Застосування комп'ютерних програм для отримання рівнянь апроксимації досліджень триботехнічних властивостей композитів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 27 Дудка А. М.,* Кузяєв І.М.,* Начовний І.І.,* Буря О.І.,** Ткаченко Е.В.,*** Толстенко Ю.В.*** *Український державний хіміко- технологічний університет, м. Дніпро, Україна **Дніпровський державний технічний університет, м. Кам’янське, Україна, ***Севастопольський державний університет E-mail: An.Dudka@i.ua. ЗАСТОСУВАННЯ КОМП'ЮТЕРНИХ ПРОГРАМ ДЛЯ ОТРИМАННЯ РІВНЯНЬ АПРОКСИМАЦІЇ ДОСЛІДЖЕНЬ ТРИБОТЕХНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ КОМПОЗИТІВ УДК 678.743.41/45:678.06 Розроблено композиційні матеріали на основі фторопласту-4 з волокнистими (вуглецеві волокна з тканини Урал 22) та дисперсними (бентоніт, графіт ГК-1 і диоксид титану) наповнювачами, визначено основні властивості, та залежність їх триботехнічних характеристик від умов експлуатації. Проведено порівняльну оцінку зносостійкості ро- зроблених композитів в умовах тертя без змащування при швидкості ковзання V = 0,3 м/с і питомому навантаженні Рп = 1 МПа і отримано склади триботехнічних матеріали для енергонапружених вузлів тертя та ущільнень хімічно- го обладнання. Експериментальні дані оброблено за допомогою пакету прикладних програм MathCAD 11 з метою отримання аналітичного рівняння, що описує залежність величини коефіцієнта тертя композиційного матеріалу від швидкості ковзання та питомого навантаження. Ключові слова: композиційні матеріали; фторпласт-4; наповнювачі; триботехнічні характеристики; апп- роксимуючі рівняння. Постановка проблеми Сучасний стрімкий розвиток передових технологій, та і суспільства в цілому, неможливо уявити без розробки та освоєння виробництва нових перспективних матеріалів, які здатні забезпечувати працез- датність технологічного обладнання в більш жорстких умовах експлуатації. Одним з характерних напря- мів розвитку хімічного машино- та апаратобудування є збільшення робочих параметрів обладнання (тиск робочого середовища, температура процесу, швидкість робочих органів і навантаження в них, агресивна дія робочого середовища тощо). За таких умов постійно зростає енергонапруженість вузлів триботехніч- ного призначення (пар тертя та ущільнень), яка негативно впливає на показники надійності та довговіч- ності машин та апаратів. Мета і постановка задачі Одним з напрямів вирішення зазначених проблем є створення сучасних матеріалів, які здатні за- безпечувати працездатність в умовах підвищеної енергонапруженості. Широке застосування в машино- будуванні набули композиційні матеріали триботехнічного призначення з полімерною матрицею. Особ- ливий інтерес представляє використання, в якості полімерної матриці композитів фторопласту - 4, який має – низький коефіцієнт тертя, виняткову хімічну стійкість майже у всіх хімічних середовищах та дос- татньо високу термостійкість. Проте, у чистому вигляді фторопласт-4 майже не застосовується в якості робочих матеріалів енергонапружених вузлів тертя та ущільнень внаслідок незадовільної стійкості до зношування та недостатньої механічної й термічної стійкості. Композиційні матеріали на основі фтороп- ласту з різноманітними наповнювачами мають суттєво поліпшені фізико-механічні та триботехнічні ха- рактеристики [1 - 4]. Цікавим з наукової та практичної точки зору є дослідження одночасного впливу волокнистих та дисперсних наповнювачів, із застосуванням комп'ютерних програм для отримання апроксимуючих рів- нянь, на експлуатаційні характеристики композиційних матеріалів на основі фторопласту – 4. Виклад матеріалів досліджень В якості наповнювачів композиційних матеріалів прийняті: вуглецеві волокна тканини Урал 22, бентоніт, диоксид титану (ТіО2) та графіт ГК-1 при сумарному їх ваговому вмісті не більше 20 мас.