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

THE COEFFICIENT OF FRICTION COMPOSITE MATERIALS BASED ON EXPANDED GRAPHITE ON STEEL 08X18H10T

Karavaev D.M. 1
1 Perm National Research Polytechnic University
Описана лабораторная машина для трибологических испытаний по схеме «палец-диск».Исследовано влияние содержания модифицированной силиконовой смолы и давления на коэффициент трения композиционныхматериала на основе терморасширенного графита при скорости скольжения образца 0,01 м/с. Исследования проведены в соответствии с методикой планирования экспериментов. Получены регрессионные уравнения. Установлено, что увеличение содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционных материалах на основе терморасширенного графитас насыпной плотностью 200±10 кг/м3приводит к увеличению коэффициента трения, в то время как в композиционных материалах на основе графита с насыпной плотностью от 14 ± 1 кг / м3 не влияет. С увеличением давления коэффициент трения уменьшается. Используемые в статье оборудование для определения коэффициента трения 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.
Laboratory machine for tribological tests on a "pin-on-disk" is described. Effect of a modified silicone resin and the pressure on the friction coefficient of composite material based on expanded graphite sliding speed sample 0.01 m / s is investigated. Investigations were carried out according to the method of design of experiments. Regression equations were obtained. Results showed that with increasing content of the modified silicone resin in the composite material based on expanded graphite with a bulk density of 200 ± 10 kg/m3 friction coefficient is increased, while in the composite materials based on expanded graphite with a bulk density of 14 ± 1 kg/m3did not affect. It was also found that with increasing pressure of the friction coefficient decreases. It was also found that with increasing pressure of the friction coefficient decreases. Equipment used in the paper for determining the coefficient of friction and experimental technique, may be applied to other materials, such as fluoroplastic, polyethylene, polyamide and compositions thereof.
friction coefficient.
tribological properties
friction
composite material
modified silicone resin
expanded graphite
В настоящее время в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности существует ряд проблем, связанных с использованием традиционных шаровых кранов в качестве запорной арматуры. В условиях интенсивной эксплуатации, предполагающей переработку горячих жидкостей и газов при высоких давлениях и при температурах до 500–550°С, одним из факторов, ограничивающих надежность шаровых кранов, является недостаточная термостойкость уплотнения в области контакта пары «шар-седло» [8]. Одним из важнейших показателей работы уплотнений шаровых кранов является усилие, затрачиваемое на поворот шара, которое зависит от коэффициента трения.

Материалы и методы исследования

Коэффициент трениятестовых образцов по сухой поверхности образца из стали 08Х18Н10Тс твердостью 50 HRC и шероховатостью Ra=0,84 мкм определялся на машине трения по схеме «палец-диск» (рис. 1) при комнатной температуре, давлениях  в контакте 1 МПа и 5 МПа, скорости скольжения: 0,01  м / сек, комнатной температуре, относительной влажности 25 %–35%.Подробнее методика измерения коэффициентов трения изложена в предыдущих работах [5, 9].

Рис. 1. Лабораторная машина для трибологических испытаний

по схеме «палец-диск»: 1 – электродвигатель;  2 – ременная передача;

3 – устройство для нагружения;  4 – опора; 5 – планшайба с держателем;

6 – образец-палец; 7 – контртело-диск с рычагом;  8 – тензометрический датчик силы; 9 – шарик; 10 – стойка; 11 – подшипник

 

Испытания при скорости скольжения 0,01 м/с были проведены поворотом планшайбы с пальцами на 90° и возвращением. Запись 50 циклов испытания «поворот и возврат» реализуются с помощью собственно разработанного программного обеспечения. Перед каждым испытанием движущиеся части машины для испытания по схеме «палец-диск» охлаждали до комнатной температуры, а стальной диск был очищен с помощью ацетона и сжатым воздухом. Значение силы трения в ходе испытаний контролировали и записывали через систему сбора данных на компьютер, что позволяет рассчитывать коэффициент трения.

