Повышение эффективности восстановления посадочных отверстий в корпусных деталях сельскохозяйственной техники композицией на основе эластомера ф-40с
На правах рукописи
МАШИН Дмитрий Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
ПОСАДОЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ В КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЯХ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ КОМПОЗИЦИЕЙ
НА ОСНОВЕ ЭЛАСТОМЕРА Ф-40С
Специальность 05.20.03 Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Мичуринск – наукоград РФ, 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ли Роман Иннакентьевич Жачкин Сергей Юрьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет/кафедра автоматизированного оборудования машиностроительного производства, профессор Нагорнов Станислав Александрович доктор технических наук, профессор, ГНУ «Всероссийский научно исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук», заместитель директора по научной работе
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»
Защита диссертации состоится 17 октября 2013 года в 12:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при ФГБОУ ВПО «Мичу ринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбов ская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, зал заседаний диссер тационных советов.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичу ринский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан «» августа 2013 г. и размещен на сайтах www.vak.ed.gov.ru и www.mgau.ru
Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 220.041.03, кандидат технических наук, доцент Ланцев В.Ю.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Корпусные детали являются наиболее дорогостоя щими деталями и в значительной мере формируют затраты на ремонт техники.
Они являются базисными, ресурсными деталями, определяющими долговеч ность всего агрегата.
Износ посадочных отверстий в корпусных деталях агрегатов трансмиссии мобильных машин вызывает изменение взаимного расположения валов с под шипниками. При этом нарушается соосность и параллельность валов, взаимное расположение поверхностей сопрягаемых деталей. В результате снижается ре сурс подшипниковых узлов, зубчатых колес, агрегата, надежность машины.
Основной причиной износа посадочных отверстий под подшипники в корпусных деталях является фреттинг-коррозия. Способы восстановления по садочных отверстий полимерными материалами отличаются простотой и низ кой себестоимостью, исключают явление фреттинг-коррозии и позволяют по высить долговечность корпусных деталей и подшипниковых узлов.
Перспективным направлением в повышении эффективности восстановле ния посадочных отверстий корпусных деталей является разработка полимерных композиционных материалов. Введение наполнителей в полимер позволяет значительно улучшить потребительские свойства материала, такие как проч ность, теплопроводность и др., восстанавливать детали с большим износом, уменьшать энергоемкость технологии и снижать стоимость материала. Это соз дает основу для разработки высокоэффективных технологических процессов восстановления, обеспечивающих дальнейшее повышение долговечности кор пусных деталей и снижение затрат на ремонт сельскохозяйственной техники.
Степень разработанности темы. Вопросам восстановления корпусных деталей сельскохозяйственной техники полимерными материалами посвящены труды Башкирцева В. Н., Гаджиева А. А., Гвоздева А. А., Котина А. В., Коно ненко А. С., Курчаткина В. В., Ли Р. И., Мельниченко И. М., Шубина А. Г. и многих других отечественных ученых. Корпусные детали восстанавливают эпоксидными составами, анаэробными герметиками и композициями на их основе, эластомерами. Технологии восстановления посадочных отверстий эластомерами отличаются простотой, не требуют сложного оборудования и оснастки, имеют низкую себестоимость процесса.
Анализ известных технологий и полимерных материалов показал, что вопрос наполнения эластомеров, предназначенных для восстановления по садочных отверстий в корпусных деталях машин, не исследован. Отсутст вуют требования к наполнителям, учитывающие условия эксплуатации по лимерных покрытий в корпусных деталях. Не изучен вопрос увеличения мо дуля упругости и уменьшения податливости наполненных эластомеров. Требу ют исследования вопросы снижения энергоемкости и повышения качества по лимерных покрытий при восстановлении корпусных деталей наполненными эластомерами.
Работа выполнена на кафедре «Технология обслуживания и ремонта ма шин и оборудования» Мичуринского государственного аграрного университета в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ Мич ГАУ на 2011…2015 годы по теме № 14 «Разработка технологий восстановления и упрочнения деталей с.х. техники и технологического оборудования по пере работке и хранению с.х. продукции».
Цель работы. Повышение эффективности восстановления посадочных отверстий корпусных деталей сельскохозяйственной техники композицией на основе эластомера Ф-40С за счет повышения качества полимерных покрытий, увеличения их теплопроводности, повышения прочности и долговечности, меньших энергозатрат технологии, восстановления деталей с большим износом.
Объект исследований. Пленки и полимерные покрытия, неподвижные соединения «корпус-подшипник», выполненные композицией на основе эла стомера Ф-40С.
Предмет исследования. Деформационно-прочностные свойства пленок, адгезионная прочность, пористость и теплопроводность покрытий композиции на основе эластомера Ф-40С, теплообразование и долговечность неподвижных соединений «корпус-подшипник», выполненных композицией на основе эла стомера Ф-40С.
Методика исследования представлена теоретическими исследованиями на основе теории прочности и долговечности полимерных композиционных ма териалов (ПКМ), экспериментальными исследованиями деформационно прочностных и адгезионных свойств, пористости и теплопроводности покры тий композиции на основе эластомера Ф-40С, теплообразования и долговечно сти неподвижных соединений «корпус-подшипник», выполненных композици ей на основе эластомера Ф-40С. Достоверность полученных результатов иссле дования обусловлена применением современного исследовательского оборудо вания и приборов, методов регрессионного и дисперсионного анализа, резуль татами эксплуатационных испытаний.
