Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ надежности герметизирующих устройств подвижных соединений многоцелевых гусеничных машин и методов ее повышения 19
1.1. Анализ надежности серийных герметизирующих устройств подвижных соединений многоцелевых гусеничных машин 19
1.1.1. Анализ надежности серийных герметизирующих устройств сопряжений с возвратно-поступательным движением 20
1.1.2. Анализ надежности серийных герметизирующих устройств сопряжений с вращательным движением 24
1.1.3. Анализ причин параметрических отказов эластомерного герметизирующего устройства плавающего поршня пневмогидроустройства 27
1.2. Методы повышения надежности герметизирующих устройств подвижных соединений 34
1.2.1. Совершенствование конструкций и рациональное проектирование герметизирующих устройств 36
1.2.2. Формирование свойств материалов уплотнительных элементов комбинированных герметизирующих устройств 49
1.3. Выводы 61
Глава 2. Объекты, методы и средства исследования 63
2.1. Объекты исследования 63
2.2. Методы и средства исследования
2.2.1. Методы и средства исследования структуры материалов 70
2.2.2. Методы и средства исследования свойств материалов 73
2.2.3. Теоретические и расчетные методы исследования 82
2.3. Выводы 86
Глава 3. Исследование влияния углеродных модификаторов на структуру и свойства полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, разработка новых износостойких ПТФЭ-композитов 88
3.1. Влияние углеродных наполнителей-модификаторов на структуру композиционных материалов на основе политетрафторэтилена 88
3.1.1. Влияние углеродного волокна на структуру композиционных материалов на основе политетрафторэтилена 88
3.1.2. Влияние скрытокристаллического графита на структуру композиционных материалов на основе политетрафторэтилена 93
3.1.3. Влияние углеродных нанотрубок и комплексного углеродного наполнителя на структуру композиционных материалов на основе политетрафторэтилена 97
3.1.4. Закономерности модифицирующего воздействия углеродного наполнителя на структуру ПТФЭ-матрицы вблизи межфазной границы 101
3.2. Влияние углеродных наполнителей-модификаторов на физико-механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена 109
3.2.1. Влияние углеродного волокна на физико-механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена 109
3.2.2. Влияние скрытокристаллического графита на физико-механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена 118
3.2.3. Влияние углеродных нанотрубок и комплексного углеродного наполнителя на износостойкость
композиционных материалов на основе политетрафторэтилена 123
3.3. Разработка нового полимерного антифрикционного износостойкого нанокомпозита на основе ПТФЭ для применения в металлополимерных герметизирующих устройствах 126
3.4. Закономерности формирования структуры, физико-механических и триботехнических свойств износостойких ПТФЭ-композитов, модифицированных углеродными наполнителями 133
3.5. Выводы 135
Глава 4. Исследование влияния ограничения теплового расширения при спекании ПТФЭ-композитов на эффективность модификации полимера 137
4.1. Сравнительный анализ влияния условий спекания дисперснонаполненных ПТФЭ-композитов на параметры контактного взаимодействия частиц матрицы и наполнителя 137
4.2. Влияние одноосного ограничения теплового расширения при спекании на структуру и свойства ПТФЭ-композита 149
4.3. Влияние объемного ограничения теплового расширения при спекании на структуру и свойства разработанных ПТФЭ-нанокомпозитов 160
4.4. Выводы 169
Глава 5. Методика проектирования герметизирующих устройств и выбора ПТФЭ-композитов для уплотнительных элементов данных устройств, выбор ПТФЭ-композитов для уплотнительного элемента герметизирующего устройства сопряжений с возвратно-поступательным движением 171
5.1. Методика проектирования герметизирующих устройств и выбора ПТФЭ-композитов для уплотнительных элементов данных устройств 171
5.2. Выбор ПТФЭ-композитов для уплотнительного
элемента герметизирующего устройства
плавающего поршня пневмогидроустройства 180
5.3. Верификация результатов имитационного моделирования по результатам стендовых испытаний 195
5.4. Выводы 199
Глава 6. Повышение эффективности применения ПТФЭ-композитов в герметизирующих устройствах сопряжений с вращательным движением 201
6.1. Повышение эффективности применения ПТФЭ-композитов в герметизирующем устройстве ступицы опорного катка 201
6.2. Повышение эффективности применения разработанного ПТФЭ-нанокомпозита в герметизирующем устройстве ступицы поддерживающего катка 214
6.3. Выводы 224
Заключение 226
Список сокращений и условных обозначений 228
Список литературы
- Анализ причин параметрических отказов эластомерного герметизирующего устройства плавающего поршня пневмогидроустройства
- Методы и средства исследования структуры материалов
- Влияние углеродного волокна на структуру композиционных материалов на основе политетрафторэтилена
- Влияние объемного ограничения теплового расширения при спекании на структуру и свойства разработанных ПТФЭ-нанокомпозитов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Модернизация экономики закономерно предполагает решение научно-технических задач по повышению эффективности, конкурентоспособности и надежности технических систем, особенно двойного применения. Важное значение имеет класс материаловедческих задач, направленных на разработку и совершенствование технологии изготовления новых износостойких полимерных композиционных материалов (ПКМ), их рациональный выбор для конкретных узлов трения. Это обеспечит повышение надежности металло-полимерных трибосистем, например герметизирующих устройств (ГУ) подвижных соединений машин и технологического оборудования. В большинстве случаев уровень надежности подобных устройств ограничивается следующими факторами:
недостаточным уровнем износостойкости и антифрикционности материалов, работающих в изменяющихся условиях фрикционного взаимодействия, при неудовлетворительной смазке трущихся поверхностей или при полном отсутствии смазочных материалов;
нерациональным (с точки зрения обеспечения наивысших значений показателей надежности) выбором материалов и конструктивных решений, определяющих эффективность применения ПКМ в конкретном ГУ.
