Содержание к диссертации
Введение
1. Экспериментальное изучение основных физико-механических свойств полиуретана, как конструкционного материала амортизаторов 10
1.1 Общая характеристика типов и технологических форм современных конструкционных полиуретанов 10
1.2 Назначение и эксплуатационные качества полиуретановых амортизаторов 15
1.3 Заключение по разделу 1 26
2. Экспериментальная отработка временного и температурного режимов отливки полиуретановых деталей машин 27
2.1 Общие требования, предъявляемые к формовым деталям машин из полиуретана 27
2.2 Технология отливки деталей машин из полиуретана 30
2.3 Заключение по разделу 2 34
3. Экспериментальное определение статической деформации полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг 35
3.1 Общие сведения и классификация деталей машин из полиуретана. 35
3.2 Экспериментальное определение соответствия между модулем упругости полиуретана при сжатии и модулем упругости при сдвиге. 44
3.3 заключение по разделу 3 51
4. Выбор критерия работоспособности полиуретанового амортизатора, работающего при динамическом нагружении . 52
4.1 Общие сведения и выбор критерия работоспособности. 52
4.2 Экспериментальный стенд для исследования вопросов теплообразования и долговечности. 54
4.3 Описание методики экспериментальных исследований. 62
4.4 Анализ экспериментальных данных по определению температуры нагрева полиуретанового массива амортизатора при динамическом нагружении . 66
4.5 Заключение по разделу 4. 75
5. Инженерная методика расчета полиуретановых амортизаторов, работающих в режиме динамического нагружения 76
5.1 Долговечность полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг при динамическом нагружении. 76
5.2 Методика проектировочного и проверочного расчета полиуретанового амортизатора, работающего на сдвиг в режиме динамического нагружения. 84
5.3 Заключение по разделу 5 99
Выводы по работе. 100
Библиографический список 102
- Назначение и эксплуатационные качества полиуретановых амортизаторов
- Технология отливки деталей машин из полиуретана
- Экспериментальное определение соответствия между модулем упругости полиуретана при сжатии и модулем упругости при сдвиге.
- Анализ экспериментальных данных по определению температуры нагрева полиуретанового массива амортизатора при динамическом нагружении
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В современном машиностроении широкое распространение в качестве конструкционного материала деталей машин получила резина. Она широко используется в колесах с упругим ободом, валах и роликах, а также как материал для амортизаторов, которые служат для гашения механических колебаний.
Однако, начиная с середины прошлого века в передовых промышленно
развитых странах мира резины во многих технических приложениях стали
вытесняться полиуретанами, имеющими важные конструктивные,
технологические и эксплуатационные преимущества, хотя полиуретаны в 1,5
…3 раза дороже резин. Определенное отставание внедрения полиуретана в
промышленность объясняется не только конъюнктурными и
технологическими ограничениями, но и отсутствием научно-обоснованных методик проектирования эластомерно-металлических деталей машин. В перспективе это отставание будет неуклонно преодолеваться.
Актуальность диссертационного исследования для отечественной промышленности определяется необходимостью замены традиционного эластомера – резины на более совершенный современный материал – полиуретан с целью улучшения конструктивных, технологических и эксплуатационных качеств деталей машин, а также необходимостью разработок научно – обоснованных методик проектирования деталей машин из полиуретана.
Объект исследования
В качестве объекта исследования нами выбраны полиуретановые амортизаторы, работающие на сдвиг в условиях статического и динамического нагружения. Они обладают сравнительно небольшой жесткостью и служат для гашения колебаний механической системы. В
машиностроении широко применяется также термин вибрация. Он является синонимом терминов механические колебания или колебания механической системы. Термином вибрация чаще всего пользуются там, где колебания имеют относительно малую амплитуду и не слишком низкую частоту.
Предмет исследования
Предметом исследования является экспериментально-теоретическое
обоснование рациональной конструкции амортизатора и выбор
эффективного критерия работоспособности, который определяет несущую способность и долговечность детали.
Научная новизна исследования
Научная новизна исследования заключается в следующем:
-
В качестве основного критерия работоспособности полиуретанового амортизатора принята предельная температура нагрева полиуретанового массива, которая зависит от геометрии амортизатора, твердости полиуретана и режима нагружения.
