CC BY
32
3. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна /М.Ю. Бальшин. - М.: Металлургия, 1987. - 184 с.
4. Хансен М. Структура двойных сплавов: пер. с англ. / М Хансен, К. Андерко. - М.: Металлургия, 1973. - 1488 с.
5. Машков Ю.К. Новые композиционные материалы и технология получении кокилей /В.И. Гурдин. //Механика и процессы управления. Проблемы машиностроения: тр. XXXIII Уральского семинара. —Екатеринбург: Уральское отд. РАН, 2003. - С'. 244-248.
МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор.
ГУРДИН Виктор Иванович, доцент, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Машины и технология литейного производства». СЕДЕЛЬНИКОВ Владимир Васильевич, аспирант.
Статья поступила в редакцию 11.П.06. © Машков Ю. К., Гурдин В. И., Седельников В. В.
УДК 539,538:678 01 Ю. К. МАШКОВ
А. В. ТЮКИН А. Б. РАЗБОРОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
ВЛИЯНИЕ КОНТАКТНОГО ДАВЛЕНИЯ НА трибоЭДС
МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОЙ ПАРЫ ТРЕНИЯ
На основании результатов экспериментальных исследований установлена зависимость трибоЭДС от контактного давления и температуры (как фактора, изменяющегося в результате процесса трения). Анализ полученных зависимостей II = ((р) II = ((Т) показывает, что при совместном влиянии давления и температуры преобладающее влияние на величину трибоЭДС оказывает температура металлического контртела. Результаты исследований могут быть использованы на промышленных предприятиях города Омска: Омскгидропривод, Омский агрегатный завод.
Введение. Усложнение и удорожание узлов трения (подшипников, направляющих, уплотнений и т.п.) в связи с повышением требований к их надежности, допустимым удельным нагрузкам и точности исполнения заданной функции, особенно в космической и авиационной технике, наземном транспорте и во многих других машинах, возможно только при комплексном изучении и решении проблем трибофизики и трибоматериаловедения. Это обстоятельство делает целесообразным исследование физических процессов фрикционного взаимодействия, изучения структуры и свойств материалов триботех-нмческого назначения.
Г 1роцесс трения всегда сопровождается электри-\ ческими явлениями. Трибоэлектрические явления | влияют на процессы образования антифрикцион-I мы ми полимерными материалами на поверхности ! трения пленки фрикционного переноса, диффузию ! продуктов деструкции полимера в металл, структурно-фазовые превращения и другие физико-\ химические процессы. Изменение контактного давления приводит к изменению трибоЭДС, возникающей в металлополимерной паре трения, которая оказывает влияние на величину износа, а соответственно, на срок службы трибосистемы [1]. Поэтому прогнозирование развития трибоэлектрических процессов в металлополимерном сопряжении в их функциональной зависимости от контактного давления и температурного режима с целью управ-
ления этими процессами является весьма актуальной задачей.
Цель работы — изучить зависимость трибоЭДС от контактного давления и температуры (как фактора, изменяющегося в результате процесса трения) на основе результатов экспериментальных исследований.
Экспериментальная часть. С целью изучения влияния контактного давления на трибоэлектри-зацию были произведены исследования при трении образцов из полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) по металлическому контртелу в схеме трения (рис.1) "палец-диск" [2].
Исследование металлополимерной пары проводили трением образцов из ПКМ, полученным введением измельченного углеродного волокна, скрыто-кристаллического графита и дисульфида молибдена в полимерную матрицу.
Испытания производили при контактном давлении, изменяющемся от 1 до 2 МПа при скорости скольжения полимерного образца, равной 1,2 м/с. Начальная температура образца так же, как и металлического контртела, во всех опытах составляла 293 К. Температура измерялась с помощью термопары, закрепленной в металлическом контртеле на расстоянии 0,5 мм от поверхности трения.
С помощью самописца потенциометра КСП-4 снимали графики зависимости трибоЭДС от времени.
Рис. 1. Схема установки для исследования трибоЭДС: 1 - образцы из полимерного композиционного материала; 2 - контртело; 3 - скользящий контакт; 4 - стол; 5 - потенциометр КСП-4
Анализ и обсуждение результатов. Один из графиков кинетической зависимости трибоЭДС представлен на рис. 2.
По графику видно, что через 5 секунд после начала трения трибоЭДС достигает максимального значения, а втечение следующих 11 секунд оно резко уменьшается (объяснение данного явления будет рассмотрено ниже). Затем значение трибоЭДС вновь возрастает, через 43-45 секунд достигает максимума, после которого наблюдается постепенное снижение. Из графика также следует, что в процессе трения происходит монотонное повышение температуры в зоне трения.
С целью изучения характера зависимости трибоЭДС от контактного давления и температуры были сняты кинетические зависимости трибоЭДС при различных значениях контактного давления с контролем температуры контртела. По этим зависимостям проводили анализ влияния контактного давления и температуры на трибоЭДС, для чего строили зависимости и = Г (р), и = (Т) при постоянных значениях температуры или давления соответственно.
