ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИФРИКЦИОННО-ИЗНОСОСТОЙКИХ СВОЙСТВ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИОЛЕФИНОВ ХЛОПКОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты исследований в области изучения износостойкости антифрикционно-износостойких композиционных колковых деталей рабочих органов хлопкоперерабатывающих машин и механизмов, работающих при контактном взаимодействии с хлопком-сырцом. При этом установлено, что износостойкость колка из композиционного полиолефинового полимерного материала, наполненного тонкоизмельчёнными наполнителями, практически не уступает износостойкости колка из стали и бронзы. Также показано, что применение антифрикционно-износостойких композиционных колковых деталей в рабочих органах хлопковых машин и механизмов, работающих в условиях фрикционного взаимодействия с хлопком-сырцом, приводит к повышению производительности машин на 14 % и снижению потребляемой мощности на 24 %.

ABSTRACT

The article presents the results of research in the field of studying the wear resistance of anti-friction-wear-resistant composite pile parts of working parts of cotton processing machines and mechanisms operating in contact interaction with raw cotton. At the same time, it was established that the wear resistance of a pile made of composite polyolefin polymer material, filled with finely ground fillers, practically does not surpass the wear resistance of a pile made of steel and bronze. It has also been shown that the use of anti-friction-wear-resistant composite stake parts in the working bodies of cotton machines and mechanisms operating under conditions of frictional interaction with raw cotton leads to a 14% increase in machine productivity and a 24% decrease in power consumption.

Ключевые слова: полимер, композиция, антифрикционно-износостойкие материалы, полиолефины, производительность, механическая повреждаемость хлопка-сырца, работоспособность, долговечность материала, машины и механизмы, производства хлопка-сырца.

Keywords: polymer, composition, antifriction and wear-resistant materials, polyolefins, productivity, mechanical damage of raw cotton, performance, durability of the material, machines and mechanisms, for raw cotton production.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время развитие техники определяется в основном трибологическими показателями узлов и деталей, работающих в условиях трения в процессе эксплуатации рабочих органов хлопкоперерабатывающих машин и механизмов. Правильный выбор материалов для изготовления деталей по критериям трения и износостойкости, а также управление этими параметрами, рациональное конструирование узлов трения и деталей машин, оптимизация условий эксплуатации рабочих органов могут существенно продлить срок службы и повысить эффективность машин и механизмов [1–3].

Под долговечностью деталей, изготовленных из композиционных полиолефиновых (полиэтиленовых, полипропиленовых) полимерных материалов, понимается продолжительность их эксплуатации до разрушения. Основными причинами разрушения композиционных полиолефиновых полимерных материалов являются старение и износ [4–6].

Однако следует отметить, что, согласно [1–2, 7–8], разрушение твёрдого тела происходит при напряжениях, значительно более низких, чем предел прочности. При заданном напряжении прочность твёрдого тела зависит от времени воздействия нагрузки: чем дольше тело находится в напряжённом состоянии, тем при меньшей нагрузке происходит его разрушение; и наоборот, чем меньше приложенное напряжение, тем больше срок службы изделий из композиционного полимерного материала.

Определение долговечности деталей (колков) из композиционных полиолефиновых полимерных материалов — сложная задача, так как на деталь одновременно воздействуют многие взаимосвязанные факторы. Поэтому для объективной оценки основного результата взаимодействия всех факторов был определён главный эксплуатационный показатель. В качестве главного эксплуатационного показателя принята истираемость рабочей поверхности композиционного полиолефинового колка при взаимодействии с хлопком-сырцом, то есть уменьшение массы колка в процентах или граммах в процессе эксплуатации [1–4].

Следует отметить, что исследования в области долговечности и износостойкости полиэтиленовых и полипропиленовых материалов, а также деталей из них, работающих при взаимодействии с хлопком-сырцом, недостаточно изучены. В связи с этим исследование долговечности и износостойкости машиностроительных деталей из полиэтиленовых и полипропиленовых композиционных материалов триботехнического назначения и их применение в рабочих органах хлопкоперерабатывающих машин и механизмов, обеспечивающие повышение их работоспособности и эффективности, являются актуальной проблемой.

