2594

170

Библиографический список

1.Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов и кранов- манипуляторов:ПБ10-382-00и ПБ10-257-98.–Новосибирск: Сиб. унив.изд-во,2007.–335с.

2.Правила техники безопасности при эксплуатации стреловых самоходных кранов:

ВСН 274-88. – М.: СтройИнфо, 2007. – 22 с.

3.Dijkstra, E.W. A note on two problems in connexion with graphs / Numerische Mathematik 1, 1959. – pp. 269-271.

4.Siek, J.G., Lee, L-Q, and Lumsdaine, A. (2002). The Boost Graph Library User Guide and Reference Manual, (Upper Saddle River, NJ:Pearson Education).

УДК 621.891:678.7

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ УПЛОТНЕНИЙ АВТОМОБИЛЕЙ ДЛЯ СИБИРИ И КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Ю.К. Машков, д-р. техн. наук, проф.; В.В. Сыркин, д-р. техн. наук, доц.; М.Ю.Байбарацкая*, канд. техн. наук, проф.;О.А. Мамаев*, канд. техн. наук, доц. Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

*Омский танковый инженерный институт

Впроцессе эксплуатации автомобилей происходит неизбежное старение материала резиновых уплотнительных элементов (манжет) герметизирующих устройств (ГУ), которые при этом должны сохранять удовлетворительные триботехнические свойства: высокую износостойкостью и низкий коэффициент трения.

Важным требованием, предъявляемым к уплотнительным резинам, также является теплостойкость, которая зависит от полимерной основы резины. Резины на основе нитрильных и акрилатных каучуков работоспособны до температуры 130-150 °С, на основе фтора и фторсиликоновая резина – до 200-230 °С [1, 2]. При низких температурах порядка -40°С – -70 °С большинство каучуков теряют эластичность и становятся твердыми.

Известно, что температурный режим работы уплотнений ГУ определяется температурой уплотняемой среды и количеством теплоты, генерируемой трением. Температура в зоне трения при тяжелых режимах работы ГУ может превышать температуру среды на 80-100 °С. При трении без смазки наибольшее значение коэффициента трения резины наблюдается в области температур 80-120 °С и достигает значения 1,5. Высокое значение коэффициента трения способствует дальнейшему повышению температуры и интенсивности изнашивания. В области температур 180-250 °С износ уплотнений приобретает катастрофический характер, то есть температура является определяющим фактором износа.

171

Повышение работоспособности и долговечности уплотнительных элементов ГУ, особенно в жестких условиях эксплуатации Сибири и Крайнего Севера, возможно за счет применения антифрикционных полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ). Эти материалы не имеют указанных выше недостатков резины, а также отличаются высокой химической стойкостью, морозо- и теплостойкостью и имеют низкий (среди известных полимеров) коэффициент трения с металлами без смазки. Работоспособность композитов сохраняется в интервале температур -200°С - +200°С. Замечательным свойством ПКМ на основе ПТФЭ является то, что они при понижении температуры практически не затвердевают. Так у материала Криолон-5 при снижении температуры от 0 °С до минус 100 °С модуль Юнга увеличивается всего на 20%, а предел прочности – на 38%. При этом износостойкость повышается на 25-30 %, а коэффициент трения – на 8-10 %, достигая значения 0,13-0,14 [3], то есть в 10 раз меньше, чем коэффициент трения резины в аналогичных условиях. Химическое строение макромолекул и надмолекулярная структура ПТФЭ обеспечивают высокую химическую стойкость полимера.

С целью изучения влияния внешнего энергетического воздействия на структуру и свойства нового ПКМ на основе ПТФЭ проведено исследование его сохраняемости ускоренным старением при высоком давлении всестороннего сжатия и повышенной температуре.

Объектами исследования служили новый композиционный материал с дисперсным и волокнистым углеродными наполнителями [4] и герметизирующее устройство пневмогидроцилиндра [6]. Образцы в виде колец прямоугольного сечения 10х10 мм наружным диаметром 70 мм изготавливали по технологии холодного прессования и свободного спекания.