-
Проверочный расчет амортизаторов производится по предельной температуре нагрева полиуретанового массива, при которой происходит деструкция материала и выход детали из строя.
3. В работе приведены значения предельной температуры нагрева для
полиуретанов различной твердости полученные экспериментально.
Цели и задачи научного исследования
Определена основная цель диссертационного исследования:
Выбор эффективного критерия работоспособности полиуретанового амортизатора, работающего в режиме динамического нагружения и разработка научно-обоснованных методик проектирования эластомерно-металлических деталей машин, работающих на сдвиг при статических и динамических нагрузках.
Для достижения указанных целей необходимо решить следующие задачи:
-
Очертить область применения полиуретана, как перспективного конструкционного материала для амортизаторов.
-
Экспериментальным путем определить основные параметры, характеризующие демпфирующие свойства полиуретана.
-
Отработать и внедрить температурно-временные параметры литья формовых эластомерно-металлических деталей машин из полиуретана.
-
Изучить экспериментальным путем деформативности полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг, при статическом нагружении.
-
Провести экспериментальные исследования вопросов нагрева и долговечности полиуретанового массива амортизатора при динамическом нагружении с помощью специальной установки.
Методика научного исследования
Сложность и недостаточная изученность поставленных задач
обуславливают приоритетное использование теоретико-экспериментальных
подходов, математическое и физическое моделирование объектов
исследования и происходящих процессов, отличающихся заведомо нелинейным характером.
Для исследования эластомерно-металлических деталей машин из
полиуретана в диссертации были выбраны методические подходы,
характерные для специальностей «Процессы механической и физико-
технической обработки, станки и инструмент» и «Машиноведение, системы
приводов и детали машин». Методические подходы направлены на
обеспечение необходимых технологических, конструктивных и
эксплуатационных параметров эластомерно-металлических деталей машин из полиуретана.
На защиту выносятся следующие вопросы:
-
Полученные результаты экспериментального исследования физико-механических, технологических и конструкционных свойств перспективных видов полиуретана.
-
Отработанные температурно-временные параметры литья формовых эластомерно-металлических деталей машин из полиуретана.
-
Разработанная методика проектировочного и проверочного расчетов полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг в условиях статического и динамического нагружения.
-
Полученные результаты экспериментального исследования нагрева полиуретанового массива амортизатора, как функцию пяти переменных.
-
Предложена физическая модель разрушения полиуретанового массива амортизатора, работающего на сдвиг в условиях динамического нагружения.
Материал диссертации изложен в четырех разделах:
-
Основные физико-механические свойства полиуретана и критерии работоспособности деталей машин из полиуретана.
-
Экспериментальное определение статической деформации полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг.
-
Выбор эффективного критерия работоспособности полиуретанового амортизатора, работающего при динамическом нагружении.
-
Инженерная методика расчета полиуретановых амортизаторов, работающих в режиме динамического нагружения.
Личное участие соискателя
Автором самостоятельно было спроектировано и изготовлено
нагружающее устройство для определения статической деформации
полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг. Кроме того, был
спроектирован и изготовлен специальный стенд для проведения испытаний
по определению долговечности амортизаторов различной твердости в
зависимости от режима нагружения.
Автор лично участвовал в экспериментальной отработке температурно-
временных параметров отливки полиуретановых амортизаторов,
изготовлении опытной партии и приемно-сдаточных мероприятиях на заводе
заказчика. Кроме того, непосредственно на рабочих режимах был произведен
комплекс замеров, характеризующих работу амортизатора.
Автором разработана общая научная концепция исследований диссертационной работы. Отраженные в работе научные результаты были получены автором самостоятельно в период с 2011 года по 2014 год.
Реализация результатов работы
Диссертационное исследование выполнено на производственной базе научно-производственной фирмы «СПБ». Соискатель выражает искреннюю благодарность генеральному директору НПФ «СПБ» к. т. н., доц. С. Б. Сивчикову.
Отработанные температурно-временные режимы отливки формовых эластомерно-металлических деталей машин из полиуретана и методика проектирования были реализованы при изготовлении амортизаторов для Тверского экскаваторного завода, амортизаторов для корабельного оборудования, общего машиностроения и др.
