Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ условий работы и износа оборудования при контактно-динамическом нагружении 14
1.1 Экономические аспекты актуальности проблемы изнашивания узлов и деталей машин в условиях контактно-динамического на-гружения 14
1.2 Виды износа и качественная картина изнашивания узлов и деталей машин, изнашиваемых в условиях контактно-динамического нагружения 16
1.3 Гуммирование как способ повышения износостойкости деталей машин в абразивных средах 32
1.4 Современные представления об износе резин и анализ расчетных зависимостей для условий контактно-динамического нагружения 39
1.5 Цель и задачи исследований 54
Глава 2. Основные закономерности и механизм контактно-фрикционного взаимодействия твердой частицы с поверхностью резины 57
2.1. Теоретическое исследование движения частицы при ударе 57
2.1.1 Обоснование основных характеристик описания контактно-фрикционного взаимодействия частицы поверхностью 57
2.1.2. Аналитическое определение пути скольжения частицы по поверхности 62
2.2. Экспериментальное изучение закономерностей движения твердой частицы при ударе 66
2.2.1. Экспериментальная установка и методика эксперимента 66
2.2.2. Влияние упруго-гистерезисных и триботехнических свойств резин на угол и скорость отскока 70
2.2.3. Относительное движение частицы и поверхности 70
2.3. Определение коэффициента трения при ударе 88
Результаты и выводы 91
Глава 3. Механизм изнашивания резин при одиночном ударе твердой частицей 93
3.1. Моделирование разрушения резин при прямом ударе 93
3.1.1 Напряженное состояние при упругом контакте 93
3.1.2. Экспериментальная установка для моделирования прямого удара 99
3.1.3. Эволюция процесса разрушения 103
3.1.4. Направление кинетика развития трещин 113
3.1.5. Деструктивный механизм разрушения поверхностного слоя под пятном контакта 116
3.1.6. Особенности изнашивания резин при прямом ударе в водной среде 120
3.2. Моделирование разрушения резин при косом ударе твердой частицы 126
3.2.1. Напряженное состояние, создаваемое сосредоточенной силой, действующей под углом к поверхности 126
3.2.2. Экспериментальная установка для моделирования удара под углом к поверхности 134
3.2.3. Эволюция процесса разрушения при косом ударе и механизм изнашивания резин 136
3.2.4. Кинетика развития трещин 148
3.2.5. Влияние смазочного материала на механизм и скорость разрушения 156
3.2.6. Влияние среды на силу трения при ударе 161
Результаты и выводы 169
Глава 4. Основные закономерности изнашивания резин при контактно-динамическом нагружении 171
4.1. Изнашивание резин в потоке твердых частиц 171
4.1.1. Экспериментальная установка для изнашивания в потоке твердых частиц 171
4.1.2. Основные закономерности и механизм изнашивания резин в потоке твердых частиц 172
4.2. Изнашивание резин в газоабразивном потоке 183
4.2.1. Установка для газоабразивного изнашивания 184
4.2.2. Износ и механизм изнашивания резин в газоабразивном потоке 187
4.3. Основные особенности гидроабразивного изнашивания резин 195
4.3.1. Установка для гидроабразивного изнашивания 195
4.3.2. Влияние условий нагружения и физико-механических свойств на износ резин при гидроабразивном изнашивани.,199
4.3.3 Механизм изнашивания резин в гидроабразивном потоке 205
4.4. Особенности механизма и закономерности изнашивания при низ коскоростном нагружении 212
4.4.1. Экспериментальная установка для исследования долговечности резиновых футеровок канатных блоков 213
4.4.2. Влияние нагрузки и времени испытания на износ 216
4.4.3. Эволюция и механизм изнашивания высокоэластичной футеровки на экспериментальной установке 218
4.4.4. Механизм изнашивания резиновой футеровки контртелом сложной формы 226
4.5 Виды механизмов изнашивания резин 230
4.5.1. Феноменологическая модель изнашивания резин при ударном и контактно-динамическом нагружении 230
4.5.2. Анализ видов изнашивания 234
Результаты и выводы 236
Глава 5. Обоснование и развитие энергетического подхода к исследованию изнашивания эластомеров при контактно-динамическом нагружении ...239
5.1. Феноменология разрушения резины 239
5.1.1. Теории разрушения эластомеров 239
5.1.2. Структурная модель разрушения резин 248
5.1.3. Взаимосвязь разрушения с механическими потерями и плотностью поглощенной энергии 251
