Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Причины нарушения жесткости шпиндельных узлов ремонтно- технологического оборудования
1.2 Анализ методов обеспечения точности размерных цепей отремонтированных механизмов
1.3 Анализ существующих методов восстановления корпусных деталей ремонтно-технологического оборудования
1.4 Цели и задачи исследования 23
2 Теоретические аспекты исследования 26
2.1 Расчет технологических и многопараметрических (динамических) размерных цепей отремонтированного с использованием полимерных композиций механизма
2.2 Создание расчетной модели нагружения восстановленного подшипникового соединения шпиндельного узла с использованием полимерных композиционных материалов в программном комплексе ANSYS
2.3 Математическая модель исследования трехмерного напряженно-деформированного состояния полимерной прослойки в восстановленном неподвижном соединении деталей
2.4 Разработка расчетной модели восстановленного шпиндельного узла в программном комплексе ANSYS 48
3 Методические основы исследования 55
3.1 Программа исследований 55
3.2 Методика исследования зависимости объемного модуля упругости полимерных композиций от температуры
3.3 Методика исследования зависимости линейного модуля упругости полимерных композиций от температуры
3.4 Методика определения жесткости шпиндельного узла 63
3.5 Методика много факторного планирования эксперимента 67
3.6 Методика исследования деформации в восстановленном с применением полимерных материалов неподвижном соединении деталей
4 Результаты эксперементальных исследований 79
4.1 Оценка точности размерных цепей новых и отремонтированных шпиндельных узлов токарного станка
4.2 Результаты исследования реологических свойств полимерных композиций
4.3 Результаты исследований деформации в восстановленном неподвижном соединении
4.4 Оптимизация свойств и толщины полимерной восстановительной прослойки
5 Разработка технологического процесса восстановления посадочных отверстий корпуса коробки скоростей токарного станка
5.1 Технологический процесс восстановления посадочных отверстий корпуса коробки скоростей токарного станка 1К62Д композиционными покрытиями
5.2 Расчет годовой экономической эффективности внедрения разработанного технологического процесса в производство
Общие выводы и рекомендации 109
Список использованных источников
- Анализ существующих методов восстановления корпусных деталей ремонтно-технологического оборудования
- Создание расчетной модели нагружения восстановленного подшипникового соединения шпиндельного узла с использованием полимерных композиционных материалов в программном комплексе ANSYS
- Разработка расчетной модели восстановленного шпиндельного узла в программном комплексе ANSYS
- Результаты исследования реологических свойств полимерных композиций
Введение к работе
Актуальность темы исследований. В настоящее время ремонтные предприятия страны оснащены, в основном, морально и физически устаревшим металлорежущим оборудованием, не позволяющим обеспечить высокие требования по точности и качеству механической обработки восстанавливаемых деталей.
Известно, что одним из основных параметров, определяющих параметрическую надежность металлорежущего оборудования, является жесткость технологической системы СПИД (станок - приспособление -инструмент - деталь), повышение которой является главной задачей по обеспечению качественной механической обработки.
Основным формообразующим узлом в станках, в частности, токарной группы, является шпиндельный узел. В процессе эксплуатации станка его доля в общем балансе точности обработки возрастает до 80% из-за износов контактирующих деталей данного узла. В первую очередь это относится к подшипниковым соединениям. Причем основной причиной нарушения неподвижности данных соединений деталей многие исследователи считают фреттинг-коррозионное изнашивание контактирующих поверхностей.
Логично ремонт имеющегося оборудования осуществлять на том же ремонтном предприятии, используя передовые технологии восстановления изношенных деталей, к которым в настоящее время относятся технологические процессы, основанные на использовании наноструктурированных восстановительных покрытий на основе современных полимерных материалов, нашедших широкое применение при восстановлении ресурсных деталей тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин и др.
Однако возможность применения таких материалов для восстановления изношенных поверхностей деталей неподвижных соединений, в частности подшипниковых, ограничивается проблемой обеспечения необходимой точности в процессе эксплуатации как самого соединения, так и точности замыкающих звеньев размерных цепей всего механизма ремонтируемого узла.
