Основы создания полимерных композитов

Принимая во внимание приведенное выше, запишем уравнение для второго граничного условия

ду

Вданном случае нас интересует установившийся режим нагру­ жения. Для неизвестной функции V{y,t) возможно указать зависи­ мость от времени в явном виде. Очевидно, оно примет вид такой же, как и для граничной нагрузки, где U(y) - новая неизвестная, введен­

ная вместо V(y, ().

В результате такой замены уравнение (7.29), а также условия

рсо2

где V2

(A + 2G)'

Граничные условия также изменятся:

У(у4 у* = и{У*!Ш\у* = и (° У М = 0 ■

Так как еш * 0 , то получаем новое уравнение для первого гра­

ничного условия:

521

Известно, что общее решение (т.е. удовлетворяющее любым краевым условиям) уравнения (7.33) дает:

U { у ) = С, cos(vy) + С2 sin(vy).

Постоянные Ci и Сг должны быть такими, чтобы выполнялись новые граничные условия (7.33) и (7.34).

Выполняя условие (7.33), получаем:

{/(О) = С, cos(v0) + С2 sin(vO), (/(0) = С ,.

Так как U(0) = 0, то С, = 0 . Таким образом,

Найдем производную уравнения (7.35):

Подставляя это выражение в (7.34), получаем:

Находим Сг.

ср“.

1 vcos(v<5)(A + 2G)

Далее имеем:

Для окончательного определения напряжения в жестко закреп­ ленной тонкой полимерной полосе вычислим производную уравне­ ния (7.36). После умножения на (A+2G) получаем:

Sv _ /ovcos(v,^)

Sy VCOS(V,^X^ + 2G)

522

Напряжение в композитном слое равняется:

cos(vy)e><af

(7.37)

уcos(vJ)

Вданной формуле знаменатель можно приравнять к нулю (cos(v<?) = 0), тогда значение напряжения (сгу) в полимерном слое мо­ жет оказаться бесконечно большим. Такой случай возможен, если

vS = ж/2 + жк

или

J ——— со8 = ж/2 +жк .

VA+2G '

Набор частот, при которых наступает резонанс, определяется из условия <Jy-> оо\

При данных частотах опасность разрушения композитного слоя велика даже при малых нагрузках. Поэтому важно оценить началь­ ную величину такой частоты и убедиться, что она достаточно велика и практически не наблюдается при эксплуатации подвижного со­ става, путевых, строительных и других машин, т.е. при к - 0,

С учетом влияния температуры на упругие характеристики ком­ позита можно вывести следующую зависимость для первой резонанс­ ной частоты:

Формула (7.37) позволяет построить график зависимости <ту от координаты у при фиксированном времени t (рис. 27). Получаем кри­ вую (косинусоиду) с максимальной амплитудой Р0/cos v8 и с перио­

дом 2я/v Таким образом, зависимость величины <jy от у выражается периодической функцией, в которой период зависит от коэффициен­ та V.

523

Периодичность воздействия максимальных напряжений ау, при­ ходящихся на толщину композитного слоя 8 определяется величиной v. С увеличением этого коэффициента увеличивается (не прямопро­ порционально) количество максимальйых напряжений сту, приходя­ щихся на заданную толщину полимера 8.

Анализируя формулу (7.37), видим, что cos(vy)e"u,< 1, если c o s ^ ) ^ = 1, тогда в тонкой полимерной полосе возникают макси­ мальные напряжения, вызываемые динамической нагрузкой, т.е.:

т.д. напряжения экстремальны. В эксплуатационных условиях час­

Рис. 27. Изменение напряжения (<гу) от времени (у)

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что слой компо­ зита в сопряженном соединении будет работать достаточно надежно, без разрушений.

524

ГЛАВА 4. Практическое применение результатов исследований

В целях определения целесообразности применения подшипни­ ков скольжения из композита их установили в узлах трения тормоз­ ной рычажной передачи вагонов и передней подвески троллейбусов для проверки в эксплуатационных условиях.

