Влияние ТрибоЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ на интенсивность изнашивания металлополимерной трибосистемы
Машков Ю.К. (ФГОУ ВПО ОмГТУ г. Омск, РФ), Тюкин А.В. (ФГОУ ВПО СибАДИ г. Омск, РФ), Алимбаева Б. Ш. (ОТИИ, г. Омск, РФ)
On the basis of results of experimental researches dependence triboelectric charge from simultaneous influence of temperature and concentration filler is established. The received dependence has allowed to lead a complex estimation of interrelation thermal and triboelectric processes and to estimate the contribution triboelectrified in thermodynamics of process of wear process metal - to - polymeric tribosistems.
В науке о трении полимеры породили множество новых задач, обусловленных возникновением процессов трибоэлектризации. Трибоэлектризация оказывает влияние на термодинамику процесса изнашивания металлополимерной трибосистемы, влияющую на величину износа, а соответственно и на срок службы трибосистемы [1-4] поэтому управления этими процессами является весьма актуальной задачей.
Известно, что линейные законы Онзагера, позволяют связать между собой изменение энтропии трибосистемы, тепловые, электрические и другие эффекты. Используя зависимости для производства энтропии от физико–химических процессов в локальных объемах системы в работе [5] обоснована термодинамическая модель металлополимерной трибосистемы.
, (1)
где Jh - интенсивность
изнашивания; JQ - тепловой
поток; Jk - диффузионный поток k-й компоненты; µk - химический
потенциал k-й компоненты; qk - заряд k-й
компоненты; Е' и В' - напряженность
электрического поля и индукция магнитного поля; 
-тензор давления; 
- вектор
скорости; 
-
сродство i –
й химической реакции; ξ - степень завершенности i - й
химической реакции; ρ' и m' - удельные (на
единицу массы) электрическая и магнитная поляризации.
Согласно этой модели для снижения интенсивности изнашивания материала необходимо создать условия, обеспечивающие минимально возможное накопление энтропии. На основе этой модели получено уравнение, позволяющее оценить интенсивность изнашивания трибосистемы.
Как видно из уравнения термодинамическая модель позволяет учесть влияние электрической составляющей, так как первое слагаемое подынтегрального выражения отражает вклад диффузионных потоков в изменение энтропии системы за счет возникающего при трении электрического заряда. Из уравнения следует, что увеличение заряда увеличивает изменение энтропии и наоборот. Известным фактом является зависимость трибозаряда от таких факторов как температура и концентрация электропроводящего наполнителя, поэтому в работе была поставлена задача, связанная с проведением комплексной оценки взаимосвязи тепловых и трибоэлектрических процессов.
Для исследований электрических эффектов при трении ПКМ на основе ПТФЭ была разработана специальная установка, в рабочем узле, которой реализуется торцовая схема трения палец-диск. Для изучения зависимости величины заряда от температуры и концентрации наполнителя проведена серия экспериментов с образцами, имеющими массовую долю СКГ 10..20 масс. %. Исследование проводили при контактном давлении 2,0 МПа, скорости скольжения полимерного образца равной, 1,2 м/с в интервале температуры от 313 К..323 К (увеличение температуры контртела достигалось за счет тепла, генерируемого при трении). Для измерения температуры использовалась термопара типа «К» HYTP - 105, которая крепилась на поверхности металлического контртела. Для исследования зависимости Q = f (T,С) установка была укомплектована специально изготовленным электроизмерительным блоком, который состоял из баллистического гальванометра, двух герконов и конденсатора постоянной емкости.
Методика предусматривала проведение полного факторного эксперимента типа N = Sk, где S=2 - количество уровней варьирования; k=2 - количество варьируемых факторов. Условия проведения эксперимента, уровни варьирования и результаты эксперимента приведены в таблице.
Таблица 1- Условия проведения опытов и результаты испытаний
|
№ опыта |
Концентрация наполнителя, масс. % СКГ х1 |
Температура, х2, К |
Электрический заряд |
|
1 |
10 |
313 |
32,4 |
|
2 |
10 |
323 |
28,7 |
|
3 |
20 |
313 |
21,5 |
|
4 |
20 |
323 |
19,6 |
,мкКл
Математической моделью электрического заряда Q принят полином первой степени:
b0 +b1x1 +b2x2,
(2)
где x1, x2 - кодовые значения
факторов концентрации
наполнителя % масс. СКГ и
температуры соответственно; 
- среднее натуральное значение
электрического заряда: b0 ,b1 ,b2 - коэффициенты уравнения регрессии.
В результате обработки результатов исследования были получены уравнение регрессии для электрического заряда в кодовых и в натуральных значениях параметров имеющее вид
Q = 129,6 – 1,0 С - 0,28 Т, мкКл (3)
В уравнении (3) заряд k-й компоненты выражается через температуру и концентрацию наполнителя. Анализируя полученное уравнение регрессии, можно отметить, что на величину электрического заряда концентрация наполнителя оказывает большее влияние, чем температура. Увеличение концентрации наполнителя и температуры приводит к снижению электрического заряда, формирующегося в условиях трения, поэтому для снижения электрического заряда следует повышать концентрацию наполнителя и создавать условия работы для узла трения при повышенных значениях температуры. Подставив уравнение (3) в натуральных значениях в выражение (1) получим уравнение, которое является развитием термодинамической модели трибосистемы и позволяет более глубоко раскрыть механизмы образования трибозаряда и влияния электрической составляющей на изменение энтропии трибосистемы и интенсивность ее изнашивания.
(4)
Выражение (4) представляет собой термодинамическую энтропийную модель металлополимерной трибосистемы, как открытой термодинамической системы. Она дает возможность еще на этапе проектирования оценить интенсивность изнашивания металлополимерной пары трения от физико-химических процессов, происходящих в зоне трения и величины трибозаряда.
Литература
1. Машков Ю. К. Структурно–энергетическая самоорганизация и термодинамика металлополимерных трибосистем / Ю. К. Машков, Л. Н. Поцелуева // Долговечность трущихся деталей машин: сб. – М.: Машиностроение, 1990. - Вып. 4. – С. 219–244.
2. Бершадский Л. И. Основы теории структурной приспосабливаемости и переходных состояний трибосистемы и ее приложение к задачам повышения надежности зубчатых и червячных передач: дис. … д-ра техн. наук / Л. И. Бершадский ; УСХА. - Киев, 1983. – 240 с.
3. Термодинамический метод оценки интенсивности изнашивания трущихся материалов // А.А. Рыжкин, А.И. Филипчук, К.Г. Щучев, М.М. Климов // Трение и износ. – 1982. -Т.3, № 5. – С. 867 – 872.
4. Поляков А. А. Диссипативная структура избирательного переноса / А. А. Поляков // Долговечность трущихся деталей машин: сб. - М., 1987. - Вып. 2. – С. 97–106.
5. Машков Ю. К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта / Ю. К. Машков. – Омск : ОмГТУ, 1997. – 192 с.