В первую очередь это связано с тем, что физико-механические, а особенно - реологические свойства материала сопряженных деталей, а это как правело, железоуглеродистые сплавы, и восстановительного материала (в нашем случае - полимерная композиция) отличаются в значительной степени. Поэтому при подборе полимерной композиции в обязательном порядке необходимо учитывать снижение ее жесткости под действием рабочих температур в процессе эксплуатации восстановительного соединения.
Существует два варианта решения данной проблемы.
Первый - ужесточение допусков на размер восстановленной полимерными материалами поверхности детали с учетом возможных дополнительных деформаций полимерного слоя. Однако этот вариант приведет к значительному повышению себестоимости технологического процесса восстановления из-за необходимости применения высокоточных методов механической обработки и дорогой технологической оснастки.
і
Второй - подбор полимерных материалов с ограничением их по деформируемости, т.е. с определенными физико-механическими и реологическими свойствами. Это позволит сохранить существующие нормы точности на восстановление детали.
Второй подход видится более предпочтительным, но для его реализации необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Степень разработанности темы. В настоящее время при восстановлении корпусных деталей машин в ремонтном производстве применяются электродуговые методы, гальванические способы, напыление материалов, нанесение полимерных композиций и др.
Фундаментальные теоретические и практические исследования по разработке прогрессивных технологических процессов восстановления изношенных деталей выполнены советскими и российскими учеными: Ф.Х. Бурумкуловым, Д.Г. Вадивасовым, Е.Л. Воловиком, А.В. Дехтеринским, В.И. Казарцевым, А.В. Котиным, В.М. Кряжковым, И.С. Левицким, И.И. Луневским, В.А. Наливкиным, Ю.Н. Петровым, А.В. Поляченко, Р.Н. Сайфуллиным, В.А. Денисов, В.Н. Сивцовым, И.Е. Ульманом, В.А. Шадричевым и другими.
Перспективным является использование для восстановления посадочных поверхностей корпусных деталей тонкослойных полимерных покрытий, в том числе по заранее подготовленной металлической подложке, образованной общеизвестными и широко распространенными методами. Однако разработка таких технологий требует проведение дополнительных исследований по влиянию таких восстановительных покрытий на параметрическую надежность всего отремонтированного механизма.
Целью исследования является повышение параметрической надежности
ремонтно-технологического оборудования при восстановлении
подшипниковых соединений шпиндельного узла металлополимерными композиционными материалами.
Объект исследования - параметрическая надежность
отремонтированного шпиндельного узла универсального токарно-винторезного станка 1К62Д.
Предмет исследования - закономерности изменения начальных значений точности восстановленных с применением полимерных композиционных материалов подшипниковых соединений шпиндельного узла в процессе его эксплуатации
Методы исследования. Системный подход и анализ, логика научных исследований, математическое моделирование с использованием современных расчетных комплексов. Разработаны частные методики лабораторных исследований с использованием методов математической статистики и современных вычислительных комплексов.
Научная новизна работы состоит:
- в разработке теоретических предпосылок повышения жесткости шпиндельных узлов ремонтно-технологического оборудования, а,
соответственно, его параметрической надежности, при восстановлении подшипниковых соединений металлополимерными композициями;
в создании на основе программного комплекса ANS YS расчетной схемы и математической модели, адекватно описывающей процесс нагружения восстановленного с использованием полимерных материалов подшипникового узла в процессе эксплуатации ремонтно-технологического оборудования;
в получении физико-механических и реологических характеристик ряда современных перспективных полимерных материалов отечественного и импортного производства;
- в определении на основе математического моделирования процесса
нагружения восстановленного соединения оптимальных свойств
восстановительного полимерного покрытия.
Практическую значимость представляют:
рекомендации по обеспечению необходимой жесткости шпиндельных узлов ремонтно-технологического оборудования при их ремонте с использованием металлополимерных композиций;
технологический процесс восстановления изношенных подшипниковых соединений шпиндельных узлов с применением металлополимерных композиций.