В диссертации предлагается комплексный подход к решению указанной проблемы, заключающийся в разработке износостойких ПКМ, методических принципов их выбора и эффективного применения в герметизирующих устройствах подвижных соединений изделий машиностроения. Под эффективностью применения полимерного композиционного материала в герметизирующем устройстве понимается эффективность комплексного использования физико-механических и трибо-технических свойств ПКМ, а также условий его нагружения в ГУ с целью повышения надежности (долговечности) устройства. Представлена реализация предлагаемого подхода на примере металлополимерных ГУ подвижных соединений многоцелевых гусеничных машин (МГМ): разработаны новые износостойкие ПКМ на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) - ПТФЭ-композиты и эффективный способ их изготовления; обеспечена высокая эффективность применения разработанного композита в ГУ путем рационального выбора геометрических параметров элементов устройства, определяющих условия нагружения этого композита.
Степень разработанности темы исследования. К настоящему времени проведено большое количество исследований в области материаловедения и применения полимеров и ПКМ в трибосистемах. В результате проведенных исследований показана эффективность применения ПТФЭ-композитов в трибосопряжениях, в том числе в ГУ подвижных соединений, а также установлен ряд закономерностей формирования структуры и свойств композитов при использовании различных наполнителей, способов получения и модификации (Н. А. Адаменко, О. А. Адрианова, В. М. Бузник, А. В. Виноградов, Б. М. Гинзбург, А. В. Горяинова, Н. П. Истомин, Ю. К. Машков, А. А. Охлопкова, Ю. М. Плескачевский, В. Е. Рогов, В. А. Струк, В. И. Суриков, С. А. Хатипов, S. Bahadur, М. Conte, A. Golchin, и другие авторы); проработаны проблемы обеспечения надежности трибосопряжений (В. И. Колесников, А. П. Краснов, А. С. Проников, А. В. Чичинадзе, П. И. Ящерицын и другие авторы); разработаны общие подходы к оптимальному (рациональному) проектированию композитов и технических объектов (А. А. Смердов, И. М. Соболь, Р. Б. Статников и другие авторы); рассмотрены вопросы численного моделирования ПКМ и изделий из них (А. И. Буря, Б. А. Люкшин, С. В. Панин, Ю. Г. Яновский, R. М. Christensen,
C. Jang, S. Yang и другие авторы); решены частные задачи проектирования ГУ подвижных соединений с уплотнителями из эластомеров и ПТФЭ (Б. Х. Аврущенко, А. И. Голубев, С. П. Ереско, Л. А. Кондаков, Г. В. Макаров, В. А. Мельник, И. Н. Черский, W. Haas, M. Hou, T. Schmidt, H. Sui, B. Yang и другие авторы).
Несмотря на значительный объем данных, накопленных в результате указанных исследований, многообразие наполнителей и способов модификации полимеров, а также широкая номенклатура ГУ делают невозможным формирование в ближайшем будущем универсального подхода к созданию новых ПКМ с заранее заданными свойствами, обеспечивающими максимальную эффективность применения указанных материалов в конкретных видах ГУ. Отдельные методические принципы проектирования ГУ и выбора применяемых материалов разработаны к настоящему времени преимущественно для простых конструктивных схем с эласто-мерными уплотнителями. Применительно к металлополимерным комбинированным ГУ подвижных соединений методика их рационального проектирования, выбора материалов и условий их нагружения, обеспечивающая высокие значения показателей надежности, практически не разработана. Это является стимулом к продолжению исследований в областях создания новых перспективных материалов, развития существующих и разработки новых способов изготовления ПКМ, развития методических основ рационального выбора полимерных композитов и повышения эффективности их применения в ГУ подвижных соединений.
Цель работы. Разработка износостойких ПТФЭ-композитов, методических принципов их выбора и эффективного применения в герметизирующих устройствах подвижных соединений изделий машиностроения, что обеспечит повышение надежности (долговечности) этих устройств.
Основные задачи исследования
-
Провести анализ надежности и причин отказов ГУ подвижных соединений на примере МГМ, а также свойств применяемых материалов с целью выбора и обоснования способов повышения надежности (долговечности) ГУ.
-
Выявить закономерности формирования структуры, триботехнических и физико-механических свойств износостойких ПТФЭ-композитов, модифицированных углеродными наполнителями.
-
Разработать новые ПТФЭ-композиты, обладающие повышенной (по сравне-нию с прототипом) износостойкостью, исследовать их структуру и свойства.
-
Разработать методику, обеспечивающую обоснованный выбор ПТФЭ-композитов и высокую эффективность их применения в ГУ подвижных соединений изделий машиностроения.
-
Разработать (модернизировать) металлополимерные ГУ, характеризующиеся повышенной (по сравнению с серийными устройствами) надежностью (долговечностью) за счет рационального выбора ПТФЭ-композитов и геометрических параметров элементов ГУ, определяющих условия нагружения композитов.
Научная новизна результатов исследования
1. На основе установленных и обобщенных закономерностей влияния углеродных наполнителей (углеродное волокно, скрытокристаллический графит и углеродные нанотрубки) на структуру, физико-механические и триботехнические свойства ПТФЭ-композитов определены составы комплексных наполнителей-модификаторов, обеспечивающие существенное повышение износостойкости ПТФЭ-композитов.