Целью работы является исследование долговечности и износостойкости антифрикционно-износостойких композиционных полиолефиновых полимерных материалов и деталей из них, применяемых в рабочих органах хлопкоперерабатывающих машин и механизмов, в производственных условиях.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В данной работе в качестве объектов исследования рассматриваются композиционные полиолефиновые полимерные материалы: антифрикционные полипропиленовые композиции (АПП-К-1, АПП-К-2), антифрикционные полиэтиленовые композиции (АПЭ-К-1, АПЭ-К-2) на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), содержащие в своём составе графит, каолин, стекловолокно и сажу, а также колки рабочих органов хлопкоперерабатывающих машин, изготовленные из вышеуказанных композиционных материалов [9–10].

Износостойкие свойства композиционных полиолефиновых материалов определялись весовым методом и стандартными методами, принятыми и разрешёнными к применению в странах СНГ [11–12].

Весовой износ колков определялся путём взвешивания образцов до и после эксплуатационных испытаний на аналитических весах. Разность масс соотносилась со временем работы, что позволяло определить интенсивность изнашивания [ГОСТ 27.102–2021]. Колесо (или колёсная пара) взвешивается до эксплуатации (или до обточки), затем — после эксплуатации; разница масс рассчитывается по формуле [11–12]:

В процессе экспериментальных исследований производительность передвижного перегружателя хлопка определялась методом отсечки, который заключается в организации измерений, позволяющих фиксировать «рабочие циклы» машины (начало и окончание операции) для точного расчёта её производительности. Также определялась мощность, потребляемая электродвигателем (ГОСТ 7217–87).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для изучения долговечности, износостойкости и срока службы выбранных антифрикционно-износостойких композиционных полиолефиновых полимерных материалов в производственных условиях были проведены специальные эксперименты в течение одного сезона работы передвижного перегружателя хлопка, разборщика бунтов хлопка и туннелеройной машины. Установленные на рабочие органы хлопковых машин колки из композиционных полиолефиновых полимерных материалов первоначально подвергались приработке в течение 30–40 мин. После окончания процесса приработки композиционные полиэтиленовые и полипропиленовые колки подвергались дальнейшим исследованиям [13–20].

На основании полученных экспериментальных данных построены кривые зависимости степени истирания поверхности колка из исходного композиционного полиолефинового полимерного материала, наполненного органоминеральными ингредиентами и тонкоизмельчёнными наполнителями, а также стального колка от времени эксплуатации (рис. 1). Результаты исследования приведены на рисунке 1.

1 - серийный колок из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП); 2 - экспериментальный колок из полиэтилена, наполненный графитом и каолином (АИПЭ-К-1); 3 - экспериментальный колок из полиэтилена, наполненный сажой и каолином (АИПЭ-К-2), 4 - металлический колок (сталь Ст. 3).

Рисунок 1. Зависимости весового износа поверхности композиционных полипропиленовых колков рабочих органов от времени эксплуатации передвижного перегружателя хлопка-сырца

Из рисунка 1 видно, что износостойкость колка из композиционного полиолефинового полимерного материала, наполненного тонкоизмельчёнными наполнителями, практически не уступает износостойкости колка из стали и бронзы. При этом усреднённая зависимость изменения износа от времени работы имеет вид кривой, характеризующейся тем, что степень износа поверхности колка по мере увеличения времени работы возрастает.

Следует отметить, что высокая износостойкость композиционных полипропиленовых полимерных материалов, очевидно, объясняется большой податливостью микронеровностей трущихся поверхностей колков. Вершины микронеровностей вместо разрушения претерпевают высокоэластичные деформации в момент нахождения в зоне фактического контакта с хлопком-сырцом и восстанавливаются без значительных остаточных деформаций после выхода из этой зоны. Большая гибкость микронеровностей является также первопричиной низких коэффициентов трения [20–24].

Далее приводятся результаты опытных испытаний в производственных условиях, изготовленных колковых деталей (рис. 2) из композиционных полиолефиновых полимерных материалов для рабочих органов хлопкоперерабатывающих машин.