Следует отметить, что подшипники для этих узлов трения изго­ тавливались из композиционного полимерного материала с высо­ кими антифрикционными и демпфирующими свойствами.

В настоящее время известны эпоксидные материалы с демпфи­ рующими свойствами на основе смеси эпоксидных, диановых и али­ фатических смол, модифицированных полиэфирами [181]. Однако такие материалы имеют плохие антифрикционные свойства и низкую прочность. Был разработан [182] стеклопластик с высокими показате­ лями прочностных свойств на основе стеклонаполнителя и связую­ щего, включающего эпоксидную смолу и отверждающую систему, которая является продуктом взаимодействия о-хлоранилино-форм- бензальдегидного конденсата с диметакрилатом триэтиленгликоля в соотношении от 42:3 до 45:35 и содержит триэтаноламинотитанат при следующем соотношении компонентов (в мае. ч.):

Однако такой стеклопластик не обладает высокими антифрикци­ онными свойствами. Поэтому нами была поставлена и решена задача получения композита с высокими антифрикционными, демпфирую­ щими и прочностными показателями. Указанный технический ре­ зультат достигается тем, что стеклопластик на основе стекловолокни­ стого наполнителя и полимерного связующего, состоящего из эпок­ сидной смолы и отверждающей системы (продукт взаимодействия технического амина с диметакрилатом триэтиленгликоля), в качестве смоляной части содержит смесь среднемолекулярной эпоксидной диановой смолы с молекулярной массой 480 - 1200 (А) и диглицидилового эфира диэтиленгликоля (Б) в соотношении А:Б от 90:10 до 40:60, а в качестве отверждающей системы - продукт взаимодействия технического и-аминобензиланилина (В) с диметакрилатом триэти­ ленгликоля (Г) в соотношении В:Г от 92:8 до 80:20 и 4,4-дифенилме- тандиизоцианат, блокированный диметиламином и дополнительно порошкообразным графитом при следующем соотношении компо­ нентов (мае. ч.):

525

На первом этапе внедрения композитного полимерного подшип­ ника были проведены стендовые испытания его работоспособности.

4.1.Исследование работоспособности разработанных подшипников скольжения в узлах трения

4.1.1.Стендовые испытания

Стендовые испытания проводили на стенде, который представ­ лял собой двухосную тележку, выполненную в Чь натуральной вели­ чины. Колесные пары устанавливались на катки диаметром 800 мм, имитирующие рельсовый путь, и приводились во вращение тяговым двигателем. Для задания колесной паре вертикальных импульсов катки снабжались упругими перемычками, соответствующими сты­ ковому пути. При скорости 16 м/с производилось торможение и по­ сле 8 тысяч циклов замеряли износ втулок. Испытания, как стендо­ вые, так и лабораторные, подтвердили наше предположение о том, что наиболее износостойкой в условиях внешнего теплового нагрева и динамических нагрузок является втулка из композиционного мате­ риала (у нее интенсивность износа на 85% меньше, чем у металлоке­ рамических, и на 75% меньше, чем у капроновых). Это позволило рекомендовать эти втулки для дальнейших исследований в эксплуа­ тационных условиях.

4.1.2. Программа и методика эксплуатационных испытаний

Программой эксплуатационных испытаний было предусмотрено проведение исследований по выявлению реальной работоспособно­ сти подшипников из композита по сравнению с существующими по­ лимерными (капрон), а также подшипниками из бронзы и из спечен­ ного материала на основе железа (табл. 12).

Поворотный

кулак

526

Испытаниям подвергались шарнирные соединения узлов тормоз­ ной рычажной передачи вагонов и передней подвески троллейбусов. Узел трения тормозного башмака подвергался также тепловому воз­ действию, что в значительной степени влияет на износостойкость шарнирного узла.

Во время испытаний втулки из упомянутых выше материалов ра­ ботали на тележках пассажирских вагонов типа ЦМВ, КВ-3-5 и КВЗЦНИИ.