2. С использованием расчетно-экспериментальных методов впервые установ
лено следующее:
увеличение (относительно свободного спекания) контактного давления сжатия и площади контакта частиц полимера и наполнителя в процессе спекания ПТФЭ-композита, обусловленное ограничением теплового расширения при спекании и усиливающее модифицирующее воздействие микроразмерного углеродного наполнителя на структуру матрицы, в наибольшей степени проявляется при объемном ограничении теплового расширения композитов со слабой адгезионной связью между компонентами;
одноосное ограничение теплового расширения при спекании ПТФЭ, наполненного скрытокристаллическим графитом, повышает (относительно свободного спекания) износостойкость композитов до 5,5 раза, что обусловлено формированием более плотной структуры матрицы, содержащей сферолитоподобные элементы размером порядка 100 мкм;
объемное ограничение теплового расширения при спекании разработанных ПТФЭ-нанокомпозитов повышает их износостойкость в среднем на 42 %, что обусловлено формированием более плотной структуры матрицы.
-
В рамках молекулярно-динамического моделирования системы «аморфная фаза ПТФЭ - слои графена» впервые установлены закономерности модифицирующего воздействия углеродного наполнителя в виде слоев графена на формирующуюся структуру ПТФЭ-матрицы вблизи межфазной границы.
-
Разработанная методика проектирования герметизирующих устройств и выбора ПТФЭ-композитов для уплотнительных элементов данных устройств обеспечивает повышение эффективности применения этих композитов в различных видах ГУ и отличается от известных методик совокупностью особенностей:
- задача рационального выбора ПТФЭ-композитов и геометрических
параметров элементов ГУ, определяющих условия нагружения ПТФЭ-композитов,
решается как многокритериальная; при этом, наряду с известными, используются
новые критерии, характеризующие контактное взаимодействие уплотнительного
элемента и уплотняемой поверхности;
- вычисление значений критериев рационального выбора ПТФЭ-композитов и
геометрических параметров элементов ГУ выполняется с учетом неравномерности
распределения контактного давления по уплотняемой поверхности, формоизменения
уплотнительного элемента вследствие изнашивания, а также изменения свойств
материалов в процессе эксплуатации.
Теоретическая значимость работы
Установленные закономерности модифицирующего воздействия углеродного наполнителя в виде слоев графена на формирующуюся структуру ПТФЭ-матрицы вблизи межфазной границы вносят существенный вклад в развитие физических представлений о процессах самоорганизации в матрице ПТФЭ-композитов вблизи межфазной границы и подтверждают (применительно к ПТФЭ-композитам) гипотезу Ю. С. Липатова о массопереносе (перемещении близлежащих сегментов макромолекул) в матрице ПКМ, направленном к поверхности наполнителя.
Методика сравнительного анализа влияния условий получения дисперсно-наполненных ПТФЭ-композитов на параметры контактного взаимодействия частиц полимера и наполнителя в процессе спекания может быть использована при проведении соответствующего анализа для широкого спектра ПТФЭ-композитов, а также условий прессования и спекания заготовок.
Установленные с использованием расчетно-экспериментальных методов закономерности влияния условий получения ПТФЭ-композитов на параметры контактного взаимодействия частиц полимера и наполнителя в процессе спекания, а также состава и содержания наполнителей на структуру, физико-механические и триботехнические свойства этих композитов вносят вклад в понимание фундаментальных связей структуры и эксплуатационных свойств ПТФЭ-композитов с их составом и условиями изготовления.
Предлагаемые новые критерии качества вносят вклад в развитие методических основ рационального выбора ПТФЭ-композитов и повышения эффективности их применения в герметизирующих устройствах подвижных соединений изделий машиностроения.
Практическая значимость работы
Разработаны ПТФЭ-нанокомпозиты, характеризующиеся высокой износостой
костью и сравнительно невысокими для композиционных материалов на основе
ПТФЭ значениями модуля упругости при растяжении, способствующими
увеличению площади фактического контакта уплотнительного элемента,
выполненного из ПТФЭ-нанокомпозита, и уплотняемой поверхности в
герметизирующем устройстве. Указанное сочетание свойств расширяет область практического применения этих материалов и позволяет рекомендовать их для изготовления уплотнительных элементов различных видов ГУ подвижных соединений машин и технологического оборудования.
Новый способ изготовления ПТФЭ-композитов, предусматривающий спекание заготовок в условиях объемного ограничения теплового расширения, может быть использован для повышения износостойкости известных и разрабатываемых ПТФЭ-композитов триботехнического назначения.
Разработаны новые комбинированные ГУ для герметизации сопряжений с вращательным и возвратно-поступательным движением. Эти устройства отличаются от прототипов применением ПТФЭ-композитов с повышенной износостойкостью и более простым конструктивным исполнением. Рациональный выбор ПТФЭ-композитов и геометрических параметров элементов ГУ, определяющих условия нагружения композитов, обеспечивает необходимые для повышения надежности (долговечности) устройств уровень и распределение контактного давления на уплотняемой поверхности при приемлемых значениях износа и механических напряжений в уплотнительном элементе.
Разработанная методика проектирования герметизирующих устройств и выбора ПТФЭ-композитов для уплотнительных элементов данных устройств может быть использована для выбора ПТФЭ-композитов и повышения эффективности их применения в различных видах ГУ подвижных соединений машин и технологического оборудования.
Результаты работы используются в учебном процессе в Омском государственном техническом университете при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Физическое материаловедение» и «Трибофизика», в Омском автобронетанковом инженерном институте при проведении занятий по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов», а также при выполнении обучающимися выпускных квалификационных работ.
Получены патенты на изобретение: № 2440527 «Герметизирующее устройство»; № 2525492 «Антифрикционный полимерный композиционный материал»; № 2546161 «Способ изготовления изделий из полимерных композиционных
материалов на основе политетрафторэтилена и устройство для изготовления изделий». Получено свидетельство о регистрации электронного ресурса № 19798 «Реологическая модель политетрафторэтилена для использования в программном комплексе ANSYS».