На защиту выносятся:
– теоретические предпосылки повышения эффективности восстановления корпусных деталей полимерными композиционными материалами;
– регрессионная модель прочности композиции на основе эластомера Ф-40С, результаты экспериментальных исследований деформационно прочностных свойств пленок, адгезионной прочности, пористости и теплопро водности покрытий композиции на основе эластомера Ф-40С, теплообразова ния и долговечности неподвижных соединений «корпус-подшипник», выпол ненных композицией на основе эластомера Ф-40С;
– технология восстановления посадочных отверстий под подшипники в корпусных деталях композицией на основе эластомера Ф-40С и технико экономическая эффективность ее использования.
Научная новизна. Заключается в теоретическом обосновании снижения податливости опор качения, восстановленных наполненными эластомерами, сформулированных требованиях к наполнителям для эластомеров, предназна ченных для восстановления посадочных отверстий в корпусных деталях, рег рессионной модели прочности композиции на основе эластомера Ф-40С, иссле довании деформационно-прочностных и адгезионных свойств, теплопроводно сти, оценке качества композиции эластомера Ф-40С, исследовании теплового баланса и долговечности подшипниковых узлов в корпусных деталях, восста новленных композицией эластомера Ф-40С.
Практическая ценность заключается в разработанной технологии вос становления посадочных отверстий корпусных деталей сельскохозяйственной техники композицией на основе эластомера Ф-40С.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до ложены и обсуждены на:
– научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Мичуринского государственного аграр ного университета в 2011...2013 гг.;
– XV Международной научно-производственной конференции «Проблемы с.х.
производства на современном этапе и пути их решения», Бел. ГСХА (г. Белго род), 2011 г.;
– XVI Международной научно-производственной конференции "Инновацион ные пути развития АПК на современном этапе", Бел. ГСХА (г. Белгород), 2012г.;
– Международной научно-производственной конференции «Современные про блемы инновационного развития агроинженерии» 20-21 ноября 2012 г., Бел.
ГСХА (г. Белгород), 2012 г.;
– XVII Международной научно-производственной конференции "Научные про блемы технического сервиса сельскохозяйственных машин", ГОСНИТИ (г. Мо сква), 2012 г.;
– Международной научно-практической конференции "Особенности техниче ского оснащения современного с.х. производства" 04 - 05 апреля 2013 г., ОГАУ (г. Орел);
– Областной научно-практической конференции по проблемам технических на ук "МОЛОДЕЖЬ-НАУКА-ПРОИЗВОДСТВО", ЛГТУ (г. Липецк), 2013 г.;
– заседании кафедры «Технология обслуживания и ремонта машин и оборудо вания» ФГБОУ ВПО МичГАУ в 2013 г.
Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано – печатных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пя ти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 8 таблиц, 4 прило жения и библиографию из 121 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность темы и основные положения, кото рые выносятся на защиту.
В первой главе «Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследова ний» приведен анализ податливости опор качения, восстановленных эластоме рами, известных технологий восстановления посадочных отверстий корпусных деталей полимерными материалами, теплового баланса подшипниковых узлов, восстановленных полимерными материалами, сформулированы цель и задачи исследований.
Решению проблем технологии ремонта машин и восстановления из ношенных деталей посвящены труды Ачкасова К. А., Батищева А. Н., Бу гаева В. А., Голубева И. Г., Ерохина М. Н., Жачкина С. Ю., Курчаткина В. В., Казанцева С. П., Ли Р. И., Лялякина В. П., Нагорнова С. А., Пучина Е. А., Черноиванова В. И. и многих других отечественных ученых.
Корпусные детали являются наиболее дорогостоящими деталями и в зна чительной мере формируют затраты на ремонт техники. Они являются базис ными, ресурсными деталями, определяющими долговечность всего агрегата.
Износ посадочных отверстий в корпусных деталях агрегатов трансмиссии мо бильных машин вызывает изменение взаимного расположения валов с подшип никами. При этом нарушается соосность и параллельность валов, взаимное рас положение поверхностей сопрягаемых деталей. Перекосы осей посадочных от верстий корпусных деталей агрегатов трансмиссии приводят к перекосу колец подшипников и увеличению неравномерности нагрузки на зубьях шестерен.
Перекос колец подшипников ведет к увеличению нагрузки на тела и дорожки качения, их интенсивному изнашиванию. Отклонение от параллельности осей приводит к изменению межцентрового расстояния зубчатых колес и, как след ствие, к возрастанию динамических нагрузок на зубьях, что может привести к их выкрашиванию, излому, резкому сокращению ресурса.
Технология восстановления посадочных отверстий корпусных деталей герметиком 6Ф отличается простотой и низкой себестоимостью. После восста новления многократно увеличивается ресурс корпусных деталей и подшипни ков. Эффективность технологии восстановления можно повысить, если увели чить максимально допустимую толщину полимерного покрытия, компенси рующего износ. Предельная толщина покрытия из эластомера в значительной мере ограничивается значением податливости восстановленной опоры при ра диальном нагружении подшипника, влияющей на смещение осей подшипника относительно оси отверстия. Для увеличения максимально допустимой толщи ны полимерного покрытия эластомера и обеспечения при этом необходимой податливости, следует увеличить модуль упругости материала.
Анализ литературных источников показал, что вопрос увеличения модуля упругости и уменьшения податливости эластомеров при восстановлении кор пусных деталей не изучен. Необходимы теоретические и экспериментальные исследования по увеличению модуля упругости и уменьшению податливости эластомеров при восстановлении корпусных деталей Одним из способов увеличения модуля упругости полимерных материа лов является введение в полимерную матрицу дисперсных наполнителей орга нического и неорганического происхождения. Необходимы теоретические ис следования, которые позволят сформулировать требования к наполнителям и целенаправленно выбирать их при разработке новых ПКМ на основе эластоме ров, предназначенных для восстановления посадочных отверстий в корпусных деталях. Представляет практический интерес разработка ПКМ на основе эла стомера Ф-40С.
