Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи восстановления оборудования с использованием новых технологий и материалов
1.1 Современные методы обеспечения функционирования оборудования в промышленности и сфере коммунального хозяйства 13
1.2 Возможности применения композиционных материалов при восстановлении и модернизации различных видов оборудования 20
1.2.1 Металло- и минералонаполненные ремонтные композиционные материалы 20
1.2.2 Анаэробные композиты и их применение в ремонтном производстве 41
1.3 Особенности обработки деталей и узлов, восстановленных с использованием композиционных материалов 51
1.4 Постановка задачи исследования 61
Выводы 68
Глава 2. Теоретические представления об адгезии полимерных композиционных материалов к металлическим и неметаллическим поверхностям
2.1 Теоретические модели адгезии 69
2.2 Методы исследования адгезии 77
2.2.1 Неразрушающие методы определения адгезионной прочности 78
2.3 Исследование адгезионной прочности соединений композиционных материалов с поверхностями металлов 83
2.3.1 Составляющие адгезионной прочности и типы разрушения адгезионных связей, возникающих в соединениях полимер-металл 83
2.3.2 Строение и свойства металлических поверхностей и методы их подготовки для соединения композиционными материалами 89
2.3.3 Условия контактного взаимодействия композита с металлической поверхностью 97
2.3.4 Влияние температурных, временных и технологических факторов на адгезионную прочность соединений полимер-металл 103
2.3.5 Определение математической зависимости адгезионной прочности от площади контактной поверхности 111
Выводы 115
Глава 3. Методология создания ремонтного компаунда холодного отверждения с повышенной температуростойкостью
3.1 Исследование аналогов высокотемпературных ремонтных композитов и разработка технических требований к создаваемому материалу 117
3.2 Теоретические предпосылки создания высокотемпературного ремонтного композита холодного отверждения 127
3.2.1 Исследование теплостойкости композиционных материалов, выбор полимерной матрицы и отверждающей системы компаунда 128
3.2.2 Модификация основных составляющих эпоксидных композиций 133
3.2.3 Влияние наполнителей на характеристики композитов и определение возможности их активации с целью увеличения теплостойкости 138
3.2.4 Методы оценки прочностных характеристик композиционных материалов в зависимости от температуры 147
3.3 Разработка состава металлополимерного компаунда с повышенной теплостойкостью 152
3.4 Экспериментальная отработка состава тепературостойкого компаунда и обеспечение требуемых свойств 158
Выводы 171
Глава 4. Исследование анаэробных композиционных материалов и определение их адгезионных и эксплуатационных характеристик
4.1 Состав и основные свойства анаэробных клеевых и герметизирующих материалов 172
4.2 Методология определения адгезионных характеристик высокопрочных клеевых соединений 181
4.3 Экспериментальные исследования прочностных, теплофизических и демпфирующих свойств анаэробных композиционных материалов 190
4.4 Исследование эксплуатационных факторов при определении адгезионной прочности анаэробных композиционных материалов 202
4.4.1 Влияние жидкостных и агрессивных сред на характеристики анаэробных композитов 202
4.4.2 Определение возможностей ускорения процесса полимеризации анаэробных композитов при производственных и ремонтных работах 207
Выводы 213
Глава 5. Технологические методы восстановления и обеспечения геометрической точности при обработке цилиндрических поверхностей крупногабаритных деталей
5.1 Анализ эксплуатационных дефектов крупногабаритных цилиндрических деталей и технологических методов их восстановления 214
5.2 Методологические основы восстановления точности крупногабаритных цилиндрических деталей 230
5.3 Разработка прогрессивных технологических методов и переналаживаемого оборудования для восстановления геометрических размеров и чистоты поверхности крупногабаритных цилиндрических деталей 240
Выводы 253
Глава 6. Эффективность методов восстановления и модернизации технологического оборудования композиционными материалами
6.1. Методология восстановления и модернизации производственного оборудования композиционными материалами 254
6.2. Технологические основы восстановления и модернизации оборудования 267
6.2.1. Методы применения ремонтных металлополимерных композиционных материалов 267
6.2.2 Методы применения клеевых и герметизирующих композиционных материалов в ремонтно - восстановительных работах 273
6.3 Практическое применение результатов исследования 282
6.4 Экономическая эффективность применения ремонтных композиционных материалов при восстановлении и модернизации оборудования в промышленности и сфере ЖКХ 296
Выводы 305
Заключение 306
Библиографический список 309
Приложения 329
- Современные методы обеспечения функционирования оборудования в промышленности и сфере коммунального хозяйства
- Условия контактного взаимодействия композита с металлической поверхностью
- Экспериментальные исследования прочностных, теплофизических и демпфирующих свойств анаэробных композиционных материалов
- Экономическая эффективность применения ремонтных композиционных материалов при восстановлении и модернизации оборудования в промышленности и сфере ЖКХ
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, в условиях принятых правительством страны решений об инновационном развитии промышленности, сервис в производственной сфере становиться столь же весом, как и оказание услуг населению. К производственной сфере следует отнести не только услуги по поддержанию работоспособного состояния оборудования в промышленности, но и всю сферу услуг по бесперебойному функционированию систем жизнеобеспечения в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) населенных пунктов. Основная задача сервиса состоит в удовлетворении не только индивидуальных, но и общественных потребностей в высококачественных услугах, что, безусловно, имеет место при оказании услуг в производственной сфере и при поддержании работоспособности систем жизнеобеспечения в ЖКХ.