Для изучения совместного влияния всестороннего сжатия при давлении 4 и 16 МПа, температуры (20 и 100°С), газовой (воздух) и жидкой (масло) сред был разработан план факторного эксперимента типа 23. Восемь комплектов образцов выдерживали в заданных согласно плану условиях в печи, предварительно поместив их в специально изготовленные универсальные приспособления – герметичные контейнеры.

В первой серии экспериментов образцы выдерживали в печи в течение 2200 ч, во второй серии – в течение 4400 ч. После этого из колец изготавливали образцы для испытаний на растяжение и трение и определяли предел прочности при растяжении σр, модуль упругости Ер и относительное удлинение при разрыве р, а также момент трения и скорость изнашивания. Испытания на растяжение проводили на разрывной машине Р-05 по стандартной методике. Влияние длительного нагружения на структуру изучали методом рентгеноструктурного анализа по методике

172

исследования полимерных материалов, описанной в [3]. Испытания на трение и износ проводили на машине трения СМТ-1 по схеме «вал – частичный вкладыш» при контактном давлении 0,5 МПа и скорости скольжения 0,5 м/с. Контртело было изготовлено из сталей 45 и 45ХНМ с твердостью 45…50 HRC. Продолжительность испытания каждого образца составляла 6 ч. В процессе испытания измеряли момент трения и температуру образца на расстоянии 1 мм от поверхности трения.

На втором этапе исследования проводили испытания уплотнительных элементов, изготовленных из ПКМ, в составе герметизирующего устройства плавающего поршня пневмогидроцилиндра.

В табл. 1 приведены условия нагружения образцов при ускоренном старении и результаты исследования механических свойств ПКМ.

Таблица 1

Условия нагружения образцов ПКМ в контейнере и результаты механических испытаний

Анализ результатов исследований свидетельствует о том, что в процессе длительной выдержки образцов в условиях всестороннего сжатия механические характеристики ПКМ изменяются незначительно.

При продолжительности выдержки 2200 ч, которая соответствует трем календарным месяцам, прочность и жесткость ПКМ незначительно повышаются (на 8,5-13,0%). При увеличении продолжительности выдержки в два раза эти характеристики незначительно снижаются (на 6,0- 10,0%). Для образцов, выдержанных в течение 2200 ч и 4400 ч, уравнения регрессии для предела прочности σр имеют вид:

σр = 24,4 – 1,1Х2 – 0,175Х3 – 0,2Х1Х2 – 2Х1Х3 – 2,4Х2Х3 – 0,2Х1Х2Х3. σр = 24,1 + 0,7Х1Х2 – 1,1Х1Х3 + 0,3Х2Х3.

173

Видно, что при нагружении ПКМ в течение 2200 ч его предел прочности зависит главным образом от уровня температурного воздействия (Х2), сжимающего давления (Х3) и от взаимодействия всех внешних факторов. При увеличении продолжительности нагружения влияние отдельных факторов нивелируется, т.к. коэффициенты уравнения регрессии при Х1, Х2, Х3 оказались незначительными.

Исследовали также триботехнические свойства ПКМ в исходном состоянии и после длительной выдержки под давлением. В табл. 2 приведены результаты испытаний образцов, выдержанных в течение 2200 ч и 4400 ч, а также образцов в исходном состоянии. Средние значения момента трения, характеризующие антифрикционные свойства металлополимерной пары трения, изменяются от 5 до 15 % при различных условиях выдержки. Средние значения скорости изнашивания изменились: при выдержке образцов в течение 2200 ч – на 4,4 % в сторону уменьшения, а в течение 4400 ч – на 8,8 % в сторону увеличения. Такие изменения находятся в пределах ошибки эксперимента и это позволяет сделать вывод о том, что износостойкость образцов ПКМ при выдержке в заданном напряженно-деформированном состоянии в течение шести месяцев изменяется незначительно.

Примечание – Условия нагружения образцов см. табл. 1.

Исследование надмолекулярной структуры образцов методом рентгеноструктурного анализа показало, что после длительного нагружения всесторонним сжатием наибольшие изменения характеристик надмолекулярной структуры, по сравнению с исходным ПКМ, наблюдаются в аморфной фазе матрицы: межслоевое расстояние в ней увеличилось на

174

5,5…8,3 %, а степень кристалличности уменьшилась на 8…12 %. Параметры кристаллической ячейки, а также ширина кристаллического рефлекса практически не изменились после испытаний. Следовательно, в кристаллической решетке отсутствуют микронапряжения.

Таким образом, выдержка образцов ПКМ в условиях всестороннего сжатия при давлении до 16 МПа и температуре до 100°С в воздушной и жидкой средах приводит к незначительному повышению характеристик механических свойств при длительности выдержки 2200 ч, а увеличение длительности выдержки до 4400 ч вызывает развитие процессов релаксации и снижение характеристик на 6-10% по сравнению с исходными. Также незначительно изменяются триботехнические свойства ПКМ – в пределах 4-8 %. Все это объясняется малыми изменениями основных характеристик надмолекулярной структуры полимерной матрицы и отсутствием в ней микронапряжений, что позволяет прогнозировать длительную работоспособность изделий из ПКМ в аналогичных условиях эксплуатации и хранения.

С целью проверки работоспособности ПКМ, созданного авторами [5], в реальных условиях были разработаны герметизирующие устройства с уплотнительными элементами (манжетами, уплотняющими втулками). При разработке конструкций ГУ была обеспечена их взаимозаменяемость с серийными резиновыми уплотнительными элементами (манжетами, кольцами) и поршневыми кольцами транспортных и других машин. На рис. 1 показаны ГУ двух типов: для уплотнения осей, валов, а на рис. 2 – для уплотнения штоков и поршней [5, 6].

Рис. 1 Герметизирующее устройство для уплотнения валов: а) для вращающихся поверхностей, б) для поверхностей возвратно-поступательного движения.

1 – корпус, 2 – уплотнительное кольцо, 3 – вал, 4 – уплотняющая губка, 5 – эспандер

175

Герметизирующие устройства для уплотнения вращающихся поверхностей (рис. 1а) прошли длительные стендовые испытания и ходовые испытания на военных транспортных машинах, показали высокую надежность и обеспечили более высокую герметичность при наработке более заданного ресурса до капитального ремонта. По окончании испытаний уплотнительные элементы находились в хорошем состоянии и пригодны к дальнейшей эксплуатации.

Рис. 2. Герметизирующие устройства для уплотнения поршней и штоков: 1 – корпус, 2 – уплотнительное кольцо (манжета), 3 – поршень, 4 – уплотняющая губка, 5 – эспандер.

Герметизирующие устройства для уплотнения поверхностей возвратно-поступательного движения (рис. 2) дважды прошли длительные стендовые испытания в качестве уплотнений гидро-пневмоцилиндров военной техники. При первом испытании уплотнительные элементы были изготовлены из заготовок нового ПКМ в исходном состоянии. Во втором испытании уплотнительные элементы изготавливали из заготовок ПКМ, подвергнутых испытанию по программе ускоренного старения.

Результаты испытаний показали высокую надежность новой конструкции ГУ и возможность увеличения ресурса в 3 раза по сравнению с серийным уплотнением поршня резиновыми кольцами.

Библиографический список

1.Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. – М.: Машиностроение. 1979. Кн.2 – 338 с.

2.Кондаков Л.А., Голубев А.И., Гордеев В.В. и др. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник. – М.: Машиностроение, 1994. – 382 с.

3.Машков Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта: науч. издание. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997. – 192 с.

4.Полимерный антифрикционный композиционный материал: патент РФ № 2307130/

Ю.К. Машков, О.А. Мамаев, З.Н. Овчар, В.С. Зябликов

5.Герметизирующее устройство: патент РФ № 2269046/Ю.К. Машков, О.А. Мамаев,

М.Ю. Байбарацкая, В.С. Зябликов.