5.2. Развитие энергетического метода оценки износостойкости резин в потоке твердых частиц 259
5.2.1. Теоретический расчет коэффициента механических потерь 265
5.2.2. Экспериментальное определение коэффициента механических потерь 277
5.2.3. Аналитический расчет плотности поглощенной энергии 282
5.2.4. Экспериментальное исследование факторов, влияющих на плотность поглощенной энергии 288
5.2.4.1. Метод фотоупругости в экспериментальных исследованиях 288
5.2.4.2. Факторы, влияющие на объем диссипации и плотность поглощенной энергии 290
5.2.5. Связь интенсивности образования повреждений с деформацией растяжения 301
5.2.6. Влияние немеханических факторов 305
5.3. Математическая модель изнашивания и ее анализ 308
Результаты и выводы 319
Глава 6. Влияние вязкоупругои природы эластомеров на расчет интенсивности изнашивания 321
6.1. Экспериментальное исследование параметров ударного нагру-жения 321
6.1.1 .Экспериментальная установка для определения параметров ударного нагружения 325
6.1.2.Влияние релаксационных свойств резины на параметры соударения при нормальной температуре 322
6.1.3 .Влияние температуры на физико-механические свойства резин в условиях ударного нагружения 336
6.2. Использование принципа температурно-временной эквивалентности при исследованиях физико-механических свойств резины. 343
6.3. Условия использования математической модели в переходной области 352
Результаты и выводы 355
Глава 7. Практическое применение результатов исследований для повышения долговечности деталей и узлов оборудования 356
7.1. Технологические способы повышения долговечности 357
7.2. Примеры практического применения гуммированных деталей.,361
7.2.1. Дисковый поворотный затвор в гуммированном исполнении. 361
7.2.2. Пережимная задвижка 363
7.2.3. Диск бисерной мельницы 368
7.2.4. Защитные плиты рабочей камеры дробемета 368
7.2.5. Опорные ролики подвесной канатной дороги и футерованные канатные блоки 371
7.3. Экономическая эффективность использования гуммированных
деталей 375
Основные выводы и результаты работы ...379
Список литературы 382
Приложения 409
- Гуммирование как способ повышения износостойкости деталей машин в абразивных средах
- Обоснование основных характеристик описания контактно-фрикционного взаимодействия частицы поверхностью
- Деструктивный механизм разрушения поверхностного слоя под пятном контакта
- Экспериментальная установка для исследования долговечности резиновых футеровок канатных блоков
Введение к работе
Актуальность проблемы. Долговечность деталей и узлов оборудования связанного с переработкой и транспортированием абразивных материалов на горнообогатительных предприятиях, цветной и черной металлургии, промышленности строительных материалов и ряда других отраслей определяется, в первую очередь, износостойкостью их рабочих поверхностей. Анализ опыта эксплуатации показывает, что срок службы большой группы деталей машин в этих условиях очень мал и составляет одну или несколько рабочих смен (лопатки дробеметов, поворотные колена пневмотранспорта, рабочие колеса грунтовых насосов и др.).
Практика показала эффективность применения метода гуммирования деталей, в частности, для таких видов горнообогатительного оборудования как рудоразмольные мельницы, насосы, флотомашины, спиральные классификаторы, сита грохотов и др. В основе метода лежат экспериментальные исследования гидро- и газоабразивной износостойкости эластомеров М.М. Тененбаума, Н. Уэтца, И.О.Клейса, Н.С. Пенкина, А.И. Ма-рея, П.В. Извозчикова, Ю.С. Зуева.
Ужесточение режимов эксплуатации машин обусловленное тенденцией к повышению производительности, а следовательно, нагрузок, скоростей, температур и других параметров требует увеличения износостойкости деталей и узлов. Дальнейшее расширение номенклатуры гуммированных деталей машин и выход на новый, более высокий, уровень их износостойкости требует разносторонних комплексных теоретических и экспериментальных исследований износа резин в условиях контактно-динамического нагружения. Это связанно с тем, что в абсолютном большинстве публикаций рассматривается изнашивание резин для случая трения скольжения. Изнашивание при ударе частицы по поверхности имеет свои особенности, принципиально изменяющие характер контактно-фрикционного взаимодействия, закономерности и механизм изнашивания.
