ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ ВХОДНЫХ ФАКТОРОВ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ПАРЫ ТРЕНИЯ МАСЛЯНИТ – СТАЛЬ

П.Д. Дерлугян, Г.Е. Трофимов

    Антифрикционные самосмазывающиеся материалы на основе поли­меров в настоящее время нашли весьма широкое применение во всех отраслях промышленности. Из них изготавливают зубчатые ко­леса, сепараторы и шарики шарикоподшипников, трущиеся элементы подшипников скольжения, направляющих, уплотнения и т.д. Как правило, эти материалы представляют собой сложные многокомпонентные системы, включающие в себя полимерную матрицу, содержа­щую различные смазочные наполнители. К материалам этого класса относится и группа материалов типа маслянит. Все материалы этой группы по­строены по одному принципу, но имеют разный состав и техноло­гию изготовления. В их состав входит внутрипачечный пластифика­тор, в качестве которого применяются разнообразные смазочные жидкости, металлические мыла и наполнитель в виде мелкодисперс­ных порошков.

Характерной особенностью строения материала маслянит являет­ся наличие граничных смазочных слоев в любом микросечении, сформированных в процессе изготовления материала в виде метал­лических мыл на поверхностях твердых частиц той или иной приро­ды. По мере износа микрослоев маслянита, являющихся рабочей по­верхностью, на смену им приходит новая поверхность, покрытая плотным граничным слоем металлических мыл. Кроме того, материа­лы данного типа, как правило, имеют в своей структуре некото­рое количество микропустот, заполненных молекулами смазки, ко­торые могут совершать миграцию из глубины материала к поверхно­сти. Интенсивность миграции во многом зависит от теплового ре­жима работы пары трения и может достигать значительной величи­ны. Проведенные исследования показали, что миграция в ос­новном происходит по направлению к нагретой поверхности, т.е. к поверхности трения. Это подтверждается тем, что при триболо­гических испытаниях маслянита в некоторых режимах на поверхно­стях трения было обнаружено значительное количество смазки.

Для проверки высказанного предположения были проведены ис­следования взаимосвязи коэффициента трения и объемной темпера­туры материала маслянит при трении по стали.

Исследования проводились на торцевой машине трения. Испыта­ниям подвергались образцы материала маслянит в виде втулок с размерами: D_вн. – 20 мм; D_н -28мм; Н = 20 мм.

Контртела изготавливались из стали 45, ГОСТ 1050-74, нетермообработанной, в виде дисков диаметром 50 мм и высотой 10 мм.

Номинальная площадь контакта составила 3 см², коэффициент взаимного перекрытия равнялся 1.

Торцевая машина трения оснащена тензоизмерительной системой, позволяющей регистрироватъ момент, возникающий от действия сил трения, и устройством для принудительного подвода тепла. Объем­ная температура измерялась термопарой хромель-капель, горячий спай которой располагался в металлическом контртеле на расстоя­нии 0,4 мм от поверхности трения, и регистрировалась прибором КСП1-005.

Известно, что тепло, выделяющееся при трении пар полимер-ме­талл распределяется между ее элементами неравномерно. Это объясняется тем, что они имеют различные теплофизические свой­ства. Принято часть тепла, поступающую в один из элементов пари трения, обладающий меньшей тепло- и температуропроводно­стью (в нашем случае полимерный), обозначать через α_тп– коэф­фициент распределения тепловых потоков. Этот коэффициент является комплексной характеристикой теплового режима пары трения, служит своеобразным критерием подобия и определяется из следую­щего соотношения:

Величина коэффициента была рассчитана после прове­дения предварительных испытаний и составляла 15-25% в зависи­мости от внешних условий. Температурный градиент в металлическом элементе пары трения имеет величину гораздо меньшую, чем в полимерном, т.е., размещая термопару именно в нем, мы можем регистрировать температуру,близкую к средней температуре по­верхности трения.

Скорость скольжения, равная 0,035 м/с и удельное давление 1 МПа были выбраны исходя из того, что весьма низкое тепловы­деление при этом режиме значительно упростило регулирование подвода тепла извне для равномерного подъема температуры. Ско­рость нагрева составляла 5 ± 1 град/мин.

Результаты испытаний представлены на рис. 1.

Рис. 1. График зависимости коэффициента трения от объемной температуры: 1 – полиамид П610; 2 – полиамид П610, наполненный 10% графита;
3 –маслянит

Для сравнения проведены испытания полиамида П610 и полиами­да П610, наполненного 10% графита С-1.

