На правах рукописи

Рубан Анна Сергеевна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРИБОСИСТЕМ ТИПА

ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ

МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность: 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск-2008 2

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Машков Юрий Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кулагин Владимир Алексеевич кандидат технических наук, доцент Кропотин Олег Витальевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Омский танковый инженерный институт», г. Омск

Защита диссертации состоится 19 сентября 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.099.13 при ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет по адресу: 660074, г. Красноярск, ул.

Киренского,26, ауд. Г 2-50.

Тел./факс (3912) 49-82-55; e-mail DM21209913@ mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан ‹‹15›› августа 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ212.099.13, доктор технических наук, доцент Э.А. Петровский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Проблема обеспечения высокой степени герметичности подвижно сопряженных поверхностей деталей машин относится к одной из сложных научно-технических задач трибологии, материаловедения и герметологии. Значительные трудности, возникающие при разработке теории герметизации и уплотнительной техники, связаны с необходимостью решения комплексных задач на стыке нескольких наук:

физики, химии, трибологии, материаловедения. Механизм герметизации подвижных сопряжений обусловлен не только механическим взаимодействием контактирующих поверхностей, но и физикохимическими процессами трения и изнашивания материалов в зоне контакта, а также структурно-фазовыми превращениями в материалах в процессе эксплуатации в различных средах.

При обеспечении высокой степени герметичности ухудшаются условия смазки рабочей кромки уплотнительного элемента, увеличивается работа трения и температура, особенно при высоких значениях рабочего давления и скорости скольжения и как следствие возрастает интенсивность изнашивания уплотняющих элементов. Названные обстоятельства существенно усложняют задачу обеспечения заданного ресурса и безотказности работы, поскольку работоспособность герметизирующих устройств (ГУ) в определяющей степени зависит от работоспособности уплотняющего элемента и, в первую очередь, от физико-механических и триботехнических свойств материала уплотняющего элемента. Успешное решение названной проблемы определяет реальные возможности повышения технического уровня и эффективности эксплуатации технических систем.

Названные обстоятельства свидетельствуют о сложности и актуальности проблемы обеспечения длительной работоспособности металлополимерных трибосистем типа герметизирующих устройств.

Цель и задачи исследования.

Разработать методику обеспечения и прогнозирования работоспособности металлополимерных ГУ на основе исследования триботехнических свойств и напряженно - деформируемого состояния полимерного композиционного материала (ПКМ) уплотнительных элементов ГУ и моделирования тепловых процессов в зоне трения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику и специальную установку для исследования распределения температуры в зоне трения металлополимерной трибосистеме и износостойкости ПКМ.

2. Получить зависимости триботехнических свойств ПКМ от концентрации компонентов-модификаторов.

3. На основе структурного анализа определить закономерности влияния модификатора-наполнителя и фрикционного взаимодействия на структурно-фазовые превращения в ПКМ на основе ПТФЭ.

4. Разработать методику расчета скорости изнашивания ПКМ на основе экспериментальной оценки значений коэффициента трения.

5. Выполнить анализ напряженно-деформируемого состояния уплотнительных элементов ГУ ступицы опорного катка гусеничной машины.

6. Разработать математические модели термодинамических процессов (распределения температуры и тепловых потоков) в трибосистеме, учитывающие влияние теплофизических и триботехнических свойств материалов трибосистемы.

7. Разработать рекомендации по методике проектирования, оценке работоспособности и прогнозирования ресурса металлополимерных ГУ на этапе проектирования.

Научная новизна определяется следующими результатами:

';

1. Методикой и специальной установкой исследования распределения температуры в металлополимерной трибосистеме и триботехнических свойств ПКМ, отличающейся от существующих методик тем, что позволяет проводить комплексные исследования теплофизических и триботехнических свойств ПКМ.

2. Методикой расчета скорости изнашивания (износостойкости) ПКМ на основе экспериментальной оценки значений коэффициента трения.

3. Закономерностями влияния концентрации ультрадисперсного наполнителя - модификатора на параметры надмолекулярной структуры полимерного композиционного материала на основе ПТФЭ.

4. Математическими моделями термодинамических процессов распределения температуры и тепловых потоков в трибосистеме, учитывающие влияние теплофизических и триботехнических свойств материалов металлополимерной трибосистемы и режимов механического нагружения.

Практическая ценность работы.

Разработана и изготовлена установка для исследования триботехнических свойств ПКМ, температуры в зоне трения и температурного распределения для металлополимерных пар трения.