Теплопроводность полимерных материалов меньше чем теплопровод ность черных металлов примерно в 100 раз. По этой причине теплоотвод в вос становленных подшипниковых узлах в процессе эксплуатации несколько за труднен. Теплоотвод в подшипниковых узлах, восстановленных полимерными материалами зависит от толщины полимерного слоя. Чем больше толщина по лимерного слоя, тем ниже теплоотвод. Поэтому при выборе наполнителей не обходимо выбирать такие, которые повысят теплопроводность ПКМ. Пред ставляет практический интерес исследование теплопроводности ПКМ на осно ве эластомера Ф-40С.
Для проверки корректности, полученных в работе теоретических положе ний, необходимо исследовать ПКМ на основе эластомера Ф-40С и разработать технологию восстановления посадочных отверстий корпусных деталей.
На основании проведенного анализа в диссертационной работе сформу лированы следующие задачи исследований:
– исследовать теоретические аспекты снижения податливости опор каче ния при восстановлении посадочных отверстий наполненными эластомерами;
– разработать теоретические предпосылки повышения эффективности эластомеров для восстановления корпусных деталей при введении наполните лей;
– исследовать деформационно-прочностные свойства пленок полимерной композиции на основе эластомера Ф-40С;
– исследовать адгезию полимерной композиции на основе эластомера Ф-40С;
– исследовать теплопроводность полимерной композиции на основе эла стомера Ф-40С;
– исследовать пористость пленок полимерной композиции на основе эла стомера Ф-40С;
– исследовать долговечность и тепловой баланс неподвижных соедине ний, восстановленных полимерной композицией на основе эластомера Ф-40С;
– разработать технологию восстановления посадочных отверстий корпус ных деталей полимерной композиции на основе эластомера Ф-40С и оценить ее технико-экономическую эффективность.
Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения эффективно сти восстановления корпусных деталей полимерными композиционными мате риалами» рассмотрены теоретические аспекты снижения податливости опор качения при восстановлении посадочных отверстий эластомерами и причины повышения эффективности эластомеров при введении дисперсных металличе ских порошков.
Исследования коэффициента податливости опор, восстановленных полимерными материалами. С увеличением толщины полимерного покрытия возрастает деформация наружного кольца при нагружении и, соответственно, смещение вала относительно отверстия корпусной детали. Особенно эта про блема актуальна для эластомеров, обладающих высокой податливостью. Сле дует отметить, что предельная толщина покрытия из эластомера в значительной мере ограничивается значением податливости восстановленной опоры при ра диальном нагружении подшипника. Рассмотрим связь податливости полимер ного материала с его деформационно-прочностными характеристиками.
Центральное тело качения в подшипнике является наиболее нагружен ным. Поэтому деформация наружного кольца подшипника напротив централь ного тела качения при радиальном нагружении подшипника будет максималь ной. Деформацию можно рассчитать по формуле Курчаткина В. В.
3( P + 2 Pe l1 ( sin l1 + cos l1 ) + 2 P2e2 l1 ( sin 2 l1 + cos 2 l1 ) ), (1) u0 = 8 EJ где E – модуль упругости материала подшипника;
J – момент инерции попереч ного сечения наружного кольца подшипника;
l 1 – расстояние между точками приложения нагрузок на центральное, первые и вторые боковые тела качения;
P0, P1, P2 – нагрузка на центральное, первое и второе тела качения, соответст венно;
– коэффициент, k, (2) = 4EJ где k – погонный коэффициент постели, k = kпb, (3) где k п – коэффициент податливости упругого основания, Н/м ;
b – ширина бал ки, м.
Коэффициент податливости k п в соответствии с формулой Винклера Р, (4) kп = S где Р – давление на поверхности упругого основания;
S – прогиб основания.
Прогиб полимерного покрытия под давлением Р можно определить по известной формуле P(1 + µ п )(1 2µ п )h п, (5) S= (1 µ п ) E п где µ п и Еп – осредненные коэффициент Пуассона и модуль упругости мате риала полимерного покрытия в пределах сжимаемой толщины h n, соответст венно.
Подставим (5) в (4) получим (1 µ n ) E n (6) kп = (1 + µ n )(1 - 2 µ n )h n Коэффициент податливости kn имеет прямую пропорциональную зависи мость от модуля упругости полимера. Чем больше модуль упругости Еп, тем больше значение коэффициента податливости kn и меньше прогиб полимерного покрытия S. Поэтому, чтобы увеличить допускаемую толщину полимерного покрытия эластомера и обеспечить при этом прогиб полимерного покрытия в допускаемых пределах, необходимо увеличить модуль упругости эластомера.
Формула (6) не учитывает жесткость наружного кольца подшипника, ко торая зависит от его типоразмера.
В нашей работе предложена экспериментально-расчетная методика опре деления коэффициента постели и деформации наружного кольца подшипника при радиальном нагружении с учетом типоразмера подшипника.
Первоначально определяют цилиндрическую жесткость наружного коль ца подшипника по известной формуле Eh, (7) D= 12(1 µ 2 ) где h – высота поперечного сечения балки эквивалентного поперечному сече нию наружного кольца подшипника;
– коэффициент Пуассона стали.
Затем рассчитывают величину а по известной формуле En, (8) а= 2D(1 - µ n2 ) Далее экспериментально определяют радиус отпечатка R при контакте нагруженного шарика с беговой дорожкой наружного кольца подшипника по методике проф. Ли Р. И.
