Введение к работе
Актуальность проблемы. Диссертация посвящена научно обоснованным технологическим и техническим решениям, представляющим собой разработку комплекса вопросов совершенствования технологии производства деталей судовых систем и устройств из полимерных материалов, обладающих свойством ползучести.
Полимеры имеют довольно широкое применение в судостроении. Поэтом)', с одной стороны, представляется разумным использовать преимущества этих материалов, а с другой, учитывая сложность и недостаточную изученность механического поведения полимеров, необходимо дать научное обоснование технологическим параметрам и процессам изготовления изделий из пластмасс для обеспечения надлежащего качества готовой продукции, Ттакже надежности работы судовых конструкций с применением полимеров.
Фундаментальные исследования термовязкоупругого поведения пластмасс проведены А.А.Илюшиным и Б.Е.Победря, А.К.Малмейстером и С.Б.Айнбнндером, Н.И.Малининьгм и М.А.Колтуновьш, Ю.С.Работновым и АР.Ржающыным, Алфреем Т. и Ферри Дж, Финдли В. и Трелоаром Л., А.Л.Рабиновичем и многими другими авторами научно-исследовательских работ. Большой вклад в исследования физико-химических свойств полимеров внесли А.П.Александров, Ю.С.Лазуркин, С.Н.Журков, Г.М.Бартенев, В.А_Каргин, Г.Л.Слонимский, А.А.Тагер, В.В.Коршак, Г.Я.Гордон, Тенфорд Ч., Хилл Р. При этом они отдают должное преимуществу практического использования термомеханического метода, пригодного для всесторонней оценки технологических свойств полимеров.
Анализ существующего состояния вопроса, связанного с использованием полимеров в судостроительной отрасли, показал, что зачастую полимер рассматривают как упругий материал, не учитывая вязкоупру-гости и температурно-сило-временной зависимости свойств. Теоретические и экспериментальные исследования, имеющие определяющее значение для понимания физико-механических и химических процессов, проходящих со временем в полимерах, сложны для практической реализации в конкретных отраслях производства. Нужны технические решения на основе глубокого изучения сложных деформационных процессов термовязкоупрутих материалов и раскрытия физической прщэоды явлений, которые приблизили бы фундаментальные исследо-
вания к конкретному расчету технологических процессов изготовления пластмассовых деталей судовых конструкций.
Анализ состояния вопроса о методах и результатах физико-мєханігческих испытаний материалов позволил сделать вывод, что существующий банк данных физико-механических характеристик не в состоянии обеспечить надежность расчетов судовых деталей, точность технологических процессов и, следовательно, качество изделий из вяз-коупругих материалов по ряду причин:
технологические параметры процесса прессования изделий из вы-сокополимеров либо требуют большой трудоемкости для их определения (температура перехода), либо не выделены в чистом виде (коэффициент вязкости истинного течения полимера);
лабораторная база не позволяет обеспечить необходимую чистоту опыта, а значит, и выявить истинные физико-механические свойства материала;
известное определение предела ползучести носит конструктивный характер, обеспечивает только условие жесткости, но не условие прочности;
-отсутствуют методы определения предела прочности нежестких пористых материалов при сжатии.
Следовательно, обязательна разработка методов определения прочностных и технологических параметров полимеров, которые бы учитывали:
случайных характер определяемых физико-механических характеристик исходного материала, возможность контроля его свойств;
множественность факторов, воздействующих на технологические параметры процесса переработки полимеров в детали судовых систем, и обеспечивали:
- максимальное приближение определяемых характеристик к ре
альным свойствам материала.
Постановка задачи. Главными направлениями решения исследуемой проблемы являются:
четкое определение места и роли средств и методов определения физико-механических характеристик в качестве технологических и конструктивных параметров изготовления, проектирования и расчетов деталей судовых систем;
создание альтернативных систем определения технологических и конструктивных параметров материалов и изделий из них;
расширение и повышение точности и достоверности информаци-)нного банка данных физико-механических свойств используемых материалов;
разработка теоретических основ обеспечения надлежащего каче-ггва элементов судовых систем и устройств и, следовательно, надежности их работы путем совершенствования технологии их изготовления, контроля качества материала, готовой и прослужившей опреде-генныл срок продуклии.
Исходя из вышеизложенного частные цели диссертационной ра-5оты формулируются след>тощим образом:
- взаимосвязь и взаимозависимость свойств материалов, техноло-
лгческих режимов, режимов эксплуатации и особенностей конструкции
л других факторов с показателями качества судовых систем и уст-
эойств;
новые критерии оценки надежности вязко-упругих материалов;
лабораторное оборудование нового уровня и методы механиче-:ких испытаний для выявления указанных критериев;
- модернизация стандартной процедуры определения фундамен
тальных физігческих констант, используемых в технологии переработ
ки пластмасс в детали судовых систем, позволяющая при сохранении
гочности отказаться от дорогостоящего оборудования и резко снизить
грудоемкость и время на их определение;
повышение достоверности определяемых технологических па-эаметров полимерных материалов, что позволило повысить качество изготавливаемых из них изделий;
разработка технологии изготовления элементов судовых систем и устройств.
