ВЫБОР СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ РЕВЕРСИВНОГО ТРЕНИЯ

В бессмазочных поршневых компрессорах в качестве колец для уплотнений цилиндро-поршневой группы и штоков наиболее широкое применение получили полимерные композиционные материалы. В инженерных методиках расчета и проектирования бессмазочных уплотнений (БУ) свойства полимерного материала обычно учитываются косвенно через комплексный показатель: эквивалентный гидродинамический зазор в подвижном металлполимерном сопряжении, который определяется экспериментально. Данный подход не позволяет оценить влияние свойств полимерного материала на трибоуплотнительные характеристики БУ.

Проведенный анализ подобия процессов деформирования в зоне трения бессмазочного металлполимерного сопряжения показывает, что в процессе упругого деформирования шероховатого поверхностного слоя полимера релаксационные процессы существенно отстают от процессов деформации. Это свидетельствует о необходимости использования динамических (мгновенных) характеристик полимерного материала.

На основе термодинамического подхода (упругие деформации – изоэнтропийный процесс) к описанию изменений свободного (дефектного) объема в полимере, для ряда фторопластонаполненных материалов, предложены полуэмпирические зависимости (функции внешнего давления и температуры в зоне трения) для определения динамического модуля упругости, предела прочности и коэффициента трения. Проводится анализ и сопоставление предложенных зависимостей с известными экспериментальными данными.

1. АНАЛИЗ ПОДОБИЯ

Анализ подобия процессов деформирования в зоне трения бессмазочных МПС проводится с помощью критерия Деборы (отношение времени процесса к времени релаксации вязкоупругого полимерного материала) [6]:

В условиях контакта МПС в БУ ПК при относительном скольжении поверхностей продолжительность силового взаимодействия контурных неоднородностей и выступов шероховатостей является весьма малой величиной секунды (характерное значение критерия (1) составляет ), и поэтому вязкость полимера не оказывает заметного влияния на формирование контактных параметров [7]. Косвенным подтверждением этому является доминирующее влияние молекулярной составляющей в составе силы трения приработанных сопряжений [8, 9]. Таким образом, при деформации шероховатого поверхностного слоя полимера релаксационный процесс отстает от процесса деформации, а объемная ползучесть намного меньше упругой деформации [6, 10] и проявляется только при значительной выдержке под нагрузкой ( , ). В подобных условиях необходимо использовать динамические характеристики полимерного материала.

2. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО УПРУГОГО ХАРАКТЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Доказательство упругого характера взаимодействия в МПС БУ ПК обычно приводится на основе выполнения неравенства [8]. Достоверность подобной оценки невелика, так как многие факторы при этом не учитываются. Упругий характер деформирования подтверждают результаты эксплуатационных испытаний износостойкости в условиях промышленного производства БУ из современных антифрикционных полимерных материалов, для которых относительная интенсивность изнашивания [3, 11 –14,], что убедительно свидетельствует об усталостной природе износа [9].

3. РАСЧЕТНЫЙ ПРИМЕР

Рассмотрим расчетный пример по определению значения динамического модуля, соответствующего условиям запирания МПС при следующих рабочих условиях БУ полимерный материал – флубон-20 [11],.

Для определения площади фактического контакта воспользуемся полуэмпирической аппроксимацией опытных данных [3], учитывающей эффекты взаимного влияния микронеровностей:

4. ВЗАИМОСВЯЗЬ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА.

4.1. Термомеханический принцип описывает механизм самоуплотнения в БУ ПК. Для МПС характерна слабая зависимость фактического давления на пятнах контакта от нагрузки (номинального давления уплотняемой среды) [2, 8, 19] при условии постоянства температуры в зоне трения. В реальных условиях работы рост давления ведет в соответствии с уравнением баланса сил к увеличению контактного давления, росту тепловыделения в зоне трения (удельная мощность трения ), повышению температуры, снижению модуля упругости и фактического давления. Это приводит к увеличению площади фактического контакта ( ) и дополнительному повышению контактного давления, и т.д. При чрезмерном разогреве зоны трения и наблюдается экструзионное запирание сопряжения.

