Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022, № 5, стр. 99-104

Использование эпоксидных составов привело к созданию технологий, оказавших значительное влияние на развитие различных отраслей промышленности [1–3]. Материалы на основе эпоксидных смол имеют важное значение при использовании их в виде защитных покрытий рабочих поверхностей. В то же время в отношении поведения таких составов при абразивном изнашивании высокой интенсивности с незначительными ударными воздействиями сведения немногочисленны, отрывочны и порой противоречивы [4, 5], что сдерживает применение этих полимерных самотвердеющих материалов и композитов на их основе.

Поэтому проведение исследований на изнашивание необходимо, т.к. использование композиционных покрытий с различными наполнителями и составом открывают более широкие перспективы в области повышения долговечности деталей, эксплуатирующихся в абразивной среде [6, 7].

Постановка задачи. Необходимо выявить влияние скорости перемещения образца из эпоксидного состава на интенсивность изнашивания и определить минимально возможное время испытаний в заданной абразивной среде с обеспечением достоверности опытных данных при проведении ускоренных испытаний. Исследовался характер износа Δh и интенсивность изнашивания i во времени Т при различных скоростях V перемещения образца; изменение i в функции, а также влияние скорости перемещения на время испытаний.

Материалы и методика испытаний. При проведении исследований применялся состав из эпоксидной смолы ЭД-20 (100 частей) и полиэтиленполиамин (отвердитель) (7 частей) [8, 9]. Абразивной средой служила смесь из строительного песка и гранитной крошки в процентном соотношении 70/30. Средние размеры частиц песка 0.21 мм; гранитных включений – 9.2 мм. Выбор изнашивающей субстанции основывался на факте наличия гравиевидных включений в грунтах. Объем абразивной среды находящийся в емкости, представляющей собой усеченный конус, составил 0.02 м³. Испытания проводились на установке собственной конструкции (рис. 1), где на обойме 1 формируются образцы одинакового состава с целью обеспечения достоверности испытаний. При этом соблюдается идентичность испытаний для всех четырех образцов в любой момент времени. Перемещение обойме задается вращением при помощи сверлильного станка с различными числами оборотов n: 500 мин^–1; 710 мин^–1; 1000 мин^–1. Опытным путем можно установить частоту вращения образцов, обеспечивающую минимальное время проведения испытаний. Контроль износа осуществлялся известным методом “лунок”.

Рис. 1.

Общий вид испытательного устройства: 1 – образец со сформированными покрытиями; 2 – абразивный материал; 3 – емкость; 4 – станина станка; 5 – шпиндель станка; 6 – оправка.

Результаты эксперимента и их обсуждение. Как следует из полученных графиков (рис. 2), нарастание износа происходит по прямой для всех n, т.е. характер его протекания примерно одинаков независимо от изменения скорости перемещения обоймы. Подобное явление отмечалось в работе [10] и подтверждено теоретически. Однако проведенные ранее исследования относятся к апробации на металлических сплавах и осуществлялись как реальный эксперимент непосредственно в полевых условиях. Полученные зависимости указывают на общность процессов износа в абразивной среде, как для металлических сплавов, так и для полимеров. Хотя изнашивание подчиняется единому закону (Δh = kT), коэффициент k может регламентироваться различными факторами (скоростью перемещения тела, абразивностью среды, состоянием изучаемого материала), либо их совокупностью. В рассматриваемом эксперименте составы изнашивающей среды и опытного полимера оставались постоянными; изменялась только скорость перемещения исследуемого тела.

Рис. 2.

Характер износа эпоксидного компаунда во времени при различных скоростях перемещения опытных образцов: 1 – n = 500 мин^–1; 2 – n = 710 мин^–1; 3 – n = 1000 мин^–1.

