Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Вибропоглощающие композиционные материалы 10
1.1 Вибропоглощающие покрытия 10
1.2 Материалы для получения вибропоглощающих материалов 15
1.3 Выводы по 1 главе 30 Цели и задачи исследования 30
ГЛАВА 2 Материалы и методы исследования 31
2.1 Материалы 31
2.2 Методы исследования свойств вибропоглощающих покрытий 38
2.3 Методы изготовления композиций и используемое оборудование 45
2.4 Планирование эксперимента и математическая обработка результатов исследования 45 CLASS Глава 3 Прогнозирование вибродемпфирующих свойств материала 48 CLASS
3.1 Методы определения потерь вибрационной энергии в колеблющихся слоистых средах 48
3.2 Прогнозирование диссипативных свойств вибропоглощающих покрытий 52
3.3 Прогнозирование вибропоглощающих свойств наполненных полимерных композиционных материалов
3.4 Выводы по 3 главе 63
Глава 4 Разработка вибропоглощающих полимерных композиционных материалов 64
4.1 Выбор вяжущего для вязкоупругого слоя вибропоглощающих покрытий 64
4.2 Влияние наполнителя на вибропоглощающие свойства эпоксидных смол
4.3 Влияние наполнителей на свойства каучукового вяжущего
4.4 Разработка вибропоглощающих покрытий
4.5 Выводы по главе 4
ГЛАВА 5 Производственное внедрение вибропоглощающих материалов
5.1 Разработка технологической схемы производства вибропоглощающих материалов армированного типа
5.2 Разработка технологической схемы производства вибропоглощающих материалов жесткого типа
5.3 Оценка эффективности применения вибропоглощающих покрытий
5.4 Применение вибропоглощающих покрытий армированного жесткого типа
5.5 Выводы по главе 5
Заключение Список сокращений список литературы
- Материалы для получения вибропоглощающих материалов
- Прогнозирование диссипативных свойств вибропоглощающих покрытий
- Влияние наполнителя на вибропоглощающие свойства эпоксидных смол
- Разработка технологической схемы производства вибропоглощающих материалов жесткого типа
Материалы для получения вибропоглощающих материалов
Однако, независимо от строения, природа поглощения энергии колебаний для всех полимеров едина. В работах А. Нашифа [34], Л. Нильсена [38] молекулярный механизм поглощения и распространения колебаний в полимерах объяснен, исходя из существующей теории релаксации. Как известно, релаксацию материала вызывают изменения молекулярной структуры. В релаксирующей среде при постоянной деформации вызвавшее ее напряжение постепенно спадает, в результате чего происходит его рассеивание в виде тепла. В основе этого явления лежит процесс перехода системы к состоянию термодинамического равновесия после снятия внешней нагрузки, а время, необходимое для установления напряжения, называется временем релаксации.
Способность к релаксации, а соответственно и к вибропоглощению, у всех полимеров сильно различается [109, 118]. В своей работе С. А. Смотрова [63] все полимеры разделила по величине коэффициента потерь tg 8 на три группы. Следует учитывать, что деление полимеров довольно условно.
Первая группа: полимеры с наиболее высоким значением коэффициента потерь (tg 8 1,4). К таким полимерам следует отнести сложные и простые эфиры поливинилового спирта. В данной группе полимеров столь значительное рассеивание энергии колебаний можно объяснить оптимальным соотношением гибкости молекулярной цепи и межмолекулярного взаимодействия. В работе [65] находим второе объяснение данному факту: явление диссипации приложенной энергии возможно в результате трения частиц вещества между собой (вязкое или жидкое трение). Данная группа полимеров и материалы на их основе нашли свое применение в различных отраслях техники в виде вибропоглощающих покрытий и мастик. Температура эффективной работы - выше плюс 10 С.