Колок рабочего органа передвижного перегружателя хлопка представляет собой захватывающий элемент, выполненный в виде стержня со сферическим закруглением в головной части и трапецеидальным профилем в поперечном сечении, размещённый на основании. При этом его захватывающая поверхность расположена под углом к основанию, равным 65–70°, а угол между боковыми гранями колка составляет 20–25°. Колок может быть выполнен в виде двух или трёх стержней, установленных на общем основании.

1 – колок, 2 – прорезиненная лента рабочего органа, 3 – гайка М8 ГОСТ ISO 4032-2014, 4 – болт М8 х 20 ГОСТ ISO 4014-2013, 5 - шайба 8 ГОСТ ISO 7092-2016

Рисунок 2. Конструкция колка из композиционных полимерных материалов рабочего органа передвижного перегружателя хлопка

При этом расстояние между осями спаренных стержней равно 100–120 мм. Сферическое закругление в головной части колка радиусом R₁ = 10 мм облегчает его внедрение в толщу массы хлопка-сырца. Радиус кривизны (R) колка составляет 270–272 мм. Указанные параметры обеспечивают внедрение колка в толщу массы хлопка-сырца, улучшая его захватывающую способность, надёжность и эффективность работы [23–24].

Для испытания опытных образцов — колков из композиционных полипропиленовых полимерных материалов — в производственных условиях был использован передвижной перегружатель хлопка марки ХПП. Технологическая схема передвижного перегружателя хлопка марки ХПП приведена на рисунке 3.

1 - горизонтальный транспортер, 2 - колковый рабочий орган, 3 - барабан приводной колкового рабочего органа, 4 - барабан нижний колкового рабочего органа, 5 - лента, 6 - зачерпывающие детали из композиционного полимерного материала

Рисунок 3. Технологическая схема и принцип работы передвижного перегружателя хлопка марки ХПП

Технологическая схема передвижного перегружателя хлопка марки ХПП состоит из приводящего горизонтального транспортёра 1 и колкового рабочего органа 2. Колковый рабочий орган включает верхний приводной 3 и нижний натяжной 4 барабаны, которые огибает прорезиненная лента 5 с закреплёнными на её поверхности с помощью болтовых соединений колками из композиционных полимерных материалов.

Барабаны приводятся в движение от редуктора, установленного на валу верхнего барабана и связанного с электродвигателем. Выгруженный из кузова или прицепа автотранспорта на горизонтальный ленточный транспортёр 1 хлопок-сырец 7 продвигается к колковому рабочему органу 2 перегружателя хлопка, разрыхляется, захватывается его композиционными полипропиленовыми колками 6, поднимается и сбрасывается в приёмную воронку последующего механизма технологической цепочки.

Установка колков из композиционных полиолефиновых полимерных материалов в рабочем органе производится следующим образом. Композиционные полипропиленовые колки закрепляются основанием на планке с помощью резьбовых соединений. В качестве планки используется продольная металлическая или пластмассовая планка. Затем продольные планки с колками закрепляются на прорезиненной ленте рабочего органа с помощью болтовых соединений. При этом они устанавливаются наклонно к поверхности ленты. Расстояние между осями двух спаренных колков составляет 100–120 мм в зависимости от числа колков, закреплённых на продольной планке ленты. Шаг между продольными планками выбирается равным 450–500 мм. Продольные планки с колками из композиционных полипропиленовых полимерных материалов на поверхности рабочего органа располагаются в шахматном порядке для обеспечения равномерного вывода волокнистого материала (хлопка-сырца) [24].

Испытания проводились на Пискентском хлопкоочистительном заводе в производственных условиях на колках из антифрикционно-износостойких композиционных полипропиленовых материалов при различных объёмных плотностях хлопка-сырца 1-го сорта машинного сбора с влажностью 8,2 % и засорённостью 6,7 %.