Результаты работы использованы в ОАО «Конструкторское бюро транспортного машиностроения» (ныне АО «Омский завод транспортного машиностроения»), подтверждена возможность использования результатов исследований и разработок, представленных в работе, в ООО «НТК Криогенная техника»» (г. Омск).
Методология и методы исследования
Экспериментальные методы: электронная микроскопия (ЭМ-125, BS-350, РЕМ-100У, JEM-6460 LV, JSM-6610, JCM-5700); оптическая микроскопия (МБИ-15); рентгеноструктурный анализ (ДРОН-3М); гидростатический (весы АДВ-200) и пикнометрический (AccuPyc-ІЗЗО) методы измерения плотности; метод измерения размеров частиц, основанный на светорассеянии (SALD-2101); динамический механический анализ (обратный вертикальный крутильный маятник и DMA 242 С); метод испытания образцов из полимеров и ПКМ на растяжение (Р-0,5); определение характеристик триботехнических свойств методом испытания на трение и износ (испытательный стенд); ультразвуковой импульсный метод (реализован на базе авторского измерительного устройства).
Теоретические и расчетные методы: метод имитационного моделирования; метод конечных элементов, регрессионный анализ; методы математической статистики; метод исследования пространства параметров; метод молекулярной динамики. Для выполнения расчетов использованы программы: Mathcad, Mathematica, ANSYS, Accelrys Materials Studio.
Положения, выносимые на защиту
-
В модельной системе «аморфная фаза ПТФЭ - слои графена» углеродный наполнитель оказывает модифицирующее воздействие на структуру матрицы вблизи межфазной границы, проявляющееся в том, что молекулы (участки молекул) ориентированы преимущественно вдоль слоев графена, а формирующиеся граничные слои характеризуются осцилляцией плотности полимера с периодом 5,4-5,7 и амплитудой, отличающейся от среднего значения на 19-35 %.
-
Модификация ПТФЭ введением комплексного наполнителя, включающего 8 мас.% скрытокристаллического графита и 2-3 мас.% углеродных нанотрубок, повышает износостойкость композитов до 6 раз по сравнению с использованием скрыто-кристаллического графита в качестве мономодификатора и до 2,2 раза по сравнению с использованием нанотрубок в качестве мономодификатора, что обусловлено:
а) действием скрытокристаллического графита в качестве твердой смазки;
б) модифицирующим воздействием нанотрубок на надмолекулярную структуру
ПТФЭ (формированием на микроуровне плотной структуры матрицы, содержащей
сферолитоподобные элементы размером порядка 10 мкм, которые не образуются при
введении в ПТФЭ скрытокристаллического графита);
в) локальным армированием матрицы пучками нанотрубок.
3. Введение углеродных нанотрубок вместо микроразмерного углеродного во
локна в составе комплексного наполнителя, включающего также полидисперсный
скрытокристаллический графит и дисульфид молибдена, повышает износостойкость
композиционного материала-прототипа на основе ПТФЭ в среднем в 2,2 раза, причем
введение наполнителя, содержащего 9,0 мас.% скрытокристаллического графита,
0,75 мас.% дисульфида молибдена и 1,25 мас.% углеродных нанотрубок, обеспечивает увеличение износостойкости ПТФЭ-композита в 3,2 раза.
-
В модельной системе «заготовка ПТФЭ-композита с микроразмерным углеродным наполнителем» при содержании наполнителя 6,25 (12,5) объемн.% применение объемного ограничения теплового расширения при спекании наиболее эффективно для композитов со слабой адгезионной связью между компонентами и обеспечивает увеличение контактного давления сжатия и площади контакта частиц полимера и наполнителя соответственно до 6,9 и 7,0 раза относительно свободного спекания и до 1,2 и 1,7 раза относительно спекания в условиях одноосного ограничения теплового расширения.
-
Новый способ изготовления ПТФЭ-композитов, предусматривающий спекание заготовок в условиях объемного ограничения теплового расширения с возможностью задания дополнительного давления сжатия, приложенного к заготовке, обеспечивает применительно к разработанным ПТФЭ-нанокомпозитам снижение скорости изнашивания в среднем на 42 % и коэффициента трения - на 17 %, а также повышение прочности при растяжении на 24 % и относительного удлинения при разрыве - на 19 %.
-
Методика проектирования герметизирующих устройств и выбора ПТФЭ-композитов для уплотнительных элементов данных устройств, обеспечивающая повышение эффективности применения ПТФЭ-композитов в герметизирующих устройствах подвижных соединений изделий машиностроения.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечена использованием общепризнанного методологического подхода к решению научно-технических задач в области материаловедения, применением стандартных экспериментальных и расчетных методов и программных средств, а также подтверждается взаимным согласованием результатов, полученных с использованием различных методов.
Полученные в ходе исследований результаты были представлены на конференциях и конгрессах: XXX научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов «Ресурсосберегающие технологии. Проблемы высшего образования», Омск, 1994 г.; I, II, III, IV, V, VI, VIII, IX Международных научно-технических конференциях «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 1995, 1997, 1999, 2002, 2004, 2007, 2012, 2014 гг.; Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 1997 г.; Межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Броня-2002), Омск, 2002 г.; Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура», Омск, 2003 г.; II Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI веке», Омск, 2003 г.; Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», Севастополь, 2004 г.; III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», Омск, 2005 г.; 64-й научно-технической конференции ГОУ "СибАДИ", Омск, 2010 г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», Самара, 2011 г.; Международных научно-технических конференциях «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб-2011, 2013, 2015), Гомель, 2011, 2013, 2015 гг.; 12-й Международной конференции «Трибология и надёжность»,
Санкт-Петербург, 2012 г.; Межрегиональной научно-практической конференции «Оборонно-промышленный комплекс: проблемы и перспективы развития», Омск, 2013 г.; V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!», Омск, 2013 г.