Вторая группа: полимеры со значением тангенса угла потерь tg 8 в диапазоне от 0,8 до 1,4. К данной группе относятся различные синтетические каучуки и резины, поливинилхлорид и его пластифицированные композиции. Эти полимеры в своем составе содержат сильнополярные молекулы и группы типа CI , F , CN и др., а также большие по объему заместители типа 06 (фенильный радикал). Сегментальная подвижность молекулярной цепи полимера уменьшается в первом случае за счет увеличения межмолекулярного взаимодействия, а во втором - за счет возникновения стерических препятствий при вращении макромолекул [с.71, 63].
Третья группа: полимеры с высокой степенью кристалличности, например, полиэтилен, политетрафторэтилен, эпоксидные смолы и прочее [100]. Значение тангенса угла потерь tg 8 для данных материалов в пределах от 0,1 до 0,2, редко до 0,5. Большая работа по изучению и прогнозированию вибропоглощающих свойств эпоксидных смол проведена профессором В. Д. Черкасовым. В своей монографии [65] В. Д. Черкасов показывает, что проявление вибропоглощающих свойств сетчатыми полимерами связано с сегментальной подвижностью, и прежде всего с гибкостью межузлового фрагмента, т.е. с изменением междуатомных расстояний, с наличием внутреннего вращения. Наиболее эффективно применение полимерных материалов в зоне повышенных температур (выше плюс 50 С).
В качестве полимерной основы вибродемпфирующих покрытий для ТМК применяются различные полимерные материалы [59, 85, 94]:
Применение битума в качестве полимерной основы композита [44, 47, 106, 107] позволяет получить дешевый материал. Известен отечественный вибропоглощающий листовой материал [44], состоящий из битумной матрицы (42 -43 мае. час.) и минеральных наполнителей (каолин, тальк, графит, волокнистые отходы). Ввиду того, что Тс ненаполненного битумного вяжущего находится в области минус 10 - минус 15 С, после наполнения его большим количеством минерального материала пик вибропоглощения (коэффициент потерь 0,162 у.е. [44]) полученного композита смещается за Тс вправо по температурной шкале и переходит в область положительных температур (плюс 20 С).
Для увеличения температурного диапазона использования битумного вяжущего применяются различные модификаторы. В качестве модификаторов в России применяют стирольно-инденовую смолу [47], а за рубежом - нефтяные смолы [107]. В качестве наполнителей таких материалов используют в основном мел и слюду. Даже после модифицирования полимерного вяжущего вибропоглощающие свойства незначительно улучшаются и при температуре 0 С коэффициент потерь составляет всего 0,05 у.е. [107]. Следовательно, применение вибропоглощающих листовых материалов на основе битума и его модификаций в климатических условиях России неэффективно.
Композиции на основе полиуретана [42, 46] или поливинилацетата [43, 48, 49] все чаще применяются в качестве листовых вибропоглощающих материалов. Такие материалы применяются как с наполнителями (графит, фосфат миламина, углерод, слюда, глина), так и без них [42]. Такие композиции превосходят все имеющиеся аналоги эффективным поглощением вибрационной нагрузки в широком температурном диапазоне. Значительным минусом этих материалов является технология получения: на первоначальном этапе получения вибропоглощающей композиции необходимо работать с водными растворами или расплавами полимеров, что значительно удорожает и усложняет технологический процесс, повышается опасность и вредность производства. По своим стоимостным, физико-механическим, технологическим и эксплуатационным свойствам каучуки применимы для получения листовых и мастичных вибропоглощающих материалов для ТМК [45, 108]. Синтетические каучуки и резины обладают высокими диссипативными свойствами в широком диапазоне температур (от минус 60 С до плюс 100 С) благодаря тому, что температура стеклования Тс этих материалов находится в области отрицательных температур. За счет надежной сырьевой базы выпуск этих материалов промышленностью освоен в достаточно широких масштабах, и, следовательно, они доступны и относительно дешевы. Наиболее яркие представители данной группы бутилкаучук и изопреновый каучук [56, 82].
Динамические свойства полимерных материалов зависят от различных технологических и внешних факторов, наиболее важными из которых являются температура и частота колебаний [34]. Большое влияние на рассеивание динамической энергии оказывают строение и свойства полимера [38].
