличию в композиционном материате областей, в которых отсутствуют нано-трубки и. соответственно, сферолиты. Эти области имеют большую дефектность. на микрофотографиях они выглядят рыхлоупакованными неструктурированными участками.

В четвертой главе приведены результаты разработки и испытания новой конструкции ГУ поддерживающего катка ходовой части. При разработке герметизирующего устройства в качестве прототипа использовали конструктивную схему ГУ оси опорного катка МГМ. согласно Патенту РФ № 2265767. С целью обеспечения взаимозаменяемости разрабатываемого ГУ и серийных герметизирующих устройств МГМ в разрабатываемой конструкции исключено регулировочное кольцо между силовыми и уплотнительными элементами, а также вместо одного уплотнительного элемента устанавливаются три. что способствует повышению надежности устройства

Для определения величины контактного давления уплотняющего элемента

16

на уплотняемую поверхность кронштейна поддерживающего катка был проведен анализ кинематики движения деталей, участвующих в преобразовании движения и передаче усилий между элементами конструкции поддерживающего катка.

1 2 3

Рисунок 7 - Расчетная схема уплотнительного элемента поддерживающего катка: 1 - уплотняемая поверхность вала; 2 - силовой элемент (резиновое кольцо): 3 - корпус ГУ; 4 - уплотняющий элемент: Ркх - давление, создаваемое уплотняющим элементом; Рк0 - давление, создаваемое силовым элементом

Выполнен расчет силы натяжения гусеницы и контактного давления Рк между уплотняющим элементом и сопряженной уплотняемой цилиндрической поверхностью кронштейна. Давление Рк является основным расчетным параметром конструкции герметизирующего устройства, определяющим условия и вид трения (коэффициент трения, температуру в зоне трения), степень изнашивания уплотняющего элемента, герметичность и ресурс уплотнения.

Величину контактного давления, необходимого для деформации уплотняющей губки вследствие износа в процессе эксплуатации АО,, и температурной деформации ДБ, с учетом модуля упругости материала уплотнительного элемента и его конструктивных параметров в первом приближении можно рассчитывать по выражению (1):

2ЕШ

р.-^о. + аад, (1)

где Е = 4-10 Па - модуль упругости разработанного ПКМ; I = 3-10" м - длина уплотняющей губки: Л = 0,810"3м — толщина уплотняемой губки; п. = 0,8-10" м

-длина контакта уплотняющей губки; О = 80Т0°м - диаметр уплотняемой поверхности вала; АЭ,, = 0,2-10~~м - изменение диаметра вследствие износа; ДБ( = 2 /¡(Оп-Ос^Д!- изменение диаметра вследствие изменения температуры.

Величина контактного давления, рассчитанная по выражению (1) с учетом износа и коэффициентов линейного температурного расширения ПКМ и стали составляет 0.1 МПа. С учетом давления, компенсирующего процесс старения и давления, которое испытывает каток под действием гусеничной ленты, суммарная величина контактного давления Рй составляет 1,36 МПа и является основой для оценки условий фрикционного взаимодействия элементов ГУ в условиях эксплуатации МГМ. На рисунке 8, 9 показаны уплотнительный элемент и герметизирующее устройство, спроектированные на основе расчетных геометрических параметров и с учетом взаимозаменяемости разрабатываемого ГУ с серийными уплотнениями оси поддерживающего катка.

Разработанное ГУ состоит из трех уплотнительных манжет из разработанного полимерного нанокомпозита. Уплотняющие губки манжет прижимаются к уплотняемой поверхности вала силовыми элементами (резиновые кольца круглого сечения).

Рисунок 8 - Уплотнительный элемент (манжета) ГУ поддерживающего катка

Рисунок 9 - Герметизирующее устройство поддерживающего катка МГМ: 1 - крышка; 2 - кольцо распорное; 3 - манжета; 4 - вал (кронштейн); 5 - стакан; 6 - силовой элемент

Испытание ГУ проводили на установке (рис. 10). оборудованной на базе токарного станка. Поддерживающий каток закрепляется в патрон токарного станка и поджимается упором задней бабки.