Подобный механизм формирования контакта в условиях преобладающего термического воздействия свидетельствует об особой роли температуры в зоне трения и тесно взаимосвязанных с ней изменяющихся свойств материалов.

4.2. Динамический модуль упругости. Пропорциональность напряжений в полимерном образце абсолютной температуре при постоянном объеме [10, 20] свидетельствует о чрезвычайно малом влиянии изменений внутренней энергии на напряжения в исследуемом образце (высокоэластичность проявляется только благодаря изменению энтропии тела [6], а для рассматриваемых упругих деформаций энтропия постоянна). Подобный вывод предполагает равенство значений внутренних энергий разных молекулярных конформаций цепей полимера, что справедливо только к описанию измерений при постоянном объеме, тогда как большая часть известных экспериментов выполнена при постоянном давлении. Однако, по уточненным экспериментальным данным [20] для области давления до 200МПа это обстоятельство проявляется незначительно: вклад изменений внутренней энергии в напряжения составляет менее.

Таким образом, для упругой области деформаций поведение полимеров определяется межмолекулярным взаимодействием и, следовательно, определяется изменением некоторого свободного объема, характеризующего неизменность энергетического состояния в интервале температур ограничивающем постоянство внутренней структуры полимера [6, 16]. Для подобного модельного представления можем записать:, где – коэффициент изобарного термического расширения, – изотермический коэффициент сжимаемости.

Зависимость (8) указывает на качественную аналогию между изменением модуля упругости и прочностных свойств полимерного материала (рис. 3).

4.4. Коэффициент трения. Износ полимера при трении зависит как от сил трения, так и от прочностных свойств материала. Многократная деформация на шероховатых трущихся поверхностях приводит к типичным явлениям усталости. По этой причине прочностные свойства тесно взаимосвязаны с фрикционными [6, 12, 15].

Согласно экспериментально подтвержденной молекулярно-механической теории трения [2], изменение коэффициента трения от температуры в зоне трения пропорционально изменению отношения, что с учетом термомеханического принципа (см. раздел 4.1) позволяет принять его постоянным в определенном интервале рабочей температуры [2, 6, 9, 12, 15, 23].

4.5. Износ является типичным необратимым процессом, что противоречит принятому положению об обратимости упругой деформации в зоне трения МПС. Однако, учитывая незначительную величину и усталостную природу износа [9] можем упрощенно записать:

Оценивая только порядок величины интенсивности износа, отмечаем (рис. 4), что температурная зависимость (9) в рабочей зоне температур подтверждается экспериментальными исследованиями [11] и статистическими данными по эксплуатации БУ ПК. Авторы работы [15] предложили использовать уравнение экспоненциального характера (кривая 4 на рис. 4), которое также свидетельствует о правильности выбранного подхода. Также отметим, что по данным работы [11] интенсивность износа полимерных элементов в условиях динамического программного нагружения пропорциональна амплитуде нагружения, что вполне согласуется с линейным характером зависимости (характеристики в динамическом и статическом условиях нагружения практически параллельны друг другу).

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье показано, что в условиях реверсивного трения бессмазочных уплотнений поршневых компрессоров свойства полимерных материалов описываются динамическими характеристиками. Учитывая упругий характер взаимодействия в зоне трения металлполимерного сопряжения (усталостная природа износа доказывается результатами испытаний на износостойкость промышленных бессмазочных уплотнений) и, используя термодинамический подход, получены расчетные зависимости динамического модуля упругости как функции температуры в зоне трения и гидростатического давления, справедливые для широкого класса полимерных материалов. Правомерность указанного подхода подтверждается сопоставлением с опытными данными и взаимосвязью динамического модуля с прочностными, фрикционными и износостойкими свойствами полимера.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004