Ресурс покрытий из полимерных композитов при вибронагружении

Доказано [1, 2], что для металлополимерных узлов трения с антифрикционными покрытиями рассматриваемого класса увеличение зазора вызывают два процесса: изнашивание и вязкоупругая деформация при рабочих нагрузках — ползучесть. Рассмотрим эти процессы.

Следует отметить, что вибронагружение интенсифицирует как процесс ползучести, так и процесс изнашивания. Оба эти процесса зависят от температуры, генерируемой трением на поверхности и гистерезисными потерями в объёме композита от вибраций.

Методика. Экспериментальные исследования проводились на установке, обеспечивающей скорость скольжения в диапазоне 0,08—0,3 м/с, статическую нагрузку от 5 до 100 МПа и динамическое вибронагружение с частотой 0,6—1,5 Гц. Величина динамической нагрузки оценивалась коэффициентом динамичности цикла K_d , определяемым следующим соотношением:

K    ^G 0 + ^G a

d       ^G0    '

где σ0 — среднее значение статических контактных нормальных напряжений, σa — амплитудное значение.

Величина коэффициента динамичности варьировалась в пределах 1,1—1,8.

Экспериментальные результаты. Статистическая обработка результатов реализации двухуровневого полнофакторного плана экспериментальных исследований позволила получить адекватную регрессионную модель зависимости полной установившейся вязкоупругой деформации антифрикционного покрытия от величин статического контактного нормального напряжения σ ст и коэффициента динамичности К d :

£ = 0'0111-с / Г" ■ K d ⁰'⁴⁷¹.                                         (2)

Погрешность модели (2) не превышает 2 %.

Учитывая толщину конкретного покрытия, например на основе тканого армирующего каркаса из полутораслойного неправильного шестиремизного атласа (0,55 мм), удобнее оперировать абсолютным значением деформации в мм. Модель (2) легко приводится к виду (3) с сохранением величины исходной погрешности:

5 = 0'0051-о Г" ■ K d ⁰-⁴⁷¹.                                         (3)

Оценка вклада вязкоупругой деформации полимерного антифрикционного покрытия в формирование зазора трибосопряжения в исследованном диапазоне амплитуд сжимающих напряжений представлена графиком на рис. 1. Для толщины покрытия, равной 0,55 мм, величина зазора при амплитуде напряжений ±80 МПа может достигать 0,21…0,23 мм, что соизмеримо с эксплуатационными допусками. Компенсация величины деформации выполняется сборкой трибо- сопряжения с преднатягом.

Рис. 1. Влияние статических напряжений и коэффициента динамичности на составляющую зазора в трибосопряжении

Таким образом, на основе экспериментальных исследований установлена величина вклада ползучести антифрикционного полимерного композита в формирование зазора трибосопряжения в условиях низкочастотной динамической нагрузки. Это позволяет уточнить расчёт ресурса металлополимерной пары трения и предложить меры по его увеличению.

Далее рассмотрим особенности процессов трения и изнашивания металлополи-мерных трибосистем с композиционным полимерным покрытием в условиях интенсивного статического и динамического нагружения.

Следует отметить, что экспериментальные исследования покрытий проводились при весьма высоких нагрузках и относительно низких скоростях скольжения, что соответствует эксплуатационному назначению фторопластсо- держащих антифрикционных материалов данного класса.

Композиционная структура рассматриваемых антифрикционных покрытий формируется, в основном, типом переплетения нитей в ткани, являющейся армирующей компонентой композита.

Тип ткани определяет количество антифрикционных нитей на рабочей поверхности покрытия, его толщину и объём общего депо фторопласта (политетрафторэтилена). Толщина покрытия в значительной степени определяется адгезией матричного связующего к полимерным нитям, образующим ткань. Так, вывод на рабочую поверхность покрытия 100% фторопластовых нитей полифен, имеющих нулевую адгезию к связующему, образует «низкую» матрицу. При этом фенольное связующее во фторопластовом слое проникает лишь в межволоконные пустоты. Это обстоятельство способствует, с одной стороны, ускорению изнашивания, с другой — 100 % фторопластовый слой повышает износостойкость покрытия. Суммарное действие этих факторов оп- ределялось экспериментально.

При использовании полимерных композиционных покрытий в узлах трения главным основанием их выбора и применения является ресурс. Целесообразнее всего оценивать его в собственном времени трибосистемы, измеряемом количеством циклов нагружения. За один цикл нагружения мы считаем один оборот вала.

Модель для интерполяционных расчётов величины ресурса имеет вид:

R = 1,446∙10¹⁰ σ^-4,03 V ^-1,773 K d ^-1,412,                                    (4)

где R — ресурс в циклах нагружения (оборотах вала диаметром 14 мм), V — скорость скольжения.

Модель адекватна и обеспечивает интерполяционные расчёты с погрешностью в пределах 10 %. Её графическая интерпретация представлена на рис. 2.

Анализ модели (4) зависимости ресурса от режимов нагружения и графиков на рис. 2 показывает, что для повышения ресурса рассматриваемых покрытий самым эффективным является снижение статических контактных напряжений, наиболее интенсивно влияющих на износостой- кость композита.

Следует отметить, что увеличение статической нагрузки при трении даже до 200 МПа [3] не вызывает такого нагрева, как вибронагружение, даже низкочастотное. Следствием высокой температуры является возможный переход полимерного материала покрытия в состояние вынужденной высокоэластичности при одновременном термосиловом воздействии трения и вибраций.

Условием этого перехода для использованного матричного связующего является эмпирическая зависимость [2]

σ 1 = σ∙ К d < σ вв = 1137,4 - 217,16 Т ,                               (5)

где σ и σ1 — статическое и суммарное контактные напряжения, МПа, σвв — напряжение перехода материала покрытия в состояние вынужденной высокоэластичности при данном соотношении нагрузки и температуры, Т — температура покрытия, 10-2 К.

Рис. 2. Ресурс полимерного покрытия

Результаты расчётов перехода матрицы композита в состояние вынужденной высокоэластичности приведены в табл. 1. Критическое соотношение режимов термосилового нагружения, приводящее к переходу материала покрытия в высокоэластичное состояние, выделено.

Нужно подчеркнуть, что этот кинетический переход не приводит к мгновенному аварийному отказу трибосистемы, но значительно снижает её износостойкость и ресурс.

Таблица 1

Условие кинетического перехода материала покрытия в состояние высокоэластичности

V , м/с	К d	1,10		1,33		1,57		1,80
	σ, МПа	σ 1	σ вв	σ 1	σ вв	σ 1	σ вв	σ 1	σ вв
0,081	50	55,0	275,7	66,7	252,3	78,3	230,8	90	211,0
	75	82,5	221,2	100,0	192,9	117,5	167,1	135	143,4
	100	110	176,0	133,3	143,7	156,7>	114,3	180>	87,4
0,300	50	55,0	233,8	66,7	206,4	78,3	181,7	90	158,8
	75	82,5	170,8	100,0	137,8	117,5>	108,1	135>	80,7
	100	110	118,5	133,3>	81,1	156,7>	47,0	180>	15,8

Поскольку путь трения при одинаковой частоте вращения зависит от диаметра шейки вала, применение модели (4) для вала любого диаметра — d требует умножения правой части выражения на отношение 14/d.

Выводы. Исследования влияния критического уровня термосилового нагружения антифрикционных композиционных полимерных покрытий позволили выявить область перехода матрицы полимерного композита в состояние вынужденной высокоэластичности, что определяет режимы их рациональной эксплуатации.

Результаты антифрикционных экспериментальных исследований металлополимерных трибосистем с полимерными покрытиями в широком диапазоне их эксплуатационного вибронагружения позволили получить регрессионные модели для инженерных расчётов ползучести и ресурса в условиях низкочастотного вибронагружения.