В процессе испытаний методом отсечки определялись производительность и потребляемая мощность передвижного перегружателя хлопка. Результаты испытаний серийных и экспериментальных колков из композиционных полиолефиновых полимерных материалов для рабочих органов передвижного перегружателя хлопка приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные показатели испытаний серийных и экспериментальных колков (колки из АППК-1) для рабочих органов передвижного перегружателя хлопка марки ХПП на эффективность работы при различных объемных плотностях хлопка-сырца

Как видно из таблицы 1, производительность хлопковых машин по абсолютной величине с колковым рабочим органом из композиционных полипропиленовых материалов несколько выше, а потребляемая мощность — ниже по сравнению с серийным колковым рабочим органом.

Это свидетельствует о том, что увеличение производительности машин и снижение потребляемой мощности связаны с антифрикционными свойствами композиционного полипропиленового материала колка, снижающими силы взаимодействия хлопка-сырца с его поверхностью, а также обусловлены конфигурацией колка, которая является наиболее рациональной и обеспечивает эффективный захват порции хлопка-сырца.

Таким образом, применение композиционных полиолефиновых полимерных материалов в качестве матрицы исходного сырья для разработанной новой конструкции колков рабочих органов хлопковых машин и механизмов, работающих в условиях фрикционного взаимодействия с хлопком-сырцом, приводит к повышению производительности машин на 14 % и снижению потребляемой мощности на 24 %, а также исключает возможное загорание хлопка-сырца и образование намотов волокон на поверхности композиционного полипропиленового колка, обеспечивает экономию дефицитных и дорогостоящих конструкционных материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исходя из результатов вышеуказанных исследований, установлено, что износостойкость колка из антифрикционно-износостойких композиционных полиолефиновых полимерных материалов, наполненного тонкоизмельчёнными наполнителями, практически не уступает износостойкости колка из стали и бронзы.

Выявлено, что колки, изготовленные из антифрикционно-износостойких композиционных полиолефиновых материалов, наполненных органоминеральными ингредиентами, позволяют повысить их надёжность и работоспособность, уменьшить образование свободного волокна в процессе приёмки и транспортировки хлопка-сырца, а также при профилактических операциях с хлопком-сырцом. Кроме того, они исключают возможность искрообразования и загорания хлопка вследствие снижения коэффициента трения хлопка-сырца при взаимодействии с рабочей поверхностью колка из композиционного полиолефинового полимерного материала, а также способствуют улучшению качества вырабатываемого волокна.

Список литературы:

1. Елагина О. Ю., Думанский С. И., Наконечная К. В. Физико-химическая механика разрушения материалов. Охрупчивание, зарождение и развитие трещин. Москва, Вологда: Инфра-Инженерия, 2025, - 168 с.
2. Стеклов О.И. Физико-химическая механика материалов и конструкций Моск. ин-т нефти и газа им. И.М. Губкина. — М. : МИНГ, 1990. — 96 с.
3. Латыпов О.Р.,  Ямщикова С.А. и др. Анализ химической стойкости термопластичных полимерных покрытий на основе полиолефинов в растворах кислот, солей и щелочей. // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2025-70-1-7-16.
4. Abed N.S. Study on the impact of mineral, fibrous, and carbon-graphite fillers on the physical and mechanical properties of composite friction resistant polymer materials // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Abed N.S. [и др.]. 2025. 6(135). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/20461.
5. Musabekov, D., Abed-Negmatova, N., Gulyamov, G., Shernaev, A., Khodjimuradov, D., & Negmatov, S. (2011). Effective Composite Materials for Friction Pairs of Working Bodies of Cotton Machines. In Advanced Materials Research (Vol. 413, pp. 548–550). Trans Tech Publications, Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.413.548
6. Козлов Н.А. Митрофанов А.Д. Физика полимеров: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т; Владимир, 2001, - 345 с. ISBN 5-89368-198-3.
7. Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. — СПб.: Профессия, 2006.— 624 с.
8. Мельникова М.А. М48 Полимерные материалы: свойства, практическое применение. Учебное пособие / М.А. Мельникова. – Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2013. –86 с.
9. Негматов Ж.Н., Н.С. Абед, Н.Э. Эргашев, A.A. Aбдукаххаров, И.И. Муродов, Ш.А. Бозорбоев. Исследование антифрикционно-износостойких композиционных полиэтиленовых материалов применяемых в рабочих органах хлопковых машин и механизмов. Журнал: Композиционные материалы, - Ташкент, 2024, - №4, - С. 46-48.
10. Абдукаххоров А.А., Косимов Ш.Б., Абед Н.С., Негматов Ж.Н., Халимжонов Т.С. Исследование антифрикционно-износостойких свойств композиционных полипропиленовых материалов, работающих при фрикционном взаимодействии с хлопком-сырцом, для применения в рабочих органах хлопкоперерабатывающих машин и механизмов// Композиционные материалы. - Ташкент, 2025.-№1.-С.203-204.
11. Сальникова Е.В. Гравиметрический метод количественного анализа : методические указания / Е. В. Сальникова; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2019, - 48 с.
12. Современная трибология: Итоги и перспективы / А. С. Ахматова [и др.] ; под общ. ред. К. В. Фролова. – М.: ЛКИ, 2008. – 480 с.
13. Eshkobilov O.Kh., Negmatov S.S., Abed N.S., Gulyamov G. Features of contact interaction of composite polymer materials with raw cotton in the process of friction. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 1030(1) (2021), DOI: 10.1088/1757-899X/1030/1/012172.
14. ГОСТ 4648-2014 (ISO 178:2010). Метод испытания на статический изгиб. - М.: Стандартинформ, 2016. – 25 с.
15. ГОСТ 4647-2015 (ISO 179-1:2010, NEQ). Метод определения ударной вязкости по Шарпи. - М.: Стандартинформ, 2017. – 28 с.
16. ГОСТ 9550-81. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе. - М.: Стандарт, 2004. – 8 с.
17. ГОСТ 4670-2015. Метод определения твердости по Бринеллю. - М.: Стандартинформ, 2016. – 10 с.
18. ГОСТ 23.223-97. Метод определения триботехнических свойств конструкционных материалов при взаимодействии с волокнистой массой. -М.: Стандарт, 1997. – 9 с.
19. Чухланов В.Ю. Современные методы исследования эксплуатационных свойств полимерных материалов : учеб. пособие к лаб. и практ. занятиям / В. Ю. Чухланов, Е. В. Ермолаева, Л. А. Чижова ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. – Владимир : Изд-во ВлГУ, 2019. – 104 с.
20. Степанов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний : справочник / М. Н. Степанов, А. В. Шаврин. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва : Машиностроение, 2005 (ГУП ППП Тип. Наука РАН). - 399 с.
21. Abed Nodira, Soyibjon Negmatov, Olim Eshkobilov, Malokhat Tukhtasheva, Shukhrat Bozorboyev. Dependence of physical and mechanical properties on various technological parameters of injection molding in formation of composite polymer materials. AIP Conf. Proc. 15 July 2025; 3256 (1): 030027. https://doi.org/10.1063/5.0267345.
22. Negmatov S.S., A.A.Turgunov, N.S.Abed, M.E.Ikramova, K.S.Negmatova, A.A.Abdukakhkharov, R.Kh.Soliyev. Reaserch of epoxysiloxane polymeric materials formation for use in reinforced concrete product equipment. // Universum, - Russia, 2024, 12(81). https://7universum.com/ru/tech/archive/item/20 532.
23. Негматов Ж.Н., Н.Э. Эргашев, A.A. Aбдукаххаров, И.И. Муродов, Ш.А. Бозорбоев. Современное состояние машин и механизмов транспортно-распределительных систем хлопкового комплекса и применения полимерных и композиционных материалов в их рабочих органах. // Композиционные материалы, - Ташкент, 2024, -№4, - С. 292-293.
24. Soyibjon Negmatov, Nodira Abed, Оlim Eshkobilov, Shokhista Karshiyeva. Determination of optimum geometrical parameters of the working bodies of cotton processing machines and mechanisms. AIP Conf. Proc. 3286, 060012 (2025) https://doi.org/10.1063/5.0281773.