Определение коэффициента трения композиционного материала на основе терморасширенного графита с кремнийорганическим связующим

В условиях интенсивной эксплуатации шаровых кранов, предполагающей стойкость к воздействию высоких температур (от +200 до +550ºС), агрессивных сред, абразивного материала одним из факторов, ограничивающих их надежность, является недостаточная износостойкость уплотнения в области контакта пары «шар-седло» [1, 2]. Одним из основных показателей работы уплотнений шаровых кранов является усилие, затрачиваемое на поворот шара, которое пропорционально коэффициенту трения [3]. В этих условиях актуальной задачей современного арматуростроения следует считать разработку новых износостойких материалов с низким коэффициентом трения для уплотнительных элементов, повышающих эффективность эксплуатации оборудования в диапазоне температур от 200ºС до 550ºС [1].

Цель работы: экспериментальное установление зависимости коэффициента трения от содержания в композиционном материале (КМ) кремнийорга-нического связующего, удельной нагрузки и скорости скольжения.

Образцы КМ были произведены при тщательном смешивании порошков терморасширенного графита (ТРГ), полученного измельчением в две стадии [4], кремнийорганического связующего односторонним сжатием компонентов смеси, которые засыпали в удлиненную вертикальную форму

со съемным дном [5]. КМ на основе ТРГ были спрессованы при давлении 60 МПа в течение 60 сек. и затем термообработаны в течение 30 мин. при температуре 200±10°С. Коэффициент трения и износ колец по сухой поверхности контртела в виде диска из стали 20Х13 с твердостью 50 HRC и шероховатостью Ra=0,84 мкм определяли на испытательной машине МИ-40КУ со специально разработанным приспособлением по схеме «кольцо-диск» (рис. 1) [1, 3] при комнатной температуре и относительной влажности 25%.

Рис. 1. Приспособление для исследования изнашивания: 1 – кольцевой образец; 2 – захват; 3 – контртело; 4 – самоустанавливающийся захват

Кольцевой образец 1 размером ø50хø70х10 мм закрепляли в захвате 2 , который через переходник крепился к выходному валу кручения испытательной машины МИ-40КУ (на рис. 1 не показаны).

Контртело в виде диска 3 устанавливали в самоус-танавливающемся захвате 4 , который через переходник крепился к комбинированному датчику силы и момента (на рис. 1 не показаны). Момент трения записывали через систему сбора данных на компьютер, а затем рассчитывали коэффициент трения. Перед началом каждого испытания поверхность контртела очищали с помощью ацетона [1].

Исследования проводили в соответствии с методикой планирования экспериментов. Каждую из серий испытаний выполняли в рамках полного факторного эксперимента. Факторы – содержание в КМ кремнийорганического связующего ( n ), удельную нагрузку ( P ) и скорость скольжения ( V ) задавали на двух уровнях (минимальном и максимальном). Каждый эксперимент при выбранной комбинации факторов повторяли по 5 раза. Чтобы исключить влияние случайных ошибок, вызванных внешними условиями (переменой температуры, качеством сырья, квалификацией лаборанта и т. д.), рандомизировали опыты во времени, т.е. очередность их проведения выбирали случайным образом.

Для построения зависимостей коэффициента трения и износа от давления P и содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционном материале использовали математическую модель первого порядка в виде полинома [6]

У ^0 ”*” ^-1 ^i^i "*~ ^:^ji ^ij^i^j . (1)

В этом случае факторы кодировали по формуле

где Xi – кодовое значение i -го фактора; xi – натуральное текущее значение i -го фактора; xi0 – начальный (нулевой) уровень фактора; Δxi – интервал варьирования i -го фактора:

Дх, =

xi mcA' -*i min

При проведении исследований по определению механических [7, 8] и триботехнических [2, 9] характеристик использовался Симплекс-вершин-ный план эксперимента с дополнительными внутренними точками. По этому плану содержания модифицированной силиконовой смолы в КМ были 10, 20, 30, 40 и 50 масс.% . Т.к. при 10 и 50 масс.% определяемые характеристики отклонялись от линейного закона, то они были исключены из плана эксперимента. Значения выбранных уровней варьируемых факторов представлены в табл. 1. Матрица планирования эксперимента с расчетными столбцами взаимодействия факторов экспериментального плана 2² представлена в табл. 2. Результаты экспериментов, а также результаты их статистической обработки, представлены в табл. 3.

Таблица 1. Уровни варьирования факторов

№ п/п	Уровень варьируемых факторов	Обозначение кодовое	n , %	P, МПа	V, об/мин
			X 1	X 2	X 3
1	основной	0	30	3	3
2	интервал варьирования	Δx	10	2	2
3	нижний	-1	20	1	1
4	верхний	+1	40	5	5

Статистическая обработка данных по коэффициенту трения показала, что дисперсия параллельных опытов не превышала S2≤1,8E-4. Для определения возможности регрессионного анализа рассчитали однородность дисперсий параллельных опытов по критерию Кохрена [6]. Так как расчет- ные значение критерия Кохрена Gp=0,139 меньше табличного Gтабл=0,391 [10] при уровне значимости α=0.05, то гипотеза об однородности дисперсий параллельных опытов принимается, и, значит, можно провести регрессионный анализ.