В настоящее время вопрос прогнозирования износостойкости синтезируемых марок резин остается нерешенным. Это, в первую очередь, связанно с тем, что не раскрыт механизм изнашивания и его закономерности в различных условиях эксплуатации. Соответственно отсутствует база для развития аналитических методов прогнозирования износостойкости.
Кроме этого отсутствуют сведения о взаимосвязи интенсивности изнашивания резин с изменяющимися под влиянием температуры, скорости и частоты нагружения физико-механическими свойствами резины.
Таким образом, возникает необходимость исследования совокупности задач, формирующих целостное представление об износе резин в условиях контактно-динамического нагружения, что представляет собой крупную научную проблему.
Цель работы. Повышение износостойкости деталей машин в потоке абразива методом гуммирования на основе комплексного исследования механизма поверхностного разрушения и основных закономерностей диссипации энергии в эластомерах с разработкой научных основ изнашивания применительно к условиям эксплуатации
Эта цель определила направления решения проблемы:
- исследовать основные кинематические и энергетические закономерности
фрикционного взаимодействия твердой частицы с поверхностью эластоме
ра при ударном нагружении;
- разработать общий методический подход к исследованию процесса тре
ния и изнашивания с учетом вязкоупругости эластомеров, множественно
сти и дискретности контактного взаимодействия, различия сред эксплуата
ции;
- определить физическую сущность и основные стадии поверхностного
разрушения резин в результате изнашивания как диссипативного процесса,
связанного с преобразованием видов энергии;
- установить влияние на износостойкость эластомеров типа каучука, фи
зико-механических характеристик резин, вида среды и параметров кон
тактно-динамического нагружения;
разработать аналитический метод оценки интенсивности изнашивания;
определить закономерности изменения физико-механических показателей, а также температурные, частотные и скоростные границы использования резин с наименьшей интенсивностью изнашивания в условиях контактно-динамического нагружения.
Научная новизна
разработаны основы теории разрушения эластомеров при изнашивании применительно к контактно-динамическому нагружению, позволяющие управлять процессом повышения износостойкости при синтезе или выборе резин для определенных условий эксплуатации;
выяснено содержание процесса преобразования энергии при динамическом нагружении с теоретическим определением и экспериментальным подтверждением количественных соотношений;
обоснован метод определения плотности диссипированной энергии и установлен характер ее распределения по глубине изнашиваемого слоя;
обнаружены и теоретически обоснованы общие закономерности механизма формирования и развития трещин как основы изнашивания эластомеров;
создана феноменологическая модель разрушения резины с учетом условий контактирования и установлено определяющее влияние среды на механизм разрушения;
на основе анализа и теоретического обобщения предложена классификация видов изнашивания эластомеров и их базовых
ркэрабсвмвн; математическая модель расчета интенсивности изнашивания, связавшая особенности контактно-фрикционного взаимодействия
частицы и поверхности, процесса диссипации энергии при контактировании, уровень повреждаемости структуры и основные физико-механические и триботехнические свойства эластомеров;
определены критериальные физико-механические параметры износостойкости и их связь с комплексом термокинетических характеристик условий нагружения;
получены аналитические зависимости кинематики относительного движения частицы при ударном нагружении поверхности высокоэластичного материала.
Методы исследований. Для выполнения поставленных в работе задач применялись экспериментальные и теоретические методы исследований.
Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния поверхности эластомера проводилась с применением методов механики сплошных сред на основе использования методик решения задач в теории удара и теории упругости (задачи Фламана, Буссинески, Герца, Миндлина), а также метода механических моделей вязкоупругих тел.
Явление трения эластомера при ударе, скольжении и в условиях предварительного смещения изучалась на разработанных для этого стендах.
Процессы изнашивания воспроизводились на специально сконструированных установках для моделирования прямого и косого удара единичной твердой частицы.
Испытание материалов на изнашивание в потоке твердых абразивных частиц, газо- и гидроабразивное изнашивание проводилось на установках центробежного, струйного и струеударного типа.
Термокинетические свойства эластомеров при ударном нагружении исследовались с использованием методов релаксационной спектрометрии на лабораторной установке, не имеющей аналогов.
В экспериментальных исследованиях широко применялись методы оптической и электронной микроскопии, поляризационно-оптический метод определения напряжений.
Для обработки экспериментальных данных и планирования эксперимента привлекались методы теории вероятностей и математической статистики, а также температурно-временнои эквивалентности вязкоупругих материалов.
Физико-механические свойства эластомеров получены с использованием стандартных методик и установок, в соответствии с ГОСТами.
