Разработка технологии получения фрикционных материалов для реставрации тормозных колодок железнодорожных вагонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Термопластичные полимеры

1.1.1 ПОЛИОЛЕФИНЫ

1.1.2 Термоэластопласты

1.2 Виды и особенности свойств термоэластопластов

1.3 Получение, переработка и применение термоэластопластов

1.3.1 Получение термоэластопластов

1.3.2 Твердофазная полимеризация

1.3.3 Переработка термоэластопластов

1.3.4 Применение термоэластопластов

1.4 Основы создания фрикционных изделий

1.4.1 Практические примеры решения задач триботехники

1.4.2 Сроки службы трущихся деталей машин

1.4.3 Рабочие поверхности деталей и их контактирование. общие сведения деталей и ее геометрия

1.4.4 Шероховатость поверхности

1.4.5 Показатели качества поверхности

1.4.6 Механизм изнашивания полимеров и композиций на их основе

1.4.7 Материалы для трущихся деталей. Разделение материалов деталей пар трения по их назначению

1.4.8 Композиционные материалы (кпм) в качестве антифрикционных материалов

1.4.9 Численные критерии работоспособности материалов в парах трения

1.4.10 Некоторые правила сочетания материалов

2. Основы создания фрикционных изделий

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследований

2.2.1 Определение плотности

2.2.2 Способ получения ТЭП

2.2.3 Изготовление образцов для испытаний

2.2.4 Определение показателя текучести расплава

2.2.5 Методы исследования реологических свойств

2.2.6 Исследования релаксации напряжений ТЭП

2.2.7 Исследование деформационно-прочностных свойств ТЭП

2.2.8 Исследование динамических механических свойств ТЭП

2.2.9 Метод оценки долговечности ТЭП

2.2.10 Структурные исследования

2.2.11 Определение теплопроводности

3. Научно-исследовательская часть

3.1 Разработка твердофазного метода получения ТЭП при экструзии

3.2 Релаксационные свойства и структурные характеристики ТЭП

3.3 Реологические свойства высоконаполненных ТЭП

3.4 Технология твердофазной полимеризации СКМС-30 и ПЭНД в процессе экструзии

3.5 Эксплуатационные свойства

4. Экономическая часть

4.1 Расчет капитальных вложений

4.2 Планирование технологического оборудования

4.3 Расчет стоимости зданий и сооружений

4.4 Стоимость технологического оборудования

4.5 Расчет стоимости технологической (силовой) электроэнергии

4.6 Расчет численности рабочих цеха

4.6.1 Расчет численности производственных рабочих цеха по рабочим местам на основании норм обслуживания по агрегатам

5. Охрана труда

5.1 Нормативно правовая база

5.2 Анализ опасных и вредных факторов

5.3 Мероприятия по повышению безопасности труда

5.4 Мероприятия по противопожарной безопасности

6. Промышленная экология

6.1 Нормативно-правовая база

6.2 Анализ состояния окружающей среды

6.3 Утилизация и ликвидация полимерных отходов

Заключение

Список использованных источников

Введение

Как прикладные, так и чисто научные аспекты полимерного материаловедения развиваются весьма интенсивно в течение двух последних десятилетий. Однако темпы его развития все еще значительно ниже, чем следовало ожидать, исходя из широты тех областей знания, которые оно охватывает, и потенциальной технической важности полимерных материалов. В Западной Европе, например, по некоторым (хотя и оспариваемым) оценкам использование полимерных материалов в высоконагруженных узлах трения составляет только 10--20% от общего объема использования в этих узлах металлов за научные разработки и их внедрение

Недостаточное развитие прикладного полимерного материаловедения признается рядом учреждений в разных странах, ответственных за научные разработки и их внедрение

Полимерное материаловедение, развивающееся на базе фундаментальных наук о полимерных композициях -- химии, физике, физической химии и механике, выделилось в настоящее время в самостоятельный раздел общего материаловедения. Значительно увеличилась роль полимерных материалов различных типов: конструкционных пластиков, резин, защитных покрытий, волокон, пленок, клеев, компаундов, герметиков и др. в современной технике, технологии и в быту. Полимерное материаловедение вносит существенный вклад в развитие новых принципов создания материалов, в первую очередь композиционных, с направленным регулированием их структуры и свойств.

Решение указанных задач при проектировании узлов трения должно исходить из основных принципов создания машин и агрегатов. Машины и агрегаты должны иметь высокие технико-экономические и эксплуатационные показатели, главными их которых являются экономичность, долговечность, объем и стоимость ремонтных работ при эксплуатации и безопасность обслуживания.

По данным Государственной Академии инженеров железнодорожного транспорта около15 млн. штук тормозных колодок требуют реставрации или полной замены. В Республике Казахстан до настоящего времени отсутствуют специализированные предприятия по реставрации или по производству тормозных колодок для железнодорожного транспорта ввиду отсутствия материалов фрикционного назначения и технологий по реставрации и производства новых тормозных систем, то негативно отражается на производственной деятельности вагоноремонтных предприятий Казахстана.

С 2000 года Научно-технический центр «Композиционные материалы» и композиционных материалов специального назначений на базе отечественного сырья и материалов с целью расширения ассортимента специальных материалов и наиболее полного удовлетворения ими потребности казахстанских предприятий. Одним из направлений работы НТЦ «КМ» является программа «Разработка и освоение производства фрикционных материалов для автомобильного и железнодорожного транспорта предприятий Казахстана на основе сырьевых ресурсов Казахстана».

Настоящая дипломная работа выполнена в рамках вышеуказанной программы в сотрудничестве со специалистами ТТЦ «КМ», РХТУ им. Д.И. Менделеева, Института машиноведения (г. Москва) и Академии транспорта (г. Алматы). Следует отметить, что данные представленные в настоящей работе являются первыми в Республике Казахстан и должны рассматриваться как результаты поисковой и проблемных НИР, проводимых без государственного или отраслевого финансирования по разряду инициативных программ. Отмечая инициативную направленность НИР программы НТЦ «КМ, нельзя не отметить заинтересованность в результатах работы в этом направлении первых руководителей вагоностроительных предприятий гг. Атырау, Караганды и Алматы. Немаловажным фактором при выборе темы настоящей дипломной работы была достигаемая экономические эффективность и безопасность государства. В связи с этим постановка обозначенной проблемы в рамках государственных задач на взгляд является первостепенной задачей Министерства транспорта и коммуникации и Министерства образования РК.

