CC BY
119
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 621.001.63: 623.41
А. И. Богомолов, В. М. Голощапов, В. Я. Савицкий, А. Ю. Муйземнек, Р. С. Зиновьев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТЕПЛОВЫХ МАШИН
Аннотация.
Актуальность и цели. Объектом исследования является цапфенный узел трения импульсной тепловой машины (ИТМ). Предметом исследования является влияние микроструктуры полимерного композиционного материала на прочность конструкции подшипника скольжения (ПС), работающего в условиях реверсивного трения при граничной смазке и циклического импульсного нагружения. Целью работы является формирование общего подхода к оценке прочности гетерогенных полимерных ПС ИТМ на этапе проектирования.
Материалы и методы. Для изготовления ПС использован армированный реактопласт на основе эпоксифенолоформальдегидного связующего, полученный послойной намоткой тканного наполнителя. Напряженно-деформированное состояние ПС оценивалось методом конечных элементов.
Результаты. Исследовано влияние микроструктуры полимерного композиционного материала на несущую способность ПС, идентифицированы параметры математической модели; с использованием компьютерной модели репрезентативной ячейки и конструкции ПС проанализировано поведение конструкции подшипника под действием импульсной нагрузки. Достоверность полученных результатов подтверждается полигонными испытаниями ИТМ.
Выводы. Предложенный подход к моделированию температурного и напряженно-деформированного состояния ПС из полимерного композиционного материала путем гомогенизации гетерогенных структур в виде элементарных репрезентативных ячеек эквивалентными однородными материалами, несущими адекватную информацию о физико-механических свойствах, позволяет избирательно управлять эксплуатационными свойствами узлов трения импульсного нагружения и производить эффективную замену латунных и бронзовых ПС.
Ключевые слова: импульсная тепловая машина, подшипник скольжения, полимерный композиционный материал, репрезентативная ячейка, гомогенизация, геометрическая модель, конечно-элементная модель, напряженнодеформированное состояние.
A. I. Bogomolov, V. M. Goloshchapov, V. Ya. Savitskiy, A. Yu. Muyzemnek, R S. Zinov'ev
STUDY OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS’ MICROSTRUCTURE INFLUENCE ON OPERATING ABILITIES OF JOURNAL BEARINGS IN PULSE HEAT ENGINE
Abstract.
Background. The object of the study is a journal friction unit of an impulse heat engine (IHE). The subject of study is the effect of the polymer composite material’s (PCM) infrastructure on structural strength of a journal bearing (JB), operating under reversing friction with boundary lubrication and cyclic pulsed stressing. The aim
158
University proceedings. Volga region
№ 4 (32), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
is to create a common approach to assessing the strength of the heterogeneous polymer JB IHE at the design stage.
Materials and methods. To produce JB the authors used a reinforced thermosetting plastic based on the phenol-epoxy-formaldehyde binder, obtained by layerwise winding of a woven filler. The mode of deformation (MD) was estimated by the finite element method.
Results. The authors researched the influence of the microstructure on bearing capacity of PCM JB to identify parameters of a mathematical model; using a computer model of a representational cell and JB design they analyzed the behavior of the bearing structure under pulsed stressing. Authenticness of the results is confirmed by IHE ground tests.
Conclusions. The proposed approach to modeling of temperature and MD of JB from PCM by homogenization of heterogeneous structures in the form of representative elementary cells with an equivalent homogeneous material carrying adequate information about the physical and mechanical properties, allows to selectively control the performance characteristics of friction units of pulsed stressing and to effectively replace brass and bronze JB.
Key words: impulse heat engine, journal bearing, polymer composite, representative cell homogenization, geometric model, finite element model, mode of deformation.
Введение
Мировые тенденции замены металлов и их сплавов на полимерные материалы реализуются в различных видах техники. Обоснованное применение полимерного композиционного материала (ПКМ) в импульсной тепловой машине (ИТМ) требует формирования оригинального подхода к конструированию и изготовлению тяжелонагруженных элементов конструкции, к числу которых относится цапфенный узел соединения верхнего станка с нижним. Применяемый в данном узле латунный подшипник скольжения (ПС) в начальный период эксплуатации работает в режиме граничного трения, которое в последующем превращается в сухое. Успешное решение проблемы сохранения прочностных характеристик ПС в условиях самосмазывания видится в изготовлении аналогов из ПКМ.
Особое место в ряду ПКМ занимают армированные реактопласты, образованные послойным нанесением (намоткой) непрерывных волокон, ленточных или тканых наполнителей. Свойства ПКМ определяются свойствами входящих в его состав компонентов, их соотношением, характером взаимодействия на границе раздела матрица-наполнитель и технологией изготовления. Данный класс антифрикционных материалов обеспечивает применение ПС с направленной анизотропией свойств. Замена медьсодержащих сплавов на ПКМ позволяет снизить стоимость и массу ПС, упростить конструкцию узла трения за счет исключения системы маслопроводящих каналов. К перечисленным достоинствам, обусловливающим замену в узлах трения деталей из медьсодержащих сплавов на детали из ПКМ, следует также отнести повышение коррозионной стойкости, улучшение легкосъемности, развитость сырьевой базы для изготовления исходных компонентов, значительно меньшую привлекательность для расхищения запасных частей.
