Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА ПО СТАЛИ 08Х18Н10Т

Караваев Д.М. 1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет
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.
коэффициент трения.
трибологические свойства
трение
композиционный материал
модифицированная силиконовая смола
терморасширенный графит
1.БольшевЛ. Н., СмирновН. В. Таблицыматематической статистики. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. – 416 с.
2. Евдокимов Ю. А., Колесников В. И., Тетерин А. Н. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. – М.: Наука, 1980. – 228 с.
3. Караваев Д.М., Макарова Л.Е., Дегтярев А.И., Трошков К.В. Определение насыпной плотности терморасширенного графита // Известия Самарского научного Центра Российской академии наук. – 2013. – T. 15, № 4(2). – C. 360-362.
4. Караваев Д.М., Матыгуллина Е.В., Макарова Л.Е., Нефедов Я.А., Черных А.А. Зависимость насыпной плотности порошка терморасширенного графита от скорости вращения гладких элементов измельчителя и продолжительности цикла измельчения // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6; URL: www.science-education.ru/120-16031 (дата обращения: 01.10.2015).
5. Караваев Д. М. Определение коэффициентов трения композиционного материала на основе терморасширенного графита в различных средах / Д. М. Караваев // Вестник пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2013. – T. 15, № 2. – С. 44-47.
6. Нефедов Я.А., Черных А.А., КараваевД.М., МатыгуллинаЕ.В., Макарова Л.Е. Зависимость насыпной плотности порошка терморасширенного графита от скорости вращения элементов измельчителя с режущими кромками ипродолжительности цикла измельчения // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 6; URL: www.science-education.ru (в печати).
7. Пат. 2460642 Российская Федерация, МПК В 29 С 43/02. Устройство для прессования порошков / А. М. Ханов, Д. М. Караваев, А. А. Нестеров, J1. Е. Макарова, Д. В. Смирнов, О. Ю. Исаев, В. А. Москалев, А. И. Дегтярев, Д. А. Петров; патентообладатель Гос. образоват. учр. высш. проф. образования «Перм. гос. техн. ун-т». № 2011125289/05; заявл. 17.06.2011; опубл. 10.09.2012, Бюл. № 25. – 9 с. : ил.
8. Смирнов Д. В., Исаев О. Ю., Лепихин В. П. SEALUR-500 – новый уплотнительный материал для шаровой арматуры // Арматуростроение. – 2011. – № 1(70).– C. 56-57.
9. Трибологические свойства композиционных материалов на основе терморасширенного графита / Д. М. Караваев; науч. рук. А. М. Ханов // Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации научных разработок в российской авиационной и ракетно-космической промышленности. АК-Т0-2014 : междунар. науч.-практ. конф., 5–8 авг. 2014 г. : сб. докл. / Каб. министров Респ. Татарстан, М-во образования и науки Респ. Татарстан, М-во пром-сти и торговли Респ. Татарстан [и др.]. – Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2014. I Т. 2. –С. 73-76.
10. The tribological properties of expanded graphite/silicone resin composites / D. Karavaev, L. Sirotenko, E. Matygullina // GeoConference on Nano, Bio and Green-Technologies for a Sustainable Future: 14th intern, multidisciplinary sci. geoconf. SGEM 2014, Albena, Bulgaria, 17–26 June, 2014: conf. proc. Vol. 1. Micro and Nano Technologies. Advances in Biotechnology /Intern. Multidisciplinary Sci. GeoConf. SGEM. I Sofia : STEF92 Technology Ltd., 2014. – P. 185-190.
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.


Библиографическая ссылка

Караваев Д.М. КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА ПО СТАЛИ 08Х18Н10Т // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=22869 (дата обращения: 21.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074