Образцы композиционного материала были произведены при тщательном смешивании порошков и одностороннем сжатии компонентов смеси, которые были размещены в удлиненной вертикальной форме, со съемным дном [7]. Порошок терморасширенного графита (ТРГ) был получен измельчением в две стадии[3, 4, 6]. На I стадии измельчения при использовании элементов измельчителя с гладкой поверхностью был получен порошок ТРГ с насыпной плотностью 14±1кг/м3[3, 4]. На II стадии измельчение при использовании элементов измельчителя с режущими кромками был получен порошок ТРГ с насыпной плотностью200±10 кг/м3 [3, 6]. Композиционные материалы на основеТРГ были спрессованы при давлении в диапазоне 30–90 МПа в течение 60 сек, азатем термообработаны в течение 30 мин при 200 ± 10 ° С.

Исследования проводили в соответствии с методикой планирования экспериментов. Каждую из серий испытаний выполняли в рамках полного факторного эксперимента. Факторы содержания модифицированной силиконовой смолыи давление Pзадавали на двух уровнях (минимальном и максимальном). Каждый эксперимент при выбранной комбинации факторов повторяли по 3 раза. 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 от давления P и содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционном материалеиспользовали математическую модель первого порядка в виде полинома [2]

                                   .                                                 (1)

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 триботехнических характеристик [9, 10] использовали Симплекс-вершинный план эксперимента с дополнительными внутренними точками. По этому плану содержания модифицированной силиконовой смолы в композиционных материалах 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

X1X2

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

Типичное изменение коэффициента трения по отношению к времени испытания образцов из композиционных материалов на основе ТРГ показано на рис. 2. При испытаниях на скорости скольжения 0,01 м/с установлено (рис. 2), что коэффициент трения возрастает с увеличением числа циклов, а затем стабилизируется.

IMG0013_866160763

Рис. 2. Изменение коэффициента трения по отношению к времени испытания образцов композиционных материалов на основе ТРГ.Испытание проводили при скорости скольжения 0,01 м/с

Результаты экспериментов, а также результаты их статистической обработки, а именно – средние значения коэффициента трения (), 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 , найденные по уравнениям регрессии, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты экспериментов определения коэффициента трения

S2

Sn

Wn,

%

Δy

α=0,95

Композиционный материал на основе ТРГ с насыпной плотностью 14±1 кг/м3

1

0,298

0,318

0,308

0,308

9,7×10-5

9,9×10-3

3,20

5,7×10-3

0,024

0,314

2

0,308

0,321

0,338

0,322

2,4×10-4

1,5×10-2

4,78

8,9×10-3

0,038

0,314

3

0,255

0,257

0,255

0,256

7,8×10-7

8,8×10-4

0,35

5,1×10-4

0,002

0,254

4

0,255

0,264

0,259

0,259

2,1×10-5

4,6×10-3

1,77

2,7×10-3

0,011

0,254

5*

0,290

0,280

0,300

0,290

1,0×10-4

1,0×10-2

3,45

5,8×10-3

0,025

0,284

Композиционный материал на основе ТРГ с насыпной плотностью 200±10 кг/м3

1

0,316

0,324

0,320

0,320

1,5×10-5

3,9×10-3

1,22

2,3×10-3

0,010

0,320

2

0,337

0,359

0,351

0,349

1,2×10-4

1,1×10-2

3,14

6,3×10-3

0,027

0,348

3

0,254

0,270

0,260

0,261

6,3×10-5

8,0×10-3

3,05

4,6×10-3

0,020

0,260

4

0,283

0,301

0,278

0,287

1,5×10-4

1,2×10-2

4,21

7,0×10-3

0,030

0,288

5*

0,298

0,277

0,314

0,296

3,4×10-4

1,9×10-2

6,26

1,1×10-2

0,046

0,304

 

Статистическая обработка данных коэффициентов трения композиционных материалов на основе ТРГ с насыпной плотностью 14±1 кг/м3 показала, что дисперсия параллельных опытов не превышала S2 ≤ 2,37×10-4. Для определения возможности  регрессионного анализа рассчитали однородность дисперсий параллельных опытов по критерию Кохрена[2]. Так как расчетные значение критерия КохренаGp=0,6654меньше табличногоGтабл=0,7679 [1], при уровне значимости α=0.05, то гипотеза об однородности дисперсий параллельных опытов принимается, и значит возможно проведение регрессионного анализа.