По теме диссертации опубликовано 69 научных работ, в том числе 25 статей в журналах из перечня ВАК, 3 монографии, получены 3 патента на изобретения и свидетельство о регистрации электронного ресурса. В базе данных Scopus представлено 7 публикаций. По рассматриваемым проблемам под руководством автора подготовлены 2 кандидатские диссертации.
Личный вклад автора. Во всех направлениях диссертационного исследования автору принадлежат: постановка задач исследования, поиск и выбор методов решения поставленных задач, осуществление методического и научного руководства их решением, анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и научных положений. Все результаты получены автором либо при его непосредственном участии (в последнем случае в диссертации указаны участники научного коллектива, которые принимали участие в получении результатов).
Работа выполнялась в рамках грантов и проектов: грант РФФИ № 12-08-98022-рсибирьа (выполнялся под руководством автора, 2012-2013 гг.); грант РФФИ № 12-08-90008-Бел_а (Российско-Белорусский проект, 2012-2013 гг.); грант РФФИ № 14-08-90022-Бел_а (Российско-Белорусский проект, 2014-2015 гг.); грант Министерства образования и науки РФ № 14.В37.21.1104 (2012-2013 гг.) в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»; проекты №№ 7.3061.2011 (2012-2013 гг.) и 1.5.11 (выполнялся под руководством автора, 2011 г.) Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 321 наименования, 3 приложений. Общий объем диссертации 282 страницы машинописного текста, включая 96 рисунков, 18 таблиц.
Анализ причин параметрических отказов эластомерного герметизирующего устройства плавающего поршня пневмогидроустройства
С целью уточнения предполагаемых причин параметрических отказов рассмотренных устройств на примере ГУ плавающего поршня пневмогидроустройства проведено имитационное моделирование на разработанной автором совместно с В. П. Пивоваровым конечно-элементной модели ГУ в программном пакете ANSYS [7, 10-13, 27-31]. Аналогичный подход при анализе эффективности конструкции ГУ с резиновым уплотнительным элементом используется в исследованиях и других авторов [32, 33].
В качестве входных параметров для имитационной модели были приняты следующие данные: 1) геометрическая модель герметизирующего устройства (рисунок 1.2); 2) характеристики физико-механических свойств материалов; 3) вязкость рабочей жидкости; 4) давления разделяемых сред (газа и жидкости); 5) граничные условия для конечно-элементной модели. Герметизирующее устройство работает в условиях осесимметричного нагружения, поэтому расчетную модель строили для половины осевого сечения поршня. Рассмотрим характеристики физико-механических свойств материалов и параметры соответствующих реологических моделей. При моделировании напряженно-деформированного состояния (НДС) резинового кольца использовались конечные элементы, для которых реализована модель Муни-Ривлина [34]: W = a10(i;-3)+a01(l 2-3)+-k(i;-l), (1.1) где W - функция плотности энергии деформации; аы - константы Муни-Ривлина для материала уплотнительного элемента: аі0 = 1955080 Па; ащ = 384570 Па (определены с использованием литературных данных [22, 35, 36]); к - объемный модуль упругости; Ij - редуцированные инварианты деформации.
Для учета в модели (1.1) релаксации напряжений уплотнительного элемента, выполненного из эластомера, константы Муни-Ривлина были пересчитаны, исходя из значения относительной остаточной деформации, равной 0,6 [9, 35]; получены следующие значения: аю=781178,6 Па; аш=154173,9 Па. Деформации защитных колец из ПТФЭ считали упругими, поверхности цилиндра и плавающего поршня определялись как абсолютно жесткие. Используемая модель трения: Т = JLlР, (1.2) где і - сдвиговое напряжение; \х - коэффициент трения; Р - контактное нормальное давление. Полученные эпюры эквивалентных напряжений для уплотнительного элемента рассматриваемого устройства приведены на рисунке 1.7. Как видно из рисунка 1.7, в уплотнительном элементе в статическом состоянии максимальное эквивалентное напряжение составляет 2,6 МПа, что не может привести к разрушению уплотнительного элемента. После релаксации напряжений в силовом элементе происходит снижение эквивалентных напряжений в уплотнительном кольце, а также снижение контактного давления на уплотняемой поверхности. а б
Эпюра эквивалентных напряжений, приведенная на рисунке 1.7 б, соответствует развитию адгезионных связей в месте контакта при длительной остановке механизма. Согласно литературным данным начальное (пусковое) значение коэффициента трения может достигать значений 0,8 и более [37]. Как видно из рисунка 1.7 б, при высоких значениях коэффициента трения эквивалентные напряжения локально возрастают до 30,6 МПа, что превышает прочность при растяжении для применяемой группы эластомеров. Наличие защитных колец из ПТФЭ препятствует выдавливанию уплотняющего кольца в зазор, однако не может предотвратить повреждение поверхности кольца при значительном повышении начального трения. Начальное трение в момент пуска, как и высокие значения силы трения в процессе движения цилиндра могут приводить не только к повреждению поверхности уплотнительного кольца, но и к его скручиванию.
Методы и средства исследования структуры материалов
В полимерной матрице УНТ являются в первую очередь армирующими волокнами с высокими прочностными характеристиками, однако малое сечение и большая жесткость УНТ приводит к тому, что нанотрубка в ПКМ ведет себя подобно «волосу в пироге» [114, 117]. Это неоднозначно влияет на прочностные свойства ПКМ. Можно предположить, что существует оптимальная степень диспергирования нанотрубок в полимерной матрице, при которой реализуется взаимодействие матрицы с клубком или пучком нанотрубок, а не с отдельными нанотрубками, и в то же время обеспечивается эффективное (с точки зрения формирования эксплуатационных свойств ПКМ) модифицирующее воздействие на матрицу клубков (пучков) нанотрубок. В связи с этим актуальной является эффективная модификация ПТФЭ углеродными нанотрубками в условиях применения традиционной технологии сухого смешивания компонентов без дополнительных технологических операций диспергирования наполнителя, усложняющих технологический процесс.
