Повышение эффективности восстановления неподвижных соединений вал-подшипник в узлах сельскохозяйственной техники цианакрилатным клеем тк-200
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВ Михаил Михайлович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ «ВАЛ-ПОДШИПНИК»
В УЗЛАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
ЦИАНАКРИЛАТНЫМ КЛЕЕМ ТК-200
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 «Липецкий го сударственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ЛГТУ)
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 автоматизи рованного оборудования машиностроительно го производства, профессор Нагорнов Станислав Александрович доктор технических наук, профессор, ГНУ «Всероссийский научно исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской акаде мии сельскохозяйственных наук», заместитель директора по научной работе
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»
Защита диссертации состоится « 17 » октября 2013 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при ФГБОУ ВПО «Ми чуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Там бовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, зал заседаний дис сертационных 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. Подшипники качения и детали типа «вал» являются типовыми деталями и поэтому относятся к категории многочисленных элемен тов в конструкции сельскохозяйственной техники. По этой причине ресурс де талей данной категории в значительной мере определяет надежность техники.
Одной из основных причин интенсивного изнашивания вышеупомянутых дета лей является износ неподвижных соединений «вал-подшипник» по причине фреттинг-коррозии.
Способы восстановления неподвижных соединений подшипников каче ния полимерными материалами отличаются простотой и низкой себестоимо стью, исключают явление фреттинг-коррозии и позволяют повысить долговеч ность валов, подшипников и зубчатых колес.
Отечественная химическая промышленность постоянно выпускает новые полимерные материалы, которые отличаются широким спектром потребитель ских свойств. Это создает основу для разработки высокоэффективных техноло гий восстановления, обеспечивающих дальнейшее повышение долговечности валов и подшипников в узлах сельскохозяйственной техники.
Степень разработанности темы. Вопросам восстановления неподвиж ных соединений «вал-подшипник» в узлах сельскохозяйственной техники по лимерными материалами посвящены труды Аязбаева М. Д., Баскакова В. Н., Бутина А. В., Бочарова А. В., Гаджиева А. А., Дейнеги П. Б., Карапатницкого А. М., Курчаткина В. В., Ли Р. И., Мельниченко И. М., Тоирова И. Ж., Щети нина М. В. и многих других отечественных ученых. Неподвижные соедине ния «вал-подшипник» восстанавливают эпоксидными составами, эластоме рами, анаэробными герметиками, акриловыми адгезивами и композициями на их основе.
Литературный обзор показал, что вопрос повышения долговечности подшипников в соединениях «вал-подшипник», восстановленных полимерны ми материалами, изучен не в полной мере. Отсутствуют исследования распре деления нагрузки между телами качения, формирования параметров контакта нагруженных тел с дорожками качения, долговечности подшипников с восста новленными неподвижными соединениями «вал-подшипник». Не изучен во прос напряженного состояния клеевого шва в соединении «вал-подшипник»
при радиальном нагружении, что не позволяет рассчитывать деформации и на пряжения в полимерном слое.
Работа выполнена на кафедре "Транспортные средства и техносферная безопасность" Липецкого государственного технического университета в соот ветствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ ЛГТУ на 2011…2015 годы по теме «Высокоэффективные технологии и оборудование в области машиностроения».
Цель работы. Повышение эффективности восстановления неподвижных соединений «вал-подшипник» в узлах сельскохозяйственной техники клеями за счет снижения контактных напряжений в подшипнике и высокого ресурса клеевого шва, обеспечивающих повышение долговечности подшипниковых уз лов и снижение затрат на ремонт.
Объект исследований. Пленки и клеевые соединения "вал-подшипник", выполненные цианакрилатным адгезивом ТК-200.
Предмет исследования. Деформационно-прочностные свойства пленок цианакрилатного клея ТК-200, прочность и долговечность клеевых соединений "вал-подшипник", выполненных цианакрилатным адгезивом ТК-200, контакт ные напряжения и ресурс подшипников с соединениями ТК-200.
Методика исследования представлена теоретическими исследованиями на основе теории упругости, экспериментальными исследованиями процесса полимеризации, деформационно-прочностных свойств пленок и клеевых со единений цианакрилатного адгезива ТК-200, контактных напряжений нагру женных тел с дорожкой качения внутреннего кольца подшипника, долговечно сти подшипников качения при местном и циркуляционном нагружении колец подшипников и неподвижных соединений подшипников качения восстанов ленных цианакрилатным клеем ТК-200. Достоверность полученных результа тов исследования обусловлена применением современного исследовательского оборудования и приборов, методов дисперсионного анализа, результатами экс плуатационных испытаний.
На защиту выносятся:
– теоретические предпосылки повышения эффективности восстановления со единений «вал-подшипник» клеями;
– результаты экспериментальных исследований процесса полимеризации, де формационно-прочностных свойств пленок и клеевых соединений цианакри латного адгезива ТК-200, контактных напряжений нагруженных тел с дорожкой качения внутреннего кольца подшипника, долговечности подшипников каче ния при местном и циркуляционном нагружении колец подшипников и непод вижных соединений подшипников качения восстановленных цианакрилатным клеем ТК-200;
– технология восстановления неподвижных соединений «вал-подшипник»
цианакрилатным клеем ТК-200 и технико-экономическая эффективность ее использования.