Температура - один из наиболее важных внешних факторов, определяющих демпфирующие свойства полимерных материалов. На рисунке 1.4 представлена зависимость коэффициента потерь и модуля упругости от температуры [34], на которой можно выделить четыре области, соответствующие четырем состояниям полимера и полимерной основы композита.
В первом, стекловидном состоянии материал обладает наибольшим модулем упругости и самым малым значением модуля потерь. Это связано с тем, что сегментальная подвижность макромолекул «выморожена». В таком состоянии могут происходить лишь колебательные движения групп атомов около положения равновесия [с. 10, 7].
Прогнозирование диссипативных свойств вибропоглощающих покрытий
Вибропоглощающая мастика на основе каучука изготавливалась в смесителе лабораторном ЗЛ-1,0 при температуре 100 -110 С при числе оборотов 50-Н50 об/мин в течение 1,5-К2 часов. Первоначально готовится полимерная основа; часть наполнителя, пластификаторы; в дальнейшем добавлялся остаток наполнителя. После смесь экструдировали в ленту толщиной от 1 до 5 мм, шириной не менее 300 мм. С одной стороны вибропоглощающая мастика дублировалось антиадгезионным материалом, с другой - армирующим слоем (при необходимости).
Вибропоглощающая мастика на основе эпоксидной смолы изготавливалась на том же оборудовании. Температурный режим - плюс 20-К25 С, первоначально перемешивались наполнители, затем вводилась эпоксидная смола, отвердитель, добавки при необходимости. Перемешивание до получения однородной массы. После перемешивания смесь заливалась в формы (балочки 320x10x5 мм) или наносилась на поверхность металлических пластин длиной 170-300 мм, шириной 20±2 мм и толщиной 1 мм, время полного отверждения эпоксидной смолы при комнатной температуре (плюс 20 -25 С) - 24 часа.
Большое количество экспериментальных задач сводится к определению оптимального состава вибропоглощающего материала, условий его изготовления. Преодолеть недостатки классического регрессионного анализа, в частности, обеспечить корреляцию между коэффициентами уравнения регрессии, возможно посредством использования математического моделирования эксперимента.
Планирование эксперимента позволяет одновременно варьировать все выбранные факторы и получать количественные оценки как основных факторов, так и эффектов взаимодействия между ними, причем получаемые результаты характеризуются меньшей ошибкой, чем традиционные методы однофакторного исследования.
При планировании экспериментов использовались математические модели в виде полинома, с помощью которого осуществляется связь выходного параметра (функции отклика) у с независимыми факторами ХІ, ВЛИЯЮЩИМИ на то или иное свойство материала. Для большинства составов достаточную точность обеспечивают полиномы первой степени y = B0+BlXl+B2x2+... + Bnxn, (2.4) где у - расчетное значение выходного параметра (функция отклика); Во -свободный член уравнения; Въ Ві, ... Вп- коэффициенты уравнения при соответствующих переменных (линейные эффекты); х\, Х2,...,хп - переменные величины (независимые факторы).
Такой полином называют линейным уравнением. Он характеризует линейную связь функции отклика с независимыми факторами. Однако не для всех процессов достаточно линейного приближения. Для уменьшения расхождения между экспериментальной и расчетной величиной Ау = уэк -yv повышают порядок полинома и для практических задач уже полином второй степени достаточно полно и точно описывает процесс, обеспечивая стремление Ау к 0. Уравнение имеет вид: у = В0+ В, -xt + 2Х ,. . +YdBii-xf, (2.5) Вц - коэффициент уравнения, показывающий квадратичный эффект влияния факторов.
Использование аппаратов математического моделирования позволяет организовать рассматриваемый процесс (получить наилучшее - экстремальное значение выходного параметра); рассчитать значения выходного параметра при конкретных значениях факторов; построить двумерные модели значений выходного параметра при сочетании тех или иных факторов.
Использование математического аппарата По окончании экспериментов устанавливались математические зависимости вибропоглощающих свойств от заданного параметра. При анализе регрессионных кривых изменения диссипативных свойств от состава битумно-каучукового вяжущего использовалась программа Statistica 10.0.
