Исследование физико-механических и триботехнических характеристик материалов

Определение физико-механических характеристик основных конструкционных элементов является неотъемлемой частью технологического процесса изготовления ЭТУ. Твердость полимерных материалов определяется по методу Бринелля [93, 242, 243, 247]. Метод измерения твердости по Бринеллю заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно к поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия.

Диаметр D и соответствующее усилие F выбираются таким образом, чтобы диаметр отпечатка d находился в пределах 0,24...0,6 D. Для измерения твердости пластмасс в начале испытания прикладывается предварительная нагрузка величиной 98,1 Н, а затем основная, при которой должен быть получен отпечаток с диаметром в определенном выше диапазоне. Продолжительность выдержки наконечника под действием основной паїрузки (заданного усилия) должна соответствовать рекомендациям [242]. Время от начала приложения усилия до достижения им заданной величины должно составлять 2...8 с. Диаметр отпечатка определяется, с помощью 24-х кратного оптического микроскопа МПБ-2 с ценой делений 0,01 мм, твердость определяется по таблицам [242].

Для измерений твердости используется твердомер ТР 5006-02 для определения твердости по методу Роквелла и Бринелля, тарированный на образцо вых мерах твердости. В протоколах измерений твердости указываются обозначение образца, диаметр шарика, значение испытательного усилия, продолжительность выдержки, число твердости для каждого отпечатка, число твердости, полученное в результате обработки результатов измерений. В табл. 5.3 представлены результаты измерения твердости внутреннего слоя антифрикционного литьевого полимерного покрытия ЭФЛОНГ состава МАС-2К.

Для получения качественной структуры антифрикционного слоя центробежным способом из требуемого состава предварительно проведена серия отливок аналогичных диаметров на модельном составе ЭД-20 и Ф-4, в которой были подобраны для заготовки заданных диаметров и толщины частота вращения, температура и время формирования статора.

Таблица 5.3

Твердость поверхностей модельных составов ПКМ и МАС-2К

D, мм

F, Н

t, сек

d, мм

НВ, МПа

Примечания

1

5

612,9

180

3,10

72,5

СоставПКМ: ЭД-20+Ф-4

2

5

612,9

180

2,95

81,1

центробежное литье

3

5

612,9

180

2,97

79,7

без термообработки

4

5

612,9

180

2,80

92,5

5

5

612.9

180

2,16

159,9

Состав МАС-2К:

6

5

612,9

180

2,23

149,4

ЭД-20+Ф-4+Мо5,

7

5

612.9

180

2.46

120,7

центробежное литье

8

5

612,9

180

2,13

163,5

без термообработки

Твердость модельных отливок из эпоксидофторопластового состава замеряется с внутренней и наружной сторон полученных втулок. Твердость поверхности матрицы — эпоксидной смолы ЭД-20, отвержденной 10% масс. ПЭПА (полиэтиленполиамин), отлитой в стационарных условиях и не подвергнутой термообработке после полимеризации, составила в среднем 232,5 НВ. Введение в состав композиции фторопласта Ф-4, имеющего низкую собственную твердость порядка 30...60 НВ [82], вызывает снижение твердости ПКМ, так как наполнители в зависимости от их количества в композиции, занимая определенные объемы, снижают максимальное количество сшивок в полимерной матрице, препятствуя их возникновению. Кроме того, при центробежном литье под действием центробежной силы возникает фактор разделения, численно равный соотношению углового ускорения с ускорением свободного падения, который увеличивается с ростом частоты вращения. Наполнители, обладающие плотностью, отличной от плотности матрицы, под воздействием перепада давления (от нуля на внутренней поверхности до максимального на наружной) начинают перемещаться по толщине формирующегося слоя композиции. Это перемещение направлено или к наружной поверхности втулки, если плотность наполнителя больше плотности матрицы, или во внутренние слои формируемого изделия, где давление падает до нуля, если плотность наполнителя ниже плотности матрицы. На эффект перераспределения концентрации наполнителей по толщине изделия также существенное влияние оказывает фракционный состав наполнителей и форма отдельных частиц порошков и волокон. Мелкие частицы, имеющие меньшее гидравлическое сопротивление, перемещаются к внутренней поверхности формирующегося слоя изделия, крупные частицы стремятся переместиться к наружной поверхности. Кроме того, на перераспределение концентрации и гомогенность ПКМ оказывает влияние смачиваемость поверхностей наполнителей, т.с. их физическая природа. Например, порошковый фторопласт Ф-4, имеющий значительный разброс размеров отдельных частиц в диапазоне

10...315 мкм, плохо смачиваемый матрицей, при определенных гидродинамических и термодинамических условиях процесса центробежного литья может перераспределяться по толщине изделия в эпоксидной матрице, формируя три слоя: внутренний, средний и наружный, причем, в среднем слое может оставаться практически чистая смола, а слои на внешней и внутренней поверхностях насыщены фторопластом различных фракций. Перераспределение наполнителей в поле действия центробежной силы вызывает изменение физикомеханических свойств по толщине слоя изделия, что может иметь как положительное, так и отрицательное влияние на эксплуатационные свойства ЭТУ, в частности, на износостойкость вращающихся частей. Ввиду действия отмеченных выше факторов, а также ірадиепта температур по толщине формирующегося слоя внутреннего покрытия наблюдается перепад твердостей от внутренней поверхности к наружному диаметру, примыкающему к армированному слою ЭФЛАСТ на статоре ТЭМП.

