Введение к работе
Актуальность. Повышение работоспособности машин, работающих в сложных условиях эксплуатации - важнейшая задача отраслевого машиностроения. Один из подходов ее решения - обеспечение длительной безотказной работы наименее надежных в эксплуатации узлов, к которым относятся б первую очередь уплотнительные узлы с резино-техническими изделиями (РТИ). Необходимость их применения обусловлена свойствами резин - высокая эластичность, усталостная прочность,гидрофобность и многие другие.
Повышение работоспособности РТИ ушютнитедьных узлов буровой техники - актуальная задача, решение которой осложнено уникальностью уплотнений (конфигурация,габариты, конструктивные особенности), эксплуатацией в условиях, близких к экстремальным (перепад температур, высокими давлениями, агрессивностью среды, наличием абразива, продуктов проявления скважины, морской воды и др.),сложным характером напряженно-деформированного состояния взаимодействующих деталей узлов, повышенными требованиями к эксплуатационной надежности, безопасности, зкологичности.
Большое значение для повышения работоспособности уплотни-тельпых узлов имеют: отработка конструкций узлов, подбор оптимальных контактных давлений и давлений управления, рациональный выбор материалов уплотнителей, оптимальные режимы эксплуатации, повышение износостойкости и др.
Работа уплотнительных узлов буровой техники протекает при наличии процессов, сопровождающихся разрушением приповерхностной зоны РТИ вследствие разрыва адгезионных и когезионных связей, раздира, микрорезания и др. Резина является композиционным материалом и процесс ее разрушения связан с видом, активностью и количеством наполнителя, ингредиентами, составляющими резину, технологией изготовления, а продукты ее износа являются активаторами разрушения поверхности металла.
3 связи с этим для научного обоснования и практической реализации методов повышения работоспособности ушютнитедьных узлов буровой техники необходимо изучить механизм взаимодействия резин с металлом в процессе трения, обосновать с точки зрения структуры наполненных эластомеров процесс разрушения поверхностных слоев РТИ, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, разработать методы повышения их работоспособности. Для выбора, обоснования и исследования этих методов необходим анализ конструкций узлов буровой техники и условий их эксплуатации, материалов, используемых для зтих узлов, трибологических характеристик, сред, е которых работают уплотнительные узлы, температурных характеристик и т.д. Необходимо было также создать испытательные стенды и разработать методики исследований.
Б связи с изложенным были разработаны эффективные и зконс мичные методы, обеспечивающие высокую работоспособность уплел нительных узлов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.
Работа выполнена в соответствии с программами АН СССР РАН, программой научных исследований Волгоградского инженер: но-строителъного института по научному направлению 08. "Плаву чиє надводные технические средства для освоения шельфа" соглас но плана научно-исследовательских работ по научно-техническо программе "Океанотехкика" Минвуза РСФСР, тема 08.11."Исследова ние надежности и герметичности превентороь буровых судов".
Цель и задачи работы.
Цель работы состоит в разработке, исследовании и анализе новых методов и технологий на их основе для повышения работосп собности резин для уплотнительных узлов, работающих в условиях близких к экстремальным, т.е.приближенными к условиям эксплуатации бурозой техники.
Основными задачами исследований являлись:
анализ конструкций и условий эксплуатации уплотнителыш узлов буровой техники, содержащих РТИ ;
исследование причин потери работоспособности в уплотни тельных узлах буровой техники;
изучение процессов, протекающих в поверхностном слое ре зины при трении по метаплам;
разработка и исследование методов диффузионной, поверх ностной модификации РТИ уплотнительных узлов; задача вішочала выбор модифицирующих растворов,типа растворителя, вулканизующи веществ, режимов приготовления модифицирующих растворов, изуче ние кинетики набухания,разработку технологии диффузионной моди фикации резино-технических изделий,выбор средств и методов КОН' троля характеристик обработанных резин, испытания образцов, мо дельных и натурных уплотнителей;
разработка метода и технологии диффузионной поверхностной модификации (ДПМ) резин с использованием неорганических ул: традисперсных добавок;
разработка метода и технологии радиационно-диффузионной поверхностной модификации.
сценка влияния метода диффузионной поверхностной модификации на характеристики работоспособности резин;
Для решения поставленных задач разработаны и изготовлен! стенды и установки для экспериментальных исследований, проведены эксперименты, сделан их анализ, спроектированы и изготовлен) технологические линии для проведения обработки различных РП методом диффузионной поверхностной модификации, проверена эф фективность метода в реальных условиях эксплуатации.
Научная новизна.
