Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований изнашивания резьбовых соединений трубопроводов 9
1.1.Изнашивание резьбовых соединений и влияние на этот процесс условий эксплуатации 9
1.2. Современные представления о механизме изнашивания резьбовых соединений 18
1.3.Методы повышения долговечности и плотности резьбовых соединений, работающих под давлением 25
1 4 Молекулярная теория адгезии антифрикционных пленок-покрытий 29
1.5.Выводы и постановка задач исследования 37
2. Исследование влияния динамического нагружения и окружающей среды на Долговечность резьбовых соединений 40
2.1.Технология сборки резьбовых соединений трубопроводов, работающих под давлением 40
2.2. Определение долговечности резьбовых соединений тормозной сети вагонов в условиях эксплуатации 42
2.3.Физико-математическое моделирование резьбовых соединений, работающих под давлением и вибрацией 47
2.4.Экспериментальное исследование факторов, влияющих на герме тичность сопряжения 59
2.4.1. Определение зависимости долговечности сопряжения от параметров динамического нагружения 59
2.4.2.Определение зависимости скорости изнашивания от продолжительности испытаний 67
2.4.3.Влияние температуры и коррозионно-активной среды на герметичность сопряжения 68
2.4.4. Определение степени адгезии уплотняющей прослойки к стали 76
3. Инженерная реализация экспериментально-теоретических результатов 84
3.1.Выбор полимерных материалов для уплотнения резьбовых соединений трубопроводов 84
3.2. Экспериментальное исследование факторов, влияющих на герметичность сопряжения 86
3.2.1. Зависимость долговечности сопряжения от параметров динамического нагружения 86
3.2.2. Исследование работоспособности уплотнительных материалов резьбовых соединений тормозной магистрали подвижного состава 90
3.2.3. Установление рационального процентного содержания присадки МБ в герметизирующей мастике АПП 93
З.З.Трибоспектральная идентификация функционирования фрик ционной системы «втулка — муфта» и трубопроводов тормозной магистрали подвижного состава 97
4. Эксплуатационные исследования резьбовых соединений, собранных с использованием мастики МБ-АПП 111
Общие выводы и рекомендации 115
Список использованных источников 118
Приложения 129
- Современные представления о механизме изнашивания резьбовых соединений
- Определение долговечности резьбовых соединений тормозной сети вагонов в условиях эксплуатации
- Экспериментальное исследование факторов, влияющих на герметичность сопряжения
- Эксплуатационные исследования резьбовых соединений, собранных с использованием мастики МБ-АПП
Введение к работе
. Актуальность темы. Одним из наиболее распространенных способов соединения трубопроводов, работающих под давлением разнообразных машин и механизмов, являются резьбовые соединения. При наличии в процессе работы вибраций такие узлы подвергаются изнашиванию, что приводит к потере герметичности. Характерным примером данных трубопроводов является тормозная магистраль железнодорожного подвижного состава, сборка резьбового соединения которой осуществляется с использованием традиционной технологии применения резьбовых муфт при уплотнении железным суриком и моченой трепаной пенькой.
Работоспособность тормозной системы, эксплуатационные показатели работы тормозов и, как следствие, безопасность движения во многом зависят от герметичности. Следствием интенсивного динамического воздействия подвижного состава на элементы трубопроводов тормозной магистрали является разрушение материалов, герметизирующих резьбовые соединения, и появление утечек воздуха. Опыт эксплуатации подвижного состава показывает, что после введения в эксплуатацию или очередного ремонта вагона уже через 7 месяцев наблюдается интенсивный рост количества утечек через резьбовые соединения. В результате снижается герметичность тормозной системы до 20 %, а после года эксплуатации неплотности имеет уже основная часть соединений.
Сложность изучения вопросов таких трибосистем обусловлена тем, что относительные перемещения контактируемых тел чрезвычайно малы и, несмотря на заметные достижения в этой области, отсутствуют как методы диагностики узлов трения при микроперемещениях, так и достаточно эффективные способы повышения их износостойкости.
В связи с этим представляется актуальным разработать как методы диагностики, так и обобщённые теоретические модели, позволяющие определять причины разрушения резьбовых соединений и повышать их долговечность.