Разработана автоматическая тепловизионная установка, которая может быть использована для исследования тепловых процессов в узлах трения и других систем машин.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования влияния состава ПКМ на триботехнические характеристики позволили предложить методику расчета скорости изнашивания ПКМ по значениям коэффициента трения, получаемых путем проведения краткосрочных испытаний, в которых необходимым условием является стабильное значение коэффициента трения.

Результаты исследования позволяют прогнозировать изменения структуры и свойств уплотнительного элемента, изготовленного из ПКМ, что позволит на этапе проектирования выбрать оптимальный состав ПКМ в зависимости от условий эксплуатации ГУ.

На защиту выносятся:

1. Методики и специальная установка исследования распределения температуры в металлополимерной трибосистеме и триботехнических свойств ПКМ.

2. Уравнения регрессии, отражающие зависимость температуры, скорости изнашивания и коэффициента трения от контактного давления и концентрации наполнителя-модификатора.

3. Методика расчета скорости изнашивания (износостойкости) ПКМ на основе экспериментальной оценки значений коэффициента трения.

4.Закономерности наполнителя-модификатора на параметры надмолекулярной структуры полимерного композиционного материала на основе ПТФЭ.

распределения температуры и тепловых потоков в трибосистеме, учитывающие влияние теплофизических и триботехнических свойств материалов металлополимерной трибосистемы и режимов механического нагружения.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: Международная конференция “Образование через науку”, Москва,2005г.; I Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 24-26мая 2006г. “Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений”, Омск,2006г.; Международная - практической школаконференция “Славянтрибо7а. Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентноспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства”, Рыбинск,2006г.; Международная научно- практическая конференция: “Актуальные проблемы трибологии”, Самара,2007г.

В полном объеме работа докладывалась и получила одобрение на заседании кафедры “Физика” Сибирской государственной автомобильнодорожной академии.

Публикации. По теме работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе одна работа в издании, рекомендованном перечнем ВАК Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 161 страницах, содержит 47 рисунков, 14 таблиц, список литературных источников, включающий 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и основные положения работы, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору и анализу опубликованных работ по теме диссертации. Отечественными учеными, такими как Белый В.А., Крагельский И.В., Бершадский Л.И., Чичинадзе А.В., Черский Н.И., Федоров В.В. сформулированы положения и предложен ряд теорий, позволяющих объяснить явления трения, износостойкости деталей и узлов машин.

Обзор работ, посвященных исследованию металлополимерных трибосистем, показал широкий разброс триботехнических характеристик трибосопряжений при различных конструкционных и физикомеханических параметрах. Данная проблема связана с тем, что работоспособности и долговечности металлополимерных герметизирующих устройств машин на этапе проектирования.

Во второй части обзора проведен анализ физико-механических свойств различных полимерных и полимерных композиционных материалов, результатов ранее выполненных экспериментальных исследований и опыта применения полимеров в различных герметизирующих устройствах транспортных и технологических машин показал, что в наибольшей степени комплексом необходимых физико-механических и триботехнических свойств, как основа для ПКМ, обладает политетрафторэтилен. Как показали исследования Виноградова В.Н., Колесникова В.И., Кутькова А.А., Костецкого Б.И., Краснова А.П., Машкова Ю.К., Мышкина Н.К., Охлопковой А.А., Свириденка А.И. и др.-композиционные материалы, в том числе и на основе политетрафторэтилена, наряду с характерным для них низким коэффициентом трения и хорошими демпфирующими свойствами, имеют теплонапряженность в зоне контакта. Возникающая при этом задача заключается в разработке методов повышения надежности и ресурса герметизирующих устройств на основе исследования температуры и тепловых процессов в металлополимерной трибосистеме и их влияния на механические и триботехнические свойства материалов металлополимерных трибосистем.

Вторая глава посвящена выбору и разработке методов экспериментального исследования.

В работе предусмотрены следующие методы и средства экспериментальных исследований:

1)исследование концентрационных зависимостей, механических и триботехнических свойств полимерных композиционных материалов;

2)исследование температуры в зоне трения и процессов температурного распределения в металлополимерной паре трения;

3) исследование структурно-фазового состояния ПКМ.