Как показывает практика восстановительных работ производственного оборудования в настоящее время весьма важно использовать при этом прогрессивные технологические решения, которые часто не только восстанавливают оборудование, но также обеспечивают его модернизацию и продление жизненного цикла. Одним из таких примеров является применение ремонтных композиционных материалов (РКМ), которые в последние годы находят все более широкое применение и открывают новые возможности в технологии восстановительных работ различного оборудования. Эти композиты (по сравнению с чистыми полимерами) обладают повышенной жесткостью, твердостью, прочностью и вибростойкостью, адгезионной прочностью к различным материалам, теплостойкостью, стабильностью размеров, а также газо- и водонепроницаемостью. Они способны выдерживать существенные нагрузки и обеспечивают успешную эксплуатацию восстановленных ими металлических, пластмассовых, керамических и других деталей. Их использование позволяет выполнить наибольшую часть ремонтных работ по восстановлению деталей и узлов машин общетехнического назначения: от восстановления посадочных мест под подшипники; заделки трещин и протечек в корпусных деталях, резервуарах, трубопроводах; герметизации сварных швов; восстановлении и герметизации резьбовых и фланцевых соединений до нанесения защитных антикоррозионно-эрозионных и других покрытий.
Экономический эффект от применения композиционных материалов достигается, прежде всего, экономией материальных и энергетических ресурсов и обеспечивается при проведении ремонтно-восстановительных работ оборудования, теплонагревательных приборов, различных трубопроводов при ремонте систем водо-, тепло-, и газоснабжения и т.п. Однако, развитие техники и технологии требует создания гаммы новых РКМ с более высокими физико- механическими свойствами и исследования их характеристик, особенностей поведения в различных агрессивных средах, проведения эксплуатационных испытаний.
Поэтому широкое внедрение РКМ в практику восстановления и модернизации оборудования является особенно актуальной задачей, ибо позволяет заменить традиционные методы соединений (сварку, пайку, наплавку, напыление и т.д.) новым технологическим процессом, получившим название «холодной сварки», обеспечивающим надежное и качественное устранение дефектов, в том числе в аварийных ситуациях.
Представленная работа выполнялась в соответствии с планами НИР РГУТиС, утвержденными Федеральным агентством по образованию (Рособразование), по темам:
- 2001-2002гг. – «Разработка научных основ процессов полимеризации быстроотверждающихся полимерных систем».
- в 2007-2008гг. – «Разработка теоретических основ повышения срока службы деталей машин, композиционными покрытиями с использованием наночастиц и нанотехнологий».
- в 2009г. – «Разработка методологии создания высокотемпературных ремонтных композиционных материалов с нанонаполнителями для восстановления паропроводов теплосетей».
В 2003-2004гг. в соответствии с планом НИР Московского городского комитета по науке и технологиям (МКНТ) проводились договорные работы по выполнению НИОКР, утвержденные Управлением топливно-энергетического хозяйства Правительства Москвы, в том числе по теме «Разработка ресурсосберегающих технологий ремонта городских систем тепло-, газо-, водоснабжения на базе применения новых быстроотверждающихся композиционных материалов».
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка теоретических основ технического обслуживания и модернизации технологического оборудования в промышленности и сфере ЖКХ на базе применения ремонтных композиционных материалов (РКМ). Для реализации поставленной цели решались следующие задачи.
1. Провести анализ и систематизацию РКМ, используемых для восстановления оборудования, выявить возможности расширения их применения и необходимость создания новых композиций с повышенными физико-механическими свойствами.
2. Разработать методологические основы адгезионного взаимодействия композиционных и клеевых материалов с металлическими и неметаллическими поверхностями.
3. Разработать метод формирования состава новых РКМ с повышенной температуростойкостью и определить факторы, влияющие на изменение выходных характеристик.
4. Исследовать основные физико-механические и химические характеристики различных видов РКМ и определить зависимости их изменения от условий эксплуатации.
5. Разработать метод восстановления с использованием РКМ крупногабаритных цилиндрических деталей и технологическое оборудование для чистовой обработки восстановленных поверхностей.