При выполнении данного исследования получены следующие научные результаты, выносимые на защиту:
метод и технология диффузионной поверхностной модификации для получения поверхностей трения резин, обладающих повышенной работоспособностью в сложных условиях эксплуатации-,
метод и технология диффузионной поверхностной модификации с введением в модифицирующий раствор неорганических ультра-дисперсных добавок, в т.ч. оксида меди;
метод и технология радиационно-диффувионной поверхностной модификации;
результаты исследований процессов, протекающих з приповерхностном слое наполненных резин при трении с учетом структуры резины;
результаты исследований кинетики набухания резин в многокомпонентных модифицирующих растворах;
механизм переноса меди при трении и образование серво-витного слоя на поверхности контртела;
В результате разработаны и научно обоснованы эффективные и экономичные методы повышения работоспособности резино-технических изделий для уплотнителькых узлов буровой техники, использование которых позволило решить крупную научно-техническую проблему, имеющую большое народнохозяйственное значение (Авт.св.СССР NN 1350554, 1445159, Положительное решение по заявке на патент РФ N 5000308/05/ 066938 от 3.12.93 Г.).
Практическая полезность.
Созданы научно обоснованные методы обработки РТИ и разработаны технологии их осуществления, с помощью которых решается задача повышения работоспособности уплотнителъных узлов буровой техники. Метод ДПМ широко внедрен на предприятиях производящих и эксплуатирующих буровую технику - Волгоградском заводе буровой техники, проектирующем и производящем наземные буровые установки и подвижные колонны морских буровых судов, объединении "Прикаспийбурнефть", эксплуатирующем наземные буровые установки, ОКБ бесштанговых насосов (г.Москва),проектирующем погружные винтовые электронасосы и др.
Помимо буровой техники метод ДПМ используется для обработки деталей автотракторного парка, в сельхозмашиностроении и других отраслях. Использование метода диффузионной поверхностной модификации позволило получить экономический эффект свыше миллиона рублей (в ценах до 1985 года) на указанных предприятиях. Метод ДПМ пользуется спросом на рынке новых технологий в России и за рубежом (среди предприятий, затребовавших технологию ДПМ, например, австрийская фирма "Семперит технише продукт" и др.).Технологические линии по обработке методом ДПМ резинотехнических изделий изготовлены и установлены на предприятиях Волгограда и других городов России.
Объем и стуктура диссерташи.
Диссертация содержит 348 страниц машинописного текста, в
том числе 32 таблицы на 24 страницах, 148 рисунков на 94 страницах, список литературы 279 наименований на 28 страницах.
Диссертация содержит 8 глав. В первой главе рассмотрены вопросы разрушения резин при трении по металлическим поверхностям с позиций структуры резины. Во второй главе рассмотрены конструкции уплотнительных узлов морских буровых судов и установок, наземных буровых установок и погружных винтовых насосов. Третья глава посвящена изучению условий работы уплотнительных узлов буровой техники и анализу причин потери ими работоспособности. В четвертой глазе дан анализ методов повышения работоспособности РТИ, приведены результаты исследований автора по объемному модифицированию, и влиянию его на эксплуатационные характеристики резин. Пятая глава посвящена разработке и исследованию метода диффузионной поверхностной модификации, в тем числе с введением радиоактивных добавок и неорганических ультрадисперсних добавок. Б шестой главе описаны стенды и методики для проведения экспериментальных исследований на образцах и модельных уплотнениях. В седьмой главе приведены результаты испытаний образцов, модельных и натурных уплотнителей узлов трения буровой техники,дан их анализ. Восьмая глава посвящена применению результатов исследований в буровой технике и в других отраслях промышленности.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались па Всесоюзных конференциях "Триботехника-машиностроению" в 1983 г. (Пущино-на Оке), 1985г. (Москва), 1987г. (Ивантеевка, Мое.обл.), на выездных сессиях Научного Совета АН СССР по трению и смазкам в 1983г.(Якутск), в 1936г. (Волгоград, Якутск), в 1887 г.(Луцк), в 1988г.(Ереван), в 1990г.(Ростов), "Надежность и долговечность машин и приборов" в 1936г.(Куйбышев), "Повышение качества и надежности комплектующих РГИ", 1986г.(Волгоград), Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, 1986г.(Ташкент),"Проблемы создания новой техники для освоения шельфа",1986 г.(Горький) , "Контактная гидродинамика",1986г.(Куйбышев)."Проблемы трибологии в машиностроении", 1987г.(Москва), "Роль поверхности б прочности и износостойкости твердых тел", 1987г.(Куйбышев),"Трибология и надежность машин", 1988г.(Москва), "Современные проблемы трибологии", 1988г.(Николаев), "Контактное взаимодействие конструкционных материалов",1990г.(Львов), "Нанесение,упрочнени; и свойства защитных покрытий", 1990г.(Ивано-Франковск) и др.; и; международных конференциях "Rubber-84", 1984г.(Москва), "Трение износ и смазочные материалы", 1985 г.(Ташкент), "Tribo-86", 198( г. (Пловдив). Результаты работы докладывались также на республик, неких, межведомственных и др.конференциях,экспонировались на поі тоянно действующей выставке Института машиноведения РАН, мендун, родной выставке-ярмарке (Пловдив, 1986 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 работы, в том числе 2 монографии, получено 3 авторских свидетельства СССР, положительное решение на патент Российской Федерации, подана заявка на Европатент.