Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и основные направления ее решения 14
1.1 Долговечность подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники 14
1.2 Восстановление неподвижных соединений подшипников качения полимерными материалами 18
1.3 Повышение долговечности подшипников качения сельскохозяйственной техники 31
1.4 Выводы. Цель и задачи исследований 45
2 Теоретические основы повышения долговечности подшипниковых узлов при восстановлении посадочных мест полимерными материалами 48
2.1 Теоретические основы повышения долговечности неподвижных соединений подшипников качения 48
2.1.1 Требования к фрикционной системе "деталь с полимерным покрытием - отверстие сопрягаемой детали" 48
2.1.2 Плоское напряженное состояние полимерного покрытия после сборки неподвижного соединения 54
2.1.3 Напряженное состояние полимерного покрытия в процессе эксплуатации подшипникового узла 58
2.2 Теоретические основы повышения долговечности подшипников качения 73
2.2.1 Распределение нагрузки между телами качения в подшипнике с полимерным покрытием 73
2.2.2 Площадь контакта и напряжение в зоне контакта нагруженного тела с дорожками качения колец подшипника 77
2.2.3 Долговечность подшипника с полимерным покрытием 80
2.3 Расчет теплового баланса подшипникового узла 85
2.3.1 Тепловыделение и нагрев полимерного покрытия при динамическом нагружении 85
2.3.2 Расчет теплоотводящей способности подшипникового узла с восстановленым неподвижным соединением 90
2.4 Расчет параметров подшипника с полимерным покрытием 101
2.4.1 Расчет долговечности подшипника с полимерным покрытием 102
2.4.2 Расчет долговечности неподвижного соединения 104
2.4.3 Расчет теплового баланса подшипникового узла, с восстанов-
ленным неподвижным соединением 104
2.5 Проектирование технологического процесса восстановления не
подвижных соединений подшипников полимерным материалом 105
3 Методика экспериментальных исследований 107
3.1 Общая методика исследований 107
3.2 Методика исследования деформационно-прочностных и адгезионных свойств, теплостойкости полимерного материала ВК-50 109
3.3 Методика исследования гистерезисных потерь и полезной упругости полимерного материала ВК-50 и герметика 6Ф 119
3.4 Методика исследования статической прочности и долговечности неподвижных соединений при динамическом нагружении 120
3.5 Методика исследования коэффициента Кирхгофа и «коэффициента постели» упругого основания 125
3.6 Методика исследования параметров контакта тел с дорожкой качения и распределения нагрузки между телами качения 127
3.7 Методика исследования долговечности подшипников качения при местном и циркуляционном нагружении наружных колец подшипников 129
3.8 Методика исследования температурного режима подшипников с покрытиями из герметика 6Ф и ВК-50 133
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 134
4.1 Исследование физико-механических свойств полимерных материалов 134
4.1.1 Исследование деформационно-прочностных свойств полимерного материала ВК-5 0 134
4.1.2 Исследование адгезионных свойств полимерного материала ВК-50 138
4.1.3 Исследование теплостойкости полимерного материала ВК-50 146
4.1.4 Исследование гистерезисных потерь и полезной упругости полимерного материала ВК-50 и герметика 6Ф 149
4.1.5 Выводы 152
4.2 Исследование долговечности неподвижных соединений подшипников качения, восстановленных полимерными материалами 153
4.2.1 Исследование статической прочности неподвижных соединений 153
4.2.2 Исследование долговечности неподвижных соединений придинамическом нагружении 162
4.2.3 Выводы 165
4.3 Исследование долговечности подшипников качения, посадочные места которых восстановлены полимерными материалами 166
4.3.1 Исследование коэффициента Кирхгофа и «коэффициента постели» упругого основания 166
4.3.2 Исследование параметров контакта тел с дорожкой качения и распределения нагрузки между телами качения 173
4.3.3 Исследование долговечности подшипников качения при местном и циркуляционном нагружении колец подшипников 188
4.3.4 Исследование температурного режима подшипников с покрытиями из герметика 6Ф и ВК-50 198
4.3.5 Выводы 199
5 Внедрение результатов исследований в производство и их технико-экономическая оценка 201
5.1 Внедрение результатов исследований в производство 201
5.2 Расчет экономической эффективности восстановления неподвижных соединений подшипников качения полимерным мате-
риалом ВК-50 в Сайхунабадском РПП Сырдарьинской области . 207
5.3 Расчет экономической эффективности восстановления посадок подшипников качения полимерным материалом ВК-50 в «Электрохимпром» 215
5.4 Выводы 226
Общие выводы и рекомендации 227
Список использованных литературных источников
- Долговечность подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники
- Теоретические основы повышения долговечности неподвижных соединений подшипников качения
- Методика исследования деформационно-прочностных и адгезионных свойств, теплостойкости полимерного материала ВК-50
- Исследование деформационно-прочностных свойств полимерного материала ВК-5 0
Введение к работе
Реалии современной обстановки в мире, курс на продовольственную независимость поставили перед агропромышленным комплексом задачу надежного обеспечения страны продуктами питания и сельскохозяйственным сырьем на основе устойчивого роста сельскохозяйственного производства
[1].