Объектами исследования явились:
- детали воздуховодов судовой системы веіггиляции и кондициони
рования воздуха из ударопрочного винипласта;
- технологическая изоляция труб судовых систем из волокнисто-
пористого полимерного материала;
судовые трубопроводы;
дейдвудные подшипники с использованием капролона.
Научная новизна работы рассмотрена как в отношении отдельных результатов исследований, так и в целом, как комплекса научно-технических решений по созданию и расширению базы для проектиро-зания и совершенствования технологических процессов по изготовлению элементов судовых конструкций:
-
Впервые выделен коэффициент вязкости истинного течения полимера, являющийся важнейшим технологическим параметром.
-
Предложен простой и доступный способ определения температуры перехода полимерных материалов, которая играет решающую роль в определении как эксплуатационных возможностей материала так и его технологичности.
3.Впервые предложен метод сравнительного исследования физико-механических свойств материалов, на основе которого:
- разработана феноменологическая модель критерия ползучести,
характеризующая предельное состояние вязкоупругого материала;
-разработано лабораторное оборудование нового уровня, позволяющее
- снизить до минимума погрешности сравнительных испытаний материалов при воздействии на образец различных видов нагружения в условиях линейного и плоского напряженного состояния;
- экспериментально выявить величин)' критерия ползучести согласно предложенному нами определению;
- проводить механическое кондиционирование образца при повторно-переменном нагружении;
- проводить термомеханические испытания с сохранением мерной базы при полностью вынесенных за пределы термокриокамеры измерительных приборах;
- снизить практически до единицы коэффициент концентрации напряжений в месте захвата трубчатого образца.
-
Впервые показано, что образец и испытательная аппаратура является одной взаимосвязанной системой, в которой геометрические параметры захвата зависят от свойств испытуемого образца. Это дало возможность повысить точность определения механического состояния элементов систем и устройств как в процессе постройки судна, так и после некоторого срока его эксплуатации.
-
Впервые разработан способ оценки прочности при сжатии волокнисто-пористого полимерного материала малой жесткости.
-
Разработана новая концепция совершенствования технологических процессов и расчетов элементов судовых конструкций на базе созданных способов и устройств.
Достоверность результатов подтверждается экспериментальной проверкой теоретических разработок и результатами практического использования научно-технических решений. Преодолены конструктивные сложности и изготовлены опытные образцы всех типов разра-
ботанного испытательного оборудования, подтверждена его полная дееспособность. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы базируется на накопленном опыте теоретических и экспериментальных исследований, на использовании апробированных классических методов механики сплошных сред, математической статистики, анализа размерностей и планирования эксперимента. Достоверность результатов экспериментальных исследований и натурных испытаний проверялась методами статистического анализа.
Практическая значимость и реализация результатов заключается в использовании различными, в том числе и предприятиями судостроительной отрасли, разработанного комплекса научно-технических решений по созданию системы более достоверных методов оценки технологических и эксплуатационных, в частности, физико-механических свойств материалов, обладающих свойством ползучести. Практическая ценность результатов работы определяется тем, что на основе проведенных исследований установлена возможность и целесообразность использования разработанных методов и средств выявления в производственных условиях физических и механических закономерностей поведения полимерных материалов с целью использования наиболее эффективных и экономических технологий. Предлагаемые методы исследования и необходимое техническое оснащение выгодно отличаются от известных, так как значительно повышают производительность измерений не требуют специально подготовленных мест, существенно снижают трудоемкость измерений, дают возможность разрабатывать новые подходы и критерии оценки надежности элементов судовых систем и устройств.
Полученные аналитические выражения и алгоритмы для определения технологических, прочностных и эксплуатационных параметров высокополимеров доведены до непосредственного использования в инженерной практике.
Изобретения и научные разработки автора использованы на предприятиях судостроительной и судоремонтной отрасли через Дальневосточный научно-нсследовательсюш институт-технологии судостроения (г. Хабаровск).
На участке, созданном на Николаевском-на-Амуре судостроительном заводе, изготовлены воздуховоды из ударопрочного винипласта и установлены на судах проекта 1595. Такие воздуховоды установлены и прошли всесторонние испытания на научно-исследовательском судне
"Изумруд", рыболовном траулере "Уэлен", на китобазе "Слава" и на других специальных судах.
Дейдвудные подашгяники с использованием ПА6 блочного различных модификаций установлены и успешно эксплуатируются на теплоходах "Михаил Варакші" и "Муссон", ледоколе "Капитан Воронин" и других судах. Результаты исследования механических свойств калро-лона ПАб блочного дейдвудного подшипника судов проекта 1557 использованы в ОАО "Амурское речное пароходство".
На участке Комсомольского-на-Амуре судостроительного завода внедрен механизированный метод нанесения технологической изоляции из волокнисто-пористого полимерного материала.
