Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 10
1.1 Корпусные детали и их назначение 10
1.2 Классификация дефектов на примере трещин и пробоин 12
1.3 Методы и средства выявления поверхностных (наружных) дефектов корпусных деталей 18
1.4 Способы герметизации трещин корпусных деталей 18
1.4.1 Герметизация трещин сваркой 20
1.4.2 Герметизация трещин пайкой 23
1.4.3 Герметизация трещин сварко-пайкой 25
1.4.4 Герметизация трещин пропиткой 26
1.4.5 Герметизация трещин фигурными вставками 26
1.4.6 Герметизация трещин штифтованием 28
1.4.7 Герметизация трещин эпоксидными составами и полимерными композиционными материалами на их основе 29
1.4.8 Структурирование полимерных композиционных материалов использованием нанонаполнителей 36
1.5 Выводы по главе 1, цель и задачи исследования 39
Глава 2. Теоретические основы факторов, влияющих на прочностные характеристики полимерных композиционных материалов 41
2.1 Факторы, влияющие на процессы адгезии 41
2.2 Система «субстрат-адгезив» и оценка ее адгезионной прочности... 43
2.3 Долговечность, как основа ресурса полимерных материалов и факторы, влияющие на нее 49
2.4 Выводы по главе 2 56
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 57
3.1 Общая методика исследований 57
3.2 Объекты экспериментальных исследований 59
3.3 Методика исследования герметизирующей способности полимерных композиционных материалов 64
3.4 Методика исследования адгезионной прочности полимерных композиционных материалов при их отрыве 67
3.5 Методика исследования адгезионной прочности полимерных композиционных материалов при их сдвиге 70
3.6 Методика исследования деформационных свойств, термомеханических характеристик и теплостойкости полимерных композиционных материалов 72
3.7 Методика исследования стойкости полимерных композиционных материалов к старению и вибрации 77
3.8 Методика исследования стойкости полимерных композиционных материалов к воздействию рабочих жидкостей 78
3.9 Методика исследования наноструктурных особенностей полимерных композиционных материалов 79
3.10 Обработка результатов экспериментальных исследований, определение повторности и ошибок опытов 81
Глава 4. Результаты исследований и их анализ 82
4.1 Результаты исследований и анализ герметизирующей способности полимерных композиционных материалов 82
4.2 Результаты исследований и анализ адгезионной прочности полимерных композиционных материалов при их отрыве и сдвиге 99
4.3 Результаты исследований и анализ деформационных свойств, термомеханических характеристик и теплостойкости полимерных композиционных материалов 101
4.4 Результаты исследований и анализ стойкости полимерных композиционных материалов к старению и вибрации 118
4.5 Результаты исследований и анализ стойкости полимерных композиционных материалов к воздействию рабочих жидкостей 123
4.6 Наноструктурный анализ полимерных композиционных материалов 131
4.7 Выводы по главе 4 133
Глава 5. Рекомендации производству и технико-экономическое обоснование результатов исследований 136
5.1 Технологические рекомендации 136
5.2 Методика расчета экономического эффекта 139
5.3 Расчет экономического эффекта восстановления герметичности корпусных деталей использованием полимерных композиционных материалов 146
5.4 Выводы по главе 5 157
Общие выводы 158
Список использованных источников 160
Приложения 177
- Герметизация трещин эпоксидными составами и полимерными композиционными материалами на их основе
- Долговечность, как основа ресурса полимерных материалов и факторы, влияющие на нее
- Результаты исследований и анализ герметизирующей способности полимерных композиционных материалов
- Расчет экономического эффекта восстановления герметичности корпусных деталей использованием полимерных композиционных материалов
Введение к работе
Актуальность работы. Постановлением Правительства Российской
Федерации от 14 июля 2007 г. № 446 утверждена Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008–2012 гг., предусматривающая инновационное развитие, в том числе и ремонтной отрасли, ускоренный
переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий.
Уровень надежности сельскохозяйственной техники составляет
до 15…20 % себестоимости механизированных работ и во многом определяет величину затрат на ее поддержание в работоспособном состоянии. Низкая надежность машин приводит к повышенным затратам на их ремонт, составляющим почти 60 млрд р. Наиболее ответственными деталями сельско-
хозяйственной техники, определяющими надежность работы всей машины в целом, являются корпусные детали. В процессе эксплуатации они подвергаются различным нагрузкам, в результате которых появляется такой трудноустранимый дефект, как трещинообразование, приводящий к потере их герметичности, и как следствие – загрязнению смазочных материалов абразивными частицами и ухудшению условий смазки. Нарушение герметичности корпусных деталей также наносит огромный ущерб сельскому хозяйству, так как аварийные утечки топливосмазочных материалов приводят к ежегодным потерям урожая, составляющим около 15 млн т.