В совокупности вышеуказанные обстоятельства предопределяют актуальность и своевременность темы настоящей дипломной работы и требует должного внимания соответствующих ведомств и служб Республики Казахстан.

1. Литературный обзор

1.1 Термопластичные полимеры

Термопласты (ТП) - полимерные материалы на основе линейных или разветвленных полимеров, сополимеров и их смесей, обратимо переходящих при нагревании в пластическое или вязкотекучее состояние в результате плавления кристаллической или размягчения аморфной (стеклообразной) фаз. Наиболее распространены ТП на основе гибкоцепных (главным образом карбоцепных) полимеров, сополимеров и их смесей - полиолефинов (полиэтилена, полипропилена, поли-4-метил-1-пентена), поливинилхлорида, полистирола, полиметилметакрилата, поливинилацеталей, производимых в больших объемах и имеющих сравнительно низкую стоимость; они обладают низкими температурами плавления и размягчения, тепло- и термостойкостью.

По фазовому состоянию ненаполненные ТП могут быть одно- и двухфазными аморфными, аморфно-кристаллическими и жидкокристаллическими.

1.1.1 Полиолефины

Полиолефины - высокомолекулярные полимеры, получаемые гомо- и сополимеризацией олефинов по радикальному, ионному или координационноионному механизму.

Молекулярно весовым распределением (МВР). Полиэтилен промышленных марок охватывает область молекулярных весов от 80000 до 500000. На практике вместо молекулярного веса определяют показатель текучести расплава. 4-метил-1-пентен - кристаллизующийся бесцветный прозрачный термопластичный полимер изотактической структуры. Он получается в суспензии в органическом растворителе путем полимеризации 4-метилпентена при температуре до 80 °С и давлении до 3 кгс/см² в присутствии металлоорганических катализаторов. Полученную суспензию поли-4-метил-1-пентена в мономере промывают, полимер отжимают и сушат, после чего в него вводят стабилизирующие добавки и гранулируют.

Поли-4-метил-1-пентен является жестким прозрачным полимером с высокой теплостойкостью.

Поли-4-метил-1-пентен обладает высокой химической стойкостью к некоторым органическим жидкостям, маслам, водным растворам кислот и щелочей. Поли-4-метилпентен-1, подобно другим полиолефинам, нестоек к окисляющим средам.

Поли-4-метил-1-пентен выпускается по ТУ в виде композиций с различными стабилизаторами.

Перерабатывается всеми известными для термопластов методами. Применяется для изготовления оболочек для проводов и кабелей, светотехнических изделий, корпусов электрических приборов, прозрачной пленки для электро- и радиоизоляции, работающих в более жестких температурных условиях, чем полиэтилен, лабораторной, чайной и столовой посуды и др., а также волокон.

В зависимости от молекулярного веса и содержания изотактической части свойства полипропилена могут изменяться в широких пределах. Наибольший

Полипропилен выпускается в виде порошка белого цвета или гранул с насыпной плотностью 0,4-0,5 г/см³. Полипропилен выпускается стабилизированным, окрашенным и неокрашенным.

Полипропилен более жесткий материал, чем полиэтилен. Его поведение при растяжении еще в большей степени, чем полиэтилена, зависит от скорости приложения нагрузки и от температуры. Чем ниже скорость растяжения полипропилена, тем выше значение показателей механических свойств. При высоких скоростях растяжения разрушающее напряжение при растяжении полипропилена значительно ниже его предела текучести при растяжении.

Полипропилен имеет более высокую температуру плавления, чем полиэтилен, и соответственно более высокую температуру разложения. Чистый изотактический полипропилен плавится при 176 °С. Максимальная температура эксплуатации полипропилена 120-140 °С. Все изделия из полипропилена выдерживают кипячение и могут подвергаться стерилизации паром без какого-либо изменения их формы или механических свойств. Его температура хрупкости (морозостойкость) колеблется от -5 до -25 °С.

Полипропилен химически стойкий материал. Заметное воздействие оказывают на него только сильные окислители - хлорсульфоновая кислота, дымящая азотная кислота, галогены, олеум.

Полипропилен чувствителен к действию кислорода, особенно при повышенных температурах. Этим и объясняется значительно большая склонность полипропилена к старению по сравнению с полиэтиленом.

Полипропилен -- водостойкий материал. Даже после длительного контакта водой в течение 6 месяцев (при комнатной температуре) водопоглощение полипропилена составляет менее 0,5%, а при 60 °С - менее 2%.

Из полипропилена литьем под давлением (основной метод) изготовляют детали машин, арматуру, экструзией - пленки, трубы. Около 40% полипропилена перерабатывается в волокна. Большое значение приобретают наполненные композиции на основе полипропилена (наполнители - мел, тальк, графит, сажа и др.), в том числе электропроводные и магнитоактивные.

1.1.2 Термоэластопласты

Термоэластопласты (термопластичные эластомеры), полимерные материалы, обладающие в условиях эксплуатации высокоэластичными свойствами, характерными для эластомеров, а при повышенных температурах обратимо переходящие в пластическое или вязкотекучее состояние и перерабатывающиеся подобно термопластам. прочность возрастают, а относительное удлинение при разрыве уменьшается. Предельная температура эксплуатации зависит от температуры стеклования жесткого блока и составляет 70-80 °С для бутадиен -a- метилстирольного и 40-50 °С для бутадиен- или изопренстирольных термоэластопластов.

Рисунок 1.1 - Схема распределения фаз в блоксополимере бутадиена и стирола: 1 - блоки полистирола; 2 - блоки полибутадиена.

термопластичный полимер фрикционный экструзия

Наличие фаз в структуре блок-сополимера связано с несовместимостью эластичного и стеклоподобного блоков. При невысоких температурах домены удерживаются относительно друг друга силами Ван-дер-Ваальса, образуя сетчатую структуру физической природы (рисунок 1.1).

Термоэластопласты имеют высокие значения прочности при растяжении, относительного удлинения, эластичности, сопротивления раздиру и стойкости к многократным деформациям и морозостойкости. Оптимальные физико-механические свойства достигаются в тех случаях, когда разность между температурами стеклования соответствующих блоков превышает 100 °С.

1.2 Виды и особенности свойств термоэластопластов

Свойства термоэластопластов обусловлены особенностями их структуры - образованием двухфазной системы вследствие термодинамической несовместимости гомополимеров, образующих жесткие блоки термопласта (например, полистирола, полиэтилена, полибутилентерефталата и т.п.) и эластичные блоки (например, полибутадиена, полиизопрена, полиоксиалкиленгликоля, сополимеров этилена с пропиленом и т.п.) в макромолекуле. В свою очередь свойствами этого класса материалов объясняется возрастающий спрос на изделия из ТЭП.

Термоэластопласты представляют собой блоксополимеры с жесткими (например, полиэтиленовыми, полистирольными, поливинилхлоридными, полиакрилатными) блоками и гибкими эластомерными блоками (полибутадиеновые, полиизопреновые, этилен пропиленовые и др.) [4]. Термоэластопласты обладают прочностью и эластичностью вулканизованных резин, но при переработке не требуют проведения вулканизации, что значительно упрощает производство изделий и сокращает затраты на этот трудоемкий процесс. Поэтому стоимость изделий из ТЭП ниже стоимости изделий из резины.

Изделия из термоэластопластов характеризуются высокой стойкостью к истиранию, действию озона, минеральных масел, высокой прочностью при растяжении, сравнительно большим относительным удлинением. Изделия из ТЭП могут применяться в диапазоне температур от -45 до 130 °С. Перспективно также применение ТЭП в качестве модификаторов термопластов и каучуков.

Существует много видов термоэластопластов, из них самые распространенные - на основе EPDM каучука и полипропилена, на основе ненасыщенных полиэфиров, на основе стирольных блок-сополимеров. Свойства композиций ТЭП зависят от соотношения компонентов, составляющих смесь. В таблице 1.1 приведены характеристики механических свойств некоторых видов ТЭП.

Таблица 1.1 Механические свойства некоторых термоэластопластов.

Тип ТЭП	Прочность при растяжении, МПа	Относительное удлинение, %	Твердость по Шору
Полистирол - полиизопрен - полистирол Полистирол - полибутадиен - полистирол Полисульфон - полисилоксан - полисульфон	32 31 21	1110 880 700	66 72 80

Отечественной промышленностью выпускаются некоторые типы ТЭП-композиций, например, на основе дивинилстирольных каучуков и полистиролов по ТУ 2243-154-00300209-2001. Кроме полимеров композиции содержат мягчители, наполнители, парообразователи (для вспенивающихся композиций) и другие ингредиенты. Композиции выпускаются в гранулах с размерами от 2 до 10 мм. Их разделяют по твердости, которой соответствует несколько марок, и по прочностным показателям, в зависимости от которых они разделяются на несколько видов. В таблице 1.2 представлены свойства ТЭП на основе стирола и дивинилстирольного каучука.

1.3 Получение, переработка и применение термоэластопластов

1.3.1 Получение термоэластопластов

Синтез термоэластопластов осуществляется с помощью катализаторов, образующих так называемые живые цепи, сохраняющие способность к росту в течение неограниченного времени.

В качестве катализаторов такого типа промышленное признание получили литийорганические соединения. Они позволяют получать полимеры с более регулярной микроструктурой эластомерного блока, чем при использовании органических соединений других щелочных металлов, и тем самым обеспечить термоэластопластам лучший комплекс свойств. Литийорганические инициаторы, используемые для синтеза термоэластопластов, должны обладать высокой скоростью инициирования, обеспечивающей получение полимеров с узким молекулярно-массовым распределением.

Наиболее удобны для синтеза циклоалифатические углеводороды (например, метилциклогексан) или их смеси с алифатическими углеводородами (например, смесь циклогексана и гексановой фракции). Применение таких смесей позволяет вести синтез термоэластопластов в широком температурном интервале от 30^о до 80 °С.

Существует ряд способов синтеза термоэластопластов. Из них промышленное признание получили способ последовательной полимеризации мономеров и способ сочетания двухблочных сополимеров полифункциональными агентами сочетания. Эти способы могут использоваться при синтезе бутадиен-стирольных (ДСТ), изопрен- стирольных (ИСТ), бутадиен -б- метилстирольных (ДМСТ) и бутадиен- стирол- б- метилстирольных (ДСМСТ) термоэластопластов.

1.3.2 Твердофазная полимеризация

Полимеризация в твердой фазе протекает при температурах ниже температуры плавления мономера. Этот метод не нашел широкого распространения, так как затруднено инициирование полимеризации (низкие температуры, трудности равномерного распределения инициаторов, аппаратурное оформление и др.). Наиболее удобными являются способы инициирования твердофазной полимеризации светом, излучениями высоких энергий, причем могут реализоваться свободнорадикальный, ионный или смешанный (ионно-радикальный) механизмы полимеризации. [1]

Твердофазная полимеризация - полимеризация мономеров, находящихся в кристаллическом или стеклообразном состоянии. Дальний порядок и фиксированное расположение молекул в кристаллическом мономере обусловливают ряд кинетических и структурных особенностей твердофазной полимеризации. Наиболее распространенным способом инициирования такой полимеризации является радиационный (быстрые электроны, рентгеновские лучи и т.д.); возможно также термическое, химическое и фотохимическое инициирование. Природа активных центров растущих цепей при твердофазной полимеризации определяется природой мономера и способом инициирования, и ими могут быть радикалы, катионы и анионы. [2]

Процесс так называемой твердофазной полимеризации, для описания механизма которой часто применяется термин «топохимический» [13], открывает исключительно интересные возможности и для кристаллографических исследований. Кроме того, интерес к этому процессу стимулируется и возможностью получения методом твердофазной полимеризации полимеров очень высокой степени кристалличности, макромолекулы которых ориентированы вдоль определенных кристаллографических направлений кристалла мономера. На основании перечисленных наблюдений Эдлер [13] пришел к выводу, что для объяснения механизма образования полимерных кристаллов в рассмотренном случае необходимо привлечь представление об эпитаксиальном росте. Очевидно, эта модель сохранила бы свою силу даже в том случае, если бы удалось получить кристаллический стереорегулярный полимер на основе акриламида. [8]

1.3.3 Переработка термоэластопластов

Термоэластопласты можно перерабатывать как методами, обычными для термопластов (экструзия, литье под давлением), так и методами, характерными для эластомеров (вальцевание, каландрование). Оптимальная температура переработки термоэластопластов литьем и экструзией 150-200 °С; при более низких температурах может протекать интенсивная механодеструкция, при более высоких - окисление [4].

Экструзия термоэластопластов. Для переработки ТЭП используют одношнековые экструдеры со сменной рифленой втулкой в зоне загрузки с увеличенным шагом и глубиной нарезки [4]. Шнеки барьерного типа длиной 25-30D с двумя смесительными секциями: первая - с диспергирующе - смесительными спиральными элементами интенсивного сдвига; вторая - ромбовидная смесительно-распределительная секция. Степень сжатия 3,5:1. Возможно также использование стандартных трехзонных шнеков, используемых также для переработки ПВХ- пластиката.

Подсушка перед переработкой не требуется, но если материал внесен из холодного помещения, рекомендуется подсушить в течение 2 ч при температуре 80 °С.

1.3.4 Применение термоэластопластов

Как указывалось выше, основное применение мягких ТЭП - это уплотнители. ТЭП, производимые ЗАО «Уралпластотехника» по ТУ 5775-011-00149279-2001, предназначены для изготовления уплотнителей к оконным и дверным блокам. Уплотнители работоспособны при температуре окружающего воздуха от -50 до 80°С [4]. Гарантийный срок службы - не менее 10 лет. Виды выпускаемых уплотнителей и их размеры показаны на рисунке 1.2. В таблице 1.3 представлены нормативные и фактические данные по свойствам уплотнителей, представленных на рисунке 1.2.

Всемирно известные корпорации Мерседес-Бенц, БМВ, Крайслер, Мицубиси, Ниссан, Пежо, Рено, АвтоВАЗ активно наращивают объемы применения изделий из ТЭП типа «Сарлинк» и «Сантопрен» в производстве автомобилей, используя его для герметизация опускных окон автомобилей, в качестве наружных молдингов, уплотнителя крепления зеркала, для герметизация фар, изготовления уплотнения окантовки ветрового стекла, спойлера, в качестве противоударного амортизатора капота, для воздухоотводов, в качестве уплотнителя системы рамной безопасности, для герметизации радиатора, крышки багажника, неопускного окна, средней стойки. Соединение изделий производится сваркой или склейкой.

В таблице 1.3 приведены характеристики профильных изделий Владимирского электромоторного завода из ТЭП, показанные на рисунке 1.3.

Таблица 1.3 Профильные изделия из ТЭП Владимирского химического завода

Параметры	Метод испытаний	Единица измерения	Средняя величина
			Группа 1	Группа 2
Твердость Плотность Прочность на растяжение Относительное удлинение при разрыве ПТР Озоностойкость Атмосферостойкость	ASTM D 2240 ASTM D 792 ASTM D 412 ASTM D 412 ASTM D 1238 ASTM D 518 ASTM D 1149 ASTM G 5384	Shore A г/см3 МПа % г/10 мин Напряженное состояние Напряженное состояние Свойства Цвет	65±2 1,195±0,025 6,5±5 900±50 2,0±0,5 Отсутствие трещин Отсутствие трещин Макс. разница 5% Стоек	80 0,96 9,5 820 1 Отсутствие трещин Отсутствие трещин Макс. разница 5% Стоек

Рисунок 1.2 - Типы уплотнительных профилей из ТЭП

Таблица 1.4. Свойства уплотнителей из ТЭП по ТУ 5775-011-00149279-01..

Наименование показателя	Норма по ТУ	Фактические показатели
Условная прочность при растяжении, МПа, не менее Относительное удлинение при разрыве, %, не менее Температура хрупкости, °С, не выше Остаточная деформация (при деформации сжатия 25% в течение 24 ч при Т=70 °С), %, не более Изменение значения показателей после старения на воздухе в течение 24 ч при Т=125 °С, %, не более: прочность при растяжении относительное удлинение при разрыве твердость по Шору (шкала А), усл. ед. Стойкость к термосветоозонному старению при Т=40 °С в течение 96 ч при объемной доле озона (5±0,5)·10-5% при статической деформации растяжения 20%	5,0 150 - 45 50 Снижение 25 Снижение 50 Изменение от +5 до -5 Не допускаются трещины, видимые невооруженным глазом	10,9 868 - 61 47,5 Снижение 17,1 Снижение 6,2 Снижении 3 Трещины отсутствуют

В последние годы термоэластопласты все более широко применяются для изготовления силовых шланговых кабелей. Это связано как с их свойствами, близкими к свойствам резин, так и с возможностью переработки на обычном экструзионном оборудовании без вулканизации. В таблице 1.5 приведены общие свойства этого вида ТЭП.

Таблица 1.5 Свойства ТЭП Hytrel [5]

Наименование материала	Краткая характеристика	Области применения
Hytrel 3548 Hytrel G-4774 Hytrel7246	Цвет натуральный Повышенная стойкость к ударным нагрузкам Модуль упругости 400-2000 МПа Высокая химическая стойкость Теплостойкость до 80 °С Переработка методом литья пол давлением и экструзии (для высоковязких композиций) на стандартном оборудовании	Уплотнения, шестерни, хомуты, мембраны и др.

Одним из наиболее известных типов ТЭП являются термоэластопласты фирмы DuPonl (США) под торговой маркой Hytrel на основе ненасыщенных полиэфиров, Это конструкционный материал с высокой усталостной прочностью, стойкостью к раздиру и ползучести, обладающий высокой прочностью на удар. Изделия из него сохраняют свойства в широком диапазоне температур. Материал легко перерабатывается методом литья под давлением и экструзией с раздувом. Для разных марок Hytrel твердость по Шору (шкала D) находится в диапазоне от 35 до 72.

