Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса. цель и задачи исследования 9
1.1. Уплотнители, применяемые для герметизации неподвижных фланцевых соединений 9
1.2. Герметичность неподвижных разъемных фланцевых соединений с прокладками из традиционных материалов и герметиков 22
1.3. Выводы, цель и задачи исследования 28
2. Теоретические основы долговечности неподвижных фланцевых соединений с жидкими прокладками 31
3. Программа и методика экспериментальных исследований 47
3.1. Общая методика исследований 47
3.2. Методика исследования стойкости жидких прокладок к воздействию рабочих жидкостей 50
3.3. Методика исследования деформационных свойств, термомеханических характеристик и теплостойкости анаэробных герметиков 51
3.4. Методика исследования герметизирующей способности жидких прокладок 58
3.5. Методика исследования стойкости фланцевых соединений с жидкими прокладками к старению и вибрации 62
3.6. Обработка результатов экспериментов, определение повторности ошибок опытов 64
4. Результаты исследований и их анализ 66
4.1. Результаты исследований и анализ стойкости жидких прокладок в рабочих жидкостях 66
4.2. Результаты исследований и анализ деформационных свойств, термомеханических характеристик и теплостойкости анаэробных герметиков 68
4.3. Результаты исследований и анализ герметичности фланцевых соединений с прокладками из анаэробных герметиков 87
4.4. Результаты исследований и анализ стойкости фланцевых соединений с жидкими прокладками к старению и вибрации 104
4.5. Выводы по результатам исследований ПО
5. Рекомендации производству и технико-экономическое обоснование 113
5.1. Технологическое обоснование
5.2. Расчет экономического эффекта от внедрения технологического процесса герметизации неподвижных фланцевых соединений прокладками из анаэробных герметиков отечественного
и зарубежного производства 116
Общие выводы 128
Библиографический список 131
Приложения 140
- Уплотнители, применяемые для герметизации неподвижных фланцевых соединений
- Теоретические основы долговечности неподвижных фланцевых соединений с жидкими прокладками
- Общая методика исследований
- Результаты исследований и анализ стойкости жидких прокладок в рабочих жидкостях
- Технологическое обоснование
Введение к работе
За последние 10 лет валовая продукция сельского хозяйства уменьшилась на 40 % , а износ основных фондов превысил их восстановление более чем в 10 раз. Поставки сельскому хозяйству тракторов в 1999 году по сравнению с 1990 г. снизились в 24 раза, зерноуборочных комбайнов - в 53 раза, кормоубо-рочных - в 30 раз, грузовых автомобилей - в 100 раз [1... 4].
Парк тракторов к уровню 1990 г. снизился на 35 %, зерноуборочных комбайнов - в 2 раза, кормоуборочных - на 42 %. Обеспеченность основными ее видами в настоящее время составляет 45...60 % от нормативной потребности [5]. Средний возраст тракторов и зерноуборочных комбайнов составляет 10 -12 лет [6].
Резкое сокращение МТП приводит к систематическому нарушению технологии производства сельскохозяйственных работ, агротехнических сроков уборки, росту себестоимости продукции [7]. Для его восстановления селу необходимо поставить 560 тыс. тракторов, 172 тыс. зерноуборочных и 383 тыс. кормоуборочных комбайнов, 865 тыс. грузовых автомобилей [6].
В создавшихся условиях основная часть сельхозпроизводителей не в состоянии приобрести новую технику, а заводы сельхозмашиностроения - организовать производство машин в прежних объемах [8]. Цена же зарубежной техники с учетом таможенных пошлин и НДС в 5-7 раз выше аналогичной отечественной [9].
При этом ремонтно-обслуживающая база АПК теряет технологический уровень и все больше отделяется от сельского хозяйства. Более 50 % ее мощностей изменили профиль своей специализации [3]. Ремонтные предприятия не в состоянии осваивать новые технологические процессы ремонта машин, приобретать дорогостоящее оборудование и материалы. Поэтому в сложившейся ситуации необходимо разрабатывать и осваивать новые способы восстановления деталей и соединений, не требующие наличия сложного технологического оборудования, позволяющие не только снизить расход финансовых средств и трудозатраты, но и увеличить долговечность отремонтированной техники.
На долговечность и эффективность использования сельскохозяйственной техники значительное влияние оказывает герметичность неподвижных фланцевых соединений двигателей и других агрегатов. Однако 44 % тракторов работают с нарушенными уплотнениями коробок передач, 69 % - тормозных камер и 31 % - гидросистем [10].