Правительством Республики Узбекистан были приняты в этом направлении определенные меры. В стране осуществлена земельная реформа, являющаяся центральным механизмом экономических реформ в сельском хозяйстве [2]. Для развития дехканских (крестьянских) хозяйств, последним передано в бессрочное пользование около 720 тыс. га плодородных земель [3]. Размеры земельных участков дехкан (крестьян) возросли с 0,07 до 0,25 га. Землю дехканам передали бесплатно с правом наследования. Размеры земельных площадей фермерских хозяйств по зонам составляют 15 ... 30 га. Удельный вес продукции продовольственного назначения в общей стоимости вырос с 40 до 80%. Производство зерна за последние 7 лет возросло с 1,4 до 3 млн. т [2]. Производство картофеля в 1,43, овощей и бахчевых в 1,65, мяса в 1,9 и молока в 1,32 раза [3].
Однако низкий уровень надежности сельскохозяйственной техники и инженерно-технической службы стали основой снижения фактического уровня механизации, эксплуатации и технического сервиса. В хлопководстве республики Каракалпакистан при номинальном показателе свыше 80% уровень механизации не превышал 50%, уровень охвата техническим обслуживанием 20%, а восстанавливаемости ресурсов после ремонта 40%. Значительны затраты и потери из-за снижения работоспособности сельскохозяйственной техники. Использование агротехнологического времени составляет 40 ... 50%, технических ресурсов и производительности 40 ... 70%, а расходы ГСМ и запасных частей превышают нормативные до 3 раз. Ежегодно из-за низкого уровня надежности сельскохозяйственной техники и инженерно-технической службы количество техники сокращалось, в связи с преждевре-
менным выходом из строя, на 20 ... 30% [4].
Для преодоления этой негативной тенденции были приняты постановления Каб.Мин.РУз № 95 от 24.03.1995 и № 432 от 6.12.1996 г. «Об углублении рыночных отношений в сфере производственно-технического обслуживания сельского хозяйства». Постановления предусматривали создание специализированных машинно-тракторных парков (МТП), передачу им функций эксплуатации и технического сервиса сельскохозяйственной техники и переход на договорные отношения с сельскохозяйственными предприятиями. МТП реорганизованы на базе РПП, имеющих традиционно высококвалифицированный производственный персонал и ремонтно-сервисную базу. Концентрация сельскохозяйственной техники, в том числе и дорогостоящей вы-сокопроизводительной техники корпорации «КЕИС» в МТП, позволит рационально использовать ее, обеспечить необходимый уровень инженерно-технической службы предотвратить распыление средств, выделяемых государством для поддержки сельского хозяйства.
Для восполнения списанной сельскохозяйственной техники и что очень важно для поддержки отечественных заводов сельскохозяйственного машиностроения и СП «УЗКЕЙСМАШ» и «УЗКЕЙСТРАКТОР» принято постановление Каб. Мин.РУз от 2.11.2000 «О мерах по обеспечению села сельскохозяйственной техникой на условиях лизинга». Постановление предусматривает поставку техники МТП, с.х. кооперативам (ширкатам) и фермерским хозяйствам на условиях 15% предоплаты. Оставшиеся 85% стоимости тракторов и уборочной техники, финансируется вновь созданной компанией «УЗ-СЕЛЬХОЗМАШЛИЗИНГ», за счет средств Фонда государственного стимулирования оснащения села с.х.т. при Министерстве финансов РУ и погашаются с.х. предприятиями в течение 7 лет. Второй реальный выход - создание рынка подержанной техники. Продление срока службы имеющегося машинно-тракторного парка, ремонт списанных и продажа по ценам в 4-12,5 раза ниже стоимости новых позволит остановить критическое снижение уровня механизации в сельском хозяйстве [5].