Изделия из ТЭП находят вес большее применение при производстве различных уплотнителей, мягких, полужестких и теплостойких трубок, товаров для быта.

Основные характеристики уретановых термоэластопластов - работоспособность при температурах от -40^о до 80°С (некоторые материалы выдерживают кратковременное повышение температуры до 120°С), высокая износостойкость, стойкость к набуханию в маслах и неполярных растворителях, атмосферостойкость, высокая радиационная стойкость. Уретановые термоэластопласты отличаются большой упругостью при низких температурах, высоким сопротивлением разрыву и раздиру, хорошими эластичными и амортизирующими свойствами. Однако для них характерны увеличение хрупкости вследствие высокого теплообразования при многократных быстро повторяющихся деформациях, выцветание под действием ультрафиолетового облучения, плохая стойкость к полярным растворителям и гидролизу при повышенных температурах.

Используют такие термоэластопласты для изготовления РТИ в автомобильной, тракторной промышленности, строительстве, а также изделий бытового назначения, обуви, оболочек кабеля и др.

1.4 Основы создания фрикционных изделий

1.4.1 Практические примеры решения задач триботехники

Повышенный износ деталей в сочленениях в одних случаях нарушает герметичность рабочего пространства машины (например, в поршневых машинах), в других -- нарушает нормальный режим смазки, в третьих -- приводит к потере кинематической точности механизма.

Износ инструмента и рабочих органов машин, помимо снижения производительности, повышает расход энергии. Например, с износом и затуплением зубьев ковша экскаватора уменьшается сечение срезаемой стружки грунта, увеличивается сопротивление резанию последнего, требуется больший путь для заполнения ковша.

Износ и повреждение поверхностей снижают сопротивление усталости деталей и могут служить причиной их разрушения даже при незначительных концентраторах напряжений и весьма низких номинальных напряжениях. Повышенный износ нарушает нормальное взаимодействие деталей в узлах, может вызвать значительные дополнительные нагрузки, удары в сопряжениях и вибрации, стать причиной внезапных разрушений. С повышенным износом нередко связан недопустимый шум машин.

Износ цилиндропоршневой группы двигателя увеличивает засорение воздуха отработавшими газами: 100 изношенных автомобилей загрязняют воздух отработавшими газами как 125 новых автомобилей.

Укажем некоторые примеры решения задач триботехники на промышленных предприятиях.

1. Более кардинальным методом было бы накатывание зеркала цилиндра, однако твердость азотированной поверхности зеркала препятствовала достаточной производительности этого процесса: накатной ролик изнашивался в течение 30--40 мин работы.

На самолете после 400--500 посадок в результате повышенного износа выходили из строя верхние бронзовые буксы амортизаторов шасси, что вынуждало ремонтировать амортизационные стойки с заменой букс. Для уменьшения удельных нагрузок на буксу ее высота была увеличена в 1,5 раза. Однако этамера не устранила повышенного износа букс. В результате поисков было установлено, что бронза БрАЖМц, из которой изготовляли буксы, имела очень низкую износостойкость в условиях смазывания спиртоглицериновой смесью. Замена этой смеси маслом АМГ-10 устранила повышенный износ букс.

В 4. Гидроэлектростанции вырабатывают самую дешевую электроэнергию. Они способны выходить на режим максимальной мощности в сотни раз быстрее, чем тепловые и атомные электростанции. Это особенно важно при автоматизированном управлении энергосистемами, прежде всего при возникновении и компенсации «пиковых» нагрузок. Такое преимущество в большой степени зависит от надежной работы подпятников турбин (особенно при пуске), которые воспринимают вес ротора и водяной напор -- в общей сложности десятки меганьютонов. В ряде случаев, после 15--30, а иногда и после 2--3 пусков агрегат необходимо останавливать, разбирать и восстанавливать подпятник.

Разработаны специальные системы, обеспечивающие гидростатическую разгрузку подпятников турбин. Применяют также эластичные металлопластмассовые опоры. Число безопасных пусков достигло 25 и более.

1.4.2 Сроки службы трущихся деталей машин

Срок службы машин -- календарная продолжительность эксплуатации изделия до разрушения или другого предельного состояния. Предельное состояние может устанавливаться по изменениям параметров, условиям безопасности, экономическим показателям, по необходимости первого капитального ремонта и т.п.

Выход из строя деталей и рабочих органов машин при нормальных условиях эксплуатации является следствием физического износа разных видов: усталостных разрушений, ползучести материалов, механического износа, коррозии, эрозии, кавитации, старения материала и др.

Современное состояние теории рабочих процессов машин, наличие обширной экспериментальной техники для определения рабочих нагрузок и высокий уровень развития прикладной теории упругости при относительно хороших знаниях физических и механических свойств материалов позволяют обеспечить достаточную прочность деталей машин с большой гарантией от поломок их в нормальных условиях эксплуатации. Поэтому наиболее распространенной причиной выхода деталей и рабочих органов машин из строя является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей.

Особенно велик износ деталей и рабочих органов машин-орудий, которые эксплуатируются в абразивной и агрессивных средах, и деталей транспортных машин, работающих в условиях грязи и пыли. Например, ресурс дробящих плит составляет в среднем 4--6 мес., зубьев ковшей экскаваторов, ножей скреперов и бульдозеров, шнеков -- 6--8 мес. На дробилке массой 6 т при дроблении высокоабразивных пород расходуется в год 17 т дробящих плит. Контрольные сроки службы до капитального ремонта угольных комбайнов 8--12 мес., а конвейеров в угольных шахтах 2--3 года. Лемех тракторного плуга в среднем обрабатывает до полного износа всего 15--20 га почвы, это вынуждает ежегодно изготовлять для сельского хозяйства свыше 20 млн. лемехов, не говоря уже о том, что на тяжелых почвах режущая кромка лемеха требует ремонта через 4--б ч работы плуга. Годовая потребность в запасных звеньях приводных агрегатов сельскохозяйственных машин составляет около 100 млн. шт.