На основании использования опыта эксплуатационных испыта­ ний была предложена методика, которая включает следующие этапы: сбор эксплуатационных данных, статистическую обработку этих дан­ ных, анализ сопряжений и изучение механизма изнашивания втулок после эксплуатации в лабораторных условиях, оценку надежности шарнирных узлов.

Важной частью эксплуатационных исследований является орга­ низация сбора эксплуатационной информации. Для этого были со­ ставлены специальные карты, в которых была отражена характери­ стика деталей - информация по абсолютному износу и внезапным отказам. Исследования и замеры износа втулок производились при текущем ремонте вагонов в депо и при текущем ремонте троллейбу­ сов.

4.1.3. Статистическое исследование износа подшипников скольжения

Статистическая обработка данных эксплуатационных испыта­ ний проводилась в целях установления интенсивности изнашивания деталей и срока их службы. Для характеристики процесса изнашива­ ния использовали интенсивность изнашивания, которая определялась из отношения U = /1L мм/105 км, где I - абсолютный износ деталей, мм; L - условный пробег вагона или троллейбуса, 105 км.

Для анализа износа сопряжений выбирали сечения с максималь­ ной интенсивностью изнашивания из 4 размеров диаметрально пер­ пендикулярных плоскостей.

Анализ данных эксплуатации втулок шарнирных узлов тормоз­ ной рычажной передачи вагонов и передней подвески троллейбусов показывает, что наибольшей износостойкостью обладают втулки из композиционного материала с антифрикционными и демпфирую­ щими свойствами (табл. 13).

Таблица 13

Результаты исследования интенсивности изнашивания втулок (мм/105 км) из различных материалов

527

После осуществления широкой опытно-промышленной про­ верки результатов научных исследований были разработаны реко­ мендации, согласно которым ведется внедрение новых композицион­ ных материалов в узлах трения подвижного состава. Так, их приме­ нение в узлах трения тормозной рычажной передачи троллейбусов позволило увеличить ресурс работы последних в 2 раза.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. Л.: Химия,

1972.240 с.

2.Айбиндер С.Б., Тюнина Э.Л. Введение в трение полимеров. Рига: Зинатне,

1978. 224с.

3.Белый В.А., Свириденок А.И., Петрокоповец М.И. и др. Трение поли­

меров. М.: Наука, 1972. 204с.

4.Гаркунов Д.Н. Долговечность трущихся деталей машин. М.: Машино­

строение, 1987. 302с.

5.Барамбойм Н . К Механохимия высокомолекулярных соединений. М.:

Химия, 1978. 384с.

6.Бедый В.А. Проблема создания композиционных материалов и управ­

ление их фрикционными свойствами // Трение и износ. 1982. Т. 2, №3. С. 389-395.

7.Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимо­

действии. М.: Мир, 1986. 294с.

8.Дроздов Ю.П., Жучков В.М., Юдин Е.Г. Трение во фрикционных узлах,

работающих в масле, с учетом упругих характеристик коробленных дис­ ков//Трение и износ. 1985. Т. 6, №6. С. 10061011.

9.Дерягин Б.В., Топоров Ю.П., Смирнова А.М. Некоторые закономерности

внешнего трения полимеров // Пластмассы в подшипниках скольжения. М.: Наука, 1956. С. 26-33.

10.Крагелъский И.В., Рассохин Г.И., Тетерин А.И. Многофакторное иссле­

дование процесса изнашивания полимера в теплонапряженном состоя­ нии // Механика полимеров. 1978. № 1. С. 67 - 72.

11.Колесников В.И., Рассохин Г.И., Тетерин А.И. Многофакторное иссле­

дование процесса изнашивания полимера в теплонапряженном состоя­ нии //Там же. С. 103104.

12.Крагелъский И.В. Основные закономерности внешнего трения и износа

твердых тел // Теория трения, износа и проблемы стандартизации: Мате­ риалы Всесоюз. науч. конф. Брянск: Приок. кн. изд-во, 1978. С. 12 - 27.

13.Крагелъский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов натре­

ние и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

14.Крагелъский И.В. Износ как результат повторной деформации поверх­ ностных слоев// Изв. вузов. Физика. 1958. № 5. С. 119-127.