Вместе с тем опыт внедрения узлов трения с деталями из ПКМ показывает, что наряду с перечисленными достоинствами они характеризуются от-
Engineering sciences. Machine science and building
159
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
носительно невысокой точностью и стабильностью размеров, наличием поверхностных и межслойных дефектов, сравнительно большим разбросом физико-механических свойств, низкой теплопроводностью и некоторыми другими недостатками, побуждающими исследователей избирательно применять детали из ПКМ [1].
К настоящему времени накоплен определенный справочный материал по теплофизическим, механическим и триботехническим характеристикам ПКМ. Однако в рамках конверсионных программ для изделий машиностроения предлагаются новые композиционные материалы, использование которых в конструкциях ИТМ представляет практический интерес.
1. Анализ технологических приемов снижения уровня дефектности подшипников скольжения из полимерных композиционных материалов
Обеспечение качества изготавливаемого ПС тесным образом связано с решением проблемы монолитности, которая требует комплексного анализа всех этапов процесса переработки ПКМ, учитывающего предысторию формирования физико-механических и теплофизических свойств материалов, полей деформаций и напряжений, в значительной степени определяющих условия возникновения дефектов в материале. Анализируя характер нарушений целостности полимерной матрицы, можно выделить два наиболее типичных вида потери монолитности ПКМ: разрушение прослойки полимерной матрицы и нарушение адгезионного соединения армирующих волокон и матрицы, проявляющегося чаще всего в виде канальных микротрещин вдоль армирующих волокон, несплошностей в зоне изогнутых волокон, трещин в окрестности инородных включений и т.д. [2].
Природа возникновения таких дефектов весьма разнообразна, их появление определяется комплексом физико-химических и механических процессов, проявляющихся на всех этапах изготовления ПС. Причиной их возникновения могут быть растягивающие радиальные микро- и макроструктурные напряжения, наличие концентраторов напряжений в виде пор, концов армирующих волокон, инородных включений, а также микроструктурные напряжения при очень плотной упаковке арматуры из параллельных волокон (канальные дефекты) и др. Такого же рода дефекты образуются при дополнительном трансверсальном армировании заготовки короткими волокнами. К ухудшающим товарный вид, а в отдельных случаях значительно снижающим надежность узла трения, относятся локальные макроскопические дефекты рабочей поверхности ПС, проявляющиеся в натеках смолы, обнажении текстуры и разлохмачивании волокон наполнителя, в скрытых порах и раковинах, царапинах и забоинах. Большое количество и концентрация таких дефектов в ограниченных зонах могут служить причиной возникновения очагов первоначального разрушения антифрикционного слоя (АС) в одном месте с постепенным развитием разрушения по всей рабочей поверхности.
С определенной степенью уверенности можно утверждать, что большинство указанных дефектов обусловлено несовершенством технологического процесса. Поэтому разработка и внедрение технологических приемов по снижению уровня дефектности ПС из ПКМ немыслимы без анализа причин возникновения и развития микро- и макродефектов в процессе технологического процесса изготовления. Системные исследования в области механики ПКМ, проведенные В. Т. Томашевским, В. С. Яковлевым, В. Н. Шалыгиным,
160
University proceedings. Volga region
№ 4 (32), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
В. В. Болотиным, Н. С. Ениколоповым, В. В. Васильевым, Ю. М. Тарнопольским и др., открыли возможности использования новых путей снижения брака и повышения надежности конструкций из ПКМ в экстремальных условиях эксплуатации.
Появление и развитие предварительной дефектности в структуре ПКМ в виде субмикроскопических и микроскопических трещин обусловливается действием температурно-технологических напряжений, возникающих в результате анизотропии механических и теплофизических свойств, прежде всего коэффициентов линейного теплового расширения полимерной матрицы и армирующего волокна. Большое влияние на свойства ПКМ, их поведение в различных средах оказывают поры. Снижение механических свойств композита во многом определяется увеличением доли волокон, которые ведут себя в зоне поры как несвязанный пучок. Особенно большое влияние оказывают поры на прочность ПКМ при сжатии и межслоевом сдвиге [3]. Имеются экспериментальные данные [4, 5], из которых следует, что увеличение содержания пустот с 0,6 до 6 % снижает межслоевую прочность на 45 % и предел прочности при сжатии на 37 %. Увеличение пористости полимерной матрицы от 0,02 до 0,12 % сопровождается падением ударной вязкости углепластика в 3 раза [6].
Микроскопические исследования образцов различных армированных пластиков показали, что пористость в этих материалах можно разделить на две группы по механизму образования [7]:
- пористость, обусловленная недостаточной пропиткой наполнителя связующим;
- пористость, образующаяся при отверждении связующего в результате выделения низкомолекулярных летучих веществ.
Кроме того, причиной порообразования может служить адсорбированная на волокнах влага.