Целью работы является выявление причин отказов трубопроводов тормозной магистрали подвижного состава, определение механизма изнашивания резьбовых соединений; разработка на этой основе методов прогнозирования состояния уплотняющего материала с учетом изменения его физико-механических свойств и разработка способов повышения износостойкости резьбовых соединений трубопроводов, находящихся под давлением.
{ "'
Научная новизна работы заключается в следующем:
методами моделирования и планирования эксперимента проведён комплекс испытаний резьбовых соединений тормозной магистрали подвижного состава и на этой основе создана физико-математическая нелинейная модель трения при фреттинг - коррозии, выявлены константы подобия как для механической части, так и нелинейного фрикционного контакта резьбовых соединений тормозной магистрали подвижного состава; определены значения физических параметров модельного эксперимента, что позволило получить критерий фреттингообразования резьбовых соединений при наличии в узле трения третьего тела;
на базе комплексного исследования и научного обобщения полученных результатов обеспечена возможность оценки текущего состояния герметизирующего материала трибосопряжения резьбовых соединений тормозной магистрали подвижного состава, его упруго-диссипативных и адгезионных характеристик, прогнозирования его остаточного ресурса.
сформирована база данных триботехнических и трибоспектральных характеристик резьбовых соединений с использованием уплотняющего материала, основанная на результатах исследований, проведенных с применением методики трибоспектральной идентификации, что позволяет фиксировать соотношение внешнего и внутреннего трения в трибосопряжении;
на основе анализа априорной информации, метода экспертных оценок и результатов лабораторных исследований определены требования к диссипа-тивным свойствам уплотняющих материалов, обеспечивающие устранение условий образования фретинг-коррозии в резьбовом соединении.
Практическая ценность. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования послужили научной основой для разработки способа повышения герметичности резьбовых соединений трубопроводов, работающих под давлением до 10 атмосфер, создания рецептуры полимерного герметизирующего материала МБ-АПП и технологии его применения при техническом обслуживании и ремонте подвижного состава, обеспечивающего ремонтопригодность резьбовых соединений трубопроводов тормозной магистрали. Исследования завершены разработкой технологии реновации резьбовых соединений тормозной магистрали подвижного состава (возможности многократных повторных операций сборки-разборки указанных соединений при техническом
обслуживании и ремонте: до десяти раз без повторного нанесения уплотняющего материала).
Реализация работы. Опытно - промышленная проверка и внедрение разработанной технологии реновации изношенных поверхностей трубопроводов тормозных магистралей подвижного состава осуществлены в локомотивном депо ст. Минеральные Воды. Эксплуатационные испытания показали эффективность предложенного способа повышения плотности и долговечности резьбовых соединений тормозной сети подвижного состава. Рекомендованная технология принята к внедрению на сети депо Северо-Кавказской железной дороги.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку: на международной конференции в г. Брянске «Состояние и перспективы развития дорожного комплекса» в 2001 г.; международном симпозиуме по транспортной триботехнике «ТРАНСТРИБО-2005» в г. Санкт-Петербурге; заседаниях кафедр «Транспортные машины и триботехника», «Теоретическая механика» РГУПС в 2001-2008 гг.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 8 научных работ, в т.ч. 3 публикации в изданиях, утверждённых в ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 4 глав, изложенных на 148 страницах, из них 128 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 35 рисунков, библиографии в количестве 133 наименований, общих выводов и 4 приложений.
Современные представления о механизме изнашивания резьбовых соединений
Разработке механизма изнашивания неподвижных соединений, в том числе и резьбовых соединений трубопроводов, посвящено большое количество исследований /3, 5, 10, 60 22 и др./. По мнению большинства исследований /2, 3, 5 и др./, наиболее типичным для изнашивания неподвижных соединений в результате фреттинг-коррозии является коррозионно-усталостное разрушение. Практически всеми отмечается наличие пленок окислов на поверхности трения и в складках деформационного рельефа /20/. На ослабление посадок с натягом в результате выхода продуктов износа из зоны трения указывают результаты исследований, представленных в работе 191.