Для исследования были изготовлены образцы ПКМ на основе ПТФЭ, содержащие в качестве наполнителей скрытокристаллический графит (СКГ), марки ГЛС-3 (ГОСТ 5420-74) с кристаллами менее 0,2мкм, неупорядоченной ориентацией и удельной поверхностью частиц 55-70м2/г в ультрадисперсном состоянии. Образцы ПКМ изготавливались по технологии холодного прессования и последующего свободного спекания.

Рис 1. Испытательный стенд на базе сверлильного станка:

1-контртело, 2-тензобалка, 3-держатель образцов, 4-пирометр, 5-шпиндель станка, 6- груз сменный, 7-датчик давления.

Для исследований триботехнических свойств ПКМ и определения температуры была разработана специальная установка с механическим приводом на базе настольного сверлильного станка, в рабочем узле которого реализуется торцовая схема трения палец-диск (рис.1).

Измерение момента силы трения осуществлялось малогабаритным потенциометрическим датчиком давления ДМП-6А.

Для исследования тепловых процессов в зоне трения была разработана тепловизионная автоматизированная установка, укомплектованная выносным пирометрическим зондом, предназначенным для дистанционной визуализации тепловых полей, и термопары. Измерение и контроль температуры на различном расстоянии от поверхности трения были использованы термопары, закрепленные в отверстиях контртела на глубине 1мм и 1,8мм от поверхности трения. Величину износа образцов определяли взвешиванием на микроаналитических весах.

Для комплексной оценки взаимосвязи тепловых и трибологических процессов и установления зависимостей температуры, коэффициента трения и скорости изнашивания от контактного давления и химического состава ПКМ, использовался статистический метод планирования эксперимента. В качестве независимых изменяющихся параметров приняты контактное давление (механическая нагрузка) и концентрация скрыто-кристаллического графита в ПКМ.

В качестве основного метода исследования структуры ПКМ принят метод рентгеноструктурного анализа с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3. Рентгенографирование поверхностей с целью изучения фазового состава и надмолекулярной структуры производили по методике съемки в больших углах 2 =(10-100)°. Полученные рентгенограммы расшифровывали по методике качественного фазового анализа. Степень кристалличности полимерной матрицы определяли по методу Метьюза.

В третьей главе рассматриваются результаты экспериментальных исследований.

Установлено, что характеристики механических свойств существенно зависят от концентрации СКГ. Для всех исследуемых образцов общим является снижение предела прочности и рост модуля упругости при увеличении концентрации наполнителя.

Графики концентрационной зависимости скорости изнашивания и коэффициента трения на рис.2. показывают, что скорость изнашивания при увеличении концентрации наполнителя до 10%масс снижается, затем начинает возрастать, особенно в интервале 15-20%масс. Коэффициент трения во всех случаях монотонно повышается при увеличении концентрации наполнителя.

Рис.2. Концентрационные зависимости скорости изнашивания и коэффициента трения ПКМ при контактном давлении: 1-1,5МПа; 2-2,0МПа; 3-2,5МПа.

На втором этапе испытаний проводилось исследование зависимостей температуры на поверхности трения и ее распределение в металлическом контртеле от концентрации СКГ.

По данным, полученным при помощи пирометра и термопар, закрепленных в контртеле, построены графики зависимости температуры от концентрации СКГ в образцах при P =1,5МПа (рис.3а.), график распределения температуры по глубине контртела для образца с концентрация СКГ-15%масс. при различных значениях давления (рис.3б).

Графики показывают нелинейный характер распределения температуры по глубине контртела. Это отражает сложную нелинейную зависимость физико-механических свойств поверхностного слоя контактирующих тел от температуры.

Рис. 3. Концентрационные зависимости температуры на поверхности трения и в контртеле при Р = 1,5 МПа(а): 1- на поверхности, 2- на расстоянии 1мм от поверхности, 3- на расстоянии 1,8мм от поверхности;

зависимость распределения температуры в контртеле при давлении (б):

Температурное распределения по глубине металлического контртела для схемы трения “палец-диск” моделировали с учетом следующих условий:

- процесс стационарный, теплофизические свойства материалов и окружающей среды не зависят от времени;

-материал однородный, изотропный;

-распределение температур осесимметрично.

При построении модели принято, что распределение температур в металлополимерной паре трения описывается следующим выражением:

где - теплопроводность материала, Т - текущая температура контртела, C - постоянная, характеризующая затухание возмущений в полимерном слое образца, для данной задачи, учитывающая площадь контакта; для металлического контртела значение постоянной С =0, z -текущее значение координаты вдоль оси образца и контртела.