6.Герметизирующее устройство: патент РФ № 2265767/ Ю.К. Машков, О.А. Мамаев,

В.Р. Эдигаров.

176

УДК 620.178.3:620.194.8

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Г.В. Пачурин, д-р. техн. наук, проф.; В.А. Власов, канд. техн. наук, доц., Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Надежность элементов металлоконструкций автомобилей наряду с конструктивными факторами в значительной мере определяется структурой и свойствами используемых материалов, а так же температурными условиями эксплуатации.

В автомобильной промышленности широко используются листовые конструкционные малоуглеродистые стали. Однако сведения по влиянию видов и режимов их технологической обработки на механические свойства при различных температурах ограничены и разрозненны [1].

Поэтому исследование влияния пластического деформирования на изменение механических характеристик листовых сталей при статическом и циклическом нагружении в области различных эксплуатационных температур является весьма актуальным.

Исследовались технологически обработанные (предварительно деформированные при комнатной температуре) стали 08Ю, 08кп, 08пс, 08ГСЮТ, 07ГСЮФТ и сварные соединения из сталей 08пс, 08кп, 20кп, 07ГСЮФ, 08ГCЮФ. Определялись прочностные (σв, σ0,2) и пластические (δ, ψ) характеристики материалов при температурах -50, +20 и +70 °С в состоянии поставки и после технологической обработки.

По результатам статических испытаний так же строились кривые упрочнения в координатах lgσϊ (σϊ - истинное напряжение) - lgεϊ , (εϊ - истинная деформация), которые позволяют определить показатель степени А в уравнении кривой деформационного упрочнения (σо . εА; где εϊ = lg(1+δϊ)) исследованных материалов в состоянии поставки и после технологической обработки.

Результаты испытания материалов на статическое растяжение при разных температурах предварительно деформированных цельных и сварных образцов представлены в табл. 1-3.

Из их анализа следует, что при температурах испытания -50, 20, и 70°С у предварительно растянутых образцов из стали 20кп пределы текучести σ0,2 и σт и прочности σв выше, а относительные удлинение δк (до разрушения) и δр (равномерное) ниже, чем у образцов в исходном состоянии, хотя относительное сужение ψк и предел прочности до разрушения σк практически остаются постоянными.

177

Охлаждение до температуры -50°С увеличивает прочностные характеристики при сохранении пластичности стали 20кп (на уровне комнатной температуры), что свидетельствует об отсутствии ее охрупчивания при этих температурах.

Таблица 1

Механические свойства листовых материалов для различных режимов технологической обработки

Анализ кривых деформационного упрочнения стали 20кп и ее сварных соединений при вышеуказанных температурах показал, что при растяжении цельных и сварных образцов, предварительно деформированных до одной и той же степени (17…18%), относительное удлинение (равномерное δр и общее δк) при температуре -50°С значительно выше, чем при температуре +70°С.

178

Это может быть обусловлено различием атомных механизмов, контролирующих пластическую деформацию. Так при температуре - 50°C усиливается влияние поперечного скольжения винтовых дислокаций по сравнению с движением краевых дислокаций, что обеспечивает некоторое повышение пластичности стали 20кп.

Таблица 2

Механические свойства листовой стали 08пс при разных температурах для различных режимов технологической обработки

При растяжении исходных (предварительно не деформированных) образцов (εпр.д.=0%) вначале наблюдается стадия инкубационного деформирования (ε 1…2%) с низким значением показателя А1, а затем начинается интенсивное упрочнение с высоким значением А2. С понижением температуры испытания продолжительность стадии инкубационного упрочнения увеличивается, что отражается на величине общего и равномерного удлинения.

Величина показателя упрочнения А наклепанных образцов из стали 20кп при всех исследованных температурах практически одинакова А=0,02, в то время как при растяжении исходных цельных и сварных образцов для температур 70 и -50°С показатель А несколько ниже, чем при 20°С.

Микроструктура стали 20кп, деформированной при 20, 70 и -50°С, практически не изменяется.

179