Существует много способов заделки трещин в корпусных деталях, однако с развитием наноиндустрии широкое распространение получило использование полимерных композиционных материалов на основе эпоксидных смол, структурированных нанонаполнителями. На сегодняшний день в литературных источниках отсутствуют рекомендации по их применению.
Поэтому работа, направленная на изучение механических свойств, герметизирующей способности и долговечности исследуемых композиций, а также на разработку технологического процесса заделки трещин в корпусных деталях и рекомендаций по применению разработанных нанокомпозиций, является весьма актуальной.
Цель работы. Разработка технологии заделки трещин корпусных деталей сельскохозяйственной техники полимерными нанокомпозициями и рекомендаций по их применению.
Объектами исследований служили пленки и покрытия из отечественного и зарубежного полимерного композиционного материала, а также нанокомпозиции на их основе; корпусные детали с трещинами, восстановленные исследуемыми полимерными композиционными материалами.
Предмет исследования. Исследование влияния технологических и эксплуатационных факторов на механические свойства композиционных
материалов и долговечность восстановленных корпусных деталей.
Научная новизна. Теоретически обосновано влияние поверхностной энергии, модулей сдвига и упругости полимерного композиционного материала на его адгезионную прочность.
Впервые получены нанокомпозиции на основе эпоксидных смол, исследованы их физико-механические свойства и проведен наноструктурный анализ.
Реализация результатов работы. Даны практические рекомендации по восстановлению герметичности корпусных деталей сельскохозяйственной техники, изготовленных из серого чугуна, алюминия и стали с применением наноструктурированных полимерных материалов. Технологический процесс герметизации трещин корпусных деталей с использованием разработанных составов внедрен на локомотивном депо «Москва-Пассажирская – Курская» дирекции тяги Московской железной дороги филиала ОАО «РЖД» (Москва) и
СПК «Карабановский» (Владимирская область), а эксплуатационные испытания проведены в ТНВ «Шелухин и компания» (Московская область).
Апробация работы. Результаты работы были представлены
на 7 международных научно-практических конференциях:
1) семинаре заведующих кафедрами ремонта и надежности машин
на тему: «Инновационные технологии в подготовке высококвалифицированных
кадров для технического сервиса в АПК», посвященной 45-летию со дня образования факультета «Технический сервис в АПК» (г. Москва,
ФГОУ ВПО МГАУ, 5–11 октября 2009 г.); 2) Международной научно-практической конференции «Научно-педагогические проблемы транспортных учебных заведений», посвященной 50-летию Брянского филиала МИИТ
(г. Брянск, Брянский филиал МИИТ, 1–2 апреля 2010 г.); 3) Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК» (г. Мичуринск, ФГОУ ВПО МичГАУ, 13–14 мая 2010 г.);
4) XIV Международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (г. Белгород, ФГОУ ВПО БелГСХА, 17–20 мая 2010 г.); 5) Международной
научно-практической конференции «Научные проблемы автомобильного транспорта», посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ (г. Москва,
ФГОУ ВПО МГАУ, 20–21 мая 2010 г.); 6) Международной научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии», посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ
(г. Москва, ФГОУ ВПО МГАУ, 7–8 октября 2010 г.); 7) Международной
научной сессии «Инновационные проекты в области агроинженерии»
(г. Москва, ФГБОУ ВПО МГАУ, 6–7 октября 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе четыре статьи в изданиях рекомендованных ВАК, получено три патента Российской Федерации на полезную модель № 93733, 105368, 105369.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, включая 83 рисунка, 11 таблиц, библиографию из 165 наименований, приложений на 21 странице. Общее количество печатных листов – 4,31, из них личный вклад автора – 1,83 п.л.
Герметизация трещин эпоксидными составами и полимерными композиционными материалами на их основе
Подавляющее большинство герметизирующих составов, применяемых для ремонта корпусных деталей сельскохозяйственной техники, относится к классу полимерных композиций. Их важнейшими преимуществами перед полимерами являются: повышенная жесткость, прочность, стабильность размеров, теплостойкость, работа разрушения и ударная прочность; регулируемые электрические и фрикционные свойства; пониженная газо- и паропроницаемость, а также более низкая стоимость [61].
В настоящее время получение полимеров возможно путем соединения полифункциональных олигомеров - соединений с низкой степенью полимеризации, занимающих по размеру молекул область между мономерами и полимерами, в сетчатый полимер.