В остальных случаях обработку результатов производили при помощи программы Excel. Программа Excel описывает регрессионную функцию только от одной независимой переменной, программа Statistica 10.0 позволяет статистически одновременно использовать две и более независимые переменные в описываемых функциях.
Для определения потерь вибрационной энергии колеблющихся слоистых сред применяют различные методы [36].
Метод энергии деформаций. Коэффициент потерь в слоистой среде, как и в любой другой колебательной системе, можно записать в виде (3.1): где Wnor2 - суммарная вибрационная нагрузка, поглощенная во всех слоях системы за половину периода; WnoxZ - суммарная потенциальная энергия системы. При деформации упругой диссипативной среды с упругой постоянной X сопротивление трения R равно: где г) - коэффициент потерь системы на частоте возбуждения ю. Сила трения в единице объема такой среды при относительной деформации є равна Rs, а энергия, поглощаемая за единицу времени, - Rss/2 = Rs2/2. Энергия, поглощаемая за половину периода, с учетом (3.2) равна
Влияние наполнителя на вибропоглощающие свойства эпоксидных смол
Значительное влияние на диссипативные свойства ГЖМ на основе эпоксидных смол оказывают полимерная матрица, количество и вид наполнителя, пластификаторы и добавки. В результате экспериментальных исследований получены зависимости диссипативных свойств композита от степени наполнения (рисунок 4.7) и частоты колебаний (рисунок 4.8).
Влияние количества наполнителя на вибропоглощающие свойства композита (смола ЭД-20 с наполнителем слюда СММ-125)
Применение наполнителя с развитой поверхностью позволяет сместить экстремум эффективности наполнения в меньшую сторону. Из анализа результатов испытаний, приведенных на рисунке 4.7, следует:
1. При степени наполнения исследуемого композита до 30 % (по объему) подтверждаются теоретические заключения для случая фн фш. На данном участке кривой изменение диссипативных свойств незначительны и примерно равны диссипативным свойствам полимерного связующего. В области 30 % содержания наполнителя наблюдается минимальный экстремум функции диссипативных свойств от количества наполнителя композита.
2. В диапазоне наполнения 30-50 % (по объему) наблюдается резкое увеличение вибропоглощающих свойств композита, связанное, прежде всего, с появлением дополнительных механизмов диссипации энергии, характерных для случая фн фт.
3. Применение наполнителей с развитой поверхностью (слюда) позволило сместить минимальный экстремум функции «коэффициент потерь - степень наполнения» в сторону меньшего количества наполнителя, что на практике означает возможность подбора эффективного состава композита, отвечающего всем технологическим и физико-механическим свойствам.
Было изучено влияние количества наполнителя на вибропоглощающие свойства композита в диапазоне частот от 0 до 2500 Гц (рисунок 4.8), по результатам которых была установлена справедливость выдвинутых теоретических и экспериментальных зависимостей во всем диапазоне частот. Значительное влияние на диссипативные свойства эпоксидных смол оказывает не только количество, но и крупность частиц наполнителя (рисунок 4.9).
Влияние крупности частиц наполнителя (матрица ПКМ - смола ЭД-20) Содержание наполнителя 30 % по массе Как видно из рисунка 4.9, изменение зернового состава наполнителя в сторону уменьшения крупности его частиц приводит к увеличению диссипативных свойств эпоксидных смол и расширяет частотный диапазон эффективного вибропоглощения. Это связано с тем, что при одном и том же объемном содержании наполнителя в матрице полимера материал с меньшей крупности будет обладать большей площадью контакта с соседними частицами.
Увеличение диссипативных свойств эпоксидных смол при наполнении слюдой наблюдается при применении наполнителя с крупностью частиц менее 1,25 мм, а степень наполнения должна быть более 30 %.
В дальнейшем проводились исследования вида наполнителя. В качестве наполнителя применяли слюду различных марок. Для сравнения представлены результаты исследований наиболее распространенного наполнителя - мела и отхода местного производства - опилок древесных (рисунок 4.10).