Повреждения от фреттинг-коррозии проявляются в виде натиров, налипаний металла, вырывов или раковин, часто заполненных порошкообразным продуктом коррозии, полос или канавок локального износа, а также поверхностных микротрещин 121. На поверхностях, подверженных фреттингу, может возникать схватывание, микрорезание, а также усталостное разрушение микрообъемов материала 121. Признаком разрушения в результате фреттинг-коррозии, по мнению авторов /9/, является образование на сопрягающихся поверхностях мелких язвин и продуктов коррозии в виде налета, пятен и порошка. Разрушение поверхностей в результате фреттинг-коррозии увеличивается с ростом продолжительности испытаний 121.
Авторы исследований 12, II характеризуют фреттинг-коррозию как особую форму износа, имеющую по условиям возникновения и характеру проявления следующие отличия: - вследствие малой амплитуды смещений удаление продуктов износа из зоны трения затруднено и повреждения при фреттинг-коррозии локализованы на площадках фактического контакта; - скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей намного ниже традиционных скоростей однонаправленного трения скольжения. Так, при амплитуде скольжения 0,025 мм и частоте колеба ний ЗО Гц максимальная скорость равна 4,7 мм/с, а средняя скорость 3 мм/с.
Наиболее распространенным представлением об особенностях и механизме изнашивания неподвижных соединений является то, что вследствие малых амплитуд перемещений повреждения сосредоточены на небольших площадках действительного контакта /9/, а продукты износа обычно не могут выйти из зоны трения, в результате чего возникает высокое давление и увеличивается абразивное воздействие продуктов износа на основной металл. Кристаллическая решетка поверхностных слоев, по мнению авторов этих исследований, под действием сил трения при циклических тангенциальных смещениях разрушается. Происходит диспергирование поверхности без удаления продуктов износа. Продукты износа подвергаются окислению. Разрушение окисных пленок в основном происходит в результате действия не нормальных, а тангенциальных сил /37, 38/. Разрушению способствует и схватывание сопряженных поверхностей. Вследствие распределения нагрузки между витками на поверхности резьбового соединения при первоначальном нагружении обычно наблюдаются пластические деформации в зоне фактического касания микронеровностей. Повторные напряжения приводят к упругим деформациям в этих зонах /12, 13/. Деформация и разрыв мостиков сварки приводит к отрыву отдельных микрочастиц от кристаллической решетки и может служить источником зарождения усталостных трещин. Разрушению поверхности предшествует образование окисных пленок на поверхности трения. Напряженное состояние и пластическая деформация поверхностных слоев может оказывать каталитическое воздействие и интенсифицировать процессы коррозии. Окисленные продукты износа занимают больший объем, чем исходные структуры, что приводит к местному увеличению давления. Это способствует повышению скорости изнашивания и возникновению питтингов. Окислы, обладая более высокой твердостью, чем исходные структуры, оказывают абразивное воздействие на поверхности трения.
Авторами /32/ отмечается, что скорость восстановления окисной пленки во многом зависит от температуры рекристаллизации, которая в свою очередь связана с реакционной активностью металла. По их мнению, на начальной стадии развития фреттинг-коррозии, когда еще не проявляется в полной мере коррозионный фактор, разрушение окисных пленок преобладает над их восстановлением, и велика вероятность взаимодействия ювинильных поверхностей. В этом случае, чем больше площадь контакта, определяемая пластической текучестью металла, тем выше прочность адгезионных связей. Авторы объясняют это тем, что металлы, обладающие более высокой твердостью, имеют более высокие модули упругости и, соответственно, легче разделяются при снятии нормальной нагрузки. Одним из значимых факторов, способствующих снижению адгезии, они считают деформационное упрочнение, которое во многом определяется миграцией и перераспределением легирующих элементов в поверхностном слое, их более высокой химической активностью. Таким образом, механизм образования адгезионных связей представляется более сложным процессом, чем простое схватывание и наклеп, за которым следует упругое поглощение напряжений в подложке. Авторы /32/ механизм изнашивания на ранней стадии развития фреттинг-коррозии представляют следующим образом. Первоначально, под действием тангенциальных сил вследствие разрушения окисных пленок, адгезия резко возрастает и при относительном перемещении тел происходит разрыв образовавшихся связей, что сопровождается деформацией в зоне фактического контакта.