6. Разработать методологические основы восстановления оборудования с использованием РКМ и оценить технико-экономический эффект при восстановлении оборудования в промышленности и сфере ЖКХ.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке новых технологических методов восстановления и модернизации оборудования в промышленности и сфере ЖКХ на базе создания и применения прогрессивных клеевых и композиционных материалов. На основе проведения комплекса теоретических, экспериментальных и технологических исследований:
- разработаны методологические основы адгезионного взаимодействия композиционных материалов с металлическими и неметаллическими поверхностями;
- разработан метод формирования составов новых РКМ с повышенной температуростойкостью и определены факторы, влияющие на их выходные характеристики;
- определены зависимости эксплуатационных свойств композиционных материалов от режимов работы технологического оборудования;
- на основе использования РКМ разработан метод восстановления крупногабаритных цилиндрических деталей и технологическое оборудование для чистовой обработки восстановленных поверхностей;
- дано теоретическое обоснование технологических методов устранения дефектов оборудования в промышленности и сфере ЖКХ с учетом условий их эксплуатации, что позволяет значительно сократить затраты по восстановлению их функционального состояния.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Методология применения РКМ при восстановлении и модернизации оборудования на предприятиях и в сфере ЖКХ будет способствовать широкому распространению предлагаемых прогрессивных технологических процессов.
Разработан комплекс технической и технологической документации по новым материалам и технологиям их применения, в том числе справочные пособия для предприятий Целлюлозно-Бумажной промышленности (ЦБП) и ЖКХ. Создано высокопроизводительное переналаживаемое оборудование для чистовой обработки крупногабаритных цилиндрических деталей, восстановленных с использованием композиционных материалов.
Для функционирования систем жизнеобеспечения г. Мытищи внедрена технология восстановления деталей и узлов центробежных насосов с использованием композиционных материалов. Рекомендованы для применения ремонтные комплекты инструмента и композиционных материалов.
Технология восстановления крупногабаритных металлических, гранитных валов с использованием композиционных материалов внедрена на предприятиях полиграфической и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности.
Технология восстановления оборудования с использованием композиционных материалов не требует энергетических затрат, имеет широкую область применения и обеспечивает высокий экономический эффект.
Предлагаемые научно-технические решения используются в учебном процессе при подготовке студентов специальности 100101 «Сервис» по курсам «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов» в РГУТиС.
Личное участие автора заключается в постановке и решении задач по разработке методологических основ сервиса технологических систем в промышленности и сфере ЖКХ с использованием гаммы РКМ; разработке методологии формирования составов новых композитов с повышенными физико-механическими характеристиками: в исследовании адгезионных свойств композиционных материалов, установлении зависимостей их поведения в агрессивных средах, при различных технологических и эксплуатационных ситуациях; в создании методов выбора композиционных материалов и прогнозирования долговечности их работы.
Автором экспериментально обоснован, разработан и внедрен на предприятиях ЖКХ и других отраслей промышленности сервисный метод восстановления и модернизации оборудования в производственных условиях, который учитывает конкретные условия эксплуатации объектов и позволяет многократно сократить затраты на восстановление и поддержание их работоспособного состояния.
Основные положения диссертации, которые выносятся на защиту:
- методологические основы адгезионного взаимодействия композиционных материалов с металлическими и неметаллическими поверхностями;
- результаты исследования адгезионной прочности соединений, выполненных с использованием композиционных материалов, в зависимости от методов обработки соединяемых поверхностей;
- результаты исследования химической стойкости композиционных материалов и метод прогнозирования долговечности их работы;
- зависимости адгезионных свойств анаэробных клеев и герметиков от химической активности среды, технологических и эксплуатационных факторов и методология выбора анаэробных материалов для применения в конструкциях изделий и в ремонтных целях;
- метод технического обслуживания по восстановлению основных деталей и узлов оборудования на предприятиях и в сфере ЖКХ с использованием комплекса прогрессивных полимерных композитов;
- результаты внедрения методов восстановления и модернизации оборудования с использованием металлополимерных и анаэробных композитов на промышленных предприятиях и в сфере ЖКХ;
- метод формирования составов новых РКМ с повышенными физико – механическими характеристиками;
- метод восстановления с использованием РКМ крупногабаритных цилиндрических деталей и создание технологического переналаживаемого оборудования для чистовой обработки восстановленных поверхностей.
Достоверность полученных результатов обеспечивается согласованием теоретических и экспериментальных исследований, использованием современных методов и испытательной аппаратуры, новейших научных приборов для исследования свойств композиционных материалов, большим объемом экспериментальных исследований, выполненных автором, и базируется на использовании методов математической статистики, широким внедрением предложенных технических решений.
Апробация работы. Основные положения, результаты исследований и их практическое применение неоднократно докладывались на научно-технических конференциях, проводимых на международных и отечественных выставках в 2000-2011гг., в том числе «Комплексная поставка, ремонт и модернизация оборудования» на международной промышленной неделе, КВЦ Сокольники, 2003г.; «Проблемы технического перевооружения предприятий ЦБК» на выставке «Papexpo – 2003»; «Восстановление и реставрация каменных поверхностей» на выставке «Камень – 2004»; «Горные машины и оборудование» - «Неделя горняка – 2004»; «5-ая юбилейная конференция руководителей механических и ремонтных служб ЦБП», Санкт-Петербург, 2005г.; на ежегодных Международных научно-практических конференциях «Наука-сервису», РГУТиС 2005-2011гг.; на 3 (XV) Международной научно-практической конференции «Материаловедение -2010», РГУТиС; на 12-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», СПб, 2010г.
