Разработка состава и ииследование свойств антифрикционного композита на основе сверхмолекулярного полиэтилена

Куликовская Ксения Анатольевна

Разработка состава и ииследование свойств антифрикционного композита на основе сверхмолекулярного полиэтилена

Объект исследования-антифрикционный композиционный материал на основе СВМПЭ для направляющих элементов силовых гидроцилиндров и других антифрикционных деталей сельскохозяйственной техники. Цель проекта - разработка составов, технологиченских процессов производства и переработки и исследование свойств афнтифрикционного композита на основе СВМПЭ для изготовления направляющих элементов силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники

Сельское и лесное хозяйство

Диссертации

Вуз: Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева

ID: 5baccd227966e1073081bf5e

UUID: e2ffc060-a47e-0136-beb7-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: около 6 лет назад

Просмотры: 58

Куликовская Ксения Анатольевна

Источник: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва"

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 6,8 МБ

Поделиться работой

Полученные результаты – 1. Получены уравнения и проведен теоретический анализ сил, действующих в трибосопряжениях «поршень – гильза цилиндра» и «передняя крышка – шток» силового гидроцилиндра С100/40×200-344 трактора МТЗ 80. Установлено, что значения сил реакций R и трения Fтр деталей штокового и поршневого уплотнительных узлов изменяются в процессе всего рабочего цикла гидроцилиндра, что является причиной неравномерного износа рабочих поверхностей трибосопряжений. Максимальные значения реакций достигаются в переднем положении поршня и составляют 3850 Н. Контактные напряжения возрастают с ростом износа рабочих поверхностей от 4,35 МПа (при начальной величине зазора 0,091 мм) до 13,7 МПа (зазор 0,4 мм). Отсюда следует, что по мере увеличения зазора между сопряженными деталями скорость изнашивания должна быстро нарастать. 2. Разработана конструкция и изготовлена приставка к лабораторному смесителю периодического действия PolyLabRheomix 600 OS для изучения трибологических характеристик антифрикционных композитов на основе СВМПЭ. С использованием данной приставки были получены сравнительные значения коэффициентов трения антифрикционных композитов на основе ПА 6 и СВМПЭ в условиях сухого трения и трения со смазкой при температуре 20 ºС, контактном давлении 0,1 МПа и диапазоне скоростей скольжения 0,1 – 0,5 м/с. Установлено, что в условиях трения со смазкой значения коэффициента трения композитов СВМПЭ более чем в 1,3 раза ниже коэффициентов трения полиамидных композитов. 3. Разработан техпроцесс механохимической активации сухосмешанных композиций СВМПЭ и наноразмерных модификаторов на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7», обуславливающий повышение упругопрочностных характеристик СВМПЭ и однородное распределение Изм. Лист № докум. наночастиц Разраб. Провер. Куликовская Водяков Н. контр. Водяков Котин Утв. Подпись Дата МД-02069964-35.04.06-60-18 Разработка состава и исследование свойств антифрикционного композита на основе сверхмолекулярного полиэтилена Пояснительная записка Лит. Лист Листов 4 111 ИМЭ, Агроинженерия

в последнем. Установлено, что оптимальная длительность обработки сухосмешанных композиций СВМПЭ и наноразмерных модификаторов составляет 67…75 минут. 4. Разработан оригинальный состав композиции на основе СВМПЭ и углеродных нанотрубок (УНТ) фирмы «Tuballmatrixbeta». Установлено, что ввод 0,1 % УНТ обеспечивает (по отношению к чистому СВМПЭ) повышение предела текучести на 35 %, прочности на 28 %, начального и конечного модулей упругости на 23 % и 29 %, соответственно. 5. В результате триботехнических испытаний в условиях трения со смазкой (при температуре 25 оС, скорости скольжения 0,15 м/с и контактном давлении 2,5 МПа) установлено, что ввод 0,1 % УНТ обеспечивает снижение интенсивности износа СВМПЭ от 2,4610-8 до 1,8510-8 отн.ед. При этом интенсивность износа коммерческого полиамидного композита УПА6-15А составила 2,7310-8 отн. ед. 6. Исследована возможность реализации эффекта самоармирования при изготовлении модели опорно-направляющего кольца гидроцилиндра из разработанного композита методом двухстадийного прессования композиции СВМПЭ с вытяжкой расплава вдоль оси кольцевой полости пресс-формы. Установлено, что вытяжка расплава в пределах 15…20 % обеспечивает прирост модуля упругости для образцов из СВМПЭ (без м/а) – 9 %; для образцов из СВМПЭ (м/а) – 8 %; для образцов СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а) – 12 %. 7. Разработаны рекомендации по применению разработанного антифрикционного материала в объектах сельскохозяйственной техники. Область применения рекомендована к - внедрению магистерская на диссертация предприятиях может быть перерабатывающей промышленности. Изм. Лист № докум. Разраб. Куликовская Провер. Водяков Н. контр. Водяков Котин Утв. Подпись Дата МД-02069964-35.04.06-60-18 Разработка состава и исследование свойств антифрикционного композита на основе сверхмолекулярного полиэтилена Пояснительная записка Лит. Лист Листов 5 111 ИМЭ, Агроинженерия

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 8 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13 1.1 Устройство силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники 13 1.1.1 Конструкция основных узлов традиционных гидроцилиндров 13 1.1.2 Материалы основных деталей современных гидроцилиндров 17 Полимерные материалы для производства антифрикционных деталей узлов трения силовых гидроцилиндров 18 1.2 1.2.1 Трение и изнашивание полимерных материалов 19 1.2.2 Основные типы полимерных материалов, применяемых для производства антифрикционных деталей и требования к ним 19 1.2.3 Достоинства и недостатки полиамида и композиций на его основе в качестве антифрикционных материалов 1.2.4 гидроцилиндров Эксплуатационные и технологические характеристики коммерческих композиционных материалов антифрикционного назначения 1.2.5 Технологические процессы и оборудование для производства и переработки полимерных композиций 1.3 Композиционные материалы триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) 1.3.1 Физико-механические и реологические характеристики СВМПЭ 1.3.2 Наноразмерные и тонкодисперсные модификаторы, улучшающие упруго-прочностные и трибологические характеристики СВМПЭ 1.3.3 Методы совмещения углеродных нанотрубок с полимерной матрицей 1.4 Методы переработки СВМПЭ и композиций на его основе 1.5. Методы получения самоармированных композиций СВМПЭ 22 22 23 26 27 28 29 32 35 1.5.1 Горячее компактирование 35 1.5.2 Горячее прессование чередующихся слоев 36 1.5.3 Совместная экструзия 37 Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 6

1.6 Методы изучения эксплуатационных и технологических характеристик полимерных композиций 39 1.6.1 Приборы и методы изучения физико-механических свойств полимерных композиций 39 1.6.2 Приборы и методы изучения трибологических свойств полимерных композиций 41 1.6.3 Приборы и методы изучения реологических свойств полимерных композиций 42 1.7 Цели и задачи исследования 44 2 МЕТОДИКИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ИССЛЕДОВАНИЙ Анализ контактных нагрузок в трибосопряжениях силового гидроцилиндра С100/40×200-344 трактора МТЗ 80 46 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Разработка конструкции трибометрической приставки к лабораторному смесителю периодического действия PolyLabRheomix 600 OS Теоретический анализ сил, действующих на образец при его эксцентричном расположении относительно ротора трибометрической приставки Методика триботехнических испытаний композитов на трибометрической приставке к смесителю HAAKE PolyLabRheomix 600 OS Методика механохимической активации композиций СВМПЭ с наноразмерными модификаторами на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7» 46 52 55 58 59 Методика компрессионного формования пластин для физикомеханических и реологических испытаний на лабораторном прессе GT-7014-Н50С 61 Методики исследования технологических и эксплуатационных характеристик композитов СВМПЭ 62 2.7.1 Методика исследования упруго-прочностных характеристик композитов на испытательной машине UAI-7000 62 2.7.2 Методика исследования реологических характеристик расплавов композитов в динамическом режиме вынужденных колебаний на реометре HAAKE MARS III 65 2.7.3 Методика триботехнических испытаний композитов на реометре HAAKE MARS III, снабженном трибометрической приставкой 67 Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 7

2.7.4 Методика получения самоармированных композиций СВМПЭ 70 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 72 3.1 Определение оптимального времени механохимической активации смеси СВМПЭ с наноразмерными модификаторами на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7» 72 3.2 Исследование физико-механических характеристик композитов «СВМПЭ +SiO2» и «СВМПЭ +Al2O3» 77 3.3 Исследование упругопрочностных характеристик самоармированных композитов СВМПЭ Исследование реологических характеристик композитов «СВМПЭ» и «СВМПЭ + УНТ» 80 Исследование трибологических характеристик композитов «СВМПЭ + УНТ» РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ РАЗРАБОТАННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И ТЕХНОЛОГИЙ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА 87 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 101 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 103 3.4 3.5 4 84 91 Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 8

ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Анализ материально-технического оснащения предприятий АПК свидетельствует о том, что уровень его развития продолжает снижаться. По данным ГОСНИТИ количество тракторов до трех лет службы по всем сельскохозяйственным предприятиям АПК РФ составляет 5,5 %, четыре– восемь лет – 11,3 %, девять лет и более – 83,2 %, доля зерноуборочных комбайнов со сроком службы до трех лет составляет 9 %, четыре–восемь лет – 13,7 %, девять лет и более – 77,3 %. Около 75 % машинно-тракторного парка в аграрном секторе российской экономики выработало свой срок службы и требует повышенных затрат на поддержание его в работоспособном состоянии, которые в настоящее время составляют более 65 млрд. руб. Сложившаяся ситуация представляет серьезную угрозу для обеспечения необходимых объемов производства, насыщения рынка отечественной сельскохозяйственной продукцией, сырьем и продовольствием. В условиях ограниченных финансовых и материальных ресурсов проблема технического перевооружения сельскохозяйственного производства не может быть решена только за счет увеличения поступления новой техники. Значительная роль в этом процессе отводится разумному использованию имеющегося парка машин, поддержание его технического уровня за счет квалифицированного технического обслуживания и ремонта. Ремонт агрегатов с восстановлением и упрочнением деталей – технически обоснованное и экономически оправданное мероприятие. Оно позволяет ремонтно-обслуживающим предприятиям и мастерским хозяйств сокращать время простоя неисправных машин, оборудования, улучшать показатели надежности и использования машин. Известно, что сельскохозяйственных надежность машин современных определяется тракторов надежностью и других агрегатов гидросистемы. Особое место здесь занимает силовой гидроцилиндр. Опыт Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 9

эксплуатации гидрофицированных машин показал, что на долю гидроцилиндров приходится 17…30 % отказов всей гидросистемы. По данным ГОСНИТИ, областных, краевых и республиканских структур АПК ежегодно списывается более 340 тыс. силовых гидроцилиндров отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники. Некоторые сельскохозяйственные предприятия вынуждены проводить ремонт собственными силами. При этом из-за отсутствия опыта, технологий и оборудования ресурс отремонтированных агрегатов зачастую не превышает 30– 60 % от ресурса новых. В связи с вышеизложенным, разработка и внедрение новой технологии ремонта, основанной на использовании в трибосопряжениях силовых гидроцилиндров полимерных деталей из антифрикционных композитов на основе сверхмолекулярного (сверхвысокомолекулярного) полиэтилена, сокращенно СВМПЭ, позволит снизить себестоимость и сроки ремонта, что имеет существенное значение для развития АПК. Степень разработанности темы. Систематизация и критический анализ материалов по тематике исследования проведены на основании работ известных ученых: П.В.Сенина, С.А.Величко, В.Н.Водякова, П.А.Ионова, В.В. Кузнецова, В.И. Борисова, Н.В. Ракова, П.В. Чумакова, Н.И. Шубина, И.В. Воскобойникова, В.А. Ушкова, В.К. Астанина, В.В. Глухих, В.В. Богданова и других. Однако, несмотря на большое количество исследований в области ремонта и восстановления силовых гидроцилиндров, в том числе с использованием антифрикционных совершенствования состава композитов композитов, и возможности технологий ремонта трибосопряжений силовых гидроцилиндров с использованием полимерных деталей, далеко не исчерпаны. В частности, недостаточно изученными остаются: проблемы разработки состава антифрикционных композитов на основе СВМПЭ), содержащих такие тонкодисперсные и наноразмерные модификаторы как шунгит, диоксид кремния, углеродные нанотрубки и Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 10

другие; технология их производства; эксплуатационные и технологические характеристики данных композитов. Работа выполнена в рамках приоритетного направления работ университета (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы»). Цель исследований – разработка составов, технологических процессов производства и переработки и исследование свойств антифрикционных композитов на основе СВМПЭ для изготовления антифрикционных деталей силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники. Объект исследования – антифрикционные композиционные материалы на основе СВМПЭ для изготовления антифрикционных деталей силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники. Предмет исследования – процессы производства и переработки, технологические и эксплуатационные свойства композиционных материалов антифрикционного назначения на основе СВМПЭ. Научную новизну работы составляют: – составы антифрикционных композиционных материалов на основе СВМПЭ, модифицированного углеродными нанотрубками (УНТ) и нанокристаллическим диоксидом кремния (SiO2); – техпроцесс механохимической активации сухосмешанного состава «СВМПЭ + 0,1% УНТ» на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7»; – результаты изучения эксплуатационных и технологических характеристик антифрикционных композиционных материалов на основе СВМПЭ, модифицированного углеродными нанотрубками и нанокристаллическим диоксидом кремния (SiO2). Практическую значимость представляют: – теоретическое обоснование и конструкция трибометрической приставки к лабораторному смесителю Rheomix 600 OS; – технологический процесс упрочнения изделий из композита «СВМПЭ + 0,1 % УНТ» методом самоармирования; Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11

– рекомендации по применению в АПК полученных антифрикционных композитов и технологий их производства. Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнены по оригинальным и известным методикам с использованием современного научноисследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Энергоэффективные технологии переработки сырья и материалов» Института механики и энергетики. Исследование физико-механических характеристик образцов композитов производилось по ГОСТ 11262-80, ГОСТ 12423-66, ГОСТ 4648-71, ГОСТ 465080. При исследовании процессов механохимической активации композиций и реологических испытаниях использованы компьютерные программы и оригинальные методики фирм – поставщиков оборудования. Обработка результатов исследований проведена с использованием методов теории вероятности и математической статистики с помощью современных вычислительных средств и программы «Excel 2010». На защиту выносятся: – состав антифрикционного композиционного материала на основе СВМПЭ, модифицированного углеродными нанотрубками и нанокристаллическим диоксидом кремния (SiO2); – техпроцесс механохимической активации сухосмешанного состава «СВМПЭ + 0,1% УНТ» на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7»; – результаты характеристик изучения эксплуатационных антифрикционных модифицированных углеродными и технологических композиционных нанотрубками и материалов, нанокристаллическим диоксидом кремния (SiO2); –– технологический процесс упрочнения изделий из композита «СВМПЭ + 0,1 % УНТ» методом самоармирования. Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на расширенном заседании кафедры механизации переработки Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 12

сельскохозяйственной продукции ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (2018 г.). По результатам исследований опубликовано в 2016-2018 г. четыре работы. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, включает 47 рисунка и 10 таблиц, список литературы содержит 71 наименований. Работа оформлена в соответствии с требованиями и правилами, предусмотренными стандартом СТП 006-2014 ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева». Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Устройство и принципы работы силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники 1.1.1Конструкция основных узлов гидроцилиндров Гидроцилиндр это объемный гидродвигатель, в котором ведомое звено (шток, плунжер) совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение относительно корпуса гидроцилиндра. Гидроцилиндры делятся на силовые и моментные [1]. Более широкое применение в сельскохозяйственной технике получили силовые гидроцилиндры. Силовые гидроцилиндры делятся на гидроцилиндры двухстороннего действия и одностороннего действия [2]. Гидроцилиндр одностороннего действия совершает усилие на подвижном звене, которое направлено только в одну сторону (рабочий ход цилиндра). В противоположном направлении подвижное звено просто перемещается обратно под действием силы тяжести или возвратного механизма, например, пружины. У этих цилиндров есть лишь одна рабочая плоскость. У гидроцилиндров двустороннего действия возможностей несколько больше. У них две рабочих плоскости, то есть рабочие усилия на выходном звене они могут создавать в двух направлениях. Чтобы обеспечить возвратно-поступательное движение жидкость поочередно поступает под давлением в полости цилиндра. Когда одна из полостей наполняется жидкостью, другая соединяется со сливом. У гидроцилиндра имеется две полости: штоковая полость, в которой располагается шток, и поршневая [3]. Силовой гидроцилиндр (рис. 1.1) состоит из следующих основных конструктивных элементов [4]: 1) соединение головок цилиндров; Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 14

2) поршня со штоком; 3) направляющей штока; 4) демпферного устройства; 5) грязесъемника; 6) устройства для удаления воздуха; 7) устройства для подвода рабочей жидкости; 8) устройства для крепления гидроцилиндра к машине. Соединение головок с гильзой в значительной степени определяет технологию обработки гильзы, а также технологию сборки всего гидроцилиндра. Рисунок 1.1 – Общая схема гидроцилиндра [5]: 1-грязесьемник;2- грундбукса; 3-гильза, 4-шток; 5-поршень; 6- уплотнение поршня;7 – уплотнительные кольца поршня; 8-отверстие для подвода жидкости; 9-проушина. На рис. 1.2 представлена конструкция современного силового гидроцилиндра [5], в состав которого входят свыше 20 наименований антифрикционных полимерных деталей, эксплуатируемых в масляной среде при истирающих воздействиях в условиях достаточно высоких температур, в числе которых специальные износостойкие опорные кольца 3, комбинированные уплотнения 2, грязесъемники и др. При разработке конструктивного решения узла поршня со штоком основными факторами, определяющими выбор той или иной конструкции, Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 15

являются: тип уплотнения поршня с гильзой, конструкция поршня и способ крепления поршня к штоку (рис. 1.3). Рисунок 1.2 – Типичная конструкция современного силового гидроцилиндра Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 16

По своей конструкции поршни делятся на цельные и составные. На практике встречаются два основных способа крепления поршня к штоку: соединение при помощи резьбы; соединение безрезьбовое. Шток представляет собой стержень круглого сечения, на один из концов которого крепится поршень, а на другой – элемент, соединяющий гидроцилиндр с исполнительными механизмами машины. Для защиты штоков от попадания стружки, летящих камней, а также от пыли и грязи применяются защитные кожухи. Защитные составные кожухи и бывают цельные. Эти кожухи обычно изготовлены из Рисунок 1.3 – Поршневой узел современного гидроцилиндра с опорными кольцами из полиамидного композита [6]: 1- поршень; 2уплотнение поршня; 3- опорные кольца; 4-кольца резиновые; 5-шток; 6-гайка ткани с металлическими кольцами. Цельные кожухи изготавливаются из маслостойкой резины в пресс-формах. Кожухи одним своим концом крепятся на штоке, а других на головке гидроцилиндра [6]. Типы установки и крепления гидроцилиндров к машине можно разделить на два типа [2]: 1) гидроцилиндры жестко закрепленные; 2) гидроцилиндры шарнирные. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 17

1.1.2 Материалы основных деталей современных гидроцилиндров Гильзы. Гильзы силовых гидроцилиндров в основном изготавливаются из стальных труб, а также могут изготовляться из стальных поковок, чугунного и стального литья. Штоки. Штоки могут быть сплошные и полые. Сплошные штоки изготавливаются из углеродистых сталей марок 35, 45 а также из хромистой стали марки 40Х. Полые штоки изготавливаются сварными из труб по ГОСТам 8734-58 и 8752-58. Материал труб - сталь 35[3,7]. Поршень. Изготавливается из антифрикционного чугуна, серого чугуна, а также из сталей с покрытием бронзой, латунью, капроном [8]. Головки гидроцилиндров. Головки изготавливаются из стальных поковок, стали марок 35 и 45, отливок из сталей 35ЛII и 45ЛII, а также чугуна марок СЧ 21-40 и СЧ 32-52. Направляющей штока может быть сама головка гидроцилиндра. В этом случае она должна быть изготовлена из чугуна и иметь на рабочей поверхности наплавку из бронзы, латуни, капрона. Направляющей штока также может служить втулка, запрессованная или вставленная по посадке в головку [3,8]. Манжеты резиновые уплотнительные. Для изготовления резиновых манжет применяют резины марок В-14; В-14-1; 3825; 3826; 4004; 4327; УА-1 и ИРП 1290. Кольца резиновые круглого сечения. Кольца по ГОСТ 9833-61 изготавливаются из резины групп 1, 2, 3, 4. Практически для изготовления круглых колец применяются те же марки резины, что и для изготовления манжет [10]. Уплотнения резино – тканевые шевронные. Шевронные уплотнения по ГОСТ 9041-59 изготавливаются из хлопчатобумажной ткани «доместик» (ГОСТ 1104-41), прорезиненной с двух сторон графитной резиновой смесью. Нажимные и опорные кольца могут изготавливаться из других материалов [15,17]. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 18

1.2 Полимерные материалы для производства антифрикционных деталей узлов трения силовых гидроцилиндров Гидроцилиндры и другие образцы современной сельхозтехники не могут обойтись без узлов трения, в которых необходимы низкая сила трения и высокая устойчивость к истиранию. Кроме уплотнений и направляющих элементов гидроцилиндров к таким узлам относятся всевозможные подшипники скольжения и качения, вкладыши, втулки, шарнирные соединения, шестеренчатые передачи, направляющие механизмов и многие другие. Для изготовления таких узлов ранее использовали антифрикционные сплавы на основе свинца или олова, такие как бронза, баббит и др. Но эти материалы дороги и не всегда отвечают всем необходимым эксплуатационным и технологическим требованиям. Поэтому имеется необходимость в более широком выборе антифрикционных материалов[12]. Для этих целей полимеры привлекательны по нескольким причинам: - легкость (технологичность) переработки, - низкий удельный вес, - высокая коррозионная стойкость [13]. Полимерные антифрикционные материалы в настоящее время изготавливаются в основном на основе полиамидов и карбоцепных полимеров, фторопластов. Полиамиды являются термопластичными полимерами, обладают довольно высокими механическими свойствами, технологичны и применяются в качестве втулок, направляющих, уплотняющих колец. Недостатком данного полимера является его гидрофильность, обуславливающая с течением времени снижение упруго-прочностных характеристик. Большой интерес для создания антифрикционных деталей представляет фторопласт. Он химически инертен, не способен собирать влагу, обладает высокой пластичностью, низким модулем упругости, и очень низким коэффициентом трения, также теплостоек и термопластичен [14]. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 19

1.2.1 Трение и изнашивание полимерных материалов Трение внешнее, механическое сопротивление, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. относительно Сила сопротивления, перемещению данного направленная тела, называется противоположно силой трения, действующей на это тело. Трение внешнее – диссипативный процесс, сопровождающийся выделением тепла. Трение скольжения – сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения. Характеристика трения скольжения – коэффициент трения скольжения f c – безразмерная величина, равная отношению силы трения к нормальной нагрузке; Внешние условия (нагрузка, скорость, шероховатость, температура, смазка) влияют на величину трения внешнего не меньше, чем природа трущихся тел, меняя его в несколько раз. Относительные перемещения контактирующих поверхностей и их механические взаимодействия приводят не только к изменениям состояния и свойств материалов поверхностных слоев, но и к их разрушению. Обычно разрушение происходит в форме отделения от поверхностей трения мелких частиц материала, что приводит с течением времени к изменению размеров и формы контактирующих деталей. Это явление и называют изнашиванием [16].Изнашивание является сложным многоуровневым процессом. Основным инициатором изнашивания является деформация материала контактирующих поверхностей под действием контактных напряжений и температур. 1.2.2 Основные типы полимерных материалов, применяемых для производства антифрикционных деталей и требования к ним Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 20

Для производства антифрикционных деталей применяются материалы на основе как термопластичных, так и термореактивных полимеров. Термопласты (полиамиды, полиолефины, полифенилсульфиды, фторопласты, полисульфоны, полиацетали, полиимиды, полиэфиркетоны) используются ненаполненные и в виде матрицы антифрикционных композиционных материалов. Термореактивные фенолформальдегидные) композиционных применяются материалов. антифрикционных, полимеры прочностных исключительно Наиболее и (эпоксидные в виде благоприятное технологических и матрицы сочетание свойств имеют композиционные материалы[17]. Основным критерием при выборе материала для узлов трения гидроцилиндров являются затраты энергии (Вт) на трение: A  P , (1.1) где P  нормально приложенное к трущейся поверхности напряжение [Па],  относительная скорость движения поверхностей [м/с], μ – коэффициент трения. Поэтому одним из наиболее важных требований к материалам узлов трения является уплотнительных низкий колец, коэффициент грязесъемников трения. и Для направляющих материалов элементов гидроцилиндров коэффициент трения не должен превышать 0,2 [18]. Не менее важной характеристикой материала узла трения является высокая стойкость к абразивному износу – износостойкость. Износостойкость–свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. В настоящее время износостойкость чаще всего измеряется в мм износа на 1 мм пути трения. Основной характеристикой, определяющей износостойкость материала, является предел текучести материала при сдвиге σт. Установлено, что сдвиговое напряжение τ = Pμ в зоне контакта не должно превышать предела текучести материала при сдвиге[19]. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 21

Как уже отмечалось, при работе узла трения в нем выделяется энергия в виде тепла, и узел может существенно разогреваться. Поэтому при работе узла трения требуется отвод тепла от зоны контакта. Для этого материал должен обладать высокой теплопроводностью и высокой температурой размягчения. Материалы с низкой температурой размягчения работают в узлах трения очень неустойчиво. Таким образом, основными требованиями к материалу узлов трения силовых гидроцилиндров являются: – низкий коэффициент трения скольжения (μ<0,2); –высокая износостойкость, характеризуемая параметром интенсивности износа I (мм износа/мм пути); – высокий предел текучести при сдвиге σт(Па) – высокая твердость [модуль упругостиE(МПа); – высокий коэффициент теплопроводности  (Вт/(мК) ); –высокая температура размягчения Tр [20]. В настоящее время общепризнано, что данный комплекс требований наилучшим образом удовлетворяется антифрикционными полимерными материалами, приведенными в (табл. 1.1) [21]. Как видно из таблицы, удовлетворительным коэффициентом трения обладает только полиамид 6 (ПА 6). Таблица 1.1 - Коэффициент трения и износостойкость полимеров (трение о низкоуглеродистую сталь при нагрузке 12 Н/см 2) Полимер Износостойкость, г Коэффициент трения, µ Полиэфир 17 0,5 Поликарбонат 41 Поливинилхлорид 50 0,6 0,45 Полиамид 66 10 0,15-0,4 Полиамид 6 8 0,1 – 0,2 Полиэтиленвысокой плотности 4,2 0,2 – 0,6 Полипропилен 22 Полиимид 2,1 0,4-0,6 0,68 Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 22

Полиметилметакрилат 18 0,6 Однако по износостойкости полиамид 6 (капролон) заметно уступает более дорогому полимеру – полиимиду. Кроме того, все полимеры обладают очень низкой теплопроводностью. Поэтому очевидна необходимость в улучшении указанных свойств полимеров вводом различных модифицирующих добавок для возможности их использования в высоконагруженных узлах [22]. 1.2.3 Достоинства и недостатки полиамида и композиций на его основе в качестве антифрикционных материалов гидроцилиндров К достоинствам полиамидов в качестве антифрикционных материалов можно отнести следующие: 1) минимально возможный коэффициент трения, обуславливающий снижения потерь усилия на трение; 2) достаточную износостойкость, обеспечивающая приемлемый ресурс эксплуатации; 3) способность быстро прирабатываться к твердым поверхностям и легко приспосабливаться к новым условиям работы узла; 4) повышенное сопротивление заеданию и задирам; 5) достаточную прочность; 6) достаточное сопротивление усталости, коррозии, эрозии и абразивному изнашиванию; 7) совместимость с различными видами модифицирующих добавок [23]. Существенными недостатками полиамидов являются: невысокая теплопроводность; низкая несущую способность; высокое водопоглощение [24]. 1.2.4 Эксплуатационные и технологические характеристики коммерческих композиционных материалов антифрикционного назначения Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 23

Как уже отмечалось, наиболее важными характеристиками узлов трения являются предельные контактные нагрузки P . Наиболее широкое применение нашли композиты на основе полиамида, наполненного дисульфидом молибдена. Они устойчиво работают до значений P порядка 0,1÷0,15 МПа·м/с. Их главным достоинством является легкость переработки и низкий удельный вес. Применяют также композиции изполиимида, наполненного графитом. Эти материалы устойчиво работают при температурах до 150 °С[25]. Использование реактопластов в качестве связующего для антифрикционных композиций позволяет существенно повысить предельные нагрузки и температуру эксплуатации узлов трения. Наиболее известной является композиция на основе фенолформальдегидного связующего, наполненного асбестом и графитом. 1.2.5 Технологические процессы и оборудование для производства и переработки полимерных композиций Экструзионное оборудование. В отечественной литературе экструдеры часто именуются червячными прессами. Вращающийся шнек (червяк) захватывает из приемного отверстия материал, уплотняет его в рабочем цилиндре и под давлением выталкивает в фильеру. Кроме того, в экструдере происходит окончательное перемешивание и уплотнение материала [26]. Движение материала в экструдере при вращении шнека происходит вследствие разницы в коэффициентах трения материала о шнек и цилиндр. Основное тепло в рабочем цилиндре выделяется вследствие сжатия рабочей смеси и работы значительных сил трения ее частиц о поверхности экструдера и друг об друга. Для переработки термопластов экструдеры снабжаются дополнительными устройствами для разогрева рабочей смеси, измерения температуры и ее поддержания (нагреватели и охладители). Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 24

В индустрии пластмасс [27] наиболее распространенными, в силу относительной простоты и сравнительно низкой цены, являются одноцилиндровые (одношнековые) экструдеры (рис. 1.4). Рисунок 1.4 – Стандартная схема одноцилиндрового экструдера: 1- станина; 2электродвигатель; 3- редуктор; 4-бункер для гранулята; 5 –зона загрузки; 6- шнек; 7корпус с элетронагревателями; 8- экструзионная головка;9 – экструдат Литье под давлением. Наиболее распространенный и прогрессивный метод переработки пластмасс, так как позволяет получать изделия сравнительно сложной конфигурации при небольших затратах труда и энергии. Процесс изготовления изделий основан на заполнении полости формы расплавом, его уплотнением за счет давления с последующим охлаждением [28-30]. Метод предъявляет существенно более жесткие требования к реологическим характеристикам перерабатываемых материалов. Способы литьевого формования можно разделить на три класса. 1. Инжекционный метод (рис. 1.5, а). Требуемый объем расплава (доза) накапливается при вращении и отходе назад шнека в передней части материального цилиндра литьевой машины и затем при аксиальном движении шнека под давлением 100-200 МПа впрыскивается (инжектируется) в течение нескольких секунд в сомкнутую пресс-форму. Это наиболее распространенный способ. Он позволяет получать изделия сложной конфигурации с различной Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 25

толщиной стенок, допускает использование многогнездных форм с различной литниковой системой. Интрузионный 2. метод (рис. 1.5, б). Применяется при шнековом способе полимера пластикации для получения толстостенных изделий. Его суть заключается в следующем: вращением червяка расплав в а режиме экструзии подается в прессформу и заполняет ее, после этого червяк останавливается и осевым движением подпитывает форму, компенсируя естественную усадку остывающего расплава. 3. Интрузионно – прессовый метод (рис. 1.5, в). Используется для получения значительных прессования, формы изделий по площади когда заполнение сопровождается Рисунок 1.5 – Инжекционный, интрузионный (а) и интрузионно-прессовый (б, в) методы литья: 1, 3 – подвижный и неподвижный формоносители; 2 – пресс-форма; 4 – материальный цилиндр со шнеком существенным падением давления расплава в ее периферийных частях, что вызывает эффект разнопрочности изделия. Сущность технологии состоит в том, что практически полное заполнение формы(на первой стадии) производится интрузией при вращении шнека (рис. 1.6,б).На второй стадии(рис. 1.6, в) за счет прессового механизма узла смыкания (при остановке шнека) происходит оформление тонкостенных элементов детали. С этой целью применяются литьевые формы, конструкция которых допускает перемещение пуансона и после смыкания формы. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 26

Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 27

1.3 Композиционные материалы триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) Как уже отмечалось, на современном этапе развития машиностроения все больше металлических деталей заменяется полимерными. Данное явление связано с низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, легкостью ремонта, низкой себестоимостью и малым весом таких деталей. Такие детали, как опорные кольца, комбинированные уплотнения, защитные и грязесъемные кольца, в настоящее время изготавливают из полиамида и его угленаполненных композиций. Однако данный полимер имеет существенный недостаток – низкую влагостойкость, приводящую к 3-, 4кратному ухудшению упруго-прочностных и трибологических характеристик. Решением данной проблемы может стать замена полиамида на другой полимер с требуемым комплексом эксплуатационных свойств. Перспективным в данном отношении может стать СВМПЭ. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (Ultra-highmolecular-weightpolyethylene; высокомодульный UHMWPE), полиэтилен также известный (high-moduluspolyethylene; как HMPE) высокопроизводительный полиэтилен (high-performancepolyethylene; или HPPE) является одной из разновидностей термопластичного полиэтилена. Это вещество состоит из чрезвычайно длинных цепей молекул и отличается высокой молекулярной массой - от 2 до 6 миллионов. Длинные цепочки служат для более эффективной передачи нагрузки и распределения ее внутри полимера путем укрепления межмолекулярных взаимодействий. Из этого вещества создаются очень жесткие материалы с высокой ударной прочностью. По данному показателю СВМПЭ превосходит любой термопластичный полиэтилен, промышленное производство которого сейчас налажено [31]. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности обладает высокой стойкостью к агрессивным химическим веществам, за исключением Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 28

окисляющих кислот, характеризуется предельно низким поглощением влаги и очень низким коэффициентом трения в условиях граничной смазки 1.3.1 Физико-механические и реологические характеристики СВМПЭ Сегодня порошковые [порошкообразные] материалы из СВМПЭ производят компании Ticona, Braskem и Mitsui. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности доступен на рынке либо в виде уплотненных форм, таких как листы или стержни, или же в виде волокон. СВМПЭ в форме порошка может также быть непосредственно опрессован в форме конечного продукта. Благодаря устойчивости к износу и ударопрочности данного вещества промышленные Сверхвысокомолекулярный применения полиэтилен СВМПЭ применяется продолжают в расти. автомобильной промышленности и при производстве тары для напитков. СВМПЭ является одним из видов полиолефинов. Он состоит из очень длинных цепей полиэтилена, который выравнены в одном и том же направлении. Прочность вещества в значительной степени зависит от длины каждой отдельной молекулы (цепи). Так как сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности не содержит таких химических групп, как, например, сложные эфиры, амиды или гидроксильные группы, которые восприимчивы к воздействию агрессивных химических веществ, СВМПЭ очень устойчив к воздействию воды, влаги, большинства химических веществ, ультрафиолетового излучения и микроорганизмов. При воздействии растягивающей нагрузки СВМПЭ будет непрерывно деформироваться, пока присутствует напряжение. Такой тип деформации называется ползучестью [35]. В табл. 1.2 представлены основные физико-механические свойства СВМПЭ в сравнении с полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП) Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 29

Таблица 1.2. Физико-механические свойства СВМПЭ и ПЭНД [35] № п/п Показатели 1 Плотность, кг/м3 2 Степень кристалличности, % 3 Молекулярная масса 4 Температура потери прочности, оС 5 Предел текучести при растяжении, МПа 6 Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 7 Относительное удлинение при разрыве, % 8 Модуль упругости при изгибе, МПа Метод испытания ГОСТ 15139-69 По Гермаису Расчетным путем [35, с. 30] ГОСТ 11262-80 ГОСТ 11262-80 ГОСТ 11262-80 ГОСТ 955080 СВМПЭ ПЭВП 934 950 50 64 2 млн. 0,5 млн. 217 <150 20 25 45 25 450 600 550 650 1.3.2 Наноразмерные и тонкодисперсные модификаторы, улучшающие упруго-прочностные и трибологические характеристики СВМПЭ К тонкодисперсным наполнителям, снижающим коэффициент трения полимеров, относятся порошки графита, дисульфида молибдена, бронзы, некоторых селенидов и йодидов металлов. Все эти материалы являются хорошими сухими смазками. Низкий коэффициент трения этих соединений обусловлен их слоистой структурой и низкой энергией связи между слоями. При воздействии нагрузки слои движутся относительно друг друга и обеспечивают низкую силу трения[36]. Например, МоS2 состоит из слоев, в которых атом Мо окружен четырьмя атомами серы, а слои слабо связаны между собой через атомы серы. Введение этих порошков весьма существенно снижает коэффициент трения многих полимеров (термопластов и реактопластов), особенно тех, которые характеризуются высоким его значением. Так коэффициент трения полиамида при введении 30 мас. % МоS2 снижается с 0,4 до 0,05. Это уменьшает энергию, затрачиваемую на преодоление силы трения, и, как следствие, снижает износ полимера и тепловыделение в узле трения. Полимеры с такими добавками Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 30

можно применять без специальных жидких смазок, поскольку сами наполнители являются хорошими смазками. Исключение потребности в смазке является положительным качеством для некоторых специфических областей применения узлов трения, где попадание смазки недопустимо [41]. 1.3.3 Методы совмещения углеродных нанотрубок с полимерной матрицей С помощью направленной модификации данного полимера возможно улучшение его физико-механических и трибологических свойств. Наиболее распространенным подходом в этом отношении является введение наполнителей, например, наночастиц (таких как углеродные нанотрубки, аэросил, графит, шунгит, фуллерены и др.)[33]. В таком случае, в качестве полимерной матрицы выступает сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), а в качестве дисперсного наполнителя – углеродные нанотрубки. Таким образом, полученный нанокомпозит на основе СВМПЭ обладает уникальными свойства. По прочностным показателям углеродный нанокомпозит в 3 и более раз превосходит лучшие марки углеродных материалов традиционной технологии. Он хорошо обрабатывается механически. Высокая механическая прочность в сочетании с наноразмерными дискретными элементами структуры позволяет изготавливать из него детали сложной геометрической формы с острыми кромками, полированными до высокого класса чистоты поверхности. Основная классификация нанотрубок проводится по количеству составляющих их слоев [55]. Однослойныенано трубки (single-wallednanotubes, SNWTs) –простейший вид нанотрубок (рис. 1.6 а). Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как «обертывание» Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 31

гексагональной сетки графита (графена), основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода, вбесшовный цилиндр. а б Рисунок 1.6 – Графическое изображение однослойная углеродная нанотрубка (а) и графическое изображение многослойная углеродная нанотрубка (б) Многослойные нанотрубки (multi-wallednanotubes, MWNTs) состоятиз нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки (рис. 1.6 б). Расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Углеродный нанокомпозит при нормальных условиях инертен практически ко всем химически активным средам. Он стоек в среде кислот, щелочей, хлорорганических соединений, расплавов цветных металлов, фторидов щелочных металлов [33]. Электрохимический потенциал углеродного нанокомпозита (+0,340 мВ) сопоставим с наиболее пассивными благородными металлами: платиной (+0,332 мВ) и золотом (+0,334 мВ). Углеродный нанокомпозит непроницаем для жидкости и газа, работоспособен в потоке тепловых нейтронов. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 32

Низкий коэффициент трения углеродного нанокомпозита в сочетании с химической инертностью и непроницаемостью для жидких сред обеспечивает работоспособность торцевых уплотнений агрессивных сред. Высокие физико-механические характеристики и газонепроницаемость углеродного нанокомпозита, которые сохраняются до температур 2000oС, обеспечивают работоспособность высокотемпературных торцевых уплотнений энергонасыщенных узлов трения тепловых машин. Углеродный нанокомпозит обеспечивает работоспособность газодинамических подшипников. Он хорошо работает практически с любым контртелом. Рекомендуемой парой является углеродный нанокомпозит – сталь ШХ15. Известен такой способ изготовления нанокомпозита одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ)/полимер (патент US 2008/0290020 A1, МПК G03F 7/16 от 27.11.08), включающий операции перемешивания углеродных нанотрубок (УНТ) в растворителе, ориентацию УНТ на фильтре методом фильтрации, изготовление полимерной матрицы, состоящей из полимера и растворителя, введение ориентированных углеродных нанотрубок в полимерную матрицу, удаление растворителя из композита и температурный нагрев композита стеклования в полимера. предварительно вакууме В до температуры, данном модифицированных способе УНТ большей возможно химическими температуры использование веществами, содержащими такие функциональные группы, как: амины, алканы, алкены, эфиры, серная, фосфорная, борная, карбоксильная кислота. Материалом полимерной матрицы может быть полиимид, полисульфон, целлюлозный ацетат, поликарбонат, полиметакрилат, другие термопластичные полимеры и другие стеклянные полимеры. Недостатком этого способа является то, что метод фильтрации не дает достаточной ориентированности УНТ в объеме полимерной матрицы, из-за чего характеристики нанокомпозита ухудшаются. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 33

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является Способ формирования композитов полимер/углеродные нанотрубки (патент US 2008/0306184 А1, МПК G21F 1/02 от 11.12.08), состоящих из полимерной матрицы, армированной ориентированным массивом УНТ. Согласно предложенному способу растворение полимера осуществляется в растворителе, после чего производится обработка ультразвуком находящихся в растворителе УНТ и введение ориентированных УНТ в полимерную матрицу. Из полученной смеси предлагается сформировать на подложке слой нанокомпозита методом центрифугирования и обработать его ультразвуком в течение времени, достаточного для распределения УНТ по всей матрице полимера, после чего производится термообработка нанокомпозита термическим методом при температуре, не выше температуры деструкции полимерной матрицы [52-54]. Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что метод обработки ультразвуком не позволяет получить достаточной ориентированности УНТ в объеме полимерной матрицы, из-за чего характеристики нанокомпозита ухудшаются. Однако данные способы получения нанокомпозита не подходят для работы с полимерной матрицей, в качестве которой выступает сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тогда был предложен способ совмещения углеродных нанотрубок с СВМПЭ с помощью высокоэнергетической планерной мельницы, которая способствует изменению не только структуры обоих компонентов, но и влияет на физико-механические свойства нанокомпозита. 1.4 Методы переработки СВМПЭ и композиций на его основе Основными методами переработки СВМПЭ с молекулярной массой до 3,5 млн. являются литье под давлением и экструзия, а с молекулярной массой до 6млн – горячее прессование и плунжерная экструзия. Перспективным Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 34

методом переработки второго вида СВМПЭ считается спекание с последующим прессованием или плунжерной экструзией. Ведутся работы по созданию специализированных машин для литья под давлением этого материала. На выбор метода переработки влияют размеры детали, толщины стенки и геометрия частиц. СВМПЭ с молекулярной массой до 3,5млн. в основном перерабатывается стандартными методами – литьем под давлением и экструзией. В отличие от других термопластов, его подвергают термообработке без введения антиоксидантов или термостабилизаторов. Широкому применению СВМПЭ с молекулярной массой до 6 млн. препятствует трудность его переработки вследствие высокой вязкости расплава. Материал не плавится при температуре выше точки плавления его кристаллической фазы (136 о С), а только переходит в вязкоэластичное состояние. Лист из СВМПЭ при температуре выше 150 оС можно сравнить с листом из мягкой резины [35]. Сначала СВМПЭ перерабатывали только одним методом – горячим прессованием – в полуфабрикаты, которые подвергали затем механической обработке до получения изделия желаемой формы. В последующем были разработаны специальные экструдеры для изготовления простых профилей, труб, стержней, прутков. Прессование в настоящее время остается основным методом переработки СВМПЭ. На его долю приходится 60%, плунжерная экструзия составляет 35%, червячная – 4%, литье под давлением – 1%. [34] При прямом прессовании СВМПЭ помещают в нижнюю нагретую полуформу в виде порошка или предварительно отформованного брикета (таблетки). Для уменьшения разности температур между пресс формой и материалом его предварительно подогревают ~ до температуры 220 оС и предварительно подпрессовывают в пресс форме при давлении10 МПа в течение 5 10 мин. В процессе прессования полуфабрикат должен сначала принять форму детали, затем уплотниться при 2 5 МПа в течение 2 3 ч (для деталей толщиной 30 мм). Процесс прессования происходит при температуре 200…240 оС и давлении 8…10 МПа [34]. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 35

Литьевое прессование заключается в нагреве СВМПЭ в специальный камере, из которой материал продавливается в пресс форму по литниковым каналам. Свойства изделий (прессованные пластины) на основе СВМПЭ определяются малой скоростью движения плунжера, применением крупных, обтекаемой формы каналов литьевого сопла. Полимер пластицируют при температурах цилиндра 250 оС и поршня 200 оС. В течение первых 6 мин давление на поршень увеличивается от 1,4 до 56 МПа. Пресс форму перед впрыскиванием материала нагревают до 126…127 оС, затем охлаждают в течение 3…8 мин, а после снятия давления вновь нагревают [34]. При переработке СВМПЭ экструзией его пластицируют при давлении 3…5 МПа в материальном цилиндре экструдера за счет вращения шнека и затем продавливают через формообразующую головку, где происходит предварительное формование изделия. Используют машины двух типов: двухшнековые (с одинаковым направлением вращения шнеков (Screwextrusion) и плунжерные (Ramextrusion). Во избежание уменьшения молекулярной массы под воздействием усилий сдвига экструзию ведут при очень низкой частоте вращения шнеков (~10 мин -1). В плунжерных экструдерах полиэтиленовый порошок сжимается до образования уплотненной массы, которая в последней обогреваемой зоне цилиндра пластицируется под высоким давлением. Температура переработки составляет 180 200 0С. [34] Фирма «MitsuiPetrochemicalInd» (Япония), используя метод получения СВМПЭ «Lubmer», перерабатывает СВМПЭ (марка Hizex Million) литьем под давлением при изготовлении изделий с низким коэффициентом трения (для вкладышей подшипников), а прессованием и экструзией изготавливает листы, блоки, трубы [34]. Перспективным методом переработки СВМПЭ, способным обеспечить массовое производство последующим изделий, прессованием или считают очень плунжерной быстрое спекание экструзией. с Основным элементом, позволяющим реализовать этот метод, являются смесительные лопасти Gelimat, разработанные фирмой «Draiswerke» (ФРГ), которые впервые Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 36

опробованы и усовершенствованы фирмой «Carlew Chemicals» (Канада). Установка для спекания включает горизонтальную камеру с центральным валом вращения, вокруг которого в шахматном порядке под разными углами расположены смесительные лопасти Gelimat, количество и положение которых определяются объемом камеры (обычно от 1 до 250 л). Скорость вращения вала очень высока, так что окружная скорость наконечника лопасти составляет 46 м/с. При такой скорости различные частички материала полностью диспергируются и гомогенизируются. В течение спекания поверхность отдельных полимерных частиц плавится при их контакте друг с другом в точках соприкосновения и таким образом получается пористый образец, готовый к формованию[34]. 1.5 Методы получения самоармированных композиций СВМПЭ В последние годы повышенный интерес исследователей применительно к проблеме упрочнения СВМПЭ вызывают так называемые самоармированные полимерные композиты (Single-PolymerComposites – SPС), в которых как матрица, так и армирующий наполнитель образованы на основе одного и того же термопластичного полимера. К настоящему времени в промышленном масштабе реализовано три метода получения самоармированных ПКМ на основе СВМПЭ [39]: 1)горячее компактирование; 2)горячее прессование чередующихся слоев; 3)совместная экструзия. 1.5.1 Горячее компактирование Метод горячего компактирования (hotcompaction) разработан в Университете Лидса (Великобритания) на примере полиэтиленовых (ПЭ) волокон [41, 42]. Механизм получения самоармированных ПКМ на основе Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 37

СВМПЭ посредством горячего компактирования представлен на рис. 1.7. Метод использует отмеченное ранее наличие для частично кристаллических полимеров интервала температуры плавления. Данный метод обладает следующими преимуществами: – используется только один исходный материал; – получаемый композит характеризуется очень большой объемной долей армирующего наполнителя, что определяет высокие механические свойства композита; – передача напряжений между матрицей и армирующими волокнами осуществляется благодаря формирующемуся в ходе процесса транскристаллическому слою; – армирующий наполнитель равномерно распределен в матрице. Рисунок1.7 – Механизм горячего компактирования (армирующий компонент показан синим цветом, матрица – красным цветом):а– исходные волокна; б– плавление поверхности волокон при определенных значениях температуры и давления; в– формирование матрицы в процессе охлаждения и рекристаллизации расплава Основным недостатком метода является очень узкий температурный диапазон обработки (как правило, ~5°C), который представляет собой разницу между оптимальной температурой проведения процесса и температурой плавления волокон. Если температура приближается к верхней границе диапазона, слишком много волокон преобразуется в изотропную матрицу. Если температура близка к нижней границе диапазона, содержание матрицы недостаточно для связывания армирующего наполнителя по всему объему композита. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 38

1.5.2 Горячее прессование чередующихся слоев Данный метод заключается в расположении армирующих слоев между пленками СВМПЭ с последующей консолидацией посредством горячего прессования. Схема процесса приведена на рис. 1.8. Как правило, армирующие слои состоят из тканого материала на основе высокоориентированных кристаллических волокон или лент. Следует отметить, что плавление пленокпрекурсоров матрицы должно начинаться при более низкой температуре по сравнению с плавлением армирующих слоев. Метод характеризуется следующими преимуществами: – большой температурный диапазон обработки; – широкий выбор материалов; – низкая стоимость предварительных операций [42]. Рисунок1.8 – Схема получения самоармированных ПКМ на основе СВМПЭ посредством горячего прессования чередующихся слоев Указанным методом получают самоармированные ПКМ на основе ПЭ, ПП, ПЭТФ, полилактида. Для получения самоармированных ПКМ на основе СВМПЭ указанным методом можно использовать свойство полимеров кристаллизоваться в двух или более полиморфных модификациях, характеризующихся различными механическими свойствами и температурой плавления. В частности, получен самоармированный ПКМ на основе ПП, причем материалом матрицы служила Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 39

β-модификация ПП, а в качестве армирующего наполнителя выступали волокна ПП α-модификации. Аналогичным образом получены самоармированные ПКМ на основе полиамида 6 и полиамида 66. 1.5.3 Совместная экструзия Строго говоря, метод совместной экструзии относится к получению полимер-полимерных композитов, поскольку матрица и армирующий компонент различаются по химическом составу. Данный метод относится к получению бикомпонентных лент, включающих внешний слой (оболочку) и сердцевину. Внешний слой состоит из сополимера с меньшей температурой плавления по сравнению с гомополимером, из которого состоит сердцевина (как правило, в качестве гомополимера используют ПП, а в качестве сополимера – статистический сополимер пропилена с этиленом). Геометрическая форма в виде ленты считается предпочтительной по сравнению с круглым сечением волокон, поскольку снижение толщины материала приводит к снижению извитости ткани, что увеличивает ее армирующую способность. Схема процесса приведена на рис. 1.9. Для обеспечения требуемых жесткости и прочности армирующего компонента процесс включает двухстадийную операцию вытягивания. Готовые изделия получают на основе преформ различных конфигураций посредством горячего прессования. Метод совместной экструзии характеризуется следующими преимуществами: – большой температурный диапазон обработки (20–40°C); – высокая объемная доля армирующего компонента в ленте (до 90%). Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 40

Рисунок 1.9 – Схема получения бикомпонентной ленты марки Pure® посредством совместной экструзии 1.6 Методы изучения эксплуатационных и технологических характеристик полимерных композиций В эксплуатационных условиях работоспособность направляющих втулок, комбинированных уплотнений, защитных колец и других конструкционных изделий из антифрикционных композиций определяется в первую очередь значениями физико-механических характеристик. Прочность указанных деталей в значительной мере зависит также от технологичности композиций и правильного выбора параметров переработки гранулята. Первое предполагает знание совокупности деформационных и прочностных свойств материала. Второе требует изучения процесса текучести материала, т.е. комплекса реологических и теплофизических характеристик, определяющих способность антифрикционных композитов к переработке методами экструзии, прессования и литьем под давлением. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41

1.6.1 Приборы и методы изучения физико-механических свойств полимерных композиций Основой для понимания поведения материала в условиях эксплуатации являются сведения о том, как материал реагирует на механические и температурные нагрузки. Все методы измерения механических характеристик полимерных материалов можно разделить на следующие виды. 1. Технические измерения при однократном нагружении. Такие измерения являются наиболее массовыми техническими измерениями при испытании композиционных материалов. К этой группе относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, ударную вязкость, раздир, твердость и другие, в ходе которых производится нагружение образца до разрушения или до заданного значения напряжения (деформации). Связь между напряжением, деформацией, температурой и временем проявляется в таких испытаниях в широком диапазоне деформацийи обычно выражается графически в виде диаграммы «напряжение – деформация», которая, как правило, отвечает одной температуре испытания. Наиболее предпочтительным является режим растяжения при постоянной скорости движения рабочих органов испытательной машины. В большинстве случаев напряжение рассчитывается на исходное сечение, а деформация – по отношению к величине базового размера образца. При испытаниях на растяжение используют три типа образцов, форма которых и условия испытаний регламентированы ГОСТ 11262-80 и ASTMD 1708-66. Образцы вырубают штанцами из плоских пластин. В результате данных испытаний определяют модуль упругости, секущий модуль, предел текучести, максимальную деформацию, разрушающее и максимальное напряжения. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 42

Для испытаний используют испытательные машины, позволяющие производить закрепление стандартного образца в зажимах, его силовое и температурное нагружение, регистрацию усилия нагружения и деформации образца, автоматическую обработку полученных результатов. Испытания на статический изгиб регламентируются ГОСТ 4648-71. Сущность заключается в том, что образец для испытаний, свободно лежащий на двух опорах, кратковременно нагружают в середине между опорами. В результате данных испытаний определяют изгибающее напряжение при максимальной нагрузке и модуль упругости при изгибе. Определение твердости композиционных материалов по ГОСТ 4670-91 (метод вдавливания шарика) проводят для научно-исследовательских целей и контроля качества. Сущность метода заключается во вдавливании шарика при заданной нагрузке в поверхность образца, измерении глубины вдавливания и расчете площади поверхности отпечатка по его глубине. Твердость по данному методу (МПа) представляет собой отношение нагрузки (Н) к площади отпечатка (мм2). 2.Технические измерения в условиях длительного нагружения. К ним относят испытания на релаксацию напряжений, ползучесть и долговременную прочность. 3.Технические измерения в условиях динамического нагружения. К ним относят испытания пластмасс методом вынужденных колебаний, резонансных колебаний и свободнозатухающих колебаний. 4.Технические измерения триботехнических характеристик. Проводят на трибометрах с целью определения применимости пластмасс в узлах трения. В результате данных испытаний определяют: коэффициент трения и интенсивность износа при заданных значениях давления, температуры и скорости скольжения образца по контртелу. Условия испытаний регламентируются ГОСТ 11629-75 и ГОСТ 11012-69. Контртело при испытаниях на трение может представлять собой диск из стали 45 с твердостью Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 43

45-60 HRCэ, при испытаниях на износ – шлифовальную шкурку с эталонной истирающей способностью (регламентируется ГОСТ 11012-69). Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 44

1.6.2 Приборы и методы изучения трибологических свойств полимерных композиций При исследовании трибологических свойств полимерных материалов, используемых для изготовления антифрикционных деталей (в том числе деталей силовых гидроцилиндров), работающих в условиях постоянного давления, используется режим постоянной скорости скольжения. Сила трения при этом определяется при постоянной нагрузке или деформации сжатия. В последнем случае из-за протекания релаксационных процессов контактное давление является переменным. Основными параметрами при измерении силы трения являются контактное давление, скорость скольжения и температура. Различают методы поступательного, вращательного и колебательного движения. Наиболее распространены методы, использующие вращательное движение твердой поверхности по отношению к образцу полимерного материала. Испытания пластмасс обычно проводят на приборах, предназначенных для твердых (металлических) тел. а б г в д е Рисунок 1.10 – Образцы и кинематические схемы трения при испытаниях: а – диск-диск; б – диск-колодка; в – вал-втулка; г – кольцо-кольцо; д – диск-палец; е – ролик-барабан Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 45

Классификация наиболее часто применяющихся кинематических схем узлов трения трибологических приборов, отличающихся коэффициентом взаимного перекрытия, представлена на рис. 1.10 [14]. 1.6.3 Приборы и методы изучения реологических свойств полимерных композиций Как известно [45,47], расплавы полимеров по реологическому поведению относятся к классу нелинейных вязкоупругих сред. У них вязкость, модуль упругости при сдвиге и другие характеристики являются функцией скорости и длительности нагружения. Принято все методы реологических измерений таких сред разделять на статические и динамические. К статическим методам относят капиллярную и ротационную вискозиметрию. К динамическим – измерения реологических характеристик при сравнительно высоких знакопеременных частотах нагружения и методы, в которых используются те или иные колебательные измерительные комплексы с сосредоточенной массой и инерцией. Все устройства для проведения реометрических исследований согласно М. Рейнеру делятся на три класса. 1. Приборы, на которых реализуется деформация сжатия, близкая к однородной. К ним относятся сжимающие пластометры. 2. Приборы ламинарного сдвига, обработка данных на которых из-за неоднородного поля скоростей деформаций требует интегрирования или дифференцирования результатов опыта. К таким приборам относят ротационные и капиллярные вискозиметры. 3. Приборы, на которых реализуется ламинарное течение сложного вида, например, вискозиметры с падающим шариком. Идея более распространенных ротационных вискозиметров (реометров), заключается в том, что меру сопротивления сдвиговому течению можно определить, измеряя крутящий момент и угловую скорость при относительном вращении измерительных тел. Семейство ротационных вискозиметров Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 46

включает в себя измерительные системы с соосными цилиндрами, конусами, дисками, сферами и комбинированные. Ротационные вискозиметры могут работать в режимах: а) постоянства скорости деформации  =const; б) постоянства крутящего момента М = const. Методики обработки результатов измерений и вычисления реологических характеристик, получаемых на данном классе приборов, представлены в работах [45, 47]. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 47

1.7 Цели и задачи исследования По результатам анализа источников сформулирована цель работы – на основе теоретических и экспериментальных исследований разработать состав, технологические процессы производства и переработки и исследовать свойства антифрикционного композита на основе СВМПЭ для изготовления антифрикционных деталей силовых гидроцилиндров Для достижения поставленной цели в работе необходимо решение следующего перечня научных и технических задач. 1. Провести теоретический анализ сил, действующих в трибосопряжениях силового гидроцилиндра С100/40×200-344 трактора МТЗ 80 для установления максимальных значений контактных нагрузок. 2. Разработать конструкцию и изготовить приставку к лабораторному смесителю периодического действия PolyLabRheomix 600 OS для изучения трибологических характеристик антифрикционных композитов на основе СВМПЭ. 3. Разработать техпроцесс механохимической активации компонентов антифрикционных композиционных материалов на основе СВМПЭ на планетарно-шаровой мельнице с «Пульверизетте-7» установлением оптимального времени обработки. 4. Разработать трибологические и составы, исследовать реологические физико-механические, характеристики антифрикционных композиционных материалов, содержащих СВМПЭ и различные комбинации углеродных нанотрубок, а также других наноразмерных модификаторов. 5. Провести анализ полученных результатов и выделить состав с оптимальным сочетанием эксплуатационных и технологических характеристик. 6. Исследовать возможность реализации эффекта самоармирования при изготовлении модели опорно-направляющего кольца гидроцилиндра из разработанного композита. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 48

7. Разработать рекомендации по применению разработанного состава антифрикционного композита на основе СВМПЭ для изготовления антифрикционных деталей силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 49

2 МЕТОДИКИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1 Анализ контактных нагрузок в трибосопряжениях силового гидроцилиндра С100/40×200-344 трактора МТЗ 80 В силовых гидравлических приводах дорожной и сельскохозяйственной техники применяются гидроцилиндры, назначение которых заключается в преобразовании энергии, полученной рабочей жидкостью от насоса, в механическую энергию возвратно – поступательного действия для перемещения различных навесных и прицепных орудий. По данным ряда исследований доля постепенных отказов, связанных с износами деталей, составляет более 70% от общего ремонтного фонда гидроцилиндров. При этом 80%-ный гамма-ресурс новых гидроцилиндров равен 5440 часов работы трактора, что в 1,5 раза ниже ресурса, заявленного заводом-изготовителем. Доминирующее влияние на надежность гидроцилиндров оказывают эксплуатационные факторы, в первую очередь, силовые взаимодействия деталей трибосопряжений. Для определения контактных нагрузок, действующих в трибосопряжениях штока и поршня, рассмотрим условия работы силового гидроцилиндра С100/40×200трактора МТЗ 80/82, подробно проанализированные в работе [70]. Указанный гидроцилиндр имеет следующие технические характеристики: ход поршня – S = 200 мм; диаметр поршня – dп = 100 мм; диаметр штока – dш = 40 мм; диаметр пальца шарнира dпш= 25 мм; максимальное давление масла – pг = 16 МПа; тянущее усилие на штоке –Fгц= 105,5 кН; номинальная скорость движения поршня – Vп = 0,15 м/с. На рис. 2.1 представлена схема сил, действующих на шток и поршень силового гидроцилиндра в переднем (а), промежуточном (б) и заднем (в) положениях штока. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 50

Из рисунка следует, что при угле 90º между осью штока 5 и рычагом 6 достигаются наиболее благоприятные условия нагружения пар трения «крышка-шток» и «поршень-гильза» из-за минимальности радиальных нагрузок, создаваемых рычагом 6 на поршень 3 и шток 5 при подъеме навесного оборудования трактора. При переходе через угол 90º наступает фаза роста радиальных нагрузок. Наибольший их уровень достигается в начальном и конечном положениях поршня. В шарнирных сочленениях А и B возникают А B встречные моменты трения M тр , обусловленные вращением отверстий и M тр относительно пальцев. Величина моментов трения определяется значениями радиальных реакций RшA и RшB в шарнирных сопряжениях. Эти моменты трения в свою очередь определяют возникновение равных реакций со стороны крышки Rк и гильзы цилиндра Rц, т.е. Rц  Rк  R . Указанные реакции определяют величину сил трения Fтр на штоке и поршне. Значение реакции согласно указанной работе может быть вычислено по следующей формуле: R 33036 f ш d пш sin  (2 ff ш d пш  50  S x ) (2.1) На рис. 2.2 представлены расчетные зависимости реакций шарнира RшВ, крышки и гильзы R=Rц=Rк, силы трения между штоком и крышкой гидроцилиндра (Fтр=f R)и рабочего давления pг гидравлической системы от хода поршня S гидроцилиндра. Из графиков видно, что минимальные значения реакции RшВ и давления в гидросистеме pг достигаются при положении поршня S = 118,2 мм. Это связано с тем, что при данном положении поршня, угол между осью штока и рычагом навески трактора равен 90º (рис. 2.2б) и реакция шарнира RшВ численно равна реакции подъема навески Rгр. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 51

Рисунок 2.1 – Схема сил, действующих на шток и поршень гидроцилиндра в переднем (а), промежуточном (б) и заднем (в) положениях штока: 1 – плита трактора; 2 – гильза; 3 – поршень; 4 – крышка; 5 – шток; 6 – рычаг навески Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 52

При значениях угла между осью штока и рычагом навески трактора, отличном от 900, гидроцилиндру необходимо большее для преодолеть сопротивление подъёма навески, вследствие чего требуется большее давление гидросистеме pг, что в в свою очередь приводит к а увеличению реакции RшВ. Максимальные значения реакция RшВ и давление в гидросистеме принимают pг в начале подъема навески трактора. Минимальные значения силы трения Fтр и реакций крышки и гильзы R достигаются при S= 175 мм, то есть в положении, б Рисунок 2.2 – Зависимость значений реакций (а), силы трения и давления в гидросистеме (б) от положения поршня близком концу хода гидроцилиндра при поднятии навески трактора, когда расстояние между поршнем и крышкой близко к максимальному значению. А максимальные значения силы трения Fтр и реакций крышки и гильзы R достигаются в начале подъема навески - при максимально близком расстоянии между поршнем и крышкой. Однако, более половины хода гидроцилиндра, при положениях поршня от 86,52 до 200 мм, величина сил реакций крышки и гильзы (R=Rц=Rк) изменяется незначительно и имеет среднее значение, равное примерно 710Н. Таким образом, значения сил реакций R и сила трения Fтр деталей штокового и Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 53

поршневого уплотнительных узлов изменяются в процессе всего рабочего цикла гидроцилиндра, что приводит к неравномерному износу рабочих поверхностей трибосопряжений. Следуя методике П.И. Орлова [71]оценим уровень максимальных контактных напряжений в трибосопряжении «передняя крышка цилиндра – шток», величина которых вследствие меньшего диаметра сопряжения будет существенно выше, чем в сопряжении «цилиндр – поршень». Паспортные значения: диаметр отверстия крышки Dкр = 40+0,05 мм; длина области контакта крышки и штока l = 35 мм; диаметр штокаdш= 40 00,,1032 мм; среднее значение зазора на диаметр Δ = 40,025– 39,934 = 0,091 мм. Для максимального значения реакции Rmax = 3850 Н (рис. 2.4) величина напряжений сжатия при отсутствии зазора составит:  сж  Rmax /(ld ш )  3850 /(35  40)  2,75 МПа , Максимальные контактные напряжения при (2.2) одинаковом модуле упругости материалов согласно [71] могут быть вычислены по формуле:  max  0,6k ( сж E )1/ 2 , (2.3) где Е–модуль упругости материалов сопряжения, МПа Безразмерная величина k определяется по графику (рис. 2.3), приводимому из указанного источника. На рис. контактных 2.4 представлена напряжений от расчетная зазора между зависимость штоком и максимальных направляющей, выполненной из различных материалов: стали 45 (E = 2,1 105 МПа), чугуна СЧ15-32 (E = 1,5 105 МПа) и полиамидного композита (E = 3,26 103 МПа). Из графика следует, что при отношении диаметра отверстия крышки к диаметру штока a = 1,01 (случай возможного износа) максимальные контактные напряжения (в случае крышки цилиндра, выполненной из чугуна) возрастают от 5 МПа до 13,7МПа (зазор 0,4 мм). Отсюда следует, что по мере увеличения зазора между сопряженными деталями скорость изнашивания должна быстро нарастать. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 54

Из анализа причин отказов силовых гидроцилиндров следует, что на их работоспособность значительное влияние оказывает силовой режим работы, который приводит к Рисунок 2.3 – Зависимость коэффициента k от отношения диаметров, контактирующих цилиндров возникновению значительных реакций со стороны крышки и гильзы цилиндра. При этом величина реакций в переднем положении поршня практически в шесть раз больше реакций, реализуемых в заднем положении. Всё это приводит к Рисунок 2.4 – Зависимость максимальных контактных напряжений от зазора между штоком и отверстием крышки возникновению в вертикальной плоскости значительных износов рабочих поверхностей сопряженных деталей и увеличению зазоров в подвижных уплотнительных узлах. Для восстановления работоспособности и повышения долговечности силовых гидроцилиндров возможно два пути решения задачи: 1) восстановление изношенных поверхностей деталей в подвижных узлах нанесением антифрикционных металлопокрытий, триботехнические параметры которых превосходят триботехнические параметры материалов новых деталей; 2) изменение конструкции трибосопряжений путем монтажа в крышку и поршень гидроцилиндров направляющих опорных колец из износостойких Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 55

полимерных композитов, что приведет значительному снижению интенсивности изнашивания деталей ресурсоопределяющих сопряжений и снижению трудоемкости ремонта гидроцилиндров. 2.2 Разработка конструкции трибометрической приставки к лабораторному смесителю периодического действия PolyLabRheomix 600 OS Основной целью данной разработки было создание трибометрической приставки со схемой истирания «диск – колодка», в которой кроме трибометрических испытаний реализуется возможность предварительного формования полимерного образца (колодки),имеющего истираемую поверхность, точно соответствующую поверхности контртела (диска). Данная возможность может быть реализована при использовании лабораторного смесителя периодического действия PolyLabRheomix 600 OS. Внешний вид лабораторный смеситель Rheomix 600 OS представлен на рис. 2.5, внешний вид разработанной трибометрической приставки – на рис. 2.6 Электрообогреваемый компаундирования, лабораторный смешения и смеситель тестирования предназначен полимеров, для эластомеров, керамики и других материалов. Камера смешения состоит из трех секций с раздельным температурным контролем (передняя панель, центральная камера и задняя панель). Смеситель имеет простую смену роторов, систему безопасности для чистки двумя руками. Сменные втулки для разных температур и применений. Управление по шине CANopen. Технические характеристики: объём камеры - 120 cm³; материал – нержавеющая сталь 1.4301; максимальный крутящий момент – 160 Nm; защита от перегрузки – электрическая; максимальная скорость – 250 min-1; соотношение скоростей роторов – 3:2; максимальная температура – 400 °C; число зон – 3 (нагрев / охлаждение); охлаждение – 1 магнитный вентиль (сжатый воздух). Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 56

Комплектность: комплекты роторов Cam, Sigma, Banbury, Roller для Rheomix 600/610; подающе-запорное устройство; компрессор с ресивером 50 л (250 л\мин, 8 бар, мотор 1500 Вт, 230 В); охлаждающий циркуляционный термостат-баня AC 200-A40 (-40 .. +200°C; всасывание и нагнетание - 20 л/мин и 474 мбар (330 мбар всасывание); программное обеспечение PolySoftOSMixerTestandDataEvaluationforWindows для проведения тестов и обработки результатов измерения на смесителе; принадлежности (загрузочная направляющая, 3 управляющих термопары, 1 термопара камеры смешения). б а в Рисунок 2.5 – Общий вид смесителя HAAKE PolyLabRheomix 600 OS (а), камеры смешения с роторами (б) и имеющегося набора роторов (в) Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 57

Рисунок 2.6 – Принципиальная схема разработанной трибометрической приставки к смесителю HAAKE PolyLabRheomix 600 OS: 1 – ротор-контртело; 2 – вкладыш; 3 – плунжер; 4 – индикаторы изнашивания; 5 – испытуемый образец; 6, 7 – каналы подачи масла; 8 – передняя панель; 9 – накладка; 10 – втулка; 11, 12 –– штуцера ввода и вывода охлаждающей воды; 13 – полимерная трубка для подачи охлаждающей воды; 14 – гайка; 15 – радиальное уплотнение. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 58

2.3 Теоретический анализ сил, действующих на образец при его эксцентричном расположении относительно ротора трибометрической приставки Расчетная схема нагружения образца представлена на рис. 2.7. 1. Уравнения равновесия для образца в канале. Сумма проекций всех сил, действующих на образец, на оси x и y: ( Fi ) x   Fр cos   Rк  Rр sin     Rр sin   f р Rр cos   Rк    Rр (sin   f р cos  )  Rк  0; (2.4) ( Fi ) y  Rр cos   Fр sin   F   Fк  Rр cos   Fр sin   F  f к Rк   R р cos   f р R р sin   F  f к Rк   R р ( cos   f р sin  )  F  f к Rк  0, (2.5) где Fр - тангенциальное воздействие на образец, создаваемое ротором, Н; Rк Rр реакция стенки канала, Н; равнодействующая распределенной нагрузки на образец со стороны ротора, Н;   34,8o - угол наклона к оси y вектора равнодействующей нагрузки; f р = Fр / Rр - коэффициент трения ротора по образцу; F – внешнее усилие на образец, Рисунок2.7– Расчетная схема создаваемое плунжером, Н; Fк - сила трибометра: 1 – губка; 2 – масло; 3 – трения образца о стенку канала, Н; f к - вкладыш; 4 – плунжер; 5 – образец; 6 – коэффициент трения образца по стенке ротор (контртело); 7 – корпус канала, численно равный трению покоя. Из выражения (2.4) следует, что Rк  Rр (sin   f р cos ) (2.6) Подставляя (3) в выражение (2), имеем: Rр (cos  f р sin  )  F  f к Rр (sin   f р cos )  0 Rр (cos  f р sin   f к sin   f к f р cos )  F F F / cos  . cos (1  f р f к )  sin  ( f р  f к ) (1  f р f к )  tg ( f р  f к ) Вычисляя значения тригонометрических функций, получаем: Rр  Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 59

1,218 F  1,218 F . 1  f р f к  0,696( f р  f к ) 2. Коэффициент трения ротора по образцу: Rр  fр  Fр Rр  2M [1  f р f к  0,696( f р  f к )] 37,5  10 3  1,218 F (2.7)  (2.8) M  43,8 [1  f р f к  0,7( f р  f к )]  43,8 M/F F F 2[1  f р f к  0,696( f р  f к )]   43,788[1  f р f к  0,696( f р  f к )] M 37,5  10 3  1,218 F f р (  43,788 f к  30,476)  43,788  30,476 f к . M 43,8  30,5 f к fр  (2.8а) F / M  43,8 f к  30,5 fр Принимая f р  f к получаем следующее уравнение : f р2  2,28  10 2 F f р  1  0, из которого следует, что M f р  1,14 102 F  (1,3 104 F 2 / M 2  1)0,5 M (2.8б) 3. Величина контактного давления на образец в зоне трения (Па): p  Rр 3,14 ab  1,218 F 1  f р f к  0,696( f р  f к ) 3,14  0,0064  0,005  12120 F  1  f р f к  0,7( f р  f к ) (2.9) 12120 F  12120 F , 1  f р2 где a  1 / 2(Dр  39 / 360 o )  1 / 2(3,14  0,0375  39 o / 360)  0,0064 м – большая полуось эллипса; b = 0,005 м – малая полуось эллипса. 4. Скорость скольжения в зоне контакта образца и ротора (м/с): V  Dр n / 60  0,0375n / 60  1,96  10 3 n , (2.10) где n – частота вращения ротора, об/мин; Dр = 0,0375 – диаметр ротора, м. 2. Уравнение равновесия ротора относительно оси вращения: Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 60