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс, в частности при чтении курса «Детали машин и основы конструирования».
Апробация работы и публикации
Основные положения работы и результаты исследований докладывались
и обсуждались на научно-методических семинарах Института
машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ) СПбГПУ в период с 2011 года по 2015 год.
По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ. Из них три статьи в изданиях, включенных в перечень научных изданий ВАК.
Структура и объем диссертации
Назначение и эксплуатационные качества полиуретановых амортизаторов
Полиуретаны – непрерывно развивающийся класс эластомеров, ассортимент которых ориентирован на многообразие технологии переработки в изделие. Изделия из полиуретана используются во всех отраслях современной промышленности: машиностроении, кабельной и электротехнической промышленности, автопроме, обувной промышленности и т.д. [15] [57] [63] [82] [85]. Соединение исходных компонентов производят при помощи смесительно-дозирующих машин, на вальцах или вручную.
Важнейшие для машиностроения конструкционные полиуретаны перерабатывают реакционным литьем, прессованием, инжекцией, экструзией, напылением, навивкой и др. специальными методами. В процессе различных видов переработки происходит полимеризация эластомера. Разработана рецептура для горячей (при 80…1350С) и для холодной (при 200С) полимеризации.
В последние десятилетия полиуретан стали широко использовать в производстве лакокрасочных материалов (ЛКМ). На сегодняшний день ЛКМ на основе полиуретана одни из самых бурно развивающихся, востребованных и в наибольшей степени соответствующих современным представлениям о промышленных лакокрасочных материалах. Лаки и краски на основе полиуретана имеют очень разнообразные свойства: твердые и мягкие, эластичные и жесткие и т.д. Полиуретаны обладают превосходной адгезией к древесине, пластику, металлу и т.д. В последние годы стали широко использовать водоразбавимые ЛКМ на основе полиуретана, которые полностью удовлетворяют высоким современным экологическим требованиям. На сегодняшний день наибольшее распространение получили двухкомпонентные полиуретаны на основе полиола (полиэфир или полиэстер) и изоцианата (MDI или TDI). В состав исходного сырья входит также полимеризатор (гликоль, диамин или вода) и некоторые модификаторы. Исходные компоненты в несвязанном состоянии токсичны. После полимеризации дозированной смеси компонентов изделие из полиуретана становится безопасным для пользователя.
С целью упрощения технологии переработки созданы однокомпонентные системы. В них входят одновременно два полиола (полиэфир и полиэстер) и изоцианат, находящиеся в связанном состоянии. Благодаря этой особенности исходное сырье нетоксично. Полимеризация производится путем нагрева композиции.
Применение полиуретана, как конструкционного материала, на сегодняшний день сдерживает отсутствие научно-обоснованных методик проектирования зластомерно-металлических деталей машин. На преодоление этого отставания и направлена эта диссертационная работа.
Большой вклад в развитие теории упругости и пластичности применительно к эластомерам внесли Г.М. Бартенев, Н.И. Безухов, Ю.В. Зеленов, И.А. Кац, Л.М. Качанов, С.С. Соколовский и др. Проблемы механики полимеров рассмотрены в работах А.А. Аскадского, Л.Б. Гуревича, З.Н. Литвиненковой, Г.Л. Слонимского, А.П. Тобольского и др.
Усталостные явления, происходящие в высокополимерах, при динамическом нагружении освещены в работах И.Х. Диллона, А. Кабояши, Б.М. Горелика и др. Ценные сведения получены при экспериментальных исследованиях эластомеров А.И. Лукомской и М.М. Резниковским.
Опыт и перспективы применения современных технологических форм полиуретановых эластомеров в промышленности освещен в работах С.А. Любартовича, Г.В. Матвеева, Л.М. Огибалова и др.
Вопросы прочности и деформативности резиновых деталей машин успешно решались Э.Э. Лавенделом, В.Н. Потураевым, Е.Т. Григорьевым, В.И. Дырдой и др. Особенности проектирования проектирования деталей машин из полиуретана представлены в работах Ш.М. Билика, Ю.А. Державца, С.Н. Яковлева, Л.А. Кондакова и др.