В зависимости от назначения олигомерных композиций в их состав вводятся наполнители, пластификаторы, отвердители, ускорители отверждения, инициаторы полимеризации, пигменты, а также другие компоненты [24].
Классификацию этих композиций проводят по армированному наполнителю и виду связующего, наибольшее распространение среди которых получили такие связующие как; эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиуретановые и другие. Связующие также классифицируют на термопласты, способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры, и реактопласты или термореактивные смолы, нагревание которых сопровождается необратимыми структурными и химическими превращениями в связующем [61]. Краткая качественная характеристика некоторых реакционно-способных олигомеров (термореактивных смол) приведена в приложении Д [24].
Анализируя характеристики олигомеров, а также учитывая их широкое применение в авторемонтном производстве, можно сделать вывод об универсальности и перспективности эпоксидных составов. В связи с этим свойства композиций и восстановление деталей с их помощью будет рассматриваться преимущественно на примере эпоксидных олигомерных композиций. Наиболее распространенным связующим этих композиций являются эпоксидные смолы, представляющие собой в неотвержденном состоянии органические или элементоорганические вещества, содержащие в своих молекулах две или более эпоксидные группы.
В настоящее время промышленностью синтезировано и освоено несколько сот видов эпоксидных смол и соединений, наиболее важным компонентом для получения которых являются диановые смолы, а эпоксидно-диановые смолы обладают значительно меньшей токсичностью среди соединений этого класса [62].
В производственной практике ремонта автомобилей наибольшее распространение среди них получили многочисленные композиции отечественного производства, таких как: ЭД-16, ЭД-20 и ЭД-22 (Э - эпоксидная, Д - дифенилпропановая; цифра указывает нижний предел содержания эпоксидных групп), соответствующих ГОСТ 10587 - 84 (таблица 1.5) [63].
Свои ценные физико-механические свойства эпоксидные смолы проявляют в отвержденном состоянии, в которое переходят в результате взаимодействия функциональных разнотипных групп или ненасыщенных связей с низкомолекулярными веществами, называемыми отвердителями. В таком случае, химическая природа и строение молекул отвердителя во многом определяют структуру сетки и оказывают влияние не только на технологические свойства исходных композиций, но и на эксплуатационные характеристики полимеров [61].
Кричевский М.Е. в своей работе [64] классифицирует отвердители на отвердители холодного (температура отверждения +16...20 С) и горячего (температура отверждения +100...200 С) отверждения. К первым относятся амины (полиэтиленполиамин, этилендиамин, гексаметилендиамин, гексаметилентриамин), низкомолекулярные полиамиды (Л-18, Л-19, Л-20 и др.), а ко вторым - ангидриды дикарбоновых кислот (малеиновой, фталевой и др.), амиды кислот (дициандиамиды).
В работе [12] отвердители подразделяются на четыре группы:
- аминные отвердители;
- ангидриды ди- и поликарбоновых кислот;
- олигомерные отвердители;
- катализаторы и ускорители отверждения эпоксидных смол. Учитывая многообразие отвердителей, для практического использования пригодна лишь малая доля соединений, с помощью которых возможно отверждение эпоксидных композиций в знакопеременном диапазоне температур. Указанным требованиям отвечает подгруппа аминых отвердителей, в состав которой входят полиаминоалкилфенолы, позволяющие отверждать эпоксидные смолы в интервале температур от -5 до +200 С, что обеспечивает жизнеспособность эпоксидных композиций. К представителям вышеуказанной группы относится полиэтиленполиамин (далее - НЭПА), являющийся самым распространенным отвердителем эпоксидных смол. При ремонте машин на линии также рекомендуются эпоксидные составы с отвердителем этилендиаминофенолом (АФ-2) или диэтилентриаминофенолом (УП-538Т), которые приводят к более быстрому отверждению по сравнению с ПЭПА [24, 61].
Отвердители вводятся непосредственно перед использованием эпоксидных смол в строго расчетном количестве [64]. Следует учитывать, что их недостаток в процессе формирования адгезионного соединения может привести к насыщению приповерхностного слоя эпоксидной смолы водой и гидроксоединением алюминия, а соответственно, к неполному ее отверждению и разупрочнению всей полимерной системы [65].
