автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Неразрушающий контроль качества неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники, восстановленных полимерными композиционными материалами

На правах рукописи

ШИПУЛИН Михаил Александрович

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫМИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность 05.20.03 Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 и АР 2072

Мичуринск - 2012

005015320

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ) и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ЛГТУ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ли Роман Иннакентьевич

Официальные оппоненты:

Жачкин Сергей Юрьевич - доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный технический университет/ВГТУ, профессор

Портнов Николай Ефимович - кандидат технических наук, доцент, Тамбовский государственный технический универсигет/ТГТУ, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГБНУ «Росинформагротех»)

Защита состоится^/марта 2012 г. в /2. часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ) по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ

Автореферат разослан «/^рг^/МЛ)? 2012 г. и размещен на сайте ФГБОУ ВПО МичГАУ www.mgau.ru

Ученый секретарь л у ,

диссертационного совета Н. В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Подшипники качения являются многочисленными элементами конструкции машин и в значительной мере определяют их надежность. Отказы подшипниковых узлов увеличивают простои с.х. техники, потери сельскохозяйственного сырья и повышают себестоимость сельскохозяйственной продукции. Износ посадочных мест подшипников из-за фреттинг-коррозии является основной причиной дефектов, приводящих к отказам подшипниковых узлов. Способы восстановления посадочных мест подшипников полимерными материалами исключают фретгинг-коррозию и позволяют значительно повысить долговечность подшипниковых узлов.

Перспективным направлением в повышении эффективности восстановления неподвижных соединений подшипников является разработка полимерных композиционных материалов (ПКМ). Однако разработка высокоэффективных технологических процессов восстановления невозможна без надлежащего контроля качества. Отсутствие методов неразрушающего контроля качества не исключает появления брака и попадания в эксплуатацию не качественно восстановленных неподвижных соединений, влекущих за собой отказы и простои сельскохозяйственной техники.

Настоящая работа посвящена разработке методов неразрушающего контроля, обеспечивающих эффективную оценку качества восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники, полимерными композиционными материалами и исключающих появление брака.

Исследования проводились в соответствии с планом НИР МичГАУ на 2006...2010 годы по теме № 14 «Разработка технологий восстановления и упрочнения деталей с.х. техники и технологического оборудования по переработке и хранению с.х. продукции».

Цель работы. Разработка методов неразрушающего контроля, обеспечивающих эффективную оценку качества восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники, полимерными композиционными материалами и исключающих появление брака.

Объект исследований. Клеевые соединения подшипников качения с деталями, выполненные композициями на основе анаэробного герметика АН-112 и адгезива АН-105.

Предмет исследования. Электрические характеристики ПКМ при различных условиях отверждения, законы распределения прочности, электрических и диэлектрических характеристик клеевых соединений, корреляционные зависимости влияния слабых пограничных слоев на прочность, электрические и диэлектрические характеристики

клеевого шва соединений, долговечность клеевых соединений подшипников качения с деталями, выполненных композициями на основе анаэробного герметика АН-112 и адгезива АН-105.

Методика исследования представлена теоретическими исследованиями на основе теорий формирования электропроводности, диэлектрической проницаемости и прочности ПКМ, экспериментальными исследованиями полимеризации, прочности и долговечности клеевых соединений композиций на основе герметика АН-112 и адгезива АН-105. Достоверность полученных результатов исследования обусловлена применением современного исследовательского оборудования и приборов, методов дисперсионного анализа, результатами эксплуатационных испытаний.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование методов неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных ПКМ;

- результаты экспериментальных исследований электрических характеристик ПКМ при различных условиях отверждения;

- результаты экспериментальных исследований распределения прочности, электрических и диэлектрических характеристик клеевого шва соединений как случайных величин;

- результаты экспериментальных исследований влияния слабых пограничных слоев на прочность, электрические и диэлектрические характеристики клеевого шва соединений;

- результаты экспериментальных исследований минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных ПКМ;

- технологии восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники композициями на основе анаэробного герметика АН-112 и адгезива АН-105, включающие операцию неразрушающего контроля качества, и технико-экономическая эффективность технологий.