При работе любой машины возникают побочные колебания - вибрации. Вибрация передается основанию машин и вызывает вынужденную вибрацию всего расположенного вблизи оборудования и аппаратуры. В большинстве случаев вибрации являются периодическими процессами. Вследствие многократно повторяющегося воздействия вибрации приводят к разрушению, износу и нарушению нормальной работы конструкций. Поломки конструкций от вибраций могут происходить вследствие резонансных или усталостных явлений. Вибрации являются причиной повышенной утомляемости зрения, слуха и общей физиологической утомляемости обслуживающего персонала.
Борьба с вибрациями в технике происходит по двум направлениям: путем уменьшения интенсивности возникающих вибраций и путем гашения возникших вибраций. Примерами мероприятий, служащих для уменьшения интенсивности возникающих вибраций, являются динамическая балансировка вращающихся масс, исполнение машин со встречно движущимися массами и т. д. Гашение возникших вибраций согласно [50] [54] осуществляется путем установки конструкций на упругих элементах (пружины и рессоры ) и применением гидравлических, воздушных, фрикционных или эластомерных (резина и полиуретан ) гасителей энергии колебаний ( амортизаторы ).
Технология отливки деталей машин из полиуретана
Конструкция эластомерно-металлических деталей жестко связана с технологией их изготовления. Исследование новых и не изученных в России эластомеров потребовало отработки временного и температурного режимов переработки полиуретанов. Опыт изготовления резиновых деталей машин не может быть полностью перенесен на полиуретаны в связи с определенными различиями физико-механических свойств этих эластомеров.
Для изготовления литейных форм эластомерно-металлических деталей с упругим массивом из полиуретана могут быть согласно [29] [30] использованы различные материалы, не выделяющие газы при нагревании до
При быстром прототипировании применяют силикон или формовочные полиуретаны. Данная технология применяется для опытного литья и дальнейшей доработки, когда заказ металлической формы слишком дорог или продолжителен по времени. Силиконовая форма может служить для отливки деталей небольшой партии, примерно до 30 штук.
При серийном промышленном производстве предпочтение отдается металлам, преимущественно сталям. Рекомендуемая шероховатость внутренних поверхностей формы (крышка, основание и т.п.) не более Ra 125. На рис. 2.1. представлен образец открытой формы для отливки полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг.
Форма состоит из двух частей, которые при совмещении образуют полость, габариты и профиль которой соответствует наружным размерам готовой детали.
Заливаемую полиуретаном поверхность металлической арматуры будь то стальной валик для полиграфии, стальной бандаж сменного обода колеса погрузчика или пластины амортизатора обрабатывают механическим путем с шероховатостью Ra 2,5…1,25. Никакие механические средства крепления, как винтовая нарезка, паз «ласточкин хвост» и т.п. для полиуретанов в отличии от резинометаллических деталей не требуются. Перечисленные средства крепления затрудняют очистку поверхности арматуры перед заливкой и препятствуют адгезии.
Перед заливкой нижние грани центральной и боковых пластин амортизатора устанавливают в центровочные пазы основания. Затем устанавливают крышку, которая фиксирует верхние грани пластин. Заливку исходных компонентов полиуретана осуществляют через заливочные отверстия, которые дополнительно выполняют функцию питателя, так как коэффициент объемного расширения полиуретана примерно в 15 раз больше, чем у стали. Такое различие в значениях коэффициента расширения полиуретана и стали приводит к появлению определенных термических напряжений на поверхности контакта полиуретанового массива и стальных пластин, после остывания амортизатора от температуры полимеризации до комнатной температуры.
После извлечения отливки из формы и охлаждения до комнатной температуры избыток питателя удаляют с помощью абразивного круга.
Еще одной особенностью полиуретана, как конструкционного материала является согласно [13] [27] [41] возможность появления в нем очагов концентрации напряжений, приводящих к разрушению материала. Учитывая тот факт, что амортизаторы работают в режиме динамического нагружения, следует стремится к разработке равнонапряженных деталей, таких у которых напряжения в любых сечения были бы примерно одинаковы.
Формы для отливки полиуретановых деталей машин должны конструироваться таким образом, чтобы по возможности избегать резких переходов по толщине, а также других возможных концентраторов напряжений. Кроме того, различия в толщине детали могут привести к неоднородной полимеризации полиуретанового массива и концентрации напряжений, ускоряющих разрушение детали.