1.4.3 Рабочие поверхности деталей и их контактирование. общие сведения деталей и ее геометрия

В технике под поверхностью детали понимают наружный слой, который по строению и другим физическим свойствам отличается от внутренних слоев. Комплекс свойств, приобретаемых поверхностью детали в результате ее обработки, характеризуется обобщенным понятием «качество поверхности».

Всякое реальное тело имеет отклонения от идеальной геометрической формы, именуемые погрешностями. Погрешности обработанной поверхности с точки зрения причин их образования и методов измерения, применяемых для их оценки, можно подразделить на три категории: макрогеометрические отклонения, волнистость поверхности, шероховатость поверхности.

Макрогеометрическими называют отклонения формы поверхности от заданной. Так, детали с боковой поверхностью кругового цилиндра могут иметь следующие погрешности: отклонения контура от окружности (овальность, огранка); отклонения от прямолинейности образующих при прямолинейности оси цилиндра (бочкообразность); отклонения от прямолинейности образующих (конусность); криволинейности оси. Величина и характер этих отклонений могут быть определены путем измерения диаметра детали в различных поперечных сечениях по длине, а в данном поперечном сечении -- в различных направлениях.

1.4.4 Шероховатость поверхности

Количественно шероховатость можно оценить по тем или иным показателям. ГОСТ 2789--73 предусматривает шесть параметров, характеризующих шероховатость поверхности: три высотных-- Ra, Rz и Rmax, два шаговых --S и Sm и относительная опорная длина профиля tp.

На профилограмме положение средней линии профиля определяют так, чтобы площади F по обе стороны от нее до контура профиля были равны, т.е. чтобы

y(X)dX=0 ИЛИ F_l + F₉+... + F_n-_l*=F₂ + I^f_i+...+F_n.

Относительная однородность микронеровностей поверхности детали позволяет судить о шероховатости в данном направлении по результатам обследования участка сравнительно небольшой длины. Длину базовой линии, используемую для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности, называют базовой длиной.

Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz представляет собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины.

Наибольшая высота неровностей профиля Rmax является полной высотой профиля, т.е. расстоянием между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины. Главными показателями шероховатости поверхности являются Ra и Rz. В ГОСТ 2789--73 можно найти другие показатели: S, Sm и tp.

Профилограммы обработанной поверхности, как правило, имеют пилообразную форму; это является результатом того, что вертикальное увеличение во много раз больше горизонтального (например, 40 000 и 400 соответственно). Иногда создается представление, что при трении обработанные поверхности зацепляются своими зубцами. В действительности профиль поверхности выглядит иначе (рис. 2.3). Отдельные неровности имеют пологую форму. Угол между плоскостью основания выступа профиля и касательной к его боковой поверхности составляет при доводке 1--3°, при шлифовании 10° и при точении 20°, Самые гладкие металлические поверхности имеют неровности высотой порядка 100 межатомных расстояний.

1.4.5 Показатели качества поверхности.

Качество поверхности деталей характеризуется микро- и макрогеометрией поверхности, волнистостью, структурой, упрочнением и остаточными напряжениями. Глубина поверхностного слоя и качество поверхности зависят от основного материала, вида обработки, основных параметров инструмента, режима обработки и рода смазочно-охлаждающей жидкости.

Поверхностный слой неоднороден по строению. Граничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме

Поверхностный слой может находиться в напряженном состоянии. Остаточные напряжения в нем при механической обработке могут достигать 560--1000 МПа и быть как сжимающими, так и растягивающими. Шлифовочные трещины возникают под действием высоких внутренних напряжений растяжения. Остаточные напряжения растяжения снижают предел выносливости детали.

1.4.6 Механизм изнашивания полимеров и композиций на их основе

Взаимодействие полимеров и резины с металлической поверхностью может быть либо механическим, либо молекулярным. Последнее проявляется только в виде адгезии. Зацепление неровностей поверхностей играет большую роль, так как пластическая деформация поверхностного слоя полимера под воздействием неровностей металлической поверхности, увеличивая число пятен контакта, увеличивает и число зацеплений. Это вторично стимулирует развитие пластической деформации активных слоев. В результате значительно возрастает сила трения. Если материал эластичный, например резина, то при прочих равных условиях шероховатость металлической поверхности не оказывает такого влияния, так как при отсутствии пластической деформации на перемещение затрачивается меньшая работа.

Если адгезия значительна, то разрушение возникающей связи возможно как по полимеру, так и по металлу. В итоге будет перенос материала с полимера на металл, с металла на полимер или одновременно с одной поверхности на другую. Это также объясняет наблюдаемое изнашивание более твердого металла более мягким полимерным материалом.

Из термопластов с точки зрения механизма изнашивания особый интерес представляет политетрафторэтилен (ПТФЭ).

При шероховатости стальной поверхности более Ra = Q,l мкм ПТФЭ начинает интенсивно изнашиваться. Повышается и коэффициент трения. Подобное явление наблюдается при понижении температуры до -- 20°С: происходит срезание полимера выступами неровностей твердой сопряженной поверхности.

Полимерные материалы часто оказываются эффективными как покрытия или облицовочный материал в узлах трения, где, казалось бы, нужно применять особо твердые материалы. Некоторые полимеры могут поглощать большое количество энергии, прежде чем от их поверхности отделится частица. Это свойство полимеров используется, например, для повышения износостойкости ротора и статора флотационных установок, установок по перекачке пульпы в химической промышленности. Преимуществом полимеров является еще и то, что они не подвержены коррозии.

Для уменьшения трения и снижения износа полимерного материала в него добавляют различные активные вещества, которые в процессе трения взаимодействуют с рабочими поверхностями пары трения. Значительное влияние смазочного материала на коэффициент трения можно объяснить различием физико-химических процессов, протекающих в зоне контакта.

