Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

STUDY OF CONTENT OF THE MODIFIED SILICONE RESIN AND PRESSURE ON THE TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS OF COMPOSITE MATERIAL BASED ON EXPANDED GRAPHITE

Chernykh A.A. 1 Nefedov Ya.A. 1 Karavaev D.M. 1
1 Perm National Research Polytechnic University
Описано приспособление для испытания материалов на трение и износ по схеме «кольцо-диск» Исследовано влияние содержания модифицированной силиконовой смолы и давления на триботехнические характеристики композиционного материала на основе терморасширенного графита при скорости вращения образца 1 об/мин. Исследования проведены в соответствии с методикой планирования экспериментов. Получены регрессионные уравнения. Установлено, что с увеличением содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционном материале на основе терморасширенного графита коэффициент трения и износ возрастают. С увеличением давления коэффициент трения уменьшается, а износ увеличивается. Используемые в статье оборудование для исследования изнашивания и методику эксперимента, возможно применять не только для материала описанного в статье, но и для других, например, фторопласта, полиэтилена, полиамида и композиций на их основе.
Describes a device for testing materials for friction and wear on a "ring - disk". The influence of the content of the modified silicone resin, and the pressure on the tribological characteristics of the composite material based on expanded graphite at a rotational speed of the sample 1 rot/min. The studies were conducted in accordance with the methodology of design of experiments. Obtained regression equations. Found that, with increasing content of the modified silicone resin in the composite material based on expanded graphite friction and wear increases. As pressure increases, the friction coefficient is reduced and wear is increased. Used in the paper testing equipment wear and experimental technique, may be applied not only to the material described in the article, but for others, such as fluoroplastic, polyethylene, polyamide and compositions based on them.
expanded graphite
modified silicone resin
composite material
friction
wear
friction coefficient

В условиях интенсивной эксплуатации, предполагающей переработку горячих жидкостей и газов при высоких давлениях и при температурах до 500-550ºС, одним из факторов, ограничивающих надежность шаровых кранов, является недостаточная износостойкость уплотнения в области контакта пары «шар-седло» [3, 9]. Одним из важнейших показателей работы уплотнений шаровых кранов является усилие, затрачиваемое на поворот шара, которое пропорционально коэффициенту трения. В этих условиях актуальной задачей современного арматуростроения следует считать разработку новых износостойких материалов с низким коэффициентом трения для уплотнительных элементов, повышающих эффективность эксплуатации оборудования в диапазоне температур от 200ºС до 550ºС [3].

Одним из основных факторов, влияющих на трение и износ, является давление P [6].

Целью данной работы является экспериментальное установление зависимости коэффициента трения и износа от давления и содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционном материале на основе терморасширенного графита.

Материалы и методы исследования

Образцы композиционного материала были произведены при тщательном смешивании порошков терморасширенного графита (ТРГ), полученного измельчением в две стадии [7] и модифицированной силиконовой смолы односторонним сжатием компонентов смеси, которые засыпали в удлиненную вертикальную форму, со съемным дном [8]. Композиционные материалы на основе ТРГ были спрессованы при давлении в диапазоне 30-90 МПа в течение 60 сек и затем термообработаны в течение 30 мин при температуре 200 ± 10 °С.

Коэффициент трения и износ колец по сухой поверхности контртела в виде диска из стали 20Х13 с твердостью 50 HRC и шероховатостью Ra=0,84 мкм определяли на испытательной машине МИ-40КУ со специально разработанным приспособлением по схеме «кольцо-диск» (рис. 1) [3] при скорости скольжения 0,003м/сек (скорости вращения образца 1 об/мин), комнатной температуре, относительной влажности 25% - 35%.

Кольцевой образец - 1 размером ø50хø70х10 мм закрепляли в захвате 2, который через переходник крепился к выходному валу кручения испытательной машины МИ-40КУ (на рис. 1 не показаны). Контртело в виде диска 3 устанавливали в самоустанавливающемся захвате 4, который через переходник крепился к комбинированному датчику силы и момента (на рис. 1 не показаны). Момент трения записывали через систему сбора данных на компьютер, а затем рассчитывали коэффициента трения. Износ образцов рассчитывали с использованием метода потери массы. Масса каждого образца была измерена с помощью электронных весов с разрешением ± 0,1 мг. Стальной диск практически не изнашивался. Испытание проводили в течение 30 мин., перед началом каждого испытания поверхность контртела очищали с помощью ацетона [3].

Рис. 1. Приспособление для исследования изнашивания: 1 - кольцевой образец; 2 – захват; 3 – контртело; 4 - самоустанавливающийся захват

Исследования проводили в соответствии с методикой планирования экспериментов. Каждую из серий испытаний выполняли в рамках полного факторного эксперимента. Факторы – давление P и содержания модифицированной силиконовой смолы задавали на двух уровнях (минимальном и максимальном). Каждый эксперимент при выбранной комбинации факторов повторяли по 5 раз. Чтобы исключить влияние случайных ошибок, вызванных внешними условиями (переменой температуры, качеством сырья, квалификацией лаборанта и т. д.), рандомизировали опыты во времени, т.е. очередность их проведения выбирали случайным образом.

Для построения зависимостей коэффициента трения и износа от давления P и содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционном материале использовали математическую модель первого порядка в виде полинома [4]

. (1)

В этом случае факторы кодировали по формуле

, (2)

где Xi – кодовое значение i-го фактора; xi – натуральное текущее значение i-го фактора; xi0 – начальный (нулевой) уровень фактора; Δxi – интервал варьирования i-го фактора:

(3)

При проведении исследований по определению механических [1, 5] и триботехнических [9, 10] характеристик использовался Симплекс-вершинный план эксперимента с дополнительными внутренними точками. По этому плану содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционном материале были 10, 20, 30, 40 и 50 масс. %. Т.к. при 10 и 50 масс. % определяемые характеристики отклонялись от линейного закона, то они были исключены из плана эксперимента. Значения выбранных уровней варьируемых факторов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Уровни варьирования факторов

п/п

Уровень варьируемых факторов

Обозначение кодовое

n, %

P, МПа

X1

X2

1

Основной

0

30

3

2

Интервал варьирования

Δx

10

2

3

Нижний

-1

20

1

4

Верхний

+1

40

5

Матрица планирования для экспериментального плана 22 представлена в табл. 2.

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента

опыта

X0

X1

X2

X1 X2

1

+1

-1

-1

+1

2

+1

+1

-1

-1

3

+1

-1

+1

-1

4

+1

+1

+1

+1

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты экспериментов, а также результаты их статистической обработки, а именно, средние значения коэффициента трения и износа (), дисперсия параллельных опытов - S2, средняя квадратичная ошибка одиночного результата при n измерениях - Sn, коэффициент вариации - Wn, средняя квадратичная ошибка среднего арифметического - , доверительный интервал среднего арифметического – Δy расчетные коэффициенты трения и износа , найденные по уравнения с регрессии, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты экспериментов

S2

Sn

Wn,

%

Δy

α=0,95

Коэффициент трения f

1

0,249

0,226

0,244

0,262

0,246

0,245

1,67 х10-4

0,0129

5,3

0,0075

0,0209

0,247

2

0,302

0,293

0,320

0,326

0,302

0,309

1,91 х10-4

0,0138

4,5

0,0080

0,0223

0,307

3

0,185

0,187

0,183

0,179

0,160

0,179

1,19 х10-4

0,0109

6,1

0,0063

0,0176

0,177

4

0,239

0,237

0,227

0,234

0,234

0,234

2,07 х10-5

0,0045

1,9

0,0026

0,0074

0,237

Износ I, мг

1

0,3

0,3

0,2

0,4

0,2

0,28

0,007

0,084

29,9

0,048

0,135

0,24

2

0,8

0,4

0,6

0,4

0,5

0,54

0,028

0,167

31,0

0,097

0,271

0,59

3

0,8

0,7

1,3

1,0

1,0

0,96

0,053

0,230

24,0

0,133

0,372

1,01

4

1,3

1,7

0,9

1,7

1,4

1,40

0,110

0,332

23,7

0,191

0,536

1,36

Статистическая обработка данных о коэффициенте трения показала, что дисперсия параллельных опытов не превышала S2 ≤ 1,91х10--4. Для определения возможности регрессионного анализа рассчитали однородность дисперсий параллельных опытов по критерию Кохрена [4]. Так как расчетные значение критерия Кохрена Gp=0,384 меньше табличного Gтабл=0,6287 [2], при уровне значимости α=0.05, то гипотеза об однородности дисперсий параллельных опытов принимается, и значит возможно проведение регрессионного анализа.

Соответственно, обработка данных по износу, показала, что дисперсия параллельных опытов не превышала S2 ≤0,110. Так как расчетные значение критерия Кохрена Gp=0,141 меньше табличного Gтабл=0,6287 [2], при уровне значимости α=0.05, то гипотеза об однородности дисперсий параллельных опытов принимается, и значит возможно проведение регрессионного анализа.

Рассчитав коэффициенты уравнения (1) получили уравнение регрессии для коэффициентов трения (4)

(4)

Проверку статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии для коэффициентов трения проводили с помощью t-критерия Стьюдента. Все коэффициенты уравнения (4), кроме b12 статистически значимы при уровне значимости 0,05 и имеют доверительный интервал ± 0.005.

После исключения спастически не значимого коэффициента b12 уравнение регрессии (4) принимает вид

. (5)

Соответственно, рассчитав коэффициенты уравнения (1) получили уравнение регрессии для износа (6)

(6)

Проверка статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии для износа показала, что все коэффициенты уравнения (6), кроме b12 статистически значимы при уровне значимости 0,05 и имеют доверительный интервал ± 0.105.

Также после исключения спастически не значимого коэффициента b12 уравнение регрессии (6) принимает вид

(7)

Полученные уравнения (5) и (7) проверяли на адекватность по критерию Фишера. Так как расчетные значения критериев Фишера Fр=0,651 и Fр=0,818 меньше 1, то, соответственно, уравнения (5) и (7) адекватны [4].

Для приведения уравнений (4) и (5) к виду с натуральными значениями факторов использовали формулу кодирования (2), подставляя в уравнения (4) и (5) вместо кодовых натуральные значения факторов [3].

(8)

(9)

На основании полученных результатов и анализа уравнений (5) и (7) можно сделать следующие выводы:

1. C увеличением содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционном материале на основе терморасширенного графита коэффициент трения и износ возрастают.

2. С увеличением давления на образец при испытании коэффициент трения уменьшается, а износ увеличивается.

Заключение

Исследованы триботехнические характеристики композиционного материала на основе терморасширенного графита. Приведены аналитические зависимости влияния давления и содержания модифицированной силиконовой смолы на коэффициент трения и износ, установленные по результатам планирования экспериментов.

Используемые в статье оборудование для исследования изнашивания и методику эксперимента, возможно, применять не только для материала, описанного в статье, но и для других, например, фторопласта, полиэтилена, полиамида и композиций на их основе.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию (проектная часть) № 9.1570.2014/К.

Рецензенты:

Сиротенко ЛД., д.т.н., проф. каф. МТиКМ ПНИПУ, г. Пермь;

Матыгуллина Е.В., д.т.н., проф. каф. МТиКМ ПНИПУ, г. Пермь.