Основным покупателем списанной техники после капитально-восстановительного ремонта являются экономически слабые сельскохозяйственные предприятия, которых в данный момент в структуре АПК большинство. В этой ситуации большую роль играет себестоимость ремонта. Чем она ниже, тем меньше цена машины и последняя более доступна для покупателя. Восстановление изношенных деталей является основным резервом снижения затрат на ремонт. Стоимость восстановленных деталей ниже стоимости новых, что позволит значительно снизить затраты на ремонт сельскохозяйственной техники. Кроме того, известны высокоэффективные технологические процессы восстановления, которые обеспечивают деталям повышенный по-слеремонтный технический ресурс и соответственно повышение надежности узлов, агрегатов и машины в целом [6... 17]. Доктор технических наук Черно-иванов В.И. отмечает - одной из приоритетных задач в развитии системы технического сервиса является развитие восстановления изношенных деталей, как альтернативы расходу новых на обслуживание стареющего парка машин, что позволит снизить затраты на поддержание техники в работоспособном состоянии [18].
В настоящее время, по данным Ассоциации «УЗАГРОМАШСЕРВИС» в сельском хозяйстве РУз находится в эксплуатации более 100 тыс. тракторов, 7 тыс. зерноуборочных комбайнов и 2 тыс. хлопкоуборочных машин. В это количество входит высокопроизводительная техника корпорации «КЕЙС». Работает около 2 тыс. тракторов КЕЙС-8920/8940, более 1 тыс. зерноуборочных комбайнов КЕИС-2344/2366 и около 0,5 тыс. хлопкоуборочных машин КЕЙС-2022. Большая часть техники находится в подержанном состоянии и затраты на поддержание ее в работоспособном состоянии будут ежегодно возрастать.
Подшипники качения относятся к категории многочисленных элементов конструкций машин. Годовая потребность в подшипниках качения при ремонте сельскохозяйственной техники в Республике Узбекистан составляет около 1 млн. шт. С учетом того, что большая часть подшипников импортируется, расходы представляют значительную сумму. Затраты на замену под-
шипников качения в течение всего срока службы трактора могут достигать 30% его стоимости [19]. Отказы подшипниковых узлов ведут к простоям техники, потерям сельскохозяйственного сырья и увеличению себестоимости сельскохозяйственной продукции. Поэтому повышение долговечности подшипниковых узлов, снижение себестоимости ремонта, путем восстановления посадочных мест подшипников, является важной актуальной народнохозяйственной задачей, решение которой позволит повысить надежность сельскохозяйственной техники, значительно снизить расходы, связанные с ее техническим обслуживанием и ремонтом.
Одной из основных причин отказа подшипников качения является износ посадочных мест подшипников качения. Основными причинами износа посадочных мест подшипников качения являются фреттинг - коррозия и про-ворот колец подшипников.
Посадочные места подшипников качения восстанавливают установкой дополнительных деталей, наплавкой, нанесением электролитических покрытий, электроконтактным напеканием порошков, электроконтактной приваркой стальной ленты и другими способами [20...25]. Перечисленные способы имеют общие недостатки: сложность технологического процесса, потребность в дорогостоящем технологическом оборудовании, необходимость механической обработки восстанавливаемых поверхностей, высокую трудоемкость, энергоемкость и себестоимость. Способы восстановления не предотвращают фреттинг - коррозию - основную причину износа посадочных мест подшипников качения.
Перечисленные недостатки устраняются при восстановлении неподвижных соединений подшипников качения полимерными материалами. Например себестоимость восстановления неподвижных соединений нанесением покрытий из раствора герметика 6Ф ниже по сравнению с наплавкой в 11,4 раза, в сравнений с железнением в 9,4 раза. Способы восстановления полимерными материалами полностью предотвращают появление фреттинг - коррозии и многократно повышают долговечность неподвижных соединений [11].
При восстановлении посадочных мест подшипников полимерными материалами, благодаря упругой деформации наружного кольца, снижается коэффициент неравномерности распределения нагрузки между телами качения и повышается долговечность подшипника.
При восстановлении посадочных мест герметиком АН-103 долговечность подшипника 208 увеличивается в сравнении с расчетной до 4 раз при местном и до 5 раз при циркуляционном нагружении наружного кольца подшипника [11,26]. Применение герметика 6Ф увеличивает долговечность подшипника 208 в сравнении с расчетной до 3,5 раз при циркуляционном и до 8,5 раз при местном нагружении наружного кольца подшипника [9,27].
Благодаря наличию полимерного покрытия, увеличивается деформация поверхности желоба подшипника в зоне контакта с нагруженными телами качения. При этом увеличивается площадь пятна контакта и снижается напряжение в зоне контакта. Теоретические и экспериментальные исследования условий контакта тел с дорожками качения при внешней нагрузке в подшипниках с полимерным покрытием, влияния различных факторов на параметры площадки контакта и контактные напряжения, позволят разработать рекомендации по повышению долговечности подшипников.
