книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

Рис. 43. Зависимости среднего коэффициента трения от начальной чистоты обработки поверхности трения контртела' для пары 8-45-62 + СЧ 15-32

(а) и от теплофизико-механических свойств металлического элемента для ма­ териала 8-45-62 при начальной чистоте V 5 (б)

Значения НВ соответствуют: 100—Л62; 150—БрАМцЭ-2; 200—СЧ15-32; 240 — сталь 45

материалов и имеет место слабая деструкция связующих, вхо­ дящих в состав асбофрикционных пластмасс. Наблюдается также интенсивное намазывание латуни и бронзы на асбофрикционный материал. А с чугунным контрэлементом (см. рис. 44) температура в зоне трения достигает области повышенных тем­ ператур (150—300°С), где основное влияние на трение оказывают физико-химические явления, имеется в наличии до­ статочно развитая смазочная пленка из продуктов деструкции, н в связи с этим катастрофический износ наступает только тогда, когда возрастает интенсивность разрушения смазочных пленок.

Намазывание (перенос) латунью или бронзой фрикционных материалов происходит по-разному в связи с их композицион­ ным составом (рис. 45). Подтверждается мнение {62] о том, что применение более твердых наполнителей приводит к интенсив­ ному переносу металлического материала на асбофрикционный материал. Так, материал 8-45-62, содержащий в качестве основ-

5* ill

ного наполнителя барит, намазывается бронзой меньше, чем материалы 6КХ-1Б или 1-43-60А с железным суриком в качестве основного наполнителя, хотя все материалы изготовлены на каучуковом связующем. Известно, что микротвердость зерен железного сурика значительно выше микротвердости барита, а выступающие зерна наполнителя являются центрами зарожде­ ния очагов переноса материала, которые затем лавинно разра­ стаются (рис. 45, г) .

Предлагаемая методика исследований и полученные данные по зависимости коэффициента трения и величин износа от температур и скоростей скольжения для различных пар позво­ ляют повысить точность аналитического исследования темпе­ ратурных полей асбофрикционных материалов, узлов, прогнози­ ровать их надежность и долговечность при работе в натурных узлах трения.

§ з. оценка износа асбофрикционны х м атериалов

Асбофрикционные материалы, широко применяемые в раз­ личных тормозных устройствах, муфтах и т. п., представляют собой сложную многокомпонентную наполненную систему на

112

смоляной, каучуковой или комбинированной основе. Наличие различных наполнителей и подкрепляющих веществ намного усложняет оценку фрикционных и износных характеристик пары трения на стадии проектирования. При этом температура играет решающую роль в протекании сложных мехаиохимических явле­ ний при контактном взаимодействии элементов пары трения. Особенно это заметно при работе в режиме повторно-кратко­ временных торможений с незначительным интервалом между фрикционными нагружениями, когда генерируемое фрикционное тепло непрерывно возрастает, переходя установившийся тепло­ вой режим, а также в тяжелых условиях единичных торможений, например в тормозах авиаколес.

В местах повышенных температур происходит деградация (деструкция) связующего и отделение частиц твердого наполни­ теля. Выступающие на поверхность трения твердые частицы наполнителей могут являться очагами переноса более мягкого материала контрэлемента. Так как трение сильно зависит от смазывающего действия продуктов разложения связующего, то трудно найти корреляцию между фрикционными, износными и механическими свойствами асбофрикционных материалов. Влия­ ние сопротивления деформированию связующего, а также вытягиванию и выдавливанию асбестовых волокон на трение может показаться значительным, но увеличение трения при высоких температурах можно связать и с химическими реак­ циями между связующим, наполнителями и контртелом.

Нельзя, конечно, говорить всегда о каком-либо конкретном механизме износа при трении асбофрикционных материалов. Один вид износа может замениться другим в процессе трения с повышением температуры. При трении асбофрикционных материалов по металлическим поверхностям возможны следую­ щие виды износа: адгезионный, термический, усталостный и абразивный.

Для оценки износостойкости полимерных фрикционных мате­ риалов до сих пор применяются зависимости ,[63, 108], согласно которым износ пропорционален нагрузке, скорости скольжения и времени трения. Вопрос наличия на поверхности трения несколь­ ких видов износа рассмотрен в работе [30]. На основании иссле­ дований влияния состава композиций на износостойкость сде­ ланы попытки связать износные свойства с другими свойствами основного полимерного материала [58, 109].

Все же в настоящее время нет универсального, полного математического описания для прогнозирования износостойко­ сти наполненных полимерных фрикционных материалов.

Как показывают многочисленные опыты, суммарный износ асбофрикционных материалов должен быть в функциональной зависимости от нагрузки р, скорости скольжения v, времени t, коэффициента взаимного перекрытия /Свз, а также твердости НВ и поверхностной чистоты Rz металлического элемента.

114

Для определения необходимого числа наблюдений пользу­ емся трехфакторным экспериментом на трех уровнях каждый. Остальные факторы принимаем постоянными. Составим мате­ матическую модель весового износа для одного варианта от факторов р, v и /:

Это уравнение износа было апробировано при различных экспериментальных условиях, включая металлические поверхно­ сти различных типов, и в результате найдено, что оно удовле­ творительно описывает износ различных асбофрикционных ма­ териалов '.