Публикации Основное содержание диссертации отображено в 50-ти публикациях в журналах, сборниках трудов и тезисах конференций, рекомендациях и нормативных документах, в том числе в двух монографиях, 42 статьях, из них 15 в журналах, рекомендованных ВАК, 6 патентах на изобретения.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав общих выводов, библиографического списка и приложений. Диссертация изложена на 436 страницах, содержит 104 рисунка, 33 таблицы. Список литературы включает 215 наименований. Приложения представлены на 51 странице.
Современные методы обеспечения функционирования оборудования в промышленности и сфере коммунального хозяйства
Основой деятельности любого предприятия является производственный процесс-совокупность взаимосвязанных процессов труда и естественных процессов, обеспечивающих непосредственное изготовление выпускаемой продукции и выполнение других работ обеспечивающих их производство. В сфере жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) это обеспечение работы систем жизнеобеспечения, то есть оказание услуг населению. Обеспечение этих процессов невозможно без постоянного контроля за их функционированием, а, следовательно, без постоянного контроля за работой обеспечивающего оборудования.
В условиях экономической реформы, осуществляемой на современном этапе в нашей стране, сфера сервиса становится особенно важным фактором в развитии рыночных отношений и вовлечения широких слоев населения для оказания услуг не только на бытовом уровне, но и в производственной сфере. С развитием производственных сил общества усиливается производственный, хозяйственный аспект. В настоящее время около 70% населения развитых стран занято в сфере услуг и в ближайшей перспективе тенденция опережающего роста сферы сервиса будет определяющей в современном обществе [122, 131]. При этом производственный сервис будет столь же весом, как и оказание услуг населению. К производственной сфере следует отнести не только услуги, по поддержанию работоспособного состояния оборудования в промышленности, но и всю сферу услуг по бесперебойному функционированию систем жизнеобеспечения в жилищно-коммунальном хозяйстве городов и населенных пунктов. Таким образом, концепция современного сервиса включает, наряду с традиционными и новыми представлениями о бытовом обслуживании, концепции промышленного сервиса, к каковым следует отнести сервис технических и технологических систем.
Примером реализации сервисной концепции является разработанная и впервые опробованная специалистами машиностроительной фирмы «Andritz» (Австрия) сервисная концепция ОПЭ (Общая производственная эффективность). Данная концепция предоставляет возможность непрерывного мониторинга процессов и оборудования, круглосуточную удаленную экспертную поддержку, срочные поставки запасных частей, восстановление и предоставление регулярных текущих отчетов о результатах работы, а также обучение персонала заказчика [68].
Подробно сервис производственных систем на современном этапе рассмотрен в Приложении 1.
При реализации сервисной концепции реализации проекта, положительный результат достигается только благодаря эффективному сочетанию двух необходимых составляющих: использования прогрессивных технологий и качества выполнения сервисных услуг.
В настоящее время, характеризующейся перестройкой в системе ЖКХ городов и населенных пунктов, коммунальными службами крупных городов все более пристальное внимание уделяется перспективным технологиям восстановления таких важных систем жизнеобеспечения человека, какими являются, водоснабжение, теплоснабжение и газоснабжение. Важнейшими элементами этих систем являются трубопроводы и оборудование, которые работают в различных температурных условиях, но имеют общий характер дефектов и разрушений. Однако, как показывает практика последнего времени, именно новые материалы и технологии способны оперативно устранять возникающие при эксплуатации дефекты трубопроводов.
Трубопроводы - это артерии промышленности и жизнеобеспечения человека, без них невозможна какая-либо производственная деятельность и нормальная работа системы городского коммунального хозяйства, т.е. организация нормального водоснабжения, теплоснабжения и газоснабжения. Трубопроводы используются для транспортировки жидкостей, газа, а также твердых веществ, перемещаемых под давлением. Использующиеся для этих целей трубы и трубопроводы по самым разным причинам могут повреждаться и протекать. Коррозия и воздействие химических веществ приводят к прогрессирующему уменьшению толщины стенок труб, вплоть до образования проходных отверстий; в сварных трубопроводах может появиться утечка из-за дефектов сварного шва. Замерзание жидкости в закупорившихся трубопроводах под воздействием низких температур также может иметь тяжелые последствия. Полностью вывести из строя трубы и трубопроводы также могут и абразивные материалы. Это обычно происходит возле колена трубы и Т-образных соединений, так как в этих местах абразивные материалы ударяются о стенки труб, а также в заслонках, задвижках и т.п. Аварийное состояние труб или трубопроводов может привести (как крайний случай) к прекращению всей производственной деятельности предприятия или приостановить подачу продуктов жизнеобеспечения (воды, тепла, газа) в населенные пункты. Жидкость или газ, вытекающие из отверстий в трубопроводах могут образовывать взрывоопасные смеси или причинять вред, связанный с загрязнением окружающей среды. Эрозионная коррозия, вызванная наличием пара на торцах фланцев, может осложнять проведение технического обслуживания, а усталостные изломы на вентиляционных каналах охлаждающего устройства являются причинами многочисленных неполадок.
