сотрудник
Липецк, Липецкая область, Россия
сотрудник
Россия
аспирант
Россия
ГРНТИ 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
. Корпусные детали являются типовыми, наиболее материалоемкими и дорогими деталями. При восстановлении изношенных корпусных деталей существенно снижаются расходы на ремонт техники, уменьшается, в сравнении с изготовлением новых, расход металла, электроэнергии, загрязнение окружающей среды. В отличие от множества других способов, способы восстановления корпусных деталей полимерными материалами являются технологически простыми, не требуют больших энергозатрат и высокой квалификации персонала. Благодаря полимерному слою снижаются напряжения в зоне контакта нагруженных тел с дорожками качения подшипника и повышается его долговечность, отсутствует фреттинг-коррозия и многократно увеличивается ресурс посадки подшипника и корпусной детали. Использование полимерных композитов позволяет существенно повысить эффективность восстановления корпусных деталей. Это обусловлено повышенной теплопроводностью, термо- и теплостойкостью, более низкой ценой композитов в сравнении с не наполненными полимерами. Перспективным направлением в улучшении потребительских свойств материала является наполнение полимерной матрицы наноразмерными частицами. В ЛГТУ разработан и всесторонне исследован нанокомпозит на основе эластомера Ф-40, наполненный наночастицами алюминия и меди. Материал предназначен для восстановления посадочных отверстий в корпусных деталях автотракторной техники. В статье приведены результаты экспериментальных исследований и анализ деформационно-прочностных и адгезионных свойств нанокомпозита, обоснован его оптимальный состав. Представлены сравнительные результаты исследования теплостойкости и термостойкости эластомера Ф-40 и нанокомпозита на основе. Показано, что нанокомпозит имеет более высокие потребительские свойства, чем эластомер Ф-40: увеличены прочность и выносливость до 1,3 раза, теплостойкость до 123оС, коэффициенты старения по прочности больше в 1,8 раза, по деформации в 1,4 раза.
эластомер, наполнитель, композит, корпусная деталь, отверстие, покрытие, восстановление, эффективность.
Корпусные детали являются типовыми, наиболее материалоемкими и дорогими деталями. В них размещаются валы, шестерни, подшипники и др. типовые детали. Износ посадочных отверстий в корпусных деталях определяет взаимное пространственное положение вышеперечисленных сопрягаемых деталей, их ресурс и долговечность агрегата в целом. При восстановлении изношенных корпусных деталей существенно снижаются расходы на ремонт техники, уменьшается, в сравнении с изготовлением новых, расход металла, электроэнергии, загрязнение окружающей среды.
В настоящее время разработано большое количество способов восстановления корпусных деталей [1…4]. Корпусные детали восстанавливают установкой дополнительной детали, различными способами наплавки, электроконтактной приваркой стальной ленты, нанесением гальванических покрытий и др. В отличие от других способов, способы восстановления корпусных деталей полимерными материалами являются технологически простыми, не требуют больших энергозатрат и высокой квалификации персонала. Благодаря полимерному слою снижаются напряжения в зоне контакта нагруженных тел с дорожками качения подшипника и повышается его долговечность, отсутствует фреттинг-коррозия и многократно увеличивается ресурс посадки подшипника и корпусной детали [5]. Использование полимерных композитов позволяет существенно повысить эффективность восстановления корпусных деталей. Это обусловлено повышенной теплопроводностью, термо- и теплостойкостью, более низкой ценой композитов в сравнении с не наполненными полимерами [6…9]. Перспективным направлением в улучшении потребительских свойств материала является наполнение полимерной матрицы наноразмерными частицами [10…12]. Цель настоящих исследований – разработать и всесторонне исследовать нанокомпозит на основе эластомера Ф-40, наполненный наночастицами алюминия и меди, предназначенный для восстановления посадочных отверстий в корпусных деталях автотракторной техники (исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Липецкой области в рамках научного проекта №17-48-480268/18).