Соответственно, обработка данных коэффициентов трения композиционных материалов на основе ТРГ с насыпной плотностью 200±10  кг/м3 показала, что дисперсия параллельных опытов не превышала S2 ≤0,110. Так как расчетные значениякритерия КохренаGp=0,4243меньше табличногоGтабл=0,7679 [1], 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 композиционных материалов на основе ТРГ с насыпной плотностью 14±1 кг/м3 (4).

                                              (4)

Проверку статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии для коэффициентов трения проводили с помощью t-критерия Стьюдента. Все коэффициенты уравнения (4), кромеb1 иb12, статистически значимы при уровне значимости 0,05 и имеют доверительный интервал ± 6,3×10-3.

После исключения спастически не значимых коэффициентовb1 и b12уравнение регрессии (4)  принимает вид

                                               .                                                          (5)

Соответственно, рассчитав коэффициенты уравнения (1), получили уравнение регрессии для коэффициентов трения композиционных материалов на основе ТРГ с насыпной плотностью 200±10  кг/м3 (6).

                                                         (6)

Проверка статистической значимости коэффициентов уравнения регрессии для коэффициентов трения композиционных материалов на основе ТРГ с насыпной плотностью 200±10  кг/м3 показала, что все коэффициенты уравнения (6), кроме b12, статистически значимы при уровне значимости 0,05 и имеют доверительный интервал ± 6,2×10-3.

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

                                                                                        (7)

Дополнительно провели эксперименты на основном уровне варьирования факторов, то есть при n=30% и P=3 МПа, который повторили 3 раза. Результаты экспериментов внесли в табл. 3 в строку 5*.

Полученные уравнения (5) и (7) проверяли на адекватность по критерию Фишера. Так как расчетные значения критериев Фишера Fр=4,2 и Fр=2,1  меньше табличного значения [1], то, соответственно, уравнения (5) и (7)  адекватны [2].

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 [2].

                                                                                                          (8)

                                                                                        (9)

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

1. Содержание модифицированной силиконовой смолыв композиционных материалах на основе терморасширенного графита (ТРГ) с насыпной плотностью 14±1 кг/м3 не влияет на коэффициенты трения по стали 08Х18Н10Т. 

2. C увеличением содержания модифицированной силиконовой смолыв композиционных материалах на основе терморасширенного графита (ТРГ) с насыпной плотностью 200±10  кг/м3коэффициенты трения по стали 08Х18Н10Т возрастают. 

3. С увеличением давления на образцы при испытаниикоэффициенты трения композиционных материалов на основе терморасширенного графита (ТРГ) с насыпной плотностью 14±1 кг/м3 и 200±10  кг/м3уменьшаются.

Заключение

Исследованы триботехнические характеристикикомпозиционного материала на основе терморасширенного графита. Получены аналитическиезависимости влияния давления и содержания модифицированной силиконовой смолы на коэффициенты трения композиционныхматериаловнаосноветерморасширенного графита (ТРГ) снасыпной  плотностью14±1 кг/м3и200±10кг/м3, установленные в соответствии с методикой 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.

 

Рецензенты:

СиротенкоЛ.Д., д.т.н., проф. каф. МТиКМПНИПУ, г. Пермь;

МатыгуллинаЕ.В., д.т.н., проф. каф. МТиКМПНИПУ, г. Пермь.