Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

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

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

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента

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.

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

 

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.