В результате аварийных разливов и утечек при эксплуатации сельскохозяйственной техники ежегодно теряются 220 тыс.т топливосмазочных материалов, выводятся из пользования до 2 тыс. га плодородной земли, теряется свыше 5 млн. т сельскохозяйственной продукции [11]. По данным фирмы Loctite (США) потери рабочих жидкостей из-за несовершенства уплотнений в агрегатах автомобилей достигают 30 % [12]. Актуальность экономии топливо-энергетических ресурсов в настоящее время существенно возросла. Их удельный вес в производстве сельскохозяйственной продукции составляет более 45 %. Годовая потребность в дизельном топливе тракторного парка страны составляет 9,5 млн.т [13]. Кроме того, из-за нарушения герметичности соединений ухудшаются условия смазки сопряженных трущихся поверхностей, смазочные материалы засоряются абразивными частицами, что увеличивает интенсивность изнашивания и снижает долговечность деталей.
При повышении степени герметичности соединений можно уменьшить расход топливосмазочных материалов, повысить ресурс деталей и уменьшить отрицательное влияние машин на экологическую обстановку.
Герметичность неподвижных разъемных фланцевых соединений обеспечивают наиболее часто прокладками из листовых и формованных материалов (па-ронит, картон, асбест, фибра, резина, кожа и др.). Их использование требует строгой параллельности сопрягаемях поверхностей, определенной микро- и макрогеометрии, отсутствия повреждений, а также высокого контактного дав- ления, которое можно обеспечить при определенной жесткости деталей. Особую трудность представляет обеспечение параллельности сопрягаемых поверхностей при ремонте машин в результате деформации деталей и их механических повреждений во время эксплуатации.
Поэтому в машиностроении для уплотнения неподвижных фланцевых соединений в последнее время всё более широко применяют герметики, которые получили наименование жидких прокладок. Перед нанесением герметики находятся в вязкотекучем состоянии. При этом они способны заполнять микро- и макронеровности поверхностей и зазоры , не требуют высоких контактных давлений при сборке соединений. После нанесения герметики, под воздействием определенных факторов (теплоты, влаги, вулканизирующих агентов, нарушением контакта с кислородом воздуха и т.д.) переходят из вязкотекучего в рези-ноподобное состояние, в котором обладают высокой механической прочностью, эластичностью, химической стойкостью в рабочих средах, позволяют герметизировать соединения с меньшей точностью изготовления.
По физическим и технологическим свойствам герметики подразделяют на невысыхающие, высыхающие, вулканизирующиеся и полимеризующиеся. Из невысыхающих наибольшее распространение получили герметики марок У-22, У-20А, 51-Г-6, 51-Г-7 и 51-Г-4М. Они стойки в кислотах и щелочах, но теряют свои герметизирующие свойства в топливах и маслах. Высыхающие герметики представляют собой растворы резиновых смесей в органических растворителях. Однако, под влиянием нагрева, топлива и масла эти герметики размягчаются, что снижает их герметизирующую способность.
Вулканизирующиеся герметики в зависимости от типа каучука подразделяются на тиоколовые (полисульфидные), фторкаучуковые, фторсилоксановые, силоксановые, силиконовые и др. Из отечественных герметиков наибольшее распространение получили силиконовые герметики автогерметик-прокладка и автогермесил.
Полимеризующиеся герметики - композиции на основе смол акрилового или метакрилового ряда, способные длительное время находиться в вязкотеку-чем состоянии в присутствии кислорода воздуха. При нарушении контакта с кислородом в узких зазорах герметики полимеризуются, происходит отверждение состава. Полимеризующиеся герметики из-за своих свойств получили название анаэробных. Химическая промышленность России выпускает несколько анаэробных герметиков, наибольшее распространение из них получил Анатерм-501.
В настоящее время российский рынок наводнен широким ассортиментом зарубежных герметиков. Наиболее доступным из них является Loctite-518 производства фирмы Teroson (США), которая представляет свою продукцию в России более 8 лет.
Стоимость отечественного анаэробного герметика почти в 10 раз ниже стоимости его зарубежного аналога. Однако сведения о достоинствах и недостатках, рекомендации по использованию отечественного герметика Анатерм-501 и его зарубежного аналога Loctite-518 в литературных источниках отсутствуют.
Настоящая работа посвящена изучению физико-механических свойств, герметизирующей способности, долговечности, старения и стойкости к воздействию рабочих жидкостей анаэробных герметиков Анатерм-501 и Loctite-518, разработке технологического процесса герметизации неподвижных фланцевых соединений с их использованием, разработке рекомендаций по использованию отечественного и импортного герметиков.