Влияние вида наполнителя на вибродемпфирующие свойства материала (степень наполнения 30 %)
Результаты проведенных исследований показывают, что в диапазоне средних частот (от 200 до 1000 Гц) в качестве наполнителя эпоксидных смол эффективнее применение слюды марки СФММ-063, СФЭ-315, СМЭ-315 и опилок древесных, в диапазоне частот 1000-1500 Гц - слюды марки СФММ-063, СМЭ-315.
Мел оказал наименьшее положительное воздействие на диссипативные свойства эпоксидных смол, однако ввиду его низкой стоимости он может быть использован как дешевая добавка, повышающую объемную долю наполнителя в смеси ПКМ. Установлено (рисунок 4.10), что применение только мела или слюды СФЭ-315 в качестве наполнителя вибропоглощающего ПКМ малоэффективно.
Выявленные закономерности полностью подтверждают теоретические предположения об эффективности наполнителей с более развитой поверхностью, что мы и видим из эксперимента.
В дальнейшем проводились эксперименты по установлению зависимости диссипативных свойств ПКМ от смеси применяемых наполнителей (соотношение 1 : 1 по массе):
В результате применение смесей наполнителей приводит к расширению частотных диапазонов эффективного вибропоглощения, однако пиковые значения вибропоглощения усредняются.
Наиболее эффективными оказались: смесь опилок древесных и СМФ-125 -диапазон эффективного вибропоглощения от 300 до 1550 Гц, пиковое значение г) = 0,157 на частоте 800 Гц; и смесь слюды марок СФММ-063 и СМЭ-315 -диапазон эффективного вибропоглощения от 350 до 1500 Гц, пиковое значение г) = 0,152 на частоте 500 Гц.
В дальнейшем изучалось влияние волокнистых наполнителей на диссипативные свойства эпоксидных смол (рисунки 4.13, 4.14). Даже в небольшом количестве волокнистые наполнители значительно увеличивают прочностные свойства композита, неотвержденная смесь становиться более жесткой и нетехнологичной при изготовлении. Для чистоты эксперимента волокнистые наполнители добавляли вместе с мелом, показавшим себя менее эффективным. 0,2
Введение волокнистого наполнителя в количестве 3 % значительно (на 30%) увеличивает диссипативные свойства материала (рисунок 4.13), диапазон эффективного вибропоглощения расширяется с 200 (от 300 до 500 Гц) до 1000 Гц (от 200 до 1200 Гц). Увеличение содержания волокон до 5 % приводит к увеличению диссипативных свойств более чем в 1,5 раза, диапазон эффективного вибропоглощения - от 210 до 1500 Гц. Дальнейшее увеличение содержания волокон (до 7 %) приводит к снижению демпфирующих свойств.
Результат совместного применения пластинчатого (слюда СМФ-125 в сочетании с древесными опилками) и волокнистого наполнителей различных марок (рисунок 4.14) показывает, что:
Разработка технологической схемы производства вибропоглощающих материалов жесткого типа
На рисунке 5.2 представлена принципиальная технологическая схема производства вибропоглощающего материала жесткого типа. Разработанная технологическая линия представляет собой комплект полуавтоматических агрегатов серийного производства для химической промышленности [22], связанных между собой герметичными трубопроводами, необходимыми дозирующими, насосными и другими устройствами.
Эпоксидная смола, отвердитель и наполнители (п. 1-3 на рисунке 5.2) со склада через мерные устройства направляются на участок смешения (п. 4 на рисунке 5.2). Перемешивание компонентов производится в два этапа. На первом этапе перемешивается растворитель с отвердителем, продолжительность 5-10 минут. На втором этапе порционно вводятся наполнители, продолжительность 30 - 40 минут.
После перемешивания готовая композиция жесткого вибропоглощающего покрытия разгружается в емкость для хранения (п. 5 на рисунке 5.2).