На защиту выносятся
1. Теоретическое и экспериментальное решение задачи о преобразовании
энергии при ударе, позволяющее количественно определить плотность
диссипированной энергии и ее распределение по глубине поверхностного
слоя.
Комплексный подход к изучению износа эластомеров в потоке частиц , включающий теоретические и экспериментальные методы исследования используемые в механике сплошных сред, физико-химии, матстатистике и других научных направлениях.
Результаты экспериментальных исследований закономерностей эволюции и характера изнашивания эластомеров при единичном и множественном контакте в различных средах, а также модели и механизмы изнашивания.
4. Методику определения границ использования резин и возможность
применения метода релаксационной спектрометрии и принципа темпера
турно-временнои эквивалентности.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований позволили установить температурную, частотную и скоростную зоны
с наименьшей интенсивностью изнашивания для резин на основе каучу-ков общего назначения.
На базе энергетического подхода к оценке изнашивания выделен комплекс физико-механических свойств, использование которого при синтезе резин позволяет влиять на увеличение их износостойкости. Разработана аналитическая модель и программа для предварительной сравнительной оценки износостойкости резин в различных условиях контактно-динамического нагружения.
Разработана методика определения необходимой толщины гуммированного слоя, обеспечивающего минимальную интенсивность изнашивания для заданного режима нагружения или величины действующей силы.
Разработаны конструкции и технологии гумирования дисковых поворотных затворов, пережимных задвижек, рабочих дисков, бисерных мельниц, защитных футеровок рабочих камер дробеметных установок, канатных блоков полиспастов мостовых кранов, опорных шкивов подвесных канатных дорог. Получено 7 патентов и авторских свидетельств.
Использование результатов проведенных исследований для выбора наиболее износостойких марок резин позволило в условиях опытно-промышленной эксплуатации на Урупском ГОКе, фабрике №3 Мирнин-ского ГОКа АО « АЛРОСА», АО «АВТОВАЗ», Тырныаузском ГОКе, ОАО «Черкесское химическое производственное объединение», Новочеркасском электровозостроительном заводе повысить срок службы деталей и узлов в гуммированном исполнении в 3-4 раза.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, в том числе 7 патентов и авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав выводов, списка литературы, приложения. Изложена на 427 страницах включая 109 рисунков, 21 таблицу, 304 литературных источника и 11 приложений.
Гуммирование как способ повышения износостойкости деталей машин в абразивных средах
Оборудование газовых и газоконденсатных месторождений работает в сложных условиях. Добываемый и транспортируемый газ содержит абразивные примеси: песок, глину, продукты коррозии и др., которые вызывают интенсивное абразивное изнашивание оборудования. Изношенные поверхности имеют шероховатость совпадающую по направлению с потоком газа. Поверхности деталей, расположенных перпендикулярно потоку, имеют характерный микрорельеф, свидетельствующий о прямом внедрении абразивных частиц. Размеры элементов рельефа очень малы. На рис. 1.5 видно, что рельеф изношенной поверхности штуцерной камеры трудноразличим. Это характерно и для поверхностей углового вентиля и клинкета задвижки.
Характер движений газового потока, размеры и состав механических примесей, в которые входит и пластовая вода, меняет рельеф изношенной поверхности. На рис. 1.6 представлена внутреняя поверхность переходного патрубка, где проходила газоводяная смесь с песком газопровода Ставропольского ГГТУ-1 с давлением газа 5,5-1,7 МПА, расходом 127-338 тыс. м3 сутки и температурой 21-35С.
Изнашивание гидроабразивным потоком представляет собой изнашивание в результате контактно-динамического взаимодействия тел в жидкой среде. Максимальная скорость обычно ниже, чем в потоке частиц и газовом потоке. Гидроабразивному изнашиванию подвергается большая группа деталей. Особо интенсивно протекает изнашивание у рабочих колес, улит и бронедисков Песковых, грунтовых и шламовых насосов, импеллеров и статоров флотомашин, корпусов и выпускающих патрубков гидроциклонов, направляющих лопаток и рабочих колес гидротурбин, арматуры и деталей пульпопроводов и др.
На рис. 1.7 показано рабочее колесо пескового насоса из чугуна ИЧХ28Н2 после эксплуатации в течении 360 часов на обогатительной фабрике Урупского горнообогатительного комбината. Лопасти, передней и задний диск колеса полностью изношены. Износу не подвергались только ступица колеса. Износ составил 68% от первоначального веса. Изношенная поверхность колеса имеет волнообразный вид с местными кавернами, углублениями и сквозными отверстиями рис. 1.8.