Работа выполнена на кафедре ремонта и надежности машин Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина.
Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на: - научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина 15 ноября 1998 г.; XII межвузовской научно-практической конференции «Достижения науки в производство и воспитательный процесс», Брянская государственная сельскохозяйственная академия, 12...13 апреля 1999 г.; научно-практической конференции «Прогресс в инженерной сфере АПК России» (г. Москва, ГОСНИТИ), 6...7 октября 1999 г.; семинаре ведущих специалистов ВУЗов и НИИ в области технического сервиса и ремонта машин на базе кафедры «Сервис и ремонт машин» Орловского государственного аграрного университета, 28...29 октября 1999 г.; научно-практической конференции «Состояние и перспективы восстановления, упрочнения и изготовления деталей (г.Москва, ГОСНИТИ), 14... 15 декабря 1999 г.; международной научно-практической конференции «Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики» (г.Москва, МГАУ), 10... 13 октября 2000 г.; заседании кафедры ремонта и надежности машин МГАУ им.В.П. Горяч-кина, 29 ноября 2000 г.
По материалам диссертации опубликовано 10 статей в периодической печати.
Уплотнители, применяемые для герметизации неподвижных фланцевых соединений
Фланцевыми называют соединения со специальными поясками - фланцами, контактное давление между которыми создают затяжкой болтов (винтов, шпилек) [14]. К фланцевым соединениям часто предъявляются определенные требования. Герметичность фланцевых соединений обеспечивается путем высококачественной обработки сопрягаемых поверхностей или же путем установки промежуточных элементов (уплотнителей).
Отклонение реальной поверхности фланцев от номинальной (шероховатость, микродефекты, волнистость) приводят к тому, что между сопряженными поверхностями образуются микроканалы, по которым происходит утечка рабочей жидкости. Поэтому герметичность фланцевых соединений без промежуточных элементов достигается путем увеличения фактической площади контакта за счет шлифования или притирки контактирующих поверхностей. Однако такие соединения обеспечивают герметичность при давлении рабочих сред до 5 МПа, причем они не допускают многократных разборок, возникновение рисок и царапин на контактирующих поверхностях. Поэтому соединения без промежуточных элементов имеют ограниченную область применения.
Наиболее часто герметичность фланцевых соединений обеспечивают путем увеличения фактической площади контакта за счет заполнения впадин микронеровностей уплотнителем.
Уплотнения по степени герметичности подразделяют на абсолютно герметичные, через которые утечка газа или жидкости не допускается, и негерметичные, через которые допускается проникновение некоторого количества газа или жидкости за определенный период времени [15, 16, 17].
Теоретические основы долговечности неподвижных фланцевых соединений с жидкими прокладками
Проникновение рабочих жидкостей через фланцевые соединения происходит в результате их диффузии через материал прокладки и утечек по неплотностям соединяемых поверхностей.
Негерметичность вследствие диффузии в той или иной степени свойственна всем уплотнениям [77].
Утечки по неплотностям соединяемых поверхностей определяются микрогеометрией уплотняемых поверхностей, контактным давлением и дефектами поверхностей соединений.
Факторы, обеспечивающие герметичность в процессе эксплуатации, подвержены значительному изменению вследствие старения материала, изменения его механических свойств в зависимости от температуры, воздействия агрессивных сред и влияния вибрационных нагрузок.
Диффузия (взаимное проникновение двух или нескольких соприкасающихся веществ) обусловлена разностью концентраций (С) одного вещества в другом.
Диффузия происходит в несколько стадий. На первой стадии происходит поглощение жидкости уплотнителем - сорбция, оцениваемая коэффициентом сорбции (ось м/с). На второй стадии происходит диффузия рабочей среды через уплотнитель, которая оценивается коэффициентом диффузии (Dp, м /с). На третьей стадии происходит выделение (десорбция) рабочей среды с другой стороны уплотнителя, оцениваемая коэффициентом десорбции (а2, м/с).
Общая методика исследований
На основе изучения состояния вопроса и теоретических предпосылок, в соответствии с поставленными задачами разработаны программа, общая и частные методики исследований.