Для предупреждения появления в полиуретане очагов концентрации напряжений, соприкасающаяся с полиуретаном поверхность арматуры не должна иметь острых углов, выступов, отверстий и канавок, являющимися главными концентраторами напряжений, приводящих к разрушению материала.
При этом необходимо следить за тем, чтобы проектируемая для литья полиуретановых деталей форма отвечала вышеперечисленным требованиям во всем диапазоне рабочей деформации полиуретанового массива амортизатора.
Арматуру очищают механическим путем от грязи, обезжиривают и подвергают пескоструйной или, что более экологично, дробеструйной обработке. Для стальной поверхности используют чугунную дробь (для нержавеющей стали корундовый песок). Дробь должна иметь острые грани и размер 200…400 мкм. Предварительная очистка и обезжиривание арматуры проводится во избежание загрязнения дроби. Сжатый воздух, поступающий в дробеструйную установку, должен быть очищен от влаги и масла. Обработка острой дробью создает требуемую матовую поверхность арматуры, при этом увеличивается площадь поверхности контактирования металла и полиуретана и тем самым усиливается связь арматуры с упругим полиуретановым слоем. Матовая поверхность арматуры улучшает смачиваемость поверхности адгезивом, что особенно актуально для кромок эластомерно-металлических деталей.
В течение 2…3 ч очищенную арматуру повторно обезжиривают и покрывают фирменным адгезивом «Сил Бонд 49СФ» слоем толщиной 20…50 мкм. Затем этот слой сушат при комнатной температуре в течение 60 минут. Если подготовленная арматура не поступает на заливку в срок до 6 часов, проводится консервация путем запекания слоя адгезива при 100…140 0 С в течение 30 минут. Впоследствии непосредственно перед заливкой законсервированную арматуру необходимо предварительно освежить, нанеся на нее тонкий слой адгезива.
Внутренние поверхности форм очищают, обезжиривают и покрывают слоем фирменного антиадгезива «СилРелиз». После этого форму высушивают при комнатной температуре в течение 10…15 минут.
Подготовленную арматуру помещают в заливочную форму. Все стыки разъемной формы должны быть тщательно уплотнены во избежание утечки заливаемой массы. С этой целью используют ленту «ФУМ» или другой материал, не выделяющий газы при нагревании до 150 0 С.
Экспериментальное определение соответствия между модулем упругости полиуретана при сжатии и модулем упругости при сдвиге.
При изготовлении сложный контур кулачка образуется как огибающая различных положений шлифовального круга простой формы. Шлифование рабочей поверхности кулачка производилось на оптическом профилешлифовальном станке с 50-кратным увеличением. Для простоты задания координат и дальнейшего построения профиля кулачка, отвечающего синусоидальному закону перемещения плоского толкателя использовалась полярная система координат.
После шлифования кулачки, для повышения износостойкости подвергались азотации. Для проведения экспериментального исследования были изготовлены пять кулачков с эксцентриситетом 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2 мм. Первые три эксцентрика примерно соответствуют амплитудам наиболее распространенных механических колебаний современных двигательных установок. Остальные два служат для моделирования форсированных по амплитуде нагрузок и экспериментального определения предельных температур полиуретанового массива амортизатора при которых происходит разрушение материала.
Таким образом мы можем изучать процесс теплообразования в полиуретановом массиве амортизатора в зависимости от частоты нагружения, амплитуды колебаний и величины статической деформации. Помимо перечисленных трех переменных, на нагрев полиуретанового массива влияет геометрия амортизатора и твердость полиуретана.
В дальнейшем нам предстоит провести экспериментальное определение температуры нагрева полиуретанового массива амортизатора, как функцию перечисленных ранее пяти переменных в заранее намеченных пределах их изменения.
В нашем случае согласно [12] можно использовать при обработке экспериментальных данных факториальный анализ и вывести раздельное влияние каждой переменной на результат эксперимента. Этот вопрос мы не будем разбирать здесь подробно, но для детального ознакомления с ним можно рекомендовать книгу Хальда [55].