Износ снижает производительность и делает невозможным восстановление многих деталей, кроме этого оказывает существенное влияние на качество технологического процесса. При производстве красок для измельчения красителя используются бисерные мельницы с горизонтальным или вертикальным расположением корпуса. Мелющие тела - стеклянные шарики диаметром 2-4 мм, приводятся в движение рабочими дисками. На рис 1.9 показаны стальные рабочие диски без термообработки после 3 месяцев эксплуатации [226]. Диск, установленный в нижней части колонны, практически полностью потерял работоспособность. Это связанно, в первую очередь с повышенной нагрузкой на диски в нижней части.
Детали гидротурбин, насосов и другого оборудования, эксплуатирующегося при повышенных скоростях в жидкой среде, подвергаются дополнительному изнашиванию вследствие кавитации. С ним связывают [102] формирование местного износа с образованием каверн, сквозных отверстий и ускоренного разрушения деталей. Совместное кавитационно-абразивное изнашивание еще более ускоряет выход из строя оборудования. Гидротурбины ГЭС Кубанского каскада подвержены именно такому виду изнашивания, вследствие высокого содержания примесей в речной воде. Объемная концентрация абразивных частиц составляет 2 - 5% . На рис 1.10 показаны изношенные лопасти рабочего колеса гидротурбины ГЭС-1 Кубанского каскада после 2 лет эксплуатации. Ремонт лопастей производится наплавкой электродами Т-590, Т-620 для получения износостойких покрытий. В зависимости от условий эксплуатации межремонтный период составляет 0,5-2 года [101]
Низкоскоростное контактно-абразивное изнашивание. Сохраняет признаки быстрого динамического воздействия на поверхность. Характерно для шаровых мельниц, барабанов и роликов конвейеров, шкивов, шахтных подъемных устройств, роликов и шкивов подвесных канатных дорог, рабочих карт грохотов и др.
Тонкому измельчению в шаровых мельницах подвергаются до 2 млн. т. РУД угля химического сырья и цементного клинкера [93]. Однако этот процесс является весьма дорогостоящим как из-за большой энергоемкости, так и из-за больших расходов на ремонт и замену футеровок барабанов.
Наиболее уязвимый узел мельницы [162] — футеровка барабана, изготавливаемая обычно из высокохромистой стали ПОПЗЛ.Из практики известно, что расход футеровки на 1 тонну перерабатываемого сырья составляет 80 — 140 г. Подсчеты показывают, что ежегодно на футеровку шаровых мельниц расходуется около 250 тыс. тонн высококачественной стали. Срок службы футеровки зависит от измельчаемой руды и применяемой футеровки, поэтому меняется в пределах от 4 до 12 месяцев.
Для фракционного разделения измельченных материалов используются различные по конструкции грохоты. В грохотах с принудительным движением сеющих поверхностей, вибрационных или вращающихся, последние оказываются под воздействием абразивных частиц. Кинематику движения частиц и поверхности можно рассматривать как слабый удар, то есть динамическое нагружение.
Обоснование основных характеристик описания контактно-фрикционного взаимодействия частицы поверхностью
С понижением температуры структура эластомера изменяется вследствие процесса перегруппировки кинетических единиц, приводящих к изменению их ближнего порядка, степени микрорасслоения и других структурных преобразований. Скорость молекулярных перегруппировок с понижением температуры уменьшается. Именно она отражает релаксационные процессы, определяющие быстроту перестройки структуры.
На рис. 1.16 приведен релаксационный спектр для резины на основе каучука СКМС-10 с 20% наполнением техническим углеродом при температуре 20 С [13]. В стеклообразном состоянии при температуре ниже температуры стеклования в эластомере наблюдается У -, у- и /3-переходы, связанные с мелкомасштабным движением боковых групп и малых участков макромолекул. С повышением температуры происходит а-переход, связанный с размораживанием подвижности свободных сегментов и цепей в неупорядоченной части полимера, с -переход вызван подвижностью сегментов жесткой части каучука, адсорбированной на частицах активного наполнителя. Дальнейшее повышение температуры позволяет развиваться Х-переходу, связанному с движением упорядоченных микроблоков в составе полимера, 0-переход соответствует подвижности частиц наполнителя, а 5-переход - химических поперечных связей. Каждый переход имеет свое время релаксации, зависящее от температуры.