Перспективность использования ПТФЭ в качестве матрицы при создании новых антифрикционных ПКМ подтверждается многими работами [45, 82, 84, ПО. 111, 125-131]. Результаты исследований свидетельствуют о неоднозначном влиянии различных однокомпонентных наполнителей (мономодификаторов) на структуру матрицы, физико-механические и триботехнические свойства ПТФЭ-композитов. Не исследованы закономерности совместного влияния различных наполнителей на структуру и свойства ПКМ, что особенно актуально для применения наноразмерных модификаторов (в частности УНТ) в составе комплексных наполнителей. Основным методом выбора компонентов комплексного наполнителя и их содержания остается эмпирический метод.
Среди факторов, снижающих эффективность модифицирующего воздействия наполнителя на полимер, следует отметить «насыщение» матрицы наполнителем, агрегатирование наполнителя, перколяционные эффекты, возникновение структурных дефектов [45, 82, 128]. Влияние некоторых из перечисленных выше негативных факторов может быть скомпенсировано применением способов повышения эффективности модификации ПТФЭ (в том числе изменением режимов технологических операций) [45, 84, 132, 133-137]. Исследований в данном направлении значительно меньше, чем исследований, посвященных влиянию наполнителей на полимеры, поэтому они вызывают большой интерес.
Изменения условий и технологических режимов изготовления ПКМ позволяют воздействовать на параметры надмолекулярной структуры матрицы, физико-механические свойства ПКМ и, как следствие, на надежность (долговечность) материалов и изделий [78-80, 138, 139].
Известно, что технология изготовления ПТФЭ-композитов включает следующие операции: обработка или подготовка компонентов; сухое смешивание; холодное прессование; спекание заготовки (свободное или в специальных оснастках); охлаждение заготовки. Особенности и варианты осуществления указанных технологических операций рассматриваются в работах [45, 78-80, 132, 133, 138, 140-142].
С точки зрения повышения эффективности модификации ПТФЭ наполнителем наибольший интерес представляет операция спекания (термообработки) прессованной заготовки, в процессе которой формируется надмолекулярная структура матрицы и свойства ПКМ. Среди способов спекания наиболее распространен в силу простоты реализации в условиях промышленного производства способ свободного спекания. В процессе спекания в заготовке происходят следующие физические процессы: термическое расширение отдельных частиц и всей заготовки; плавление кристаллической фазы полимера; релаксация напряжений, созданных при прессовании; сплавление отдельных частиц компонентов ПКМ в сплошной монолит. Полученные по указанной технологии изделия характеризуются незначительными внутренними напряжениями и в некоторых случаях повышенной пористостью и недостаточной прочностью [80]. При спекании ПКМ в условиях ограничения теплового расширения обеспечивается значительно большее сближение частиц наполнителя и ПТФЭ. Композиты, полученные в подобных условиях, характеризуются повышенной износостойкостью и прочностью по сравнению с ПКМ, полученными свободным спеканием [77, 80]. Существенное влияние на структуру и свойства ПТФЭ-композитов оказывают скорость охлаждения заготовок, продолжительность измельчения волокнистых наполнителей, продолжительность и вид механо-активации, величина прикладываемого к заготовке давления в процессе спекания, состав газовой среды, в которой спекается заготовка [45, 46, 97, 143-146].
Применяя рассмотренные выше и другие способы изготовления и режимы технологических операций, можно значительно повлиять на надмолекулярную структуру матрицы, на физико-механические и триботехнические свойства ПКМ. В качестве примеров рассмотрим несколько технологических способов повышения эффективности модификации ПТФЭ-композитов. В работе [80] описывается «специальное зажимное приспособление» для спекании ПТФЭ-композитов с волокнистыми наполнителями (рисунок 1.12).
Фланцы и прокладки, плоскости которых перпендикулярны направлению прессования заготовок, ограничивают тепловое расширение заготовок ПКМ в указанном направлении. Конструкция приспособления позволяет создать дополнительное давление сжатия заготовок в направлении предшествующего прессования (рекомендуемое - до 0,5 МПа [80]). Прочность стеклонаполненных ПТФЭ-композитов, спеченных при указанных условиях, возрастает до 3 раз по сравнению с ПКМ, полученными при свободном спекании. Закономерности изменения других характеристик и структуры ПКМ, а также эффективность рассматриваемого способа спекания других ПТФЭ-композитов не исследованы.
В работе [147] предлагается способ изготовления ПКМ, предусматривающий спекание заготовки в закрытой форме. Это обеспечивает возникновение в заготовке внутренних напряжений сжатия за счет ее теплового расширения в процессе спекания. В некоторых из вариантов исполнения оснастки предусмотрен предварительный натяг заготовки. В зависимости от варианта реализации способа для ПТФЭ, модифицированного углеграфитовым волокном, прочность при растяжении относительно прототипа возрастает на 29-94 %; интенсивность изнашивания снижается на 34-57 %, но, при этом минимальное значение равно 1,5-10"7; коэффициент трения без смазки снижается на 9-23 %, но при этом минимальное значение равно 0,17 [147]. Эффективность рассматриваемого способа применительно к другим ПТФЭ-композитам, как и возможность повышения их износостойкости и антифрикционности требуют дополнительных исследований. Кроме того, следует учитывать, что полное ограничение теплового расширения по всей поверхности заготовки может приводить к растрескиванию заготовки за счет возникновения чрезмерно высоких внутренних напряжений. Наибольшие напряжения сжатия возникают в направлении прессования, так как при прессовании сухой смеси ПТФЭ и наполнителя на боковые стенки пресс-формы передается меньшее давление [142], что обусловливает существенно большее увеличение размеров заготовки в направлении прессования по сравнению с перпендикулярным направлением [79, 142].