Из таблицы 1, по произведению аR определяют значение коэффициента Таблица 1 – Значения коэффициента от величины аR [Горб А. М.] Величина Значение аR 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,6 2, 0,091 0,147 0,220 0,275 0,313 0,352 0,367 0,364 0,353 0,309 0, Затем рассчитывают значения 0 и kп по известным формулам Eh E (1 µ п ) h а 0 = 1,91 n, (9) kп = R 4 10 a Е п (1 µ 2 ) R В заключении по формуле (1) рассчитывают деформацию наружного кольца при радиальной нагружении.
Модуль упругости наполненных эластомеров. Так как модуль упруго сти металлической частицы наполнителя многократно выше модуля упругости полимерной матрицы, частица не деформируется вместе со слоями окружаю щей жидкости (полимера) и препятствует ее течению, повышая ее вязкость.
Повышению сопротивления течению и вязкости способствуют адсорбирован ные на наполнителе макромолекулы и коагуляционная сетка наполнителя. Вяз кость суспензии повышают столкновения частиц при течении и затраты энер гии на их взаимное трение.
Вязкость суспензии (полимерной композиции) можно определить по уравнению Эйнштейна = 1 (1 + k E 2 ), (10) где и 1 – вязкости суспензии и жидкой фазы;
kЕ – коэффициент Эйнштейна, 2 – объемная доля твердых частиц.
Уравнение Эйнштейна удовлетворительно оценивает вязкость суспензии с очень низкой концентрацией твердых частиц.
Уравнение Муни достаточно хорошо описывает вязкость различных сус пензий в широком диапазоне концентраций наполнителя k )= E 2, (11) ln( 1 max где 2 – объемная доля жидкой фазы;
max – максимальный коэффициент упа ковки твердых частиц.
Тело при течении испытывает сдвиговую деформацию, вязкотекучее и высокоэластическое состояния полимера очень сходны, поэтому для эластоме ров справедливо следующее равенство G, (12) = 1 G где G и G1 – модули сдвига полимерной композиции и полимерной матрицы соответственно.
Подставив (12) в (11), после преобразования получим формулу для опре деления модуля жесткости (сдвига) наполненных эластомеров k E (1 ) max (13) G = G1e Примем ПКМ на основе эластомера изотропным. Так как толщина поли мерного слоя не превышает 0,15 мм, справедливо допущение, что изменение деформации при нагружении носит линейный характер. При таких допущениях выполняется соотношение между модулями сдвига G и упругости Е Е (14) G= 2 + 2µ Подставим выражение (14) в (13) и получим k E (1 ) Е пк Е пм e max, (15) = 2 + 2 µ пк 2 + 2 µ пм где Епк и Епм – модули упругости ПКМ и полимерной матрицы;
пм – коэффици ент Пуассона полимерной матрицы.
В первом приближении, с достаточной достоверностью, можно считать, что коэффициенты Пуассона эластомера и композиции на его основе равны.
Тогда формула примет вид k E (1 ) max (16) Е пк Е пм e Формула (16) учитывает деформационно-прочностные свойства поли мерной матрицы (модуль упругости эластомера), форму и удельную поверх ность частиц наполнителя, а также их концентрацию в композиции.
Повышение прочности и долговечности эластомеров при наполнении высокодисперсными твердыми частицами.
Прочность упругоизотропного твердого тела можно рассчитать по формуле Гриффита, преобразованной Орованом и Ирвином (17) F = Y 2 E F / c где F – разрушающее напряжение;
Y – геометрическая константа, зависящая от формы и размеров образца;
F – удельная поверхностная энергия разруше ния;
с – длина трещины.
Из формулы (17) следует, что прочность полимерного материала зависит от размера трещины с, модуля упругости Е и удельной поверхностной энергии разрушения F.
Механизм упрочнения эластомеров имеет особенности и описывается двумя гипотезами: релаксационной Александрова и Лазуркина и ориентацион ной Догадкина. Высокодисперсные частицы создают в объеме эластомера це почечные структуры. Наполненная система состоит из первичной структуры, которую образуют частицы наполнителя, и вторичной, создаваемой макромо лекулами полимера, ориентированными на поверхности этих частиц и обра зующими поверхностный слой с измененными свойствами. Образованные при смешении хаотические связи каучук-наполнитель под напряжением деформи руются и разрываются. Затем они восстанавливаются в новых положениях, за крепляя на поверхности наполнителя макромолекулы каучука, которые частич но ориентированны в направлении действия напряжений. По этой причине происходит выравнивание местных перенапряжений и увеличение прочности материала.
Если адгезионная связь каучук-наполнитель не превышает поверхност ную энергию матрицы, в композиции при деформации одновременно образу ются многочисленные очаги разрушения, что сопровождается повышенным рассеянием энергии. Разрушение происходит скачкообразно от одной поверх ности раздела каучук-наполнитель к другой по зигзагообразной линии, что уве личивает путь и работу разрушения F и соответственно прочность. По Кур чаткину В. В. увеличение удельной работы разрушения повышает стойкость материала к циклическим нагрузкам, т.е. повышает его долговечность.
Поэтому в эластомерах, наполненных высокодисперсными частицами, при деформации происходит выравнивание напряжений и удлинение пути раз рушения, соответственно увеличение работы разрушения, прочности и долго вечности.
Прочность увеличивается также из-за повышенного механического гис терезиса наполненных эластомеров, вследствие выделяющейся энергией при разрыве физических связей между наполнителем и каучуком, снижения под вижности макромолекул у поверхности наполнителя, разрушения его агломера тов частиц и цепочечных структур. Из-за повышенного механического гистере зиса степень релаксации напряжения наполненных эластомеров в области больших деформаций перед вершиной разрастающейся трещины всегда боль ше, чем в не наполненных.