Таблица 2. Матрица планирования эксперимента

№ опыта	X 0	X 1	X 2	X 3	X 1 X 2	X 1 X 3	X2 X3	X 1 X 2 X 3
1	+1	-1	-1	-1	+1	+1	+1	-1
2	+1	+1	-1	-1	-1	-1	+1	+1
3	+1	-1	+1	-1	-1	+1	-1	+1
4	+1	+1	+1	-1	+1	-1	-1	-1
5	+1	-1	-1	+1	+1	-1	-1	+1
6	+1	+1	-1	+1	-1	+1	-1	-1
7	+1	-1	+1	+1	-1	-1	+1	-1
8	+1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	+1

Таблица 3. Результаты экспериментов

№	Уи1	Ут2	-V^	У«4	Уи5	Уи	S2	S n	Wn , %	S ny	Δy α=0,95	Уи
1	0,185	0,173	0,192	0,202	0,177	0,186	1,4E-04	0,012	6,3	0,005	0,015	0,186
2	0,279	0,258	0,283	0,284	0,276	0,276	1,1E-04	0,011	3,8	0,005	0,013	0,282
3	0,151	0,130	0,132	0,130	0,130	0,135	8,5E-05	0,009	6,8	0,004	0,012	0,141
4	0,215	0,223	0,214	0,215	0,227	0,219	3,4E-05	0,006	2,7	0,003	0,007	0,219
5	0,214	0,230	0,241	0,239	0,249	0,235	1,8E-04	0,013	5,7	0,006	0,017	0,230
6	0,260	0,267	0,276	0,274	0,274	0,270	4,4E-05	0,007	2,5	0,003	0,008	0,271
7	0,128	0,131	0,122	0,144	0,147	0,134	1,1E-04	0,011	8,0	0,005	0,013	0,135
8	0,196	0,201	0,182	0,209	0,200	0,198	9,8E-05	0,010	5,0	0,004	0,012	0,193

Примечание: Уц - среднее значение коэффициента трения, S² - дисперсия параллельных опытов, S_n - средняя квадратичная ошибка одиночного результата при n измерениях, W_n - коэффициент вариации, ^S ny - средняя квадратичная ошибка среднего арифметического, Δy - доверительный интервал среднего арифметического У и– расчетное значение коэффициенты трения, найденное по уравнению регрессии

Рассчитав коэффициенты уравнения (1), получили уравнение регрессии для коэффициентов трения (4)

у = 0,207 + 0,034XL - 0,035Х2 + 0,003^3 + 0,003^ - 0,009^^ - 0,008Х2Х3 + 0,004^Х2Х3

Проверку статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии для коэффициентов трения проводили с помощью t-критерия Стьюдента. Все коэффициенты уравнения (4), кроме b3 и b12 статистически значимы при уровне значимости 0,05 и имеют доверительный интервал ± 0,003. После исключения статистически не значимых коэффициентов b12 уравнение регрессии (4) принимает вид у = 0,207 + 0,034^ - 0,035^, - 0,009^,- 0,008Х7Х, + 0,004^^^

Полученное уравнение (5) проверяли на адекватность по критерию Фишера. Так как расчетное значение критерия Фишера Fр=2,97 меньше табличного Fтабл=3,29 [10], то, соответственно, уравнение (5) адекватно [6]. Для приведения уравнения у = 0,069 + 6 X 10 Зхг — 2,09%2 + 0,03х3 + 3 X 10 ^^з — 8 X 10 4х1х3 —5 X 10~3х2х3 + 1 X Ю^х^зХд

Выводы:

• 1.    C увеличением содержания модифицированной силиконовой смолы в КМ на основе терморасширенного графита коэффициент трения возрастает.

• 2.    С увеличением удельной нагрузки на образец и скорости скольжения при испытании коэффициент трения уменьшается.

Получена аналитическая зависимость влияния содержания в КМ на основе терморасширенного графита кремнийорганического связующего, удельной нагрузки и скорости скольжения на коэффициент трения, установленная по результатам планирования эксперимента. Используемое

• (5) к виду с натуральными значениями факторов использовали формулу кодирования (2), подставляя в уравнение (5) вместо кодовых натуральные значения факторов [6].

оборудование для исследования изнашивания и методику эксперимента можно применять и для других материалов, например, фторопласта, полиэтилена, полиамида и композиций на их основе.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию (проектная часть) № 9.1570.2014/К.