На защиту выносятся следующие положения:
- теоретические предпосылки повышения параметрической надежности
шпиндельных узлов ремонтно-технологического оборудования при
восстановлении их подшипниковых соединений металлополимерными
покрытиями;
- расчетная схема и математическая модель, адекватно описывающая
процесс нагружения восстановленного с использованием полимерных
материалов подшипникового узла в процессе эксплуатации ремонтно-
технологического оборудования;
полученные физико-механические и реологические характеристики ряда современных перспективных полимерных материалов отечественного и импортного производства, рекомендуемых разработчиками для восстановления изношенных деталей и соединений;
рекомендации по обеспечению необходимой жесткости шпиндельных узлов ремонтно-технологического оборудования при их ремонте с использованием металлополимерных композиций;
технологический процесс восстановления изношенных подшипниковых соединений шпиндельных узлов с применением металлополимерных композиций.
Достоверность основных положений работы подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не более 5%). Результаты исследований прошли широкую апробацию в печати и научно-практических конференциях, внедрены в производство.
Реализация работы. Результаты исследований внедрены в ООО «Агро-сервис», ООО «Эффект Гарантия».
Личный вклад автора состоит в разработке представленной математической модели, проведении лабораторных исследований, производственной проверки полученных результатов, создания технологии, написании научных статей, оформление заявок на получение охранных документов на программы для ЭВМ.
Апробация работы. Основные результаты исследований отражены в научных статьях, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени кандидата и доктора наук: «Сельский механизатор», «Трактор и сельхоз машины», «Труды ГОНИТИ» и доложены на международной научно-практической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (Саранск, 2012 - 2013гг.); всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение: наука, техника, образование» (Рузаевка, 2005г., 2007г., 2010г.); Огаревских чтениях, проводимых в Мордовском госуниверситете им Н.П. Огарева (Саранск, 2009-2014 г.г.); конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовском госуниверситете им Н.П. Огарева (Саранск, 2008-2014 г.); расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции Мордовского госуниверситета имени Н.П. Огарева (Саранск, 2015 г.).
По теме диссертации автором опубликовано 16 печатных работ, в том числе 6 опубликованы в изданиях рекомендованном ВАК РФ, получено 3 свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 4,5 п. л., из них автору принадлежит 3,4 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка литературы из 130 наименований. Работа представлена на 121 с, содержит 40 рисунков и 11 таблиц.
Анализ существующих методов восстановления корпусных деталей ремонтно-технологического оборудования
К недостаткам данных способов относятся: низкие производительность и стабильность процесса, высокая трудоемкость, плохая обрабатываемость покрытий механическим способом, недостаточная прочность сцепления покрытия с основной поверхностью
Одним из универсальных методов восстановления деталей является электроискровая наплавка, позволяющая наносить на поверхности деталей различные износостойкие покрытия без существенного изменения в структуре основного материала [63, 64, 65].
Этот метод заключается в том, что при электроискровом разряде происходит разрушение материала электрода (анода) и перенос продуктов эрозии на деталь (катод). Нанесение на рабочую поверхность детали слоя материала сопровождается химическим и диффузным процессом, что обеспечивает прочную связь с основой
Однако опыт применения ЭИН показал, что при износе поверхностей деталей свыше 200 мкм электроискровые покрытия даже после механической обработки не удовлетворяют жестким требованиям по микро- и макрогеометрии поверхностного слоя.
Всем перечисленным выше способам присущи следующие недостатки: сложность технологического процесса, потребность в дорогостоящем технологическом оборудовании, трудность механической обработки нанесенных покрытий, низкие коэффициент использования металла и производительность, высокая себестоимость работ. Методы, основанные на применении полимерных композиционных материалов, лишены большинства выше приведенных недостатков.
В 70-е годы прошлого века широкое распространение получили методы восстановления посадочных отверстий композициями на основе эпоксидных смол [66, 67]. Все способы ремонта эпоксидными составами можно разделить на три группы: вклеивание; формование композиции специальными оправками на поверхности изношенного отверстия; нанесение покрытий с последующей механической обработкой. К недостаткам методов основанных на использовании эпоксидных композиций относят низкую жизнеспособность приготовленного состава, очень высокую токсичность и концерогенность композиции, длительное время отверждения без термообработки, высокую хрупкость полученного покрытия.