Граничные условия: 1) при z = z1, на торцовой поверхности трения образца и контртела: T = Tк ;

2)на границе контртела, в виде выражения:

где Tк - температура в зоне контакта, значение которой определяется по результатам испытаний, -коэффициент теплоотдачи, T1 - температура окружающей среды.

Решая уравнение (1) c учетом граничных условий получаем следующее выражение- модель распределения температур:

где С1, C2постоянные интегрирования, z1 - значение координаты на торцовой поверхности контртела.

Полученную модель (2) использовали для расчета температур на различном расстоянии от поверхности трения. При сравнении расчетных и экспериментальных данных отклонение от расчета составило от 10% до 15% в зависимости от концентрации наполнителя в образцах ПКМ и величины приложенного контактного давления.

С целью комплексной оценки взаимосвязи тепловых и трибологических процессов и установления зависимостей температуры, коэффициента трения и скорости изнашивания от контактного давления и химического состава ПКМ, использовали статистический метод планирования эксперимента с разработкой факторного эксперимента.

Параметрами оптимизации являлись температура в зоне трения T, скорость изнашивания J и коэффициент трения f.

Получены уравнение регрессии:

для температуры: Т =553,8+23,3 x1 +29,3 x2,К, (3) скорости изнашивания: J =6,299-0,612 x1 +0,549 x2,10-4 г/ч, (4) коэффициента трения: f =0,188+0,023 x1 -0,033 x2, (5) где x1 -концентрация СКГ, x2 -контактное давление.

При проектировании узлов трения одной из основных задач является выбор состава ПКМ, определяющего характеристики триботехнических свойств ПКМ. Для решения этой задачи требуется проведение длительных испытаний, поскольку теоретические методы надежного прогнозирования износостойкости ПКМ не разработаны. Поэтому эффективным направлением при исследовании процессов изнашивания является использование экспериментально-статистических методов имитационного моделирования. С целью решения этой задачи и упрощения данного этапа исследований предлагается из уравнения регрессии (5) выразить фактор величины давления x2 :

Подставив полученное выражение для фактора x2 в уравнения (3) и (4), получим уравнения регрессии для T и J :

Уравнения (6), (7) позволяют оценить скорость изнашивания и температуру в зоне контакта путем проведения краткосрочных испытаний, в которых, достаточным условием является получение стабильного значения коэффициента трения. При сравнении расчетных по (6), (7) и экспериментальных данных расхождение составляет не более 10%.

На основании анализа совместного влияния концентрации наполнителя и давления на температуру и триботехнические характеристики металлополимерной пары трения разработана методика, которая позволяет прогнозировать износостойкость ПКМ в зависимости от его состава и требований к узлу трения.

Рассмотренное выше изменение механических свойств и износостойкости ПКМ в зависимости от условий нагружения и температуры в зоне трения связано со структурно-фазовой модификацией полимера при введении наполнителей (СКГ). Поэтому исследование закономерностей структурно-фазовой модификации ПТФЭ помогает изучить и понять физические причины изменения свойств модифицированного ПТФЭ и взаимосвязь между изменением структуры и свойств ПКМ и температурой в зоне трения.

На первом этапе исследований изучали влияние содержания скрытокристаллического графита на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры. С этой целью снимали рентгенограммы с поверхностей образцов с различным содержанием СКГ.

Рентгенограммы показывают, что, начиная с концентрации 7 масс.% СКГ, появляется новая фаза с межплоскостным расстоянием d =0,338 нм.

Существенное влияние содержание ультрадисперсного СКГ оказывает на соотношение кристаллической и аморфной фаз и на среднее межслоевое расстоянием Сам.

Рис. 4. Концентрационные зависимости степени % (а) кристалличности и среднего межслоевого расстояния Сам (б) исходной поверхности.

Графики концентрационных зависимостей параметров надмолекулярной структуры (рис.4.) показывают, что с увеличением содержания СКГ оба параметра - степень кристалличности и среднее межслоевое расстояние уменьшаются. При этом первый имеет минимальное значение в интервале 10-15 масс.%, а второй - при масс.%. Дальнейшее увеличение концентрации на 5 масс.% приводит к увеличению степени кристалличности на 18,5%, а Сам увеличивается незначительно.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что введение ультрадисперсного СКГ активирует развитие процессов формирования надмолекулярной структуры ПТФЭ, которые приводят к значительному снижению степени кристалличности и среднего межслоевого расстояния в области малых, до 10 масс.%, концентраций наполнителя. При концентрации ›15%масс. значения параметров возрастают. Названные процессы и изменение параметров надмолекулярной структуры являются одной из основных причин повышения механических и триботехнических свойств ПКМ.