Срок службы трубопроводов зависит от материала, из которого он изготовлен. Например, стальные водо- и теплопроводы должны эффективно эксплуатироваться в течении 20-25 лет, а чугунные - до 60 лет. Однако старение коммунальных сетей трубопроводов, снижение их пропускной способности может наступить и в более ранние сроки (через 5-10 лет после их прокладки) из-за влияния отдельных или совокупности ряда следующих факторов: несоответствие материала труб условиям эксплуатации, нарушения условий прокладки трубопроводных систем в соответствующих грунтах, агрессивного характера воды или теплоносителя, коррозии стенок, возможности накипеобразования, биообрастаний и т.п [96, 183, 184].
Основными видами повреждений (дефектов), вызывающих аварии на трубопроводах системы водоснабжения являются: для стальных труб -сквозные проржавления (до 70% по опыту Московского водопровода); для чугунных труб -нарушение герметичности раструбных соединений (до 12%) и переломы труб (16%). Преобладающее количество повреждений приходится на трубы малого диаметра (до 200 мм), что составляет около 75% их общего количества. Главные причины повреждений водопроводов - износ труб, низкое качество материала, избыточные напоры, наружная и внутренняя коррозия, резкие сезонные перепады температуры и другие факторы [183].
Специальные исследования, проведенные в нашей стране, позволили выявить частоту дефектов, которые были классифицированы как структурные (продольные, круговые и микротрещины) и приобретенные (ржавчина, свищи, трещины, биообрастание, наносы, деформация, разрушение стыков и т.п.). Из 90 км трассы трубопроводов 11,8 км были в той или иной степени подвержены различным дефектам. Порядка 2% дефектов (при длине трубопровода 1,8 км) были оценены как существенные. В среднем, на 1 км длины трубопроводов приходилось 88 дефектов. Исследования показали, что на долю приобретенных дефектов приходится 55% от их общего количества [183]. Традиционным методом ремонта водопроводных сетей является замена дефектных участков трубопроводов.
В теплоснабжающих системах наиболее ответственной и наименее надежной составной частью также являются трубопроводы тепловых сетей. Многолетний отечественный и зарубежный опыт эксплуатации тепловых сетей указывает на их недолговечность, что обусловлено, главным образом, низкой коррозионной стойкостью трубопроводов тепловых сетей, что приводит, в итоге, к появлению свищей, сквозных язв и трещин [ 184].
Условия контактного взаимодействия композита с металлической поверхностью
Установление качественного молекулярного контакта - необходимое условие получения прочного адгезионного соединения. К наиболее важным показателям контактирования относится смачивание субстрата адгезивом [7], которое характеризует процесс самопроизвольного уменьшения свободной поверхностной энергии системы, состоящей из трёх соприкасающихся фаз. Смачивание определяется применительно к капле жидкости, находящейся на твердой поверхности (рис.2.7)
В уравнении Юнга, связывающем поверхностные натяжения с равновесным контактным углом 0 Ysi— натяжение между твёрдым телом и жидкостью; Ук — натяжение между жидкостью и паром; ys —натяжение между твёрдым телом и паром.
Шарп и Шонхорн [211] предложили критерии оценки процесса самопроизвольного растекания, показав, что ys для адгезива должно быть меньше, чем для субстрата:
Таким образом, критерий Шарпа и Шонхорна показывает первостепенную роль контактного угла в подвижности жидкого адгезива. Такой адгезив легко растекается по поверхности, обеспечивая достаточно полный межфазный контакт, и не образует полостей и пустот, являющихся заведомо слабыми зонами адгезионных соединений. Установлено, что низкое значение свободной межфазной поверхностной энергии [181] характеризует более прочное адгезионное взаимодействие.
Существенное влияние на процессы склеивания оказывает окружающая атмосфера. Подготовленная стальная поверхность после механической обработки имеет высокую химическую активность и взаимодействует со всеми окружающими веществами. Адсорбция молекул газов и паров наиболее заметна при образовании на металлической поверхности оксидных слоев. Адсорбируемый из атмосферы кислород и водяной пар значительно снижает свободную поверхностную энергию и препятствует растеканию адгезива. Смачиваемость малоуглеродистой стальной поверхности (рис.2,8) после шлифования и дробеструйной обработки зависит от влажности воздуха [124 ].
Свободная поверхностная энергия ysv [мДЖ/м2]
Величина ysv снижается с ростом влажности по линейной зависимости, что определяет более прочное адгезионное соединение при меньшей влажности. Снижение прочности с ростом влажности отмечено сравнением процессов формирования адгезионных соединений в условиях сухой и влалшой атмосфер. При влажности 95% прочность соединения составила всего 7% от максимальной [13].
Шероховатость поверхности оказывает влияние на кинетику растекания и смачивания адгезивом поверхности субстрата. Жидкость с контактным углом смачивания менее 90 может заполнять узкие поры, царапины, дефекты рельефа за счёт капиллярных явлений. Бэском [200] установил, что наличие беспорядочных царапин на смачиваемой поверхности может увеличивать скорость растекания на 50%.