Научная новизна диссертации заключается в получении математиче ской модели деформированного кольца подшипника при радиальном нагруже нии, модели напряженного состояния клеевого шва в соединении «вал подшипник», исследовании полимеризации и деформационно-прочностных свойств пленок и клеевых соединений адгезива ТК-200, параметров контакта нагруженных тел с дорожкой качения подшипника, долговечности подшипни ковых узлов, восстановленных адгезивом ТК-200.
Практическая ценность заключается в разработанной технологии вос становления неподвижных соединений «вал-подшипник» в узлах сельскохозяй ственной техники цианакрилатным клеем ТК-200.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до ложены и обсуждены на:
– научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Липецкого государственного техниче ского университета в 2011...2013 гг.;
– Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры технологии машиностроения ЛГТУ «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии»
(г. Липецк), 2012 г.;
– Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых "Осо бенности технического оснащения современного сельскохозяйственного произ водства" 24-25 апреля 2012 г., ОГАУ (г. Орел), 2012 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 "Транспортные средства и техносферная безопасность" ЛГТУ 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 133 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 3 таблицы, 4 приложения и библиографию из 114 наименований.
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 современных технологий восстановления неподвижных соединений «вал-подшипник» полимерными материалами, рассмотрены спосо бы повышения долговечности подшипников качения, модели напряженного со стояния неподвижных соединений, восстановленных полимерными материала ми в подшипниковых узлах, сформулированы цель и задачи исследований.
Решению научных задач и проблем технологии ремонта и восстанов ления изношенных деталей посвящены труды Ачкасова К. А., Батищева А. Н., Бугаева В. А., Голубева И. Г., Ерохина М. Н., Жачкина С. Ю., Кур чаткина 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.
Надежность сельскохозяйственной техники в значительной мере опреде ляется долговечностью типовых деталей: детали типа «вал», подшипники каче ния, зубчатые колеса, шкивы, корпусные детали. Одной из основных причин интенсивного изнашивания валов и подшипников является износ посадочных мест из-за фреттинг-коррозии. Среднее значение износа посадочных мест под шипников на валах не превышает 0,1 мм. Наиболее рациональными для таких дефектов являются способы восстановления полимерными материалами.
В настоящее время изношенные посадочные места на валах восстанавли вают нанесением полимерных покрытий или фиксацией этих поверхностей с сопрягаемыми деталями при помощи адгезивов. Анализ литературных источ ников показал, что восстановление посадочных мест подшипников на деталях типа «вал» нанесением полимерных покрытий не технологично, так как необ ходимо послойное нанесение покрытия и его термическая обработка.
Значительно меньшие трудозатраты требует фиксация подшипников на изношенных посадочных местах деталей типа «вал» клеями. Для фиксации де талей на валах в настоящее время используют анаэробные герметики, акрило вые адгезивы, а также композиционные материалы на их основе.
Химическая промышленность России постоянно выпускает новые поли мерные материалы, которые выгодно отличаются от предыдущих более высо кими потребительскими свойствами. Это создает предпосылки для разработки прогрессивных ресурсосберегающих технологических процессов восстановле ния, которые могут повысить ресурс подшипниковых узлов и соответственно надежность сельскохозяйственной техники. НИИ полимеров им. академика Каргина разработан цианакрилатный клей ТК-200. Практический интерес пред ставляет исследование потребительских свойств перспективного адгезива, изучение возможности применения его при восстановлении неподвижных со единений «вал-подшипник» в узлах сельскохозяйственной техники.
Литературный обзор показал, что теоретические предпосылки повыше ния эффективности восстановления неподвижных соединений «вал подшипник» полимерными материалами исследованы не в полной мере и тре буют дальнейшего развития. В подшипниках с посадкой наружного кольца, восстановленной полимерным материалом, увеличивается коэффициент рас пределения нагрузки, снижаются напряжения в зоне контакта нагруженных тел с дорожками качения и в итоге многократно возрастает ресурс. Отсутствует подобная информация о подшипниках с соединениями «вал-подшипник», вос становленными полимерными материалами. Представляют научный и практи ческий интерес теоретические и экспериментальные исследования распределе ния нагрузки между телами качения, параметров контакта нагруженных тел качения с беговыми дорожками, долговечности подшипников с восстановлен ными неподвижными соединениями «вал-подшипник».
Высокую долговечность клеевых соединений в подшипниковых узлах можно обеспечить при наличии математической модели напряженного состоя ния полимерной оболочки, которая позволяет определить деформации и на пряжения в любой точке нагруженного клеевого шва. Вопрос исследования на пряженного состояния клеевого шва в соединении «вал-подшипник» не доста точно изучен. Представляет научный интерес разработка математической мо дели, которая позволит определять деформации и напряжения в любой точке нагруженного клеевого шва соединения «вал-подшипник».