Из релаксационного спектра вытекает временная или частотная зависимость механических свойств. Чем больше время действия силы, тем больше переходов релаксационного спектра успеет реализоваться, что приведет к большей релаксации напряжения. Следовательно весь комплекс механических свойств эластомеров зависит от соотношения времени действия силы и времени релаксации, зависящей от температуры, т.е. релаксационными свойствами эластомера.
Для установления диапазона применимости расчетных зависимостей, включающих в себя физико-механические показатели эластомеров, следует выяснить характер и величину изменчивости этих свойств в наиболее важном и наименее изученном направлении - в зависимости от скорости движения абразивных частиц, т.е. скорости приложения силы. Это позволит определить и температурные, частотные и скоростные границы использования резин для повышения их износостойкости Выводы.
1. Изнашивание эластомеров в потоке частиц представляет собой большую и недостаточно изученную проблему. 2. Отсутствуют целостное представление о видах и механизмах изнашивания эластомеров при контактно-динамическом нагружении. 3. Величина и изменчивость коэффициента трения резин при ударе требует дополнительного исследования и объяснения. В связи с этим расчетные зависимости, использующие это понятие, нуждаются в экспериментальной проверке. 4. Расчетные зависимости для интенсивности изнашивания на основе энергетического подхода требуют более точного определения и объяснения ряда базовых понятий (граничный угол, плотность поглощенной энергии, коэффициент механических потерь) и их экспериментальной проверки. 5. Не рассмотрена взаимосвязь физико-механических показателей резины с таким важным для контактно-динамического нагружения внешним фактором как скорость нагружения. 1.5 Цель и задачи исследований. Весьма важным вопросом для описания процесса изнашивания, определения функциональной зависимости интенсивности изнашивания и условий изнашивания является разработка механизма и структурной модели разрушения. Только исследовав элементарные акты разрушения, можно сделать вывод о механизме изнашивания и дать его количественное описание. Для этого необходимо предварительно провести исследования контактно-фрикционного взаимодействия частицы и поверхности в процессе соударения. Анализ сроков службы и причин выхода из строя деталей и оборудования, которые в процессе эксплуатации контактируют с абразивными потоками, показал, что проблема повышения его надежности и долговечности остается актуальной для горнообогатительной, газодобывающей промышленности, производства строительных материалов и ряда других отраслей. Она может быть решена на основе внедрения новых износостойких марок материалов, в частности, высокоэластичных. Дальнейшее расширение номенклатуры гуммированных деталей и увеличение сроков службы связанно с необходимостью углубления знаний в области износа эластомеров. Развитие теоретической базы на основе комплексного подхода, создание моделей изнашивания, объяснение полученных экспериментальных данных и раскрытие природы установленных закономерностей может служить основой для повышения долговечности и надежности оборудования. В связи с этими выводами цель работы можно сформулировать в следующем виде - повышение износостойкости деталей машин в потоке абразива методом гуммирования на основе разработки комплексного подхода к исследованию процессов трения, трещинообразования, диссипации энергии, определяющих механизм и интенсивность изнашивания эластомеров с формированием базовых требований к свойствам эластомеров для их синтеза применительно к условиям эксплуатации. Эта цель определила направления решения проблемы: - разработать общий методологический подход к исследованию процесса трения и изнашивания с учетом вязкоупругости эластомеров, множественности и дискретности контактного взаимодействия, различия сред эксплуатации; - выяснить и обосновать физические аспекты процесса поверхностного разрушения резины как диссипативного процесса, связанного с преобра зованием видов энергии; - установить виды и механизмы изнашивания резины с учетом влияния среды и вида каучука, физико-механических свойств, условий нагружения; - предложить методы определения основных параметров контактно-фрикционного взаимодействия частицы с поверхностью, обуславливающие величину плотности диссипированной энергии; - разработать аналитический метод оценки интенсивности изнашивания, учитывающего влияния физико-механических свойств и режима нагружения; - установить закономерности изменения физико-механических показателей и определить температурные, частотные и скоростные границы использования резин в условиях контактно-динамического нагружения.
Деструктивный механизм разрушения поверхностного слоя под пятном контакта
Скорость вылета шарика определяется с помощью оптоэлектронной пары и пьезодатчика. Оптоэлектронная пара фиксирует вылет, а импульс от пьезодатчика при ударе по образцу об окончание свободного полета, что дает время движения до образца. Зная расстояние, можно рассчитать скорость вылета.