%. Склади досліджених композиційних матеріалів наведено в табл. 1. Застосування комп'ютерних програм для отримання рівнянь апроксимації досліджень триботехнічних властивостей композитів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 28 Таблиця 1 Склади досліджених композиційних матеріалів на основі фторопласту - 4 Вміст компонентів, мас. % Номер композиту фторопласт-4 графіт ГК-1 вуглецеве волокно бентоніт диоксид титану 1 94 - - - 6 2 84 5 5 3 3 3 80 10 4 3 3 4 100 - - - - Вуглецеві волокна відносяться до групи високоміцних та легких матеріалів і у складах компози- тів підвищують механічні характеристики матеріалів, а графіт традиційно застосовується для поліпшен- ня їх триботехнічних характеристик. Бентоніт – природний глинистий матеріал (гідроалюмосилікат), який має властивість до об’ємного розширення при гідратації. В обмеженому просторі при цьому утворюється щільний гель, що перешкоджає подальшому проникненню вологи. У вихідному вигляді диоксид титану являє собою білий дрібнодисперсний порошок з основним розміром частинок 5 - 10мкм, що виготовляється із ільменітового концентрату сірчанокислим методом. Диоксиди титану різних модифікацій набули широкого розповсюдження в якості наповнювачів, модифі- каторів, пігментів та допоміжних речовин при виробництві скла, кераміки, лаків і фарб, гуми тощо. Технологія виготовлення дослідних зразків композиційних матеріалів складається з наступних основних етапів: - сумісне змішування та подрібнення складових композиту при поетапному введені дисперсних і волокнистих наповнювачів до вихідного порошку фторопласту – 4; - пресування дослідних зразків; - спікання розроблених зразків композиційних матеріалів. Висока ефективність змішування та подрібнення компонентів досягалась у тому випадку, коли спочатку сумісно оброблялись два компоненти – фторопласт – 4 та вуглецеве волокно, яке попередньо нарізувалось із тканини Урал 22 довжиною 3 ÷ 8 мм. Після достатнього змішування та подрібнення (до- вжина вуглецевих волокон складала 0,5 ÷ 2,5 мм) у суміш добавляли бентоніт і диоксид титану. На за- ключній стадії до складу композиту вводився графіт. Розроблені композити на кожній стадії обро- бляли на розмелювально-змішувальній лабораторній установці лопатевого типу протягом 2 ÷ 3 хвилин до утворення однорідної суміші. Пресування заготовок дослідних зразків ком- позиційних матеріалів проводили при питомому на- вантаженні 40 МПа з витримкою під тиском не мен- ше 1 хвилини, після чого спікали в спеціальній печі при температурі 648 ± 2 К з витримкою на режимі спікання 15 хвилин. Охолодження зразків проводили разом з піччю до температури 423 К. Порівняльну оцінку зносостійкості розроб- лених композитів проводили на машині тертя МДП-1 за схемою тертя типу « диск - палець » при швидкос- ті ковзання V = 0,3 м/с та питомому навантаженні Р = 1 МПа при терті по сталі 20Х13 з шорсткістю ро- бочої поверхні Ra = 0,32 ÷ 0,16 мкм. В результаті одержаних експериментальних досліджень представле- них на рис. 1 з яких слідує, що багатокомпонентні композиційні матеріали № 2 та № 3 на основі фтороплас- ту – 4 мають достатньо високу зносостійкість. У подальшому, для композиційних матеріалів № 2 та №3 проводились дослідження залежності коефіцієнта тертя від швидкості ковзання та питомого навантаження з використанням машини тертя МФТ-1. Схема контактування та розміри дослідних зразків відповідають ГОСТ 23.210. Аналіз результа- тів досліджень (табл. 2) показує загальну закономірність несуттєвого підвищення коефіцієнта тертя при збільшені швидкості ковзання та зменшення його при зростанні питомого навантаження, що свідчить про високі антифрикційні характеристики матеріалів. На основі експериментальних даних, які наведено в табл. 2, для композиційного матеріалу № 2 побудовано узагальнені залежності зміни коефіцієнта тертя f від швидкості ковзання V та питомого на- вантаження Р. Рис. 1 – Порівняльна зносостійкість розроблених композитів Застосування комп'ютерних програм для отримання рівнянь апроксимації досліджень триботехнічних властивостей композитів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 29 Таблиця 2 Залежність коефіцієнта тертя розроблених матеріалів від режимів роботи Коефіцієнт тертя питоме навантаження Ре, МПа Композит швидкість ковзання Vе, м/с 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 0,15 0,196 0,19 0,184 0,179 0,174 0,168 0,3 0,203 0,194 0,191 0,188 0,184 0,176 0,45 0,212 0,204 0,198 0,192 0,187 0,181 0,6 0,222 0,210 0,205 0,20 0,196 0189 № 2 0,75 0,229 0,218 0,211 0,208 0,203 0,198 0,15 0,182 0,178 0,174 0,169 0,163 0,158 0,3 0,189 0,185 0,181 0,177 0,175 0,166 0,45 0,197 0,192 0,188 0,185 0,18 0,173 0,6 0,204 0,202 0,195 0,191 0,186 0,181 № 3 0,75 0,211 0,208 0,202 0,196 0,191 0,187 Для отримання аналітичного рівняння, що описує залежність величини коефіцієнта тертя компо- зиційного матеріалу № 2 від швидкості ковзання та питомого навантаження експериментальні дані об- роблено за допомогою пакету прикладних програм MathCAD 11 [5]. Програмний блок має наступний вигляд. Програмний блок                  0.75 0.6 0.45 0.3 0.15 : Vå                  0.229 0.221 0.212 0.203 0.196 : f16                  0.208 0.20 0.192 0.188 0.179 : f46                  203.0 196.0 187.0 184.0 174.0 : f56                  218.0 210.0 204.0 196.0 19.0 : f26                  211.0 205.0 198.0 191.0 184.0 : f36                  199.0 189.0 181.0 176.0 168.0 : f66 5...1:³   46f,36f,26f,16faugment:1f   66f,56f,1faugment:f å                   199.0203.0208.0211.0218.0229.0 189.0196.020.0205.021.0221.0 181.0187.0192.0198.0204.0212.0 176.0184.0188.0191.0196.0203.0 168.0174.0179.0184.019.0196.0 f å 4.31n  1.01a  9.01b  75.0....20.0,15.0Va                      n1ótan 1 b1ó óale : óF1  1F,16f,Vitinfl:16K e             3-103.481 0.056 0.177 K16     16KV1F:V16d aa   1F,26f,Vitinfl:26K e             4-106.085 0.031 0.18 K26     26KV1F:V26d aa  Застосування комп'ютерних програм для отримання рівнянь апроксимації досліджень триботехнічних властивостей композитів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 30  1F,36f,Vitinfl:36K e            038.0 0.034 0.138 K36     36KV1F:V36d aa   1F,46f,Vitinfl:46K e             081.0 0.015 0.254 K46     46KV1F:V46d aa   1F,56f,Vitinfl:56K e             018.0 0.026 0.185 K56     56KV1F:V56d aa   1F,66f,Vitinfl:66K e             246.0 0.01- 0.409 K66     66KV1F:V66d aa                       3K662K661K66 3K562K561K56 3K462K461K46 3K362K361K36 3K262K261K26 3K162K161K16 : Mk1                            3103.6970.0140.169 3104.8763-102.9750.179 3104.4993-104.5240.183 4109.0070.0320.174 4106.0850.0310.18 -3103.4810.0560.177 Mk1 6...1:uu      1niVtan 1 3 uu,Mk1 1b iV2 uu,Mk1 iеVa1e1 uu,Mk1:i uu,E1 е е                           1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 : Pe Де величини з індексом «е», а саме: коефіцієнт тертя fe, швидкість ковзання Ve і питоме наван- таження Pe відповідають експериментальним значенням величин, наведеним у табл. 2, а величини з ін- дексом «а» відповідають апроксимуючим значенням: коефіцієнт тертя fa швидкість ковзання Va і питоме навантаження Pa. На основі розробленої програми побудовано тримірну апроксимуючу поверхню, що наведено на рис. 2. Рис. 2 – Залежність коефіцієнта тертя fа від швидкості ковзання Vа та питомого навантаження Ра Застосування комп'ютерних програм для отримання рівнянь апроксимації досліджень триботехнічних властивостей композитів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 31 Для практичного використання результатів проведених досліджень особливий інтерес викликає інформація щодо залежності коефіцієнта тертя матеріалів від температури у трибоспряженні енергонава- нтажених вузлів машин і апаратів (табл. 3). У результаті проведених досліджень установлено, що при підвищенні об’ємної температури в парі тертя (нагрівання зразків здійснювалось за допомогою електронагрівача, який установлювався у внутрішній порожнині зразків) триботехнічні характеристики матеріалів у незначній ступені погіршу- ються. Підвищення значень коефіцієнта тертя та інтенсивності зношування матеріалів при зростанні те- мператури пов’язане із зростанням температури в зонах фактичного контакту та зниженням показників міцності матриці композиту. Таблиця 3 Залежність триботехнічних характеристик матеріалів від температури при V = 0,6 м/с і Р = 0,25 МПа Коефіцієнт тертя Композит Температура, К Інтенсивність зношування Іg ·107, г/м fcp fmax fmin 323 4,72 0,224 0,243 0,205 373 9,24 0,227 0,245 0,209 423 17,41 0,232 0,25 0,214 №2 473 24,89 0,236 0,256 0,216 323 2,16 0,210 0,227 0,193 373 5,04 0,215 0,232 0,198 423 7,05 0,219 0,237 0,201 №3 473 10,72 0,223 0,241 0,205 Висновки 1. Розроблені теплостійкі багатокомпонентні композити на основі фторопласту –4 триботехніч- ного призначення з поліпшеними фізико-механічним властивостями та зносостійкістю. 2. Експериментально встановлено залежність триботехнічних характеристик розроблених мате- ріалів від режимів експлуатації вузлів тертя. 3. Проведена обробка експериментальних даних за допомогою пакету прикладних програм MathCAD 11 і отримано аналітичне рівняння, що описує залежність коефіцієнта тертя від швидкості ков- зання та питомого навантаження. 4. Розроблені багатокомпонентні композиційні матеріали рекомендуються у якості антифрикцій- них матеріалів енергонавантажених вузлів тертя та ущільнень технологічного обладнання хімічних ви- робництв і суміжних галузей. Література 1. Исследование свойств и структуры политетрафторэтилена наполненного модифицированными углеродными волокнами «Белум» / А.А. Охлопкова, Т.С. Стручкова, А.П. Васильев [и др.] // Трение и износ. – 2016. – Т. 37, №6. – С. 704 – 711. 2. Износостойкие ПТФЭ нанокомпозиты, содержащие двуокись кремния, для металлополимер- ных узлов трения / Ю.К. Машков, О.В. Кропотин, О.В. Чемисенко [и др.] // Трение и износ. – 2015. – Т. 36, №6. – С. 621 – 626. 3. Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики / Сиренко Г.А. – К.: Техніка, 1985. – 194 с. 4. Ситар В.І. Оцінка взаємного впливу компонентів у композиціях на основі фенілону з ураху- ванням режимів переробки шляхом застосування пакету MathCAD / В.І. Ситар, І.М. Кузяєв, А.В. Лобо- денко // Вопросы химии и химической технологии. – 2013. – № 2. – С. 41 – 47. 5. Girin, O.B. Dynamic Behavior of Gas Nano-Sized Bubbles in Liquid Phase of the Metal Being Elec- trodeposited / O.B. Girin, I.M. Kuzyayev // Journal of Nano- and Electronic Physics.  2016. – Vol.1. – P. 1 – 6. Поступила в редакцію 24.11.2017 Застосування комп'ютерних програм для отримання рівнянь апроксимації досліджень триботехнічних властивостей композитів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 4 32 Dudka A.M., Kuzyayev I.M., Nachovny I.I., Burya O.I., Tkachenko E.V., Tolstenko Yu.V. Application of computer programs for reception of approximation equations investigation of tribotechnical properties of composites. Under considerations questions about development of polymeric compositional materials based on Teflon with fiber (carbon fiber made from Urals fabric) and disperse fillers (bentonite, graphite GK-1, dioxide of the titan). It had been investigated their tribotechnical properties and established basic dependence between it and service conditions of this materials in friction units. It had been investigate wear resistance of this material on friction machine МDP-1 by the friction without oiling with velocity V = 0,3 m/s and loadings Рп = 1 МPа. It had been established optimal composition of development polymeric compositional materials for friction of chemical equipment. Experimental data had been processed by means of the MathCAD 11 program. It had been obtained analytical equation, which describes dependence of friction coefficient by velocities and loadings in friction units. It had been investigations of the dependence of friction coefficient by temperature in friction units of machine and mechanism. Keywords: composite materials; teflon; fillers; tribotechnical properties; analytical equation. References 1. Issledovanie svojstv i struktury politetraftoretilena napolnennogo modificirovannymi uglerodnymi voloknami «Belum». А.А.Oxlopkova, Т.S. Struchkova, А.P. Vasilev [i dr.]. Trenie i iznos. 2016. Т. 37, №6. P. 704 – 711. 2. Iznosostojkie ptfe nanokompozity, soderzhashhie dvuokis kremniya, dlya metallopolimernyx uzlov treniya. Yu.K. Mashkov, O.V. Kropotin, O.V. Chemisenko [i dr.]. Trenie i iznos. 2015. Т. 36, №6. P. 621 – 626. 3. Sirenko G.A. Antifrikcionnye karboplastiki. Sirenko G.A. К. Texnіka, 1985. 194 p. 4. Sitar V.I. Ocіnka vzaєmnogo vplivu komponentіv u kompozicіyax na osnovі fenіlonu z uraxuvann- yam rezhimіv pererobki shlyaxom zastosuvannya пакету MathCAD. V.I. Sitar, I.M. Kuzyaєv, A.V. Lobodenko. Voprosy ximii i ximicheskoj texnologii. 2013. № 2. P. 41 – 47. 5. Girin, O.B. Dynamic Behavior of Gas Nano-Sized Bubbles in Liquid Phase of the Metal Being Elec- trodeposited. O.B. Girin, I.M. Kuzyayev. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2016. Vol.1. P. 1 – 6.