Хантсбергер [207] показал, что критерий Шарпа и Шонхорна [211] некорректен и, используя коэффициент шероховатости для твёрдой поверхности її, получил изменение свободной энергии Wi при формировании межфазной поверхности единичной площади:
Смачивание всегда сопровождается уменьшением свободной энергии [], за исключением случаев, когда rr.-cos0 -1. Поэтому, для большинства используемых на практике адгезионных систем, когда контактный угол адгезива на субстрате не превышает 90 (cosG 0) термодинамическое равновесие системы соответствует состоянию полного смачивания. При значительной величине контактного угла адгезив не будет самопроизвольно растекаться и полностью смачивать субстрат. Следовательно, максимальная скорость распространения адгезива по поверхности связана с низким значением контактного угла и не зависит от массы капли [205]. Процесс растекания заканчивается достижением равновесного значения уменьшающегося контактного угла 6 и ускоряется с повышением температуры.
Соотношение площадей шероховатой и гладкой поверхностей к% пропорционально свободной поверхностной энергии [205], которая зависит от большого числа факторов. Соотношение поверхностных натяжений шероховатой у1Г " и гладкой уж твердых поверхностей может быть представлено как:
Коэффициент R\ показывает во сколько раз увеличилась фактическая площадь шероховатой поверхности по сравнению с гладкой и может быть установлен по краевому углу смачивания:
Сма1швание шероховатых поверхностей определяет площадь контакта адгезива с поверхностью и может быть учтено, как отмечено ранее, при помощи коэффициентов R,\ и R,\ .
Коэффициент R\ равен отношению площади фактического контакта капли с учётом шероховатости поверхности Sk к площади капли на гладкой поверхности St: где z, х — текущие значения, характеризующие высоту выступов и расстояние между ними. Площадь Sk и коэффициент R\ зависят от высоты выступов шероховатой поверхности z и расстояния между этими выступами х. Так как Sk всегда больше Sk, то значение R,\ всегда больше "1". Однако на практике неравенство R,\ 1 справедливо при условии смачивания адгезивом впадин шероховатой поверхности и замены границы раздела "твёрдое тело -газ" на границу раздела "твёрдое тело - адгезив" в этих впадинах. Реально адгезив не полностью заполняет впадины шероховатой поверхности (рис.2.10).
Если обозначить часть площади под каплей, которая не соприкасается с твёрдой поверхностью, через Sk", то фактическая площадь контакта уменьшится и будет равна Sk - Sk". Тогда относительная площадь контакта адгезива с шероховатой поверхностью по сравнению с гладкой поверхностью с учётом ограниченного смачивания впадин шероховатой поверхности будет определяться коэффициентом RA :
Относительная величина г}\ характеризует часть впадин шероховатой поверхности, которая не смачивается адгезивом. Таким образом можно учесть особенности формирования площади контакта при смачивании адгезивами шероховатых поверхностей.
После затвердевания жидкого адгезива на шероховатой поверхности возможно образование пустот, трещин, пор, незаполненных углублений, которые являются концентраторами напряжений и ослабляют адгезионное соединение.
Экспериментальные исследования прочностных, теплофизических и демпфирующих свойств анаэробных композиционных материалов
Основным показателем любого соединения с применением анаэробных продуктов является прочность соединения, зависящая, прежде всего, от свойств выбранной марки анаэробного продукта и размеров соединяемых поверхностей. Поэтому представляется возможным рассчитать необходимую прочность соединения путем выбора из широкого ассортимента анаэробных продуктов той марки, которая обладала бы оптимальной прочностью для данных условий, а также на основании заданных размеров соединения и характера действия нагрузки.
На прочность соединения, как было отмечено ранее, существенное влияние оказывает поверхность соединяемых деталей. Понятие поверхность включает: геометрическую поверхность, которая соответствует размерам соединяемых поверхностей; действительную поверхность, которая получается с учетом шероховатости поверхностей; реальную поверхность, которая соответствует поверхности, действительно смоченной анаэробным продуктом. Увеличение поверхности за счет числа и высоты гребешков микронеровностей способствует ускорению процесса полимеризации, но до определенных пределов, так как наличие воздуха в глубоких впадинах будет замедлять процесс полимеризации и снижать прочностные показатели соединения. С целью определения влияния шероховатости поверхности соединяемых деталей были проведены экспериментальные исследования на отечественных образцах анаэробных материалов.
Определение оптимальной шероховатости сопрягаемых поверхностей проводилось на стандартных грибковых образцах (ГОСТ 14760-69) из материала АД-1 с покрытием анодное оксидирование и на образцах типа "вал-втулка" (высота втулки и диаметр равны 10 мм) из стали 45 с покрытием химическое фосфатирование. Испытаниям подверглись анаэробные продукты АН-1 и АН-2 по критерию разрушающего напряжения при отрыве на грибковых образцах с учетом фактора времени, продукты АН-2 и УГ-1 по критерию разрушающего напряжения при сдвиге на образцах типа "вал-втулка" в исходном состоянии, т.е. по истечении 24 часов после сборки. Грибковые образцы собирались до соприкосновения поверхностей с шероховатостью Rz = 80 мкм, Rz = 20 мкм, Rz = 1,25 мкм. а образцы типа "вал-втулка" с максимально возможными зазорами: для Rz = 80 мкм - 0,72 мм, для Rz = 20 мкм - 0,4 мм, для Ra =1,25 - 0,06 мм.