Наличие на поверхности наполнителя слоя полимера с пониженной под вижностью повышает модуль упругости. Чем больше удельная поверхность частиц наполнителя, тем выше доля полимера с пониженной подвижностью.
Поэтому для упрочнения эластомеров следует использовать высокодисперсные наполнители.
Обоснование выбора наполнителей для эластомеров, предназначен ных для восстановления корпусных деталей. При разработке технологии восстановления посадочных отверстий в корпусных деталях определяют допус тимую толщину полимерного покрытия, обеспечивающую высокую долговеч ность восстановленного соединения. Чем она больше, тем эффективней мате риал, т.к. он позволяет восстанавливать корпусные детали с большим износом.
Однако с увеличением толщины полимерного покрытия возникают проблемы.
С увеличением толщины полимерного покрытия возрастает деформация наружного кольца при нагружении и, соответственно, смещение вала относи тельно отверстия корпусной детали. Полимеры являются теплоизоляторами.
Коэффициент теплопроводности чугуна составляет 56, а натурального каучука 0,042 Вт/м*К. С увеличением толщины полимерного покрытия теплоотвод в подшипнике уменьшается, ухудшаются условия работы, повышается коэффи циент трения и износ деталей. Покрытие из растворов эластомеров наносится послойно. Каждый слой покрытия перед нанесением последующего просуши вается. Однако при последующей термической обработке покрытия, в послед нем возникает пористость из-за испарения паров остатков растворителя. Чем больше толщина покрытия, тем больше пористость и дефектность покрытия.
Исходя из вышеизложенного, сформулированы требования к наполните лям растворов эластомеров, которые должны обеспечить следующие условия:
- увеличение прочности и долговечности ПКМ по сравнению с не наполненным эластомером, что позволит восстанавливать детали с большим износом;
- увеличение модуля упругости ПКМ, что обеспечит допускаемую податли вость опор качения при увеличенной толщине полимерного покрытия;
- увеличение теплопроводности ПКМ, что позволит обеспечить теплоотвод, создающий нормальные условия эксплуатации подшипникового узла;
- ускорение отверждения наносимых слоев, уменьшение температуры и време ни термической обработки, снижение пористости покрытия, по сравнению с не наполненным эластомером.
Алюминиевый сплав имеет высокую вязкость разрушения 1,4·105 Дж/м2.
Поэтому наполнение эластомера высокодисперсным порошком алюминия, по зволит повысить удельную поверхностную энергию разрушения F, прочность и долговечность ПКМ при циклическом нагружении. Наполнение эластомера высокодисперсным порошком алюминия позволит повысить модуль упругости ПКМ и уменьшить податливость восстановленных опор качения. Ввод метал лических частиц в полимерную матрицу многократно увеличивает теплопро водность композиции. Теплопроводность каучука 0,042, а алюминия 230 Вт/м*К., поэтому ввод частиц наполнителя повысит теплопроводность композиции. В малых концентрациях частицы наполнителя являются искусст венным зародышем структурообразования. Поэтому для снижения температуры и сокращения времени термической обработки, уменьшения пористости покры тий ПКМ рекомендуется вводить в растворы эластомеров высокодисперсные порошки меди или ее сплавов.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» приведе ны общая методика исследований и частные методики исследования деформа ционно-прочностных свойств пленок, адгезии, теплопроводности и пористости покрытий ПКМ на основе эластомера Ф-40С, теплообразования и долговечно сти неподвижных соединений «корпус-подшипник», выполненных ПКМ на ос нове эластомера Ф-40С.
Деформационно-прочностные свойства пленок ПКМ на основе эластоме ра Ф-40С исследовали в соответствии с ГОСТ 14236-81 и ГОСТ 12423-66. Ис пытания образцов осуществляли на разрывной машине ИР 5047-50 с одновре менной записью диаграммы "нагрузка-деформация".
Для получения оптимального состава ПКМ на основе эластомера Ф-40С проведен активный эксперимент по композиционному плану В2. В качестве функции отклика Y приняли разрушающее напряжение, МПа пленок ПКМ на основе эластомера Ф-40С, а независимыми факторами: Х1 и Х2 – концентрацию наполнителей: алюминиевой пудры ПАП-1 (ГОСТ 5494-95) и бронзового по рошка БПП-1 (ТУ 48-21-150-72). Исследование модуля упругости пленок про водили в соответствии с ГОСТ 9550-81.
При исследованиях коэффициента Кирхгофа и коэффициента податливо сти использовали шарик диаметром D = 12,7 мм и пластину из стали ШХ- размерами 100254,92 мм с подложкой из композиции эластомера Ф-40С.
Размеры пластины обеспечивают жесткость соответствующую моменту инер ции поперечного сечения наружного кольца подшипника 209. Пластину уста навливали полимерным покрытием вниз на поверочную плиту 2-1- ГОСТ 10905-75, установленную на опорную раму стенда. Для получения пятна контакта, между шариком и пластиной, проложили полоску копировальной бу маги марки МВ-16 ГОСТ 489-88. Нагрузку на шарик создавали нагрузочной вилкой стенда. Одновременно с нагружением шарика, измеряли деформацию пластины измерительной головкой 1МИГ с ценой деления 0,001 мм, установ ленной на штативе.
Адгезионные свойства композиции оценивали прочностью связи с метал лом при отслаивании образцов (ГОСТ 21981-76). Образцами служили пластины 100 25 3 мм из стали 45, с шероховатостью поверхности Ra 0,63, на которые кистью №5 наносили послойно композицию. Затем накладывали железную сет ку №07 (ГОСТ 3826-82). На сетку послойно наносили композицию на основе эластомера Ф-40С.
Теплопроводность исследовали по методике Бочарова А. В. Установка представляла собой электронагреватель, передающий тепло соединению «вал кольцо подшипника». Электронагреватель передавал тепло валу, через который осуществлялся постоянный тепловой поток полимерному покрытию и далее кольцу подшипника. Для определения перепада температуры измеряли темпе ратуру вала и кольца подшипника инфракрасным пирометром Fluke-62.
Дефектность покрытий оценивали по ГОСТ 9.407-84. Образцами явля лись пленки эластомера Ф-40С и композиции на его основе. Дефектность об разцов оценивали по площади разрушенного покрытия, по размерам (диаметр пузырьков) и количеству пузырьков на единицу площади, используя микроско пом МПБ-2.
Исследование теплообразования и долговечности неподвижных соедине ний «корпус-подшипник», выполненных ПКМ на основе эластомера Ф-40С проводили на вибростенде. Значения циклической радиальной нагрузки состав ляли Р = 9,9;
15,8 и 20,0 кН. Для определения перепада температуры измеряли температуру наружного кольца подшипника и втулки корпуса инфракрасным пирометром Fluke-62. При исследовании долговечности неподвижных соедине ний нагрузка на подшипники 209 составляла 20 кН. За критерий долговечности соединений приняли наработку до начала сдвига наружного кольца подшипни ка в посадочном отверстии.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены результаты исследования деформационно-прочностных пленок, адгезионной прочности, пористости и теплопроводности покрытий ПКМ на основе эластомера Ф-40С, теплообразования и долговечности непод вижных соединений «корпус-подшипник», выполненных композицией.
Исследование деформационно-прочностных свойств пленок ПКМ на основе эластомера Ф-40С. Исследованиями установлено, что пленки компози ции имеют прочность на 9 % выше, а деформацию на 8 % ниже в сравнении с не наполненным Ф-40С. Температура термической обработки композиции сни зилась на 200С, а время на 0,5 ч в сравнении с не наполненным Ф-40С.
Исследование и оптимизация состава полимерной композиции на ос нове эластомера Ф-40С. В результате реализации активного эксперимента по лучена регрессионная модель, представленная на рисунке 1.
Уравнение регрессии в натуральных единицах имеет вид Y = 5,68495 + 0,6778X 1 + 1,961X 2 + 0,012 X 1 X 2 0,02155 X 12 0,605 X 2 (18) На основе анализа двумерного сечения определена область оптимума критерия оптимизации и выбран оптимальный состав композиции на основе эластомера Ф-40С: эластомер Ф-40С – 100 масс.ч.;
алюминиевая пудра ПАП- – 16 масс.ч.;
бронзовый порошок БПП-1 – 1,8 масс.ч. Пленки композиции при оптимальном составе, имеют максимальную прочность 12,93 МПа.
Исследование модуля упругости полимерной композиции на основе эластомера Ф-40С. Эксперимент показал, что модуль упругости ПКМ на осно ве эластомера Ф-40С составляет 1111,1 МПа, что на 25 % больше модуля упру гости эластомера Ф-40 и на 11 % больше модуля упругости эластомера Ф-40С (рисунок 2).
Исследование коэффициента Кирхгофа и коэффициента податливо сти соединений из композиции эластомера Ф-40С. Исследованиями установ лено, что в подшипниковом соединении с покрытием из ПКМ на основе эла стомера Ф-40С коэффициент Кирхгофа увеличивается по сравнению со стан дартным подшипником (парой «сталь-сталь») от 3,64 до 9,58 раз в зависимости от толщины полимерного слоя. По этой причине пятно контакта соприкасаю щихся тел увеличивается от 1,11 до 1,86 раза по сравнению с парой «сталь сталь». С увеличением толщины полимерного покрытия коэффициент податли вости упругого основания уменьшается по линейной зависимости от 65,72 до 45,39 Н/мм2. Введение дисперсных металлических порошков повысило коэф фициент податливости упругого основания в композиции по сравнению с не наполненным эластомером Ф-40С от 1,29 до 1,37 раза.
Рисунок 1 – Зависимость прочности пленок ПКМ на основе эластомера Ф-40С от концентрации алюминиевого пудры ПАП-1 и бронзового порошка БПП- Рисунок 2 – Модуль упругости Ер эластомеров Исследование адгезии полимерной композиции на основе эластомера Ф-40С. Эксперимент показал, что прочность связи с металлом при отслаивании ПКМ на основе эластомера Ф-40С составляет 11292 Н/м. Это на 10% превыша ет аналогичный показатель эластомера Ф-40С и в 3,42 раза превышает проч ность эластомера Ф-40.
Исследование теплопроводности полимерной композиции на основе эластомера Ф-40С. Исследования показали, что после ввода дисперсных ме таллических наполнителей коэффициент теплопроводности ПКМ на основе эластомера Ф-40С составил 19,97 Вт/м*К, что в 73,96 раза больше коэффициен та теплопроводности не наполненного эластомера Ф-40С (п = 0,27 Вт/м*К).
Исследование пористости пленок полимерной композиции на основе эластомера Ф-40С. Исследованиями установлено, что площадь разрушенного покрытия эластомера Ф-40С составляет 10,5 %, в композиции на основе эла стомера аналогичный показатель снизился до 4,66 %. Площадь разрушенного покрытия уменьшилась при введении дисперсных металлических наполнителей в 2,25 раза. Измерение размера пор показало, что средний диаметр пор в по крытиях эластомера Ф-40С составляет 0,4...0,5 мм, в покрытиях композиции Ф-40С – 0,2...0,3 мм. Размер пор уменьшился до 2,5 раз. Концентрация пор сни зилась на 24 %.
Исследование долговечности и теплового баланса неподвижных со единений, восстановленных полимерной композицией на основе эластоме ра Ф-40С. Исследования показали, что введение дисперсных металлических наполнителей увеличивает выносливость и соответственно долговечность вос становленных неподвижных соединений при циклических нагрузках. Макси мальная допустимая толщина клеевого шва эластомера Ф-40С h = 0,1 мм, а композиции на его основе h = 0,125мм (рисунок 3). Композицией на основе эла стомера Ф-40С следует восстанавливать изношенные посадочные отверстия под подшипники с диаметральным износом до 0,25 мм.
Рисунок 3 – Зависимость долговечности t неподвижных соединений подшипников 209 от толщины полимерного покрытия композиции на основе эластомера Ф-40С при радиальной нагрузке 20 кН С увеличением радиальной циклической нагрузки температура наружно го кольца подшипникового узла, восстановленного эластомером Ф-40С, повы шается и составляет 39, 43 и 48 оС при нагрузках 9,9;
15,8 и 20,0 кН соответст венно. Температура втулки подшипникового узла также с увеличением нагруз ки повышается и составляет 47, 56 и 71 оС при нагрузках 9,9;
15,8 и 20,0 кН со ответственно.
Температура наружного кольца подшипникового узла восстановленного композицией на основе эластомера Ф-40С составляет 36, 39 и 42 оС при нагруз ках 9,9;
15,8 и 20,0 кН соответственно, что на 8,3;
10,2 и 14,3% меньше чем у не наполненного эластомера. Температура втулки подшипникового узла составля ет 45, 50 и 56 оС при нагрузках 9,9;
15,8 и 20,0 кН соответственно, что на 4,4;
и 26,8% меньше чем у не наполненного эластомера. При наполнении эластоме ра Ф-40С дисперсными металлическими порошками значительно снижается те плообразование в подшипниковом узле. Температура деталей подшипникового узла, восстановленного композицией на основе эластомера Ф-40С ниже до 15оС по сравнению с ненаполненным материалом.
В пятой главе «Реализация результатов исследований и их технико экономическая оценка» приведены разработанная технология восстановления и ее экономическая эффективность.
По результатам проведенных исследований разработана технология вос становления посадочных отверстий под подшипники в корпусных деталях ком позицией на основе эластомера Ф-40С, которая содержит следующие операции:
очистка посадочных отверстий;
измерение посадочных отверстий для опреде ления износа;
обезжиривание посадочных отверстий;
приготовление компози ции;
нанесение композиции на посадочные места подшипников в отверстиях корпусной детали;
термическая обработка нанесенных полимерных покрытий;
контроль качества полимерных покрытий в корпусной детали.
Разработанная технология восстановления корпусных деталей компози цией на основе эластомера Ф-40С внедрена в ОАО «Подъем» Мичуринского района Тамбовской области. Для оценки надежности восстановленных непод вижных соединений подшипников с февраля 2011 г. по ноябрь 2012 г. в хозяй стве проводили эксплуатационные испытания сельскохозяйственной техники.
За период испытаний отказов машин по причине недостаточной долговечности восстановленных неподвижных соединений подшипников не наблюдалось. Го довой экономический эффект от внедрения технологии восстановления в ОАО «Подъем» Мичуринского района Тамбовской области составил около 420 тыс.
руб.
Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО МичГАУ при изучении дисциплин «Технология ремонта машин» и «Монтаж, эксплуатация и ремонт технологического оборудования».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1) Чтобы увеличить предельно допускаемую толщину полимерного покрытия эластомера при восстановлении и обеспечить при этом смещение оси вала от носительно оси посадочного отверстия корпусной детали в допускаемых пре делах, следует увеличить модуль упругости эластомера за счет введения высо кодисперсных металлических наполнителей.
2) Предложена экспериментально-расчетная методика определения коэффициен та постели и деформации наружного кольца подшипника при радиальном на гружении. Получена формула (16) для расчета модуля упругости наполненного эластомера.
3) Для увеличения прочности, долговечности и теплопроводности ПКМ на основе эластомеров необходимо использовать высокодисперсный алюминиевый по рошок. Для снижения температуры и сокращения времени термической обра ботки, уменьшения пористости покрытий ПКМ рекомендуется вводить в рас творы эластомеров высокодисперсные порошки меди или ее сплавов.
4) Введение дисперсных порошков алюминия и бронзы в эластомер увеличивает прочность на 9 %, а деформацию уменьшает на 8 % в сравнении с не наполнен ным Ф-40С. Температура термической обработки композиции уменьшилась на 200С, а время на 0,5 ч. Оптимальный режим термической обработки компози ции эластомера Ф-40С составляет 140оС в течение 2,5 ч.
5) Получена регрессионная модель прочности композиции эластомера Ф-40С и определен оптимальный состав композиции: эластомер Ф-40С – 100 масс.ч., алюминиевый порошок ПАП-1 – 16 масс-ч. и бронзовый порошок БПП-1 – 1, масс-ч.
6) При введении дисперсных металлических наполнителей модуль упругости композиции увеличивается на 11%, а адгезионные свойства на 10%, по сравне нию с не наполненным материалом.
7) В соединении с покрытием из композиции эластомера Ф-40С зависимости от толщины полимерного слоя коэффициент Кирхгофа увеличивается от 3,64 до 9,58 раз, а пятно контакта соприкасающихся тел увеличивается от 1,11 до 1, раза по сравнению с соединением «сталь-сталь».