M ( Fi )  10, 75 103 ( F  f к Rк )  0,5  37,5 103 Fтр  M  0; M  10, 75 103 ( F  f к Rк )  53,3[ M  10, 75 103 ( F  f к Rк )]  3 0,5  37,5 10  53,33M  0,573( F  f к Rк ), Fтр  (2.11) где M – крутящий момент на роторе, развиваемый приводом, Нм; Fтр = - Fр– сила трения, действующая на ротор со стороны образца, Н. Подставляя в (2.11) выражение (2.6)для Rк, получаем для силы трения в области контакта ротора и образца следующее выражение: Fтр  53,33M  0,573( F  f к Rк )  53,33M  0,573[ F  f к Rр (sin    f р cos  )]  53,33M  0,573[ F  f к Rр (0,571  0,821 f р )]. (2.12) Коэффициент трения fр  Fтр Rр  53,33M  0,573[ F  f к Rр (0,571  0,821 f р )] Rр  0,327 f к  0,470 f р f к  f р  (43, 71  53,33M  0,573 F  Rр 53,33M  0,573 F  0,327 f к  0,470 f р f к . 1,22 F 1  f р f к  0,7( f р  f к ) M  0, 470)[1  f р f к  0, 7( f р  f к )]  0,327f к  0, 470 f р f к F (2.13) Изменение высоты образца вследствие износа равно h  V m /  m /  m [м],    10 4 A ab  (0,0064  0,005)  (2.14) где Δm – изменение массы образца за время t (мин), кг; ρ– плотность материала образца, кг/м3; A – площадь контакта образца с контртелом (ротором), м. Путь трения S  Dр nt , где Dр = 0,0375 – диаметр ротора, м; n –частота вращения ротора, об/мин; (2.15) t –время эксперимента, мин. Интенсивность износа образца полимера (мм/мм пути) может быть рассчитана по следующей формуле I h m /   10 4 S Dр nt [отн. ед], (2.16) Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 61

2.4 Методика триботехнических испытаний композитов на трибометрической приставке к смесителю HAAKE PolyLabRheomix 600 OS Сравнительные триботехнические испытания были проведены применительно к СВМПЭ, полиамиду (ПА 6) и коммерческому угленаполненному полиамиду (УПА 615) Для испытаний была использована вышеописанная приставка лабораторному к смесителю а периодического действия PolyLabRheomix 600 OS. Образцы для испытаний (рис. 2.8) формовались непосредственно на указанной приставке при температуре 170оС с выдержкой под давлением 5 МПа в течение 10 мин с последующим воздушным охлаждением до температуры 80 оС. Давление на плунжер 4 (рис. 2.7) механизмом создавалось запорным смесителя (с коэффициентом умножения усилия 8) путем навешивания груза 5 кг на рукоятку штурвала (рис. 2.5а). Суммарная площадь контакта ротора (рис. 2.8) с образцом композита составляла 100 мм2, контактное давление б Рисунок 2.8 – Внешний вид вкладыша и сформованного образца для испытаний (а) и ротора- контртела (б) после испытаний на образец – 0,1 МПа. Температура испытаний составляла 20 ºС, скорость Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 62

варьировалась от 0,1 до 0,5 м/с. Эксперименты проводились в условиях сухого и жидкостного (в масле марки И-20А) трения. Значение момента трения выводилось на управляющий компьютер. По данной методике для каждой температуры было испытано по три образца от каждого состава композита. За результат принимали среднее арифметическое значение трех испытаний. Статистическая обработка результатов с построением трендов производилась в программе «Microsoft Excel». Коэффициент трения определяли по формуле (2.13). Интенсивность изнашивания рассчитывалась по формуле (2.16). 2.5 Методика механохимической активации композиций СВМПЭ с наноразмерными модификаторами на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7» Целью исследования механохимической было активации выявление полимерного закономерностей связующего влияния (СВМПЭ) и композиций СВМПЭ + 0,1 % УНТ на физико-механические и реологические свойства полимерных композитов. Рисунок 2.9 – Лабораторная планетарная Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 63

В работе использовали СВМПЭ фирмы «Ticona» (Германия) с молярной шаровая мельница («PremiumLine») «Пульверизетте-7» массой составляет 5млн единиц и композиционные материалы на его основе. Механическую активацию композиций СВМПЭ проводили в планетарношаровой мельнице «Пульверизетте-7», обеспечивающей ускорение и позволяющей проводить одновременную механическую обработку (плюс перемешивание) до 30 грамм порошковой смеси. В качестве переменного параметра механообработки была принята длительность механоактивации. Внешний вид планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7» представлен на рис.2.9.Внешний вид чаш – на рис.2.10 а. Назначение: тонкое измельчение различных материалов в периодическом режиме мокрым или сухим способом. Характеристики: принцип работы – удар; измельчаемые типы материалов – твердый, среднетвердый, хрупкий; количество мест для размольных стаканов – 2; размеры размольных стаканов – 80 мл; стакан и крышка выполнены единым блоком; позиционирование и фиксация стаканов, открытие и закрытие камеры – автоматически; полный демонтаж крышки камеры измельчения; автоматическая проверка параметров перед каждым измельчением; программирование режима работы – с помощью сенсорного экрана; мониторинг тепловых эффектов, физических и химических реакций – с помощью EasyGTM-системы, разработанной на основе измерения давления газов и температуры в стакане в процессе измельчения. Технологический процесс механохимической активации включал следующие стадии: взвешивание композиции СВМПЭ с наноразмерными модификаторами; закладка композиции в размольный стакан с мелющими стальными шарами. Программный режим работы – ускорение 1000 об/мин, время выдержки 15мин, время покоя – 15мин, количество циклов- 1-7 (рис.2.10 б). Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 64

а б Рисунок 2.10 – Внешний вид размольного стакана из закаленной стали с уплотнительным кольцом и крышкой объемом 80 мл (а) и внешний вид готовой композиции после механактивации (б) 2.6 Методика компрессионного формования пластин для физико-механических и реологических испытаний на лабораторном прессе GT-7014-Н50С Целью экспериментальных исследований были настройка и отработка режимов производства тонкостенных пластин из термопластичных композиционных материалов методом компрессионного формования на лабораторном гидравлическом прессе. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 65

Внешний вид пресса представлен на рис. 2.11.Внешний вид пресс-формы – на рис. 2.12 Назначение: горячее формование порошка, гранулята в изделия. Технические диаметр характеристики: колонн рамы – 60 мм; максимальное усилие – 20 т; плиты – изолированные хромированные стальные 250х250 мм; нагрев плит – электрический; контроль температуры разрешением 1 плит °C; с диапазон температурного регулирования – 20…250 °С; охлаждение водяное; плиты плит – максимальный – 200 мм; встроенное ход нижней автоматическое управление прессом – на основе PLCконтроллера с сенсорным дисплеем; возможности программирования автоматизированных производственных циклов; цифровая система регулировки давления; возможность использования Рисунок 2.11 – Внешний вид лабораторного гидравлического пресса фирмы «Gibitre» (Италия), снабженного системами нагрева и охлаждения плит стационарных и съемных пресс-форм; наличие системы выдвижения прессформ; рабочая зона пресса защищена экраном для снижения теплопотерь и обеспечения безопасности персонала; габариты – (ШxДxВ) 1100x550x1650 мм; вес – 520 кг. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 66

Технологический компрессионного пластин процесс формования включал следующие стадии: взвешивание композиции ; нагрев пресс-формы температуры 180°С; композиции в формы смыкание и плавление до закладка полость пресспресса; композиции при усилии 5 МПа в течение 15 мин; б Рисунок 2.12 − Внешний вид лабораторного гидравлического пресса фирмы «Gibitre» (а) и смонтированной на прессе двухплитной (б) пресс-формы для формования тонкостенных (200×20×1,1 мм) пластин охлаждение пресс-формы до 50°С проточной водой, подаваемой в каналы нагревательных плит, при усилии пресса 5 МПа; размыкание пресса и прессформы, выемка изделия и удаление облоя. 2.7 Методики исследования технологических и эксплуатационных характеристик композитов СВМПЭ 2.7.1 Методика исследования упруго-прочностных характеристик композитов на испытательной машине UAI-7000 Для испытаний на растяжение (ГОСТ 11262-80) использовались образцы размером 150 × 20 × 1,1 мм, вырубленные штанцем из формованных пластин 200 × 200 ×1,1 мм. Образцы имели гладкую ровную поверхность, без сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов. Образцы согласно требованиям ГОСТ 12423-66 кондиционировались в течение 24 часов при температуре 23 ± 2 °С и относительной влажности 50 ± 5 %. Испытание образцов на растяжение проводили на разрывной машине UAI-7000 М (см. рис. 2.13) при температуре 23 ± 2°С и скорости движения зажимов 10 мм/мин. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 67

Клиновидные захваты UMB1T машины обеспечивали надежное крепление образцов и совпадение продольной оси образца с направлением растяжения (рис. 2.14).Перед испытанием толщину и ширину образцов измеряли в трех местах (в середине и на расстоянии 5 мм от крайних меток), находили средние арифметические значения, по которым вычисляли значение площади поперечного сечения А0. Образцы закрепляли в испытательной машине с равномерной затяжкой захватов для исключения их проскальзывания при испытаниях, не допуская при этом разрушения образцов в местах закрепления. Расчет значений вели по пяти образцам. Образцы, которые в процессе испытания разрушались за пределами рабочей части, или у которых в процессе испытания были обнаружены дефекты (пузыри, включения, внутренние трещины и т.п.), в расчет не принимались. Значения предела прочности (МПа) вычисляли по формуле:   Fmax / A0 , (2.17) где Fmax– максимальная нагрузка при испытании на растяжение, Н; A0 − начальное поперечное сечение образца, мм2. Назначение: полимеров сдвиг, на испытания растяжение, релаксацию сжатие, напряжений, ползучесть. Технические максимальное характеристики: усилие – 2000 Рисунок 2.13 – Испытательная машина UAI-7000 М с термокамерой и компьютерным управлением кг; точность фиксации нагрузки – ±0,25%;скорость нагружения – 0,001…1000 мм/мин; точность измерения скорости – ±0,5%;разрешение перемещения – 0,0001 мм; температурный диапазон испытания –60…+250 °С; точность Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 68

поддержания температуры – – 1/200000;ход без ± 2°С;разрешение по нагрузке захватов – 1100 мм; точность по скорости – ±0.5%;разрешение по ходу – ±0.5%;эффективная ширина – 410 мм. Относительное удлинение (%) при максимальной нагрузке (max) вычисляли по формуле:  max  100 l max / l0 (2.18) где l max − изменение расчетной длины образца в момент достижения максимальной нагрузки, мм; l0= 50 − начальная расчетная длина образца, мм. а б Рисунок 2.14 − Внешний вид захватов машины и форма образца при испытаниях на растяжение (а) и сжатие (б). Модуль упругости при растяжении (МПа) определяли по формуле: Ер  ( F2  F1 )  l0 A0  (l2  l1 ) (2.19) где F2 – нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,3%, Н; F1 – нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,1%, Н; удлинение, соответствующее нагрузке F2, мм; l1 – l2 – удлинение, Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 69

соответствующее нагрузке F1, мм. Статистическую обработку результатов испытаний проводили с использованием программы «Microsoft Exсel». Исследование поведения образцов при сжатии с определением прочности при сжатии, модуля упругости и других характеристик, получаемых на основании кривой "напряжение – относительная деформация", также проводили на испытательной машине UAI-7000при температуре 23 ± 2°С и скорости движения захватов 0,5 мм/мин. При испытании цилиндрический композиционный образец размещали между захватами С-1Т испытательной машины (рис. 2.14 б). 2.7.2 Методика исследования реологических характеристик расплавов композитов в динамическом режиме вынужденных колебаний на реометре HAAKE MARS III Реологические испытания были проведены для расплавов СВМПЭ и композита СВМПЭ + 0,1% УНТ на реометре Haake MARSIII(рис. 2.15). Для исключения нарушения сплошности расплава в рабочем зазоре измерительной системы реометра Haake MARSIII испытания проведены в динамическом режиме с использованием измерительной системы «плоскость-плоскость» с диаметрами ротора и плоскости 20 мм. Амплитуда осцилляций ротора составляла 0,001 рад., диапазон частот – 0...80 Гц, Рисунок 2.15 – Внешний вид измерительной системы реометра HaakeMARSIII с рифлеными рабочими плоскостями диапазон температур расплава – 240…260 °С, рабочие зазоры между рифлеными плоскостями измерительной системы (рис. 2.16) принимались в соответствии с толщиной образцов (дисков диаметром 20 мм, толщиной 1,1 мм, Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 70

вырубленных штанцем из пластин) и составляли 1 мм. Согласно соотношениям Кокса-Мерца [55] указанные испытания эквивалентны испытаниям с вращающимся ротором, если угловая скорость осциллирующего ротора соответствует скорости сдвига расплава, достигаемой при вращении ротора. При обработке результатов, полученных для различных температур, использован принцип температурно-временной суперпозиции Больцмана, реализованный в программе RheoWinTTS. Рисунок 2.16 − Общий вид реометра Haake MARSIII с периферийным оборудованием Технические характеристики: крутящий момент 10 nNm ... 0,2 Nm с разрешением 0,1 nNm; частота вращения ротора 10-8…1500 об/мин ;частота осцилляций – 10-6 .. 100Hz;измерение нормального усилия – (-50...50) H c разрешением 0,001H;температурное регулирование в диапазоне – -28…200°C с точностью ± 0,05 °С; набор измерительных систем «конус-плоскость» и «плоскость – плоскость» различного диаметра; программное обеспечение HAAKE RheoWin, обеспечивающее управление прибором и обработку результатов измерений. Эта программа позволила получить для исследованных полимеров приведенные к температуре 240 °С кривые зависимости комплексной вязкости   от угловой скорости ротора . Подбор уравнений трендов Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 71

экспериментальных кривых и вычисление коэффициентов корреляции производились в программе «Microsoft Excel». Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 72

2.7.3 Методика триботехнических испытаний композитов на реометре HAAKE MARS III, снабженном трибометрической приставкой Сравнительные испытания триботехнические были применительно проведены к разработанным антифрикционным композитам на основе СВМПЭ, модифицированного углеродными нанотрубками. Для проведения триботехнических высокоточных испытаний была разработана трибометрическая приставка к реометру Haake MARS III (рис. 2.17). Реометр обеспечивает создание: вертикальных нагрузок до 50 ± 0,001 Н; температур – (-40…400) ± 0,1 °С, частот вращения ротора (10-7…1500) Рисунок 2.17– Внешний вид системы «контртело – образец» реометра Haake MARSIII об/мин; крутящего момента (10 nNm...0,2 Nm) ± 0,1 nNm. В эксперименте использовали цилиндрические образцы, изготовленные из композитов указанных составов методом трансферного формования на прессе, диаметром Ø 2 ± 0,01 мм, длиной 5 ± 0,1 мм. Приставка (рис. 2.18) включает диск 1, к которому винтами крепится стакан 2, в котором располагается диск-контртело 3 из стали 45 с рабочей поверхностью, отшлифованной до Ra= 2,5 мкм. Диск опирается на шар 4 диаметром 3,5 мм и удерживается от вращения штифтом 5, запрессованным в стакан 2. Монтажный диск 1 с перечисленными деталями прижат к обогреваемому столику реометра 6 накидной гайкой 7. Испытуемые образцы 8 в количестве 3 шт. устанавливаются с одинаковым шагом в глухие отверстия, выполненные в обогреваемом роторе 9 Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 73

по диаметру D = 26 мм. Для исключения теплообмена с окружающей средой приставка снабжена теплозащитным экраном 10. а б Рисунок 2.18 – Конструкция трибометрической приставки (а) и метод фиксации образцов в гнездах ротора (б): 1 – диск монтажный; 2 – стакан; 3 – контртело; 4 – опорный шар; 5 – штифт; 6 – обогреваемый столик реометра; 7 – гайка накидная; 8 – образец; 9 – ротор; 10 – защитный экран Перед проведением испытаний образцы притирались по мелкозернистой наждачной бумаге P1200 (ISO 6344) c размером зерна 10-14 мкм. Согласно методике, наждачная бумага в форме диска диаметром 60 мм зажималась накидной гайкой 7 между монтажным диском 1 и столиком реометра 6 при демонтированном стакане 2 и контртеле 3. При притирке на приборе задавались следующие параметры: температура 25 С; частота вращения ротора 10 об/мин; вертикальное усилие на роторе 2 Н (контактное давление 0,21 МПа). При данных условиях средние значения крутящего момента и вертикального усилия на роторе в течение 20…30 мин выходили на постоянное значение. При испытаниях на трение со смазкой масло И-20А заливалось в стакан 2 в объеме 1,2 мл, достаточном для покрытия поверхности контртела. Притертые образцы предварительно выдерживались в течение 3 часов в указанном масле до достижения ими постоянного веса. В эксперименте непрерывно регистрировались: момент трения (Н∙м); температура в зоне контакта (ºС); Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 74

частота вращения ротора (об/мин.); вертикальное усилие на роторе (Н); время испытания (с). После каждого цикла испытаний образцы и контртело промывались в этиловом спирте, высушивались в вакуумном шкафу BinderVD 23 и взвешивались. Взвешивание производилось с точностью ± 0,1 мг для каждого образца отдельно в трехкратной повторности на аналитических весах СЕ 124-С. Монтаж каждого образца при продолжении испытаний производился в первичной ориентации в свое гнездо прибора. Коэффициенты сухого трения и трения со смазкой (в среде масла И-20А) определялись при варьировании параметров в следующих диапазонах: скорости скольжения 0,1 – 0,5 м/с, контактного давления 1,06 – 5,03 МПа и температуры 20 – 70С, отвечающих параметрам эксплуатации силового гидроцилиндра С100/40×200 трактора МТЗ 80/82 [4]. При варьировании одного из параметров два других поддерживались при постоянных значениях: скорость скольжения – 0,25 м/с, контактное давление – 2,5 МПа, температура масла – 50 С. Статистическая обработка результатов с построением трендов производилась в программе «Microsoft Excel». Средняя величина коэффициента трения за цикл испытаний рассчитывалась по следующей формуле: f  2M , DF (2.20) где M – среднее за время цикла значение крутящего момента, фиксируемое реометром, Н м; D = 0,026 – диаметр расположения образцов на роторе, м; F  среднее за время цикла вертикальное усилие на роторе, Н. Для вычисления линейной интенсивности износа (мм/мм) за цикл испытаний использована следующая формула: I m h 4V 60   0,078 , S n t ц 3d 2 Dn t ц (2.21) где h – среднее за время цикла снижение высоты трех образцов, мм; S – путь трения, мм; V – суммарное за время цикла снижение объема трех образцов, Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 75