Сборка грибковых образцов производилась с активатором и без него, все образцы "вал-втулка" были собраны с применением активатора [173]. Зависимость разрушающего напряжения при отрыве грибковых образцов от шероховатости сопрягаемых поверхностей представлена на рисунке 4.10. Результаты испытаний АН-1 и УГ-1 на образцах типа "вал-втулка" представлены на рисунке 4.11. Здесь время представлено в логарифмической сетке. В результате проведенных испытаний установлено, что максимальная прочность соединений у образцов с шероховатостью поверхности Rz = 20 мкм; на поверхностях с этой шероховатостью набор прочности происходит быстрее.
Анаэробным продуктам, как и другим полимерным материалам, свойственна неодинаковая прочность под действием различных видов нагрузки. На соединение действуют три основных вида нагрузки: сдвигающая (срезающая), растягивающая, растягивающее - срезающая с неравномерным отрывом. Разрушающее напряжение при сдвиге хсст в МПа, характеризует прочность резьбового соединения в начальный период страгивания (отвинчивание) и рассчитывается по формуле: где Мс - крутящий момент страгивания (И-м); d - средний диаметр резьбы, мм; Н - высота гайки, мм.
Разрушающее напряжение при сдвиге (трение) тр, МПа. характеризует прочность резьбового соединения при последующем отвинчивании (на один оборот) и определяется по среднему арифметическому моменту отвинчивания, полученного эмпирически с помощью тарировочиого ключа, и определяется по формуле: где Mo - среднее арифметическое значение крутящего момента отвинчивания, измеренного при повороте гайки на углы 90, 180, 270 и 360 Нм; d - средний диаметр резьбы, м; Н — высота гайки, м.
Определение значений хсст и хр производились на стандартных резьбовых образцах (болт-гайка) по ГОСТ 5915-70 с резьбой М10х1,5, изготовленных из стали 45. Использовался также ключ с регулируемым крутящим моментом по ГОСТ 7068-54.
Прочность при срезе в цилиндрическом соединении тцс определялась путем измерения момента страгивания при отвинчивании (страгиваиие) втулки и рассчитывалась по формуле: где Мс - момент страгивания, Нм; d - диаметр втулки, м; L - длина контактируемых деталей
Значения Ос определялись на стандартных цилиндрических образцах типа «вал-втулка» с d = 12,7 мм, отношением L/d = 0,8, диаметральным зазором 0,05 мм, шероховатостью обработки поверхностей Ra = 2,5 мкм, изготовленных из стали ІХІ8Н9Т.
По прочности все марки анаэробных продуктов условно разделяют на три группы: высокопрочные, средней прочности и низкопрочные, которые в зависимости от конструкционных признаков изделий могут образовывать разборные или неразборные соединения. При неразборном соединении разрушение происходит по основному материалу, например, скручивается головка болта.
Прочность соединения является универсальным и комплексным показателем. По изменению прочности соединения, измерения в различных условиях, производится оценка правильности выбора марки анаэробного продукта и влияния того или иного фактора. Все факторы, влияющие на прочность соединения, условно можно разделить на 3 группы: конструкционные, технологические и эксплуатационные.
Поскольку прочность соединений зависит от марки анаэробного продукта и конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов, то можно указать на только общие тенденции изменения прочности или привести результаты испытаний при определенных условиях и режимах. Отдельные параметры можно сравнить только в том случае, если при испытаниях используются одни и те же методы и условия. Опытным путем была установлена тенденция к повышению прочности соединений с ростом прочности соединяемых материалов.
Однако это положение справедливо до определенных пределов, так как с ростом прочности соединяемых материалов связаны уменьшения показателей удлинения и возникновение неравномерных деформаций. С другой стороны, деформация соединяемых материалов с большим удлинением может принять такие размеры, что будут превышены границы прочности сцепления анаэробного продукта и разрушение наступит раньше, чем у материалов с небольшим удлинением.
Для правильного назначения соединений необходимо учитывать и масштабный фактор, так как прочность соединения снижается с увеличением площади соединения. Поэтому для неразборных соединений необходимо стремится к равенству напряжений в материале сопрягаемых деталей и в самом соединении.
Экономическая эффективность применения ремонтных композиционных материалов при восстановлении и модернизации оборудования в промышленности и сфере ЖКХ
Технология ремонта композиционными материалами отличается значительной экономией энергоресурсов, не свойственных технологиям сварки, пайки, наплавки, напыления.
Рациональное использование свойств ремонтных композиционных материалов позволяет снизить трудоемкость ремонта на 20-60%, себестоимость работ - на 45-60%, сократить расход металла на 40-50%. Это обусловлено тем, что такая технология не требует сложного оборудования и высокой квалификации работающих, появляется возможность производить ремонт без разборки узлов и агрегатов, а также соединений, которые с точки зрения безопасности, трудно и опасно ремонтировать известными способами.