На участке нанесения (п. 6 на рисунке 5.2) с помощью шпателя вибропоглощающая композиция наносится на подготовленную поверхность детали. Деталь с вибропоглощающим покрытием размещается на стеллаже и отправляется на склад готовой продукции (п. 7 на рисунке 5.2). Полное отверждение композиции при нормальных условиях происходит в течение 24 часов, после чего деталь полностью готова к применению. Производство вибропоглощающих материалов не требует больших затрат электроэнергии.
Эффективность средства вибропоглощения при демпфировании звукоизлучающих конструкций определяется по уменьшению среднеквадратичной амплитуды их вибраций. Для изгибно-колеблющихся конструкций этот показатель в децибелах определяется следующим образом: Э = Ю18 . (5.2) Для измерения действующего (среднеквадратичного) значения виброускорения, виброскорости, виброперемещения и амплитудного значения размаха виброперемещения использовали виброметр ВМ-1, а для измерения уровня шума в помещении - шумомер ВШВ-003.
Из выражения 5.3 видно, что с увеличением коэффициента потерь происходит более активное затухание амплитуды колебаний. В связи с этим для повышения эффективности борьбы с шумом и вибрациями необходимо применять материалы с высокими вибропоглощающими свойствами.
Применение вибропоглощающих покрытий армированного и жесткого типа
На многих промышленных предприятиях шум создают системы вентиляции. Это связано с колебанием стенок воздуховодов, которые выполнены из листовой стали, и работой центробежного насоса. На некоторых предприятиях уровень шума при работе систем вентиляции достигает 100 дБ [1].
Снижение уровня шума в системах вентиляции производили двумя методами: нанесение армированного вибропоглощающего материала на поверхность вентиляционных каналов, нанесение жесткого вибропоглощающего покрытия на кожух центробежного насоса. Такие мероприятия по снижению уровня шума от работы системы вентиляции были выполнены совместно со специалистами ООО «Лига-М» при строительстве объекта «Административно-бытовой корпус (Мясоперерабатывающий комплекс по переработке мяса птицы. Комплекс завода по убою и переработки мяса птицы)», ООО «Юбилейное» (приложение А).
В помещении вентиляционной камеры уровень шума от системы вентиляции достигал 96 дБ. Снижение уровня шума производилось путем нанесения вибропоглощающих покрытий на поверхности вентиляционной установки и воздуховодов.
К вибропоглощающим материалам предъявляются требования: высокие вибропоглощающие свойства и адгезия к металлу. Разработанные материалы на основе эпоксидной смолы и бутилкаучука применялись на различных покрытиях: армированные материалы с вязкоупругим слоем применяли для гашения шума от воздуховодов различной площади и сечения, а жесткие - в виде мастики для гашения шума вентустановки и примыкающего воздуховода.
Мастику на поверхность вибрирующей конструкции наносили шпателированием. Перед нанесением поверхность очищали от пыли и грязи, обезжиривали ацетоном. После чего наносили тонкий слой грунтовки из ненаполненной эпоксидной смолы. Состав грунтовки и мастики представлен в таблице 5.1.
На затвердевшую грунтовку шпателем наносили вибропоглощающую мастику толщиной 1-2 мм. После высыхания первого слоя на него укладывался второй слой вибропоглощающей мастики толщиной 1-2 мм. Коэффициент потерь жесткого покрытия равен 0,17 при 20 С.
Применение вибропоглощающего материала жесткого типа позволило снизить уровень шума от работы центробежного насоса на 6-8 дБ.
Вибропоглощающие материалы армированного типа наносились на поверхность воздуховодов. Перед монтажом поверхности воздуховодов очищали от пыли и грязи, протирали ацетоном. Монтаж вибропоглощающего покрытия производится легко: от рулона вибропоглощающего материала отрезается необходимая часть, снимается антиадгезионная пленка и лента самоклеющейся стороной накладывается на поверхность воздуховода по периметру. Для фиксации применяется прикаточный валик, применение нагрева не требуется. После нанесения вибропоглощающего материала воздуховоды готовы к монтажу. Состав и конструкция вибропоглощающего материала армированного типа представлены в таблицах 5.2. и 5.3 соответственно.