мм3; m – суммарное за время цикла снижение массы трех образцов, г;  – плотность образца, г/мм3; tц – длительность цикла испытания, с; d = 2 – диаметр образца, мм; n – средняя за время цикла частота вращения ротора, об/мин. Средняя величина контактного давления за цикл испытаний равна p 4F , 3d 2 (2.22) 2.7.4 Методика получения самоармированных композиций сверхвысокомолекулярного полиэтилена Основной задачей данной технологического процесса конструкционных материалов методики получения на является разработка армированных основе полимерных сверхвысокомолекулярного полиэтилена и композиций на его основе с высокими упруго-прочностными характеристиками, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью для изготовления антифрикционных деталей силовых гидроцилиндров общего и транспортного машиностроения, обладающих технической новизной и потенциалом коммерциализации. В общем случае методику получения самоармированных композиций сверхвысокомолекулярного полиэтилена можно представить в виде следующей последовательности экспериментальных этапов (рис. 2.19). 1 Получение антифрикционного композита СВМПЭ + 0,1% УНТ методом механоактивации сухосмешанной композиции на планетарно-шаровой мельнице Fritsch Pulvirisette 7 Premium Line в течение 75 мин. 2 Изготовление цилиндрического образца методом прессования на прессе Gibitre GT-7014-H50C полимерной композиции при температуре 180 оС, давлении в пресс-форме 50 МПа в течение 15 мин (этап 1, рис. 2.19 а); твердофазное формование самоармированной втулки (направляющей гидроцилиндра) при температуре 130 оС, давлении в пресс-форме 50 МПа в течение 1 мин (этап 2, рис. 2.19 б); охлаждение сформованной втулки при Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 76

температуре 50 оС, давлении в пресс-форме 50 МПа в течение 15 мин (этап 3, рис. 2.19в). 3 Проведение упруго-прочностных испытаний в режиме сжатия на испытательной машине UAI-7000 М. 4 Статистическая обработка результатов испытаний с использованием программы «Microsoft Exсel». б а в Рисунок 2.19 – Последовательность прессования втулки из композита (СВМПЭ +0,1 % УНТ) в режиме самоармирования: а –прессование заготовки (цилиндра); б – прессование втулки (промежуточная стадия); в – охлождение сформованной втулки (заключительная стадия твердофазного формования); 1 – обогревательная плита пресса; 2 – матрица; 3 – заглушка; 4 – отпрессовка по стадиям; 5 – пуансон Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 77

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Определение оптимального времени механохимической активации смеси СВМПЭ с наноразмерными модификаторами на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7» Как было отмечено выше (главе 1), для изготовления полимерных деталей гидроцилиндров перспективным полимером из крупнотоннажного класса полиолефинов является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Для улучшения трибологических свойств в состав композиций вводят методом механохимической активации смеси СВМПЭ и тонкодисперсные и наноразмерные наполнители активного типа, такие как шунгит, наноразмерый диоксид кремния, углеродные нанотрубки и другие вещества аналогичного действия. Обработка частиц СВМПЭ в планетарной мельнице позволяет решить одновременно несколько задач: - увеличение эффективной поверхности изначально сферических полимерных частиц СВМПЭ в процессе их взаимодействия (сдвиговых деформаций) с мелющими телами – шарами и стенками мельницы; - изменение молекулярного строения СВМПЭ без разрыва внутримолекулярных связей, подразумевающее изменение характера укладки углеводородных цепей; - механическое легирование порошинок СВМПЭ наноразмерными частицами наполнителя; - однородное обеспечивающее при перемешивание последующем частиц горячем СВМПЭ и наполнителя, прессовании однородное распределение модификатора в связующем. С целью оценки вклада механохимической активации смеси СВМПЭ с наноразмерными модификаторами на величину упругопрочностных и реологических характеристик композитов на планетарно-шаровой мельнице Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 78

«Пульверизетте-7» и определения оптимального времени обработки проведена серия экспериментов с изменением длительности процесса в диапазоне 15 – 105мин. В настоящей работе использован СВМПЭ марки ГУР 4120 (фирма «Ticona»),углеродные нанотрубки марки «Tuballmatrixbeta», имеющего в составе 95% НМПЭ и 5% УНТ, в концентрации 0,1%. На рис. 3.1 представлены полученные зависимости упругопрочностных характеристик испытанных композитов от длительности механоактивации. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 79

Рисунок 3.1 – Зависимость упруго-прочностных характеристик СВМПЭ и композита (СВМПЭ+0,1 % УНТ) от длительности обработки в шаровой мельнице: а – начальный (Ен) и конечный (Ек) модули упругости; б – предел текучести (т) и предел прочности (т); в – относительная деформация при разрыве в мере Генки В табл.3.1 приведены сводные результаты исследований. Таблица 3.1 – Физико-механические характеристики композиционных материалов на основе СВМПЭ Время активации t, мин Предел текучести σт, МПа Предел прочности σр, МПа Модуль упругости (начальный) Ен, МПа Модуль упругости (конечный) Ек, МПа СВМПЭ СВМПЭ 0 181 20,31,5 20667 262,539,6 33716 349,517,9 469150 614,977,2 Относитель ное удлинение по Генки, εH(отн. ед) 1,580,12 1,690,05 СВМПЭ+ УНТ(0,1%) 15 19,33,5 168,948,7 288,535,5 370,1125 1,580,08 20,72,1 247,82,9 365,343,1 585,237,0 1,690,01 211 198,431,1 358,115,3 430,843,5 1,670,05 20,21,9 252,07,9 345,848,46 578,4815,7 1,70,03 21,31,2 194,917,6 3457 443,637,9 1,650,04 21,31,2 223,17,8 358,921,3 493,323,8 1,660,01 23,70,6 281,728,8 363,638,6 670,850,7 1,810,02 20,30,6 214,18,6 360,431,9 511,421,9 1,640,01 27,34,7 274,342,5 441,470,2 657,1110,6 1,710,03 23,20,8 242,35,8 388,616,4 575,659,4 1,680,03 23 252,216,3 377,816,9 591,548,7 1,750,03 22,52,3 217,214,3 390,933,8 503,657,4 1,660,02 23,31,5 241,721,5 407,128,0 543,377,1 1,740,04 Образец СВМПЭ СВМПЭ+ УНТ(0,1%) СВМПЭ СВМПЭ+ УНТ(0,1%) СВМПЭ СВМПЭ+ УНТ(0,1%) СВМПЭ СВМПЭ+ УНТ(0,1%) СВМПЭ СВМПЭ+ УНТ(0,1%) СВМПЭ СВМПЭ+ УНТ(0,1%) 30 45 67 75 90 105 Как следует из представленных результатов механохимическая активация сухосмешенных композиций приводит к увеличению всего комплекса предела текучести (σ), начального модуля упругости (Е) и предела прочности. При этом при малых значениях времени активации(15 – 45 мин) упругопрочностные характеристики СВМПЭ превосходят характеристики СВМПЭ + 0,1% УНТ, что можно объяснить неудовлетворительным качеством диспергирования УНТ в Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 80

объеме СВМПЭ. В данном случае агломераты УНТ выполняют роль концентраторов напряжений в испытуемом образце. Из результатов следует, что оптимальное время активации составляет 6775 минут. При дальнейшем увеличении времени активации имеет место заметное снижение указанных характеристик, что вероятно связано с деструкцией макромолекулярных цепей СВМПЭ. Исключая вклад механохимической активации, можно сделать вывод о значительном влиянии сверхмалого содержания УНТ (0,1 %) на прирост упругопрочностных характеристик. Согласно табл. 3.1 значения приростов составили: предела текучести – 35 % , предела прочности – 28 %, начального модуля упругости – 23%, конечного модуля упругости – 29 %. На рис. 3.2 представлена типичная кривая растяжения образцов СВМПЭ и композиции СВМПЭ + 0,1 % УНТ и схемы определения пределов прочности р и текучести т. Рисунок 3.2 – Типичная кривая растяжения образцов СВМПЭ и композиции СВМПЭ + 0,1 % УНТ и схемы определения пределов прочности р и текучести т Как следует из схемы начальный и конечный модули упругости представляют собой тангенсы углов наклона линейных частей кривых в начале и конце нагружения. Относительная деформация в мере Генки вычислялась по формуле Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 81

 H  Ln l t  , l0 (3.1) где l(t) – текущая длина образца, мм; l0= 50 – начальная длина рабочей части образца, мм. На рис. 3.3 а представлен внешний вид исходного порошка СВМПЭ, на рис. 3.3 б –внешний вид порошка СВМПЭ + 0,1% УНТ после обработки в течении 75 мин в планетарно-шаровой мельнице, на рис. 3.4а – образец отпрессованной пластины толщиной 0,6 мм из указанного состава без обработки в мельнице, на рис. 3.4 б – образец отпрессованной пластины толщиной 0,6 мм из указанного состава с обработкой в мельнице в течение 75 мин. б а Рисунок 3.3– Исходный порошок СВМПЭ (а) и композиция после деформационной обработки СВМПЭ, модифицированный нанотрубками (б) б а Рисунок 3.4 - Образец антифрикционного композита без механохимической активации на основе СВМПЭ+ УНТ(0,1%), полученный методом горячего прессования (а) и образец антифрикционного композита на основе СВМПЭ+УНТ(0,1%)после механохимической активации сухосмешанной композиции на планетарно-шаровой мельнице c последующим Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 82

твердофазным формованием композиции на прессе (б) Из представленных микрофотографий следует, что в процессе механохимического воздействия происходит многократное деформирование частиц СВМПЭ, приводящее к раскатыванию почти сферических частиц СВМПЭ до плоских чешуек с размерами 50200 мкм. Механохимическая активация полимерного порошка СВМПЭ + 0,1%УНТ приводит к Рис. 3.5 – Внешний вид пленки из механоактивированной смеси СВМПЭ + УНТ (0,1 %); фрагмент 2 увеличение 187 кр. изменению формы частиц, увеличению эффективной поверхности частиц связующего и встраиванию нанотрубок в структуру полимера (рис. 3.5). Суммарным результатом протекающих процессов является рост упругопрочностных характеристик. 3.2 Исследование физико-механических характеристик композитов «СВМПЭ +SiO2» и «СВМПЭ +Al2O3» На первом этапе исследований были проведены сравнительные испытания образцов антифрикционных материалов: полиамида (ПА 6), СВМПЭ и коммерческого композита УПА6-15А. Испытания проводились согласно методике, изложенной в разделе 2.6.1. На рис. 3.6 представлены типичные кривые растяжения в координатах «напряжение-деформация», а в табл. 3.2 – средние значения и стандартные отклонения физико-механических характеристик испытанных образцов полимерных материалов. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 83

Как видно из рис. 3.6 и табл. 3.2 СВМПЭ по сравнению с ПА 6 обладает существенно лучшей способностью к ориентационному упрочнению в условиях развития вынужденноэластической деформации при температурах ниже температуры стеклования. Его прочность (несущая способность) возрастает в среднем в 13 раз с 20 МПа (достижение предела текучести) до 258 МПа (достижение предела временной прочности). При этом рост прочности сопровождается более чем двухкратным ростом модуля упругости. Это создает возможности получения высокопрочных композитов на основе данного полимера его модификацией наноразмерными наполнителями и использованием известного эффекта самоармирования [43]. а б в Рисунок 3.6 – Типичные кривые растяжения образцов полиамида 6 (а), угленаполненного композита УПА 6 -15 (б) и свервысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 5 млн. ед. (в); ввиду больших значений деформации напряжения были вычислены применительно к текущим значениям площади поперечного сечения образцов; для расчета деформаций растяжения использована логарифмическая мера Генки. В случае ПА 6 прочность за счет ориентационного упрочнения возрастает в 4,5 раза. Рост прочности сопровождается в отличие от СВМПЭ более, чем пятикратным снижением модуля упругости. Таким образом, в ориентированных состояниях СВМПЭ имеет прочность в 1,4 раза, а модуль упругости в 2,30 раза выше, чем у ПА 6. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 84

Угленаполненный полиамид УПА6-15А при более, чем в 10 раз меньшем значении прочности, имеет в 4,8 раза большее значение модуля упругости, достигаемое его наполнением высокомодульным углеволокном. Таблица 3.2 – Физико – механические характеристики полимеров Вид полимера Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Модуль упругости (конечный), МПа Модуль упругости (начальный), МПа ПА 6 40 ± 4 182 ± 6 300± 25 1600 ± 300 СВМПЭ 20 ± 2 258 ± 25 680 ± 50 305 ± 20 УПА 6 15А 66 ± 7 66,5±4,65 3290 ± 400 Целью второго этапа исследований являлось определение влияния тонкодисперсных наполнителей на физико-механические характеристики композитов на основе СВМПЭ марки ГУР 4120 (фирма «Ticona»). В исследовании использованы гидрофобный нанокристаллический диоксид кремния SiO2 дисперсностью 20 мкм в концентрациях от 0,05% до 0,2% и нановолокна оксида алюминия марки «Nafen» дисперсностью 10…20 мкм в концентрации 0,1%. Исследуемые композиты (в виде сухосмешенного порошка) предварительно подвергали механохимической активации на планетарношаровой мельнице «Пульверизетте-7» согласно методике, изложенной в разделе 2.5. Для проведения физико-механических испытаний на лабораторной гидравлическом прессе Gibitre формовались пленки, из которых для испытаний на растяжение (ГОСТ 11262-80) вырубали штанцем стандартные образцы( двухсторонние лопатки с шириной рабочей части 6 мм, длиной – 50 мм) в количестве 5 шт для каждого состава. В табл. 3.3 представлены полученные результаты. Здесь же для сравнения приведены описанные в табл. 3.1 результаты для композиции СВМПЭ + 0,1% УНТ с такой же длительностью обработки в шаровой мельнице. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 85

Таблица 3.3 – Физико-механические материалов на основе СВМПЭ Образец СВМПЭ СВМПЭ+ УНТ(0,1%) СВМПЭ+ Al2O3(0,1%) СВМПЭ+ SiO2(0,05%) СВМПЭ+ SiO2(0,1%) СВМПЭ+ SiO2(0,15%) СВМПЭ+ SiO2(0,2%) характеристики композиционных 214,18,6 Модуль упругости (начальный) Ен, МПа 360,431,9 Модуль упругости (конечный) Ек, МПа 511,421,9 Относительно е удлинение по Генки εH, (отн. ед) 1,640,01 27,34,7 274,342,5 441,470,2 657,1110,6 1,710,03 22,50,5 261,312,6 365,637,3 656,545,6 1,710,01 20,70,6 277,915,3 364,539,1 674,333,2 1,70,02 21,71,5 308,12,5 345,119,2 704,045,0 1,760,01 211 296,118,3 358,037,3 747,357,7 1,730,03 21,50,5 237,411,9 362,829,4 601,223,9 1,660,02 Предел текучести σ, МПа Предел прочности σр, МПа 20,30,6 Из представленных результатов следует, что наибольшее влияние на указанные характеристики оказывает тонкодисперсный диоксид кремния. Ввод данного модификатора в оптимальной концентрации (0,1 %) способствует повышению предела текучести на 7 %, предела прочности на 44 %, конечного модуля упругости на 38 %. В случае начального модуля упругости происходит снижение показателя на 4 %. Следует отметить, что лучший результат по всему комплексу упругопрочностных характеристик достигается в случае модификации СВМПЭ углеродными нанотрубками. Ввод УНТ в оптимальной концентрации (0,1 %) обеспечивает повышение предела текучести на 35 %, предела прочности на 28 %, начального модуля упругости на 23 % и конечного модуля на 29 %. 3.3 Исследование упругопрочностных характеристик самоармированных композитов СВМПЭ Изготовление самоармированых композитов СВМПЭ производили в соответствии с методикой описанной в разделе 2.6.4. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 86

Исследование упругопрочностных характеристик указанных композитов проводили в условиях сжатия на испытательной машине UAI-7000 при скорости нагружения 0,5 мм/мин. Образцы из СВМПЭ без механохимической активации сжимали до достижения нагрузки 70 Н, образцы из композита СВМПЭ + 0,1% УНТ – до достижения нагрузки 250 Н. Были испытаны образцы в форме цилиндра и втулки (рис. 3.7). Как описано в разделе 2.6.4, цилиндрические образцы формовали при температуре 180 оС в условиях объемного сжатия. Втулки получали путем о переформовки цилиндрических образцов при Т = 130 С, т.е в режиме твердофазного прессования. В процессе заполнения формующей полости происходила продольная вытяжка формуемого массива с достижением эффекта самоармирования. а б Рисунок 3.7 – Внешний вид цилиндрическоих образцов (а) и самоармированных втулок (б) На рис. 3.8 представлены полученные графики нагружения: цилиндрических образцов (рис.3.8 а) и втулок (рис. 3.8 б). При обработке графиков значения предела текучести, модуля упругости при сжатии и относительной деформации при сжатии вычислены по ГОСТ 9550-81. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 87

а б Рисунок 3.8 – Зависимость сжимающих напряжений от относительной деформации для образцов цилиндров (а) и втулок с самоармированием (б), сформованных из СВМПЭ и композиции СВМПЭ +0,1 % УНТ с механоактивацией в планетарно-шаровой мельнице и без механоактивации (без м/а) В табл. 3.4 – 3.5 приведены значения указанных упругопрочностных характеристик. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 88

Таблица 3.4 – Упругопрочностные характеристики цилиндрических образцов Образец Модуль упругости Ен, МПа Предел текучести σт, МПа 175 1,5 Относительное удлинение ε, (отн. ед) 0,009 290 7,8 0,068 330 7,8 0,055 СВМПЭ (без м/а) СВМПЭ (м/а 75 мин) СВМПЭ+УНТ(0,1%)(м/а 75мин) Таблица 3.5 – Упругопрочностные характеристики самоармированных втулок Образец Модуль упругости Ен, МПа Предел текучести σт, МПа 190 1,8 Относительное удлинение ε, (отн. ед) 0,01 312 4 0,04 370 6,4 0,057 СВМПЭ (без м/а) СВМПЭ (м/а 75мин) СВМПЭ+УНТ(0,1%)(м/а 75мин) Как следует из таблиц значения упругопрочностных характеристик для самоармированных образцов (втулок) заметно выше, чем у цилиндрических образцов, полученных без наложения самоармирования. Прирост модуля упругости составил: для образцов из СВМПЭ (без м/а) –9 %; для образцов из СВМПЭ (м/а) – 8 %; для образцов СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а) – 12 %. Относительно небольшие значения прироста модуля упругости самоармированных образцов объясняются тем, что на этапе переформовки цилиндра во втулку значения продольных деформациий, обуславливающих макромолекулярную ориентацию, в пресс-форме не превышали 15…20 %. Несмотря на это, следует отметить перспективность разработанной технологии получения самоармированных втулок применительно к производству направляющих для гидроцилиндров из указанного композита. Очевидно, что при разработке техпроцесса самоармирования конструкция пресс-формы должна обеспечивать достижение продольных деформаций не ниже 80 … 100 %. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 89

