Исследование ползучести антифрикционных полимерных покрытий
Автор: Иванов Сергей Иванович, Снежина Наталья Геннадьевна, Хомич Надежда Алексеевна
Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 2 (53) т.11, 2011 года.
Бесплатный доступ
Приведены результаты экспериментальных исследований особенностей ползучести полимерных покрытий непосредственно в подшипниках скольжения при повышенной температуре.
Статическая ползучесть, коэффициент типа нагружения, равенство мгновенных и равновесных модулей
Короткий адрес: https://sciup.org/14249531
IDR: 14249531
Текст научной статьи Исследование ползучести антифрикционных полимерных покрытий
Введение. Доказано [1], что в металлополимерных узлах трения с антифрикционными композиционными фторопластсодержащими покрытиями увеличение зазора трибосопряжения вызывают два процесса: изнашивание и вязкоупругая деформация при рабочих нагрузках.
Исследуемые полимерные покрытия, сформированные на базе тканых фторопластсодер-жащих каркасов и аморфного матричного связующего, являются вязкоупругими материалами [2]. Их ползучесть под нагрузкой, интенсифицированной объёмной температурой окружающей среды и генерируемой при трении, вносит существенный вклад в формирование зазора трибоконтакта, жёстко определяющего ресурс последнего.
Постановка задачи. Основной задачей проведённых экспериментальных исследований являлось установление вклада процесса ползучести композиционных полимерных покрытий в формирование зазора трибосопряжения непосредственно в процессе эксплуатации подшипника, а также ряда особенностей этого процесса.
Методика исследований. Установка для исследования процесса статической ползучести покрытия (рис.1) имеет винтовое нагружающее устройство с источником усилия в виде образцового динамометра сжатия ДОСМ–3–1; электронагревательный блок, температура которого регулируется хромель-копелевой термопарой и вольтметром марки МР64–02 со специальным устройством, релейно-контактный блок и собственно нагреватель, запитанный через лабораторный трансформатор.

Рис.1. Схема установки для исследования ползучести
Измерение деформаций осуществлялось рычажной системой с двумя индикаторными головками типа ИГ с ценой деления 0,001 мм (ход 1 мм). Во избежание влияния перекосов измерения проводились с двух сторон рычага и за искомую величину деформации принимался средний результат. При этом учитывался знак перемещений. Выполнялось не менее трех параллельных измерений. На первом этапе определялась ползучесть композита при нагружении между плоски- ми поверхностями, на втором – между цилиндрическими поверхностями, соответствующими условиям работы реального подшипника.
Образцы представляли собой полувтулки Ǿ14×10 с покрытием. Армирующая компонента, определяющая композиционную структуру покрытия, выполнялась на основе специальных технических тканей саржевого и атласного плетения, толщиной 0,24 – 0,55 мм. Диапазон варьирования переменных составлял: для напряжений 4,9 - 98,1 МПа, для температуры 294 - 474 ■ 10-2 К.
Анализ полученных результатов. Используя методику двойной параметризации [2], были получены модели первого уровня общего вида:
^(t ) = — +
E 0
—
—
—
к E- E о 7
1 — e
— Т
,
к
где — - действующие напряжения, МПа; E о и E го - соответственно мгновенный и равновесный модули композита при сжатии, МПа; t – время, мин; τ – постоянная времени ползучести, мин.
Параметрическая идентификация моделей типа (1) для исследуемых материалов, выполненная на основе экспериментальных исследований, позволила получить регрессионные модели второго порядка:
E о , E ю , т = a ■ b — T 2 ■ — — dT 2 , (2)
где a , b , c , d – параметры модели; T – температура, 10-2 К.
Параметры полученных моделей сведены в табл. 1, а графики зависимостей (2) представлены на рис.2 а, б .
Таблица 1 Примеры параметров моделей ползучести покрытий
Армирующая компонента композита |
Толщина покрытия, мм |
Тип пуансона |
Параметры модели (1) |
Параметры модели (2) |
|||
а |
b |
с |
d |
||||
Шестиремизный неправильный атлас |
0,47 |
Цилиндр |
Е 0 |
12,830 |
1,021 |
0,778 |
0,010 |
Е ∞ |
9,833 |
1,003 |
0,869 |
0,019 |
|||
τ |
5,983 |
0,950 |
0,103 |
0,009 |
|||
0,31 |
Цилиндр |
Е 0 |
5,205 |
0,998 |
0,987 |
0,019 |
|
Е ∞ |
4,959 |
0,994 |
0,982 |
0,021 |
|||
τ |
7,792 |
0,965 |
0,118 |
-- |
|||
Саржа 1/1 с 66,9% ПТФЭ |
0,29 |
Плоскость |
Е 0 |
4,385 |
1,001 |
1,097 |
0,016 |
Е ∞ |
3,565 |
0,986 |
1,142 |
0,022 |
|||
τ |
15,949 |
0,965 |
0,248 |
-- |


а) б)
Рис. 2. Зависимость мгновенного модуля ( а ) и постоянной времени ползучести ( б ) от термосилового нагружения (саржа 1/1 с 66,9% ПТФЭ)
Следует отметить, что напряжённо-деформированное состояние вязкоупругого покрытия существенно различается при нагружении между плоскими поверхностями и цилиндрическими, имеющими место в подшипнике скольжения. Наибольшую практическую значимость имеет последний тип нагружения, так как в этом случае деформация непосредственно увеличивает зазор в подшипнике.
Геометрические ограничения при смещении коаксиальных цилиндров (вал-втулка) и характер эпюры контактных напряжений в зоне трения подшипника скольжения приводят к неравномерной деформации ползучести. Для ее оценки было выбрано смещение центра вала или его диаметрального сечения в вертикальной плоскости. В качестве характеристики типа нагружения (плоская или цилиндрическая контактная поверхность) предложен параметр К ТН , равный отношению абсолютных деформаций при разных типах нагружения.
Результаты сравнительных экспериментальных исследований ползучести приведены в табл. 2.
Таблица 2
Абсолютная вязкоупругая деформация покрытий на основе саржи, мм
Тип |
Контактные напряжения, МПа |
||||||
4,9 |
20,4 |
35,9 |
51,4 |
66,9 |
82,9 |
98,1 |
|
нагружения |
Параметр К ТН |
||||||
1,338 |
1,705 |
1,790 |
1,891 |
1,965 |
2,046 |
2,102 |
|
Плоский |
0,071 |
0,078 |
0,081 |
0,083 |
0,086 |
0,087 |
0,088 |
Цилиндрический |
0,095 |
0,133 |
0,145 |
0,157 |
0,169 |
0,178 |
0,185 |
По данным табл. 2 построена адекватная эмпирическая модель зависимости параметра К ТН от контактных напряжений:
К ТН = 1,075 ст 0,15 .
Перемещение вала в подшипнике с композиционным покрытием может быть определено как произведение выражений (1) и (3) с учётом исходной толщины покрытия H :
5 ( t ) = 1,075 • H • ^ 1,15
--+
E 0
V E да
—
E
A
• 1 — e
—
t A
т
,
0 7
V
где δ – абсолютная деформация покрытия в диаметральном сечении сопряжения подшипник-вал, мм.
Анализ полученных моделей и графиков показывает, что зависимости модулей E 0 и E х от термосилового нагружения носят аналогичный характер, так как модели аналогичны по структуре, а их параметры близки по величине. Температура, пластифицируя матрицу, уменьшает жёсткость покрытия, а напряжения, затрудняя подвижность сегментов макромолекул, повышает её. Это характерно для всех антифрикционных покрытий данного класса [2].
В исследованном диапазоне нагружения величина контактных напряжений сжатия влияет на покрытия существенно интенсивнее температуры. Подобный факт может быть объяснён распределением фторопластовых волокон в армирующей композит ткани и полным отсутствием адгезии матричного связующего к фторопласту, что заставляет относительно легко деформировать аморфную матрицу.
Противоположное влияние напряжений и температуры приводит к экстремальной (min) зависимости постоянной времени ползучести от этих параметров (см. рис. 2, б ). Напряжения определяют величину вязкоупругой деформации в начальный период нагружения, а температура – общую продолжительность процесса.
Существенный интерес представляет соотношение мгновенного и равновесного модулей покрытия, которое может быть использовано для оценки упругой и вязкой составляющих деформации при формировании зазора в трибосопряжении.
Это соотношение для исследованного покрытия на основе саржи 1/1 с 66,9% политетроф-торэтиленовых волокон будет:
EL- - 1,230-1,013-T2 а°,°06T2 -0,045, (5) E „ для покрытий на основе неправильного атласа толщиной 0,55 мм:
E ^ - 1,305 - 1,017 — T 2
E »
^ 0,01 T 2 - 0,09
Следует отметить, что структура выражений (5) - (6) свидетельствует о наличии зоны поверхности отклика, где выход не зависит от параметров модели, поскольку влияние температуры и напряжений противоположно.
Особый интерес представляет задача для этих зависимостей, заключающаяся в отыскании области изменения значений параметров T и σ , которые обеспечат равенство этого отношения единице. Подобный факт равенства модулей E 0 = E го в исследованном диапазоне факторного пространства может существенно упростить инженерные расчёты.
Для нахождения этой области формализуем задачу, введя буквенные обозначения числовых параметров, входящих в (5) и (6):
7 - T2 cT2 -di а -1,
<при оф...^ ],
T ^ [ T min , T max ] .
Логарифмируя уравнение (7), получаем:
[c In(а)- In(b)T2 - [d In(а)- ln(a)] - 0 ^ T(а) - dLn^pLLZn^pn.(8)
\ c In ( а ) - ln ( b )
Здесь решение уравнения (7) представлено в виде функции от параметра σ , что позволяет, изменяя σ внутри исследованного диапазона, получить все соответствующие значения температуры. То обстоятельство, что выражение, стоящее под квадратным корнем, должно быть неотрицательным, накладывает дополнительные ограничения на допустимые значения напряжений σ .
Вещественные значения температуры могут быть получены при |
||||
d In ( о ) - In ( a ) > 0 c In ( о ) - In ( b ) > 0 |
о > exp о > exp |
( In ( a )/ d ) ( ln ( b У c ) |
(9) |
|
> о > max ' exp ( ln ( a ) [d ) ,exp ( |
ln ( Ь )/ c ) ] = о 2 , |
|||
1 |
d In ( о ) - In ( a ) < 0 c ln (о)- ln ( b ) < 0 |
о < exp ^о < exp |
ln ( a )/ d ) ln ( b V c ) |
(10) |
> о < min ' exp ( In ( a )/ d ) ,exp ( l |
n ( b V c ) ] = ° i - |
Как видно из выражения (8), зависимость температуры от напряжений, при которой удовлетворяется (7), нелинейная.
Зона равенства модулей в реально исследованном и достижимом диапазоне температур и контактных напряжений существует только у относительно толстого покрытия (0,53 – 0,56 мм), сформированного на основе неправильного атласа.
В общем случае, но особенно для этого материала, представляет интерес поведение корней уравнения (7) при совместном изменении температуры и контактных напряжений. Чтобы выяснить это, левая и правая части уравнения (7) были протабулированы в области реально исследованных изменений переменных факторов и представлены в виде графиков на рис.3.

Рис. 3. Точки пересечения линий семейства корней уравнения (7) и прямой Y = 1 , обеспечивающие равенство модулей
Для большей наглядности на графике приведено семейство кривых, представляющих левую часть уравнения (7) при различных температурах. Точка пересечения линии при T = 295 К с горизонтальной прямой Y = 1 дает величину напряжения, соответствующего температуре, при которой модули E о и E го равны. Интересно отметить, что все кривые семейства пересекаются в точке, соответствующей ранее определенному напряжению.
Выводы. Экспериментальные исследования вязкоупругого поведения антифрикционных композиционных покрытий позволили установить, что деформация ползучести достигает 18,5%, что составляет значительную долю рабочего зазора подшипника. Кроме того, установлены основные закономерности протекания этого процесса в покрытиях разной структуры. Впервые получены регрессионные модели, описывающие ползучесть непосредственно в самом подшипнике, и позволяющие выявить особенности противоположного влияния на вязкоупругую деформацию нагрузки и температуры, вызывающую эффект равенства мгновенных и равновесных модулей полимерного покрытия.
Список литературы Исследование ползучести антифрикционных полимерных покрытий
- Белый В.А. Металлополимерные материалы и изделия/В.А. Белый, М.И. Егоренков, Л.С. Корецкий и др. -М.: Химия, 1979. -312 с.
- Кохановский В.А. Идентификация металлополимерных трибосистем/В.А. Кохановский//Пластические массы. -1997. -№6. -С. 28-32.