Пористость структуры ПКМ первой группы объясняется тем, что при пропитке волокнистого наполнителя сильно повышается роль капиллярных явлений и «защемленного» воздуха, который образуется при быстром продвижении фронта связующего по крупным пустотам между волокнами, когда в них не успевает проникнуть связующее. Значительного уменьшения пористости, образующейся по данному механизму, можно достигнуть установлением оптимального режима пропитки наполнителя, например, пропиткой волокна под давлением или в вакууме, с использованием вибрационных систем [8].
Особый интерес представляет пористость второй группы, образующаяся в результате выделения летучих веществ при полимеризации связующего. Вследствие достаточно больших размеров пор, образующихся по данному механизму, значительно снижаются механические свойства композита. В табл. 1 показано влияние способа изготовления изделий на размеры пористости в стеклопластиках на основе стеклоткани Т-10 и связующего ЭДТ-10 (пористость определялась методом выжигания); в табл. 2 - значения пористости и свойств однонаправленного углепластика УП-Л/20-П в зависимости от температурно-силового режима формования.
Пооперационный анализ возникновения дефектов при изготовлении изделий из ПКМ показывает следующее.
Изготовление связующего - процесс смешения двух и более компонентов в смесителях. На этой операции закладываются основы стабильности
Engineering sciences. Machine science and building
161
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
свойств материала в изделиях. Воспроизводимость физико-механических характеристик ПКМ во многом обеспечивается точностью дозировки, равномерностью смешения составляющих компонентов, отличающихся между собой плотностью и вязкостью, отсутствием в приготовленном связующем воздушных пузырьков кавитационного происхождения и инородных включений.
Таблица 1
Зависимость пористости от способа формования [9]
Способ формования Технологические условия Объемная пористость, %
Пропитка под вакуумом и давлением Сушка ткани при 720 К в течение 18 ч, выдержка связующего под вакуумом в течение 6 ч 1,0
Пропитка под вакуумом и давлением Сушка ткани при 720 К в течение 6 ч, связующее под вакуумом не выдерживалось 1,5 - 2,6
Намотка («сухая») Давление 0,8-1,0 МПа 5,0 - 7,2
Пресс-камерное формование Давление 1,5-1,7 МПа 6,1 - 8,5
Вакуумное формование Давление 0,03 МПа 8,1 - 9,9
Контактное формование (ручная выкладка) Без давления при отверждении 10,6 - 15,3
Таблица 2
Свойства однонаправленного углепластика УП-Л/20-П
№ режима Пористость, % Физико-химические характеристики Прочность при сжатии Прочность при межслоевом сдвиге
плотность, кг/м3 содержание смолы, % предел прочности, МПа коэффициент вариации, % предел прочности, МПа коэффициент вариации, %
1 3,0 1470 25,7 704,0 4,93 53,0 17,9
2 4,0 1470 25,7 656,3 4,31 53,0 17,9
3 0,5 1466 26,3 770,0 2,71 58,0 1,87
Основная цель пропитки наполнителя (изготовления препрега) - обеспечить полное заполнением связующим всех межволоконных пространств и получить требуемое соотношение армирующего и матричного материалов. Раствор связующего при контакте с волокнистой системой под действием капиллярных сил начинает подниматься по каналам между нитями наполнителя, при этом скорость и высота подъема жидкости будут больше в зонах меньшего радиуса мениска смачивающей поверхности связующего, т.е. по линиям контакта волокон. Чем меньше концентрация и вязкость раствора, тем выше скорость его капиллярного движения. При пропитке в препреге возможно появление воздушных пузырей, механизм образования которых представляется следующим образом [10]. Высокая скорость движения молекул растворителя и близкие к нулю краевые углы смачивания приводят к тому, что мономолекулярный слой растворителя как бы обтекает воздушную среду, находящуюся в межволоконном канале. Выдавливание из него воздуха
162
University proceedings. Volga region
№ 4 (32), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
осуществляется мигрирующим следом мениска раствора. Если в канале имеются скопления шлихты или аппрета, скрутка или переплетение волокон, то значительно выступающие вперед края мениска с меньшей концентрацией раствора, встречаясь с преградой, смыкаются, образуя воздушный пузырек. Кроме этого, необходимо учитывать то, что скорость капиллярного течения очень низка (2,5...5 см/мин). В основе же различных промышленных способов пропитки, разработанных инженерной практикой, скорость нанесения связующего на наполнитель (в серийно выпускаемых пропиточных машинах) составляет от 1 до 7,2 м/мин. Столь значительное несоответствие скоростей двух стадий процесса пропитки - нанесения связующего на наполнитель и капиллярного насыщения, особенно при использовании плохо подготовленного наполнителя, также может явиться причиной образования повышенной пористости в ПКМ.
При изготовлении препрега сушильная операция, в процессе которой из пропитанного наполнителя удаляется растворитель и осуществляется технологическое отверждение внедренного в армирующий наполнитель связующего, т.е. придание пропитанному наполнителю вязко-пластичного состояния, выполняется сразу же после операции пропитки.
Технологическая реализация операции изготовления препрега осуществляется методом протягивания армирующего наполнителя через ванночку со связующим на пропиточных машинах (рис. 1). Намотанный на приемную кассету препрег (рис. 2) пригоден для дальнейшей переработки в течение сроков жизнеспособности связующих.