Дальность отскока шарика фиксируется на сменной бумажной мишени 8 со шкалой углов и расстояний. На ней хорошо просматривается через копировальную бумагу отпечаток упавшего шарика. Исходными задаваемыми параметрами являются: 1. Угол атаки do, который последовательно изменяется от 10 до 80. Большие и меньшие значения угла атаки не позволяет получить конструкция установки. 2. Скорость удара, составляла 3, 5, 9 и 12 м/с, что соответствует наиболее распространенным скоростям движения твердых частиц в технологических процессах горнообогатительных предприятий. 3. Смазочный материал наносится на поверхность образцов. Для уменьшения трения использовалась вода и пленка из политетрафторэтилена толщиной 0,03 мм с низким коэффициентом трения (/"=0,04) [117]. 4. Резиновые образцы с различными физико—механическими свойствами. (Приложение 2). В качестве регистрируемых параметров были приняты: 1. Угол отскока стального шарика («/). 2. Дальность отскока (LJ). Угол и дальность отскока регистрировались по положению отпечатка на разграфленной по дальности и углу мишени. Для определения необходимого количества опытов и оценки дисперсии результатов по методике, приведенной в литературе [134,188,225], был проведен предварительный эксперимент на резине Н2 (на каучуке НК).
Резина - это технический продукт вулканизации резиновой смеси, состоящей в наиболее общем виде из каучука или смеси каучуков, вулканизирующей системы, наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов и ингредиентов целевого назначения.
Свойства резин на основе конкретного каучука можно улучшить рецептурными приемами [31,52,116,121,135,139,164], но только до определенной степени, т.к. ингредиенты лишь способствуют наиболее полной реализации свойств каучука. Свойства каучука в наибольшей степени определяют упруго-прочностные, усталостно-прочностные, упруго-гистерезисные и специальные свойства резин. Свойства каучуков зависят от строения и состава их полимерных макромолекул. Среди каучуков выделяют группу каучуков общего назначения и каучуки специального назначения для изготовления изделий, которые должны быть стойкими к специфическим воздействиям.
Каучуками общего назначения являются натуральный, изопреновый, бутадиеновый, будадиенстирольный. К каучукам специального назначения относят бутадиеннитрильный, карбоксилатный, бутадиенметилвинилпири-довый, хлоропреновый, этиленпропиленовый, бутилкаучук, акриловый, эпихлоргидриновый, полисульфидный, фторкаучук, силоксановый, хлор-сульфированный.
Разработка рецептуры резиновой смеси включает два этапа: во-первых, создание базового рецепта с минимальным числом ингредиентов и выбор технологии получения резин; во-вторых, оптимизация базового рецепта для получения наилучших технических свойств резины при минимальной себестоимости.
На заданном этапе работы задачей является исследование механизма и интенсивности разрушения типовых резин. Поэтому базовый рецепт разработан для изготовления модельных резин на основе каучуков общего назначения. За основу взяты каучуки натуральный (НК), изопреновый (СКИ-3) с высоким содержанием цис-1,4-звеньев, бутадиенстирольный СКС-ЗОАРКМ-15 как наиболее технологичный и дешевый в производстве, бутадиеновый стереорегулярный СКД, отличающийся разветвленностью молекулярных цепей. Вулканизующая группа - сера (2 массовые части) и окись цинка (5 массовых частей).
В качестве наполнителя принят технический углерод ПМ 70. Его содержание варьируется от 0 до 60 массовых частей, что позволяет существенно менять упруго-прочностные, усталостно-прочностные и упруго— гистерезисные свойства.
В качестве пластикаторов-использовали стеарин (1 м. ч. ) и нитоксол (10 м. ч.). Ускоритель вулканизации-сульфенамид Ц. Шифры резин приведены в приложении 1.
Физико-механические свойства резин определялись на типовом оборудовании, центральной заводской лаборатории Черкесского ОАО «Рези-нотехник». Физико-механические свойства исследуемых резин приведены в приложении 2. Резиновые образцы имеют круглую форму диаметром 50 мм, толщиной 6 мм и соответствуют стандартным образцам для определения эластичности на упругомере по стандарту СЭВ 108-74. Режим вулканизации: температура 143 С, время вулканизации 45 мин В результате расчетов с использованием методики определения необходимого количества опытов для получения 95% уровня надежности оказалось, что достаточно 6 повторных опытов.