Результаты измерений прочности на растяжение и сжатие представлены в табл. 5.4.

Анализ результатов измерений прочности показывает, что для состава МАС-2К средняя прочность на растяжение составляет около 42 МПа, на сжатие — 88 МПа, тогда как прочность на растяжение матрицы ЭД-20, отлитой при частоте вращения 300 мин1, составляет в среднем 30 МПА.

Таблица 5.4

Прочность внутреннего покрытия сердечника статора

Величины

Номера образцов МАС-2К

Примечание

1

2

3

4

5

Растяжение

Среднее

Сила, F, Н

380

350

410

370

360

374

Площадь, S. мм2

10,41

6,54

11,87

10,76

7,31

9,378

Напряжение,с, МПа

36.5

53.51

34,54

34.38

49,42

41,63

Сжатие

Сила, F. F1

3470

3180

3260

2700

3750

3272

Площадь, S, мм2

38,7

35,76

38,90

32,70

41.38

37,488

Напряжение,о, МПа

89,7

88.9

83,8

82.6

90.6

88,1

Для исследования антифрикционных полимерных материалов используется трибометрический измерительно-вычислительный комплекс на базе машины физического трения ИВК МФТ-3, блок-схема которого включает счетчики импульсов Си-8 (скорость скольжения и наработка) и микропроцессорный измерительный многоканальный прибор ТРМ-138, подключаемые через интерфейс RS 232-RS 485 [147].

На первом этапе испытаний подшипника с покрытием МАС-2К и осевой нагрузкой при высоковязкой циркуляционной смазке ТАП-15В в диапазоне изменяемых давлений 2,5... 15 МПа, скоростей скольжения 2...6 м/с и температуры масла 30... 100 °С определяются трибохарактсристики антифрикционного материала. На рис. 5.5 приведены графики изменения коэффициента трения от номинального давления, скорости скольжения и температуры масла, из которых видно, что коэффициент трения в пределах давлений 2,5... 15 МПа, скоростей скольжения 2...6 м/с и температуры масла 30...100 °С изменяется от 0,03 до 0,12. Из переменных факторов наиболее значимо на коэффициент трения влияет давление (рис. 5.5, а).

а 6

Рис. 5.5. Зависимость коэффициента трения от давления и скорости скольжения при температуре масла 30...50 °С: 1,2, 3 — скорость скольжения: 2; 4; 6 м/с; 4, 5,6,7 — номинальное давление: 5; 7,5; 10; 12 МПа

Исследование износостойкости подшипников по торцевой схеме проводятся при режимах трения: ра = 7,5 МПа, v= 4 м/с, температура масла 65 °С, N= 1()6 циклов. Характерным фактором для материалов МАС является приращение размера образца в начальный момент испытаний, который продолжается в течение (1...2)10 циклов. Величина линейного прироста размера в среднем составляет 3...4 мкм. Предельное приращение осевого размера СПС достигает 8 мкм. Эту величину необходимо учитывать в оценке допуска на изготовление подшипника. Средняя величина интенсивности изнашивания Jh составляет 1,7 10’11. Предельные показатели трения при ограниченной смазке ТАП-15В (2 капли в минуту): [ра] = 6 МПа при v= 2 м/с; [pav] = 10 МПа (м/с) — с плохими условиями теплоотвода; [p^v] = 14 МПа (м/с) — с хорошими условиями теплоотвода; [0] = 170 °С (длительная работа); [0] = 260 °С (кратковременная перегрузка).

Обработка результатов измерений показывает, что для граничного режима при избыточной подаче масла коэффициент трения покрытия МАС-2К составляет от 0,025 до 0,12 при давлении ра 12...4 МПа. Номинальное давление от ротора р = R/(di>), где R — реакция в опоре, d, b — соответственно диаметр и ширина контактной площадки.

Коэффициент трения для рассматриваемой конструкции ВЭ находится из рис. 5.5, б. Так, для диаметра вращающегося элемента 70 мм при частоте вращения 500 мин 1 скорость скольжения определяется, м/с:

7r d n 3,14-0,07-500 . Q_._

v =--------=-----------------= 1,8317.

60 60

Вычисляя номинальное давление от ротора по рис. 5.5, б можно определить коэффициент зрения для заданного режима работы.

Анализ результатов показывает способность материалов группы ЭФЛОНГ обеспечивать низкое трение и износ и конкурировать с традиционными подшипниковыми материалами при работе с жидкой смазкой.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >