Full Text

Введение В настоящее время существует большой набор полимерных материалов российского и зарубежного производства, пригодных к использованию в качестве антифрикционных покрытий и прослоек в узлах конструкций, работающих в рамках контактного взаимодействия с трением. Такие материалы находят широкое применение в авиационной технике [1], строительстве [2], медицине [3], машиностроении [4-5] и других областях. К современным антифрикционным полимерным материалам можно отнести: композиционные антифрикционные полимерные материалы на основе фторопласта [6-9 и др.], модифицированный фторопласт [8-10], сверхвысокомолекулярные полиэтилены (СВМПЭ) российского и зарубежного производства и композиционные материалы на их основе [6, 8, 11]. Решение задач о деформационном поведении конструкций с антифрикционными покрытиями и прослойками предполагает наличие информации о свойствах и структуре материалов [6, 12]. Российские и зарубежные ученые занимаются исследованием физико-механических, химических, фрикционных и реологических свойств современных полимерных материалов и композитов на их основе [6-18 и др.]. При этом до сих пор отмечается недостаточность информации о свойствах исследуемых материалов [16, 18], что сдерживает их эффективность в использовании во многих сферах промышленности. Экспериментальное исследование свойств полимеров, используемых в качестве антифрикционных прослоек, и построение численных моделей их поведения в рамках механики контактного взаимодействия являются актуальными направлениями исследования. Поэтому в работе выполнено междисциплинарное исследование поведения современных полимерных материалов, включающее в себя: цикл экспериментальных исследований, обработку данных эксперимента с построением моделей поведения современных полимеров и численное моделирование деформационного поведения исследуемых материалов на тестовой задаче. 1. Натурный эксперимент В Институте механики сплошных сред УрО РАН выполнен цикл экспериментальных исследований физико-механических характеристик антифрикционных материалов при сложных многоступенчатых историях деформирования с разгрузками на испытательной машине Zwick Z100SN5A. Серия натурных экспериментов включала (рис. 1): испытания по определению твердости материалов по Бринеллю путем вдавливания шарика диаметром 5 мм; исследования в условиях свободного сжатия, а также стесненного сжатия путем прессования в специальном приспособлении с жесткой стальной обоймой цилиндрических образцов диаметром и высотой 20 мм. а в б Рис. 1. Экспериментальные исследования антифрикционных полимеров: а - на твердость по Бринеллю; б - в условиях одноосного напряженного состояния; в - в условиях одноосного деформированного состояния В рамках серии натурных экспериментов было исследовано более чем 30 современных антифрикционных материалов и композиционных материалов на их основе, пригодных в той или иной мере в качестве слоев скольжения в узлах трения, таких как сферические опорные части, температурные швы и т.д. Из широкого набора материалов выбрано 6 современных антифрикционных полимеров и композитов на их основе, наиболее перспективных при использовании в узлах трения: СВМПЭ, наполненный углеродом (материал 1); СВМПЭ производства Россия (материал 2); СВМПЭ производства Германия (материал 3); антифрикционный композиционный материал на основе фторопласта с дендритными бронзовыми включениями и дисульфидом молибдена (материал 4); антифрикционный композиционный материал на основе фторопласта со сферическими бронзовыми включениями и дисульфидом молибдена (материал 5); модифицированный фторопласт (материал 6). Касательный модуль и модуль упругости были определены по результатам испытания при свободном и стесненном сжатии, согласно [19] можно вычислить другие упругие константы изотропного упругого тела, выражаются через измеренные модули. Коэффициент Пуассона определим по формуле , где . В таблице представлены механические характеристики упругого участка для выбранного набора современных антифрикционных материалов. Свойства современных антифрикционных материалов № п/п Антифрикционные материалы Е, МПа ν № п/п Антифрикционные материалы Е, МПа ν 1 Материал 1 1420 0,4402 4 Материал 4 903 0,4465 2 Материал 2 1050 0,4699 5 Материал 5 860,52 0,4388 3 Материал 3 706 0,4522 6 Материал 6 863,8 0,4610 ε σ, МПа 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 30 25 20 15 10 5 0 Материал 6 Материал 5 Материал 1 Материал 2 Материал 3 Материал 4 Рис. 2. Диаграммы сжатия σ-ε В рамках серии натурных экспериментов установлено, что современные антифрикционные полимерные материалы и композиты на их основе проявляют нелинейные свойства. В качестве первого приближения для описания модели поведения материалов выбрана деформационная теория упругопластичности (рис. 2). На рис. 2 представлены диаграммы сжатия σ-ε, полученные экспериментально при малых скоростях деформирования или определенные путем построения огибающих кривых при обработке диаграмм циклического свободного сжатия. В [17] установлено, что численный расчет с использованием выбранной модели поведения материалов дает хорошее количественное соответствие результатам эксперимента для случая активного нагружения. 2. Математическое моделирование В рамках анализа влияния свойств современных антифрикционных материалов выполнено численное моделирование эксперимента на стесненное сжатие в жесткой стальной обойме цилиндрических образцов диаметром и высотой 20 мм плитами пресса. 2 1 3 4 4 Рис. 3. Численная модель эксперимента о деформировании образца в условиях стесненного сжатия Реализована краевая задача деформационной упругопластичности в осесимметричной постановке с учетом фрикционного контактного взаимодействия по поверхностям сопряжения плит пресса и цилиндрических образцов (рис. 3), контактное взаимодействие с жесткой стальной обоймой не учитывается. Математическая постановка задачи контакта упругопластического полимерного материала с плитами пресса ранее описана в [17, 18] и дополняется следующими граничными условиями: - на поверхности - , ; - на поверхности - , , ; - остальные наружные поверхности являются свободными: . Коэффициент трения «полимер - металл» выбран из справочной литературы и составляет 0,04. 3. Анализ результатов исследования В рамках работы выполнен анализ сходимости численного решения задачи от степени дискретизации системы при максимальной деформации цилиндрического образца 10 % на примере материла 6. Рассмотрено семь вариантов конечно-элементной сетки с градиентным уменьшением размера конечного элемента к области контакта. Первый вариант конечно-элементной сетки включает билинейные четырехугольные конечные элементы с максимальным размером элемента на основной площади модели и минимальным размером элемента вблизи области контакта. Каждый последующий вариант конечно-элементной сетки уменьшает минимальный и максимальный размер конечного элемента в два раз. Анализ сходимости конечно-элементной сетки выполнен по параметрам зоны контакта. На рис. 4 представлено распределение контактного давления на поверхности сопряжения верхней плиты пресса с цилиндрическим образцом. Рис. 4. Анализ сходимости PK от степени дискретизации системы: 1-7 - варианты конечно-элементной сетки Численное решение задачи: в качестве оптимального выбрана конечно-элементная сетка варианта 5 с максимальным размером элементов l/200 на основном объеме материала и минимальным размером элемента l/600 вблизи области контакта, которое дает оптимальное по точности и времени счета решение задачи. Влияние конечно-элементного разбиения на контактное касательное напряжение должно быть более значительным. На рис. 5 представлена сходимость численного решения контактной задачи на примере контактного касательного напряжения. Рис. 5. Анализ сходимости от степени дискретизации системы: 1-7 - варианты конечно-элементной сетки Изменения профиля контактного касательного напряжения начиная с варианта конечно-элементной сетки 5 незначительно, что подтверждает выбор данного варианта разбиения модели как оптимального. Далее на выбранном варианте конечно-элементной сетки было рассмотрено влияние свойств антифрикционных полимерных материалов на параметры контакта при увеличении деформации образца до 10 %. Установлено, что на основном объеме поверхности контакта контактное давление и контактное касательное напряжение изменяется незначительно. При этом вблизи края цилиндрического образца наблюдаются максимальные пики контактных параметров, что связано со сменой контактного статуса с «полное сцепление» на «проскальзывание». На рис. 6 представлены средние значения параметров зоны контакта при максимальном уровне деформации 10 %. , МПа 1 2 3 4 5 6 а -0,349 -0,293 -0,320 -0,189 -0,152 -0,298 -0,40 -0,35 -0,30 -0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 1 2 3 4 5 6 , МПа б Рис. 6. Среднее значение контактных давления (а) и касательного напряжения (б) на при ε = 10 %, 1-6 - номер материала Все рассмотренные СВМПЭ и модифицированный фторопласт при деформации образца 10 % имеют уровень контактного давления 800-900 МПа. Уровень контактного касательного напряжения на основном объеме материала у данных материалов также отличается незначительно. При этом деформация 10 % образцов из современных антифрикционных композиционных материалов на основе фторопласта (материал 4, 5) достигается при значительно меньших уровнях контактного давления и контактного касательного напряжения. Уровень контактного давления на 25-40 % ниже, чем у СВМПЭ и модифицированного фторопласта. На рис. 7 показана зависимость максимального уровня контактных параметров по модулю от деформации цилиндрических образцов. 900 750 600 450 300 150 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 , МПа ε, % 1 2 3 4 5 6 а 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 36 30 24 18 12 6 0 , МПа 6 1 3 2 4 5 ε, % б Рис. 7. Зависимость максимального уровня контактных давления (а) и касательного напряжения (б) на от ε: 1-6 - номер материала Зависимость максимального уровня контактного давления и контактного касательного напряжения от деформации образцов близка к линейному закону. Все рассмотренные СВМПЭ и модифицированный фторопласт деформируются при большем уровне контактного давления и контактного касательного напряжения, чем композиционные материалы. При одном уровне контактных параметров деформации образцов из современных антифрикционных композиционных материалов на 25-30 % больше, чем у других рассматриваемых полимеров. Максимальный уровень контактных параметров по модулю больше среднего контактного давления на 0,5-0,7 %, а максимальный уровень контактного касательного напряжения в среднем в 25 раз меньше контактного давления. Заключение В рамках работы выполнена серия экспериментальных исследований полимерных антифрикционных материалов, направленная на получение данных об их физико-механических свойствах: испытания на твердость; испытания в условиях одноосного деформированного состояния; испытания в условиях одноосного напряженного состояния. Исследования выполнены для широкого набора современных антифрикционных полимерных материалов и композитов на их основе. По результатам серии натурных экспериментов выбраны 6 материалов, которые наиболее эффективно можно использовать в узлах трения. Для описания модели поведения материалов в первом приближении выбрана деформационная теория упругопластичности, определены модуль Юнга и коэффициент Пуассона упругого участка, построены диаграммы σ-ε. В рамках численного эксперимента выполнено моделирование эксперимента на стесненное сжатие цилиндрических образцов плитами пресса. В результате серии численных экспериментов установлено: - уровень контактного давления у композиционных материалов на 25-40 % ниже при одном уровне деформации; - уровень контактного давления всех рассмотренных СВМПЭ и модифицированного фторопласта при одном уровне деформации образцов отличается незначительно, в пределах 10 %; - уровень максимального по модулю контактного касательного напряжения у всех рассмотренных материалов в среднем в 25 раз ниже контактного давления. Результаты численного моделирования не противоречат результатам натурных экспериментов.

About the authors

A. A Adamov

Institute of Continuous Media Mechanics

A. A Kamenskikh

Perm National Research Polytechnic University

Yu. O Nosov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 71

PDF (Russian) - 41

Refbacks

• There are currently no refbacks.