Из полученных кривых (рис. 3) следует, что с увеличением контактного давления от 1 МПадо 1,2 МПа значение трибоЭДС резко снижается, а от 1,2 МПа до 2 МПа снижается монотонно. Следовательно, давление 1,2 МПа можно считать критическим.
Данное явление можно объяснить следующим образом: при включении машины трения, независимо от величины внешнего нагружения, происходит
резкое увеличение разности потенциалов, возникающее в результате дискретного взаимодействия поверхностей полимерного образца и металлического контртела, которое приводит к разделению зарядов. Образованное ими электрическое поле поляризует диэлектрик, каковым является образец из ПКМ, что приводит к уменьшению разности потенциалов. В дальнейшем по мере увеличения контактного давления происходит более интенсивное заполнение микронеровностей металлического контртела полимером, увеличение фактической площади контакта трения между полимером и полимерной пленкой. Имея одинаковые работы выхода электрона, они не генерируют заряды и мало влияют на изменение разности потенциалов, созда-ваемой на участках непосредственно фрикционного контакта полимера с металлом.
Графики зависимостей трибоЭДС от температуры представлены на рис. 4, из которых следует, что с повышением температуры от 298 К до 310 К контактная разность потенциалов монотонно уменьшается, а в интервале температур 310-315 К практически не изменяется.
Объяснить механизм влияния температуры на трибоЭДС металлополимерного сопряжения можно, воспользовавшись зонной теорией.
Из зонной теории следует, что с повышением температуры наблюдается незначительный рост химического потенциала, а затем он опускается в глубь запрещенной зоны. Когда все доноры ионизированы и начинается возбуждение электронов из валентной полосы, химический потенциал стремится к значению, характерному для бездефектного полимера, т. е. в области середины запрещенной зоны [3).
Если учесть, что значение химического потенциала определяет работу выхода электрона, то с повышением температуры следует ожидать уменьшения работы выхода. Этого уменьшения может оказаться достаточно, чтобы работа выхода из полимера стала меньше соответствующего значения для металла, и тогда ток зарядки полимера поменяется на противоположный.
Например, химический потенциал полимеров акцепторного типа (ПЭНД) растет с повышением температуры, что приводит к снижению разности работ выхода у металла и полимера, а следовательно, к уменьшению отрицательного заряда на полимере. Кроме того, влияние температуры на трибоЭДС обусловлено изменением плотности поверхностных состояний, адсорбционно-десорбционных процессов и повышением объемной и поверхностной проводимости полимера.
Рис. 2. График кинетической зависимости трибоЭДС при Р=1,2 МПа, \г=1,2м/с
0,5
1,5
2 2.5
и.мВ 0 -1 -2 -3 -4 -5
I 1
Рис. 3. Зависимость трибоЭДС от контактного давления при У-1,2м/с: 1 - Т=29ВК, 2 - Т=303К, 3 - Т=308К, 4 - "Р=313К
и.мВ
296 298 300 302 304 306 308 310 312 314
т,к
1
. I
Рис. 4. Зависимость трибоЭДС от температуры при Л^=1,2м/с: 1 - Р=1,2 МПа, 2 - Р=1,5 МПа, 3 - Р=1,7 МПа, 4 - Р= 2 МПа
Выводы
1. В процессе фрикционного взаимодействия металла и полимера развиваются трибоэлектрические процессы, сопровождаемые формированием трибоЭДС.
2. При увеличении контактного давления от 1 МПа до 1,2 МПа значение трибоЭДС резко снижается, а от 1,2 МПа до 2 МПа снижается монотонно.
3. С повышением температуры от 298 К до 315 К контактная разность потенциалов монотонно уменьшается, а в области 315 К значение трибоЭДС практически не изменяется.
4, Анализ полученных зависимостей и = Г(р), и = Г(Т) показывает, что при совместном влиянии давления и температуры преобладающее влияние на величину трибоЭДС оказывает температура металлического контртела. Следовательно, для выяснения механизма формирования трибоЭДС необходимо провести экспериментальное исследование этого явления при постоянной температуре контртела в условиях его контролируемого охлаждения.
Библиографический список
1. Машков Ю.К., Блесман А.И. Динамика процессов трения металлополимерной трибосистемы // Долговечность трущихся деталей машин. - М.: Машиностроение, 1990. -С. 245-254.
2. Машков Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта. ■ Омск; Изд-во ОмГТУ, 1997. - 119 с,
3. Колесников В.И. Теплофизические процессы в метал-лоиолимерных грибосистемах. - М.: Наука, 2003. ■ 125 с.
МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика».
ТЮКИН Александр Владимирович, старший преподаватель кафедры «Физика».
РАЗБОРОВ Андрей Борисович, доцент кафедры «Физика».
Статья поступила в редакцию 11.07.06. © Машков Ю. К., Тюкин А. В., Разборов А. Б.
