Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0108

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0108
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Антифрикционные материалы для узлов, функционирующих в режимах гидродинамического и граничного трения, на основе наполненных нанодисперсными материалами термостойких полимеров
Докладчик
Чердынцев Виктор
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка принципов создания антифрикционных полимерматричных композтов для узлов трения, работающих в режимах упругогидродинамического, смешанного и граничного трения. Получение на базе разработанной технологии экспериментальных образцов, моделирующих условия функционирования узлов трения судостроения и других отраслей.
Реализуемый проект направлен на решение проблемы повышения эксплуатационных характеристик, срока службы и надёжности работы узлов трения, функционирующих в условиях переменных нагрузок, скоростей, агрессивных сред
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время всё активней начинают применяться высокотемпературные полимеры, постепенно заменяя менее теплостойкие полимеры, и уже способные составить реальную альтернативу, в некоторых областях применений, металлическим сплавам и керамике. Использование высокотемпературных полимерматричных композитов обусловлено экономической эффективностью, зачастую позволяющих повысить технические характеристики и срок службы изделий, а также снизить эксплутационные расходы.
Кроме того, полимерматричные композиты в отличие от металлов и, в особенности, керамик легко поддаются механической обработке, что позволяет получать из них изделия сложной формы из стандартных заготовок с высокими требованиями по допускам за меньшее время.
Проблема увеличения срока службы и качества подшипниковых опор, работающих при повышенных нагрузках в условиях водных сред, может быть решена путем подбора как оптимального материала подшипника, так и пары трения подшипник/ответная деталь. Таким образом, создание антифрикционных композиционных материалов на основе теплостойких полимеров является актуальной проблемой, позволяющей улучшить упругопрочностные и трибологические характеристики узлов трения, функционирующие в экстремальных условиях.
Описание исследования

В работе в качестве метода смешения и повышения граничной адгезии полимер-наполнитель был использован метод механохимического синтеза, состоящий в совместной обработке порошковых наполнителей с полимерами в мельницах планетарного типа. При данном типе обработки происходит активация поверхности наполнителя, увеличивается удельная площадь поверхности, повышается поверхностная энергия и степень гомогенизации полимерной смеси. В итоге эти изменения улучшают взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей и упругопрочностные и триботехнические характеристики полимерматричного композита. Для работы использовалась шаровая планетарная мельца АПФ-3. Для контроля параметров порошковых композиций применялись сканирующая электронная микроскопия с програмным обеспечения для вычисления распределения частиц по размеру и оценки равномерности распредения наполнителей по объему, измерялась насыпная плотность порошков после устряски.

Композиционные полимерматричные  образцы получали с помощью методики термопрессования. Для обеспечения высоких механических и функциональных показателей для каждой из полимерматричных систем подбирались режимы обработки. В работе были использованы пресс-формы различного типа для проведения различных типов испытаний. Полученные объемные образцы подвергались токарно-фрезеровальной обработке с целью доводки до требуемых размеров.

Механические испытания образцов на сжатие проводились в соответствии с методикой ГОСТ на универсальной механической машине Zwick/Roell. Для каждого образца измерялись его геометрические характеристики и плотность по ISO 1183 (ГОСТ15139). Были проведены испытания на твердость по Шор Д по ISO 2039-1 (DIN 53456). Были проведены тесты на водопоглощение в соответствии с ISO 62. Температурные испытания на теплостойкость и коэффициент температурного расширения проводилсь на установке INSTRON Ceast HV3. 

Были проведены трибологические испытания полимерматричных композиты на специальной установке, позволящие смоделировать работу подшипника в реальном узле трения. Металлические контр-тела изготавливались с привлечением операций механической обработки (сверлильная, токарно фрезерная). Контроль шероховатости поверхности осуществлялся с привлечением методов профилметрии.

 

 

 

Результаты исследования

Разработана математическая модель фрикционного взаимодействия металлической поверхности с рациональной формой неровностей шероховатости полимерматричного композита и с учетом прерывистого движения, вязкоупругости и нагрева

В ходе исследований решены задачи, связанные с фрикционным контактом неровностей произвольной формы металлической поверхности с гладкой поверхностью полимерного композита в условиях плоской задачи. Получено асимптотическое решение задачи для нормального контакта неровностей, представленных тригонометрическим рядом с нечетными гармониками.

Установлена возможность более «тонкой» модификации эпюры давлений изменением формы регулярного профиля. Оптимальный профиль (форма) неровностей должен быть гладким (в смысле дифференцируемости), иметь большой радиус кривизны при вершине и малый угол наклона к средней линии. Таким образом, в отличие от пары материалов «металл-металл» необходимо вводить дополнительный параметр шероховатости – угол наклона профиля к средней линии.

Рассмотрены задачи непосредственно фрикционного контакта – при сцеплении и частичном проскальзывании. Если не принимать во внимание различие упругих констант, то распределение касательных усилий в зонах проскальзывания и сцепления подобно распределению нормальных давлений. При учете этого различия задача значительно усложняется, и на основе аппроксимации Гудмена было получено решение для касательных усилий.

Установлено, что на оптимальный профиль при условии сцепления (в момент реверса) сильно влияет различие в упругих константах. Задачу с учетом вязкости композита можно свести к упругой задаче и рассматривать влияние формы профиля на определенной скорости движения, например, в момент начала движения.

При больших нагрузках и скоростях скольжения, когда фрикционный нагрев существенный, необходимо стремиться к эпюре давлений с минимальным пиковым значением при полном контакте. В данном случае оптимальным профилем будет синусоида.

В результате проведенной работы были разработаны многокомпонентные полимерматричные композиты с оптимальном составом и структурой, показали которых по прочностным, температурным и трибологическим характеристикам не уступают мировому уровню

 

 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые композиционные материалы и технологии их изготовления позволят обеспечить высокие функциональные характеристики и длительную работоспособность в условиях различных режимов трения. Использование предлагаемых подходов позволяет обеспечить высокую технологичность производства изделий с габаритными размерами от 0,5 до 500 мм, толщиной от 0,2 до 20 мм, возможность массового производства изделий сложных пространственных форм (с криволинейными поверхностями, поднутрениями), а также исполнение высокоточных изделий с минимальными требованиями к финишной размерной обработке.
Заинтересованность в доведении научно-исследовательских и экспериментальных разработок до стадии реализации готового продукта проявляет индустриальный партнер проекта - "Научно-производственное предприятие "МОРСКАЯ ТЕХНИКА“, а также организации различных машиностроительных отраслей.