Анализ вязкоупругого поведения материалов антифрикционной прослойки сферической опорной части моста при термосиловом нагружении

Полный текст

1. Введение Политетрафторэтилен (ПТФЭ) был впервые синтезирован в 1938 г. Роем Планкеттом и на настоящий момент до сих пор считается «королем пластмасс» [1]. Химическая структура ПТФЭ состоит из углеродного скелета, окруженного защитным слоем из атомов фтора [2]. Материал демонстрирует высокую степень структурной регулярности, которая может инициировать большую степень кристаллизации микроструктуры, которая усиливается при воздействии отрицательных температур. После температуры плавления 370±5 °С материал не становится вязкотекучим, а превращается в аморфный с высокой вязкостью [3]. В диапазоне изменения температуры от 10 до 30 °С у материала наблюдается β-переход, связанный с переходом от застеклованного состояния в высокоэластичное [4]. Химическая инертность, гидрофобность, устойчивость к термическому, биологическому и окислительному разложению, высокая прочность и низкий коэффициент трения позволили ПТФЭ получить звание «короля пластмасс». Около 60 % мирового рынка термопластов занимает ПТФЭ [5]. Материал широко используется в качестве слоев скольжения в опорных частях, в температурных швах и поворотных механизмах мостовых сооружений [6-8]. При контакте с более твердыми телами материал проявляет пластическое течение и сильное истирание, а также вязкую природу [9; 10]. Ползучесть материала при определенных условиях деформирования также наблюдается [11]. Установлено, что даже после технологического процесса производства возможно наличие различных поверхностных микродефектов в виде пор, трещин и расколов [12]. Также отмечается плохая термическая стабильность и большой коэффициент термического расширения ПТФЭ [12]. В качестве недостатков ПТФЭ можно выделить структурную перестройку при температуре +20 °С, склонность к деформациям при постоянных температурах в ненагруженном состоянии, низкую радиационную стойкость, значительное, в некоторых случаях необратимое, расширение при нагреве [3]. Прогресс в области материаловедения позволил сформировать достаточно большой набор альтернатив «королю пластиков» [3; 13; 14]. Материалы линейки Арфлон (ООО «Научно-производственное предприятие «Арфлон», Москва, Россия) отмечаются как альтернатива чистому ПТФЭ с улучшенными физико-механическими свойствами без потери функциональности [3]. Материалы Арфлон выделяются как перспективные в качестве защитных покрытий и прослоек для условий Крайнего Севера, а также зон с сильными перепадами температуры [15]. Рассматриваются и другие отечественные и зарубежные альтернативы ПТФЭ [3]. Например, материал повышенной износостойкости Суперфлувис является композиционным материалом с матрицей из ПТФЭ (~ 83 % от общей массы) и модифицированным измельченным углеродным волокном с нанопокрытием из фторполимера толщиной до 40 нм (17 % удельного веса) [16]. Его применение рассматривают в качестве покрытий и прослоек узлов трения, а также как материал для имплантов костной ткани [16-17]. Улучшенные прочностные и физико-механические характеристики по сравнению с чистым ПТФЭ отмечаются у большого набора современных антифрикционных полимеров и композитов [3; 13; 18-20]. Однако данные о поведении современных антифрикционных полимеров и композитов часто ограничены узким набором физико-механических и трибологических характеристик. Недостаточность данных о термомеханических свойствах материалов отмечается рядом ученых [9; 21; 22]. Это оказывает сдерживающий фактор по оценке напряженно-деформированного состояния узлов трения, конструкций и систем, в которых они применяются в диапазоне температур эксплуатации, а также анализу возможности замены материалов на современные аналоги. Структурно-механическое моделирование поведения материалов, включая задачи контактной механики и износа, является важным для создания цифровых аналогов конструкции в рамках предиктивного анализа и представляет собой эффективный инструмент на этапах проектирования или оптимизации [9]. Построение цифровых аналогов антифрикционных материалов, с учетом температурного фактора, является актуальной задачей для прогнозирования их поведения при технологическом процессе производства, а также при работе конструкций и систем, в которых он применяется [23]. В текущей работе выполнен цикл экспериментальных исследований материалов на основе ПТФЭ, модифицированных или наполненных металлическими нановключениями, а также чистого ПТФЭ, для определения зависимости термомеханических параметров от температуры. Построены модели поведения материалов в рамках термо-вязкоупругости. Выполнен анализ поведения сферической опорной части со слоем скольжения из трех разных антифрикционных материалов в широком диапазоне температур окружающей среды при статической и периодической нагрузке. 2. Материалы и методы Проанализировано термомеханическое поведение сферической опорной части мостового сооружения на примере конструкции Л-100 производства ООО «АльфаТех» (г. Пермь, Россия). Расчетная схема контактного узла сферической опорной части представлена на рис. 1 и включает сферический стальной балансир (1), нижнюю стальную плиту со сферическим вырезом (2), взаимодействующие через сферический полимерный/композиционный слой скольжения (3). Работа конструкции рассматривается в осесимметричной постановке, поэтому в сферическом слое скольжения не учтены углубления под смазочный материал, которые могут оформляться в виде сферических лунок или кольцевых канавок [24]. Максимальная высота конструкции составляет 54 мм, с соотношением высот сферического балансира 20 мм, высоты нижней стальной плиты 30 мм и высоты слоя скольжения 4 мм по центральному сечению опорной части. Максимальная ширина и глубина конструкции мм. Стандартный угол наклона торца слоя скольжения составляет 30°. Слой скольжения выступает относительно нижней стальной плиты на мм для исключения случая контакта металл по металлу. На границах сопряжения прослойки со стальными элементами конструкции реализован фрикционный контакт с заранее неизвестным характером распределения зон контактных состояний (прилипание, проскальзывание, не контакт) [14]. Коэффициент трения принят постоянным и составляет 0,04. Математическая постановка задачи и анализ влияния степени дискретизации системы на численное решение ранее были описаны в [25]. Слой скольжения разбивался на 16 элементов по высоте. Размер конечных элементов на поверхностях сопряжения соответствует разбиению слоя скольжения, по мере удаления от градиентно увеличивается. Характеристики конечно-элементной сетки, конечных элементов, а также особенности моделирования задачи более подробно представлены и описаны в [14]. Рис. 1. Расчетная схема сферической опорной части мостового пролета И с т о ч н и к: выполнено А.П. Богдановой. Реализация задачи о термомеханическом деформировании опорной части выполнена с использованием метода конечных элементов в программном комплексе инженерного анализа ANSYS Mechanical APDL 2021R2 (г. Ливерпуль, США). Процедуры построения численного аналога конструкции, конечно-элементного разбиения, температурно-силового нагружения и обработки результатов полностью автоматизированы с использованием языка параметрического программирования APDL. Рассматриваются две схемы нагружения опорной части: статическая и периодическая нагрузка с учетом температурного поля. Статическое нагружение выполнялось при номинальной вертикальной нагрузке опорной части 1000 кН. Периодическая нагрузка моделировалась как синусоидальное изменение нагрузки от 500 до 1000 кН с учетом и без учета выдержки в течение 60 с при 500 и 1000 кН. Рассматривалось разное количество циклов. Статическая и периодическая нагрузки прикладывались к поверхности сферического балансира. При этом конструкция находилась при постоянном действии температуры окружающей среды в диапазоне от -40 до +80 °С. Рассматривается неподвижная опорная часть, поэтому на поверхности нижней стальной плиты запрещены перемещения по нормали. При этом конструкция обладает податливостью в других направлениях и имеет возможность термического расширения/сжатия. Стальные элементы конструкции выполнены из высокопрочной легированной стали и моделируются в рамках теории упругости с модулем Юнга 2×1011 и коэффициентом Пуассона 0,3. В качестве материалов слоя скольжения рассмотрены политетрафторэтилен (ПТФЭ); металлокомпозит на основе ПТФЭ с дендритными бронзовыми включениями и дисульфидом молибдена (МАК (Ф4БР40М2)); структурно-модифицированный ПТФЭ без наполнителей AR-200 (ООО «Научно-производственное предприятие «Арфлон», Москва, Россия). Для формирования модели поведения материалов в рамках теории вязкоупругости была проведена серия эмпирических исследований с использованием динамического механического анализа (ДМА) по схеме эксперимента на трехточечный изгиб прямоугольных образцов со средними размерами 60×12×3 мм из промышленно полученных полимерных заготовок слоев скольжения. Образцы были предоставлены ООО «АльфаТех». Образцы подвергались осциллирующей нагрузке с частотой воздействия 1 Гц в диапазоне изменения температур от -40 до +80 °С. Исследования затронули только область обычного исполнения элементов мостовых сооружений, что соответствует расчетной минимальной температуре воздуха до -40 °С включительно, согласно Национальному стандарту Российской Федерации ГОСТ Р 59623-2021[2]. Для обеспечения статической значимости результатов выполнено не менее четырех испытаний образцов для каждого типа термосилового нагружения. Более полное описание экспериментальных условий приведено в [14]. В результате серии экспериментов были получены температурные зависимости модуля накопления и модуля потерь в диапазоне изменения температур [-40; +80] °С. Среднеарифметические зависимости термомеханических характеристик материалов представлены на рис. 2 и характеризуют застеклованное и высокоэластичное состояние материала при °С. a б Рис. 2. Термомеханические свойства материалов антифрикционной прослойки: а - модуль накопления; б - модуль потерь И с т о ч н и к: выполнено А.П. Богдановой. Установлена температура β-перехода материалов слоя скольжения, которая считается температурой стеклования/размягчения материала согласно Национальному стандарту Российской Федерации ГОСТ Р 56753-2015[3]. Температура стеклования/размягчения ПТФЭ и МАК приблизительно 14 °С, AR-200 - 8 °С. Результаты экспериментов согласуются с данными ДМА анализа ПТФЭ [4]. На основе данных экспериментальных исследований в первом приближении в качестве феноменологических определяющих соотношений, описывающих вязкоупругое поведение материалов, выбрана модель Максвелла. Модель построена на основе рядов Прони с учетом температурно-временной аналогии Вильямса - Ландела - Фери (WLF). Для определения параметров вектора неизвестных модели Максвелла и WLF использовалась пользовательская процедура численной идентификации на основе многопараметрического оптимизационного алгоритма Нелдера - Мида, математические выкладки и постановка задачи описаны ранее [26]. Параметры вязкоупругой модели и WLF представлены в таблице, зависимости относительных модулей сдвига от времени релаксации - на рис. 3. Параметры температурно-временной аналогии и модели вязкоупругого поведения материалов Material , °К , МПа , МПа ПТФЭ 203,91 849,00 270,21 2021,39 446,32 МАК 299,10 1069,37 263,79 2313,68 489,78 AR-200 103,24 419,18 266,80 2006,57 541,68 И с т о ч н и к: выполнено А.П. Богдановой, Ю.О. Носовым. 1e + 00 1e - 05 1e - 10 1e - 15 1e - 20 1e - 10 1e - 04 1e + 02 1e + 08 1e + 14 1e+20 a б 1e - 10 1e - 04 1e + 02 1e + 08 1e + 14 1e + 20 1e + 00 1e - 05 1e - 10 1e - 15 1e - 20 в Рис. 3. Зависимость весовых коэффициентов ряда Prony от времени релаксации: а - ПТФЭ; б - МАК; в - AR-200 И с т о ч н и к: выполнено А.А. Каменских, А.П. Богдановой, Ю.О. Носовым. Параметры модели получены на основе имитационного моделирования эксперимента на трехточечный изгиб с отклонением результатов численного эксперимента от экспериментальных данных менее 5 %. Модели поведения материалов были имплантированы в ANSYS. В модели учитываются коэффициенты термического расширения (КТР) материалов. Собственные исследования на определение изменения КТР материалов в зависимости от температуры не проводились. В литературных источниках отмечен диапазон изменения КТР для ПТФЭ от 8 до 30-32×10-5 ℃-1 и AR-200 от 8 до 24-25×10-5 ℃-1 [3; 27]. КТР материалов зависит от температуры, но для построения численной модели, учитывающей температурную зависимость параметра, необходимы данные о зависимости температурной деформации от температуры. Данных о КТР для материала МАК (Ф4БР40М2) в литературных источниках не найдено. В первом приближении принято решение рассмотреть деформирование опорной части с постоянным КТР ℃-1, одинаковым для всех рассматриваемых материалов, а также исследовать влияние изменения на напряженно-деформированное состояние опорной части со слоем скольжения из ПТФЭ. КТР стальных элементов также принят константой ℃-1 [28]. 3. Результаты и обсуждение 3.1. Статическая нагрузка Получены данные о распределении параметров напряженно-деформированного состояния и параметров контакта сферических опорных частей со слоями скольжения из разных антифрикционных материалов для диапазона температур окружающей среды [-40;+80] °С. Зависимости максимальных значений параметров от температуры представлены на рис. 4. а б в г Рис. 4. Зависимость максимального уровня параметров НДС от температуры: а - интенсивность напряжений; б - интенсивность деформаций; в - перемещения по нормали торца; г - контактное давление на границе сопряжения прослойки со сферическим сегментом; ярко-красный - ПТФЭ; темно-красный - МАК; синий - AR-200 И с т о ч н и к: выполнено А.П. Богдановой. Данные описываются полиномом третьей степени, погрешность не превышает 2 %. Максимальный уровень интенсивности напряжений снижается до температуры -10 °С (ПТФЭ, AR-200) и 0 °С (МАК) затем начинает возрастать. Максимальный уровень интенсивности деформаций мало изменяется при отрицательных температурах и возрастает в области положительных температур. Максимальные перемещения торца слоя скольжения снижаются до температуры 10 °С (ПТФЭ, AR-200) и 20 °С (МАК), затем начинают возрастать. Это связано с переходом материалов из застеклованного состояния в высокоэластичное. При этом максимальный уровень контактного давления на поверхности , по которой возможен поворот сферического сегмента, снижается до температуры окружающей среды 40 °С с дальнейшим возрастанием параметра. В диапазоне температур от -40 до 30-40 °С вблизи края слоя скольжения наблюдается зона отлипания, которая отсутствует при более высоких температурах. Также наблюдается перераспределение зон полного прилипания и проскальзывания. Слой скольжения из композитного материала (МАК) обладает минимальным уровнем деформаций и нормальных перемещений торца слоя скольжения. НДС опорных частей со слоем скольжения из ПТФЭ и AR-200 имеют незначительные отличия. Структурная модификация ПТФЭ радиацией в рамках технологического процесса создания AR-200 позволила незначительно снизить максимальный уровень параметров НДС и контакта при температурах выше температуры стеклования/размягчения (не более чем на 3 %). Данный эффект также связан с тем, что при температурах выше комнатной материал проявляет больший упругий отклик, чем ПТФЭ. Аналогично больший упругий отклик при °C по сравнению с ПТФЭ наблюдается у МАК. Характер распределения параметров НДС вблизи края слоя скольжения показан на рис. 5 на примере конструкции с прослойкой из ПТФЭ при температуре 30 °С, перемещения по нормали представлены с фактором увеличения деформированного состояния, чтобы отобразить изменение геометрии. , MПa 0,02 7,74 15,5 23,2 30,9 38,6 46,3 54,1 61,8 70,6 , % 0,01 0,06 1,12 1,67 2,23 2,77 3,33 3,88 4,44 5,07 , mm 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 а б в Рис. 5. Изополя параметров НДС вблизи края антифрикционной прослойки ПТФЭ: а - интенсивность напряжений; б - интенсивность деформаций; в - перемещения по нормали торца И с т о ч н и к: выполнено А.А. Каменских. Можно отметить, что максимальная интенсивность напряжений и деформаций наблюдается вблизи концентратора (металлический буртик нижней стальной плиты). На основном объеме слоя скольжения уровень интенсивности напряжений не превышает предел прочности материалов. Максимальный уровень интенсивности деформаций не превышает 10 % для всех рассмотренных материалов слоя скольжения и температур окружающей среды. Максимальные перемещения торца слоя скольжения наблюдаются вблизи зоны сопряжения прослойки с верхним балансиром, для всех рассматриваемых материалов они не превышают 0,16 мм. Анализ влияния КТР на параметры НДС на примере слоя скольжения из ПТФЭ представлен на рис. 6. Можно отметить, что КТР материала оказывает существенное влияние на поведение слоя скольжения опорной части. Экспериментальные исследования, направленные на получение зависимости КТР от температуры для всего набора рассматриваемых материалов, требуется провести в рамках развития модели, описывающей его поведение. Зависимость параметров НДС и контакта от КТР при изменении температуры окружающей среды нелинейная. Максимальный уровень параметров НДС наблюдается при больших положительных температурах, что связано с размягчением материала и его сильным деформированием вблизи буртика нижней стальной плиты. Максимальный уровень контактного давления наблюдается при отрицательных температурах, что связано с кристаллизацией материала и большей жесткостью. a б в г Рис. 6. Зависимость параметров НДС от температуры и КТР: а - интенсивность напряжений; б - интенсивность деформаций; в - перемещения по нормали торца; г - контактное давление на границе сопряжения прослойки со сферическим сегментом И с т о ч н и к: выполнено Ю.С. Кузнецовой. Результаты численного моделирования деформирования опорной части хорошо согласуются с данными численных и полевых исследований [29; 30]. Характер распределения напряжений по объему антифрикционной прослойки и зона локализации максимальных значений согласуются с данными, полученными в [30]. Максимальный уровень напряжений и перемещений также соизмерим с данными, полученными в [29]. Температурные зависимости параметров НДС на малом диапазоне температур эксплуатации от -10 до 20 °С были получены в [30] при разном уровне нагружения опорной части; зависимости являются нелинейными, и было замечено, что параметры уменьшаются с повышением температуры. Частично результаты согласуются с текущим исследованием, но не могут быть количественно сравнены из-за геометрической конфигурации конструкций и разных производителей материалов слоя скольжения. ПТФЭ, полученные из разных порошков даже по относительно схожим технологиям формования, обладают разными механическими свойствами и реакцией на внешние температурно-силовые воздействия [31]. 3.2. Периодическая нагрузка В рамках анализа воздействия периодической нагрузкой установлено, что выдержка нагрузки не оказывает сильного влияния на параметры НДС и контакта. Это связано с тем, что время выдержки значительно меньше времени релаксации материалов. Зависимости максимального уровня интенсивности напряжений и контактного давления на для 1, 3 и 15-й итерации цикла нагружения приведены на рис. 7. Результаты представлены при максимальной нагрузке на опорную часть 1000 кН. -40 -20 0 20 40 60 80 а б Рис. 7. Зависимость параметров НДС от T при периодической нагрузке: а - интенсивность напряжений; б - контактное давление на ярко-красный - ПТФЭ; темно-красный - МАК; синий - AR-200; сплошная линия - 1-й цикл нагружения; штриховая - 3-й цикл нагружения; точки - 15-й цикл нагружения И с т о ч н и к: выполнено А.П. Богдановой. Можно отметить, что наблюдается увеличение значения параметров при увеличении количества циклов периодической нагрузки. Характер изменения не зависит от количества циклов нагружения. Двухпараметрическая зависимость и представлена на рис. 8. При малом числе итераций периодической нагрузки наблюдается плавный незначительный рост параметров на всем диапазоне температур окружающей среды. Было принято решение расширить число итераций периодической нагрузки до 50 и 100 циклов. Результаты представлены на рис. 9 при температуре окружающей среды 30 °С. Надпись: NНадпись: T, °C Надпись: NНадпись: T, °C а б Рис. 8. Зависимость параметров НДС от температуры и номера цикла периодической нагрузки, ПТФЭ: а - интенсивность напряжений; б - контактное давление на И с т о ч н и к: выполнено Ю.С. Кузнецовой. а б Рис. 9. Зависимость параметров НДС от итерации периодической нагрузки, при T = 30 °C: а - интенсивность напряжений; б - контактное давление на ; ярко-красный - ПТФЭ; темно-красный - МАК; синий - AR-200 И с т о ч н и к: выполнено А.П. Богдановой. Максимальное изменение параметров наблюдается в течение 5-8 первых циклов нагружения, далее параметры изменяются медленно и выходят на асимптоту после 25 (ПТФЭ), 54 (МАК) и 46 циклов нагружения. Можно отметить, что максимальный уровень интенсивности напряжений наблюдается в конструкции опорной части с прослойкой из ПТФЭ, минимальный - с прослойкой из МАК. Зависимость максимального уровня контактного напряжения от числа циклов нагружения конструкций с прослойками из разных материалов отличается: при ПТФЭ и AR-200 на начальных циклах нагружения наблюдается снижение уровня контактного давления; при МАК, наоборот, увеличение. Максимальный уровень контактного давления наблюдается при прослойке из МАК, минимальный - из AR-200. Отличия параметров НДС и контакта конструкций с прослойкой из ПТФЭ и AR-200 незначительные, менее 1,5 %. Параметры НДС конструкции с прослойкой из МАК по сравнению с ПТФЭ: меньше ~ на 3 %; меньше ~ на 20 %; меньше ~ на 17,2 %. Зависимости параметров НДС опорной части, полученные в рамках исследования периодической нагрузки, согласуются с результатами [32]. Деформированное состояние опорной части выходит на асимптоту за определенное число циклов нагружения, которое зависит от материалов слоя скольжения, внешних нагрузок и условий окружающей среды. 4. Заключение В рамках исследования проведен численно-экспериментальный анализ поведения трех материалов на основе ПТФЭ, которые могут в той или иной мере применяться в рамках относительно тонких слоев скольжения опорной части мостовых сооружений. Экспериментальные исследования включали динамический механический анализ в широком диапазоне температур. Численные исследования включали анализ поведения материалов, поведение которых описано в рамках теории вязкоупругости при статическом и периодическом нагружении с учетом поля температур окружающей среды от -40 до +80 °С. В рамках исследования получены следующие результаты. 1. Определены температурные зависимости модуля накопления, модуля потерь и тангенса угла механических потерь для набора антифрикционных материалов. 2. Модели вязкоупругого поведения материалов на широком диапазоне температур были построены в рамках модели Максвелла с использованием рядов Прони и температурно-временной аналогии на основе экспериментальных данных. 3. Исследовано напряженно-деформированное состояние слоев скольжения опорной части моста с учетом вязкоупругого поведения материалов при статических и периодических нагрузках в диапазоне температур эксплуатации. Установлено, что структурная модификация ПТФЭ незначительно влияет на поведение материала в рамках работы узла трения, при этом конструкция с прослойкой из композиционного материала (МАК) обладает улучшенными характеристиками напряженно-деформированного состояния с соизмеримым увеличением параметров контакта при температурах ниже температуры стеклования/размягчения. Для минимизации отклонения модели поведения материалов от реального объекта исследования требуется учет пластического деформирования, которое было установлено экспериментально [4; 9; 22]. Построение упруговязкопластической модели Ананд для набора антифрикционных материалов является одним из направлений развития работы, в том числе с учетом зависимостей энергии активации, начального сопротивления деформации и параметра чувствительности к скорости деформации от температуры [33].

Об авторах

Анна Александровна Каменских

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: anna_kamenskih@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3012-2418
SPIN-код: 4748-1891

кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики

Российская Федерация, 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29

Анастасия Петровна Богданова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: anstasia_pankova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7426-1287
SPIN-код: 5496-7620

аспирант, научный сотрудник лаборатории цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств

Российская Федерация, 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29

Юрий Олегович Носов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: ura.4132@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5736-8645
SPIN-код: 4209-2760

научный сотрудник лаборатории цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств

Российская Федерация, 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29

Юлия Сергеевна Кузнецова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: suhodolchik@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-6608-8987
SPIN-код: 2878-0214

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики

Российская Федерация, 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29

Список литературы

Дополнительные файлы