Четвертая глава. В основу структурной модификации ПКМ и создания математической модели тепловых процессов в металлополимерной паре трения были положены методические принципы исследования композиционных материалов, обоснованные профессором Машковым Ю.К. при разработке термодинамической модели металлополимерной системы. Согласно этой модели для снижения интенсивности изнашивания материала трибосистемы необходимо создать условия, обеспечивающие минимально возможное накопление энтропии при заданных условиях внешнего энергетического воздействия. Названный методический принцип исследования и моделирования процессов в полимерных композиционных материалах состоит в том, чтобы каждое техническое решение обеспечивало либо увеличение удельной энтропии материала, либо уменьшение накопления энтропии в изнашиваемом объеме материала в процессе трения.

Методические принципы термодинамического (энтропийного) моделирования металлополимерной трибосистемы дают возможность оценить интенсивность изнашивания металлополимерной пары трения на этапе проектирования с учетом физико-химических процессов в зоне трения и физических свойств изнашиваемого материала.

В соответствии с названными методическими принципами и техническими требованиями для герметизирующего устройства ступицы опорного катка гусеничной машины (рис.5.) построены модели напряженно-деформируемого состояния и распределения температуры по элементам ГУ.

В расчетной схеме данного уплотнения (рис.6.) уплотняющая губка моделируется тонкостенным кольцом ограниченной длины, поскольку в контакте с уплотняемой поверхностью работает только малая часть длины губки, не более 1/3 длины. Эспандер также моделируется кольцом прямоугольного сечения.

Рис. 5. Конструкция комбинированного герметизирующего устройства: 1- уплотнительный элемент; 2 - уплотняющая губка;

3 - эспандер; 4 - опорное кольцо; 5 - крышка ГУ; 6 -уплотняющее Рис. 6. Расчетная схема комбинированного уплотнения типа « кольцо – кольцо»: 1-уплотнительный элемент,2-эспандер, 3корпус, 4-металлический вал.

При постановке задачи был принят ряд допущений: износ, изменение температуры и релаксационные процессы не учитываются.

Придерживаясь аналогии с задачей Ляме для малого цилиндра, применительно к задаче контактного взаимодействия и трения, сопряженная задача упругого напряженно-деформированного состояния комбинированного уплотнения описывается уравнением равновесия:

уравнениями состояния в форме обобщенного закона Гука:

и соотношениями между деформациями и перемещениями:

где r,, z - цилиндрические координаты; r,, z - радиальная, окружная и осевая деформация;

K - индекс(1-силовой элемент, 2-уплотняющий элемент); r,, z нормальные радиальное, окружное и осевое напряжения.

Решение такой задачи зависит от граничных условий. На поверхностях уплотнительных элементов возможны два вида граничных условий: u =0, когда уплотнительные кольца установлены без осевых зазоров в канавке корпуса- случай осесимметричного плоского деформированного состояния (ОПДС); z = - р, когда уплотнительные кольца установлены с осевым зазором в канавке корпуса – случай осесимметричного плоского напряженно-деформированного состоянии (ОПНС) с наложенным осевым давлением. Эти два случая, имеющие самостоятельные решения, удобно представить в единой форме в результате преобразования уравнений (8),(9) и последнего соотношения (10) к уравнениям:

где p - осевое давление рабочей среды; pk - контактные давления на уплотняемых поверхностях.

В итоге получаем исходную математическую формулировку задачи в виде уравнений (8), (11) и первых двух соотношений (10), которая уже содержит в себе влияние граничных условий на поверхностях уплотнительных элементов.

В случае z = - p, когда уплотнение находится в осесимметричном плоском напряженном состоянии (ОПНС) с наложенным осевым давлением, имеем:

находится в осесимметричном деформированном состоянии (ОПДС):

Задачу удобно решать в перемещениях. Подставляя в уравнение (8) выражения для нормальных радиального и окружного напряжений r, из (10), (11), а затем соотношения для радиальной и окружной деформаций r, из (9), получим уравнение упругости в перемещениях:

уплотнительных элементов:

Величины радиальных перемещений u1, u4 в условиях (12) и (13) определяются соотношениями (рис.6.): u1 = rВ r1, u4 = rH r4.