Определение долговечности резьбовых соединений тормозной сети вагонов в условиях эксплуатации
За 1999 - 2001 гг. обследовалась плотность тормозной сети 693 вагонов, находящихся в эксплуатации на станциях СКЖД: Батайск, Лихая, Каменоломни/103/.
Наличие утечек проверялось визуально «на слух» в соответствии со схемой тормозной сети вагонов (рисунок 2.1). Из общего количества обследованных имели утечки воздуха 333 вагона, т.е. почти половина. В каждом из 333 вагонов имели утечки несколько соединений (от 1 до 6). В среднем на каждый вагон приходится 2-3 соединения с утечками сжатого воздуха.
По наиболее неблагоприятным соединениям утечки распределены следующим образом: - в соединениях (1, 2 ,3) тормозных рукавов около 73 %; - в соединениях рукава с концевым краном и концевого крана с магистралью (4) - 32 %; - в соединениях (6) разобщительного крана с подводящей трубкой - 27 %; - в соединениях (5) подводящей трубки с магистралью -31%; - в соединениях (7, 8, 9) подводящих трубок с рабочей камерой - 24 %; - в соединениях (10) подводящей трубки с запасным резервуаром - 36 %.
Следует отметить значительное (более, чем в 2 раза) увеличение мест утечек в соединениях рукавов с концевым краном по сравнению с исследованиями проводимыми в 1971 - 1972 гг., что объясняется ухудшением условий разъединения вагонов (внедрение устройств для разъединения рукавов, разъединение рукавов за счет растягивающих усилий и др.). На пополнение утечек из сети расходуется более 70 % воздуха, вырабатываемого компрессорами локомотива.
Аналогичные результаты получены и другими исследователями. Так, например, расход воздуха на утечки учитывается в качестве основного исходного показателя и при расчете тормозной сети поезда. Авторы /59/, отмечая многообразие факторов, оказывающих влияние на работу тормозной сети, указывают, что расход сжатого воздуха из тормозной сети одного вагона на утечки принимается 7о=20 л/мин и определяется по допустимому темпу понижения давления 0,2 кгс/см в минуту (что является нормативным темпом падения давления как для локомотива (пункт 3.2.2 инструкции по эксплуатации тормозов), так и для всего поезда в целом (пункт 9.2.3) и среднему объему тормозной сети вагона 100 л. Естественно расход воздуха на утечки пропорционален числу вагонов Nc в составе поезда. Поэтому требуемая производительность компрессора для одного локомотива (секции) составляет qic=(20Nc + 100) (1 + а), где а = ty I tk. Ha рисунке 2.2 представлена зависимость расхода сжатого воздуха и требуемой производительности компрессора от числа N вагонов в поезде.
Зависимость расхода сжатого воздуха и требуемой производительности компрессора от числа N вагонов в поезде /59/ 1 - расход сжатого воздуха на утечки в составе; 2 - расход сжатого воздуха на утечки и служебные нужды в поезде; 3 - требуемая производительность компрессора
Проведенное авторами /59/ обследование 700 вагонов показало, что наибольшее число утечек (21%) выявлено: на ответвлении тормозной магистрали к воздухораспределителю; в соединении концевого крана с соединительным рукавом; в соединении подводящей трубки (от воздухораспределителя) с запасным резервуаром. Почти 80 % вагонов имело от одной до трех утечек и около 20 % — от трех до семи утечек. Интенсивный рост количества утечек через резьбовые соединения, по мнению авторов, наблюдается через 7 месяцев эксплуатации вагона после постройки или ремонта, а после года экс плуатации основная часть соединений имеет неплотности, которые могут снизить плотность тормозной системы в целом до 20 %. Как видно из сравнения представленных данных, несмотря на определенные расхождения в целом как по нашим данным, так и по данным других исследований, через полгода эксплуатации образуется значительное количество утечек в тормозной сети вагонов, в том числе и в резьбовых соединениях.
Несмотря на наличие исследований, посвященных повышению плотности резьбовых соединений трубопроводов, механизм разрушения таких сопряжений (что приводит к потере плотности) изучен недостаточно. Анализ условий эксплуатации показывает, что наиболее вероятной причиной изнашивания резьбовых соединений является фреттинг, возникающий в результате воздействия вибраций (например, при движении поезда). Нарушение герметичности может происходить как в результате изнашивания резьб, так и в результате разрушения уплотняющего материала. Соединение собиралось при использовании в качестве уплотняющего материала моченой трепаной пеньки, пропитанной эпоксидной смолой (смола использовалась для облегчения изготовления шлифа).