Результаты НИР используются в учебно-научной работе со студентами Хабаровского государственного технического университета по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" н "Эксплуатация судовых установок".
Научно-техническая разработка "Реверсор" принята в качестве экспоната в фонды Политехнического музея г. Москвы (инв. N 24039, 1992), включена МинВУЗом СССР в перечень НТР, рекомендованных к внедрению (письмо МянВУЗа СССР № 11-35-958 ЦП/11-11-66 от 02.12.85). Запросы на разработки поступили из 29 организаций СССР и СНГ. один запрос - из Польши, шесть предприятий СССР внедрили изобретения по собственной инициативе. Метод определения температур перехода внедрен в Объединенном институте ядерных исследований, г. Дубна Московской области.
Документально подтвержденный экономический эффект от внедрения разработок в ценах 1991 г. составил 124 тыс. руб.
Личный вклад автора в научном направлении является основным и заключается в формулировке общей идеи и цели работы, в выполнении теоретических и значительной части экспериментальных исследований и обобщении их результатов, в научном обосновании методики и технических средств эксперимента, в разработке методов расчета, участие в создании и конструктивной проработке новых перспективных приборов, в производстве их опытных образцов и внедрении результатов исследований, в общем руководстве работ по рассматриваемой проблеме.
Основные результаты, выносимые на защиту: 1.Научно-технические решения по определению основных технологических параметров производства судовых систем вентиляции и кондиционирования воздуха и результаты исследования взаимосвязи
величин напряжения, времени и температуры для расчета механических и термических формообразующих процессов обработки пластмасс на основе метода механическігх аналогий, в том числе:
- теоретические основы метода определения температуры перехода полтіеров, дающего возможность просто и без потери точности определять температуру стеклования и текучести (а.с. 1343286);
- теоретические основы метода определения коэффициента вязко
сти истинного течения полимеров на основе разделения упругой, вяз-
коупругой и необратимой части деформации (а.с. 1226164);
2. Новая физическая модель описания вязкоупругого деформирования материалов на основе метода сравнительного анализа физико-механических свойств полимеров, полученных в различных силовых ситуациях.
3. Совокупность способов, методов и средств для правильного назначения величины технологического натяга дейдвудной втулки при ее напрессовке на вал и запрессовке вкладыша в металлический стакан:
- теоретические разработки и экспериментальные данные по проблеме определения и прогнозирования прочностных свойств полимерных материалов, феноменологическая модель критерия ползучести (а.с. 890132);
методолопгческие положения, методы и средства проведения эксперимента и обработки результатов опыта (а.с.922576);
научное обоснование проектирования комплекса лабораторного оборудования, дающего возможность устранить погрешности сравнительных испытаний при различных видах нагружения образа, системный подход к проблеме экспериментального исследования механических свойств материалов и контроля качества элементов судовых систем (а.с. 306390, 356511, 653535, 741095, 777541, 842467, 796715, 1693442);
корректировка метода расчета на стадии проектирования капро-лоновых втулок дейдвудных подшипников, концепция расчетов изгибаемых элементов на базе созданных способов оценки надежности работы изделий из пластмасс.
4. Приложение полученных решений к задачам проектирования и технологии изготовления элементов судовых систем н устройств.
5. Результаты лабораторных и производственных испытаний при разработке и выборе оптимальных параметров формоваши деталей системы судовой вентиляции, при оценке напряженного состояния и
прочности трубопроводов судовых энергетических установок, при оценке возможности технологической изоляции труб из волокнисто-пористого полимерного материала, при выборе оптимальной величины натяга дейдвудной втулки и вкладыша дейдвудного устройства.
Апробация и обсуждение научных и практических результатов исследования проводились достаточно широко.
Основная часть результатов апробирована путем обсуждения на многочисленных научных семинарах и конференциях в вузах и НИИ Хабаровска, Москвы. Санкт-Петербурга, Ижевска, Казани, Нальчика, Риги, Дубны (МО.), Владивостока и и других городов, в Политехническом музее (г. Москва), на совещаниях заказчиков на предприятиях, с которыми работа проводилась по хозяйственными договорам и где внедрены результаты исследований.
Авторитетную апробацию прошли работы на международной выставке в ФРГ, ВДНХ СССР и других двеннаддати выставках (2 медали, 7 дипломов, из них б - первой степени), на международном симпозиуме (КНР, г. Харбин), на трех международных конференциях по проблемам транспорта Дальнего Востока и проблемам прочности и эксплуатационной надежности судов (г. Владивосток). Работа докладывалась на научно-методическом Совете по специальности при Мин-ВУЗе СССР (г. Москва), рекомендована к внедрению.
Публикации. Из 72 опубликованных работ основные результаты диссертационного исследования нашли отражение в 60 статьях, тезисах, информационных материалах, научных отчетах, авторских свидетельствах на изобретения, монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, основных выводов, пяти приложений и списка литературы. Диссертация содержит 315стр. машинописного текста, 68 рисунков. З Ітаблицу, список используемой отечественной и зарубежной литературы из 250 наименований.