Рисунок 10 - Внешний вид установки для испытания герметизирующего устройства

Согласно методике, испытание проводили циклами с чередованием режимной работы и остановок. Продолжительность непрерывной работы в цикле

19

составляет 120 минут при частоте вращения привода 600 мин"1, что соответствует 5500 км пробега МГМ при продолжительности стендовых испытаний 180 часов. Перед испытанием и через каждые 40 часов производилось взвешивание и измерение внутреннего диметра манжет.

По результатам испытаний построен график зависимости диаметрального износа манжет Ad от продолжительности работы герметизирующего устройства (рис. 11). Из графика видно, что после 40 ч работы зависимость износа от времени становится практически линейной и пропорциональной продолжительности испытания со скоростью изнашивания, равной 4-10~6м/ч, при этом износ уплотняющей губки по диаметру составил 0.8 мм при допустимом износе 0,9 мм. Стендовое испытание в течение 180 часов при частоте вращения вала 600 мин"1 и скорости скольжения 2,5 м/с соответствует пробегу машины 5500 км со скоростью 30 км/ч.

Следовательно, разработанная конструкция ГУ с уплотнительными манжетами из нового нанокомпозита на основе ПТФЭ обеспечивает надежную работу уплотнений поддерживающих катков в течение пробега машин более 5500 км до среднего ремонта машины, соответствующего межремонтному ресурсу машин данного типа.

Рисунок 11 - Зависимость величины износа уплотнительного элемента Дс1 от времени работы ГУ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа неисправностей и отказов герметизирующих устройств ступиц поддерживающих и опорных катков ходовой части МГМ в условиях эксплуатации, определяющих вероятность безотказной работы серийной конструкции уплотнений, установлены физические причины отказов и определены пути повышения надежности и ресурса герметизирующих устройств поддерживающих катков.

2. Осуществлен обоснованный выбор полимерной основы и создан новый полимерный нанокомпозит на основе политетрафторэтилена (совместно с О.В. Кропотиным) (получено положительное решение от 05.05.2014 №2012146766/05(075134) о выдаче патента на изобретение), обладающий более высокой износостойкостью и умеренной жесткостью, отвечающих требованиям к материалам уплотняющих элементов герметизирующих устройств, определена оптимальная концентрация наполнителей-модификаторов.

3. Методами рентгеноструктурного анализа, прочностных и триботехни-ческих испытаний изучено влияние компонентов комплексного наполнителя на структуру и свойства модифицированного ПТФЭ, получены концентрационные зависимости параметров надмолекулярной структуры (степень кристалличности, размер кристаллитов) и триботехнических свойств разработанного нано-композита.

4. На основе результатов совместного анализа исследования структурно-фазового состояния, механических и триботехнических свойств ПКМ установлена взаимосвязь характеристик механических и триботехнических свойств ПКМ с фазовым составом и параметрами надмолекулярной структуры. При этом изменение степени кристалличности приводит к изменению скорости изнашивания, предела прочности и модуля упругости полимерного композиционного материала.

5. С целью повышения эффективности структурной модификации ПТФЭ комплексными полидисперсными модификаторами разработано приспособление для спекания ПКМ в условиях ограничения объемного теплового расширения, обеспечивающее регулирование давление сжатия на заготовку и приводящее к усилению контактного взаимодействия и адгезионных связей полимерной матрицы с наполнителем, что обеспечивает повышение характеристик механиче-

ских и триботехнических свойств.

6. Установлено, что при использовании наполнителей с развитой удельной поверхностью (нанонаполнители) «насыщение» матрицы наполнителем происходит при небольших концентрациях (несколько массовых процентов), в то время как при введении микроразмерного наполнителя СКГ это происходит при концентрации 8-10 % масс.