Химическая промышленность постоянно выпускает новые полимерные материалы, которые отличаются широким спектром потребительских свойств. Это создает основу для разработки высокоэффективных ресурсосберегающих технологических процессов восстановления, обеспечивающих дальнейшее повышение долговечности подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники.
Научные основы применения полимерных материалов при восстановлении посадочных мест подшипников разработаны проф. Курчаткиным [11]. В работе сформулированы основные требования к полимерному материалу, используемому для восстановления. Даны рекомендации по повышению долговечности неподвижных соединений, подшипников качения и зубчатых передач.
Теоретические исследования показали [28,29], для целенаправленного
и обоснованного выбора полимерных материалов, положительного решения вопросов проектирования металлополимерных подшипниковых узлов заданной грузоподъемности и долговечности, разработки высокоэффективных технологических процессов восстановления, необходимо дальнейшее развитие научных основ применения полимерных материалов при восстановлении посадочных мест подшипников.
Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию научных основ применения полимерных материалов при восстановлении подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники.
Диссертация представляет собой решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение. В ней решены теоретические вопросы повышения долговечности подшипников качения с полимерным покрытием, проектирования подшипниковых узлов с заданными эксплуатационными характеристиками и долговечностью. В диссертации проведены исследования перспективных полимерных материалов, разработаны высокоэффективные технологические процессы восстановления, которые внедрены на крупнейших промышленных и ремонтных предприятиях Республики Узбекистан и Российской Федерации.
Работа выполнена на кафедре "Надежность и ремонт машин" Ташкентского института инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ ТИИИМСХ на 1993...1995 годы по теме 4.3.2 "Разработка предложений по организации новых форм технического сервиса и ремонта сельскохозяйственной техники и средств малой механизации, используемых в Узбекистане", на 1996...2000 годы по теме 3.3 "Восстановление технических средств, совершенствование технологических процессов и сервиса в комплексной механизации сельского и водного хозяйства".
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
- научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Ташкентского института
инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства в 1990... 1999г.;
научно-технической конференции "Применение полимерных материалов при ремонте и восстановлении деталей машин и оборудования" (г. Ижевск) в 1990г.;
научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Московского государственного агроинженерного университета в 1996г.;
Международной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов (г. Алматы) в 1996г.;
Первом, Втором и Третьем Республиканских научных коллоквиумах "Узбекистан мустакиллиги - унинг фани ва технологияларини ривожланти-риш кафолати" (г. Ташкент) в 1996...1998гг.;
- Международно-региональной научно-практической конференции
"Агросаноат комплексида бозор иктисодиетини ривожлантиришда мухан-
дислик муаммолари" (г. Андижан) в 1996г.;
научной конференции "Современные проблемы механики жидкости, многофазных сред, моделирования гидравлических устройств машин и специальные задачи механики сплошной среды" (г. Ташкент) в 1997г.;
Второй международной научно-технической конференции "Разработка и производство конкурентоспособных сельскохозяйственных машин и машин для переработки сельхозпродукции" (г. Ташкент) в 1997г.;
республиканской научно-практической конференции "Проблемы механизации сельскохозяйственного производства, повышения долговечности сельскохозяйственных машин, ремонта и их эффективного использования" (г. Наманган) в 1998г.;
Республиканской научно-практической конференции "Кишлок хужа-лиги машиналари самарадорлигини омиллари" (г.Карши) в 1998 г.;
- заседании кафедры "Надежность и ремонт машин ТИИИМСХ в
1999г.;
- заседании научно-технического совета ТИИИМСХ в 1999г.
- заседании научно-технического совета ГКК «УЗАГРОСНАБРЕ-
МОНТ» в 2000г.
По результатам выполненной работы опубликовано 70 печатных работ, получены два авторских свидетельства СССР № 1520428, № 4619276 и четыре патента РУз I НДР 9300639.1 (0770ГФ); I НДР 9300719.1 (0771ГФ); I НДР 9300720.1 (0772ГФ), № 5864.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений.
На защиту выносятся:
- математическая модель напряженного состояния восстановленного
неподвижного соединения и расчет его долговечности при радиальном на-
гружении подшипникового узла;
математические модели повышения долговечности шарико и роликоподшипников с полимерными покрытиями;
алгоритмы расчета, блок-схемы, компьютерные программы для проектирования подшипников с полимерными покрытиями и разработки технологических процессов восстановления;
результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств полимерных материалов, параметров контакта нагруженных тел с дорожками качения и распределения нагрузки в подшипниках с полимерными покрытиями, долговечности неподвижных соединений и подшипников качения;
технологические процессы восстановления неподвижных соединений перспективными полимерными материалами;
результаты внедрения и технико-экономическая эффективность разработанных технологических процессов.