Увеличение n приводит к сокращению Т. Время испытаний, равное 640 мин, обеспечивает износы 0.45 мм и около 2.0 мм для числа оборотов 500 мин^–1 и 710 мин^–1 соответственно. В свою очередь при n = 1000 мин^–1 Δh = 2 мм достигается в течение 40 минут. Величину Δh, составляющую 2 мм при 500 мин^–1, можно получить за чрезмерно большой промежуток времени, что никак не укладывается в понятие “ускоренные испытания”.

Построение графика зависимости времени испытаний от числа оборотов для износа Δh = 0.6 показывает резкое снижение Т в диапазоне n = 500–800 мин^–1, затем процесс износа можно считать стационарным (установившимся), малозависящим от изменения скорости перемещения (рис. 3). Износ в 0.6 мм выбирался исходя из реальных условий испытаний – при n = 500 мин^–1 эта величина достигает максимального значения, дальнейшее же проведение испытаний с таким n теряет целесообразность. Кроме того, при этом Δh во всех случаях имеет место окончания приработки.

Рис. 3.

Зависимость времени испытаний от числа оборотов при глубине лунки Δh = 0.6 мм.

Таким образом, проведение ускоренных испытаний для подобной изнашивающей среды определяется числом оборотов образца 1000 мин^–1 и временем проведения, составляющим 20 минут.

Показателем, более полно характеризующим изнашивание, является его интенсивность i, т.к. не зависит от параметров испытаний в конкретных условиях. Характер кривых имеет две ярко выраженные области (рис. 4).

Рис. 4.

Интенсивность изнашивания эпоксидного компаунда во времени для скоростей перемещения опытного образца: (а) – n = 500 мин^–1; (б) – n = 710 мин^–1; (в) – n = 1000 мин^–1.

Первая область 1 – область приработки образца и вторая 2 – истирание образца при фактически полной совместимости абразивной среды и поверхности испытуемого тела. Принято считать i величиной постоянной и процессы приработки, как правило, не анализируются. Однако в последнее время на них стали обращать серьезное внимание, т.к. в реальных условиях абразивного изнашивания часто наблюдаются случаи, когда значение износа в момент приработки бывает столь велико, что изделия снимаются с дальнейшей эксплуатации.

Минимальная i присуща самой низкой скорости перемещения из применяемых в эксперименте (n = 500 мин^–1), максимальная для n = 1000 мин^–1. Причем скорость нарастания интенсивности изнашивания при увеличении n происходит асимптотически (рис. 5).

Рис. 5.

Нарастание интенсивности изнашивания от числа оборотов.

Следует полагать, что рост скорости будет непропорционально влиять на ударные воздействия абразивных частиц, силу удара и частоту бомбардировки поверхности составляющими абразивной массы.

Резкое нарастание интенсивности изнашивания (рис. 5) связано с тем, что силовое воздействие на поверхность абразивных включений происходит по экспоненциальной зависимости.

Рост ударных нагрузок приводит к резкому увеличению контактных напряжений и разрушению поверхностного слоя. Нужно заметить, что механизм разрушения для полимеров будет иным, чем у металлических материалов.

Исходя из анализа опытных данных [11], следует, что интенсивность изнашивания эпоксидного компаунда во времени при различных скоростях перемещения изменяется по единой схеме: приработка и последующая стабилизация. Р_остi = f (n) происходит по экспоненциальному закону. Следуя графику (рис. 5), оптимальной частотой вращения является диапазон 750–850 мин^–1 (границы обозначены штриховкой). При этом увеличение n больше установленных значений приводит к излишнему влиянию ударных воздействий, искажая картину изнашивания.

Выводы. 1. Изменение износа в функции времени носит прямолинейный характер независимо от скорости перемещения опытного образца. 2. Интенсивность изнашивания изменяется по схеме “приработка–стабилизация” с падением i в начальный период испытаний и независимо от частоты вращения экспериментального тела. 3. Оптимальная скорость перемещения образца при ускоренных испытаниях составляет 750–850 мин^–1, время проведения 40 минут.