Рис. 1. Общий вид пропиточной машины УПСМ-1
Намотка трубчатой заготовки осуществляется на специальных намоточных станках с программным управлением (рис. 3) или модернизированных токарных станках (рис. 4). Трубчатая заготовка заданной длины образуется путем послойного нанесения на вращающуюся технологическую оправку пропитанного наполнителя. Уплотнение структуры заготовки осуществляется натяжением волокон наматываемого наполнителя. С увеличением диаметра наматываемой заготовки обеспечивать необходимое давление формования становится проблематичным из-за ограниченной прочности наносимо-
Engineering sciences. Machine science and building
163
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
го препрега. В таких случаях уплотнение создают прикаточным роликом в зоне контакта наматываемого препрега с поверхностью заготовки (рис. 5).
Рис. 2. Стержневая кассета с препрегом на основе стеклоткани
Рис. 3. Намоточный станок с программным управлением
Рис. 4. Устройство для намотки трубчатых заготовок на модернизированном токарном станке
164
University proceedings. Volga region
№ 4 (32), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Рис. 5. Уплотнение трубчатой заготовки прикаточным роликом
Как видно, при намотке трубчатой заготовки принудительно формируются поля напряжений и деформаций, обеспечивающие необходимое уплотнение структуры и компенсирующие на всех последующих операциях технологического процесса возможные негативные последствия усадочных явлений в результате химических и фазовых превращений полимерной матрицы и структурной неоднородности армированного реактопласта. Сложность технологической реализации заданного давления уплотнения структуры усиливается необходимостью учета релаксации начальных усилий натяжения наполнителя и опрессовочных слоев, обусловленных фильтрацией жидкой полимерной матрицы в направлении убывания градиента давлений.
Таким образом, этап намотки можно считать одним из наиболее ответственных этапов в технологическом цикле переработки армированных реактопластов. Именно на этом этапе можно реализовать наиболее эффективные технологические приемы для борьбы с образованием дефектов типа текстурной волнистости (складки, свилеватость), нарушения сплошности (трещины, расслоения, раковины) и т.п.
При нагревании трубчатой заготовки на оправке происходит размягчение полимерной матрицы и переход ее в вязко-текучее состояние. Под воздействием поля давления, сформированного при намотке, интенсифицируются фильтрация размягченного связующего и его миграция от внутренних слоев к внешним. Этому способствует температурное расширение металлической оправки. Все это приводит к падению давления формования и к снижению уровня начальных деформаций и напряжений. Характер и интенсивность протекания процессов релаксации зависят от распределения температуры в полуфабрикате.
В процессе полимеризации связующего образуется молекулярная и надмолекулярная структура и полимерная матрица переходит в упругое состояние. Именно на этом этапе происходят структурные превращения, определяющие в конечном итоге качество готового изделия. Из-за химической усадки, которая для связующих на основе эпоксидных смол может достигать 9 %, изменяется после механических напряжений и деформаций, сформированное на предыдущем этапе отверждения. Появляются внутренние растягивающие напряжения, которые, несмотря на относительную малость, мо-
Engineering sciences. Machine science and building
165
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
гут вызывать разрушение полимерной матрицы. Наличие в связующем газовых или воздушных включений существенно снижает пороговый энергетический уровень разрыва матрицы. В процессе отверждения в структуре материала создаются условия для образования дефектов типа текстурной волнистости.
При охлаждении заполимеризованной заготовки начинают формироваться температурно-технологические напряжения (ТТН), что инициирует образование макродефектов в виде нарушения сплошности и кольцевой ориентации армирующих волокон. Существенная неоднородность температурного поля, особенно проявляющаяся в толстостенных трубчатых заготовках, в совокупности с теплофизической неоднородностью армированного полимера, приводит к стесненному деформированию армирующих волокон, увеличению внутренних растягивающих усилий, что и является причиной возникновения макродефектов.
Дальнейшее отверждение сопровождается переходом через точку стеклования, что обусловливает довольно быстрое изменение агрегатного состояния и увеличение физико-механических характеристик полимерной матрицы. При этом в материале возникают ТТН, обусловленные анизотропией механических и теплофизических свойств и неравномерностью температурно-конверсионного поля, а также неоднородностью структуры. Однородная и неоднородная составляющие поля температур при охлаждении ПКМ вызывают растягивающие радиальные напряжения, соизмеримые с трансверсальной прочностью материала, что является одной из главных причин образования трещин. Неоднородность температурного поля при охлаждении заготовки из армированного реактопласта обусловливает фронтальный характер распространения зон перехода полимерной матрицы в стеклообразное состояние. Направление распространения - от наружной и внутренней поверхностей к срединной. При этом образуются жесткие своды, к которым по мере фронтального продвижения присоединяются новые объемы армированного полимера. Учитывая направленный характер температурной усадки и высокоэластичное состояние ПКМ в средней зоне, т.е. существенно более низкую прочность, чем в отвержденных областях, нетрудно заметить, что для образования разрывов не требуется значительных усилий.