Повышенная хрупкость, плохая способность выдерживать удары и вибрации, невысокая эластичность отвержденных эпоксидных композиций может объясняться отсутствием пластификаторов в их структуре. Их добавление приводит к повышению вышеуказанных свойств, изменению вязкости полимерной композиции, увеличению гибкости молекул и подвижности надмолекулярных структур, повышению морозостойкости и стойкости к резкому изменению температур отверженных композиций. В качестве пластификаторов эпоксидных смол используют низкомолекулярные полиамидные смолы (Л-18, Л-19, Л-20), являющиеся и одновременно отвердителями, а также высококипящие малолетучие жидкости -диоктилфталат, трикрезилфосфат и дибутилфталат (ДБФ) [61, 64].
Значительным образом изменяют физико-механические свойства эпоксидных составов и наполнители, с помощью которых улучшаются физико-механические, фрикционные или антифрикционные свойства, повышаются теплостойкость и теплопроводность [11]. Они также снижают стоимость состава, усадку, внутренние напряжения, возникающие вследствие разницы коэффициентов линейного (термического) отверждения композиции и улучшают зазорозаполняемость [64].
Использование наполнителей может повлиять и на молекулярную структуру полимерной матрицы сравнительно на больших расстояниях от поверхности наполнителя, значительно превышающих радиус действия межмолекулярных сил. Применение наполнителей в виде металлических порошков придает композициям свойства, присущие металлам, например электро- и теплопроводность. Такие важные свойства полимеров как эластичность, адгезия к металлам, химическая стойкость, протекторные и ингибирующие свойства достигаются с их использованием. Вступление наполнителей в химические реакции с реакционноспособными группами эпоксидных отвердителей может влиять и на время отверждения эпоксидной смолы. Наполнители могут быть как неорганическими, так и органическими [61].
Однако использование наполнителей не всегда благоприятно влияет на физико-механические свойства полимерных композиций. Так, завышение их концентраций приводит к уменьшению абсолютных значений теплоемкости, что объясняется возрастающим вкладом собственной удельной теплоемкости наполнителя, которая меньше, чем теплоемкость полимера, а также ограничением подвижности структурных элементов полимерной композиции под действием твердой поверхности. Также вблизи поверхности наполнителя полимер может подвергаться большим окружным растягивающим термическим напряжениям, вызывающим образование трещин и снижение прочности композиции [24].
При подготовке композиций на основе эпоксидной смолы следует также учитывать, что отклонение концентрации отвердителей свыше 5 % от оптимальной, а пластификаторов и наполнителей - свыше 10 % может привести к существенным изменениям свойств композиций.
Исследованиями, проведенными в ГНУ ГОСНИТИ, ФГОУ ВПО МГАУ установлено, что применение полимерных покрытий на основе эпоксидной смолы приводит к повышению эффективности работы деталей машин в условиях воздействия динамических нагрузок, агрессивных факторов окружающей среды и периодически меняющегося температурного поля. Эти покрытия можно многократно наносить на поверхность деталей машин и оборудования различных размеров и конфигураций, обеспечивая при этом необходимую толщину покрытия [66]. Согласно данных ГНУ ГОСНИТИ, применение составов на основе эпоксидных смол позволяет снизить трудоемкость ремонта машин на 20.. .30 %, себестоимость работ - на 15.. .20 % и сократить расход черных и цветных металлов - на 40.. .50 % [12].
Долговечность, как основа ресурса полимерных материалов и факторы, влияющие на нее
В настоящее время, несмотря на успехи в развитии методов повыщения выносливости материалов, количество аварийных поломок по-прежнему остается значительным по причине усталостного явления [114]. В результате этого возникает разрушение, являющееся процессом, развивающимся во времени в локальных объемах материала и достигающим предельного состояния [115].
Таким образом, в случае пластичности материала, превышение определенного уровня напряжения (силы Пайераса-Набарро) приведет в движение дислокации, скапливающиеся у непреодолимых для них препятствий (включения, границы зерен и др.), дальнейшее скопление которых станет следствием неспособности к пластическому деформированию, т.е. дальнейший рост напряжений ведет в этом месте к образованию микротрещин. Исходя из вышеизложенного, следует, что дефекты строения и несплошности являются концентраторами напряжений, значения которых могут существенно отличаться друг от друга и поэтому вводится такое понятие как коэффициент интенсивности напряжения Къ зависящий от длины дефекта и его остроты, а индекс I указывает, что коэффициент относится к случаю трещины отрыва. Тогда формула коэффициента интенсивности напряжения примет следующий вид [25]:
При достижении условия (2.16) равновесие становится неустойчивым, т.е. трещины равновесна по отношению к малым изменениям ее размеров [117].