Методы и результаты исследований. Оптимизацию состава материала проводили при исследованиях деформационно-прочностных и адгезионных свойств нанокомпозита.
Деформационно-прочностные свойства материала оценивали по удельной работе разрушения αр пленок. Этот параметр характеризует выносливость материала. Чем выше значение этого параметра, тем более стоек материал при циклических нагрузках и, соответственно, выше его выносливость [5]. Испытания пленок проводили при одноосном растяжении на разрывной машине ИР5082-50. Активный эксперимент проводили по композиционному плану В2. Функцией отклика Y приняли удельную работу разрушения α, МДж/м3, а независимыми факторами: х1 – концентрацию наночастиц алюминия (ТУ 1791-003-36280340-2008), масс.ч., х2 – концентрацию наночастиц меди (ТУ 1791-003-36280340-2008), масс.ч. [13].
В таблице 1 показаны факторы с уровнями и интервалами варьирования. Для регрессионного анализа результатов активного эксперимента использовали методику [14].
В таблице 2 показана матрица планирования композиционного плана В2 и результаты активного эксперимента.
Однородность дисперсий проверяли по критерию Кохрена. Расчетное значение критерия Кохрена составляет Gp=0,245, табличное значение критерия Кохрена – Gm=0,516. Так как выполняется условие Gp<Gm, можно сделать вывод об однородности дисперсий.
Коэффициенты регрессии:
b0=+ 12,88;b1= – 1,657; b2=+0,153;b12= – – 0,15;b11= – 5,08; b22= –4,08.
Оценку значимости коэффициентов регрессии проводили сравнением с значениями соответствующих доверительных интервалов:
∆b0=0,106 <b0=+12,88; ∆b1=∆b22=0,037≤b1= – 1,657ub2= +0,153;
∆b12=0,047<b12= –0,15; ∆b11=∆b22=0,082<∆b11= – 5,08ub22= – 4,08.
Коэффициенты регрессии по значению превышают соответствующие доверительные интервалы, поэтому можно сделать вывод об их значимости.
После раскодирования получили уравнение регрессии в натуральных единицах:
Y= – 15,296 +18,903X1+13,509X2–0,15X1X2 – –5,08X21– 4,08X22.
Регрессионную модель на адекватность проверяли по критерию Фишера.
Расчетное значение критерия Фишера составляет Fp=2,03, табличное значение – Fm=3,01. Так как расчетное значение критерия Фишера не превышает табличное можно сделать вывод, что регрессионная модель адекватна.
На рисунке 1 показана поверхность отклика (зависимость удельной работы разрушения пленок нанокомпозита от концентрации алюминиевого и медного нанопорошков).
Для построения двумерного сечения поверхности отклика провели каноническое преобразование регрессионной модели (рисунок 2). Координаты точки экстремума, в которой функция отклика имеет максимальное значение: Ys =13,01Мдж/м3: Xls=1,84 масс.ч наночастиц алюминия; X2s = 1,62масс.ч наночастиц меди.
Проведен анализ двумерного сечения поверхности отклика и определен оптимальный состав нанокомпозита: раствор эластомера Ф-40 – 100 масс. ч., наночастицы алюминия – 1,9 масс. ч. и меди – 1,7 масс. ч.
Оценку адгезии покрытий нанокомпозита к подложке из стали 45 проводили по прочности связи покрытия с металлом при отслаивании [15].
Проведены испытания покрытий различного состава нанокомпозита: 1) эластомер Ф-40 – 100 масс. ч., Al – l масс.ч., Си – 0,6масс.ч. ; 2) эластомер Ф-40 – 100 масс. ч., Al–2масс.ч., Си – 1,6 масс.ч. ; 3) эластомер Ф-40 – 100 масс. ч., Al–3 масс.ч., Си – 2,6 масс.ч.