Научная новизна. Заключается в разработке теоретического обоснования методов неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных ПКМ-проводниками и ПКМ-диэлектриками, определении корреляционных зависимостей между прочностью и оценочными параметрами качества (диэлектрической проницаемостью и удельным объемным электрическим сопротивлением), минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных ПКМ на основе герметика АН-112 и адгезива АН-105.

Практическая ценность работы заключается в разработанных методах неразрушающего контроля, используемых в технологиях восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники композициями на основе герметика АН-112 и адгезива АН-105.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Мичуринского государственного аграрного университета в 2009...2011 гг.;

- XV Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции», ГНУ ВИИТиН (г. Тамбов), 2009 г.;

- Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», МичГАУ (г. Мичуринск), 2010г.;

- XV Международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения», БелГСХА (г. Белгород), 2011 г.;

- XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукцию) - Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН (г. Тамбов), 2011 г.;

- заседании кафедры «Технология обслуживания и ремонта машин и оборудования» МичГАУ в 2011 г.

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены два патента РФ на изобретение №2418025, №2424268.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 38 рисунков, 20 таблиц, 6 приложений и библиографию из 134 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность темы и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований» приведен анализ технологий восстановления неподвижных соединений подшипников качения ПКМ, методов неразрушающего контроля клеевых соединений, область применения измерений электрических характеристик при исследовании полимерных материалов.

Решению научных задач и проблем технологии ремонта и восстановления изношенных деталей посвящены труды Ачкасова К.А., Ба-

тшцева А. Н., Бугаева В. А., Голубева И. Г., Ерохина М. Н., Жачкина С. Ю., Курчаткина В. В., Казанцева С. П., Ли Р. И., Лялякина В. П., Пучина Е. А., Черноиванова В. И. и многих других отечественных ученых.

Восстановление неподвижных соединений подшипников качения ПКМ осуществляют тремя способами: формованием посадочных отверстий номинального размера под подшипники, нанесением полимерного покрытия на изношенное посадочное место подшипника в детали и последующей ее запрессовкой в сопрягаемую деталь и склеиванием одного из колец подшипника с посадочной поверхностью сопрягаемой детали.

Контроль качества восстановления посадочных мест подшипников двумя вышеуказанными способами осуществляют внешним осмотром. При склеивании контроль качества внешним осмотром не возможен. Отсутствие метода неразрушающего контроля не исключает появления брака и попадания в эксплуатацию не качественно восстановленных неподвижных соединений, влекущих за собой отказы и простои сельскохозяйственной техники. Необходимо разработать методы неразрушающего контроля, позволяющие эффективно оценить качество восстановления неподвижных соединений ПКМ с различными видами наполнителей.

Наиболее пригодными для вышеуказанных изделий являются методы неразрушающего контроля, основанные на измерении электрических и диэлектрических параметров клеевого шва. В отличие от не наполненных полимеров ПКМ представляют собой гетерогенные структуры. Поэтому на электрические и диэлектрические характеристики клеевого шва оказывают влияние дополнительные факторы, которые необходимо учитывать: концентрация компонентов, характер распределения наполнителей по объему полимерной матрицы, вид, форма, размер частиц наполнителя и др.

Значительный интерес при исследовании новых ПКМ представляет исследование электрических характеристик материалов, которые отражают структурные изменения, происходящие в процессе отверждения.

Для приведения значений электрических характеристик клеевого шва, измеренных при различных температурах, к значениям при температуре 20 °С используют температурные коэффициенты. Исследования температурного коэффициента диэлектрических и электрических характеристик ПКМ необходимы для того, чтобы исключить влияние температуры, при которой проводится неразрушающий контроль соединений, на оценочный параметр качества.