На коэффициент интенсивности напряжения кроме внутренних дефектов, также влияют и поверхностные, в том числе надрезы разной длины / и остроты г, которые представлены на рисунке 2.3.
Величина г характеризует остроту трещины, т.е. чем меньше это значение, тем острее трещина, однако это значение не может быть меньше 0,1 нм, т.е. меньше, чем диаметр атома, и поэтому минимальный радиус трещин составляет примерно 10 нм.
Развитие механики разрушения привело к выдвижению различных критериев локального разрушения, таких как: силовые, энергетические и деформационные, основывающихся на концепции А. Гриффитса [118]. Сущность этой концепции состоит в разрушении высокопрочных материалов, обусловленном имеющимися в теле трещинами или трещиноподобными дефектами. Развитие дефектов и определяет весь процесс разрушения, а распространение трещины происходит тогда, когда высвобождаемая при этом энергия достаточна для обеспечения движения трещины, т.е.:
Впоследствии величина аи / dl = О получила название скорости высвобождения упругой энергии или энергии движения трещины, а энергия, необходимая для распространения трещины dW / dl = К - сопротивления росту трещины [115].
Однако наличие трещин не является показателем полной потери эксплуатационной пригодности или долговечности [119], которая является одной из важнейших характеристик и необходима при проектировании ресурса деталей машин, работающих в тяжелых условиях. Поэтому изменения, происходящие в полимерных материалах, в течение времени эксплуатации достаточно сложны и многогранны.
Так большинством исследователей отмечено, что в начале эксплуатационного периода происходит улучшение и стабилизация первоначальных свойств ПКМ, однако, после определенного периода времени наблюдается постепенное их ухудшение, что в конечном итоге приводит к трещинообразованию полимерного слоя [120].
В работе [121] описываются причины возникновения первичных трещин в полимерных материалах, такие как тепловые флуктуации, приводящие к резкому увеличению кинетической энергии отдельных атомов. В случае превышения энергии химических связей происходит их разрыв, наряду, с чем протекает и процесс их восстановления. Анализ работы позволяет судить о том, что разрушение происходит при снятии нагрузки, а не при нагружении. Данное обстоятельство объясняется тем, что снятие нагрузки с частиц, получивших необходимые деформации прямого знака, вызывают напряжения обратного знака, а в случае превышения предела прочности при растяжении, произойдет разрушение частицы, и в полимерном материале появятся микроразрушения.
Так как многократное приложение нагрузки на полимерный материал приводит к изменению его энергетического баланса, то накопленная материалом потенциальная энергии получит выражение через формулу:
При описании рассматриваемых процессов с позиций временной зависимости прочности, за основу взята молекулярно-кинетическая активационная теория, согласно которой долговечность материала т связана с температурой и напряжением, что нашло отражение в работе [122] и именуемая в настоящее время формулой Журкова:
Из уравнения (2.21) следует, что влияние напряжений а приводит к уменьшению вероятности восстановления связей, а всплески энергии теплового движения атомов и их групп (тепловые флуктуации) - к разрыву этих связей, и в связи с этим процесс разрушения-восстановления становится неравновесным [123].
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что уравнение Журкова находит объяснение связи времени жизни полимерного материала до разрушения, температуры и напряжения. Так, продолжительная его работа приводит к снижению прочности вследствие усталости, которая определяется постепенным накоплением и увеличением числа микротрещин. Причем образование каждой микротрещины связано с поглощением механической энергии [121]. Так как при эксплуатации полимерный материал подвергается совместным нестационарным тепловым и механическим нагружениям, т.е. выполняется условие о Ф const, Т Ф const, то нельзя рассчитывать его долговечность пользуясь формулой (2.21) в чистом виде. Однако в работе [124], предложено усовершенствовать данную формулу и свести зависимость долговечности от а и Г к более общему функциональному выражению:
Долговечность полимерного материала зависит также и от характера раскрытия трещины, который при плосконапряженном состоянии и отсутствии упрочнения материала описывается уравнением:
Также необходимо отметить, что вдоль направления ориентации полимерный материал обладает высокой прочностью и низкой в направлении, перпендикулярном ориентации. Иными словами, прочность ориентированных полимеров определяется значениями энергии разрушения для всех направлений, кроме параллельных направлению ориентирования, которое затруднено [111].
На долговечность полимерного материала также влияет такой фактор, как старение, подразумевающий изменение физико-механических свойств под воздействием внешней среды [120, 125].