Анализ шлифов, изготовленных после разрезания таких соединений, показал, что уплотняющий материал - пенька - сосредоточен в районе первых трех витков и практически полностью разделяет резьбы трубы и муфты. Прямое касание поверхностей резьбовых частей трубы и муфты отсутствует. Толщина слоя уплотняющего материала составляет до 180 мкм, что значительно превосходит высоту наиболее выступающих микронеровностей поверхности резьбы. Следовательно, непосредственное контактирование поверхностей резьбы трубы и муфты в зоне расположения уплотняющего материала является маловероятным.
Экспериментальное исследование факторов, влияющих на герметичность сопряжения
Для изучения влияния амплитуды микроперемещений А и давления Р на скорость изнашивания сопряжения «втулка - муфта» были проведены следующие исследования. Каждый опыт повторялся три раза при частоте микроперемещений 5 Гц. Уровни и интервалы варьирования факторов и результаты испытаний представлены в таблице 3.1. Проведенные сравнения полученных расчетных значений критериев Кохрена и Фишера показали адекватность полученных уравнений регрессии реальным процессам. Результаты проведенных испытаний представлены на рисунке 3.1.
Влияние давления (Р) и амплитуды микроперемещений (А) на скорость изнашивания материала уплотнения: а) изол; б) мастика 51-Г7; в) резиновая смесь 807; г) полимер «Эврика»; д) мастика АПП. Получены следующие уравнения регрессии, показывающие влияние амплитуды и давления на скорость изнашивания /: - при использовании материала «Изол» - при использовании мастики 51 -Г-7 - при использовании резиновой смеси 807 - при использовании «Эврики» - при использовании «АПП» где Р - давление, МПа; А - амплитуда относительного перемещения, мм. Анализ уравнений регрессии и их геометрических моделей показал, что, судя по результатам лабораторных испытаний, использование неполи-меризующихся материалов «Изол», мастики 51-Г-7 и резиновой смеси 807 не оказывают существенного влияния на общие закономерности изнашивания уплотнения, т.к. скорость изнашивания соизмерима друг с другом. Применение полимера «Эврика» заметно снижает величину скорости изнашивания с 300 до 12 мкм/цикл. Наилучшие результаты показало использование атакти-ческого полипропилена АПП, позволившего снизить скорость изнашивания в 37 раз по сравнению с применением неполимеризующихся материалов, а по сравнению с полимером «Эврика» - в 1,10... 1,25 раза. По нашему мнению, это связано с тем, что материал не только не подвергается охрупчиванию, но и оказывает в процессе эксплуатации сопряжения наибольшое демпфирующее воздействие. Сохраняются общие тенденции влияния амплитуды микроперемещений и величины давления, выявленные при исследовании уплотнений, пропитанных железным суриком. Исследование работоспособности уплотнительных материалов резьбовых соединений тормозной магистрали подвижного состава выполнялось на физической модели подвижного состава в масштабе 1:5 с учётом всех динамических воздействий, существующих в эксплуатации: подпрыгивания, га лопирования, боковой качки. На базе рассмотренной методики комплексного физического моделирования и для исследования работоспособности рассмотренных материалов в условиях работы подвижного состава, одноразово нанесенных на резьбовое соединение, была создана экспериментальная установка, изображенная на рисунках 3.2 и 3.3.
Эксплуатационные исследования резьбовых соединений, собранных с использованием мастики МБ-АПП
Разработанная мастика МБ-АПП в естественных условиях представляет собой твердую основу, для нанесения которой на поверхности трения требуется ее разогрев до состояния пластичности.
На рисунке 4.1 изображены основные этапы сборки трубопровода тормозной магистрали подвижного состава с использованием в качестве материала уплотнителя МБ-АПП, битумно-полимерной композиции на базе атак-тического полипропилена (комплекс уплотнительный КУ-1), и «Эврика», на основе асмольных клеящих композиций (комплекс уплотнительный КУ-2).
