V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Сложные и напряженные условия эксплуатации многоцелевых гусеничных и колесных машин требуют применения современных конструкционных материалов для обеспечения надежности и долговечности их агрегатов, систем и механизмов. Совершенствование конструкции ГУ с применением новых износостойких материалов для уплотнительных элементов, обеспечивающих длительную работоспособность ГУ в экстремальных условиях, позволяет обеспечить повышение ресурса многочисленных узлов трения ходовой части, силовой установки и других систем и механизмов машин.

Надежность систем определяется главным образом износостойкостью подвижно сопряженных деталей, которая в свою очередь зависит от эксплуатационных свойств материалов этих деталей и качества сопряженных поверхностей. Свойства материалов узлов трения как и всех конструкционных материалов неразрывно связаны и зависят от химического состава и структуры материала. Следовательно, выбор материалов узлов трения является актуальной задачей в машиностроении.

Повышение надежности и износостойкости трибосистем ходовой части ВГ и КМ рассматривалась в научно-исследовательских работах, выполняемых в филиале. В них получены новые научные результаты, найдены и реализованы конкретные технические решения, направленные на повышение надежности уплотнений агрегатов и узлов ходовой части ВГ и КМ.

Задачам совершенствования конструкций подвесок машин и повышения надежности их функционирования в настоящее время уделяется серьезное внимание. При этом важнейшая роль отводится применению в составе подвесок эффективных гидравлических амортизаторов. Однако в процессе эксплуатации выявляются серьезные недостатки этого элемента подвесок, связанные с недостаточной надежностью герметизирующих устройств гидравлического амортизатора. Анализ работ посвященных исследованию надежности гидравлических амортизаторов подтверждает, что основным недостатком, приводящим к их отказу, является выход из строя герметизирующих устройств штока, и как следствие появление течи рабочей жидкости из внутренней полости и потеря работоспособности всего узла [1].

Уплотнение штока гидравлического амортизатора подвески гусеничной машины выполнено из высокоэластичного резинового материала с защитным фторопластовым кольцом. Этот тип уплотнения конструктивно довольно прост, но имеет ряд недостатков, связанных с высокими требованиями, предъявляемыми к обработке посадочной канавки под уплотнительный элемент и сопряженной с ним поверхности.

В зоне герметизации на интенсивность происходящих процессов оказывают влияние давление, температура, скорость относительного перемещения, а также плотность, вязкость, теплоемкость и другие параметры. При этом выше указанные параметры, определяют утечки, прочность и изнашивание, которые и характеризуют главный критерий надежности уплотнения – герметизирующую способность в течение установленного срока.

Анализ конструкции и условий работы герметизирующих устройств позволяет заключить, что уплотнения не обеспечивают герметичность в течение срока эксплуатации, условия работы вызывают пульсирующие знакопеременные деформации и напряжения в материале уплотнительных элементов, приводящие к ускоренному старению и разрушению уплотняющих кромок манжет.

Под действием различных факторов в процессе эксплуатации и хранении происходит изменение химического состава и физического состояния материала, приводящее к изменению стандартных показателей, что в конечном итоге ведет к снижению работоспособности устройств, изготовленных из данного материала. Изменение свойств резины во времени называют старением. Из множества факторов, стимулирующих процесс старения, необходимо выделить давление (статическое и динамическое) и температуру. Изменение температуры и давления приводит к изменению свойств эластомера вследствие релаксации и других физико-химических процессов.

Эту проблему можно решить выбором или разработкой материалов, свойства которых удовлетворяют предъявляемым требованиям. К материалам элементов уплотнений с учетом специфики их функционирования предъявляются следующие требования:

• стойкость к воздействию агрессивной среды;

• непроницаемость для сред, контактирующих с материалами уплотнений;

• малая склонность к адгезии и схватыванию;

• достаточная теплостойкость;

• высокая износостойкость;

• низкий и стабильный во времени коэффициент трения;

• оптимальное сочетание твердости и эластичности.

Исходя из названных требований, материалы для уплотнений, должны обладать уникальным комплексом свойств. Поэтому подбор материалов для уплотнений, должен осуществляться с учетом их физико-механических и триботехнических свойств и возможности адаптации к конкретным условиям эксплуатации.

Такими свойствами обладают современные композиционные материалы. Полимерные материалы, применяемые в технике, в исходном состоянии без наполнителей имеют низкие показатели тех или иных физико–механических свойств. Поэтому их, как правило, модифицируют введением различных наполнителей–модификаторов, создавая полимерные композиционные материалы, обладающие более высокими показателями эксплуатационных свойств [2].

Разрабатываемые композиционные материалы на основе фторопластов, занимают особое положение по своим физико-механическим свойствам. Введение в состав фторопластов различных наполнителей значительно улучшает механические свойства, теплопроводность и износостойкость, и позволяет оптимизировать их свойства для конкретных условий функционирования материала [2, 3]. Например, для материалов герметизирующего устройства штока гидравлического амортизатора необходимо обеспечить оптимальное сочетание стабильности таких конкретных свойств как пластичность, прочность и высокая износостойкость.

Свойства полимерных материалов существенно зависят от вида наполнителей и их содержания, а так же физико–механических свойств самих наполнителей. Выбором наполнителей можно изменять специальные физические свойства. Правильный выбор полимерных материалов позволяет расширить область применения и существенно повысить технический уровень, надежность и срок службы приборов, машин и технологического оборудования.