Результаты исследований и анализ герметизирующей способности полимерных композиционных материалов
На основании результатов исследований герметизирующей способности ПКМ и наномодификаций на их основе, давление (разгерметизации) экспериментальных образцов зависит от:
- времени полимеризации (отверждения) составов;
- материала корпусной детали;
- размеров трещины (длины, ширины) в детали;
- применяемых ремонтных составов;
- температуры, при которой осуществляется нанесение и выдержка составов;
- подготовки поверхности детали и др.
С целью определения размеров трещины, при которой достигаются максимальные значения герметизирующей способности составов, испытания проводились сначала на образцах, имеющих проточку, имитирующую трещину на начальной стадии ее развития, длиной 10 мм и шириной 0,2, 0,5, 1,0 и 1,5 мм.
Исследования показали, что герметичность детали зависит как от ее материала, так и от ширины трещины (рисунок 4.1). Так, при ее ширине, равной 0,2 мм, герметизирующая способность составов Полирем и Loctite на образцах из алюминия составила соответственно 12,3 и 8,2 МПа, на образцах из чугуна -18,4 и 10,9 МПа и на образцах из стали - 20,0 и 25,3 МПа. При увеличении ширины трещины до 1,0 мм наблюдалась уверенная тенденция повышения значений герметизирующей способности составов Полирем и Loctite. Так на образцах из алюминия значения для отечественного и зарубежного составов достигли соответственно 21,2 и 12,6 МПа, из чугуна - 25,3 и 14,0 МПа и стали -32,8 и 44,3 МПа. Дальнейшее увеличение ширины трещины до 1,5 мм привело к снижению герметизирующей способности композиций. Так, для образцов из алюминия эти значения при применении Полирем и Loctite достигли 20,1 и 9,6 МПа, для образцов из чугуна - 24,5 и 12,2 МПа и стали - 31,6 и 42,0 %. Таким образом, увеличение ширины трещины с 1,0 до 1,5 мм привело к снижению герметичности образцов из алюминия для составов соответственно на 5,5 % и 31,3 %, образцов из чугуна - на 3,3 % и 14,8 % и стали - на 3,8 % и 5,5 %.
Повышение герметизирующей способности Полирем и Loctite при увеличении ширины трещины с 0,2 до 1,0 мм связано с их возможностью полностью заполнять трещину по всей ее глубине, что увеличивает площадь контакта и адгезионную составляющую между составом и поверхностью заделываемой трещины. Дальнейшее увеличение ширины трещины приводит к увеличению площади контакта состава с герметизируемой средой, имеющей определенное рабочее давление. В результате, для разрушения структуры состава, требуется гораздо меньшее давление со стороны герметизируемой среды, что и способствует снижению герметичности.
Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод, что наибольшее значение герметизирующей способности получено для Loctite и составляет 44,3 МПа на стальных образцах при ширине трещины, равной 1,0 мм. Полученное значение выше аналогичного показателя при использовании состава Полирем на 35,1 %. При герметизации составом Loctite образцов из алюминия и чугуна значения герметичности достигают 12,6 и 14,0 МПа.
Данные значения ниже аналогичных показателей при герметизации этих же образцов отечественным составом соответственно на 40,6 % и 44,7 %. Экспериментальные данные подтверждают рекомендацию завода-изготовителя по предпочтительному использованию состава Loctite для герметизации трещин в стальных деталях. Герметизирующая способность Полирем при заделке трещин в алюминиевых и чугунных образцах достигает соответственно 21,2 и 25,3 МПа, что дает возможность устранить вышеуказанный дефект в деталях из этих материалов.
Дальнейшие испытания по определению влияния длины трещины на давление разгерметизации корпусных деталей проводились на образцах с шириной трещины, равной 1,0 мм и ее длиной - 10, 30 и 50 мм. Это объясняется тем, что при данной ширине получены максимальные значения герметизирующей способности исследуемых составов.
Исследованиями установлено (рисунок 4.2), что при увеличении длины трещины с 10 до 30 мм герметизирующая способность составов Полирем и Loctite снижается. Так, для образцов из алюминия, это снижение составило соответственно 24,1 и 42,9 %, для образцов из чугуна - 23,3 и 33,6 % и для образцов из стали - 21,6 и 24,8 %.
Увеличение длины трещины с 10 до 50 мм привело к более значительному уменьшению значений герметичности образцов из алюминия при использовании Полирем и Loctite соответственно до 11,8 и 4,2 МПа, из чугуна - до 13,4 и 5,6 МПа и из стали - до 19,2 и 24,5 МПа.
Таким образом, для заделки трещин в стальных корпусных деталях, испытывающих сильные нагружения, рекомендуется использовать Loctite, в менее нагруженных - Полирем.