В работах [139, 148] показано положительное влияние на эксплуатационные характеристики ПКМ на основе ПТФЭ следующих технологических операций: предварительная обработка наполнителя (углеродной ленты) ультрадисперсным политетрафторэтиленом, механохимическое активирование (смесь ПТФЭ и углеродных волокон пропускается в зазор валков), ограничение теплового расширения при спекании и «холодная монолитизация» (к заготовке ПКМ после спекания прикладывается давление сжатия). Эффективность применения указанных операций показана при модификации ПТФЭ углеродными волокнами. Следует отметить, что использование дополнительных технологических операций усложняет процесс изготовления ПКМ.
Влияние углеродного волокна на структуру композиционных материалов на основе политетрафторэтилена
Цель и задачи работы предполагают детальный анализ условий функционирования и параметров напряженно-деформированного состояния элементов герметизирующих устройств, рациональный выбор материалов и конструктивных решений, используемых в ГУ и обеспечивающих повышение надежности (долговечности) этих устройств. Это обусловливает применение при решении указанных задач метода имитационного моделирования как основного метода. Для построения имитационных моделей ГУ и модели заготовки ПКМ в условиях прессования и спекания применялся метод конечных элементов. При решении задач рационального проектирования ГУ и нахождения рациональных решений по составу многокомпонентного наполнителя для эффективной модификации ПКМ использовался метод исследования пространства параметров, включая формирование ЛПт-последовательностей для значений варьируемых параметров.
Метод конечных элементов подробно описан в литературе и хорошо развит [194-198], его использование при построении имитационных моделей в работе обусловлено разработанностью данного метода применительно к решению научных и инженерно-конструкторских задач рассматриваемого вида, а также наличием прикладных программных пакетов, реализующих этот метод, что упрощает создание модели, обеспечивает ее универсальность и модифицируемость, а также достоверность полученных результатов. В качестве программного средства при построении конечно-элементных моделей использовался программный пакет ANSYS.
В конечно-элементных моделях использовали следующие реологические модели материалов: 1) для описания упругого поведения эластомеров использовалась модель Муни-Ривлина; 2) для ПТФЭ в конечно-элементной модели заготовки ПКМ в условиях прессования и спекания использовали функцию Прони (Ргопу) для сдвиговой релаксации и температурную зависимость коэффициента линейного термического расширения (КЛТР); 3) для конечно-элементных моделей ПТФЭ-композитов использовали модель нелинейно-упругого тела; 4) поверхность наполнителя в конечно-элементной модели заготовки ПКМ в условиях прессования и спекания моделировалась как абсолютно жесткая.
Метод исследования пространства параметров применяется при решении многокритериальных задач по нахождению рациональных решений и включает следующие общие этапы [61, 62, 66]. 1. Задание критериев качества (характеристик системы, определяющих ее качество), по которым осуществляется рациональный выбор решений (оптимизация); независимых варьируемых параметров модели; параметрических (пределов изменения параметров) и функциональных (определяющих значения функций параметров) ограничений. 2. Выбор пробных точек в исследуемом пространстве параметров с координатами Qy. Набор таких точек формируется по принципу ЛПт-последова-тельностей. 3. Составление таблиц испытаний, включающих значения критериев качества для каждой пробной точки пространства параметров. 4. Определение специалистом (лицом, принимающим решения) критериальных ограничений. Множество точек пространств, удовлетворяющих этим ограничениям, называется множеством допустимых точек. 5. Проверка непустоты множества допустимых точек и выбор рационального решения. 6. Повторение процедуры при необходимости, например, при локальном поиске в окрестностях точки, признанной соответствующей рациональному решению на предыдущем этапе исследования пространства параметров. Координаты точек (0 qy 1) в пространстве параметров определяли по следующим выражениям [61, 66]: =Ё2_к+1- --Ё!2-!1-2"1}]-!2-!1"!0-2""1"1}], (2.22) k=i [2S J m = l + [lni/ln2], где qy - координаты точки в пространстве параметров; j = 1, 2, …, п; і - номер точки, j - номер параметра; г/ - числители направляющих чисел (определяются по таблицам, приведенным в работах [61, 66]); [z] - целая часть числа z; {z} -дробная часть числа z. Далее определяли координаты точек с учетом параметрических ограничений Qymm Qy Qymax : Qy = Qumm +( Qumax" ОцН-Яч- С2-23) Для определения координат точек по выражениям (2.23) и (2.24) автором была составлена программа в пакете Mathcad.
Изучение закономерностей модифицирующего воздействия углеродного наполнителя на структуру ПТФЭ-матрицы проводили, используя метод имитационного моделирования и метод молекулярной динамики (МД). Применение метода МД обусловлено сложностью реализации экспериментов по прямому определению характеристик структуры матрицы вблизи межфазной границы на молекулярном уровне и свойств граничного слоя. Это предопределило обращение исследователей при решении указанных задач к расчетным методам, в том числе к методу МД [199-201], который позволяет исследовать на имитационных моделях характеристики матрицы на молекулярном уровне вблизи межфазной границы в композиционных материалах. В данной работе метод МД использован при изучении закономерностей модифицирующего воздействия углеродного наполнителя в виде слоев графена на структуру ПТФЭ-матрицы.