Прочность клеевого соединения обусловлена адгезионной и коге-

зионной составляющими. Выявлены два основных фактора определяющих прочность клеевых соединений, выполненных ПКМ: наличие слабых пограничных слоев и характер распределения наполнителя по объему полимерной матрицы. Необходимы дальнейшие исследования, которые позволят определить корреляционные связи этих факторов с оценочными параметрами качества, разработать методы неразрушаю-щего контроля клеевых соединений, выполненных ПКМ-диэлектриками и ПКМ-проводниками.

На основании проведенного анализа в диссертационной работе сформулированы следующие задачи исследований:

разработать теоретическое обоснование методов неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных ПКМ;

- исследовать электрические характеристики ПКМ при различных условиях отверждения;

- исследовать распределение прочности, электрических и диэлектрических характеристик клеевого шва соединений как случайных величин, влияние слабых пограничных слоев на прочность и электрические характеристики клеевого шва, получить зависимости прочности от удельного электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости клеевых соединений композиций на основе АН-112 и АН-105, имеющих слабые пограничные слои;

- определить минимальные уровни выбраковки клеевых соединений, выполненных ПКМ на основе АН-112 и АН-105 и разработать методы неразрушающего контроля качества неподвижных соединений подшипников качения, восстановленных ПКМ;

- провести эксплуатационные испытания неподвижных соединений подшипников качения, восстановленных ПКМ;

- разработать технологические процессы восстановления неподвижных соединений подшипников качения ПКМ, включающие операции неразрушающего контроля качества и оценить их технико-экономическую эффективность.

Во второй главе «Теоретическое обоснование методов неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных полимерными композиционными материалами» обосновано наличие корреляционной связи между прочностью и оценочными параметрами качества клеевых металлических соединений, выполненных ПКМ, предложена методика определения минимального уровня выбраковки изделий.

Теоретическое обоснование метода неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных полимер-полимерными композиционными материалами. Зависимость между диэлектрической проницаемостью и плотностью не по-

лярного диэлектрика описывается уравнением Клаузиусса-Мосотти

n 1 .r s-\ Мс

Р = —Naa =-----СП

З є+2 р ' К)

где Р - молекулярная поляризованность дголектрика; Na - число Аво-гадро; ОС - поляризуемость молекулы диэлектрика; в - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; Мс - молекулярная масса дголектрика; р - плотность дголектрика.

Зависимость между диэлектрической проницаемостью и плотностью полярного диэлектрика описывается уравнением Клаузиусса-Мосотти-Дебая

„ £ -1 Мс AxNa / \ Р = = —(2) Є + 2 р 3

где а о - деформационная поляризуемость, включающая в себя электронную, атомную поляризуемость, а также поляризуемость упруго-связанных диполей; ОС д - дипольная (ориентационная) поляризуемость.

Зависимость между теоретической прочностью о и модулем упругости полимерного материала Е имеет вид

а = 0,1£ (3)

Зависимость между плотностью и модулем упругоста для сшитых полимеров имеет вид

ЕМ

Р = Ш (4)

Подставив выражение (4) в формулы (1) и (2) получим соответственно зависимость между диэлектрической проницаемостью и модулем упругости дголектрика:

для неполярных диэлектриков

є -1 _ ENaa

є + 2 9RT доя полярных диэлектриков

(5)

е -1 4лШа / \

Диэлектрическую проницаемость полимерной композиции можно определить по обобщенному уравнению Нильсена

Є ПК ~

ґ 1 + ABVj-N

V

1 -By/Vf

(7)

\ е У

+ А

у/ = \ +

1 -р

/

V

г/

где 8ПК, £п и енап - диэлектрическая проницаемость полимернои композиции, полимера (матрицы) и наполнителя ; А, В и \|/ - коэффициенты; Уг - объемная доля наполнителя; Ае и кн - коэффициенты деполяризации и Энштейна, зависящие от формы и ориентации частиц наполнителя; Рг - максимальная объемная доля частиц наполнителя при заданном типе упаковки.

Модуль упругости полимерной композиции можно определить по обобщенному уравнению

— Е„

1 + ABV,

f

1

■Вц/Vf

А = кг-1.