С увеличением ширины трещины с 0,2 до 1,5 мм наблюдается увеличение значений герметизирующей способности составов до 1,0 мм. Последующее увеличение ширины и длины трещины приводит к снижению герметизирующей способности Полирем и Loctite.
Результаты исследований позволили сделать вывод, что при увеличении ширины трещины с 0,2 до 1,5 мм при использовании ремонтных составов происходит уменьшение герметизирующей способности. При использовании Полирем и Loctite ее снижение на образцах из алюминия составляет соответственно 38,8 % и 14,6 %, из чугуна - на 24,9 % и 10,7 % и из стали - на 36,7 % и 39,8 %. При увеличении длины трещины с 10 до 50 мм снижение герметизирующей способности этих составов для вышеуказанных материалов образцов происходит соответственно на 44,3 % и 66,7 %, на 47,0 % и 60,0 %, на 41,5% и 44,7%.
С целью выявления влияния размеров трещины на значения герметизирующей способности, использовался пакет статистического анализа и графического вывода Statistica 6. Данная программа позволила определить влияние размеров длины и ширины трещины на исследуемый параметр, путем проецирования графиков на трехмерной поверхности [152, 153].
В результате статистической обработки был построен график зависимости герметизирующей способности (Р) составов от длины (/) и ширины (И) трещины (рисунок 4.3), характеризуемый следующим уравнением регрессии:
По величине и знаку коэффициентов данного уравнения можно оценить влияние каждого фактора на значение герметизирующей способности. Из статистического анализа следует, что наиболее значимым фактором в рассматриваемой модели является ширина трещины.
Таким образом, герметизирующая способность состава в большей степени снижается при увеличении ширины трещины, в меньшей - ее длины. Усеченность поверхности графика свидетельствует о критических значениях герметичности деталей, длина и ширина трещины которых равна 85 и 1,8 мм. Дальнейщее увеличение размеров трещины не обеспечивает герметичности системы без использования дополнительных средств армирования, таких как стеклоткань или металлическая пластина.
График зависимости герметизирующей способности (Р) состава Loctite при заделке трещин на экспериментальных образцах из чугуна также характеризуется снижением ее значений при увеличении размеров трещины (рисунок 4.4), а его поверхность описывается уравнением регрессии
Расчет экономического эффекта восстановления герметичности корпусных деталей использованием полимерных композиционных материалов
Для планирования ремонтных работ было выбрано типовое повреждение, а норма времени и расхода материала принята за условную единицу при расчете затрат на его восстановление. Согласно рекомендаций [24], за такое условное повреждение можно принять трещину длиной 0,1 м на чугунной, стальной или алюминиевой корпусной детали при толщине стенки детали не менее 0,04 м. В качестве данной детали может быть выбран любой блок или головка блока цилиндров, корпус коробки передач, масляный картер двигателя, корпус водяного насоса и др., так как основным интересующим расчетным параметром является размер трещины, не изменяющийся при приложении временных или температурных нагрузок, а также материал детали. Норму времени на снятие-установку ремонтируемых корпусных деталей не учитывали, так как данный параметр является одинаковым для рассматриваемых технологий и поэтому величина расчетных изменений будет одной и той же.
Для расчетов воспользуемся характеристиками следующего оборудования и инструмента;
- угловая шлифовальная машина Makita 9558 HN, часовые нормы расхода электроэнергии Q = 0,84 кВт/ч;
- пневматическая сверлильная машина ИП-1011, Q = 0,34 кВт/ч;
- печь нагревательная камерная СНЗ 11.22.7/12, Q = 137 кВт/ч;
- полуавтомат сварочный ПДГ-305 «Дельта» с газобаллонным оборудованием, Q = 13 кВт/ч;
- стол сварщика ССВ-1, с вентиляцией, Q = 2,0 кВт/ч;
- молоток и крейцмейсель.
Рассчитаем затраты на восстановление чугунных корпусных деталей по базовому технологическому процессу, который состоит из следующих операций:
1. Подготовка поверхности ГШті Г 0,28 чел-чч зачистка поверхности Дачистка = 0,11 чсл-ч; двухразовое прокернивание Гкерн. = 0,05 чел-ч; просверливание двух отверстий на концах трещины Гсверл. = 0,07 чел-ч; разделка трещины Дразделка= 0,05 чел-ч;
2. Средняя скорость сварки проволокой ПАНЧ-11 диаметром 1,4 мм для заварки корпусных деталей из чугуна составляет 0,2 см/с, тогда для трещины с длиной 0,1 м время устранения данного дефекта с учетом времени для подготовки к работе будет равным ТШТ2 = 0,28 чел-ч;
3. Время работы вентиляции Гщтз = 0,56 ч: подготовка поверхности Гшті - 0,28 чел-ч, время устранения дефекта ТШТ2 - 0,28 чел-ч.
Затраты на использование сварочной проволоки ПАНЧ-11 определены экспериментально [9] и составляют mn? “ 0,07 кг, а средняя рыночная стоимость килограмма этой проволоки равна Ци? 1650 руб.
Согласно рекомендаций [13] заварку корпусных деталей из стали производили с использованием электродов марки УОНИ-13/55 диаметром 4 мм, со средней рыночной стоимостью 55,99 р. Время заварки трещины длиной 0,1 м для данной проволоки составляет 0,03 ч, а с учетом времени для подготовки к работе оно увеличится до Гщтз 0,15 чел-ч. Так как производительность электродов УОБИ-13/55 равна 21,0 г / мин, то их расход для устранения данного дефекта составит 0,04 кг.
Согласно рекомендаций [34] для получения качественных соединений среднеуглеродистых сталей необходим подогрев детали в печи до +250...300 С. Так как нагрев детали осуществляется со скоростью 130 С/ч, то для 250 С это время составит 1,9 ч, а время работы слесаря с учетом загрузки и выгрузки детали из печи и подачи ее до рабочего места сварщика составляет Turn = 0,1 чел-ч (определено хронометрированием). Время работы вентиляции составит ГШт4 = 0,43 ч: подготовка поверхности Гшті - 0,28 чел-ч, время устранения дефекта Гщтз - 0,15 чел-ч.
Согласно рекомендаций [13] заварку корпусных деталей из алюминия производили в аргонной среде с использованием неплавящегося вольфрамового электрода и присадочной проволоки (прутка) марки АК 5 диаметром 3,2 мм. Для этого деталь предварительно подогревали до +250...300 С, после чего подавали на рабочее место сварщика.
Так как нагрев детали осуществляется со скоростью 130 С / ч, то для того чтобы нагреть ее до +250 С потребуется 1,9 ч, а время работы слесаря с учетом загрузки и выгрузки детали из печи и подачи ее до рабочего места сварщика составляет ТШ12 = 0,1 чел-ч (определено хронометрированием).
Так как средняя скорость сварки для данного режима достигает 10 м/ч, то для нашего случая время заварки трещины с учетом времени для подготовки к работе составит Гштз = 0,13 ч. Время работы вентиляции будет равным ГШТ4 = 0,41 ч: подготовка поверхности ГШц = 0,28 чел-ч, время устранения дефекта 7щгз = 0,13 чел-ч.
Учитывая среднюю рыночную стоимость прутка АК 5, равную 12 р. за 1 м, затраты для заварки трещины длиной 0,1 м составят Спр = 1,2 р.
При учете расхода аргона, следует, что он колеблется в пределах 4... 12 л/мин, тогда средний расход Сдрг применимо к нашему случаю составит 4,8 л или 0,0048 м . Средняя рыночная стоимость заправки аргоном газового баллона объемом 40 л за 6,3 м (10,3 кг) данного инертного газа составляет 660 р., а затраты на израсходованный объем - САРГ = 0,5 р.
В соответствии с формулами 5.14...5.28 получены экономические расчеты для герметизации трещин корпусных деталей из чугуна, алюминия и стали с использованием базовой технологии (таблица 5.1).
При расчете затрат на восстановление корпусных деталей из чугуна, алюминия и стали по проектируемому технологическому процессу, время, необходимое для подготовки их поверхностей одинаковое. Поэтому за восстанавливаемую поверхность можно принять деталь из любого вышерассмотренного материала. Новая технология будет состоять из следующих технологических операций:
- подготовка поверхности Гщц = 0,31 чел-ч: зачистка поверхности ЗАЧИСТКА = 0,11 чел-ч; двухразовое прокернивание ГКЕРН = 0,05 чел-ч;
- просверливание двух отверстий на концах трещины ГСВЕРД 0,07 чел-ч; разделка трещины ГрАздЕлкА = 0,05 чел-ч; двухразовое обезжиривание Г0БЕЗЖ = 0,03 чел-ч;
- подготовка лент из стеклоткани Гштг = 0,02 чел-ч;
- подготовка и перемешивание компонентов до однородной массы с равномерной окраской Тштз = 0,10 чел-ч;
- герметизация трещины детали подготовленной массой ТШТ4 0,08 чел-ч.