15.Марченко Е.А., Непомнящий Е.Ф., Харач Г.М. Циклический характер на­

копления искажений 2 рода в поверхностном слое как физическое под­ тверждение усталостной природы износа // ДАН СССР. 1968. Т. 181, №5. С. 1103-1104.

16.Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и де­

талей машин. М.: Машиностроение, 1966. 381 с.

17.Пинегин С.В. Контактная прочность и сопротивление качению. М.: Ма­

шиностроение, 1969. 244с.

18.Bayer R.G., Wayson A.R. Designing for measurable wear // Machine Design.

1969. Vol.41,N41.P. 118-151.

528

19.Kounas P., Dimanogonas A., Sandor G. The distribution offriction heatbetweena stationarypin and rotatingcylinder// Wear. 1972. Vol. 19, N 4. P. 415424.

20.Дерягин Б.В., Топоров Ю.П., Смирнова A.M. Некоторые закономерности

внешнего трения полимеров // Пластмассы в подшипниках скольжения. М.: Наука. 1965. С. 26-33.

21.Дерягин Б.В., Коротова Н.А., Смита В.П. Адгезия твердых тел. М.: Нау­

ка. 1973. 280с.

22.Крагельский И.В. Фрикционное взаимодействие твердых тел// Трение и

износ. 1980. Т. 1,№ 1.С. 12-29.

23.Краснов КС. Молекулы и химическая связь. М.: Высш. шк., 1954. 296 с.

24.Дзялошинский И.Е., Лифшиц Е.М., Питаевский Я.П. Общая теория ван-

дер-ваальсовых сил// Успехи физ. наук. 1961. Т. 23, вып. 3. С. 381 - 422.

25.Савкин В.Г Об учете молекулярного взаимодействия при создании само-

смазывающихся композитов на основе полимеров // Трение и износ. 1984. Т.5.№ 1.С.5- 19.

26.Альперович Л.И. Метод дисперсионных соотношений и его применение

для определения оптических характеристик. Душанбе: Ирфон. 1973. 46 с.

27.Новейшие инструментальные методы исследования структуры поли­ меров / Пер. с англ, под ред. Н.А. Рамэ. М.: Изд-во иностр. лит, 1952. 263с.

28.Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1970. 336 с.

29.Негматов С.С. О некоторых механоэлектрических явлениях при взаимо­

действии полимерных материалов с хлопком-сырцом // Тез. докл. VII Всесоюз. симпоз. по механоэмиссии и механохимии твердых тел. Таш­ кент, 1979. С. 5- 6.

30. Усманов А.И. Автореф. дис. канд. техн. наук. Ташкент, 1975.

31.Боев С.Г., Лучников А.П. О роли механоэмиссии в процессах заряжения

диэлектриков трением// Тез. докл. VII Всесоюз. симпоз. по механоэмис­ сии и механохимии твердых тел. Ташкент, 1979. С. 5253.

32.Балабеков М.Т., Равшанов Р., Усманов А.И. и др. Уменьшение теплообра­

зования методом съема естественных электрических зарядов при трении диэлектрических тел// Там же. С. 158 - 159.

33.Ludema К.С., Tabor D. Friction and viscoelastic properties of polymeric solids // Wear. 1966. Vol. 2. N 9. P. 329348.

34.Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Петерс Г.А. Сопротивление жестких по­

лимерных материалов. Рига: Зинатне, 1972. 498 с.

35.Фляйшер Г.К. Связи между трением и износом// Контактное взаимодей­

ствие твердых тел и расчет сил трения и износа. М.: Наука, 1968. С. 163-169.

36.Rabinovich Е. Surface energy approach to friction and wear // Wear. 1965.

Vol. 36, N 36. P. 9599.

37.Белый B.A. Влияние надмолекулярных образований на процессы трения

полимеров// О природе трения твердых тел. Минск: Наука и техника, 1971. С. 168-190.