7. Разработана и испытана новая конструкция герметизирующего устройства ступицы поддерживающего катка, содержащего уплотнительные элементы из разработанного композиционного материала и силовые элементы - эспандеры из резиновых колец, обеспечивающая увеличение контактного давления при повышении давления рабочей среды и температуры, благодаря чему достигается повышение надежности и ресурса уплотнений больше заданного межремонтного ресурса.

8. Разработаны установка и методика стендовых испытаний герметизирующих устройств, обеспечивающие имитацию эксплуатационных условий работы уплотнений и получение количественных оценок износостойкости и ресурса уплотнений ступицы поддерживающего катка.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Машков, Ю.К. Новые износостойкие полимерные композиты материалов с углеродными наномодификаторами [Текст] / Ю.К. Машков, М.Ю. Байба-рацкая, A.A. Сырьева, O.A. Кургузова // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. науч. тр. по итогам междунар.науч.-техн. конф. - Вып. 14. -Брянск: БГИТА, 2011.-С. 128-131.

2. Машков, Ю.К. Разработка новых полимерных нанокомпозитов для герметизирующих устройств МГКМ [Текст] / Ю.К. Машков, М.Ю. Байбарац-кая, В.В. Дегтярь, O.A. Кургузова // Вестник Сибирского отделения академии военных наук. - Омск, 2012. - № 15.

3. Машков, Ю.К. Влияние углеродных наполнителей на теплофизические свойства и термодинамические функции ПТФЭ [Текст] / Ю.К. Машков, О.В.

Кропотин, В.А. Егорова, O.A. Кургузова // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VIII Междунар. науч.-техн. конф. - Кн. 2. - Омск: изд-во ОмГТУ, 2012. - С. 391-394.

4. Кропотин, О.В. Создание полимерного антифрикционного нанокомпо-зита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью [Текст] / О.В. Кропотин, Ю.К. Машков, O.A. Кургузова // Омский научный вестник. -2013. - № 2 (120). - С. 86-89.

5. Кропотин, О.В. Разработка полимерных композитов триботехнического назначения с микроразмерными модификаторами [Текст] / О.В. Кропотин, Ю.К. Машков, В.А. Егорова, O.A. Кургузова // Омский научный вестник. -2013. - № 2 (120). - С. 91-94.

6. Машков, Ю.К. Повышение надежности и долговечности уплотнений ходовой части МГМ [Текст] / Ю.К. Машков, О.В. Кропотин, М.Ю. Байбарац-кая. Б.Ш. Алимбаева, O.A. Кургузова, О.В. Малий // Вестник Сибирского отделения Академии военных наук. - Омск, 2013. - № 23. - С. 288-290.

7. Машков, Ю.К. Влияние полидисперсных модификаторов на структуру и износостойкость полимерных нанокомпозитов [Текст] / Ю.К. Машков, О.В. Кропотин, O.A. Кургузова, О.В. Чемисенко // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: материалы V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Кн. 1. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. - С. 89-92.

8. Кропотин, О.В. Влияние углеродных модификаторов на структуру и износостойкость полимерных нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена [Текст] / Ю.К. Машков, О.В. Кропотин, В.А. Егорова, O.A. Кургузова // Журнал технической физики. - 2014. - Т. 84, вып. 5. - С. 66-70.

9. Кургузова, O.A. Разработка и исследование полимерного нанокомпози-та для металлополимерных узлов трения [Текст] / O.A. Кургузова, Ю.К. Машков, О.В. Кропотин // Актуальные проблемы современной науки: материалы III регион, молодежной науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014.-С. 15-18.

На правах рукописи

Кургузова Олеся Александровна

РАЗРАБОТКА ИЗНОСОСТОЙКОГО НАНОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Специальность: 05.16.09 - Материаловедение (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати ! 1.08.2014. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать оперативная. Усл.-печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 791.

Отпечатано а типографии Омского автобронетанкового инженерного института 644098, г. Омск, 14 в/городок