2. Вычисление эффективных характеристик физико-механических свойств полимерного композиционного материала с учетом его микроструктуры
Проведенный анализ эволюции технологических дефектов показал, что существующие подходы к формированию бездефектной технологии основаны на экспериментально-интуитивных представлениях кинетики процессов и не позволяют формировать комплексную картину количественных температурных изменений, напряженно-деформированного состояния, степени влияния зарождающихся дефектов ПКМ в конструкциях изделий на стадиях производства и последующей эксплуатации. Успешное создание и применение пакетов прикладных программ моделирования исследуемых механизмов и эффектов в материалах со структурной неоднородностью открывает перспективы достоверного прогнозирования характеристик прочности и долговечно-
166
University proceedings. Volga region
№ 4 (32), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
сти изделий различного функционального назначения. В основу предлагаемого подхода положен принцип гомогенизации гетерогенных структур в виде элементарных репрезентативных ячеек эквивалентными однородными материалами, несущими адекватную информацию о физико-механических свойствах.
В качестве примера рассмотрим репрезентативную ячейку армированного реактопласта на основе эпоксифенолоформальдегидного связующего, полученного послойной намоткой тканого наполнителя (рис. 6), характеризующуюся следующими параметрами: линейная плотность нитей основы -695,5 текс; линейная плотность нитей утка - 695,5 текс; диаметр нитей основы - 0,6 мм; диаметр нитей утка - 0,6 мм; угол между нитями основы и утка -90°; плотность укладки нитей основы - 9,09 нитей/см; плотность укладки нитей утка - 9,09 нитей/см; высота репрезентативной ячейки - 1,2 мм.
Рис. 6. Репрезентативная ячейка
Основываясь на результатах испытаний исходных компонентов рассматриваемого ПКМ, будем считать, что матрица имеет следующие характеристики физико-механических свойств: плотность - 1400 кг/м3; модуль упругости - 3,7 ГПа; коэффициент Пуассона - 0,35; предел прочности при растяжении - 41 МПа; коэффициент линейного расширения - 1,8 ■ 10-4 °С-1; удельная теплоемкость - 1740 Дж/(кг-°С); коэффициент теплопроводности -20 Дж/(м-°С-с).
Характеристики физико-механических свойств наполнителя следующие: плотность - 2400 кг/м3; модуль упругости - 89 ГПа; коэффициент Пуассона - 0,22; предел прочности при растяжении - 4,3 ГПа; коэффициент линейного расширения - 6,25 ■ 10-6 °С-1; удельная теплоемкость -
690 Дж/(кг-°С); коэффициент теплопроводности - 0,879 Дж/(м-°С-с).
Для получения эффективных характеристик физико-механических свойств ПКМ репрезентативная ячейка была представлена конечно-элементной моделью (рис. 7), позволяющей описывать напряженно-деформированное (рис. 8) и температурное (рис. 9) состояния при растяжении вдоль глобальных осей координат, при сдвиге в плоскости и вне плоскости композита с учетом температурного градиента вдоль глобальных осей координат.
Engineering sciences. Machine science and building
167
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
а) б)
Рис. 7. Конечно-элементная модель репрезентативной ячейки: а - тканый материал в полимерной матрице; б - только тканый материал
а) б)
Рис. 8. Распределение приведенных по Мизесу напряжений в репрезентативной ячейке при одноосном растяжении вдоль оси х\ (вп = 3 %): а - тканый материал в полимерной матрице; б - только тканый материал
Рис. 9. Распределение температуры в репрезентативной ячейке (температурный градиент 100 °С/м): а - тканый материал в полимерной матрице; б - только тканый материал
168
University proceedings. Volga region
№ 4 (32), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
С использованием метода гомогенизации Мори - Танака первого порядка и результатов расчетов напряженно-деформированного и температурного состояний репрезентативной ячейки были определены эффективные характеристики физико-механических свойств исследуемого ПКМ:
- матрица жесткости:
"17,4 7,1 8,6 0 0 0 "
7,1 17,4 8,6 0 0 0
8,6 8,6 17,0 0 0 0
S = ГПа; (1)
0 0 0 3,78 0 0
0 0 0 0 5,28 0
0 0 0 0 0 5,28
- инженерные константы - модули упругости в продольном и поперечном направлениях - 12,5 ГПа; модуль упругости в трансверсальном направлении - 11,1 ГПа; коэффициент Пуассона в плоскости композита - 0,212; коэффициенты Пуассона вне плоскости композита - 0,349; модуль сдвига в плоскости композита - 3,78 ГПа; модуль сдвига вне плоскости композита -5,28 ГПа; плотность композита - 1904 кг/м3;
- матрица коэффициентов линейного расширения:
"1,3 0 0 '
a = 0 10,5 0
0 0 10,5
тензор теплопроводности
"8,16 0 0 "
C = 0 8,16 0 0
0 6,5
10-5 K-1;
Дж/(м-°С-с).
(2)
(3)
Вычисленные эффективные характеристики физико-механических свойств ПКМ были положены в основу оценки температурного и напряженно-деформированного состояний ПС из ПКМ в эксплуатационных условиях нагружения.