Для экспериментального исследования гистерезисного нагрева полиуретанового массива амортизатора и изучения вопросов долговечности в зависимости от условий нагружения и конструкции амортизатора были изготовлены три партии амортизаторов твердостью 60 ShA, 70 ShA и 80 ShA.
Перед началом проведения испытаний было выполнено тарирование частоты нагружения амортизатора в зависимости от изменения частоты тока в питающей сети асинхронного электродвигателя. Это необходимо сделать, потому что величина скольжения асинхронного электродвигателя зависит от момента сопротивления на валу электродвигателя. Момент сопротивления зависит от коэффициента трения между шлифованным азотированным эксцентриком и шлифованной пятой из оловянистой бронзы, а также от усилия между ними, которое возникает после приложения к амортизатору фиксированной статической деформации. Кроме того сам коэффициент трения зависит от усилия, которое действует в данный момент во фрикционном контакте.
Тарирование экспериментальной установки осуществлялось с помощью лазерного тахометра. Изменение частоты вращения асинхронного двигателя достигалось путем изменения частоты тока в питающей сети благодаря применению частотного преобразователя. Задача тарирования заключалась в определении частоты тока в питающей сети асинхронного электродвигателя, которая соответствует определенной частоте вращения электродвигателя и соответственно определенной частоте нагружения амортизатора в зависимости от жесткости испытуемого амортизатора.
Жесткость испытуемых амортизаторов изменяется от 90 H/мм для амортизатора твердостью 60 ShA до 300 H/мм для полиуретанового амортизатора твердостью 80 ShA и именно этот разброс в жесткости обуславливает необходимость проведения тарировки, данные о которой приведены в табл. 4.1.
Перед началом эксперимента исходя из опыта расчетов и эксплуатации деталей машин с полиуретановым массивом определили диапазон изменения статической нагрузки, действующей на амортизатор. Были приняты в зависимости от твердости полиуретана следующие величины статической деформации: 1,2,3, и 4 мм, что при высоте полиуретанового массива амортизатора 20 мм соответствует относительному сдвигу от 0,05 до 0,25.
Частоту нагружения амортизатора о тарировании которой говорили ранее разбили на пять фиксированных частот: 10, 20, 30, 40 и 50 Гц при которых проводили замер температуры нагрева полиуретанового массива испытуемого амортизатора.
Сам испытуемый амортизатор устанавливали в кондуктор, закрепляли с помощью болтов и вращая подъемные гайки следили за контактом пяты и эксцентрика. Далее равномерно вращая подъемные гайки с помощью колумбуса контролировали равномерность подъема кондуктора относительно плиты. По достижении требуемой величины статической деформации амортизатора положение кондуктора фиксировалось с помощью контргаек. Затем с помощью пульта управления, расположенного на частотном преобразователе, включали вращение электродвигателя и по прошествии определенного времени производили замер температуры полиуретанового массива амортизатора.
Время прогревания полиуретанового массива зависит от величины статического нагружения, амплитуды и частоты нагружения. Благодаря непосредственному постоянному контакту термопары и полиуретанового массива амортизатора экспериментальным путем было определено время прогрева полиуретана, после которого повышения температуры не происходит. Для легкого режима, которому соответствуют малая величина статической деформации, амплитуды и частоты нагружения это время составляет 8 минут, для тяжелого режима, когда благодаря большой величине статической деформации макромолекулы полиуретана становятся в строго ориентированное состояние, амплитуда и частота нагружения имеют максимальные значения, прогрев происходит в течение 5 минут. Данные экспериментальные замеры подтверждают выводы, изложенные в работе [42] [46] [48], о том, что полиуретан в большей степени разогревает скорость нагружения, нежели величина относительной деформации полиуретанового массива.
К недостаткам экспериментальной установки следует отнести нагрев пяты, которая жестко соединена с центральной пластиной амортизатора и через которую передается тепло из зоны трения скольжения нагружающего эксцентрика и пяты к полиуретановому массиву амортизатора.
Для уменьшения нагрева и износа во фрикционном контакте была организована капельная система смазки, при которой из емкости, установленной над вращающимся эксцентриком, трансмиссионное масло в виде капель падало на вращающийся эксцентрик и далее попадало во фрикционный контакт.