На процесс трения между металлом и полимерными материалами влияет температура. С повышением температуры ухудшаются упругие свойства материала и в зависимости от температуры происходят химические процессы распада органического связующего или самого материала. Кроме того, если пластмассы обладают высокой адгезией к металлу, то с повышением

Химические факторы в процессе изнашивания проявляются своеобразно. При повреждении поверхности полимера происходит разрушение отдельных молекулярных цепей, освобождаются свободные валентные радикалы и выступают наружу отдельные элементы в атомарном состоянии, что позволяет металлу и полимеру вступать в химическое взаимодействие. Образующиеся соединения разрушаются и возникают вновь.

1.4.7 Материалы для трущихся деталей. разделение материалов деталей пар трения по их назначению.

Трущиеся детали в зависимости от их назначения изготовляют из конструкционных, фрикционных, износостойких и антифрикционных материалов широкой номенклатуры. Во многих случаях материалы наносят в виде покрытия, пленок или накладок на остов из основного конструкционного материала, металлокерамических и неметаллических материалов.

Фрикционные материалы -- это материалы, которые в контакте с металлической поверхностью имеют высокий коэффициент трения. Они применяются в тормозах и фрикционных муфтах и разделяются на органические (дерево, кожа, пробка, войлок), металлические (чугун, стали, марганцовистая сталь и др.), асбестокаучуковые, пластмассовые (текстолит, асботекстолит, фибра) и металлокерамические. Подробные сведения о фрикционных материалах и проблеме фрикционности приведены в работах [18, 28].

Из всех пар трения подшипники скольжения вызывали в свое время наибольшую трудность в обеспечении их длительной нормальной работы в силу высоких удельных нагрузок при сравнительно больших скоростях скольжения. Для таких подшипников были разработаны сплавы с малым коэффициентом трения, получившие название антифрикционных (разумеется, при работе в паре со стальным валом). В дальнейшем любой подшипниковый материал (как металлический, так и неметаллический) с твердостью меньшей твердости сопряженной детали, стали называть антифрикционным.

Понятие «антифрикционность» включает комплекс свойств, которому должен удовлетворять подшипниковый; способность образовывать прочный граничный слой смазочного материала и быстро восстанавливать его в местах, где он разрушен; низкий коэффициент трения при несовершенной смазке и отсутствия заедания на валу в случае перерыва подачи смазочного материала; высокую теплопроводность, теплоемкость и прирабатываемость; хорошую износостойкость сопряжения; недефицитность и высокую технологичность. Сведения об антифрикционных материалах указаны в источниках.

Все пары трения, как правило, должны обладать антифрикционностью, под которой следует понимать комплекс свойств, которым должно удовлетворять сочетание трех тел: материалов пары трения и применяемого смазочного материала. Последний является таким же конструктивным фактором, как и материал детали. Заметим, что износостойкость является требованием, общим для всех материалов, в том числе и фрикционных, за исключением приработочных покрытий.

Подходя к антифрикционности с общих позиций, в парах трения трудно отделить антифрикционные материалы от износостойких. Пара поршневое кольцо -- цилиндр должна быть износостойкой, иметь малый коэффициент трения и хорошо прирабатываться, а кольцо должно еще иметь высокую упругость. При подборе материала кольца по показателю высокой износостойкости пары всегда неявно имеют в виду и антифрикционность.

1.4.8 Композиционные материалы (кпм) в качестве антифрикционных материалов

КПМ применяют в подшипниках и в парах поступательного движения благодаря следующим преимуществам: достаточной износостойкости и невысокому коэффициенту трения в некотором диапазоне скоростей и нагрузок; хорошей прирабатываемости, коррозионной стойкости к наиболее распространенным агрессивным средам; пригодности для работы во многих других жидкостях; способности некоторых пластмасс к самосмазыванию при низких температурах, когда масла и пластичные смазочные материалы не применяются; малой плотности (в 5--8 раз меньше плотности стали, меди и свинца и в 3--4 раза -- титана); низкой стоимости; слабой чувствительности к ударам; бесшумности в работе; немагнитности. Применение пластмасс для изготовления подшипников экономит цветные металлы и снижает эксплуатационные расходы [26-29].

В зависимости от условий эксплуатации пластмассы в узлах трения могут работать при смазывании минеральными маслами, эмульсиями, пластичными смазочными материалами, водой, а некоторые из них и без смазывания.

Применяя пластмассы в узлах трения, следует учитывать и отрицательные их качества: низкую теплопроводность; разбухание при контакте с жидкостями; значительное тепловое расширение; невысокую теплостойкость; высокую податливость (низкий модуль упругости, в особенности у термопластмасс); старение полиамидов и других пластмасс, приводящее, в частности, к их охрупчиванию; ползучесть при нормальной температуре (холоднотекучесть).

Важное преимущество термопластических материалов перед термореактивными при использовании в подшипниках состоит в следующем. Кромочный контакт в подшипнике из термореактивной пластмассы опасен, поскольку при нагреве материал разлагается и обугливается, а это увеличивает силы трения и может вызвать повреждение пары. Термопластичный материал при нагреве размягчается, благодаря чему происходит быстрая приработка подшипника к валу.

Полиамиды по сравнению с другими пластическими массами имеют следующие преимущества: однородность материала; хорошие демпфирующие свойства при относительно высокой прочности на растяжение и изгиб; низкая стоимость исходного продукта; простота технологической переработки в изделия.

Алюминий и латунь сильно изнашиваются полиамидами. Лучше всего работают детали в паре закаленная сталь--полиамид. При хорошем смазывании маслами рекомендуется удельная нагрузка не выше 5 МПа. Смазывание водой менее эффективно, чем маслами. Допустимую нагрузку следует в этом случае уменьшить на 50--70%.

С полиамидами сходны по своим свойствам полиуретаны.

Из других термопластичных материалов, используемых в качестве антифрикционных, укажем на полиэтилен, винипласт и фторопласт-4. Винипласт -- материал с низкой теплопроводностью и теплостойкостью, мало работоспособен в условиях ударных нагрузок, может воспринимать только небольшую, спокойную нагрузку. Полиэтилен имеет весьма низкие прочностные характеристики, его коэффициент линейного расширения в 6--8 раз выше, чем у полиамидов. С понижением температуры полиэтилена модуль упругости его растет, но даже при температуре жидкого воздуха он невысок. Фторопласт-4 отличается хладотекучестью и низкой теплопроводностью, он не поглощает воду, нефтепродукты и другие жидкости. Коэффициент трения фторопласта по стали без смазочного материала и фторопласта по фторопласту 0,04. Наполнителями могут быть графит, медный порошок, дисульфид молибдена, двуокись титана; они улучшают теплопроводность, несколько снижают холодотекучесть и увеличивают коэффициент трения. Шероховатость поверхности вала при использовании фторопластовых подшипников должна быть не ниже Ra = Q,Q8... 0,16 мкм во избежание намазывания вала фторопластом. Фторо-пласт-4 дает большую усадку -- от 4 до 7%, его невозможно склеивать или сваривать; отходы после его механической обработки нельзя использовать без деполимеризации. Армировать его технологически сложно и не всегда эффективно. Материал высокотоксичен, что вызывает необходимость в специальных мерах для защиты людей при его переработке и изготовлении изделий.

Армирование термопластиков увеличивает их прочность, модуль упругости (в 3--4 раза), повышает стабильность размеров и теплостойкость. Распространение получили армированный нейлон, полиэтилен, поликарбонат и др. При некоторых условиях износостойкость армированного нейлона выше, чем у закаленной стали.

Из термореактивных пластмасс в узлах трения применяют пластмассы на основе фенол- или крезолформальдегидной смолы (текстолит, волокнисто-, древесно-слоистые материалы, древесная прессованная крошка, пластифицированная прессованная древесина) и композиции на основе эпоксидных смол.

У термореактивных материалов коэффициент линейного расширения более низкий, однако при назначении зазоров в подшипниках надо учитывать обычно большую толщину стенки подшипника из слоистого материала. Большая податливость под нагрузкой термопластичных материалов является в некоторых случаях недостатком, однако при этом быстрее устанавливается режим трения при жидкостной смазке.

Слоистые пластмассы применяют главным образом для изделий больших размеров, при значительных удельных нагрузках.

Выбор термопластичных или термореактивных пластмасс следует проводить с учетом всех факторов. Из нейлона изготовляют зубчатые муфты для портативных мотор- генераторов, мотопомп и т.п., имеющих по сравнению со стальными муфтами меньшие массу и размеры; детали двигателей для стеклоочистителей автомобилей и приводные звездочки и др. Нейлоновые ленты в конвейерных установках для транспортирования пищевых продуктов износостойки, стойки к воздействию кислот, щелочей и крепких соляных растворов и хорошо стерилизуются при обработке водяным паром.

Детали из полиамида используют в подшипниках заводского оборудования, в узлах рессор, педалей управления и шарниров рулевых тяг автомобилей, в педалях велосипедов, в опорах гребных валов на малых судах, в осях сельскохозяйственных машин, а также в подшипниках, смазываемых бензином, керосином и другими перекачиваемыми жидкостями. Применяют также полиамидные ролики, направляющие и кнопки механизмов управления; имеется опыт применения полиамидов для изготовления поршней в пищевых машинах пускателях. Подшипники выдерживают до 1 млн. циклов, и долговечность их во много раз выше, чем при использовании бронзовых втулок. Свойство материала впитывать масло позволяет подшипнику работать нормально после прекращения смазывания 25--40 ч. Рекомендуют применять лаки в узлах трения с большими удельными нагрузками, прерывистой работой и на этапе приработки. При повышении скорости скольжения и увеличения нагрузок долговечность лаков снижается.

Композиционный материал, состоящий из стальной подложки и пористой бронзовой матрицы, пропитанной и покрытой смесью ПТФЭ со свинцом, работает следующим образом. Стальная подложка обеспечивает механическую прочность, а бронзовый промежуточный слой -- прочное соединение твердого смазочного материала с подложкой. Пористая бронза улучшает теплопроводность подшипника, снижая температуру на опорной поверхности. Тепловое расширение по окружности подшипника те же по величине, как и у стали, поэтому необходимый зазор поддерживается постоянным во всем диапазоне рабочих температур.

1.4.9 Численные критерии работоспособности материалов в парах трения

Проверку правильности выбора материалов пар трения скольжения при заданных или принятых сопрягаемых размерах деталей и определение этих размеров при проектном расчете производят по некоторым критериям. Наиболее простой способ проверки заключается в расчете по среднему давлению р. Способ пригоден для пар трения, работающих с малыми скоростями скольжения при невысоких температурах окружающей среды, и имеет целью обезопасить сочленение от возможного заедания. Для шарнирно-болтовых соединений предельные значения удельных нагрузок (МПа) приблизительно могут быть приняты: для закаленной стали по стали -- до 15, закаленной стали по баббиту -- 9, закаленной стали по бронзе -- 8, закаленной стали по чугуну -- 6, незакаленной стали по баббиту -- б, незакаленной стали по бронзе -- 5.

Если режим трения пары определяется не только давлением, но и скоростью скольжения v, то применяют принятый в конструкторской практике расчет по величине fv. Идея метода состоит в следующем: если f-- коэффициент трения скольжения, то pv представляет собой удельную мощность трения. Поскольку надежная работа подшипника, тормоза или другого узла возможна лишь при теплонапряженности, не превышающей определенную величину для данной конструкции и условий ее эксплуатации, то условие надежности подшипника по теплонапряженности.

В действительности зависимость между предельными значениями р и v сложнее, чем изображаемая равнобокой гиперболой y = const. Представление о свойствах материалов в паре трения в образцах или в деталях дает построенная по результатам испытаний рудиаграмма, на которой предельные значения р и v нанесены в соответствии с наиболее лимитирующими условиями работы пары. Такими условиями являются механическая прочность, теплостойкость неметаллических материалов, рушение прочности масляной пленки.

1.4.10 Некоторые правила сочетания материалов.

Подбор наиболее подходящих материалов для пар трения скольжения можно в каждом отдельном случае сделать только на основании тщательного сопоставления условий работы трущихся деталей, исходных свойств материалов и тех изменений, какие они претерпевают на поверхностях трения, а также при учете других обстоятельств. Сформулируем некоторые правила подбора материалов: