Расчет интенсивности изнашивания эластомеров по результатам экспериментов
В результате испытаний определялись как износ, так и интенсивность изнашивания данного типа карбона. Величина интенсивности изнашивания после испытаний на износ может быть определена по формуле [14].
, (2.31)
где h – износ резины , мм; 
– путь трения, мм.
Путь трения в мм рассчитывался по формуле
, (2.32)
где 
– скорость возвратно поступательного движения на стенде, = 0,08 мс; 
– продолжительность испытаний, с.
Следует отметить, что величина интенсивности изнашивания является более информативной, чем величина износа, так как позволяет рассчитать износ карбона при любой длительности его работы в узле трения. Кроме того, так как эта величина является безразмерной, возможно сравнение износостойкости различных типов карбонов, а также сравнение износостойкости одного карбона, работающего в различных режимах (скорость скольжения, наличие смазочного материала и его тип и т.п.).
Анализ полученных результатов и составление отчета
Главными выводами в данной работе являются величины износа и интенсивности изнашивания карбона, полученные экспериментально-расчетным путем. Отчет выполняется на бригаду и должен содержать:
|
|
|
- заполненные таблицы значений ширины пятна износа двух образцов и рассчитанные значения износа и интенсивности изнашивания;
- анализ результатов и выводы.
Форма отчета приведена в Приложении 10. Бланк отчета выдается преподавателем или оформляется студентами самостоятельно до начала работы.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И ЭЛАСТОМЕРОВ
3.1. Прогнозирование изменения свойств эластомеров при их
термическом старении
Эластомеры имеют сложнейшую реологию, которая наблюдается в виде процессов релаксации, ползучести, старения и других проявлениях [5,6,7]. Все эти процессы ускоряются при повышенных температурах. Так при старении эластомеров в деформированном состоянии значительно меняются такие физико-механические свойства как: относительная остаточная деформация сжатия, статический модуль, динамический модуль [7]. При хранении резинового изделия в недеформированном состоянии изменяются такие свойства как: прочность и относительное удлинение при разрыве и т.п. [50,53].
Изменение всех этих свойств эластомеров в процессе термического старения описывается зависимостью Аррениуса
(3.1)
|
|
|
где K(T) – значение свойства эластомера, А – константа, характеризующая данный процесс, Е – энергия активации, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура.
Использование этой зависимости положено в основу экспериментально-теоретического метода, позволяющего прогнозировать изменение свойств резинового уплотнения при его длительной эксплуатации (5–10 лет) по результатам испытаний образцов из данной резины после их кратковременного старения (10–12 дней).
Задачей данной работы являлась проверка возможности использования резины HNBR марки E50189 фирмы FMC для изготовления неподвижных уплотнений узлов нефтяного оборудования при температуре эксплуатации 150˚С и гарантированном сроке службы 10 лет. Использование метода конечных элементов и программы STAR [6,33] показало, что использование данной резины возможно при минимально предельных значениях после выработки всего срока службы (10 лет) при указанной температуре эксплуатации для напряжения при разрыве [σf ] = 10,4 MПa, а для относительного удлинения при разрыве [εf ] = 0,25.
Поставленная задача решалась экспериментальным методом с последующим использованием метода прогнозирования регламентированного ISO 11346, основанного на использовании зависимости Аррениуса [2,30]. Для определения прочностных характеристик резины напряжения при разрыве σf и относительного удлинения при разрыве εf использовалась стандартная разрывная машина [30]. Характеристики: разрывное усилие до 5000 Н, скорость перемещения нижней балки от 5 до 30 мм/мин. Термокамера обеспечивает возможность испытаний при температурах от –100 до + 300˚С в различных газовых средах, автоматизированную запись растягивающего усилия и удлинения.
|
|
|
В качестве образцов для испытаний использовались лопатки, вырубаемые из пластин резины HNBR марки E50189 фирмы FMC. Все измерения проводились после трех циклов тренировки по ISO 2856. На этой же установке проводились испытания образцов резин, подвергнутых старению. В этом случае образцы перед испытаниями помещались в термошкаф, обеспечивающий постоянную температуру старения в диапазоне от +50 до +300˚С с принудительной вентиляцией. Значения σf рассчитывались по данным условных напряжений разрыва σeng , полученным в результате экспериментов по формуле [30]
(3.2)
|
|
|
В табл.3.1 и 3.2 представлены результаты исследования прочностных свойств резины, не подвергавшейся старению (t = 0), и резин состаренных различное время при разных температурах. При термостарении образцы резины в виде лопаток нагревались в термошкафу без нагрузки при температуре старения Т = 363, 393, 433 и 473˚К. Продолжительность нагревания составляла t = 10, 24, 80, 300 часов.
По результатам, приведенным в табл.3.1 и 3.2, построены графики, представленные на рис.3.1 и 3.2. На этих рисунках показаны также точки, соответствующие минимальным предельным значениям [σf] и [εf], для которых предстояло провести прогнозирование свойств резины.
Таблица 3.1
Результаты экспериментального определения напряжения разрыва σf резины HNBR после кратковременного старения
| T˚K | σf, МПа после термостарения в течение t, ч | ||||
| 0 | 10 | 24 | 80 | 300 | |
| 363 | 55,6 | 55,5 | 54,8 | 53,5 | 52,0 |
| 393 | 55,6 | 54,5 | 53,4 | 51,7 | 48,9 |
| 433 | 55,6 | 49,5 | 46,7 | 41,7 | 35,6 |
| 473 | 55,6 | 41,1 | 36,5 | 27,2 | - |
Таблица 3.2
Результаты экспериментального определения относительного удлинения при разрыве εf резины HNBR после кратковременного старения
| T˚K | εf, МПа после термостарения в течение t, ч | ||||
| 0 | 10 | 24 | 80 | 300 | |
| 363 | 1,93 | 1,89 | 1,85 | 1,80 | 1,72 |
| 393 | 1,93 | 1,85 | 1,81 | 1,73 | 1,59 |
| 433 | 1,93 | 1,62 | 1,49 | 1,29 | 1,06 |
| 473 | 1,93 | 1,29 | 0,965 | 0,502 | - |
Как видно из табл.3.1, 3.2 и рис.3.1, 3.2 прочностные свойства резины постоянно ухудшаются как с ростом температуры старения, так и с увеличением времени старения. Однако из анализа графиков, представленных на рис.3.1, 3.2, следует, что простая экстраполяция на длительные сроки эксплуатации, превышающие время термостарения в 20–30 раз по отношению к продолжительности экспериментов, невозможна.
Для прогнозирования напряжения разрыва состаренной резины HNBR через 5 –10 лет на основании рекомендаций изложенных в ISO 11346 зависимости напряжения разрыва от времени при различных температурах были построены
σf, МПа
t, ч
Рис. 3.1. Изменение напряжения разрыва во времени после кратковременного старения образцов резины HNBR
εf
t, ч
Рис.3.2. Изменение относительного удлинения при разрыве во времени после кратковременного старения образцов резины HNBR
в других координатах. По оси ординат откладывалось отношение напряжения разрыва резины после ее термостарения при температуре «T», обозначенное как σfT , к напряжению разрыва резины до ее термостарения, обозначенному как σf20. По оси абсцисс откладывалось время в часах в логарифмическом масштабе. Изменение указанной относительной характеристики напряжения σfT / σf20 во времени при различных температурах приведено на рис.3.3.
На рис.3.3 также показано графическое определение времен, через которые происходят уменьшения напряжения разрыва в два раза (уровень 0,5 по оси ординат) при температурах 363, 393, 433, 473ºК. Аналогичные
lg t, ч
Рис.3.3. Изменение относительной характеристики напряжения во времени при различных температурах
графические построения с использованием рис.3.3 на уровнях уменьшения напряжений разрыва 0,8; 0,6; 0,4 и 0,3 позволяют получить и на этих уровнях соответствующие времена до достижения уменьшения данной характеристики до указанного уровня.
Следующим этапом для прогнозирования ресурса по напряжению разрыва при использовании методики прогнозирования по ISO 11346 является построение номограммы, приведенной на рис.3.4. При ее построении используются данные времен достижения уменьшения предельного напряжения до уровней 0,8; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3 (по оси ординат на рис.3.4) и величина 1/T·104 (по оси абсцисс).
Заключительными этапами прогнозирования ресурса по напряжению разрыва является проведение на номограмме (см. рис.3.4) вертикальной прямой, соответствующей температуре эксплуатации уплотнения, заданной заказчиком (T = 423ºК), отсчет по оси ординат значений времени, где эта вертикальная прямая пересекает линии номограммы и последующее построение заключительного графика (рис.3.5) изменения относительной характеристики напряжения σfT / σf20 во времени при температуре 150ºС (T = 423ºК).
lg t, ч
1/T · 10 4
Рис.3.5. Номограмма для прогнозирования ресурса по напряжению разрыва
После получения заключительного графика изменения относительной характеристики напряжения во времени при заданной температуре эксплуатации (см. рис.3.6) остается только графически определить значение уровня падения напряжения разрыва при заданном сроке эксплуатации (10 лет).
lg t, ч
Рис.3.6. Прогнозирование напряжения разрыва через 10 лет при температуре 150ºС
Из рис.3.6 следует, что при этом сроке эксплуатации (lg t = 4,94) уровень падения напряжения σfТσf20 через 10 лет составит 0,21. Абсолютное значение σfТ при температуре Т = 150˚С и сроке эксплуатации t = 10 лет составит σfТ = 11,7 MПa. Аналогичным образом на основании результатов экспериментов, приведенных табл.3.2, было проведено прогнозирование изменения относительного удлинения резины HNBR марки E50189 фирмы FMC за срок эксплуатации 10 лет при температуре 150˚С (Т = 423˚К). Установлено, что абсолютное значение εfТ при температуре Т = 150˚С и сроке эксплуатации t = 10 лет составит εfТ = 0,193.
Таким образом, использования метода прогнозирования по ISO 11346 позволило установить, что резина HNBR марки E50189 фирмы FMC при эксплуатации ее в узле нефтяного оборудования при температуре 150˚С в течение 10 лет обеспечит минимальное предельное значение [σf ] = 10,4 MПa с коэффициентом запаса 1,13, однако не обеспечит минимального предельного значения [εf ] = 0,25, так как после эксплуатации при указанном сроке службы εf составит 0,193.
Проведенные исследования показали, что изменение свойств резинового уплотнения при его длительной эксплуатации (5–10 лет) с высокой вероятностью может быть спрогнозировано по результатам испытаний образцов из эластомера, использованного для изготовления этого уплотнения, после их кратковременного старения (10–12 дней). Следовательно, длительные дорогостоящие испытания уплотнений нефтяного оборудования в деформированном состоянии могут быть заменены стандартными испытаниями образцов резин после их краткосрочного термостарения в недеформированном состоянии.
3.2. Определение энергии активации эластомеров
Целью работы являлось определение энергии активации резины HNBR марки 1088 фирмы FMC [7,9]. Для определения энергии активации эластомеров в данной работе использовались экспериментальные характеристики резины, полученные по ГОСТ 10952-75 «Метод определения характеристик усталостной выносливости при знакопеременном изгибе эластомеров с вращением» [28]. Для расчета энергии активации данного эластомера использовались основные положения термофлуктуационной теории [24].
В основе термофлуктуационной теории положен экспериментально установленный факт зависимости основной прочностной константы материала - предела его прочности, от времени и температуры испытаний. В качестве основного фактора механического разрушения по этой теории были выделены происходящие во времени тепловые флуктуации(колебания) положений атомов, находящихся в неравновесном состоянии [7]. В этом случае разрушение твёрдых тел под нагрузкой рассматривается не как единовременное критическое событие, а как временной процесс постепенного накопления деструкций материала в виде разрыва структурных связей. Механическая сила, приложенная к телу, не вызывает распада всех межатомных (или межмолекулярных) связей, а лишь деформирует их и приводит к увеличению амплитуды флуктуаций. Поскольку сами флуктуации имеют случайный характер, то случайный (статистический) характер приобретает и сам процесс разрушения. Данные представления, впервые высказанные Журковым С. Н., получили название кинетической концепции прочности, которая нашла применение в описании явления разрушения и его прогнозирования [7]. Энергия активации разрушения в отсутствие напряжения меняется от материала к материалу. Однако для каждого материала она является своего рода физической константой, независящей от состояния материала. Достоинством этой концепции является возможность прогнозирования момента разрушения и неразрушающего контроля прочности. Для прогнозирования времени до разрушения эластомеров используется уравнение термофлуктуационной теории
, (3.3)
где t – время до разрушения, с; U – энергия активации, кДж/моль; R – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, ºК; b и С – постоянные, характеризующие процесс разрушения.
Сущность метода определения характеристик усталостной выносливости при знакопеременном изгибе эластомеров с вращением заключается во вращении под определенным углом образца из резины до его разрушения: для метода А – при заданной температуре на поверхности образца; для метода Б – при температуре саморазогрева.
Схема установки для определения характеристик усталостной выносливости эластомеров при знакопеременном изгибе с вращением представлена на рис.2.6, внешний вид установки – на рис. 2.8 [11,17,59].
Испытываются стандартные образцы (см. рис.2.7) диаметром 8 мм и длиной рабочей части образца23,5 мм при изгибе с заданной амплитудой деформаций и заданными частотой вращения итемпературой окружающей среды. Внешний вид образцов приведен на рис. 3.7.
Образцы испытывают не ранее чем через 16 суток и не позднее чем через 28 суток после вулканизации. Проведение испытаний проводилось в данной работе по ГОСТ 10952-75 по методу Б при частоте вращения образцов из резины 3000 об/мин. Испытания по методу Б проводились в следующей последовательности:
1) Образцы закрепляют в зажимах и устанавливают на заданную относительную деформацию εα путем изменения угла изгиба α . Включают прибор и проводят испытание до разрушения образцов. Не допускается выползание образцов из зажимов при испытании. Контроль осуществляется визуально. За разрушение образца принимают разделение его на две части на рабочем участке. Установившуюся температуру на поверхности образца измеряют бесконтактным методом.
Рис. 3.7. Внешний вид образцов для исследования усталости эластомеров до разрушения и после испытаний
2) Если необходимо провести испытания при повышенной температуре окружающей среды, в камере устанавливают заданную температуру. Температуру окружающей среды определяют и зависимости от условий работы резины в изделиях.
3) После разрушения образца записывают показания счетчика и вычисляют число циклов разрушения.
4) Для получения зависимости усталостной выносливости от величины деформации рекомендуют начинать испытания с наибольших деформаций. Деформации подбирают так, чтобы среднее значение усталостной выносливости при максимальной деформации было не менее 1∙103 циклов, а при минимальной не менее 105 циклов.
Для прогнозирования числа циклов до разрушения образца уравнение термофлуктуационной теории (3.3) может быть представлено в виде
, (3.4)
Результаты испытаний резины HNBR марки 1088 фирмы FMC, проведенные по вышеприведенной методике приведены в табл.3.3
Таблица 3.3
Экспериментальные характеристики усталостной выносливости резины 1088 фирмы FMC
| № опыта | εа | N, циклов | t,°С | T,°К |
| 1 | 0,100 | 3,5·105 | 172 | 445 |
| 2 | 0,125 | 6,0·104 | 182 | 455 |
| 3 | 0,150 | 1,8·104 | 187 | 460 |
| - | 0,200 | 3,8·103 | 191 | 464 |
Уравнение (3.4), записанное для каждого из трех опытов, результаты которых приведены в табл.3.3, с использованием номера опыта в качестве индекса экспериментально найденной величины примет вид
(3.5)
(3.6)
(3.7)
Вычтем из (3.5) выражение (3.6) и из (3.6) – (3.7). Получим систему
(3.8)
Для удобства перепишем систему (3.8) в виде
(3.9)
Решим полученную систему (3.9) относительно U и b, используя исходные данные для расчета приведены в табл. 3.3.
4,50
Энергия активации
= 124 кДж/моль
Определим постоянную C
.
Таким образом, уравнение термофлуктуационной теории (3.3) примет вид
, (3.10)
Установлено, что для резины марки 1088 фирмы FMC энергия актививации составляет U = 124 кДж/моль; постоянная C = 2,864· 10-14. постоянная b = 4,50. Результаты усталостных испытаний резины 1088 HNBR фирмы FMC приведены на рис.3.8.
На рис.3.8 в виде точек приведены экспериментальные значения числа циклов до разрушения образца N, а в виде сплошной линии приведена зависимость, описывающая этот процесс по уравнению (3.3) термофлуктуационной теории.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 394; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!