При проведении экспериментального исследования этому явлению уделялось постоянное внимание. Перед проведением замера температуры нагрева полиуретанового массива характерного для определенного режима нагружения замерялась температура пяты. Для соблюдения чистоты эксперимента было введено правило: не проводить испытание, если температура пяты выше температуры окружающего воздуха на 2 C.
Величина нагрева пяты напрямую зависит от величины силы трения во фрикционном контакте и составляет для шлифованных хорошо смазанных антифрикционных материалов примерно одну десятую часть от нормальной нагрузки. Сила трения, возникающая во фрикционном контакте пяты и эксцентрика поворачивает центральную пластину испытуемого амортизатора и тем самым нарушает чистоту проведения эксперимента.
Для исключения поворота пластины амортизатора при проведении испытаний были дополнительно спроектированы и изготовлены упоры, которые удерживают нагружающую пяту при перемещении строго в вертикальном положении.
Величина нормальной нагрузки определяется жесткостью испытуемого амортизатора и величиной статической деформации. В зависимости от нормальной нагрузки во фрикционном контакте режимы испытания амортизаторов были условно разделены на три группы: легкий, средний и тяжелый.
Конструкция нагружения испытуемого амортизатора с использованием трения скольжения работоспособна в связи с нагревом и соответствующим износом лишь для легкого режима нагружения.
Необходимость испытания амортизаторов со средним и тяжелым режимом нагружения, а также проведение длительных испытаний по определению долговечности потребовало разработки новой конструкции нагружающей пяты.
В новой конструкции был осуществлен принципиальный переход от трения скольжения первого рода к трению качения или трению второго рода, рис 4.6.
С целью снижения трения и износа в сопряженных поверхностях во время проведения эксперимента производился постоянный контроль за наличием смазки. Пара трения качения (эксцентрик-подшипник качения) как и в случае использования трения скольжения смазывалась капельным способом, а в зону трения пяты и стальной азотированной направляющей периодически добавлялась консистентная смазка.
Анализ экспериментальных данных по определению температуры нагрева полиуретанового массива амортизатора при динамическом нагружении
В дальнейшем коэффициент упругости будет учитывать влияние скорости нагружения полиуретана, размягчение полиуретана под действием температуры и размягчение под действием циклических нагрузок.
При конструировании полиуретановых деталей, работающих в режиме динамического нагружения, следует выбирать такие размеры и конструкцию, чтобы избежать значительного роста температуры.
При периодических многократных деформациях полиуретана, высокоэластичная деформация отстает по фазе от приложенной силы, так как перегруппировка гибких молекул происходит не мгновенно, а со временем. При этом образуется петля гистерезиса. Петля гистерезиса при многократных деформациях в большинстве случаев играет при эксплуатации отрицательную роль, так как является источником образования тепла в полиуретане и, вследствие малой теплопроводности материала приводят к повышению температуры в его массе.
Сила упругого противодействия полиуретанового амортизатора или сила, гасящая колебания, обусловлена внутренним трением в полиуретане и обычно принимается пропорциональной скорости деформации. Сила противодействия амортизатора колебаниям равна произведению жесткости амортизатора на величину его деформации.
Жесткость амортизатора не является величиной постоянной и зависит от величины скорости деформации, от температуры нагрева полиуретанового массива и от размягчения полиуретана при длительном циклическом нагружении.
Далее рассмотрим влияние каждого из перечисленных факторов на величину динамического модуля упругости полиуретана, работающего на сдвиг в условиях динамического нагружения.
В большинстве случаев колебания тел на полиуретановых амортизаторах происходят при сравнительно небольших амплитудах, в пределах которых жесткость амортизатора можно принять независимой от скорости деформации.
Как уже говорилось ранее, скорость при гармонических колебаниях изменяется во времени по синусоидальному закону с той же частотой, что и перемещение. Амплитуда скорости или максимальная линейная скорость при этом равна:
Как известно при правильной установке двигателя на амортизаторах ему должна быть обеспечена возможность колебания в некоторых пределах в любом направлении, т.е. амортизированный двигатель должен иметь все 6 степеней свободы. В этом случае амортизированный объект может совершать линейные колебания вдоль трех осей декартовых координат в пространстве и крутильные колебания вокруг этих трех осей. В общем случае между этими шестью видами колебаний имеются определенные связи, учет которых сильно усложняет расчет амплитуды вынужденных колебаний амортизируемого объекта. В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением колебаний амортизируемого объекта вдоль вертикальной оси.