3.4 Исследование реологических характеристик композитов «СВМПЭ» и «СВМПЭ + УНТ» Для сравнительной оценки технологичности полученных композитов проведены реологические исследования при температурах 150, 160, 170, 180°С. Реологические испытания расплавов композитов в динамическом режиме на реометре Haake MARSIII проведены согласно методике, изложенной в разделе 2.4.3. На рис. 3.9 представлена зависимость динамической вязкости композиции от скорости сдвига (угловой скорости осцилляций ротора) для сухосмешенных композиций с различной длительностью механохимической активации в планетарно – шаровой мельнице. На поле графика представлены тренды экспериментальных значений. Как следует из графиков, указанные зависимости для всех композиций описываются с высоким коэффициентом корреляции реологическим уравнением Оствальда. На рис. 3.10 представлены зависимости коэффициентов консистенции kи индекса течения n от длительности механоактивации для СВМПЭ (а) и композиции СВМПЭ + 0,1 % УНТ (б). Анализируя полученные результаты можно сделать следующее заключение: - в целом с ростом длительности обработки имеет место заметный рост вязкости расплавов композитов; - для СВМПЭ наблюдаются экстремумы реологических констант для длительности обработки 60…70 мин, причем коэффициент консистенции принимает максимальное значение (40000 Пасn), а индекс течения – минимальное (0,158); - для композиции СВМПЭ + 0,1% УНТ для длительности обработки 60…70 мин наоборот наблюдается максимум индекса течения (0,26), при этом коэффициент консистенции после выхода на постоянное значение (100000…120000 Пасn) возрастает до 380000 Пасn при длительности обработки 105 мин. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 90

- результаты реологических испытаний подтверждают сделанное по результатам физико-механических испытаний заключение о том, что оптимальное время механохимической активации должно составлять 68…75 мин Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 91

Рисунок 3.9 – Зависимость вязкости СВМПЭ и композиций СВМПЭ +0,1 % УНТ от времени их обработки в планетарно-шаровой мельнице для температуры расплава 180 оС а б Рисунок 3.10 – Зависимость параметров реологической модели Оствальда от времени обработки СВМПЭ (а) и композиции СВМПЭ + 0,1 % УНТ в планетарноЛист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 92

шаровой мельнице 3.5 Исследование трибологических характеристик композитов «СВМПЭ + УНТ» На первом этапе проведены сравнительные триботехнические испытания на триботехнической приставке лабораторному смесителю периодического действия PolyLabRheomix 600 OS образцов СВМПЭ, полиамида (ПА 6) и коммерческого угленаполненного полиамида УПА6-15 по методике раздела 2.4. На рис. 3.11 представлены полученные графики зависимости коэффициентов трения для образцов ПА 6, УПА6-15А и СВМПЭ от скорости скольжения. В табл. 3.6 приведены полученные значения коэффициентов трения покоя (fп) и при скорости скольжения 0,5 м/с (f0,5) для условий сухого и жидкостного трения. а б Рисунок 3.11 – Зависимость коэффициентов трения исследованных образцов антифрикционных полимерных материалов для условий сухого (а) и жидкостного (б) трения от скорости скольжения Таблица 3.6 – Значения коэффициентов трения образцов полимеров Вид полимера ПА 6 УПА 6 -15А СВМПЭ Условия сухого трения fп 0,146 0,091 0,091 f0.5 0,207 0,129 0,166 Условия жидкостного трения fп 0,111 0,093 0,063 f0.5 0,135 0,133 0,101 Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 93

Примечание: fп - коэффициент трения покоя; f0.5 - коэффициент трения при скорости скольжения 0,5 м/с Как следует из представленных результатов, в условиях сухого трения СВМПЭ уступает коммерческому композиту УПА 6-15А, однако в условиях трения со смазкой коэффициент трения СВМПЭ значительно снижается. Высокоточные трибометрические исследования композиций СВМПЭ с углеродными нанотрубками были проведены на реометре Haake MARS III с использованием трибометрической приставки по методике, изложенной в разделе 2.6.3. Коэффициенты трения образцов полимерных материалов определяли в среде масла И-20А при варьировании скорости скольжения от 0,1 до 0,5 м/с, контактного давления от 1,06 до 5,3 МПа и температуры – от 20 до 70 С. Таблица 3.7 – Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения, контактного давления и температуры для различных образцов композитов Параметры Скорость, м/с 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Давление, МПа 1,06 2,12 3,18 4,24 5,30 Температура, оС 20 30 40 50 60 70 СВМПЭ+0,1% УНТ СВМПЭ+0,1% УНТ СВМПЭ ( м/а 45мин) (м/а 75мин) (без м/а) Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения при контактном давление рв – 2,5 МПа, температуре – 50 оС 0,051 0,044 0,044 0,055 0,05 0,046 0,059 0,056 0,048 0,067 0,057 0,05 0,071 0,06 0,53 Зависимость коэффициента трения от контактного давления при скорости скольжения V – 0,15 м/с, температуре – 50 оС 0,0498 0,0361 0,041 0,0491 0,042 0,042 0,0481 0,043 0,043 0,0458 0,042 0,044 0,0428 0,039 0,043 Зависимость коэффициента трения от температуре при при скорости скольжения V – 0,15 м/с, контактном давление рв – 2,5 МПа 0,065 0,057 0,048 0,058 0,049 0,044 0,05 0,041 0,042 0,047 0,038 0,04 0,041 0,034 0,038 0,037 0,032 0,036 Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 94

Как следует из результатов значения коэффициентов трения композита СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 75 мин) значительно ниже, чем у композита СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 45 мин) во всех вариантах эксперимента и заметно ниже, чем у чистого СВМПЭ. Необходимо отметить также различное влияние варьируемых параметров на данную трибологическую характеристику. При увеличении скорости скольжения коэффициент трения у всех образцов возрастает. Меньшие значения коэффициента трения имеют место у СВМПЭ и композита СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 75 мин). При увеличении контактного давления коэффициент трения у образцов СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 45 мин) снижается, у образцов СВМПЭ и СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 75 мин) проходит через экстремум. Меньшие значения коэффициента трения достигаются у композита СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 75 мин). При увеличении температуры коэффициент трения у всех композитов снижается. Меньшие значения коэффициента трения достигаются композита СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 75 мин). При выборе диапазона варьирования указанных параметров исходили из необходимости приближения их к значениям силовых и кинематических параметров силового гидроцилиндра С100/40×200 трактора МТЗ 80/82 (скорость V движения поршня – 0,15 м/с, контактное давление рв паре «штоккрышка гидроцилиндра» -– 2,5 МПа) в среде индустриального масла И-20А (раздел 2.1). Испытания на износостойкость были проведены для композита СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 75 мин) и чистого СВМПЭ при температуре T = 25С, скорости скольжения 0,15 м/с, контактном давлении – 2,5 МПа. Полученные результаты представлены в табл.3.8. Таблица 3.8 – Значения коэффициента трения и износа в среде индустриального масла И-20А Значения линейной интенсивности изнашивания (в среде И-20А) Образец Коэффициент трения изнашивания (в среде И20А) Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 95

СВМПЭ (без м/а) СВМПЭ+УНТ(0,1%) (м/а 75мин) УПА6-15А 2,46·10 -8 0,053 1,85·10 -8 0,0496 2,7310-8 0,133 Как следует из результатов, при данных параметрах испытания трибологические характеристики композита СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а 75 мин) существенно лучше, чем у чистого СВМПЭ. Можно заключить, что введение углеродных нанотрубок способствует существенному улучшению трибологических характеристик СВМПЭ . Таким образом, проведенные исследования позволяют заключить, что композит СВМПЭ+УНТ(0,1%) является превосходным материалом для изготовления антифрикционных деталей сельхозмашиностроения, поскольку он отличается от исходного СВМПЭ более низкими значениями коэффициента трения и линейной интенсивности изнашивания в среде индустриального масла при условиях, приближенных к эксплуатационным. Кроме того, данный полимер проявляет более стабильное триботехническое поведение при изменениях скоростей скольжения, контактных давлений и температур пар трения. В результате существенного проделанной улучшения работы установлена упруго-прочностных, возможность технологических и трибологических характеристик СВМПЭ за счет ввода в него малой концентрации (0,1 %) углеродных нанотрубкок марки «Tuballmatrixbeta». Низкое наполнение оставляет возможность введения целевых добавок – модификаторов для дальнейшего улучшения упруго-прочностных и трибологических характеристик материала при сохранении его низкой себестоимости. Это дает основания считать перспективным использование данных композитов для изготовления антифрикционных деталей сельскохозяйственной техники. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 96

4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ РАЗРАБОТАННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И ТЕХНОЛОГИЙ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА Как уже было отмечено в разделе 1.1.1 конструкция современного гидроцилиндра содержит свыше 20 наименований полимерных деталей (рис. 4.1). Рисунок 4.1 – Антифрикционные полимерные детали силового гидроцилиндра Разработанный композиционный в материал настоящем может исследовании быть эффективно антифрикционный использован для изготовления элементов комбинированных уплотнителей, грязезащитных и антиэкструзионных колец, опорно-направляющих колец и других деталей. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 97

Грязесъемники (рис. 4.2) устанавливаются в гидравлические цилиндры с целью удаления грязи, различных частиц, влаги и др. со штока во время движения в системе, таким образом, предохраняя гидравлическую среду от загрязнения, а уплотнения и другие компоненты от повреждения. Грязесъемники могут применяться как однонаправленного, так и двунаправленного действия в зависимости от их применения и системы уплотнения. Их функции четко разграничиваются: грязесъемник действия однонаправленного разработан предохранения от для внешних а б Рисунок 4.2 – Внешний вид грязесъемного кольца (а) и схема его монтажа (б) загрязнений, у грязесъемника двунаправленного действия есть дополнительная функция оптимизировать систему уплотнения и удалять остаточный слой жидкости для избежания внешних утечек. Комбинированное уплотнение поршня (рис. 4.3) предназначено для уплотнения поршней или гидроцилнидров. устанавливается штоков Уплотнение между поршнем и корпусом цилиндра, штоком и крышкой гидроцилиндра и содержит два кольца. Кольцо прямоугольного (фасонного) а б Рисунок 4.3 – Типы комбинированных уплотнений поршня (а) и схема их монтажа (б) сечения выполняет функцию трибосопряжения, взаимодействуя с гильзой цилиндра или штоком, и выполняется из антифрикционного термопласта, например, полиамида или фторопласта. Предлагается изготавливать его из разработанного композита (СВМПЭ + 0,1% УНТ). Другое кольцо круглого сечения, посаженное на поверхность поршня или крышки гидроцилиндра, изготавливается из резины (эластомера) и выполняет силовую функцию, Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 98

создавая требуемое контактное давление прямоугольного пластмассового кольца на герметизируемую поверхность штока или гильзы. Защитные плоские кольца (рис. 4.4) применяются для исключения экструзии (выдавливания) резиновых уплотнений в зазоры между подвижными деталями. а б Рисунок 4.4 – Кольцо защитное (антиэкструзионное) (а) и схема его монтажа (б) Полимерные направляющие кольца (рис. 4.5) обладают значительными преимуществами по сравнению с обычными металлическими направляющими: низкая себестоимость, низкое удельное давление, устранение концентрации напряжения, высокая износостойкость и долговечность. а б Рисунок 4.5 – Направляющее кольцо поршня (а) и схема его монтажа (б) Комбинация металла и композита предохраняет узел от возможной блокировки. При этом реализуются: благоприятные характеристики трения износа, амортизация механических вибраций, хороший очищающий эффект от прилипших посторонних частиц, защита уплотнений от "дизельного эффекта", Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 99

устранение проблем гидродинамического давления в системе подвода, простота монтажа и смены полимерной направляющей при ремонте, низкие затраты на сервисное обслуживание. Наибольшее распространение в гидроприводах тракторов, произведенных в России и странах СНГ, нашли поршневые гидроцилиндры двухстороннего действия серии С (С55/30, С75/30, С90/30, С100/40). Особенностью конструкции гидроцилиндров данной серии является отсутствие в штоковом и поршневом узлах сменных направляющих опорных колец. Устройство поршневого гидроцилиндра серии С представлено на рис. 4.1. 7 8 6 9 5 4 10 11 12 3 2 1 13 Рисунок 4.6 –Поршневой гидроцилиндр серии С: 1 – передняя крышка; 2 – уплотнение штока; 3 – шток; 4 – гильза цилиндра; 5 – поршень; 6 – крышка задняя; 7 – уплотнение поршня; 8 – маслопровод; 9 – гидромеханический клапан; 10 – направляющая клапана; 11 – грязесьёмник; 12 – пластина грязесьёмника; 13 – упор клапана Гильза цилиндра 4 изготовлена из цельнотянутой трубы (стали 35, 45 или легированных сталей 30СГСА и 12Х18Н9Т); ее внутренняя поверхность закалена токами высокой частоты. В гильзе цилиндра перемещается поршень 5. Зазор между гильзой и поршнем герметизирован уплотнением 7. Поршень изготовлен из алюминиевого сплава либо из чугуна и жестко соединен со штоком 3, который находиться в передней полости цилиндра. Шток изготавливается из стальных поковок 30 ГСХА, 40Х, 45; его поверхность хромирована на глубину не менее 0,025 мм для увеличения износостойкости. Направляющей штока служит цилиндрическая расточка в передней чугунной крышке 1. Герметичность зазора между направляющей расточкой в передней крышке и штоком обеспечивается уплотнением штока 2. Для предотвращения Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 100

попадания на поверхность штока пыли и абразивов во время обратного хода, в расточке передней крышки установлен грязесьёмник 11, который закреплен при помощи пластины 12. Поршень разделяет цилиндр на две изолированные полости-переднюю и заднюю. Масло от распределителя подводится к каждой полости отдельно. Для подвода и отвода рабочей жидкости к задней полости гидроцилиндра передняя 1 и задняя 6 крышки соединены маслопроводом 8. В расточку передней крышки установлен гидромеханический клапан ограничения хода 9. Направляющая клапана 10 установлена в расточке передней крышки и закреплена при помощи пластины 12. Существует ошибочное мнение, что гидроцилиндры являются самыми надежными агрегатами гидросистемы. Опыт эксплуатации гидрофицированных машин показал, что на долю гидроцилиндров приходится 17…30 % отказов всей гидросистемы [51]. Гидроцилиндры во время эксплуатации подвержены совместному действию внезапных и постепенных отказов. К внезапным отказам относятся отказы гидроцилиндров, возникшие в связи с образованием дефектов на рабочих поверхностях деталей, сопряженных с уплотнителем. К постепенным относятся отказы, связанные с изнашиванием рабочих поверхностей деталей. Относительная доля постепенных отказов составляет примерно 20 % от общего числа отказов [50]. В начальном периоде работы гидроцилиндра преобладают постепенные отказы, а затем, по мере увеличения наработки, увеличивается число случайных отказов. Влияние на гидропривод тяжелых режимов работы, агрессивных сред, знакопеременных нагрузок ведет к более интенсивному износу деталей гидроцилиндров и снижению их долговечности [63]. Все эти факторы способствуют увеличению износа уплотнительных узлов и направляющих элементов гидроцилиндра. В настоящее время можно выделить несколько способов восстановления работоспособности гидроцилиндров. Все они имеют свои преимущества и Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 101

недостатки. В главе 1 диссертации было показано, что ресурсоопределяющими для гидроцилиндров являются штоковый и поршневой уплотнительные узлы. Восстановление изношенных штоков и гильз. В Интернет – источниках представлен способ ремонта гидроцилиндров заменой изношенных штоков и гильз на новые хромированные штоки и гильзы из хонингованных труб необходимого диаметра и длины [53]. Штоки и трубы для ремонта гидроцилиндров изготавливаются из материалов Ст35, Ст45, Ст40Х. Поверхность штока обработана хромом твердым на глубину 20 мкм. Штоки также могут поставляться с закалкой на глубину до 2 мм. А для штоков при коммерческой длине 600…1700 мм проводится закалка ТВЧ. Ремонт данным способом обеспечивает межремонтный ресурс гидроцилиндров на 80 % доремонтного ресурса. Данный способ рационально применять к гидроцилиндрам с дефектами, которые либо восстановить невозможно, либо это делать нерентабельно: разрыв штока; деформация гильзы; погнутость штока с деформацией, не устраняемая правкой; коррозия, риски и следы схватывания, занимающие более 50 % площади рабочей поверхности. Расчет себестоимости ремонта гидроцилиндров марки С100/40×400 и С75/30×400 с учетом расходов на комплектующие показывает, что себестоимость ремонта гидроцилиндров с заменой деталей на новые составляет около 80 % от стоимости нового гидроцилиндра [57] Технология восстановления штока при ремонте очень часто копирует технологию изготовления, отличаясь лишь введением операций по увеличению диаметра и финишными технологическими операциями. Существует технология восстановления, заключающаяся в наплавке проточенного штока в среде углекислого газа порошковыми проволоками с последующими шлифованием и хромированием [53]. Твердость покрытия составляет 50...58 ед. Штоки восстанавливаются на увеличенный диаметр, при этом отверстия передних крышек растачивают и не восстанавливают. Данная технология имеет ряд недостатков: высока стоимость наплавочного Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 102

оборудования и используемых материалов; не исключено применение гальванических операций; при изменении размеров сопряженных деталей нарушается степень сжатия резиновых колец, что приводит к их ускоренному износу при эксплуатации. Описанные в работе [54] методы восстановления автоматической наплавкой под слоем флюса и плазменным напылением имеют ряд достоинств: надежная защита наплавленного слоя от окисления; возможность автоматизации процесса наплавки. Однако дефицитные расходные материалы, низкое качество и низкая износостойкость наплавленного слоя, значительный нагрев восстанавливаемых деталей до температуры 350–370ºС, и, как следствие, понижение усталостной прочности детали на 20–40 % являются недостатками данных методов, что не позволяет их применять в технологии ремонта гидроцилиндров. Более прогрессивным методом восстановления является метод электроискровой обработки (ЭИО), который был разработан с целью упрочнения и легирования деталей, режущего инструмента, штампов [55;54]. Впервые метод ЭИО для восстановления деталей агрегатов применил профессор Ф. Х. Бурумкулов со своими учениками, научные труды которых в виде реальных проектов успешно реализованы и в настоящее время используются на некоторых ремонтных предприятиях России и стран СНГ. Электроискровая наплавка позволяет: проводить локальную обработку поверхности детали; отказаться от использования флюсов или защитных газов; обеспечить высокую прочность сцепления покрытия с основой с образованием металлической связи; отказаться от предварительной подготовки и обработки восстанавливаемой поверхности к наплавке; обеспечить экологическую чистоту окружающей среды; использовать малогабаритное, транспортабельное оборудование; использовать для питания установок бытовую осветительную сеть [57]. К недостаткам данного метода восстановления деталей следует отнести весьма высокую трудоемкость [58]. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 103