Для конструкций герметизирующих устройств идеальным является материал, имеющий постоянные механические свойства независимо от температуры, так как значительное повышение прочности и жесткости материала при понижении температуры приводит к ухудшению герметизирующей способности уплотнения, а сильное снижение прочностных характеристик при повышении температуры могут привести к потере упругих свойств и, как следствие, к значительным остаточным деформациям, к потере герметизирующей способности [2].

Существующее в настоящее время многообразие композиционных материалов объясняется тем, в качестве наполнителей используются разнообразные материалы с различными свойствами и невозможно создать материал с универсальными свойствами, который удовлетворял бы всем требованиям эксплуатации для различных узлов и механизмов.

При этом необходимо отметить, что создание композиционных материалов с заданными характеристиками возможно только на основе изучения общих закономерностей механизма трения и изнашивания. На сегодняшний день в литературе имеется большое число публикаций, освещающих данную проблему с разных сторон; наметилось несколько направлений по разработке методов создания материалов с заданными триботехническими свойствами [2,4].

Изменение свойств ПКМ связано с изменением структуры при введении наполнителей-модификаторов, а также изменении параметров режима технологического процесса. В последние годы накоплен значительный экспериментальный материал, отражающий влияние вида и параметров структуры на физико-механические и триботехнические свойства многокомпонентных систем на основе ПТФЭ, содержащих волокнистые и дисперсные наполнители-модификаторы [2,3].

К свойствам композиционных материалов предъявляются следующие технические требования:

– максимально высокая прочность жесткость - для снижения деформации под нагрузкой;

– максимально высокая теплопроводность – для увеличения оттока и снижения накопления теплоты, понижение температуры в зоне трения;

–максимальная теплоемкость материала;

– минимальная сила (коэффициент) трения.

Новые разрабатываемые материалы должны обладать более высокой износостойкостью по сравнению с выпускаемыми промышленностью материалами, например, Ф4К20, НАМИ – ФБМ и др. [2].

Экспериментальные исследования проводили с целью изучения влияния различных наполнителей: углеродного волокна, дисульфида молибдена, бронзы и их содержания на механические и триботехнические характеристики композиционного материала на основе фторопласт - 4 [2,3].

Исследовали различные варианты композиций, содержащих по 2 - 4 вида дисперсных и волокнистых наполнителей. Полученные результаты показывают, что композиционные материалы с многокомпонентными модификаторами – наполнителями превосходят все остальные по механической прочности и износостойкости. Поэтому материал с содержанием молибдена, углеродного волокна, бронзы и дисульфида молибдена был рекомендован в качестве материала уплотнителя. Это связано с хорошим взаимодействием бронзы с политетрафторэтиленом и ее высокой теплопроводностью, способностью углеродного волокна структурировать полимер и самосмазывающими свойствами дисульфида молибдена.

Современная наука, используя фундаментальные законы физики полимеров и совершенные техноло­гические приемы и средства, разрабатывает пути и методы создания в полимер­ных материалах структур, обеспечивающих получение заданных и оптимальных физико-механических и эксплуатационных свойств. Это возможно как на этапе синтеза полимеров, так и на этапе их переработки путем структурной модифика­ции в твердофазном состоянии. Введение в ПТФЭ ультрадисперсных порошков нитрида кремния и карбида титана в небольших концентрациях позволяет создавать нанокомпозиты с меньшей скоростью изнашивания [4].

Материалы с повышенной прочностью можно получить, комбинируя полиме­ры с другими материалами (металлами, оксидами металлов, графитом, углерод­ным и стекловолокном, керамикой и т.д.). Стремление создать материалы, в ко­торых сочетались бы наиболее ценные свойства полимеров и других материалов, привело к созданию особого класса композитов - полимерных композиционных материалов.

ПКМ применяются во всевозможных областях - от изоляторов токопроводящих материалов до подшипников и уплотнений транспортных, технологических и энергетических машин. Они незаменимы в нефтехимической, авиационной, космической, военной и криогенной технике. Эти материалы позволят существенно повысить надежность эксплуатации многоцелевых гусеничных и колесных машин.

Требования надежности и долго­вечности к современной технике привели к активным исследованиям в области разработок металлополимерных герметизирующих устройств с уплотнительными эле­ментами из ПКМ.

Список использованных источников

1. Машков Ю.К., Леонтьев А.Н., Мамаев О.А., Аппинг Г.А. Повышение износостойкости и долговечности уплотнений ходовой части гусеничных и колесных машин//Омский научный вестник. – 2001. – вып. 14. – с. 99-101.

2. Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Мамаев О.А., Овчар З.Н. Полимерные композиционные материалы в триботехнике. – М.: ООО «Недра», 2004 – 262 с.

3. Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Калистратова Л.Ф. Повышение эксплуатационных свойств композиционных материалов на основе ПТФЭ оптимизацией состава и технологии // Трение и износ.– Т.23, 2002. – С. 537–542.

4. Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю. Разработка новых полимерных нанокомпозитов для герметизирующих устройств МГКМ. Вестник СО АВН, № 15.- 2012. С. 161-163.

Код для цитирования: Скопировать