Сперва тормозную магистраль разбирают (рисунок 4.1,а) и при помощи газовой горелки наносят слой уплотнителя на сопрягаемую поверхность трения (рисунок 4.1.6). Не дожидаясь отвердевания уплотнителя, необходимо соединение собрать. Как правило, время затвердевания не превышает 3...4 минут при температуре окружающего воздуха 20С. Собранное соединение трубопровода представлено на рисунке 4.1,в. Для сравнения на рисунке 4.1,г представлено разобранное резьбовое соединение, предварительно собранное по указанной выше технологии.
При реновации старых резьбовых соединений возможно как повторное нанесение уплотняющей мастики, так и применение подмоточных материалов (например, уплотняющей ленты ФУМ). В труднодоступных местах трубопроводов тормозной магистрали подвижного состава возможно применение другой технологии нанесения. Она заключается в том, что на уплотняющую ленту ФУМ предварительно наносят мастику МБ-АПП с последующей подмоткой на сопрягаемую поверхность трубопровода пневматической магистрали подвижного состава.
Рисунок 4.1 - Технология сборки резьбовых соединений, уплотненных с использованием мастики МБ-АПП: а) внешний вид соединения до сборки; б) содинение с нанесенной мастикой на резьбовую часть соединения; в) собранное соединение трубопровода; г) резьбовое соединение после по вторной разборки
Таким образом, предлагаемая технология герметизации соединений тормозных трубопроводов подвижного состава достаточно проста, не требует высокой квалификации обслуживающего персонала.
Эксплуатационные испытания проводились в Минераловодском отделении Северо-Кавказской железной дороги филиала ОАО «РЖД» на базе ТЧ-21. Акт эксплуатационных испытаний приведен в приложении П4. На маневровый тепловоз ТГМЗ-2460 приписки локомотивного депо Минеральные воды СКжд были установлены уплотнительные комплексы КУ-1 и КУ-2, изготовленные по предлагаемой технологии сборки резьбовых соединений.
Испытания, которые проводились в локомотивном депо, показали, что при сборке пневматических цепей с использованием уплотнительного ком плекса без применения подмоточных материалов обеспечена плотность тор-мозной магистрали 0,2 кг/см /70 с при норме 0,2 кг/см /60 с, питательной се-ти 0,2 кг/см /180 с при норме 0,2 кг/см /150 с, что подтверждено актом эксплуатационных испытаний комплекса уплотнительного КУ-1 и КУ-2 на основе битумно-полимерных композиций для герметизации резьбовых соединений тормозных магистралей подвижного состава. При обработке резьбовых соединений мыльным раствором образование воздушных пузырей отсутствовало, чем подверждается их герметичность.
На рисунке 4.2 представлены узлы, подвергавшиеся сборке с использованием предлагаемой технологии сборки резьбовых соединений тормозной магистрали тепловоза ТГМЗБ-2460.
В 2008 году была проведена повторная проверка работоспособности тормозной магистрали, собранной в 2005 году с использованием уплотнительного комплекса КУ-1 и КУ-2 без применения подмоточных материалов. Как показали результаты проверки, проведенной после трех лет эксплуатации, утечек в резьбовом соединении тормозной магистрали не обнаружено и обеспечивается плотность тормозной магистрали 0,2 кгс/см / 70 сек при норме 0,2 кгс/см /60 сек, питательной сети 0,2 кгс/см /180 сек. при норме 0,2 кгс/см2 /150 сек (см. приложение П4).
Таким образом, комплексы уплотнительные КУ-1 и КУ-2 могут быть рекомендованы для внедрения на подвижном составе всей сети железных дорог ОАО «Российские железные дороги» при техническом обслуживании и ремонте. 1. Для проведения лабораторных испытаний трибосистемы резьбовых соединений тормозной магистрали подвижного состава создана физико-математическая нелинейная модель трения при фреттинг-коррозии, выявлены константы подобия резьбового соединения трубопровода тормозной магистрали подвижного состава и фрикционного контакта данной трибосистемы; определены значения физических параметров модельного эксперимента. 2. В результате анализа априорной информации и метода экспертных оценок сформулирован критерий фреттингообразования в резьбовых соединениях при наличии в узле трения высокодемпфирующего подслоя, связывающего между собой факторы демпфирования, амплитуды микроперемещений, частоты колебаний и давления