Экспериментальному исследованию подвергались пять видов асбофрикционных материалов, композиционные составы которых в весовых процента^ приведены в табл. 20. Износ этих материа-

Яг2 = 20— 16,5 мкм; R Za = 6,3—4,0 мкм). Химический состав ме­

таллических пар трения приведен в табл. 21.

f15

Испытания проводились на инерционной лабораторной ма­ шине трения [46] с рабочим узлом трения «вращающийся ци­

линдр— неподвижная колодка». Машина работает как в стацио­ нарном режиме трения с односторонним непрерывно действую­ щим нагружением, так и в режиме повторно-кратковременного, двухсторонне циклично действующего фрикционного нагруже­

ния. Нагрузка на фрикционную пару и скорость скольжения из­ менялись в пределах 50—75 кгс и 0,44—2,2 «м/сек соответствен­

но. Поверхностная и объемная температуры измерялись с по­ мощью 'искусственных термопар, установленных на различных расстояниях и глубинах от зоны трения. В процессе испытаний регистрировались изменения коэффициента трения от времени и температуры, температуры от времени и износа от времени и температуры.

Рабочая поверхность трения образца из фрикционного мате­ риала составляла 2,8 см2 и была обточена с такой же кривизной, как и поверхность металлического вращающегося цилиндра диаметром 60 мм и длиной 150 мм.

С целью повышения эффективности проводимых эксперимен­ тов был применен статистический метод планирования экспери­

чит, что при определении величины износа учитывается влияние изменений трех факторов согласно уравнению (9), остальные применяются постоянными. Общее количество необходимых экс­ периментов для пяти асбофрикционных материалов при их тре­ нии с чугуном и со сталью и трехкратном повторении каждого опыта составляет 2 7 x 5 x 2 x 3 = 810.

План факторного эксперимента -полностью рандомизирован, при этом использовались таблицы случайных чисел. Принятые уровни факторов закодированы, и значения уровней варьируе­ мых факторов до и после кодирования представлены в табл. 22.

Для определения показателей степеней а,Ь, с и коэффициента k уравнения (9) пользуемся методом наименьших квадратов.

Применяя метод Гаусса для решения полученной системы и про­ изводя вычисления на ЭВМ, получим все неизвестные степени и коэффициент, входящие в уравнение (9), для исследуемых

116

асбофрикциоииых материалов при их трении в паре со сталью при р = 61,2 кгс, v — 1,02 м/сек и t = 15 мин (табл. 23).

На рис. 46 показаны кривые износа в зависимости от нагруз­ ки, скорости скольжения и времени трения, построенные на ос­ новании данных табл. 23 для значений параметра начальной поверхностной шероховатости Rz = 20—18 *мкм.

Для оценки полной достоверности полученных эксперимен­ тальных результатов проводилась проверка пппотез влияний параметров р, v п t на величину весового износа методом дис­

персионного анализа для всех исследуемых -пар трения. Резуль­ таты по проверке гипотез оказались в полном соответствии с теми же, приведенными на рис. 46.

** *

Износ исследуемых асбофрикционных материалов при их трении в паре с металлами можно удовлетворительно описать

= 0,67— 1,2; 6 = 0,2—0,74 и с = 0,56—0,85. Каждый асбофрик-

117

Как видно из табл. 23 и рис. 46, исследуемые асбофрикционные материалы показывают неодинаковую чувствительность к изменениям нагрузки, скорости скольжения и времени трения. Так, например, композиции 1-43-60А и 8-45-62 весьма чувстви­ тельны к изменению значений нагрузки и т. д. Это важно учиты­ вать при их выборе для работы в конкретных режимных усло­ виях.

§4. в о з м о ж н о с т и ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ФРИКЦИОННЫХ ПАР

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИИ

Наиболее целесообразным путем получения данных о воз­ можностях применения конкретной нары трения в конструкции являются испытания на малогабаритных лабораторных образ­ цах. Однако 'применение сравнительного метода не всегда дает удовлетворительную корреляцию с результатами натурных экс­ периментов. В таких случаях принято считать, что не был учтен масштабный фактор и это привело к осуществлению различных видов фрикционной связи на модели (образце) и натуре [30]. Для того чтобы учесть действия масштабного фактора необхо­ димо и достаточно найти масштабные коэффициенты перехода для каждого определяющего параметра, влияющего на процессы трения и износа. Эти коэффициенты могут быть получены мето­ дами теории подобия и анализа размерностей [16].

Так как полное дифференциальное уравнение процессов тре­ ния и износа пока неизвестно, то уравнения овязи можно полу­ чить на основании рассмотрения различных физических моделей процессов. На основе имеющихся зависимостей и статистики опытных данных [30, 61] были установлены основные физические модели и параметры, определяющие процессы трения (рис. 47). В качестве примера рассмотрен повторно-кратковременный ре­ жим фракционного нагружения колодочных тормозов.

Повторно-кратковременный режим нагружения необходимо рассмотреть как качественно различный физический процесс от единичного режима нагружения, рассмотренного в работе [61]. Следовательно, при рассмотрении процесса трения в режиме повторно-кратковременного нагружения необходимо учесть на­ копленное элементами трения тепло

Полное условное параметрическое уравнение процесса внеш­

119