Экспериментальная установка для исследования долговечности резиновых футеровок канатных блоков
Представленные зависимости можно объяснить, если, как это делалось ранее, разделить углы атаки на зону скольжения и зону упругого сдвига. В зоне скольжения имеет место коэффициент трения скольжения и, пока есть скольжение, он сохраняет свое значение примерно постоянным.
В зоне упругого сдвига, на границе которой происходит переход от трения скольжения к трению покоя, наблюдается явление предварительного смещения. Величина предварительного смещения изменяется с изменением угла атаки. В области предварительного смещения сила трения, в данных условиях, является неполной силой трения покоя, а коэффициент трения имеет специальное терминологическое определение - коэффициент сцепления [187] в соответствии с ГОСТ 16429 - 70. Проведенные исследования показали, что при ударном нагружении резин большую часть диапазона углов атаки занимает зона упругого сдвига и переходная зона. Поэтому здесь для характеристики происходящих процессов при трении следует использовать понятие коэффициента сцепления или коэффициента трения покоя, а не коэффициента трения скольжения. Коэффициент трения скольжения существует только в интервале углов от нуля до 30 - 35 в зоне трения скольжения. Выводы и результаты. 1. Предложенная методика определения коэффициента при свободном ударе частицы по поверхности резины. 2. В зависимости от диапазонов углов атаки следует различать коэффициент трения скольжения — в зоне скольжения и коэффициента сцепления - в переходной зоне упругого сдвига поверхности. 3. Получена экспериментальная зависимость изменения коэффициента трение скольжения (сцепления) от угла атаки. Результаты и выводы из второй главы. 1. Установлено, что основые характеристики контактно фрикционного взаимодействия частицы и поверхности - перемещение час тицы по поверхности и время контакта можно определить при использова нии коэффициентов восстановления нормальной и тангенциальной состав ляющей скорости частицы. 2. Разработана установка для экспериментального определения ско рости и угла отскока, коэффициентов восстановления нормальной и тан генциальной составляющей скорости частицы после удара по поверхности резины. 3. Экспериментально установлено, что перемещение частицы по поверхности резины может иметь участок упругого сдвига поверхности совместно с частицей и участок скольжения частицы относительно поверхности. 4. Получены аналитические зависимости для определения величины зоны упругого сдвига и относительного скольжения и выяснено, что они связаны с углом атаки, эластичностью резины по отскоку, модулем упругости и коэффициенту трения скольжения. 5. Установлен граничный угол атаки, разделяющий удар со скольжением и удар без скольжения. 6. Получено экспериментальное подтверждение наличия трех диапазонов углов атаки соответствующих движению частицы со скольжением (0 - 30), без скольжения (40 - 90), а также переходной зоны (30-40). Существование переходной зоны обусловлено микроскольжением по периметру пятна контакта. 7. Создана база данных для расчета длины пути перемещения частицы по поверхности и других характеристик контакта при ударе на основе экспериментально установленных зависимостей угла и скорости отскока от модуля упругости, эластичности и коэффициента трения для резин из четырех основных каучуков общего назначения НК, СКИ-3, СКС-30АРКМ15, СКД. Во всем практически используемом диапазоне значений модуля упругости и эластичности. 8. Для общей характеристики фрикционного контакта частицы с поверхностью при ударе следует использовать понятие коэффициента сцепления. Коэффициент сцепления равен коэффициенту трения в зоне скольжения, где он сохраняет примерно постоянное значение. В зонах упругого сдвига и переходной он является переменной величиной и стабильно снижается от максимального значения соответствующего коэффициента при скольжении до нуля при угле атаки 90. Исследование механизма изнашивания позволяет выявить факторы, управляющие интенсивностью изнашивания и, соответственно, износостойкостью резин в потоке твердых частиц. Как отмечалось ранее, все исследования механизма изнашивания материала поверхности в потоке твердых частиц, газо- и гидроабразивной среде относятся к сталям, их сплавам и наплавкам. Для резин широкие исследования механизма разрушения относятся только к трению скольжения [120,146,147,153,176,178].
Основные закономерности контактно-фрикционного взаимодействия твердой частицы и поверхности резины при ударе установленные во второй главе, позволяет перейти к изучению механизма изнашивания. Учитывая особенности фрикционного контакта в зависимости от возможного угла атаки частицы, исследование проведено для двух вариантов. Это прямой удар частицы и косой удар частицы т.е. под углом к поверхности.