8) Введение дисперсных металлических порошков:
- снижает податливость опор, восстановленных композицией по сравнению с не наполненным эластомером Ф-40С от 1,29 до 1,37 раз;
- увеличивает коэффициент теплопроводности композиции на основе эласто Вт мера Ф-40С до к = 19,97, что в 73,96 раза превышает коэффициент тепло м К проводности не наполненного эластомера Ф-40С;
- повышает качество полимерных покрытий: размер пор уменьшается до 2, раз, концентрация пор снижается на 24 %, площадь разрушенного покрытия уменьшается до 2,25 раза;
- снижает теплообразование в подшипниковом узле. Температура деталей подшипникового узла, восстановленного композицией на основе эластомера Ф-40С ниже до 15оС по сравнению с ненаполненным материалом.
9) На основе результатов исследований разработана технология восстановления посадочных отверстий под подшипники в корпусных деталях композицией на основе эластомера Ф-40С. Рекомендуется восстанавливать изношенные поса дочные отверстия с диаметральным износом до 0,25 мм. Технология восста новления внедрена в ОАО «Подъем» Мичуринского района Тамбовской облас ти. Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии составил около 420 тыс. руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Машин, Д. В. Повышение эффективности восстановления посадочных отвер стий корпусных деталей сельскохозяйственной техники при модификации эла стомеров [Текст] / Ли Р. И., Машин Д. В., Кирсанов Ф. А., Колесников А. А., // – Труды ГОСНИТИ. М.: Изд-во ГОСНИТИ, т. 111, ч. 2, 2013. – С. 134-136.
2. Машин, Д. В. Теоретические аспекты повышения эффективности восстановле ния корпусных деталей сельскохозяйственной техники композициями на осно ве эластомеров [Текст] / Ли Р. И., Машин Д. В., // Вестник МичГАУ. – 2013. – № 1. – С. 53-55.
3. Машин, Д. В. Полимерная композиция на основе эластомера Ф-40 для восста новления корпусных деталей автотракторной техники [Текст] / Р. И. Ли, Д. В.
Машин, // Вестник МичГАУ. – 2013. – № 3. – С. 66-69.
В сборниках научных трудов и материалах конференции:
4. Машин, Д. В. Перспективные способы нанесения полимерных покрытий на по садочные места подшипников в деталях типа «вал» [Текст] / Ли Р. И., Псарев Д. Н., Машин Д. В., // XV Международная научно-производственная конфе ренция: Проблемы с.х. производства на современном этапе и пути их решения.
– Белгород.: Изд-во Бел. ГСХА, 2011. С. 209.
5. Машин, Д. В. Перспективные полимеры и композиционные материалы на их основе для ремонта подшипниковых узлов техники [Текст] / Ли Р. И., Кузнецов М.М., Д. В. Машин, Ф. А. Кирсанов // Материалы международной научно производственной конференции «Современные проблемы инновационного раз вития агроинженерии» 20-21 ноября 2012 г. в 2 частях. – Белгород.: Изд-во Бел.
ГСХА, 2012. – Часть 2. - С. 77-81.
6. Машин, Д. В. Исследование деформационно-прочностных свойств компози ции на основе эластомера Ф-40 [Текст] / Ли Р. И., Машин Д. В., Колесников А. А., Сафонов В. Н., // Материалы международной научно-производственной конференции «Современные проблемы инновационного развития агроинжене рии» 20-21 ноября 2012 г. в 2 частях. – Белгород.: Изд-во Бел. ГСХА, 2012. – Часть 2. - С. 86-88.
7. Машин, Д. В. Теоретические аспекты повышения эффективности восстанов ления корпусных деталей сельскохозяйственной техники при модификации эластомеров [Текст] / Ли Р. И., Машин Д. В., // Материалы международной на учно-производственной конференции «Современные проблемы инновационного развития агроинженерии» 20-21 ноября 2012 г. в 2 частях. – Белгород.: Изд-во Бел. ГСХА, 2012. – Часть 2. - С. 89-92.
8. Машин, Д. В. Податливость опор качения восстановленных полимерными ма териалами [Текст] / Ли Р. И., Машин Д. В., Мироненко А. В. // Материалы ме ждународной научно-производственной конференции «Современные проблемы инновационного развития агроинженерии» 20-21 ноября 2012 г. в 2 частях. – Белгород.: Изд-во Бел. ГСХА, 2012. – Часть 2. - С. 93-95.
9. Машин, Д. В. Теоретические аспекты снижения податливости опор качения при восстановлении посадочных отверстий эластомерами [Текст] / Машин Д. В., Ли Р. И. // Особенности технического оснащения современного с.х. про изводства: [сборник]. Материалы к международной научно-практической кон ференции 04 - 05 апреля 2013 г. – Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2013 г. С. 314-318.
10. Машин, Д. В. Новый полимерный композиционный материал для восстанов ления корпусных деталей автотракторной техники [Текст] / Машин Д. В., Ли Р. И. // Особенности технического оснащения современного с.х. производства:
[сборник]. Материалы к международной научно-практической конференции - 05 апреля 2013 г. – Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2013 г. С. 319-322.
11. Машин, Д. В. Новый полимерный композиционный материал на основе эла стомера Ф-40С [Текст] / Ли Р. И., Машин Д. В. // – МОЛОДЕЖЬ-НАУКА ПРОИЗВОДСТВО: Сборник трудов областной научно-практической конфе ренции по проблемам технических наук. – 24-25 апреля 2013 г., г. Липецк. Изд во ЛГТУ, 2013. – С. 97-99.
Отпечатано в издательско-полиграфическом центре МичГАУ Подписано в печать 27.08.13г. Формат 60х84 1/ 16, Бумага офсетная № 1. Усл.печ.л. 1,1 Тираж 100 экз. Ризограф Заказ № _ Издательско-полиграфический центр Мичуринского государственного аграрного университета 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, тел. +7 (47545) 5-55-