3. Компьютерное моделирование температурного и напряженнодеформированного состояния подшипников скольжения из полимерных композиционных материалов
Обоснованная замена ПС из медьсодержащих сплавов на ПКМ определяет необходимость сравнительной оценки температурного и напряженнодеформированного состояния конструкционных материалов в зоне трения, а также распределение тепловых полей. Такая оценка была выполнена на основе конечно-элементного моделирования. Создание конечно-элементных моделей ПС из латуни ЛАЖМц 66-6-3-2 и армированных реактопластов на основе эпоксифенолоформальдегидного связующего, полученных послойной намоткой тканого наполнителя, проводилось с учетом схемы циклического
Engineering sciences. Machine science and building
169
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
импульсного нагружения и условий их работы в изделии 2А19. Сформированная конечно-элементная модель ПС включала 608440 узлов 131600 гекса-эдрических элементов.
Задача решалась в динамической связанной термоупругой постановке при условиях нестационарной теплопроводности. Решение системы нелинейных уравнений проводилось методом Ньютона - Рафсона, решение системы линейных уравнений на каждой итерации - методом сопряженных градиентов. Некоторые результаты компьютерного моделирования показаны на рис. 10.
о
>
б)
Рис. 10. Температурное (а) и напряженно-деформированного (б) состояние подшипника из полимерного композиционного материала при импульсном нагружении: а - распределение температуры; б - распределение приведенных по Мизесу напряжений
Результаты моделирования показали, что у полимерного ПС распределения силы трения и тепловых потоков в зоне трения более равномерные, а их максимальные значения меньше, чем у латунного, что препятствует резкому возрастанию температуры в зоне трения. Выявленные закономерности характерны для широкого диапазона импульсных нагрузок на полимерные ПС.
4. Перспективы реализации предлагаемого подхода
В соответствии с концепцией бездефектной технологии был разработан технологический процесс изготовления опытных образцов ПС. Содержание технологических операций изготовления трубчатых заготовок приведено в табл. 3.
В табл. 4 дана структурная характеристика разновидностей изготовленных образцов ПС для лабораторных триботехнических испытаний.
170
University proceedings. Volga region
Engineering sciences. Machine science and building 171
Технологические параметры изготовления трубчатых заготовок
Таблица 3
Этап Операция Наименование параметра Величина
Изготовление препрега Пропитка стеклоткани ТС-11-78 связующим ФФЭ-70 на машине УПСМ-1 Скорость пропитки, м/мин 0,5
Температура связующего в ванночке, К 297 - 298
Температура в шахтной печи по зонам, К 1-363 II - 373 III - 373 IV - 363
Хранение препрега Температура, К 277
Время, ч 48
Образование заготовки методом «сухой» намотки Намотка на технологическую (стальную) оправку Усилие натяжения, Н-м-1 2000
Скорость вращения оправки, об/мин 20
Т емпература оправки, К 293
Опрессовка намоткой заготовки стеклолентой ЛЭС (шириной 30 мм) Усилие натяжения, Н-м-1 2100-2200
Количество опрессовочных слоев, шт. 2
Шаг намотки, мм 30
Величина нахлеста, мм 2
Отверждение намотанной заготовки Нагрев заготовки Температура, К / время, ч 363/1+383/1+433/8+453/3
Скорость подъема температуры, Кч-1 60
Охлаждение заготовки Скорость охлаждения, К ч-1: до температуры 313 К (в печи): до комнатной температуры - на воздухе 15-17
Механическая обработка отвержденной трубчатой заготовки, изготовление кольцевых образцов и деталей Т окарная обработка отвержденной заготовки по 77нар (твердосплавный режущий инструмент) Скорость резания, м/мин 80-90
Глубина резания, мм: черновая обработка чистовая обработка поверхностных слоев 0,2-0,3 0,1
Скорость продольной подачи, мм/об 0,05
Разрезка заготовки - изготовление образцов и деталей Скорость резания, м/мин 50-60
Величина подачи, мм/об 0,2-0,3
№ 4 (32), 2014 Технические науки. Машиностроение и машиноведение
172 University proceedings. Volga region
Структурная характеристика армированных реакто пластов
Таблица 4
Наименование ПКМ Материал АС Материал ПОДЛОЖКИ Количество слоев Толщина одного слоя, мм Пропитка ПС маслом
в АС в подложке АС подложки
Органостеклогшастик Органоволокно ОКСАЛОН Стеклоткань Т-10ИТ-14 2 14 0,75 0,25 нет
Органопластик ОКСАЛОН 7 0,75 »
Углепластик Углелента ВИСКУМ 13 0,4 »
У глестеклопластик ВИСКУМ Т-10ИТ-14 1 19 0,4 0,25 »
У глестеклопластик ВИСКУМ Э4-30-90 2 153 0,4 0,03 »
У глеорганопластик ВИСКУМ ОКСАЛОН 2 9 0,4 0,5 »
У глеорганопластик ВИСКУМ ОКСАЛОН 2 9 0,4 0,5 да
Углепластик Углелента ЭЛУР 33 0,15 нет
Углепластик Углелента ЛУ-П/02 34 0,15 »
У глестеклопластик ЛУ-П/02 Т-10ИТ-14 2 19 0,15 0,25 »
У глестеклопластик ЛУ-П/02 Т-10ИТ-14 2 19 0,15 0,25 да
У глестеклопластик ЛУ-П/02 Т-10ИТ-14 2 19 0,15 0,25 нет
У глестеклопластик ЛУ-П/02 Т-10ИТ-14 2 19 0,15 0,25 да
У глеорганопластик ЛУ-П/02 ОКСАЛОН 2 10 0,15 0,5 нет
У глеорганопластик ЛУ-П/02 ОКСАЛОН 2 10 0,15 0,5 да
Латунь ЛАЖМц 66-6-3-2 нет ГОИ-54П
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
№ 4 (32), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Исследуемые образцы имели антифрикционный слой (АС), волокна наполнителя которого при изготовлении укладывались в каждом последующем слое под углом 90° к предыдущему, за исключением тех ПС 10-1 и 10-2, у которых послойная намотка армирующих волокон АС осуществлялась под углом 45°. В качестве связующего использовалась эпоксидфенолформальдегидная смола ФФЭ-70.