Так же для восстановления изношенных деталей применяют высокоэластичные полимерные материалы, в частности эластомер ГЭН-150(B), герметики 6Ф, ПС-40 [68, 69, 70].
Применение этих полимеров показало, что они благоприятно влияют на фреттинг-коррозионную износостойкость восстановленных соединений, способствуют повышению долговечности подшипников качения.
С началом производства отечественной химической промышленностью анаэробных герметиков ускоренного отвеждения наступил новый этап в применении полимерных материалов для восстановления изношенных неподвижных соединений деталей [71]. Данные герметики состоят из следующих компонентов: полимеризационного ненасыщенного мономера, инициатора полимеризации, катализатора, модификатора вязкости, стабилизирующей системы и других специфических ингредиентов. Для данных материалов характерна высокая скорость их превращения, при отсутствии доступа кислорода воздуха, в пространственно-сшитые полимеры.
В настоящее время данные материалы выпускаются как за рубежом, например, фирмами «LOCTITE» (США), «Multi Metall» (Германия), «Durmetall» (Швейцария), «БЕЛЬЗОНА 1111» (Италия), «АБРА» (США), так и в России - разработчик и производитель НИИ полимеров [72, 73].
Применение анаэробных герметиков позволяет уменьшить себестоимость изготовления и ремонта машин, повысить надежность сборочных единиц. Это объясняется тем, что они обеспечивают отсутствие микроскопических зазоров и увеличивают площадь контакта в соединении. Еще одним неоспоримым их плюсом является то, что применение анаэробных герметиков позволяет отказаться от доводочных методов чистовой обработки деталей, и упростить методы сборки.
Анаэробные герметики широко применяются в ремонтном производстве и в машиностроении. Имеется опыт применения этих материалов при ремонте судовых двигателей и механизмов [74, 75, 76], агрегатов автомобилей [77, 78], сельскохозяйственной техники [79, 80, 81, 82, 83, 84, 85].
Большой вклад в изучение полимерных композиций был сделан учеными Института механики и энергетики Мордовского госуниверситета имени Н.П. Огарева. Были изучены не только свойства полимерных композиций на основе аноэробных герметиков ускоренного отверждения, но и разработаны способы управления этими свойствами, что позволило разработать и внедрить в производство целый ряд технологических процессов восстановления изношенных деталей машин и механизмов [86, 87, 88, 89].
Так же были разработаны и внедрены комбенированные способы востановления корпусных деталей с применением электроискровых и полимерных покрытий.
К недостаткам разработанных технологий с применением полимерных композиций на основе аноэробных герметиков относится длительное время полимеризации композиций (не менее 12 часов), применение дорогостоящей высокоточной специальной калибрующей оснастки, а также значительная технологическая усадка анаэробных герметиков. Применение клеев-компандов позволяет значительно снизить трудоемкость процесса восстановления. К таковым, например, относятся отечественные клеи-компаунды типа АНАТЕРМ, представляющие собой двухупаковочные композиции, которые после смешивания основы и отвердителя быстро создают высокопрочный водо-, масло- и бензостойкий материал, полимеризация происходит при комнатной температуре на воздухе в отличие от анаэробных герметиков и полученный материал хорошо обрабатывается лезвийным режущем инструментом [90, 91]. Недостатком является плохая изученность этого материала, отсутствие достоверных данных о физико-механических и реологических свойствах, что затрудняет более широкое внедрение их в ремонтное производство.
Создание расчетной модели нагружения восстановленного подшипникового соединения шпиндельного узла с использованием полимерных композиционных материалов в программном комплексе ANSYS
С учетом расчетов, выполненных в пункте 2.2 и общеизвестных рекомендаций, изложенных в работах [108,109,110,111], область исследования ограничивается передней частью шпиндельного узла состоящей из восстановленного корпуса шпиндельного узла-подшипника-части шпинделя-оправки.
Нагружение подшипникового соединения осуществляется в несколько последовательных шагов с передачей НДС между ними.