Используя граничные условия (12),(13) и считая первоначально величины u2, u3 известными, получим распределение радиального перемещения, деформаций и напряжений в уплотнительных элементах, из которых определяются контактные давления на внутренней pкв и наружней pкн уплотняемых поверхностей:

Полученные выражения (14) и (15) имеют обобщенную форму и позволяют учитывать давление рабочей среды, предварительную деформацию колец, упругих свойств материалов, а также конструктивных параметров деталей уплотнительных устройств.

С использованием выражений (14),(15) был составлен алгоритм и программа расчета на ПЭВМ. В качестве расчетного метода в данном алгоритме был выбран метод конечных элементов в сочетании с процедурой последовательных нагружений, а в качестве программного средства комплекс ANSYS. Для анализа НДС элементов ГУ использовались различные сочетания характеристик физико-механических и триботехнических свойств материалов.

При решении тепловой задачи использовано условие теплового баланса в зоне трения:

где тепловыделение в зоне трения определяется как величина Q, равная мощности трения в зоне контакта, а тепловые потоки в вал Q1 и уплотнительный элемент Q2 - соответственно, рассчитываются как:

Плотности тепловых потоков q1, q2 через вал и уплотнительный элемент равны соответственно:

где - распределение температуры в радиальном направлении уплотнительных колец; и 1 -теплопроводность материалов вала и полимерного уплотнительного элемента.

Сведем тепловую задачу к двум независимым - к задаче для теплопотока в вал и задаче для теплопотока в уплотнительный элемент и эспандер.

Для того чтобы решить данную задачу, необходимо рассчитать распределение температуры. Считаем, что режим трения стационарный, материалы являются однородными. Распределение температуры в радиальном направлении уплотнительных колец, определим как =T - T0, где T0 - начальная температура, T - текущее значение температуры.

Для определения температуры имеем уравнение теплопроводности (18) и граничные условия (19),(20):

где выражение (19) определяет условия сопряжения между кольцами (равенство температур и условие теплового баланса) для внешнего начального радиуса r2 кольца 1 и внутреннего начального радиуса r кольца 2; 1, 2 - коэффициенты теплопроводности кольца 1 и 2; r4 внешний начальный радиус кольца 2.

Так как генерация тепла происходит в зоне контакта, то на данном участке значение температуры T1, необходимое для решения уравнения (18), может быть рассчитано из следующего выражения:

где r1 - внутренний начальный радиус уплотнительного элемента; 1 теплопроводность полимерного уплотнительного элемента; K - коэффициент распределения тепловых потоков; f -коэффициент трения между валом и уплотнительным элементом; V - окружная скорость; pk - контактное давление между валом и полимерным уплотнительным элементом.

Коэффициент распределения тепловых потоков между валом и полимерным уплотнительным элементом, в случае стационарного трения, определяется из выражения:

в котором и 1 -теплопроводность материалов вала и полимерного уплотнительного элемента; и 1 -плотность материалов вала и полимерного уплотнительного элемента; c и c1 -теплоемкость материалов вала и полимерного уплотнительного элемента.

Из выражений (21),(22) значение температуры T1 может быть Используя уравнение (18), граничные условия (19), (20), выражение (23), найдем для уплотнительных колец распределение температуры:

На рис.7а. приведен график зависимости температуры в зоне трения от контактного давления при различных значениях натяга. Как видно из рис.7а., рост давления сопровождается практически линейным увеличением температуры. На рис.7б. приведен график распределения температуры в радиальном направлении, рассчитанной с помощью выражений (24). Участок от r1 =52,5мм до r2 =54,5мм соответствует распределению температуры в полимерном уплотнительном элементе, а от r2 =54,5мм до r4 =58,5мм в резиновом силовом элементе.

Т1,°С Рис.7. Графики зависимости температуры трения от контактного давления (а) и график распределения температуры контактного давления (б) при величине деформации-натяга: 1-45·10 -3 мм, 2-25·10 -3 мм.

С учетом решения уравнения (17) и выражений (23), (24) и, рассчитав площадь контакта как S = 2 ar1, можно определить тепловые потоки Q1 в вал и Q2 в уплотнительный элемент следующим образом:

Расчет тепловых потоков для ГУ (рис.6.) при контактном давлении от 1,5 до 2,5МПа показал, что в радиальном уплотнении основной теплоотвод происходит через вал и с увеличением контактного давления от 1,5 до 2, МПа наблюдается изменение соотношения тепловых потоков от 35/1 до 24/1.