Программа исследований предусматривает:
- исследование стойкости жидких прокладок к воздействию агрессивных сред (рабочих жидкостей);
- исследование деформационных свойств анаэробных герметиков;
- исследование термомеханических характеристик и теплостойкости прокладок из анаэробных герметиков;
- исследование герметичности неподвижных фланцевых соединений с прокладками из анаэробных герметиков;
- исследование герметизирующей способности жидких прокладок при старении;
- исследование влияния вибрации на герметизирующую способность герметиков;
- определение технологических режимов герметизации неподвижных фланцевых соединений анаэробными герметиками;
- разработку технологического процесса герметизации неподвижных фланцевых соединений анаэробными герметиками;
- внедрение разработанной технологии герметизации на ремонтных предприятиях сельского хозяйства;
- расчет технико-экономической эффективности разработанных рекомендаций.
Результаты исследований и анализ стойкости жидких прокладок в рабочих жидкостях
В результате проведенных исследований установлено, что герметики имеют различную стойкость в рабочих жидкостях. Результаты испытаний представлены на рис. 4.1.
Характер воздействия рабочих жидкостей на изменение массы анаэробных герметиков Анатерм-501 и Loctite-518 приблизительно одинаков. Так, Анатерм-501 наиболее подвержен набуханию (рис. 4.1, а) в моторном масле и дизельном топливе. Набухание этого герметика в моторном масле и дизельном топливе заканчивается через 672 ч и составляет соответственно 0,269 и ОД74 %, в бензине - через 336 ч и составляет 0,067 %. При воздействии тормозной жидкости, тосола и воды набухание достигает соответственно 0,127; 0,054 и 0,041 % и заканчивается через 672 ч. Дальнейшее увеличение времени выдержки не влияет на изменение массы пленок из Анатерм-501.
Пленки из Loctite-518 имеют аналогичный характер набухания. Так, набухание пленок из герметика Loctite-518 в бензине, дизельном топливе и моторном масле составляет соответственно 0,084; 0,163 и 0,247 % и заканчивается через 672 ч. При воздействии тормозной жидкости, тосола и воды набухание достигает 0Д03; 0,047 и 0,034 %. Сравнение стойкости в рабочих жидкостях анаэробных и силиконовых (приложение 1) герметиков показало, что силиконовые герметики автогерметик, автогермесил и Superflex имеют низкую стойкость в бензине и дизельном топливе и удовлетворительную в моторном масле. В начале выдержки этих герметиков в рабочих жидкостях происходит увеличение их массы. Процесс набухания превалирует над процессом растворения и заканчивается через 8...24 ч в зависимости от вида рабочей жидкости
Технологическое обоснование
Проведенные исследования деформационных и герметизирующих свойств, стойкости к рабочим жидкостям, вибрационным нагрузкам и циклическим перепадам температур прокладок из анаэробных герметиков показали, что они имеют более высокую герметизирующую способность, чем прокладки из силиконовых герметиков и традиционных материалов. Более того, стоимость прокладок из анаэробных герметиков в 2...20 раз ниже стоимости традиционных прокладок.
Герметизирующие способности прокладок из отечественного герметика Анатерм-501 и зарубежного Loctite-518 приблизительно одинаковы. Однако отечественный герметик в 9,5 раз дешевле зарубежного аналога.
Преимуществом прокладок из анаэробных герметиков является их высокая стойкость в бензинах и дизельных топливах. Кроме того, на герметичность фланцевых соединений с прокладками из анаэробных герметиков наименьшее влияние оказывают перепады температур и вибрационные нагрузки. Поэтому прокладки из анаэробных герметиков следует использовать для герметизации соединений, работающих в условиях высоких динамических нагрузок в контакте с бензином и дизельным топливом.
Технологический процесс герметизации включает следующие операции (рис. 5.1):
-подготовка поверхностей соединения;
-нанесение герметика;
-сборка соединения и формирование прокладки заданной толщины;
- удаление лишнего герметика;
- выдержка соединения после сборки; -контроль герметичности соединения.
При подготовке поверхности необходимо удалить старую прокладку, так как герметичность соединения зависит от толщины прокладки. Снижение толщины прокладки способствует увеличению герметичности. Чистота поверхности фланцев не оказывает существенного влияния на герметичность соединения. Однако, обезжиривание поверхностей фланцев ацетоном увеличивает герметичность на 10-14 %, поэтому поверхность фланцев в случае необходимости следует обезжирить тампоном, смоченном в ацетоне.
Наносят герметик шприцем или выдавливанием из флакона на поверхность одного из фланцев. Нанесение герметика на поверхности двух фланцев увеличивает трудоемкость операции и расход материала, но не оказывает влияния на герметичность соединения. Нанесенный валик рекомендуется разрав-нять шпателем.