На первом шаге нагружения моделируется приложение сил резания к отремонтированному шпиндельному узлу. На втором шаге нагружения моделируется выдержка элементов шпиндельного узла под действием сил резания, заданных на предыдущем шаге, в течение времени равного 6 годам с целью исследования влияния релаксационных процессов в металлополимерном восстановительном покрытии посадочной поверхности корпуса под передний подшипник шпинделя на НДС элементов системы.
Конечно-элементная модель строится по схеме "снизу-вверх" в препроцессоре PREP7 системы ANSYS. На первом этапе построения создается ЗО-модель восстановленного шпиндельного узла.
На втором этапе задаются модели материалов. Всего используется три модели материалов. Модель нелинейной вязкоупругой среды Максвелла -описывает поведение материала металлополимерного покрытия и определяется модулем Юнга, коэффициентом Пуассона и дискретными значениями модуля сдвига и времён релаксации (уравнения 2.29, 2.30) Значения релаксационных характеристик, объёмного модуля и начального сдвигового модуля металлополимерных покрытий предварительно получены в ходе экспериментальных исследований цилиндрических образцов на универсальной испытательной машине UAI-7000 М, оснащённой термокамерой (см. раздел 4.2). В модели релаксационные свойства задаются в виде PRONY-функций с учетом того, что гидростатические напряжения в широком диапазоне времен и скоростей нагружения непористых полимеров являются функцией только объемной деформации [107], указанные функции сводятся к выражениям:
Все используемые реокинетические константы (времена релаксации, объемный и линейный модули упругости) приводятся к температуре эксплуатации узла.
Модели материала остальных деталей шпиндельного узла созданы на основе линейной модели Гука с использованием справочных данных.
Далее производили выбор типов элементов. Корпус разбивали элементом SOLID 95 (этот элемент используется для моделирования трехмерных (3D) конструкций задач механики деформируемого твердого тела, SOLID 95 в состоянии использовать не регулярную форму сетки без потери точности). Элемент определяется 20 узлами, имеющими три степени свободы в каждом узле).
Для оправки, шпинделя и подшипника был выбран элемент SOLID 185 (используется для трехмерного (3D) моделирования объемных конструкций). Элемент определяется 8 узлами, имеющими три степени свободы в каждом узле. Он имеет свойства пластичности, гиперупругости, изменения жесткости при приложении нагрузок, ползучести, больших перемещений и больших деформаций; смешанную формулировку для расчета почти несжимаемых упругопластических материалов и полностью несжимаемых гиперупругих материалов).
Для полимерной восстановительной прослойки выбираем элемент SOLID 186 (используется для моделирования трехмерных (3D) конструкций задач механики деформируемого твердого тела). SOLID 186 в состоянии использовать не регулярную форму сетки без потери точности. Элемент определяется 20 узлами, имеющими три степени свободы в каждом узле. Элемент имеет свойства пластичности, гиперупругости, изменения жесткости при приложении нагрузок, больших перемещений и больших деформаций; смешанную формулировку для расчета почти несжимаемых упругопластических материалов и полностью несжимаемых гиперупругих материалов).
Для создания контактных пар использовались элементы TARGE 170 и CONTA 174. Элемент TARGE 170 применяется для представления разнообразных трехмерных ответных поверхностей для связи с контактными элементами CONTA 174. Эти контактные элементы непосредственно покрывают границу деформируемого тела и потенциально находятся в контакте с ответной поверхностью.
Общее количество конечных элементов модели выбирается с учетом рекомендаций [105], специфики геометрии металлополимерного слоя и результатов предварительных оценочных расчетов.
В процессоре /SOLU задаются граничные условия модели, частота вывода результатов, выбирается и настраивается решатель. Так как в металлополимерний восстановительной прослойке могут возникнуть большие деформации конечно-элементной сетки, то выбирается схема решения метода Ньютона-Рафсона и включаются эффекты больших деформаций.
Для проведения анализа напряженно деформированного состояния восстановленного подшипникового соединения шпиндельного узла токарного станка в программном комплексе ANSYS была построена твердотельная модель, которая состоит из оправки, подшипника радиально упорного, полимерной прослойки (в зависимости от модели толщина ее менялась от 500мкм до ЮООмкм), корпуса и передней части шпинделя токарного станка 1К62Д. Данная модель представлена на рис. 2.10.