38.Нечаева С.И., Топоров Ю.П. О роли вторичных структур в реализации

антифрикционных свойств полимерных композиций с активными напол­ нителями // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. "Износостойкость машин". Брянск, 1994. С. 184198.

39.Гороховский Г.А. Поверхностное диспергирование динамически контак­

тирующих полимеров и металлов. Киев: Наук, думка, 1972. 152с.

40.Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техника, 1979.

421 с.

529

41.Ребиндер П.А. Взаимодействие поверхностей - адгезия и деформация по­

верхностных слоев при трении. Минск: Наука и техника, 1969. 208 с.

42.Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз,

1963. 472 с.

43.Виноградов Г.В., Подольский Ю.Я., Мустафаев В.А. Новые аспекты во­

просов трения пластмасс по металлу // Пластмассы в подшипниках скольжения. М.: Наука, 1965. С. 8 - 17.

44.Каргин В.А., Сломинский Г.Л. Краткие очерки по физикохимии полиме­

ров. М.: Химия, 1967. 284 с.

45.Кутьков А.А. Износостойкость и антифрикционные покрытия. М.: Ма­

шиностроение, 1976. 152 с.

46.Schallamach A. The velocity and temperature dependence of rubber friction //

Proc. Phys. Soc. B. 1953. Vol. 66. P. 386 - 392.

47.Бартенев Г.М. К теории сухого трения резины // ДАН СССР. 1954. Т. 96,

№6. С. 1164.

48.Фарберова Г.М., Ратнер С.Б. Влияние наполнителя и пластификации на

износоустойчивость пластмассы // Пласт, массы. 1967. № 4. С. 18 - 24.

49.Айбиндер С.Б., Андреева Н.Г Влияние дисперсности наполнителя на из­

носоустойчивость композиции на основе полиэтилена // Механика поли­ меров. 1997. № 1. С. 45-49.

50.Браун Э.Д. Построение моделей сложных систем в трибонике // Опти­

мальное использование фрикционных материалов в узлах трения. М.: Наука, 1973. С. 16-24.

51.Чичинадзе А.В., Браун Э.Д., Гинзбург Л.Б. и др. Расчет, испытание и под­

бор фрикционных пар. М.: Наука, 1979. 267с.

52.Чичинадзе А.В., Погосян А.К., Стакян М.Г Применение методов матема­

тической статистики для определения параметров повторно-кратковре­ менного трения// Вестн. машиностроения. 1972. № 8. С. 14 - 16.

53.Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ

экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980. '228 С;

54.Чихос X. Системный анализ в трибонике. М.: Мир, 1982. 352 с.

55.ГаркуновД.И. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.

56.Балакин В.А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения. М.:

Машиностроение, 1980.

57.Духовский Е.А., Силин А.А. Явление сверхнизкого трения твердых тел,

вызванное интенсивным радиационным воздействием // ДАН СССР.

1971. Т. 200. №8. С. 75-78.

58.Ланкастер У.К. Образование третьего тела и износ сухих подшипников

на основе ПТФЭ-волокон // Пробл. трения и смазки. 1980. № 2.

С. 114124.

59.Белый В.А., Савкин В.Г., Свириденок А.И. и др. Об исследовании про­

цесса при трении полимеров // Механика полимеров. 1971. № 4.

С.750 - 752.

60.Браун К, Аткинсон А., Даусон Д. Износ высокомолекулярного полиэти­

лена // Пробл. трения и смазки. 1982. № 1. С. 18 - 25.

61.Stejin R.P. The sliding surface of polytetrafluorocthylene: Investigation with the electron microscope // Wear. 1968. Vol. 12, N 2. P. 193-212.

62.Bowers R.G. Frictional properties of plastics II Modern Plastics. 1954.

Vol. 321, N6. P. 131 - 144.

63.Коршак B.B., Гиибова И.А., Краснов А.П. и др. Влияние температуры тре­

ния на строение поверхностного слоя и износостойкость АСП на основе поливинилхиноксалина //Трение и износ. 1986. Т. 7, № 1. С. 16-20.

530