На основании проведенного анализа в диссертационной работе сформу лированы следующие задачи исследований:
– разработать теоретические предпосылки повышения эффективности клеевых соединений «вал-подшипник»;
– исследовать процесс полимеризации цианакрилатного клея ТК-200 при различных условиях отверждения;
– исследовать деформационно-прочностные свойства клеевых соедине ний, клея ТК-200;
– исследовать коэффициенты Кирхгофа и податливости в клеевых соеди нениях клея ТК-200;
– исследовать параметры контакта нагруженных тел качения с беговой дорожкой внутреннего кольца подшипника;
– исследовать контактные напряжения нагруженных тел качения с бего вой дорожкой внутреннего кольца подшипника;
– исследовать долговечность неподвижных соединений подшипников ка чения восстановленных цианакрилатным клеем ТК-200;
– исследовать долговечность подшипников качения при местном и цир куляционном нагружении колец подшипников;
– разработать технологию восстановления неподвижных соединений «вал-подшипник» цианакрилатным клеем ТК-200 и оценить ее технико экономическую эффективность.
Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения эффективно сти восстановления клеевых соединений «вал-подшипник» разработаны мате матическая модель деформированного внутреннего кольца подшипника при ра диальном нагружении и модель напряженного состояние клеевого шва в соеди нении «вал-подшипник».
Математическая модель деформированного внутреннего кольца подшипника при радиальном нагружении. Одним из способов повышения долговечности подшипников качения является перераспределение нагрузки с центрального, наиболее нагруженного тела, на первые и вторые боковые тела качения. Это возможно при определенной деформации наружного и внутренне го колец подшипника под действием радиальной нагрузки.
Деформация наружного кольца при нагружении определяется его посад кой в посадочное отверстие. В корпусных деталях посадка наружных колец подшипников осуществляется, как правило, с зазором. При посадке с зазором наружное кольцо подшипника деформируется в эллипс, при этом большая ось эллипса перпендикулярна направлению радиальной нагрузки. Без нагрузки за зор между центральным телом и дорожкой качения внутреннего кольца будет выбран, а между первыми, вторыми боковыми телами и дорожкой качения внутреннего кольца отличен от нуля. При определенной нагрузке на подшип ник возникнут деформации в зоне контакта центрального тела качения с бего выми дорожками внутреннего во и наружного но колец подшипника, дефор мация внутреннего кольца в эллипс, а зазор между первыми боковыми телами и дорожкой качения внутреннего кольца будет выбран (рисунок 1).
S0 = S1 = 0 S / S – смещение оси внутреннего кольца при радиальной нагрузке в Рисунок 1 – Подшипник при радиальной нагрузке Р, обеспечивающей выбор радиального зазора между первыми боковыми телами и дорожкой качения внутреннего кольца С дальнейшим увеличением радиальной нагрузки, последняя будет рас пределяться на первые боковые тела качения. По достижении определенного значения нагрузки и, соответствующей ей дальнейшей деформации внутренне го кольца в эллипс, зазор между вторыми боковыми телами и дорожкой каче ния внутреннего кольца будет выбран (рисунок 2).
Если радиальную нагрузку увеличивать дальше, часть ее будет распреде ляться на вторые боковые тела качения. Радиус эллипса О1В2 это параметр, оп ределяющий деформацию внутреннего кольца подшипника, т.е. условия при которых обеспечивается передача радиальной нагрузки на первые и вторые бо ковые тела качения в подшипнике с клеевым соединением «вал-подшипник».
Получена формула радиуса эллипса r bвн D, (1) r == = 1 e 2 sin 2 D ) 4 sin 2(D1 + S п ) 1 - 1 - ( D1 + S п где bвн – малая полуось эллипса, в который деформируется внутреннее кольцо D D1 – диаметр наружного кольца при радиальной нагрузке, b вн ;
= OA 0 = 2( D1 + S п ) по дну желоба с учетом радиального зазора, D1 = d1 + 2d ш + S r ;
d1 – диаметр внут реннего кольца по дну желоба, d1 = D0 d ш ;
D0 – диаметр центровой окружно D+d сти, D0 = ;
D и d – диаметры наружного и внутреннего колец подшипника соответственно, по посадочному месту;
d ш – диаметр шарика;
Sr – радиальный зазор;
Sп – зазор посадки наружного кольца.
ан и bн – большая и малая полуоси эллипса в который деформируется наружное кольцо подшипника;
ав и bв – большая и малая полуоси эллипса в который де формируется внутреннее кольцо подшипника;
R – радиус внутреннего кольца до деформации;
Sr – смещение оси подшипника при радиальной нагрузке;
О и О1 – ось подшипника до и после радиального нагружения;
– угол между тела ми качения до радиального нагружения;
1 – угол между центральным и пер выми боковыми телами качения после радиального нагружения;
2 – угол меж ду центральным и вторыми боковыми телами качения после радиального на гружения Рисунок 2 – Схема деформации колец подшипника при радиальной нагрузке Р, обеспечивающей выбор радиального зазора между телами качения и беговыми дорожками:
Определим формулу радиуса эллипса r ОВ2 = ОА2 d ш = r2 d ш, DB 2 = OB2 sin 2, OD = OB2 cos 2, DB O1 D = OD OO1 = OB2 cos 2 S п, O 1 B 2 = O1 D 2 + DB 22, tg 2 = O1 D После ряда преобразований получены:
- формула радиуса эллипса r внутреннего кольца подшипника при ради альном нагружении r = [( r d ш ) cos S п ] + [(r d ш ) sin ], 2 (2) - формула угла между смежными телами качения при радиальном на гружении подшипника (r d ш )sin (3) tg = (r d ш )cos - S п Формула (2) позволяет рассчитать зазор между первым, вторым боковы ми телами и дорожкой качения внутреннего кольца подшипника любого типо размера подшипника. Это позволяет по известным формулам Курчаткина В. В.
определить значения коэффициента податливости внутреннего кольца с поли мерным слоем, при которых нагрузка с центрального тела перераспределится на первые и вторые боковые тела качения.
Модель напряженного состояния клеевого шва в соединении «вал подшипник». Кривая А1D1 представляет собой деформированный участок по лимерного слоя при действии радиальной нагрузки Р. Вдоль малой полуоси эл липса b в полимерном слое имеют место деформации сжатия (рисунок 3).
P – радиальная нагрузка;
R – радиус от оси до внутреннего кольца подшипника;
– полярный угол;
r – полярный радиус;
АА1 (u0), ВВ1 – деформация поли мерного слоя по внутреннему контуру напротив центрального и первого боко вых тел качения, вдоль малой полуоси эллипса b соответственно;
DD1 – дефор мация полимерного слоя вдоль большой полуоси эллипса a Рисунок 3 – Деформация внутреннего кольца подшипника с полимерным слоем при радиальном нагружении:
Координаты любой точки на кривой А1D1 можно определить по радиусу эллипса r R u b r = = u0 4 2, (4) 1 e 2 sin 1 1 (1 ) sin R где b – малая полуось эллипса в который деформируется полимерный слой при радиальном нагружении, b = R u 0 ;
u0 – деформация полимерного слоя напро тив центрального тела качения.
Задача теории упругости решена методом перемещений.
В результате получены формулы для определения:
а) относительной деформации в радиальном направлении r в зависимости от полярного радиуса и значения радиальной нагрузки b R 1 c sin, (5) r = hп где с – коэффициент, c = 1 (1 0 ) 4 ;
hn – толщина полимерного слоя.
u R б) относительной деформации в окружном направлении µ bc cos sin b b + R (1 ), (6) = hn 1 c sin (c sin 1) 2 2 R 1 c sin 1 c sin где µ – коэффициент Пуассона полимерного материала.
в) деформации сдвига b (R ) bc cos sin 1 c sin (7) r = µ hп R 1 c sin 2 (c sin 2 1) г) радиального напряжения в полимерном слое b R 1 c sin + µ ( bc cos sin E h n 1 c sin 2 (c sin 2 1), hn (8) r = 2 1 µ b b + R) µ (1 ) 1 c sin 2 R 1 c sin где Е – модуль упругости полимерного материала.
д) окружного напряжения в полимерном слое b µ (R ) µ bc cos sin 1 c sin + ( E h n 1 c sin 2 (c sin 2 1) (9) hn = 2 1 µ b b + R ) (1 ) 1 c sin 2 R 1 c sin е) относительной деформации в осевом направлении b R 1 c sin 2 + µ ( bc cos sin b µ hn h n 1 c sin 2 (c sin 2 1) z = 1 c sin 2 (10) (1 µ ) b + R) (1 ) R 1 c sin ж) касательного напряжения в полимерном слое b (R E 1 c sin bc cos sin fn P r = µ, (11) 4Bhn (1 + µ ) R 1 c sin 2 (c sin 2 1) hn где f п – коэффициент трения в подшипнике;
P – эквивалентная нагрузка на подшипник;
В – ширина кольца подшипника.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» приведе ны общая методика исследований и частные методики исследования деформа ционно-прочностных свойств пленок цианакрилатного клея ТК-200, полимери зации, прочности и долговечности клеевых соединений "вал-подшипник", вы полненных цианакрилатным адгезивом ТК-200, контактных напряжений и ре сурса подшипников с соединениями ТК-200.
Процесс полимеризации адгезива ТК-200 исследовали методом диэлько метрии при температурах отверждения T = 20;
30;
40оС. Температуру в 30 и 40оС обеспечивали в шкафу сушильном СНОЛ-3.5,3.5,3.5/3, оснащенным элек тронным терморегулятором. Образцами служили клеевые соединения подшип ников 209 с валами. Валы изготовили из стали 45. Диаметральный зазор в со единении до склеивания составлял 0,1 мм. Электрическую емкость клеевого шва соединения измеряли прибором Е7-11 и по ней рассчитывали диэлектриче скую проницаемость. О завершении полимеризации судили по стабилизации значений диэлектрической проницаемости клеевого шва.
Прочность клеевых соединений ТК-200 исследовали на образцах, пред ставляющих клеевые соединения внутренних колец подшипников 209 с валами, изготовленными из стали 45. Радиальный зазор в соединении до склеивания S = 0,05;
0,075 и 0,1, мм обеспечивали шлифованием валов. Отверждение со единений проводили в течение 24 ч при температуре 20оС. Испытания образцов проводили на разрывной машине ИР 5047-50.
Деформационно-прочностные свойства пленок адгезива ТК-200 исследо вали в соответствии с ГОСТ 14236-81 и ГОСТ 12423-66. Испытания образцов осуществляли на разрывной машине ИР 5047-50 с одновременной записью диа граммы "нагрузка-деформация".
В исследованиях коэффициента Кирхгофа и коэффициента податливости применяли шарик диаметром D = 12,7 мм и пластину из стали ШХ-15 размера ми 100254,92 мм с подложкой из адгезива ТК-200. Размеры пластины обес печивают жесткость, соответствующую моменту инерции поперечного сечения наружного кольца подшипника 209. Пластину устанавливали полимерным по крытием вниз на поверочную плиту 2-1-250250 ГОСТ 10905-75, размещенную на опорной раме стенда. Для получения пятна контакта, между шариком и пла стиной, проложили полоску копировальной бумаги марки МВ-16 ГОСТ 489-88.
Нагрузку на шарик создавали нагрузочной вилкой стенда. При нагружении ша рика, измеряли деформацию пластины измерительной головкой 1МИГ с ценой деления 0,001 мм, установленной на штативе.
Исследования параметров контакта и контактных напряжений нагружен ных тел с беговой дорожкой внутреннего кольца подшипника проводили на стенде для испытания подшипников при статическом нагружении. Образцами являлись подшипники 209 склеенные с валом адгезивом ТК-200. В начале ис следовали зависимость площади пятна контакта шарика с беговой дорожкой внутреннего кольца подшипника. Два подшипника 209 разобрали и внутренние кольца склеили адгезивом ТК-200 с валом стенда. Наружные кольца подшип ников запрессовали в отверстия подшипниковых щитов стенда с нулевым натя гом. Затем собрали сепараторы, предварительно удалив по 8 шариков и оставив по одному шарику в каждом сепараторе. Перед сборкой подшипников на по верхность дорожки качения внутреннего кольца подшипника приклеили полос ку копировальной бумаги МВ-16 ГОСТ 489-99. Затем на беговую дорожку на ружного кольца установили сепаратор с одним телом качения. Центральное те ло качения было установлено вдоль оси действия нагрузки. Для фиксации по ложения шарика сепаратор фиксировали специальным приспособлением. Затем установили вал внутренними кольцами на тела качения. Нагрузку на испыты ваемые подшипники создавали при помощи нагружающих рычагов стенда. Ис пытания проводили при нагрузках Р = 1969,8;
2954,7;
3939,6;
4919,6 и 5909,4 Н.
Через 0,25 ч после нагружения подшипниковые узлы разобрали. Полученные отпечатки площадки контакта на копировальной бумаге исследовали при по мощи микроскопа МПБ-2.
На следующем этапе исследовали распределение нагрузки между телами качения и напряжения в зоне контакта нагруженных тел с дорожкой качения внутреннего кольца в подшипнике 209 склеенного с валом адгезивом ТК-200.
Методика подготовки к эксперименту аналогична методике предыдущего этапа исследований, с разницей, что в сепараторах были удалены по 4 шарика, а при нагружении стенда фиксировали пятна контакта 5 шариков с дорожкой качения внутреннего кольца. Значения полуосей a и b эллипса площадки контакта тел с дорожкой качения внутреннего кольца подшипника измеряли при помощи микроскопа МПБ-2.
Исследование долговечности неподвижных соединений, восстановлен ных клеем ТК-200, и подшипников при местном нагружении внутренних колец проводили на вибростенде. Радиальная нагрузка на подшипники 209 составляла 20 кН. За критерий долговечности клеевых соединений приняли наработку до начала сдвига наружного кольца подшипника в посадочном отверстии щита, подшипников – предельное значение радиального зазора.
Исследование долговечности подшипников качения при циркуляционном нагружении внутренних колец подшипников проводили на стенде для испыта ния подшипников при статическом нагружении. Радиальная нагрузка на под шипник 209 составляла 10290 Н. За критерий долговечности подшипника при няли предельное значение радиального зазора.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены результаты исследования полимеризации, прочности, ко эффициента Кирхгофа и коэффициента податливости клеевых соединений ад гезива ТК-200, параметров контакта нагруженных тел с дорожкой качения внутреннего кольца подшипника, распределения нагрузки между телами каче ния и контактных напряжений в подшипнике с клеевым соединением ТК-200, стендовых испытаний подшипниковых узлов восстановленных адгезивом ТК-200.
Исследование полимеризации клеевых соединений адгезива ТК-200.
Исследования показали, что в отличие от современных адгезивов марок Ана терм и Унигерм, цианакрилатный клей ТК-200 выгодно отличается более высо кой скоростью полимеризации. По сравнению с современными анаэробными герметиками АН-111, АН-112, акриловым адгезивом АН-105 время при кото ром образуется сшитый полимер в адгезиве ТК-200 в 1,71;
1,11 и 1,67 раза меньше и составляет 3,5;
2,3 и 1,8 ч при температурах 20;
30;
40 оС, соответст венно.
Исследование прочности клеевых соединений адгезива ТК-200. Экспе римент показал, что клеевые соединения, выполненные адгезивом ТК-200, имеют более высокую прочность, чем у современных адгезивов. Прочность клеевых соединений адгезива ТК-200 составляет 33,3 МПа, что в 2,04 раза больше прочности клеевых соединений акрилового адгезива АН-105 (16, МПа) и 1,34 раза – анаэробного герметика АН-111 (24,8 МПа).
Исследование коэффициента Кирхгофа и коэффициента податливости клеевых соединений адгезива ТК-200. Исследованиями установлено, что ко эффициент Кирхгофа в клеевом соединении «вал-подшипник», выполненным адгезивом ТК-200, увеличивается по сравнению со стандартным подшипником (парой «сталь-сталь») от 13 до 65% в зависимости от толщины полимерного слоя. С увеличением толщины полимерной подложки из адгезива ТК-200 ко эффициент податливости упругого основания уменьшается от 47,4 до 31,52Н/мм2.
Исследование параметров контакта нагруженных тел с дорожкой ка чения внутреннего кольца подшипника. Исследования показали, что в зави симости от радиальной нагрузки на подшипник и толщины клеевого шва, пло щадь пятна контакта увеличивается: в зоне центрального тела до 1,07 раза;
в зоне контакта первых боковых тел качения до 1,56 раз по сравнению с расчет ной. Благодаря полимерному слою увеличивается угол зоны нагружения под шипника, и поэтому часть внешней радиальной нагрузки распределяется на вторые боковые тела качения. Площадь пятна контакта вторых боковых тел с дорожкой качения составляет от 0,5 до 1,52 мм2.
Исследование распределения нагрузки между телами качения и кон тактных напряжений в подшипнике с клеевым соединением ТК-200. Экс перимент показал, что при радиальном нагружении подшипника 209 с клеевым соединением ТК-200 в сравнении со стандартным подшипником нагрузка пере распределяется между телами качения. На центральное тело качения нагрузка снижается до 25 %, а на первые боковые тела качения увеличивается до 29 %.
Часть внешней радиальной нагрузки распределяется также на вторые боковые тела качения. Коэффициент распределения нагрузки в подшипнике с клеевым соединением ТК-200 в 1,6 раза выше, чем в стандартном подшипнике с нуле вым зазором посадки (Крн = 0,72 и 0,44, соответственно).
В подшипнике 209 с клеевым соединением ТК-200 в сравнении с под шипником без полимерного слоя из-за увеличения площади контакта нагру женных тел с дорожкой качения внутреннего кольца снизились контактные на пряжения. В зоне контакта: а) центрального тела с дорожкой качения внутрен него кольца подшипника до 2,0 раз;
б) первых боковых тел с дорожкой качения до 1,79 раза (рисунок 3).
Исследование долговечности неподвижных соединений подшипников качения восстановленных адгезивом ТК-200. Исследованиями установлено, что долговечность неподвижного соединения снижается с увеличением толщи ны клеевого шва.
3500,, Н/мм2 3000, 2500, 2000, 3' 1500, 2' 1000, 1' 500, 0, + -1 + - 0;
± 1;
± 2 – центральное, первые и вторые боковые тела качения, соответствен но;
1, 2, 3 – распределение напряжений в стандартном подшипнике 209 при ра диальной нагрузке Р = 2042;
6127 и 10212 Н;
1', 2', 3' – распределение напряже ний в подшипнике с клеевым швом толщиной 0,05 мм при Р = 2042;
6127 и 10212 Н, соответственно Рисунок 3 – Распределение контактных напряжений в подшипнике 209 с клее вым соединением ТК-200:
Из рисунка 4 следует, что максимальной допустимой толщиной клеевого шва адгезива ТК-200, обеспечивающей безотказную работу восстановленного неподвижного соединения «вал-подшипник» при циклической нагрузке Р = 20кН, является значение h = 0,05.
Рисунок 4 – Зависимость долговечности t неподвижных соединений вал подшипник 209 от диаметральной толщины S клеевого шва адгезива ТК- при радиальной нагрузке 20 кН Исследование долговечности подшипников качения при циркуляци онном и местном нагружении колец подшипников. Исследования показали, что долговечность подшипника в соединении «вал-подшипник», выполненным адгезивом ТК-200 увеличилась многократно и зависит от вида нагружения. При циклическом нагружении долговечность составила 49,95 млн. об., что в 3,2 раза превышает расчетную (15,6 млн. об.), а при статическом нагружении – 53,04млн. об., что в 3,4 раза превышает расчетную долговечность (рисунок 5).
1 – расчетная;
2 – восстановленного адгезивом ТК- Рисунок 5 – Долговечность L подшипника 209 при циркуляционном нагруже нии внутреннего кольца:
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 неподвижных соединений «вал-подшипник» цианакрилатным кле ем ТК-200, которая содержит следующие операции: очистка посадочных мест деталей соединения;
измерение посадочных мест деталей для определения диа метрального зазора в соединении до восстановления;
обезжиривание посадоч ных мест деталей;
нанесение клея ТК-200 на посадочные места деталей и сбор ка соединения;
отверждение клеевого соединения;
контроль качества клеевого соединения.
Разработанная технология восстановления неподвижных соединений «вал-подшипник» клеем ТК-200 внедрена в ООО «Восход» Добринского рай она Липецкой области. Для оценки надежности восстановленных неподвижных соединений подшипников качения 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.
Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЛГТУ при изучении дисциплин «Технология ремонта автомобилей и тракто ров», «Техническая эксплуатация автомобилей и тракторов», «Надежность, эксплуатация и ремонт металлургического оборудования».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. В результате теоретических исследований получены:
- математическая модель (2) деформированного внутреннего кольца под шипника при радиальном нагружении, которая позволяет рассчитать зазор ме жду первым, вторым боковыми телами и дорожкой качения внутреннего кольца любого типоразмера подшипника. Это позволяет по известным формулам Кур чаткина В. В. определить значения коэффициента податливости внутреннего кольца с полимерным слоем, при которых нагрузка с центрального тела пере распределится на первые и вторые боковые тела качения.
- математическая модель напряженного состояния клеевого шва в восста новленном соединении «вал – подшипник» при радиальном нагружении под шипникового узла. В соответствии с линейной теорией упругости получены основные уравнения (5)…(11) по которым следует определять напряжения и деформации в клеевом шве восстановленного соединения напротив нагружен ных тел качения.
2. Исследования показали, что цианакрилатный клей ТК-200 выгодно отлича ется более высокой скоростью полимеризации. По сравнению с современ ными анаэробными герметиками АН-111, АН-112, акриловым адгезивом АН-105 время отверждения адгезива ТК-200, в 1,71;
1,11 и 1,67 раза меньше и составляет 3,5;
2,3 и 1,8 ч при температурах 20;
30;
40 оС, соответственно.
3. Адгезив ТК-200 имеет более высокие деформационно-прочностные свойст ва, чем исследованные ранее современные адгезивы. Прочность клеевых со единений адгезива ТК-200 составляет 33,3 МПа, что в 2,04 раза больше прочности клеевых соединений акрилового адгезива АН-105 (16,34 МПа) и 1,34 раза – анаэробного герметика АН-111 (24,8 МПа). Удельная работа де формации при разрыве пленок цианакрилатного клея ТК-200 превышает аналогичный показатель пленок анаэробного герметика АН-112 на 9, АН 105 – 45, АН-6 – 250 %.
4. Коэффициент Кирхгофа в клеевом соединении «вал-подшипник», выпол ненным адгезивом ТК-200, увеличивается по сравнению со стандартным подшипником (парой «сталь-сталь») от 13 до 65% в зависимости от толщи ны полимерного слоя.
5. С увеличением толщины полимерной подложки из адгезива ТК-200 коэф фициент податливости упругого основания уменьшается от 47,4 до 31, Н/мм2.
6. Наличие полимерного слоя в соединении "вал-подшипник"приводит к уве личению площади пятна контакта нагруженных тел с дорожкой качения внутреннего кольца подшипника. В зависимости от радиальной нагрузки на подшипник и толщины клеевого шва, площадь пятна контакта увеличивает ся: в зоне центрального тела до 1,07 раза;
в зоне контакта первых боковых тел качения до 1,56 раз по сравнению с расчетной.
7. При радиальном нагружении подшипника 209 с клеевым соединением ТК 200 в сравнении со стандартным подшипником нагрузка перераспределяется между телами качения. На центральное тело качения нагрузка снижается до 25 %, а на первые боковые тела качения увеличивается до 29 %. Кроме того, увеличивается угол зоны нагружения подшипника и часть внешней нагрузки распределяется на вторые боковые тела качения. Коэффициент распределе ния нагрузки в подшипнике с клеевым соединением ТК-200 в 1,6 раза выше, чем в стандартном подшипнике с нулевым зазором посадки (Крн = 0,72 и 0,44, соответственно).
8. В подшипнике 209 с клеевым соединением ТК-200, в сравнении с под шипником без полимерного слоя, из-за увеличения площади контакта на груженных тел с дорожкой качения внутреннего кольца снизились контакт ные напряжения. В зоне контакта: а) центрального тела с дорожкой качения внутреннего кольца подшипника до 2,0 раз;
б) первых боковых тел с дорож кой качения до 1,79 раза.
9. Долговечность подшипника при восстановлении неподвижных соединений «вал-подшипник» адгезивом ТК-200 составила при циклическом нагруже нии 49,95 млн. об., что в 3,2 раза превышает расчетную (15,6 млн. об.), а при статическом нагружении – 53,04 млн. об., что в 3,4 раза превышает расчет ную долговечность.
10. По результатам проведенных исследований разработана технология восста новления неподвижных соединений «вал-подшипник» цианакрилатным кле ем ТК-200. Рекомендуется восстанавливать клеем ТК-200 неподвижные со единения «вал-подшипник» с диаметральным износом до 0,1 мм. Техноло гия восстановления внедрена в ООО «Восход» Добринского района Липец кой области. Годовой экономический эффект от внедрения новой техноло гии составил около 340 тыс. руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
Кузнецов, М. М. Модель напряженного состояния клеевого соединения ти 1.
па «вал-подшипник» [Текст] / Ли Р. И., Кузнецов М. М.,// Вестник МичГАУ.
–2013. – №1. – С.40-44.
Кузнецов, М. М. Восстановление неподвижных соединений подшипников 2.
качения в узлах машин современными клеями [Текст] / Ли Р. И., Бутин А. В., Кузнецов М. М., // – Труды ГОСНИТИ. М.: Изд-во ГОСНИТИ, т. 111, ч. 2, 2013. – С. 98-100.
Кузнецов, М. М. Расчет напряженного состояния клеевого соединения типа 3.
«вал-подшипник» при радиальном нагружении [Текст] / Р. И. Ли, М. М.
Кузнецов, // Вестник МичГАУ. – 2013. – № 3. – С. 73-76.
В сборниках научных трудов и материалах конференции:
Кузнецов, М. М. Изготовление и исследование прочности, относительного 4.
удлинения пленок на основе цианакрилатного клея ТК-200 [Текст] / Ли Р.
И., Кузнецов М.М., // Особенности технического оснащения современного с.х. производства: [сборник]. Материалы Всероссийской научно практической конференции молодых ученых 24-25 апреля 2012 г. – Орел:
Изд-во ОрелГАУ, 2012 г. С.63-66.
Кузнецов, М. М. Деформационно-прочностные свойства цианакрилатного 5.
клея ТК-200 для фиксации деталей [Текст] / Ли Р. И., Кузнецов М.М., // Сборник научных трудов Международной научно-технической конферен ции, посвященной 50-летию кафедры технологии машиностроения ЛГТУ 17-19 мая 2012 г. «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии». – Липецк.: Изд-во ЛГТУ, 2012. С.254- 6. Кузнецов, М. М. Исследование деформационно-прочностных свойств циа накрилатного клея ТК-200 [Текст] / Ли Р. И., Кузнецов М.М., // Вестник ЛГТУ. №1(20). – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012 г. С. 70-72;
7. Кузнецов, М. М. Деформационно-прочностные свойства цианакрилатного адгезива ТК-200 [Текст] / Ли Р. И., Кузнецов М.М., // XVI Международная научно-производственная конференция: Инновационные пути развития АПК на современном этапе. – Белгород.: Изд-во Бел. ГСХА, 2012. С. 175.;
8. Кузнецов, М. М. 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 инноваци онного развития агроинженерии» 20-21 ноября 2012 г. в 2 частях. – Белго род.: Изд-во Бел. ГСХА, 2012. – Часть 2. - С. 77-81.
9. Кузнецов, М. М. Исследование деформационно-прочностных свойств клее вых соединений адгезива ТК-200 [Текст] / Ли Р. И., Кузнецов М.М., Торуш ко Д.В., // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и ас пирантов Липецкого государственного технического университета: В 2-х ч.
Ч.1. – Липецк: Изд-воЛГТУ, 2012. – С. 280-281;
10. Кузнецов, М. М. Цианакрилатный клей ТК-200 для восстановления непод вижных соединений типа «вал-подшипник» [Текст] / Ли Р. И., Кузнецов М.
М., // Особенности технического оснащения современного с.х. производст ва: [сборник]. Материалы к международной научно-практической конфе ренции 04 - 05 апреля 2013 г. – Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2013 г. С. 269- 11. Кузнецов, М. М. Расчет клеевого соединения «вал-подшипник» при ради альном нагружении [Текст] / Мироненко А. В., Кузнецов М. М., Ли Р. И., // Особенности технического оснащения современного с.х. производства:
[сборник]. Материалы к международной научно-практической конференции 04 - 05 апреля 2013 г. – Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2013 г. С. 309- 12. Кузнецов, М. М. Расчет напряженного состояния клеевого шва в соедине нии типа «вал-подшипник» [Текст] / Ли Р. И., Мироненко А. В., Кузнецов М.
М., // – МОЛОДЕЖЬ-НАУКА-ПРОИЗВОДСТВО: Сборник трудов област ной научно-практической конференции по проблемам технических наук. – 24-25 апреля 2013 г., г. Липецк. Изд-во ЛГТУ, 2013. – С. 113-115.
13. Кузнецов, М. М. Исследование полимеризации и прочности клеевых со единений цианакрилатного клея ТК-200 [Текст] / Ли Р. И., Кузнецов М. М., // – МОЛОДЕЖЬ-НАУКА-ПРОИЗВОДСТВО: Сборник трудов областной научно-практической конференции по проблемам технических наук. – 24- апреля 2013 г., г. Липецк. Изд-во ЛГТУ, 2013. – С. 94-96.
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-