Полученные результаты позволяют на этапе проектирования уплотнительного устройства, исходя из условий его эксплуатации и требований к герметичности, определить правильность выбора основных конструктивных параметров ГУ с учетом свойств материалов, применяемых в данной конструкции.

1. Анализ конструкций и условий эксплуатации металлополимерных герметизирующих устройств показал, что в процессе фрикционного взаимодействия на механические и триботехнические свойства полимерных композиционных материалов существенное влияние оказывает температура.

2. Получены экспериментальные зависимости механических и триботехнических свойств металлополимерной трибосистемы от контактного давления и концентрации компонентов-модификаторов;

установлено, что общей закономерностью для всех концентраций наполнителя является снижение предела прочности и рост модуля упругости ПКМ при увеличении концентрации наполнителя, с повышением контактного давления температура в зоне контакта возрастает, при этом наблюдается уменьшение коэффициента трения и увеличение скорости изнашивания.

3. Разработана методика и специальная установка для исследования триботехнических свойств ПКМ и распределения температуры в металлополимерной трибосистеме.

4. Установлен нелинейный характер распределения температуры по глубине контртела, что отражает сложную нелинейную зависимость физико-механических свойств контактирующих тел от температуры.

5. Разработана новая методика прогнозирования износостойкости ПКМ, по экспериментальным значениям коэффициента трения, которая может применяться для выбора оптимального состава наполнителя ПКМ для металлополимерных узлов трения.

6. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что улучшение триботехнических характеристик полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ связано с изменением степени кристалличности и межслоевого расстояния в надмолекулярной структуре полимерной матрицы при введении в качестве наполнителя СКГ различной концентрации.

7. Разработаны математические модели термодинамических процессов (распределения температуры, тепловых потоков) в трибосистеме с учетом влияния теплофизических и триботехнических свойств материалов трибосистемы и режимов механического нагружения.

8. Разработаны рекомендации по проектированию металлополимерных герметизирующих устройств и оценки их работоспособности на этапе проектирования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Машков, Ю.К. Тепловые эффекты в металлополимерных трибосистемах / Ю.К. Машков, А.С. Рубан, Н.И. Дорожкина //Образование через науку.

Тезисы докладов Международной конференции. Москва,2005г.-Москва:

МГТУ им. Н.Э.Баумана,2005.С.650.

2. Рубан, А.С. Исследование моделирование тепловых процессов в металлополимерных трибосистемах / А.С. Рубан // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений:

Материалы I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 24-26мая 2006г. Книга 3- Омск:

СибАДИ,2006.С.116-123.

3. Овчар, З.Н. Моделирование тепловых полей в металлополимерных трибосистемах / З.Н Овчар, А.С. Рубан //Славянтрибо7а. Теоретические и прикладные новшества и инновации обеспечения качества и конкурентноспособности инфраструктуры сквозной логистической поддержки трибообъектов и их производства (с участием молодых ученых, аспирантов и студентов): Материалы международной - практической школы-конференции. Том 2. –Рыбинск: РГАТА,2006. С.144-151.

4. Рубан, А.С. Исследование тепловых процессов в металлополимерных трибосистемах / А.С. Рубан, В.А. Егорова //Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов./ Омск: СибАДИ -2007.Вып.4.С.258-263.

5. Машков, Ю.К. Исследование и моделирование тепловых процессов в металлополимерной трибосистеме / Ю.К. Машков, Б.Т. Грязнов, А.С.

Рубан // Сборник трудов международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы трибологии”, июнь 2007г. Том 1.Москва: Машиностроение, 2007. С.315-323.

6. Рубан, А.С. Разработка математической модели термоупругого напряженно-деформированного состояния элементов металлополимерных герметизирующих устройств/ А.С. Рубан // Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов./ Омск: СибАДИ-2008.Вып.5.С.252-264.

7. Мамаев, О.А. Исследование тепловых процессов и триботехнических свойств несмазываемых металлополимерных трибосистем/ О.А. Мамаев, Ю.К. Машков, А.С. Рубан //Трение и смазка в машинах и механизмах.с.3-6.

Подписано в печать 06.08.2008. Заказ № Формат 6090/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

ПЦ издательства СибАДИ 644099, Омск, ул. П.Некрасова,