Основные преимущества технологий ремонта с использованием композиционных материалов заключаются в сокращении сроков ремонта в 5-10 раз по сравнению с традиционными методами. Эксплуатация отремонтируемых объектов показывает, что срок их службы может увеличиваться до 10 раз.
Опыт использования ремонтных композиционных материалов позволил систематизировать эффект их применения и представить в виде таблицы 6.5, отражающей стоимость ремонта типовых деталей и узлов систем жизнеобеспечения в сравнении с традиционными видами ремонта.
При расчетах экономического эффекта в денежном выражении необходимо учитывать следующие моменты:
- внедрение технологического процесса или способа восстановления для деталей, которые до этого выбраковывались и не восстанавливались, т.е. отсутствие процесса, с которым можно было бы сравнить новый процесс;
- сравнение внедряемого способа с другим способом, например применение композиционных материалов со сваркой;
- усовершенствование существующего способа, например применение композитов с улучшенными свойствами.
Исходя из этих положений, была разработана методика определения экономической эффективности от внедрения мероприятий по ремонту изделий с использованием композиционных материалов, в соответствии с которой были проведены все расчеты эффективности.
Основным показателем при оценке экономической эффективности восстановления изношенных деталей и определения того или иного способа восстановления служит себестоимость восстановления [155]. Этот показатель характеризует совершенство технологии восстановления детали, которое определяется, в свою очередь, трудоемкостью процесса и степенью дефицитности используемых материалов, а также рядом других показателей. Себестоимость восстановления деталей обычно составляет 10...40 % себестоимости новых. Современные технологии ремонта, к каковым относится и технология ремонта с применением композиционных материалов, позволяют восстанавливать многие детали так, что их эксплуатационные свойства превышают эксплуатационные свойства новых деталей. Поэтому экономическая целесообразность является важным фактором при ремонте изделий.
В таблице 6.6. приводятся результаты расчетов экономической эффективности, полученной в 2004 г. от ремонта трубной доски теплообменника на лесопромышленном комплексе г. Сыктывкар в сумме 834, 5 тыс. рублей и от работ по восстановлению посадочных мест под подшипники на валах перекачивающих насосов на ГУП «Мытищинская теплосеть» в сумме 283 тыс. рублей.
Проведенные ранее автором работы по внедрению технологий ремонта с использованием композиционных материалов также показали высокую эффективность их использования. В таблице 6.6 показана эффективность ремонтных работ, проведенных в 1997 году для одного из предприятий жилищно-коммунального хозяйства г. Москвы, а именно ПУ «Зеленоградводоканал».
В приложении 12 также приведен перечень ремонтных работ, выполненных в 1996г. на судах Московского речного пароходства в г.Долгопрудный на филиале Хлебниковской базы флота. Здесь также использование металлополимерных материалов обеспечило восстановление объектов и высокий экономический эффект в сумме около 330 млн. рублей (в ценах 1996г.).
Таким образом, широкое внедрение технологии ремонта с использованием композиционных материалов в практику работы предприятий ремонтных служб, в том числе и в жилищно-коммунальном хозяйстве обеспечивает высокий народохозяйственный эффект, в пределах РФ.
Применение композиционных материалов, каковыми являются металлополимеры и анаэробные продукты, для восстановления и модернизации оборудования обеспечивает значительное повышение жизненного цикла оборудования и систем жизнеобеспечения.
Эффективное использование физико-механических и химических свойств полимерных композиционных материалов позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта различных изделий и систем, что обуславливается следующими особенностями не использования:
- технология с использованием полимерных композиций не требует сложного оборудования и высокой квалификации работающих;
- при использовании полимерных композиций появляется возможность производить ремонт без разборки узлов и агрегатов;
- использование полимерных композиций во многих случаях позволяет не только заменить сварку, пайку или наплавку, но и производить ремонт таких изделий и узлов, которых другими известными методами отремонтировать невозможно;
- применение полимерных композиций позволяет восстановить детали, минуя сложные технологические процессы получения новых деталей и их обработку;
- технология ремонта композиционными материалами отличается значительной экономией энергоресурсов, не свойственных технологиям сварки, пайки, наплавки, напыления и др.
Использование металлополимеров в качестве соединительных элементов и в ремонтных целях позволяет заменить традиционные методы соединений (сварку, пайку, клепку и т.п.) новым технологическим процессом "холодная сварка" (склеивание, формование, заделка дефектов с помощью металлополимерных материалов), основными достоинствами которого являются:
- возможность проведения ремонта в полевых и производственных условиях без подвода энергии;
- возможность выполнения ремонта в неудобных и труднодоступных местах; восстановление фрагментов деталей без применения специальной оснастки и инструмента;
- возможность проведения срочного (аварийного) ремонта в течение короткого времени (3-4 мин.) с помощью ремонтных материалов ускоренного отверждения; высокая технологичность и простота приготовления смеси, вследствие чего не требуется дополнительного обучения пользователя; возможность соединения разнородных материалов между собой в различных сочетаниях;
- возможность использования металлополимеров в качестве конструкционных материалов.