Следующим этапом исследований стал подбор такого режима эксплуатации маслянита, который позволил бы наиболее полно ис­пользовать все его положительные свойства. Иными словами, обес­печивающий такую комбинацию входных факторов и их изменения в процессе работы пары трения, которые позволят повысить несущую способность.

Образцы первоначально нагружались осевой силой 15 кг, т.е. удельное давление равнялось 5 кг/см². Включалась машина трения и первые пять минут нагрузка оставалась неизменной, затем вклю­чалось устройство изменения нагрузки.

За основу при определении максимального допустимого крите­рия PV был принят такой режим работы, при котором в течение 30 минут после прекращения увеличения нагрузки коэффициент тре­ния и объемная температура стального контртела стабилизирова­лись. Верхний предел температуры принят 145…150ºС. Как показа­ли результаты первого этапа исследований, именно эта величина является предельной для материалов типа маслянит. При превыше­нии этой величины резко возрастает износ полимерного образца.

Для того, чтобы судить об эффективности применяемых режимов эксплуатации пар трения маслянит-сталь с постепенным увеличе­нием нагрузки, было определено максимальное значение критерия PV при работе с постоянной нагрузкой. Для исследуемой компо­зиции маслянита эта величина составила 8 кг/см²·м/с. Коэффи­циент трения имел значение, равное 0,28.

Таким образом, рассматривая результаты проведенных исследо­ваний, можно сделать выводы о том, что материалы группы масля­нит наиболее целесообразно использовать при температурах 60…80 и 120…140°С, но износ во втором случае несколько выше. Наличие плотного граничного смазочного слоя, блокирующего по­верхность полимера, резко снижает адгезионную составляющую си­лы трения. По мере увеличения нарушения термодинамического рав­новесия в масляните увеличивается миграция молекул смазки, что снижает коэффициент трения в области высоких температур. Ис­пользование материалов группы типа маслянит позволяет эксплуатировать пары трения, оснащенные ими, при температурах в 1,5-2раза выше, чем чистых полиамидов и композиций, наполненных твердой смазкой.

В качестве изменяемого параметра была выбрана нагрузка. Ис­пытания проводились на торцевой машине трения при скорости скольжения 1 м/с. Дополнительно машина трения оснащалась устройством, позволяющим в процессе эксперимента безступенчато из­менять нагрузку на пару трения по следующему закону:

P = P₁ + kt

где P₁= 15 кг – первоначальная нагрузка; k – коэффициент скорости изменения нагрузки, кг/с; t – время работы устройст­ва изменения нагрузки.

Коэффициент k варьировался по величине. В зависимости от изменения его величины построены графики зависимости коэффи­циента трения и критерия PV(рис. 2), т.е.  и .

Рис. 2. График зависимости коэффициента трения и критерия PV от величины коэф­фициента скорости изменения нагрузки

Коэффициент скорости изменения нагрузки в ходе исследований имел различные значения: K₁=0,00178 кг/с; K₂=0,038 кг/с;K₃=0,0957 кг/с;K₄=0,287 кг/с.

Правильный выбор соотношения входных факторов, температуры и нагрузки в процессе работы пары трения позволяет значительно увеличить несущую способность. В нашем случае при массе теплопроводящих частей 2 кг удалось повысить значение критерия, при котором сохраняется работоспособность материала и его несущая способность более чем в два раза, а коэффициент трения снизился в 1,8 раза. Оптимальная величина коэффициента ско­рости увеличения нагрузки в нашем случае лежит в пределах 0,09 – 0,15 кг/с. Увеличение теплоотвода узла трения, которое достигалось посредством обдува узла трения потоком воздуха с температурой 20°С, показало, что в этом случае величина коэф­фициента К должна быть несколько увеличена.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зиновьев Е.В. Тепловой режим и фрикционные характеристики образцов из полимерных композиций при испытаниях на различных машинах трения.- В сб.: Тепловая динамика трения. М.: Наука, 1970, с. 92-106.
2. Костецкий Б.И., Линник Ю.И. Исследование энергетического баланса при внешнем трении металлов. М: Машгиз, 1960, 34с.
3. Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия. М.: Машиностроение, 1976. 152с.
4. Кутьков А.А. Исследование влияния типа пластификатора на антифрикционные свойства полимеров. –В сб.: Реологические и антифрикционные свойства высокополимеров и пластических масс на их основе. Новочеркасск: НПИ, 1967, т.177, с.15-20.