Проводились стандартные испытания образцов по схеме «вал-втулка» на одностороннее и реверсивное трение на машинах трения 2070 СМТ-1 и УМТ-1 при ступенчатом нагружении - на фрикционную теплостойкость. Сравнительные ресурсные испытания модельных образцов проводились на специально разработанной машине трения. Наилучшее сочетание эксплуатационных характеристик показали органопластиковые ПС, пропитанные маслом, что определило изготовление из них комплекта деталей (рис. 11) для ИТМ (изделие 2А19). Замене латунных ПС на полимерные подлежали узлы трения механизмов наведения, уравновешивающего механизма и гидротормозных устройств, цапфенного соединения верхнего станка с нижним, ходовой части.
б)
Рис. 11. Комплекты деталей к изделию 2А19: а - штатный; б - из ПКМ
Engineering sciences. Machine science and building
173
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Полигонные испытания носили сравнительный характер и поэтому проводились одновременно на двух изделиях 2А19: № 5036 - со штатными узлами трения, № 5085 - с усовершенствованными узлами трения (с деталями из ПКМ). Все полимерные узлы трения обеспечили безотказность в объеме назначенного ресурса. На рис. 12 приведен по окончании испытаний внешний вид ПС (втулка 18-131) цапфенного узла, который рассматривался в качестве примера в рамках предлагаемого подхода.
я) б)
Рис. 12. Втулка 18-131 изделия 2А19: а - латунная; б - из ПКМ
Выводы
1. Предложенный подход к описанию поведения ПКМ с момента зарождения микродефектов до образования недопустимых технологических или эксплуатационных макродефектов, основанный на моделировании температурного и НДС ПС из ПКМ путем гомогенизации гетерогенных структур в виде элементарных репрезентативных ячеек эквивалентными однородными материалами, несущими адекватную информацию о физико-механических свойствах, позволяет избирательно управлять эксплуатационными свойствами узлов трения импульсного нагружения и производить эффективную замену латунных и бронзовых ПС.
2. Полученные с помощью компьютерных и физических моделей теплофизические, деформационные, прочностные и триботехнические характеристики исследуемых составов и структур ПКМ дают оптимистичные прогнозы о перспективах их применения в узлах трения ИТМ.
3. Предлагаемый технологический процесс изготовления ПС из ПКМ гарантированно обеспечивает требуемый запас прочности и наработку до отказа даже при существовании производственных микродефектов.
4. Описание механизмов фрикционного разогрева и НДС ПКМ с учетом микродефектов как в элементарной репрезентативной ячейке, так и в конструкции эксплуатируемого ПС является направлением дальнейших исследований.
Список литературы
1. Хватов Г. А. Исследование процесса функционирования полимерного уплотнения импульсной тепловой машины / Г. А. Хватов, В. Я. Савицкий, А. Ю. Муй-земнек // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 2 (30). - С. 113-126.
174
University proceedings. Volga region
№ 4 (32), 2014
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
2. Кортен, Х. Т. Разрушение армированных пластиков : пер. с англ. / Х. Т. Кор-тен ; под ред. Ю. М. Тарнопольского. - М. : Химия, 1967. - 167 с.
3. Чернин, И. З. Эпоксидные полимеры и композиции / И. З. Чернин, Ф. М. Смехов, Ю. В. Жердев. - М. : Химия, 1982. - 232 с.
4. Fried, N. 20th Annual Technical Conference Reinforced Plastics Division SPJ / N. Fried. - Chicago, 1965, Sect. 1-C.
5. Hand, N. 20th Annual Technical Conference Reinforced Plastics Division SPJ / N. Hand. - Chicago, 1965, Sect. 1-C.
6. Яновский, Ю. Г. Особенности физико-механических свойств композиционных материалов на основе полимеров и углеродных волокон (обзор) / Ю. Г. Яновский, А. Г. Сирота, В. В. Богданов, П. А. Филипенков // Механика композиционных материалов и конструкций. - 1997. - Т. 3, № 2. - С. 101-117.
7. Семенова, Г. П. Влияние пористости на прочность стеклотекстолита / Г. П. Семенова, В. В. Павлов // Механика полимеров. - 1970. - № 4. - С. 585-591.