Набор используемых элементов На следующем шаге задаются свойства материалов. Всего задаем три набора свойств материала. Первым набором свойств мы описываем материалы с линейным поведением: корпус, шпиндель, кулачковый патрон, оправка, подшипник. Этот набор включает в себя следующие свойства материала: коэффициент трения равный 0,2, модуль Юнга 2 10п Па и коэффициент Пуассона 0,28 [112].
Вторым набором свойств описываются свойства восстановительного полимерного покрытия, для которого были приняты следующие константы, полученные на основе экспериментальных исследований различных полимерных материалов: модуль Юнга (в зависимости от материала изменялся от 2 109 Па до 4 109 Па), коэффициент Пуассона (изменялся от 0,3 до 0,49 Па), коэффициент функции PRONYaf =0,14286, af =о,Ш8б.
Разработка расчетной модели восстановленного шпиндельного узла в программном комплексе ANSYS
Построенный план матрицы планирования отвечал выше указанным свойствам, следовательно, математическая модель, полученная в результате эксперимента, способна предсказать значение показателя параметра оптимизации с одинаковой точностью в любых направлениях на равных расстояниях от центра эксперимента.
Далее в каждой точке плана матрицы планирования устанавливали действительные значения факторов, соответственно где «-» там минимальное значение соответствующего фактора, а где «+» максимальные. Таким образом получали действительные значения показателя параметра оптимизации по всем точкам плана матрицы планирования.
Среднее значение показателя параметра оптимизации определяли по формуле: Yu=i A (3.19) m где Yu- среднее арифметическое no m опытов в точке с номером и; D- строчка плана матрицы планирования; Yuj- действительное значение показателя параметра оптимизации; т- число параллельных наблюдений в каждой точке. Для оценки отклонения показателя параметра оптимизации от среднего значения вычисляли дисперсию воспроизводимости по данным m параллельных наблюдений плана матрицы планирования в каждой точке по формуле: T(Y -Y )
После получения значения G производили выбор табличного значения критерия Кохрена GKp [116], для этого задали уровень значимости q=5%, определяли число степеней свободы VIB max=m-l и V2,B=N И производили сравнение. Если расчетное значение G оказалось меньше найденного табличного значения GKp, то гипотеза об однородности дисперсий и воспроизводимости результатов принималась. Если проверка дала отрицательный результат, то увеличивали число параллельных опытов.
Для проверки гипотезы о значимости коэффициентов регрессии находили критическое значение tKp по [116]. Для этого задавались уровнем значимости q=5% и определяли число степеней свободы V3H=N(m-l). Затем сравнивали найденное tup с расчетными значениями ti. Если расчетный коэффициент получался больше табличного, то коэффициент bi признавался значимым. В противном случае bi считали статистически незначимым.
По уравнению регрессии определяли величину Yv л для каждой строчки, с учетом знака фактора в плане матрицы определяли алгебраическую сумму коэффициентов уравнения. Затем находили разность между средним значением Ywp показателя параметра оптимизации процесса для каждой точки матрицы, полученным экспериментально, и значением Yv л, подсчитанным по уравнению регрессии. Полученные результаты (Y p-Y ) суммировали ДГ -YVJJ . Оценку адекватности модели определяли по формуле: N -1 c=i где S2ad- оценка дисперсии адекватности модели; Y - математическое ожидание параметра оптимизации, подсчитанное по уравнению регрессии.
Для проверки адекватности модели задавались уровнем значимости q=5%, определяли число дисперсий свободы Viad=N-l и V2ad=N(m-l), находили табличное значение критерия Фишера FKp для определенного числа степеней свободы [116]. Гипотезу адекватности модели принимали в том случае, если расчетное значение F, определенное по формуле (3.28), оказывалось меньше значения FKp найденного в таблице.
Поскольку выбор контролируемых параметров процесса осуществлялся на основании требований к конечному результату при учете каждого выделенного фактора, то оценивали коэффициенты влияния (чувствительности) в действительных значениях по формуле: где Ai - коэффициент чувствительности параметра процесса в действительных значениях.