Для реализации метода МД использовался программный пакет Accelrys Materials Studio (модули Forcite, Amorphous Cell, Materials Studio Visualizer). При описании межатомного и межмолекулярного взаимодействий использовался потенциал COMPASS, применяемый для решения подобных задач [202-204], и включающий потенциалы энергии: валентных связей, crosserm взаимодействия, non-bond взаимодействия, взаимодействия Ван-дер-Ваальса, электростатического взаимодействия и водородных связей. Взаимодействие Ван-дер-Ваальса описывалось потенциалом Леннарда-Джонса:
Влияние объемного ограничения теплового расширения при спекании на структуру и свойства разработанных ПТФЭ-нанокомпозитов
Дополнительными факторами, определяющими повышение износостойкости композитов ПТФЭ+СКГ+УНТ относительно ненаполненного ПТФЭ, являются дробление (измельчение) исходной структуры полимерной матрицы и формирование в матрице каркасной структуры из частиц наполнителя, которые обеспечиваются как воздействием каждого компонента комплексного наполнителя по отдельности, так и их совместным модифицирующим воздействием на структуру.
На основании результатов исследования износостойкости ПТФЭ, модифицированного УНТ и комплексным углеродным наполнителем, содержащим УНТ и СКГ, для дальнейших исследований физико -механических свойств исходя из сформулированных задач могут быть рекомендованы следующие ПКМ: - ПТФЭ+УНТ при содержании УНТ ф = 0,6-2,0 мас.%; - ПТФЭ+8мас.%СКГ+УНТ при содержании УНТ ф = 2-4 мас.%. Для дальнейшего исследования физико-механических свойств был выбран ПКМ ПТФЭ+8мас.%СКГ+2,5мас.%УНТ, который характеризуется высокой износостойкостью и содержит твердую смазку - СКГ, наличие которой способствует повышению антифрикционных свойств ПКМ и косвенно повышению износостойкости за счет уменьшения силы трения и, соответственно, температуры и механических сдвиговых напряжений в поверхностном слое композита. Измеренное значение коэффициента трения ПКМ ПТФЭ+8мас.%СКГ+2,5мас.%УНТ равно JLX = 0,15 + 0,02 и близко к значениям коэффициента трения ПТФЭ, модифицированного УНТ, полученным авторами работ [119, 120]. Значения характеристик механических свойств исследуемого ПКМ (модуля упругости при растяжении, прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве соответственно) равны: Е = (158 + 10) МПа; ар = (15,6 + 1,5) МПа; єр = (137 + 7) %. Исследуемый ПКМ характеризуется высокой износостойкостью и сравнительно низким значением модуля упругости, в то же время - сравнительно низким значением прочности при растяжении и высоким значением коэффициента трения. Снижение коэффициента трения может быть обеспечено введением в состав комплексного наполнителя, включающего УНТ и СКГ, дополнительного компонента - твердой смазки, например дисульфида молибдена.
Результаты проведенного исследования структуры (параграф 3.1.3), триботехнических и механических свойств ПКМ ПТФЭ+СКГ+УНТ показали эффективность модификации ПТФЭ данным комплексным наполнителем в условиях применения традиционной технологии сухого смешивания компонентов при получении ПКМ и определяют направление дальнейшего исследования по созданию полимерных нанокомпозитов триботехнического назначения.
Новый полимерный антифрикционный ПТФЭ-композит [257, 258] разрабатывался для изготовления уплотнительных элементов металлополимерных герметизирующих устройств подвижных соединений с учетом установленных закономерностей влияния углеродных наполнителей с различной формой и дисперсностью частиц (включая наноразмерные) на структуру матрицы, триботехнические и физико-механические свойства ПКМ (параграфы 3.1, 3.2).
В качестве прототипа для создаваемого ПТФЭ-композита был выбран полимерный антифрикционный композиционный материал по патенту 2307130 С1 Российской Федерации [256], который содержит политетрафторэтилен (81,5-87,0 мас.%), дисульфид молибдена (ДМ) (1,5-2,0 мас.%), скрытокристал-лический графит (6,0-10,0 мас.%) и углеродное волокно (4,0-7,0 мас.%). Значения характеристик триботехнических свойств данного материала при скорости скольжения 1 м/с и контактном давлении 3 МПа: скорость изнашивания J = 20,2-10 4 г/ч; коэффициент трения ц = 0,08. При контактном давлении 1,0-1,5 МПа и скорости скольжения 1,5-2,0 м/с скорость изнашивания J = 18,5-10 4 г/ч [20, 45]. Среднее значение предела прочности при растяжении равно ар = 25 МПа [256]. Для изготовления материалов использовали стандартную технологию холодного прессования и свободного спекания, описанную в главе 1 и в параграфе 2.1. Определение значений характеристик механических и триботехнических свойств проводили по методике, представленной в параграфе 2.2.2. Триботехнические испытания проводили при скорости скольжения 1,2 м/с и контактном давлении 1,5 МПа.
При разработке нового полимерного износостойкого антифрикционного композиционного материала с целью обеспечения эффективной модификации ПТФЭ был выбран комплексный наполнитель, в состав которого входят дисперсный ДМ, полидисперсный СКГ и волокнистый наномодификатор УНТ. Под эффективной модификацией ПТФЭ в данном случае понимается получение ПКМ, характеризующихся сочетанием высокой износостойкости с низкими значениями коэффициента трения и модуля упругости при приемлемых значениях прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве, что соответствует современным требованиям к износостойким антифрикционным материалам, применяемым в металлополимерных ГУ подвижных соединений для обеспечения высокой степени герметичности. Противоречивость предъявляемых требований к свойствам таких ПКМ, как отмечалось в главе 1, обусловливает реализацию компромиссных решений при их разработке. Целесообразность использования дисульфида молибдена в качестве сухой смазки в составе комплексного наполнителя обоснована в работах [45, 72], эффективность использования СКГ в составе комплексного наполнителя показана в работе [45] и в параграфах 3.1, 3.2.