8. АС 183794 СССР. МКл B29G 7/00. Устройство для пропитки наполнителя полимерным связующим / Зиновьев Р. С., Медведева О. А., Крымский И. М. - Заявка № 3038018/23-05 ; опубл. 29.03.82.
9. Томашевский, В. Т. Теория и методы обеспечения бездефектной макро-
структуры армированных полимеров при переработке в конструкции специальной техники / В. Т. Томашевский, В. И. Смыслов, В. Н. Шалыгин, В. С. Яковлев. -
М. : ЦНИИинформации, 1984. - 316 с.
10. Цыплаков, О. Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов / О. Г. Цыплаков. - Пермь : Книжное изд-во, 1974. - Ч. 1. - 316 с.
References
1. Khvatov G. A., Savitskiy V. Ya., Muyzemnek A. Yu. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2014, no. 2 (30), pp. 113-126.
2. Korten Kh. T. Razrushenie armirovannykh plastikov: per. s angl. [Disruption of reinforced plastics: translation from English]. Moscow: Khimiya, 1967, 167 p.
3. Chernin I. Z., Smekhov F. M., Zherdev Yu. V. Epoksidnye polimery i kompozitsii [Epoxy polimers and compositions]. Moscow: Khimiya, 1982, 232 p.
4. Fried N. 20th Annual Technical Conference Reinforced Plastics Division SPJ. Chicago, 1965, Sect. 1-C.
5. Hand N. 20th Annual Technical Conference Reinforced Plastics Division SPJ. Chicago, 1965, Sect. 1-C.
6. Yanovskiy Yu. G., Sirota A. G., Bogdanov V. V., Filipenkov P. A. Mekhanika kompo-zitsionnykh materialov i konstruktsiy [Mechanics of composite materials and structures]. 1997, vol. 3, no. 2, pp. 101-117.
7. Semenova G. P., Pavlov V. V. Mekhanika polimerov [Mechanics of polymers]. 1970, no. 4, pp. 585-591.
8. AS 183794 SSSR. MKl B29G 7/00. Device for filler impregnation with polymer binder]. Zinov'ev R. S., Medvedeva O. A., Krymskiy I. M. Application No. 3038018/23-05; publ. 29 March 1982.
9. Tomashevskiy V. T., Smyslov V. I., Shalygin V. N., Yakovlev V. S. Teoriya i metody obespecheniya bezdefektnoy makrostruktury armirovannykh polimerov pri pererabotke v konstruktsii spetsial’noy tekhniki [Theory and methods of defect-free macrostructure assurance in reinforced polymers at reprocessing into structures of special hardware]. Moscow: TsNIIinformatsii, 1984, 316 p.
10. Tsyplakov O. G. Nauchnye osnovy tekhnologii kompozitsionno-voloknistykh materialov [Scientific bases of composite-fibrous materials technology]. Perm: Knizhnoe izd-vo, 1974, part 1, 316 p.
Engineering sciences. Machine science and building
175
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Богомолов Алексей Иванович доктор технических наук, профессор, кафедра № 1, Пензенский артиллерийский инженерный институт (Россия, г. Пенза-5)
E-mail: [email protected]
Голощапов Владлен Михайлович
кандидат технических наук, доцент, научный консультант Центра учебнонаучной инновационной деятельности, Пензенский государственный технологический университет (Россия, г. Пенза, проезд Байдукова, 1а)
E-mail: [email protected]
Савицкий Владимир Яковлевич
доктор технических наук, профессор, кафедра № 11, Пензенский артиллерийский инженерный институт (Россия, г. Пенза-5)
E-mail: [email protected]
Муйземнек Александр Юревич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Зиновьев Радий Сергеевич кандидат технических наук, доцент, технический директор Группы научнопромышленных компаний «Полидор», (Россия, г. Челябинск, ул. Федорова, 1а)
E-mail: [email protected]
Bogomolov Aleksey Ivanovich Doctor of engineering science, professor, sub-department №1, Penza Artillery Engineering Institute (Penza-5, Russia)
Goloshchapov Vladlen Mikhaylovich
Candidate of engineering sciences, associate professor, scientific adviser of the Center of scientific and educational innovative activity, Penza State Technological University (1a Baydukova lane,
Penza, Russia)
Savitskiy Vladimir Yakovlevich
Doctor of engineering sciences, professor, sub-department № 11, Penza Artillery Engineering Institute (Penza-5, Russia)
Muyzemnek Alexander Yuryevich Doctor of engineering science, professor, head of sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Zinov'ev Radiy Sergeevich
Candidate of engineering sciences, associate professor, technical director of the Scientific industrial group of companies "Polidor"
(1a Fyodorova street, Chelyabinsk, Russia)
УДК 621.001.63: 623.41
Исследование влияния микроструктуры полимерных композиционных материалов на эксплуатационные свойства подшипников скольжения импульсных тепловых машин / А. И. Богомолов, В. М. Голощапов,
B. Я. Савицкий, А. Ю. Муйземнек, Р. С. Зиновьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 4 (32). -
C. 158-176.
176
University proceedings. Volga region