Для оптимизации применяли метод крутого восхождения [117]. Крутое восхождение начинали от основных уровней значимых факторов, при этом их изменяли пропорционально величинам коэффициентов регрессии с учетом их знаков. Вычисляли произведение ЬІАХ по каждому фактору. Находили фактор, для которого произведение ЬІАХ является наибольшим, то есть базовым.
Выбирали сдвиг в направлении крутого восхождения по базовому фактору от основного уровня с интервалом дАХб, где д=0,1;0,2;0,3; и т.д. до 1.
Определяли величину первого шага эксперимента Хш=ц/Ьб. Вычисляли шаги первой точки крутого восхождения эксперимента по формуле: xh nAbiAXJ+Xioo (3.30)
Далее последовательно прибавляли к предыдущей точке шаг соответствующего фактора ХШ(ЬІАХІ). Результаты эксперимента представлены в пункте 4.4. Методика исследования деформации в восстановленном с применением полимерных материалов неподвижном соединении деталей
Для исследования реальных деформаций в восстановленном подшипниковом соединении был изготовлен экспериментальный образец, моделирующий подшипниковый узел шпинделя токарного станка в масштабе 1:1, который представлен на рисунке 3.9.
Экспериментальный образец для исследования величины радиального перемещения (модель радиального нагружения переднего подшипника шпиндельного узла) 1 - модель подшипника 4-697920Л1 ГОСТ 21512-76, 2 - полимерная восстановительная прослойка из Анатерма-203, 3 - элемент корпуса шпинделя токарного станка, 4 - опоры
Для увеличения адгезионной прочности полимера модель подшипника подвергали электроискровой обработке, затем обрабатывали ацетоном и наносили металлополимерное покрытие. Металлополимерная композиция готовились следующим образом: - с помощью лабораторных весов ВК-3000 с точностью ± 0,05 г отбирались из емкостей требуемые навески отвердителя и основного материала в соотношении 1:11 для Анатерм-203; - полученные навески тщательно перемешивались при комнатной температуре в полиэтиленовой ёмкости с помощью двухлопастной мешалки, смонтированной на сверлильном станке, при частоте вращения 100-200 об/мин. в течение 2 минут; - полученная композиция наносилась на модель подшипника 1; - отверждение композиции проводилось при комнатной температуре и вертикальном расположении в течении 24 часов; - требуемую толщину слоя получали после отверждения композиции путём механической обработки детали на токарном станке. Экспериментальный образец был подвергнут нагружению на разрывной машине Р - 0.5 (завод «Точприбор») представленной на рисунке 3.10.
Рис. 3.10 Разрывная машина Р-0.5 1 - разрывная машина Р-0.5, 2 - датчик перемещения, 3, 4 и 5 - приборы измерения усилия, перемещения и скорости перемещения, 6 - динамометр, 7 - индикатор часового типа с ценой деления 1мкм, 8 - держатель, 9 - щуп, 10 - экспериментальная модель, 11 -подвижная плита, 12 - поворотный стол, 13 - блок управления.
Экспериментальная модель подшипникового узла устанавливалась на поворотном столе 12, затем сверху ставился держатель 8 с двумя индикаторами 7 и подвижной плитой 11. Образец нагружался силой в 2000Н и выдерживался в течении 2000 часов. Периодически фиксировалось показание индикатора часового типа.
Результаты исследования реологических свойств полимерных композиций
Ограничивающими факторами использования полимерных материалов для восстановления изношенных деталей машин, как отмечалось выше, является значительные их деформации в процессе эксплуатации, а также их недостаточная когезионная и адгезионная прочность.
В работах [86,91] было доказано на примере полимерных материалов «БЕЛЬЗОНА-1111», клей-компаунда АНАТЕРМ-203, клей-компаунда AHATEPM-201, Loctite 3472, «АБРА», что адгезионная прочность этих популярных ремонтных композиций при нанесении на гладкую металлическую поверхность восстанавливаемой детали очень низка (не более 1,86 МПа), что значительно ограничивает их применение (табл. 4.3).
Анатерм-201 и Loctite 3472 имеют наилучшие адгезионные свойства среди современных полимерных восстановительных материалов, поэтому при дальнейших исследований этим композициям было уделено особое внимание.
Для реализации разработанной математической модели нагружения восстановленного подшипникового соединения шпиндельного узла с использованием полимерных композиционных материалов в программном комплексе ANSYS необходимо знать ряд констант данных материалов. Их определение проводили в соответствии с методикой, изложенной в п. 3,2 в диапазоне температур от 20 до 110 С.
На рис. 4.5 представлены зависимости изменения объемного модуля упругости исследуемых материалов от температуры.
Анализ полученных зависимостей показывает, что максимальное значение объемного модуля упругости у исследуемых полимерных материалов составляет: для Loctite 3472 - 1160 МПа при температуре 60 С, для Анатерм-201 - 1120 МПа при температуре 44 С. При температуре 100 С исследуемые параметры сравниваются по значению. Область начального возрастания значений данного параметра объясняется упорядочением химической структуры полимерных композиций.
Поскольку Анатерм-201 имеет более низкую тиксотропность по сравнению с другими материалами (после приготовлении композиции находится в жидкотекучем состоянии, что значительно усложняет процесс нанесения равномерного слоя материала на вертикальные поверхности восстанавливаемой детали), было решено в дальнейших исследованиях использовать также Анатерм-203 (который имеет пастообразную массу), и композиции на основе Анатерм-6В [86, 15].
Установление зависимости линейного модуля упругости полимера от температуры осуществляли согласно методике, изложенной в п. 3.3.
Исследования проводились в диапазоне температур от 50 до 100 С, что соответствует условиям работы подшипникового узла. Полученные результаты представлены на рисунке 4.6.
Рисунок 4.6 Зависимость линейного модуля упругости полимерных композиций от температуры Естественным является и характер изменения коэффициента Пуассона исследуемых материалов (рис. 4.7), который с ростом температуры увеличивается с 0,18 при Т = 200С до 0,47 при Т = 1100С. Ті
Изменение коэффициентов Пуассона полимерных композиций Из результатов исследования следует, что наибольший модуль упругости имеют клей-компаунд Анатерм-203 и полимерная композиция на основе анаэробного герметика ускоренного отверждения Анатерм-6В.
Для исследования упругих и пластических деформаций в восстановленных с применением полимерных материалов неподвижных соединений деталей была построена математическая модель, позволяющая реализовать условия радиального нагружения переднего подшипника восстановленного шпиндельного узла станка, представленная на рисунке 4.8.
Свойства материалов деталей соединения задавались по методике, изложенной в 2.5 данной работы.
Затем модель была разбита на конечно-элементную сетку, создана контактная пара, приложены ограничения, нагрузка 2000Н и произведен расчет в программном комплексе ANSYS.
Для обоснования достоверности полученных результатов был проведен эксперимент, описанный в пункте 3.6 данной работы.
По завершению эксперимента, который длился в течение ПО дней, были построены теоретический и экспериментальный графики относительного перемещения деталей за счет деформации полимера во времени (рисунок 4.9). Полученные результаты были прологарифмированы и составлен прогноз на 10 лет. / / нг=
Сравнение результатов показывает, что разработанная математическая модель адекватно описывает процесс нагружения восстановленного подшипникового соединения с применением полимерных композиционных материалов. Погрешность моделирования не превышает 5%.
Для использования исследуемых полимерных материалов в качестве компенсатора износа при восстановлении посадочных отверстий корпусных деталей шпиндельного узла требуется установление оптимальных физико-механических свойств полимерного материала, толщины полимерной прослойки и рекомендуемых сил резания с целью исключения появления брака при обработке заготовки на станке.
Для решения данной задачи была разработана конечно-элементная математическая модель процесса резания, которая была реализована с помощью программного комплекса ANSYS и представлена в данной работе в пункте 2.5. Теоретическими исследованиями было установлено, что определяющими факторами качества восстанавливаемой поверхности корпусной детали шпиндельного узла являются толщина и свойства слоя полимера, технологические режимы резания.
По результатам имитационного математического моделирования были построены графики зависимости перемещения шпинделя за счет деформаций поверхностей сопряженных деталей в зависимости от свойств материалов и режимов механической обработки, которые представлены на рисунках 4.10, 4.11и4.12.