В Интернет-источнике [59] описан способ восстановления гильз цилиндров методом нанесения полимерного покрытия, который заключается в заполнении жидкой отверждением, полимерной щелевого зазора композицией, между с покрываемой последующим поверхностью ее и поверхностью формующего элемента. После отверждения пластмассы следует механическая обработка цилиндра, которая проводится для снятия фасок. Применение рассмотренного способа обеспечивает высокую точность и чистоту внутренних поверхностей металлопластмассовых цилиндров, высокую производительность и экономичность ремонта. Однако при восстановлении гильз данным способом полимерная композиция не обеспечит требуемой стойкости к образованию рисок и задиров. Формующий элемент необходимо изготавливать индивидуально для каждого диаметра гильзы. К тому же при реализации данной технологии для получения равномерной толщины покрытия необходима специальная оснастка для обеспечения соосности формующего элемента и гильзы цилиндра По результатам настоящей работы для оперативного восстановления работоспособности поршневого узла и передней крышки гидроцилиндра предлагается изменение их конструкции с монтажом в крышку и поршень гидроцилиндров направляющих опорно-направляющих колец (рис. 4.2) из износостойких полимерных композитов, разработанных в настоящей работе, что приведет значительному снижению интенсивности изнашивания деталей ресурсоопределяющих сопряжений и снижению трудоемкости ремонта гидроцилиндров. На рис. 4.3 представлена измененная конструкция гидроцилиндра со съемными направляющими, изготовленными из разработанного полимерного композита (СВМПЭ + 0,1% УНТ), смонтированных в передней крышке и поршне гидроцилиндра. В диссертационной работе И. Н. Колодяжной проведены исследования, ставящий целью повышение эффективности уборки картофеля за счет повышения долговечности подшипникового узла поддерживающего ролика Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 104

картофелекопателя КТН-2В применением подшипника скольжения из полимерного материала, обладающего низким коэффициентом трения, высокой способностью сопротивляться износу и высокой коррозионной стойкостью [65]. 7 8 14 9 6 5 10 11 12 4 15 3 16 2 1 13 Рисунок 4.7 –Поршневой гидроцилиндр серии С после ремонта: 1–передняя крышка; 2–уплотнение штока; 3–шток; 4–гильза цилиндра; 5–поршень;6–крышка задняя; 7–уплотнение поршня; 8–маслопровод; 9– гидромеханический клапан; 10–направляющая клапана; 11–грязесьёмник; 12–пластина грязесьёмника; 13–упор клапана. 14– направляющие поршня; 15– защитные кольца; 16–направляющая штока. Решением данной задачи может стать подшипник скольжения с самоармированием (рис. 4.7) из разработанного оригинального состава на основе СВМПЭ + 0,1% УНТ, обладающий специфическими свойствами. а б Рисунок 4.7 – Внешний вид обычного (а) и фланцевого подшипников скольжения из полимерного антифрикционного композита Перспективы коммерциализации. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 105

После проведения стендовых и эксплуатационных испытаний внедрение результатов может быть осуществлено на малых инновационных предприятиях ООО «Эффект- гарантия» и ООО «Агросервис» Института Механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарева», занимающихся ремонтом объектов с/х техники. Предварительное изучение рынка показало, что в настоящее время в России существует всего два крупных предприятия, изготавливающих детали гидроцилиндров и подшипники скольжения на основе полимерных антифрикционных композиций – это ООО «ЭрДжиСи-трейд» и ООО «Центр гидроцилиндров». Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 106

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Получены уравнения и проведен теоретический анализ сил, действующих в трибосопряжениях «поршень – гильза цилиндра» и «передняя крышка – шток» силового гидроцилиндра С100/40×200-344 трактора МТЗ 80. Установлено, что значения сил реакций R и трения Fтр деталей штокового и поршневого уплотнительных узлов изменяются в процессе всего рабочего цикла гидроцилиндра, что является причиной неравномерного износа рабочих поверхностей трибосопряжений. Максимальные значения реакций достигаются в переднем положении поршня и составляют 3850 Н. Контактные напряжения возрастают с ростом износа рабочих поверхностей от 4,35 МПа (при начальной величине зазора 0,091 мм) до 13,7 МПа (зазор 0,4 мм). Отсюда следует, что по мере увеличения зазора между сопряженными деталями скорость изнашивания должна быстро нарастать. 2. Разработана конструкция и изготовлена приставка к лабораторному смесителю периодического действия PolyLabRheomix 600 OS для изучения трибологических характеристик антифрикционных композитов на основе СВМПЭ. С использованием данной приставки были получены сравнительные значения коэффициентов трения антифрикционных композитов на основе ПА 6 и СВМПЭ в условиях сухого трения и трения со смазкой при температуре 20 ºС, контактном давлении 0,1 МПа и диапазоне скоростей скольжения 0,1 – 0,5 м/с. Установлено, что в условиях трения со смазкой значения коэффициента трения композитов СВМПЭ более чем в 1,3 раза ниже коэффициентов трения полиамидных композитов. 3. Разработан техпроцесс механохимической активации сухосмешанных композиций СВМПЭ и наноразмерных модификаторов на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7», обуславливающий повышение Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 107

упругопрочностных характеристик СВМПЭ и однородное распределение наночастиц в последнем. Установлено, что оптимальная длительность обработки сухосмешанных композиций СВМПЭ и наноразмерных модификаторов составляет 67…75 минут. 4. Разработан оригинальный состав композиции на основе СВМПЭ и углеродных нанотрубок (УНТ) фирмы «Tuballmatrixbeta». Установлено, что ввод 0,1 % УНТ обеспечивает (по отношению к чистому СВМПЭ) повышение предела текучести на 35 %, прочности на 28 %, начального и конечного модулей упругости на 23 % и 29 %, соответственно. 5. В результате триботехнических испытаний в условиях трения со смазкой (при температуре 25 оС, скорости скольжения 0,15 м/с и контактном давлении 2,5 МПа) установлено, что ввод 0,1 % УНТ обеспечивает снижение интенсивности износа СВМПЭ от 2,4610-8 до 1,8510-8 отн.ед. При этом интенсивность износа коммерческого полиамидного композита УПА6-15А составила 2,7310-8 отн. ед. 6. Исследована возможность реализации эффекта самоармирования при изготовлении модели опорно-направляющего кольца гидроцилиндра из разработанного композита методом двухстадийного прессования композиции СВМПЭ с вытяжкой расплава вдоль оси кольцевой полости пресс-формы. Установлено, что вытяжка расплава в пределах 15…20 % обеспечивает прирост модуля упругости для образцов из СВМПЭ (без м/а) – 9 %; для образцов из СВМПЭ (м/а) – 8 %; для образцов СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а) – 12 %. 7. Разработаны рекомендации по применению разработанного антифрикционного материала в объектах сельскохозяйственной техники. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 108

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. М., Машгиз, 1963, 696 стр. 2 Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидрооборудование / Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. М.:, 1982. 420 с. 3 МарутовВ.А, Павловский С.А-Гидроцилиндры. Издательство «Машиностраение» Москва 1966 год. 4 Богданов Л.Б. Гидравлические машины поступательного движения. МоскваКиев, Машгиз, 1958, 164 с. 5 Гидроцилиндры [электронный ресурс]. - Режим доступа https://yandex.ru/images/search?text=силовые%20гидроцилиндры 6 Буренин В.В. Грязесъемники для штоков силовых гидроцилиндров / В.В. Буренин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2000. №11. С. 39-40. 7 Технические условия 23.1.174-80. Гидроцилиндры тракторные/ Елецкий завод тракторных гидроагрегатов. 1980. 33 с. 8 Осипов П.Е. Гидравлика, гидравлические машины и и гидропривод: Уч. Пособие. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесная промышленность. 1981. - 424 с 9 Хачатрян Г.Р. Резиновые уплотнители гидравлических устройств с возвратно-поступательным движением / Г.Р. Хачатрян, В.Н. Михайлов; ЦНИИТЭНефтехим. 1987. 48 с. 10 Буренин В.В. Уплотнительные кольца и манжеты для силовых гидроцилиндров / Буренин В.В. // СТИН. 1997. №3. С. 24-28. 11 Аврущенко Б.Х. Резиновые уплотнители / Б.Х. Аврущенко. Л.: Химия, 1978. 136 с. 12 Производство изделий из полимерных материалов: Учеб.пособие / В.К. Крыжановский, М.Л. Кербер, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко. - СПб.: Профессия 2004.- 464 с. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 109

13 Машков Ю.К., Байбарацкая М.Ю., Григоревский Б.В. М38. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы: Учеб.пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 129 с. 14 Пенкин Н.С., Пенкин А.Н., Сербин В.М: Основы трибологии и треботехники: учебное пособие –М: «Машиностроение» 2008. -206 стр. 15 Трение твердых тел [электронный ресурс]. - Режим доступаhttp://www.studfiles.ru/preview/4250110/ 16 Белый А.В. Трение и износ материалов на основе полимеров. / В.А. Белый, А.И. Свириденюк, М.И. Петроковец, В.Г. Савкин. Минск: Наука. 1976. 432 с. 17 Бахарева В.Е., Николаев Г.И., Анисимов А.В. Улучшение функциональных свойств антифрикционных полимерных композитов для узлов трения скольжения//Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И.Менделеева). – 2009. – том LIII. - №4. – С.419. 18 Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / А.В. Чичинадзе, А.Л. Левин, М.М. Бородулин, Е.В. Зиновьев; под общ.ред. А.В. Чичинадзе – М.: Машиностроение. 1988. 328 с. 19 Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): учеб. М.: Изд-во МСХА, 2001. 616 с. 20 Овандер В.Б. Требования к материалам контактных уплотнений для подвижных соединений гидроцилиндров / Овандер В.Б. // Гидравлика и пневматика. №25. 2007. С. 22-23 21 Белый А.В. Трение и износ материалов на основе полимеров. / В.А. Белый, А.И. Свириденюк, М.И. Петроковец, В.Г. Савкин. Минск: Наука. 1976. 432 с. 22 Антропова Н.И., Власова К.Н., СамохваловаА.В.,ПавловаГ.И.Капралон, его получение, свойства иприменение. Л.: Наука, 1966. 23 Материалы для узлов трения [электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=1858 Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 110

24 Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие/ М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г. С. Головкин и др.; под ред. А.А. Берлина – СПб.: Профессия, 2008.- 560 с., ил. 25 Промышленные полимерные композиционные материалы / Под ред. П.Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1980. – 472 с. 26 Ким В.С. Теория и практика экструзии / В.С. Ким. М.: Химия. 2005. – 568 с. 27 Гуль В.Е., Дьякова В.П. – Физико-химические основы производства полимерных пленок// Издательство: Высшая школа., 1978г. 28 Современные методы переработки полимерных материалов. Экструзия. Литье под давлением : учеб.пособие / Ю. Т. Панов, Л. А. Чижова, Е.В. Ермолаева; Владим. гос. университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. – Владимир : Издательство ВлГУ, 2013. − 128 с. 29 Лукомская А.И., Богаевский М.А., Борисевич Г.М., Калинова Л.Т. Распределение давлений в протекторных резиновых смесях при течении в рисунках пресс-формы. - Каучук и резина, 1973, №8, с. 26-29. 30 Шанин Н.П., Колбовский Ю.А., Алексеев А.С. О некоторых законо мерностях прессования асбокаучуковых композиций. - Каучук и резина, 1978, №10, с.46-48. 31 Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. Режим доступа: http://mastermodel.ru/articles/Dyneema 32 Гордеев Ю.И. Перспективные композиционные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, матрично-наполненные сверхтонкими порошками оксида алюминия / Ю.И. Гордеев, А.К. Абкарян, О.В. Ковалевская // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2011. С. 128-132. 33 Охлопкова А.А., Андрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями.- Якутск: Якутск. Филиал изд-ва СО РАН, 2003, -306с. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 111

34 Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Режим доступа: http://www.polymerbranch.com/96da2f590cd7246bbde0051047b0d6f7/6592ae68 a1ff70256bf57ff59e9211b8/magazineclause.pdf 35 Андреева И.Н., Веселовская Е.В., Наливайко Е.И. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности.- Ленинград: Химия.- 1982, 80с 36 Наполнители для полимерных композиционных материалов: учеб.пособие / Л.Г.Панова. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010.- 68 с. 37 Матренин С.В., Овечкин Б.Б.Композиционные материалы и покрытия на полимерной основе: Учебное пособие. – Томск, 2008. - 197 с. 38 Андериха В.Н., Шаповалов В.А., Краснов А.П., Плескачевсеий Ю.Н. О влиянии органофилизации аэросила на трибологические свойства малонаполненных композитов СВМПЭ// Трение и износ.- 2008(29), № 4, 421-427 39 Смирнов Ф.С. Структура и свойства самоармированного композита на основе ориентированных пленок СВМПЭ // Тез. конф. «70-е дни науки студентов НИТУ «МИСиС». М., 2015. 40 Polymeric Materials: pat. 6277773 B1 USA; publ. 21.08.01. 41 Ward I.M. Developments in oriented polymers, 1970–2004 // Plastics, Rubber and Composites: Macromolecular Engineering. 2004. Vol. 33. No. 5. P. 189–194. 42 Matabola K.P., De Vries A.R., Moolman F.S., Luyt A.S. Single polymer composites: a review // Journal of Materials Science. 2009. Vol. 44. No. 23. P. 6213– 6222. 43 Максимкин А. В: влияние механоактивационной обработки на фазовый состав и механические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена/., А. В. Максимкин, С. Д. Калошкин, В. В. Чердынцев, К. С. Ергин // Деформация и разрушение материалов. – 2010. – № 12. – С. 10-14 44 4Шанин Н.П., Колбовский Ю.А., Алексеев А.С. О некоторых законо мерностях прессования асбокаучуковых композиций. - Каучук и резина, 1978, №10, с.46-48. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 112

45 Малкин А.Я. Методы измерения механических свойств полимеров / А.Я. Малкин, А.А. Аскадский, Коврига В.В. М.: Химия. 1978. – 336 с. 46 Панин С.В., Корниенко Л.А., Нгуен Суан Т. и др. Износостойкость композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненных микрочастицами графита и дисульфида молибдена // Трение и износ. - 2014 (35), - № 4, - c. 444-453. 47 Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение. Кн. 2. 1979 – 358 с. 48 Панин С.В., Корниенко Л.А., Нгуен Суан Т. и др. Механические и триботехнические свойства полимерных композиций сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с полиамидом (ПА) // Трение и смазка в машинах и механизмах, - 2014, - № 10, - с. 32-40. 49 Гранкина Е. В. Обеспечение работоспособности штоковых уплотнительных узлов при ремонте гидроцилиндров путем применения рационального способа восстановления штока: дис. канд. … техн. наук: 05.20.03 / Гранкина Елена Владимировна. – Ленинград, 1989. – 158 с. 50 Дидур В. А. Диагностика и обеспечение надежности гидроприводов сельскохозяйственных машин / В. А. Дидур, В. Я. Ефремов. – Киев: Технiка, 1986. – 128 с. 51 Дидур В. А. Эксплуатация гидроприводов сельскохозяйственных машин / В. А. Дидур, Ю. С. Малый. – М.: Россельхозиздат, 1982. – 127 с. 52 Матвеев А. С. Влияние режимов эксплуатации на износ агрегатов навесных гидравлических систем тракторов / А. С. Матвеев // Тракторы и сельхозмашины. – 1971. – № 2. – С. 10–12. 53 ЗАО «Гидросила». Комплектующие для ГЦ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rg-gidrosila.ru/?id=57. – Загл. с экрана. 54 Ачкасов К. А. Прогрессивные способы ремонта сельскохозяйственной техники / К. А. Ачкасов. — М.: Колос, 1975. – 304 с. 55 Золотых Б. Н. О расчете технологических характеристик процесса размерной электроискровой обработки токопроводящих материалов / Б. Н. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 113

Зо-лотых // Проблемы электрической обработки металлов. – Вып. 1. – М.: Изд-во АН СССР, 1960. – С. 221–232. 56 Золотых Б. Н., Тепловые процессы на поверхности электродов при электроискровой обработки металлов / Б. Н. Золотых, А. И. Круглов // Проблема электрической обработки металлов. – Вып. 1. – М.: Изд-во АН СССР, 1960. – С. 65–76. 57 Чумаков П. В. Технология ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники электроискровым методом: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.20.03 / Чумаков Павел Васильевич. – Саранск, 2013. 58 Уплотнительные элементы для гидравлических цилиндров и агрегатов[электронный ресурс]-http://hydrocenter.ru/d/32613/d/katalog-opornouplotnitelnyh-elementov-2007.pdf 59 Восстановление гидроцилиндров [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.0gn.ru/promyshlennost proizvodstvo/vosstanovleniegidrocilind- rovlesnyx.php. – Загл. с экрана. 60 Бадамшина Е.Р. Модифицирование углеродных нанотрубок и синтез полимерных композитов с их участием / Е.Р. Бадамшина, М.П. Гафурова, Я.И. Эстрин // Успехи химии, 2010, Том. 79,№11, С. 1027-1064. 61 Елецкий А.В. Перспективы применений углеродных нанотрубок / А.В. Елецкий // Российские нанотехнологии, 2007, Том. 6, С. 5-6. 62 Ajaya P.M. Applications of Carbon Nanotubes/ P.M. Ajaya, O. Z. Zhou // Topics Appl. Phys., 2001, Vol. 80, P.391–425. 63 Балоян Б.М. Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения / Б.М. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов, А.М. Кротов // Учебное пособие, Москва, 2007, 125 с. 64 Кондрашов С.В. Перспективные технологии получения функциональных материалов конструкционного назначения на основе композитов с УНТ / С.В. Кондрашов, К. А. Шашкеев, О. В. Попков, Л. В. Соловьянчик // труды ВИАМ, №3, 2016, С.54-64. Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 114

65 Г.А.Борисов, А.Н.Колодяжный, И.Н.Колодяжная, М.М.Слугин. Повышение долговечности подшипникового соединения поддерживающего ролика картофелекопателя// Журнал «Механизация, электрификация сельского хозяйства». М.: 2011. №1, с.31 66 Малкин А.Я. Методы измерения механических свойств полимеров / А.Я. Малкин, А.А. Аскадский, Коврига В.В. М.: Химия. 1978. – 336 с. 67 Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. – М.: Машиностроение. Кн. 2. 1979 – 358 с. 68 Крагельский И.В. Трение и износ / И.В. Крагельский М.: Машиностроение. 1968. 480 с. 69 Малкин А.Я. Методы измерения механических свойств полимеров / А.Я. Малкин, А.А. Аскадский, Коврига В.В. М.: Химия. 1978. – 336 с. 70 Водяков В.Н., Чумаков П.В., Величко С.А., Кузнецов В.В., Котина Е.А. Кинематический анализ причин отказов силовых гидроцилиндров автотракторной техники, ТРУДЫ ГОСНИТИ, Том 128, с 47 – 54 71 Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. П.Н. Учаева. – Изд. 3-е, испр. – М.: Машиностроение, 1988. – 560 с Лист МД-02069964-35.04.06-60-18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата 115

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв