Экспериментально-расчетное установление нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации СВМПЭ и композита на его основе

Благодарности. Работа выполнена в рамках Госзадания Министерства науки и высшего образования РФ № 122011100162–9 с использованием научного оборудования Центра коллективного пользования ФИЦ ЯНЦ СО РАН, грант № 13.ЦКП.21.0016.

Цитирование: Гоголева О. В. Экспериментально-расчетное установление нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации СВМПЭ и композита на его основе / О. В. Гоголева, Е. С. Колесова, П. Н. Петрова, Р. С. Тихонов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2023, 16(6). С. 676–684. EDN: NOQTDX ляющий удельную мощность трения. Известно, что чем выше способность материала снижать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку, тем больше допустимое значение параметра PV [6]. Взаимодействие контактирующих в трибосопряжении тел, в особенности при повышении температуры в зоне контакта, сопровождается протеканием деформационных, химических, термических и прочих процессов на поверхности контакта [7–9]. Ввиду того, что СВМПЭ является химически инертным и износостойким материалом, ограничивающим фактором в процессе трения является, прежде всего, протекание термических процессов вследствие низкой теплостойкости полимера.

В связи с этим в данной статье приведены экспериментально-расчетные результаты испытаний определения предельно допустимых условий эксплуатации разработанных полимерных композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ).

Объекты и методики исследований

Объектами исследования являются СВМПЭ марки GUR 4150 (Celanese, Китай). Наполнитель – углеродное волокно (УВ) марки Белум (ОАО “СветлогорскХимволоконо”, Беларусь). Образцы получали по технологии горячего прессования. Триботехнические испытания проводили на машине трения ИИ-5018 по схеме «диск-диск», контртело-сталь твердостью 45–50 HRC. Момент трения фиксировали с помощью бесконтактного индуктивного датчика, подающего электрические сигналы на цифровой милливольтметр, который показывает и записывает величину измеряемого момента трения в процессе испытания образцов, и рассчитывали коэффициент трения. Температуру в зоне контакта образец-стальное контртело определяли пирометром Mastech MS 6530B. Площадь дорожки трения вычисляли по программе ImageJ 1.46r.

В работе [10] были проведены ускоренные триботехнические испытания. Выявлено, что допустимые нагрузочно-скоростные режимы эксплуатации полимерного композита на основе СВМПЭ, модифицированного 5 мас.% УВ, при сухом трении составляют 800 Н, 600 Н, 300 Н, 200 Н при 0,2 м/с, 0,5 м/с, 0,75 м/с и 1 м/с соответственно.

Однако ускоренные испытания не дают полного представления о том, как материал будет себя вести в реальных условиях эксплуатации, так как в результате длительного теплового воздействия протекание необратимых деформаций может интенсифицироваться при меньших нагрузках, оказываемых на изнашиваемый материал. Ускоренные испытания дают информацию о том, при каких режимах сразу начинаются необратимые деформационные процессы в материале, при котором недопустима эксплуатация изделий. В связи с этим для уточнения выбора допустимых нагрузочно-скоростных режимов, определенных ускоренными испытаниями, проведены трибоиспытания сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и полимерного композиционного материала (ПКМ) на его основе, модифицированного углеродным волокном (УВ) марки «Белум» (табл. 1) на машине трения ИИ-5018 по ГОСТ Р 50–54–107–88. Время испытания составляло 3 часа.

Обсуждение результатов

Из табл. 1 видно, что значения коэффициента трения, площади дорожек трения и температур в зоне фрикционного контакта возрастают при длительных испытаниях, что соответствует вязкоупругому поведению изнашиваемого материала во времени.

Таблица 1. Сравнение результатов триботехнических испытаний СВМПЭ и ПКМ в зависимости от метода и режимов трения

Table 1. Comparison of the results of tribotechnical tests of UHMWPE and PCM depending on the method and friction modes

Образец	Режим трения		I, мг/ч	f	T п , °C	S, мм 2	Дорожка трения
СВМПЭ	0,2 м/с 600 Н	3 ч	0,37	0,29	78,3	75,65
		ускоренный	-	0,14	53,0	44,7
	0,2 м/с 700 Н	3 ч	--	--	100,2	99,79
		ускоренный	-	0,16	65,2	54,2
	0,5 м/с 400Н	3 ч	5,26	0,30	90,0	104,9
		ускоренный	-	0,23	72,6	49,7
СВМПЭ + 5 мас. % УВ	0,2 м/с 800Н	3 ч	0,10	0,17	97,8	89,76
		ускоренный	-	0,21	68,7	66,5
	0,5 м/с 500 Н	3 ч	1,2	0,18	92,4	70,6
		ускоренный	-	0,21	69,2	42,3

Проведением ускоренных трибоиспытаний было определено, что критическая нагрузка, при которой начинают развиваться процессы деформации СВМПЭ, составляет 700 Н при скорости вращения вала 0,2 м/с. Было проведено трибоиспытание при этом режиме. По истечении 30 мин образец начал деформироваться, температура в зоне трения превысила 100 °C. Установлено, что при нагрузке 600 Н при этой же скорости образец не теряет форму, максимальная температура в зоне трения составляла 78,3 °C. Выявлено, что максимальное трибонагружение при скорости скольжения вала 0,5 м/с, которое выдерживает образец СВМПЭ, составляет 400 Н.

Установлено, что полимерный композит выдерживает нагрузку 800 Н и 500 Н при скоростях вращения контртела 0,2 м/с и 0,5 м/с соответственно. Из табл. 1 видно, что поверхность трения покрыта наплывами и приобретает волнообразный вид. Видимо, за счет температурных вспышек в точках контакта происходит локальное выплавление не только материала, но и частиц износа, не успевших выйти из зоны трения. В этом случае происходят процессы самозалечивания трещин и микротрещин на поверхностях трения композита, возникших в процессе трения [11].

На основании проведенных трибоиспытаний установлены допустимые нагрузочно-скоростные режимы эксплуатации разработанных материалов. Для СВМПЭ они составляют 120–200 Н*м/с, для композита с содержанием 5 мас.% УВ марки «Белум» – 160–250 Н*м/с. На основе ускоренных трибоиспытаний и принимая во внимание разницу в показателях ускоренных и длительных испытаний можно утверждать, что при повышении скорости скольжения до 0,75 и 1 м/с температура в зоне фрикционного контакта через определенное время достигнет критического значения, после которого эксплуатация полимерных материалов на основе СВМПЭ станет недопустимой вследствие протекания необратимых пластических деформаций в поверхностном слое, приводящих к изменению размеров и формы трущегося материала.

Для подтверждения результатов определения допустимых режимов трения ПКМ на основе СВМПЭ и углеродного волокна марки «Белум» использовано математическое моделирование трибопроцесса, исходя из того, что максимально допустимая температура на рабочей поверхности в процессе трения для разработанных материалов на основе СВМПЭ составляет 100 ºС [12].

Постановка задачи

Рассмотрим расчетную область испытания образцов материалов на трение и износ по схеме «диск-диск». На рис. 1 стальной диск Ω₁ на валу совершает вращательное движение, он контак-тируется с неподвижным образцом испытуемого полимерного композиционного материала Ω₂, в области контакта S происходит трение.

Рис. 1. Расчетная область испытания образцов на трение и износ по схеме «диск-диск»

Fig. 1. Estimated area of testing samples for friction and wear according to the “disk-disk” scheme

Представленная задача описывается трехмерным стационарным уравнением теплопроводности с фрикционным тепловыделением в зоне контакта и с конвективным членом в области контртела с валом, учитывающим скорость вращения [13]:

Мощность источника теплоты в зоне контакта, возникающей в результате трения, определяется по формуле

Q = fFwdiskcos (ф)5(х - x)5(y - y)6(z - z),

(x,y,z)ES,  -(р0<ср<ф0, где T – температура; x, y, z – декартовые координаты; λi – коэффициент теплопроводности; i = 1 в области Ω1, i = 2 в области Ω2; C 1 – объемная теплоемкость стального диска; ω – угловая скорость вращения контртела; wdisk – линейная скорость; φ0 – угол контакта; F – сила поджатия.

В начальный момент времени пара трения имеет однородное распределение температуры окружающей среды T 0 , на границах задаются граничные условия первого и третьего рода, на подвижных свободных поверхностях, в зависимости от скорости вращения контртела, вычисляется коэффициент конвективного теплообмена с окружающей средой α i [14].

Для выполнения граничного условия первого рода на одном конце вала в расчете осуществляется замер температуры на поверхности вала, поскольку происходит отвод тепла к машине трения через стальной вал. Чтобы избежать замера температуры на поверхности вала на последующих экспериментах, на расчетной модели удлинен вал на Δ, который будет имитировать теплоотвод к машине трения.

Сравнение результатов трибоиспытаний и вычислительных экспериментов

Поставленная задача решалась методом конечных элементов с использованием пакета программы свободного доступа Dolphin/FEniCS. Разбиение расчетных областей Ω1 и Ω2 на конечные объемы в форме тетраэдров осуществлялось программой GMSH. Вычислительные эксперименты проводились при следующих геометрических размерах: радиус диска из полимерного композиционного материала составлял 0,027 м, радиус стального диска – 0,023, толщина дисков образца и контртела – 0,012 м, стальной диск жестко закреплен к валу с радиусом 0,015 м, который выступает слева и справа от диска на 0,038 и 0,01 м соответственно.

Сила поджатия композиционного материала к стальному диску составляла 800 Н, скорость вращения 0,2 м/с и 500 Н – при 0,5 м/с. Продолжительность эксперимента составила 3 часа, после чего максимальная температура на выходе из скользящего контакта равнялась около 97,8 и 92,4 °C; площадь следа трения 89,76 и 70,6 мм2, коэффициент трения регистрировался машиной трения и равнялся 0,17 и 0,18 соответственно (табл. 1).

В расчетах приняты следующие значения теплофизических характеристик материалов. Объемная теплоемкость и теплопроводность стали контртела: С 1 = 3,7∙10⁶ Дж/(м³·°C),

– 681 –

Рис. 2. Распределение температур: а – тепловизионный снимок стенда испытаний ПКМ в момент времени 180 минут (0,2 м/с 800 Н); б – расчет по математической модели

б

Fig. 2. Temperature distribution: a – thermal image of the PKM test stand at the time of 180 minutes (0.2 m/s 800 N); b – calculation according to the mathematical model

λ 1 = 45,4 Вт/(м·°C), коэффициент теплопроводности исследуемого композита принимался равным 0,42 Вт/(м·°C), рассчитанный согласно уравнению Максвелла для двухфазных систем [15].

На рис. 2 представлены температурные поля, полученные с помощью тепловизора марки NEC TH7102WV и рассчитанные математическим аппаратом, в конечный момент времени максимальная температура на выходе из зоны трения составляла 97,8 и 97,2 °C соответственно.

Поскольку в математической модели не учитывается напряженно-деформированное состояние при высоких нагрузках и также не учитывается фазовый переход композита при высоких температурах в зоне трения, результаты расчетов при фрикционной температуре, превышающей предельно допустимую рабочую температуру композиционного материала, будут иметь значительную погрешность вычисления. Тем не менее адекватность математической модели для композиционного материала СВМПЭ + 5 мас.% марки «Белум» подтверждается сопоставлением расчетных и экспериментальных результатов при фрикционной температуре до 100 °C.

Таким образом, математическими расчетами подтверждены экспериментально установленные предельные нагрузочно-скоростные режимы для композита на основе СВМПЭ при скорости скольжения вала 0,2 м/с.

Заключение

На основании проведенных трибоиспытаний на машине трения ИИ-5018 по схеме, имитирующей работы подшипников скольжения, установлены допустимые нагрузочно-скоростные режимы эксплуатации СВМПЭ и композита на его основе. Для СВМПЭ они составляют 120– 200 Н*м/с, для композита с содержанием 5 мас.% УВ марки «Белум» – 160–250 Н*м/с. Предельный нагрузочно-скоростной режим эксплуатации ПКМ был подтвержден вычислительными расчетами математической модели процесса трибосопряжения. Полученные данные позволяют сформулировать рекомендации по практическому применению разработанных материалов в различных трибоузлах, где используются полимерные подшипники скольжения.