При проведении сдаточных испытаний полиуретановых амортизаторов, изготовленных научно-производственной фирмой «СПБ», на базе которой была выполнена данная диссертационная работа и дальнейшем наблюдении за работой амортизаторов производилась фотография рабочего дня работы экскаватора.
Целью данного наблюдения было определение времени простоя или времени ожидания, в течении которого двигатель работал на холостом ходу с частотой вращения коленчатого вала примерно 800 об/мин, что соответствует частоте 13 Гц, а также времени, когда двигатель работал с номинальными оборотами 2200 об/мин и соответственно частотой вынужденных колебаний 37 Гц. По результатам наблюдений был сделан вывод: в течении восьмичасового рабочего дня двигатель экскаватора работает на холостом ходу примерно два часа и остальные шесть работает на номинальных оборотах. Эти два основных рабочих режима в дальнейшем будем называть характеристическими: режим холостого хода и режим номинальных оборотов и на них будем проводить испытания по определению долговечности полиуретановых амортизаторов.
Замеры фактической амплитуды колебаний двигателя в соответствие с рекомендациями, приведенными в работе [39] с помощью виброанализатора показали, что амплитуда колебаний лежит в пределах от 0.5мм до 1мм. Фактическая скорость деформирования полиуретанового массива амортизатора вычисленная по формуле (5.10) лежит в пределах от 0,05м/c до 0,25м/с. Подставив данные значения скорости в выражение (5.6) вычислим величину коэффициента динамического ужесточения и увидим, что она составляет от 2 до 5%. Коэффициент динамического ужесточения увеличивает модуль упругости полиуретана и соответственно жесткость амортизатора. Далее перейдем к оценке величины коэффициента температурного размягчения полиуретана.
Помимо замера фактической амплитуды колебаний двигателя с помощью термопары входящей в состав мультиметра производился замер температуры полиуретанового массива амортизатора.
Замеры фактической температуры нагрева полиуретанового массива амортизатора показали хорошее совпадение с расчетной температурой величину, которой определяли по формуле (4.7). В частности, для амортизатора из полиуретана твердостью 70 ShA при величине относительного сдвига =0,15 и работе на номинальных оборотах температура полиуретана, измеренная с помощью термопары составила 38 C, что на два градуса выше расчетной температуры. Данную погрешность в первую очередь можно объяснить условиями теплопередачи и во вторую компановкой силовой установки.
Коэффициент температурного размягчения подсчитанный по формуле (5.7) будет равен примерно 0.88, при температуре полиуретанового массива 36 C.
Изменение модуля упругости полиуретана при сжатии в зависимости от числа циклов нагружения представленное на рис. 1.5 характеризует очевидное падение модуля упругости с ростом числа циклов нагружения, очевидно связанное с разрушением вторичных химических связей внутри эластомера. Кривая описывающая изменение модуля упругости полиуретана качественно совпадает с кривой Веллера, характеризующей усталостную прочность металлов. Количество циклов нагружения в 15 миллионов, после которого падения модуля упругости не происходит, говорит о том, что прошел период стабилизации материала и дальнейшего понижения величины модуля упругости происходить не будет. Это величина 15 миллионов нагружения для полиуретанов аналогична базовому числу циклов нагружения, свойственному металлам, после которого падения прочности также не происходит.
Учитывая достаточно высокую частоту нагружения при которой работают амортизаторы, период стабилизации полиуретанового массива происходит в течении примерно двух месяцев работы. Об этом свидетельствует замер фактической амплитуды колебаний двигателя, из которого следует увеличение амплитуды вынужденных колебаний в связи с уменьшением жесткости амортизатора.
Расчеты амплитуды вынужденных колебаний проведенные в соответствии рекомендациями работы [56] показали совпадение с результатами замеров с точностью ± 8 %.
На основании проведенного анализа коэффициентов, которые определяют величину коэффициента упругости полиуретана была составлена табл. 5.3, в которой для полиуретанов различной твердости приведены значения рекомендуемых относительных деформаций сдвига и величины коэффициента упругости полиуретана.