Долговечность подшипниковых узлов сельскохозяйственной техники
Подшипники качения относятся к ряду наиболее многочисленных элементов конструкций машин. В конструкцию тракторов К-701 входят 200, Т-150К-149, МТЗ-80-143, Т-40-82, Т-28Х4-57, зерноуборочного комбайна СК-5 "Нива"-124, хлопкоуборочной машины ХНП-3,6-01 - 421 подшипника качения. Поэтому долговечность подшипников качения в значительной мере определяет надежность машины в целом.
Одной из основных причин отказа подшипниковых узлов является износ посадочных мест подшипников в корпусных деталях и на валах. При этом увеличиваются зазоры между кольцами подшипников и поверхностями сопрягаемой детали. Увеличение зазора приводит к деформации наружного кольца в виде эллипса с большой осью, перпендикулярной направлению нагрузки на подшипник. Это приводит к увеличению нагрузки на центральное тело качения и снижению долговечности подшипника. При посадке подшипника 307 с зазором 0,1 мм его долговечность снижается в 1,5 раза, а с зазором 0,2 мм - в 2 раза, в сравнении с долговечностью при посадке с нулевым зазором [30].
Износ посадочных отверстий под подшипники в корпусах коробок передач автомобиля ЗИЛ-130 составляет 0,08...0,18 мм [31], овальность и конусность - 0,01...0,03 мм [32]. Вследствие износа 61 ... 90% корпусов коробок передач требуют восстановления [33].
Средний износ посадочных отверстий под подшипники в корпусах коробок передач трактора Т-74 составляет 0,25 мм, овальность и конусность -0,01...0,05 мм [34].
При капитальном ремонте тракторов 83% корпусов коробок передач трактора Т-74 и 60% трактора МТЗ-50 требуют восстановления из-за износа посадочных отверстий под подшипники. Средняя величина износа посадочных мест подшипников на валах не превышает 0,1 мм [35].
Основной причиной изнашивания посадочных мест подшипников является фреттинг-коррозия, которая приводит к провороту колец подшипников. Процесс фреттинг-коррозии рассмотрен в работах Алябьева А.Я., Голе-го Н.Л., Шевеля В.В. и др. Вместе с тем нет единого мнения о механизме фреттинг-коррозии.
Скорость изнашивания контактирующих металлических поверхностей при фреттинг-коррозии зависит от внешних воздействий (амплитуда относительного смещения, удельная контактная нагрузка, частота колебаний, количество циклов нагружения), физических факторов (температура, относительная твердость поверхностей) и окружающей среды [36...50].
Между износом и амплитудой относительного смещения контактирующих поверхностей имеет место прямолинейная зависимость [38...40].
Зависимость между износом и удельной нагрузкой в условиях фреттинг-коррозии параболическая [37,40,43,44] или прямолинейная [39,45...48].
По данным работ [37,43,44,49,50] между износом и частотой колебаний наблюдается гиперболическая зависимость. При увеличении количества циклов нагружения возрастает износ по линейной зависимости [39,40,44,50].
Анализ технического состояния 7888 подшипников качения 419 шасси колесных тракторов класса 14кН, которые поступили на капитальный ремонт, показал, что 17,3% подшипников требуют замены, из них 86,3% из-за износа деталей подшипника, 1,9% - выкрашивания, 10% - поломки сепараторов, 1,5% - трещин на кольцах и 0,3% коррозии.
В трансмиссиях тракторов, не имеющих принудительной фильтрации масла, износ деталей подшипника является основной причиной отказа подшипников качения [11,51,52].
В работе [53] были исследованы 3556 подшипников качения трансмиссии колесных тракторов класса ЗОкН. В результате было установлено, что 22,3% подшипников требовало замены, из них 71,5% из-за износа поверхности качения, 21% - бринеллирования, 4,7% - поломки сепараторов, 2,8% -поломки тел качения и колец.
Долговечность подшипников качения определяется конструкцией подшипников, соблюдением параметров технологического процесса изготовления подшипников качения, технологических процессов изготовления и ремонта деталей машин, соблюдения правил эксплуатации машин, от своевременной регулировки узлов и агрегатов, смазки и замены фильтрующих элементов системы смазки и др. [54].
Несвоевременная смазка и замена фильтрующих элементов, нарушение герметизации подшипниковых узлов приводит к накоплению механических примесей и абразивных частиц, что увеличивает скорость изнашивания деталей подшипников качения. При несвоевременной регулировке узлов, увеличиваются динамические нагрузки, снижающие контактную стойкость и вызывающие поломку деталей подшипников. Перегрев подшипниковых узлов приводит к ухудшению физико-механических свойств смазки, снижению твердости поверхностей качения и ускоренному изнашиванию.
Нарушение технологического процесса изготовления и ремонта деталей машин приводит к появлению таких Дефектов как овальность и конусность посадочных мест подшипников качения. Это является причиной неблагоприятного распределения нагрузки между телами качения и способствует интенсивному изнашиванию поверхностей качения, нарушение соосности посадочных отверстий и шеек валов вызывает перекос колец, защемление тел качения и поломку деталей подшипников [11].
Наиболее распространенным дефектом подшипниковых узлов является ослабление посадок колец подшипников в корпусных деталях и на валах, что приводит к проворачиванию колец и последующему интенсивному изнашиванию посадочных мест и деталей подшипника [19].
Теоретические основы повышения долговечности неподвижных соединений подшипников качения
Анализ работ [11,26,54,70,71,73,74,81...83,87,123] показал, что необходимы дальнейшие теоретические исследования, которые позволят сформулировать требования к неподвижным соединениям, восстановленным полимерными материалами, обеспечивающим повышение их долговечности.
При запрессовке детали с полимерным покрытием в отверстие сопрягаемой детали возможны три вида фрикционного взаимодействия: 1-упругий контакт; 2-пластический контакт; 3 - микрорезание. Первые два вида контакта относятся к внешнему трению, а последний - к внутреннему. Внешнее трение наблюдается при изменении формы поверхностного слоя и преодолении молекулярных, атомарных и других связей в зоне реального контакта тел. Граничные условия, обеспечивающие внешнее трение, зависят от величины внедрения неровностей h в деформируемый материал и сдвигового сопротивления т молекулярной связи на этих неровностях. Условия имеют вид [124,125]
Упругий контакт имеет место, когда средние нормальные напряжения в зоне контакта неровностей поверхности жесткого тела с поверхностью контртела ниже твердости полимерного материала. Различают ненасыщенный (число контактирующих микронеровностей пг меньше числа микронеровностей пс, расположенных на контурной площади касания Ас) и насыщенный (nr = nc) контакты.
В случае взаимодействия двух металлических тел упругий ненасыщенный контакт имеет место при условии [99] 2j4(2v+l)/2vv(v_1)kiHB2v+l(1__l2)2v рс , (2.3) 5AvE2v где к і - константа интегрирования, зависит от v ; ц. - коэффициент Пуассона.
При упругом насыщенном контакте все микронеровности, которые расположены на контурной площади контакта образуют зоны контакта. Дан ный вид контакта возможен только в том случае, когда один из взаимодейст вующих материалов имеет низкий модуль упругости (резины, пластические массы) [126]. Условие реализации упругого насыщенного контакта имеет вид 8х10-2д1/2Е атНВ рсн (2.4) (bl/vv)(2v+l)/(2v-l)(1_i2) (bl/vv)l/(v-l) где а т - коэффициент, учитывающий напряженное состояние в зоне контакта и кинематические особенности взаимодействия твердых тел. При упругом контакте а т = 0,5 [99].
Разрушение полимерного материала при взаимодействии с контртелом будет наблюдаться вследствие фрикционной усталости (число циклов на-гружения до разрушения п - оо) [127].
Пластический контакт имеет место, когда средние нормальные напряжения в зонах контакта неровностей жесткого тела с поверхностью контртела достигают значений твердости полимерного материала. Деформируемый пластически при этом полимерный материал обтекает внедрившиеся выступы поверхности металлического тела. Условие реализации пластического насыщенного контакта имеет вид атНВ Рс 0,33 НВ , (2.5) (bl/vv)l/(v-l)
При Р с = 0,33 НВ на процесс деформирования в зоне контакта микронеровности с материалом контртела будут оказывать влияние процессы деформации, которые происходят в зонах контакта соседних микронеровностей (условие взаимного влияния микроконтактов на несущую способность). Разрушение полимерного материала при пластическом контакте с контртелом будет наблюдаться в результате малоцикловой фрикционной усталости (1 П оо).
При определенном значении внедрения неровностей в деформируемый полимерный материал и сдвигового сопротивления молекулярной связи на этих неровностях (нарушение неравенства 1) нарушается режим обтекания выступов деформируемым полимерным материалом. Это приводит к образованию застойной зоны, пластическое оттеснение прекращается и переходит в микрорезание. Разрушение полимерного материала будет происходить в самом начале фрикционного взаимодействия.
Износ будет минимальным при упругом контакте, потому что коэффициент трения и теплообразование при этом минимальные.
В соответствии с И. В. Крагельским, в каждой фрикционной системе геометрическая конфигурация неровностей меняется до тех пор, пока они не переходят в режим упругого контакта, то есть каждая фрикционная система стремится к реализации в зоне трения упругого контакта [124].
Поэтому при запрессовке детали с полимерным покрытием в отверстие сопрягаемой детали необходимо за счет натяга полимерного покрытия создать давление, обеспечивающее упругий насыщенный контакт и предпосылки высокой долговечности неподвижного соединения.
Методика исследования деформационно-прочностных и адгезионных свойств, теплостойкости полимерного материала ВК-50
Деформационно-прочностные свойства полимерного материала ВК-50 оценивали прочностью при одноосном растяжении пленок ар , относительным удлинением єр и удельной работой деформации при разрыве пленок ар [123, 162].
Образцы представляли собой пленки ВК-50 прямоугольной формы 60x20x1,0 мм. Расчетная длина образца составляла 40 мм. В качестве подложки при изготовлении пленок использовали пластину 75x40x3 мм из фто-ропласта-4. Прямоугольную форму и геометрические размеры пленки обеспечивали при помощи рамки-трафарета 80x35x1 мм из стали 3. Внутренние размеры рамки - 70x23 мм. Рамку накладывали на фторопластовую пластину и заполняли ее, нанося послойно ВК-50 волосяной кистью № 10. Каждый слой полимерного покрытия просушивали в течение 0,5 ч.
После заполнения рамки, поверхность покрытия формовали фторопластовой пластиной, с целью обеспечения равномерной толщины полимерной пленки. Отвердение образцов осуществляли в сушильном шкафу СНОЛ-3.5,3.5,3.5/3 оснащенном терморегулятором. После отвердения образцы кондиционировали в течение 16 ч. при стандартной атмосфере 23 С [163]. Затем лезвием отсекали по внутреннему контуру рамки границы пленки по длине и ширине, удаляли рамку с подложки и полимерную пленку с поверхности фторопластовой подложки. Толщину образцов измеряли по методу А [140]. Предельные отклонения размеров образцов не превышали по длине и ширине ±0,1 мм [164].
Испытания образцов осуществляли на разрывной машине FPZ 10/1 (рисунок 3.2) с одновременной записью диаграммы "нагрузка-деформация". Масштаб нагрузки М: 1мм=1,6Н, масштаб деформации Ml: 1. Скорость нагружения при испытаниях была постоянной и составляла 5 мм/мин. Известно, что скорость распространения волн составляет 30...50 м/с в высокоэластических и около 1000 м/с в стеклообразных полимерах [165], поэтому принятая скорость нагружения обеспечивала равномерное распределение напряжений по образцу.
Прочность при разрыве пленок ар определяли по формуле [11] FP Р = , (3.1) Ан где Fp - растягивающая нагрузка в момент разрыва пленки, Н; Ан - начальное поперечное сечение образца, мм. Относительное удлинение при разрыве пленки є р определяли по формуле (3.2) 1о где 1 о - начальная расчетная длина образца, мм; Л10 - изменение расчетной длины образца в момент разрыва, мм.
Работу деформации при разрыве пленок А определяли как площадь, ограниченную кривой "нагрузка-деформация" и осью абсцисс на диаграмме. Удельную работу деформации при разрыве пленок а р определяли как частное от величины работы деформации А на объем полимерной пленки V = 1,61 10"6 м3. Серия предварительных однофакторных экспериментов показала нелинейный характер зависимости удельной работы деформации при разрыве пленок от температуры и времени отвердения. Для получения математической модели, адекватно описывающей зависимость удельной работы деформации при разрыве пленок от температуры и времени отвердения, был проведен многофакторный эксперимент по композиционному плану В2 [166...170]. В качестве функции отклика приняли удельную работу деформации при раз рыве пленок, а основными факторами - температуру и время термической обработки. На основе предварительных экспериментов выбрали уровни и интервалы варьирования факторов, которые приведены в таблице 3.1. Порядок проведения опытов выбирали по таблице случайных чисел [142] - номер опыта в матрице ...1,2,3,4,5,6,7,8; - порядок реализации опытов 3,1,8,7,2,6,5,4. Математическую обработку результатов многофакторного эксперимента проводили по известной методике (приложение Г). Адгезионные свойства полимерного материала имеют важное значение, так как препятствуют отслаиванию полимерного покрытия с поверхности детали при запрессовке [ 171... 175].
Образцы для исследования адгезионных свойств полимерного материала ВК-50 (рисунок 3.3) изготовляли по усовершенствованной методике [176]. В качестве подложки использовали пластину размером 150x25x5 из сталиШХ-15.
Шероховатость поверхности Ra 0,63 соответствовала шероховатости поверхности наружного кольца подшипника [139]. Пластину обработали в соответствии с режимом термической обработки колец подшипника. Отжиг: Тнагр = 800 С, Уохл = 15 С/ч; закалка: Тна1р = 840 С, t нагр = 0,5 ч, охлаждающая среда - масло веретенное при Т = 30 С; отпуск: Т нагр =160 С, t выд = 3 ч [139]. Пластину, перед нанесением покрытия, двукратно обезжиривали ацетоном, с последующим просушиванием в течение 0,1 ч. Покрытие на пластину наносили послойно волосяной кистью № ДО. Каждый слой просушивали в
Исследование деформационно-прочностных свойств полимерного материала ВК-5 0
Цель исследований заключалась в изучении влияния температуры Т и времени отвердения t на деформационно-прочностные свойства ВК-50, которые оценивались прочностью при одноосном растяжении пленок а р, относительным удлинением є р и удельной работой деформации при разрыве пленок а р.
На рисунке 4.1,а приведены зависимости ар, пленок при различных температурах и времени отвердения. При Т=120 С и t=1...2,5 ч. прочность изменяется незначительно от 1,0 до 1,75 МПа. С дальнейшим увеличением времени отвердения до 4 ч., прочность резко возрастает по гиперболической зависимости до 10,25 МПа. При более высоких температурах отвердения Т=130, 140 С зависимость прочности от времени отвердения имеет вид квадратичной функции. При Т=130 С и t = 1...4 ч. прочность возрастает по
Зависимость разрушающего напряжения а р (а) и относительного удлинения єр (b) пленок ВК-50 от времени отвердения t: 1, 2, 3 - при Т 120, 130, 140 С, соответственно нелинейной зависимости от 4,75 до 21,2 МПа. Максимальные значения прочности полимерные пленки имеют после термообработки при Т = 140 С. При t = 1...4 ч. прочность возрастает с 7,25 до 22,3 МПа.
С увеличением времени отвердения от 1 до 4 ч. при температуре 120С относительное удлинение пленок уменьшается от 116 до 38% (рисунок 4.1,6). Максимальную деформацию є р = 192% полимерные пленки имеют при T=130CHt=l4. С увеличением времени отвердения єр снижается до 52%. Наиболее низкие деформационные свойства пленки ВК-50 имеют при Т=140 С, є = 88; 84; 62; 58 и 22% при t=l; 1,75; 2,5; 3,25 и 4 ч. соответственно.
Серия предварительных однофакторных экспериментов (рисунок 4.2) показала нелинейный характер зависимости удельной работы деформации при разрыве пленок от температуры и времени отвердения. Для получения математической модели, адекватно описывающей зависимость удельной работы деформации при разрыве пленок Зависимость удельной работы деформации при разрыве пленок ВК-50 ар от времени термообработки пленок: 1, 2, 3 - при Т = 120, 130, 140 С, соответственно му плану В2. В таблице 4.1 представлены план В2 и результаты многофакторного эксперимента. Результаты статистической обработки многофакторного эксперимента приведены в приложении Е.
В результате реализации многофакторного эксперимента получена математическая модель в виде полинома второго порядка. Уравнение регрессии в натуральных единицах имеет вид У=3,041+4,65245х і +2,75х 2 -0,0143х г х 2 -0,017655х х -0Д422х 22 (4.1)
Изображение поверхности отклика представлено на рисунке 4.3 .
В соответствии с [11] оптимальный режим термообработки пленок выбирали по наибольшей удельной работе деформации при разрыве пленок. Значение функции отклика в центре оптимума Ys = 3,75 МДж/м 3 при температуре 130 С и времени выдержки 3,11 ч.
В результате канонического преобразования уравнения регрессии было построено двумерное сечение поверхности отклика, представленное на рисунок 4.4. На основе анализа двумерного сечения определена область оптимума критерия оптимизации и выбран оптимальный режим термической обработки пленок ВК-50 (температура 130 С, время Зч.). Пленки ВК-50, после обработки при этом оптимальном режиме, имеют наиболее высокие деформационно-прочностные свойства
Исследование адгезионных свойств полимерного материала имеет важное значение, так как они препятствуют отслаиванию полимерного покрытия с поверхности детали при запрессовке и в дальнейшем в значительной мере обеспечивают неподвижность соединения [ 171... 175].
Цель исследований заключалась в изучении влияния температуры и времени отвердения на адгезионные свойства полимерного материала ВК-50, определении оптимального режима термической обработки покрытий ВК-50, обеспечивающего наиболее высокие адгезионные свойства материала.