Сравнительные результаты испытаний покрытий не наполненного эластомера Ф-40 и нанокомпозитов на его основе показаны на рисунке 3. Покрытия не наполненного эластомера Ф-40 имеют наименьшую адгезию к стали 45, F = 3310H/m . Адгезия покрытий состава №1 в 1,83 раза больше аналогичного параметра не наполненного эластомера и составляет F = 6080H/m . Покрытия состава №2 имеют максимальную адгезию F = 9560H/m, что в 2,89 раза больше аналогичного параметра не наполненного эластомера Ф-40 и 1,57 раза больше покрытий состава №1.
1. Коломейченко А.В. Технология восстановления с упрочнением деталей машин на основе применения микродугового оксидирования / Коломейченко А.В., Кравченко И.Н., Пузряков А.Ф., Логачёв В.Н., Титов Н.В. Строительные и дорожные машины. – 2014. – № 10. – С. 16-21.
2. Кононенко, А. С. Повышение надежности неподвижных фланцевых соединений сельскохозяйственной техники использованием наноструктурированных герметиков: дис ... докт. техн. наук. / Кононенко А. С. – М., 2012, – 405 с.
3. Жачкин С.Ю. Моделирование механического воздействия инструмента при получении гальванических композитных покрытий [Текст] / Жачкин С.Ю., Краснова М.Н., Пеньков Н.А., Краснов А.И. Труды ГОСНИТИ. 2015. Т. 120. С. 130-134.
4. Ли Р. И. Технологии восстановления и упрочнения деталей автотракторной техники [Текст] / Р.И. Ли // Липецк : Изд-во ЛГТУ, 2014. – 379 с.
5. Курчаткин В. В. Восстановление посадок подшипников качения сельскохозяйственной техники полимерными материалами [Текст]: дис ... док. техн. наук. / Курчаткин В.В. – М., 1989, – 407 с.
6. Ли Р. И. Полимерные композиционные материалы для фиксации подшипников качения в узлах машин [Текст]: монография / Р.И. Ли. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2017. − 224 с.
7. R. I. Li, A.V. Butin, S.P. Ivanov, D.V. Mashin. A promising polymer composite material for increasing the efficiency of recovery of basic parts of automotive engineering. ISSN 1995_4212, Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2014, Vol. 7, No. 3, pp. 233–237.
8. R. I. Li, F. A. Kirsanov, M. R. Kiba. Technology and Equipment for High-Precision Polymer Restoration of Fitment Holes in Automotive Housing Parts. . ISSN 1995_4212, Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2016, Vol. 9, No. 3, pp. 312-316.
9. R. I. Li, D. N. Psarev. A Model for Forming a Uniform Polymer Coating on the External Surface of a Rotating Cylinder. ISSN 1995_4212, Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2015, Vol. 8, No. 3, pp. 249–252.
10. Помогайло А. Д. Наночастицы металлов в полимерах [Текст] / А. Д. Помогайло, А. С. Розенберг, И. Е. Уфлянд. – Москва : Химия, 2000. – 672 с.
11. Михайлюк А. Е. Разработка эластомерных материалов на основе этиленпропиленовых каучуков, модифицированных высокодисперсными частицами металлов [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Михайлюк А.Е. – Волгоград, 2014. – 140 с.
12. Кононенко А.С. Повышение стойкости полимерных композитов холодного отверждения к воздействию рабочих жидкостей использованием наноматериалов. [Текст] / Кононенко А.С., Дмитраков К.Г. // Международный технико-экономический журнал. – 2015. – № 1. – С. 89-94.
13. http://www.nanosized-powders.com
14. Ли Р. И. Основы научных исследований [Текст] : Учеб. пособие / Р.И. Ли. – Липецк : Изд-во ЛГТУ, 2013. – 190 с.
15. ГОСТ 21981-76. Метод определения прочности связи с металлом при отслаивании (проб) [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 1976. – 7 с.