(8)

в

-1

■ + А

у = 1 +

1 -р,

f

7

V,

f,

где Е„К, Е„, Енап - модули упругости полимерной композиции, полимера (матрицы) и наполнителя соответственно.

Анализ формул (7) и (8) показывает, что эти функции совершенно аналогичны, зависят от формы частиц наполнителя, его объемной доли, коэффициента Пуассона полимерной матрицы и отличаются лишь физическими величинами элементов композиции. В формуле (7) это диэлектрическая проницаемость полимерной композиции, полимера и наполнителя, а в формуле (8) - модуль упругости тех же элементов. Это позволяет сделать вывод о подобном характере формирования значений диэлектрической проницаемости и модуля упругости полимерной композиции с изменением формы частиц наполнителя, его объемной доли и коэффициента Пуассона полимерной матрицы. Наличие корреляционной связи также подтверждается формулами (5) и (6), если в них подставить диэлектрическую проницаемость и модуль упругости полимерной композиции. То есть имеет место корреляци-

онная связь между модулем упругости, соответственно прочностью (3) и диэлектрической проницаемостью.

Теоретическое обоснование метода неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных ПКМ с дисперсными металлическими порошками.

Полимерные композиции представляют собой многокомпонентные смеси, в которых, в отличие от растворов и пластифицированных полимеров, размеры частиц наполнителя превышают размеры молекул. Электропроводность полимерных композиций обусловлена эмиссией электронов через зазоры между частицами наполнителя. Теория электрических контактов объясняет, что прохождение тока возможно не только при непосредственном соприкосновении двух проводников, но и при наличии между ними воздушного зазора или пленки диэлектрика.

Электропроводность полимерной композиции зависит от времени и температуры отверждения. С увеличением времени отверждения происходит сшивание полимера, появляются прочные контакты между частицами наполнителя, вследствие чего электропроводность увеличивается, а удельное электрическое сопротивление уменьшается.

Полимерные композиции могут иметь положительный или отрицательный ТКС (температурный коэффициент сопротивления). Если температурный коэффициент линейного расширения проводящих частиц больше температурного коэффициента линейного расширения полимерной матрицы, то ТКС такой композиции отрицателен. Поэтому композиции с дисперсными металлическими наполнителями будут иметь отрицательный ТКС, то есть с увеличением температуры будет уменьшаться сопротивление. Снижение сопротивления при повышении температуры объясняется образованием дополнительных цепочек проводимости по структуре материала и увеличением площади контакта между отдельными проводящими частицами наполнителя. Таким образом, удельное объемное электрическое сопротивление уменьшается с увеличением времени отверждения и температуры, поэтому эти факторы необходимо учитывать при его измерениях в процессе неразрушающего контроля качества.

Известна зависимость между электропроводностью и диэлектрической проницаемостью полимера

\%у = Ае + В, (9)

где А и В - константы.

По характеру распределению компонентов различают матричные и статистические смеси, структурированные композиции. Учитывая, что размеры частиц металлического наполнителя превышают молекулярный уровень, рассматриваемые нами полимерные композиции сле-

дует отнести к матричным и статистическим смесям.

В полимерной композиции типа матричной смеси полимерная фаза образует сплошную матрицу. Электропроводность матричной двухфазной системы у можно рассчитать по формуле

У= У 1{{1 + {г>2 / [(1 - г>2)/3] + [у,/(у 2 - у 03]}}, (10)

где У1 и у 2 - электропроводность полимера и наполнителя соответственно; г)2 - объемная доля наполнителя.

В полимерной композиции типа статистической смеси имеет место хаотическое распределение компонентов без образования регулярных структур.

Электропроводность статистической двухфазной системы у можно рассчитать по формуле

У = {{[у 1 (3 г>1 - 1) + У 2 (3 1)2- 1)] + (у 1У г/2) + ''/{[ у 1 (3 1)1 - 1) + + у2(Зи2-1)]2/16}} (И)

С точки зрения качества полимерная композиция с дисперсным металлическим наполнителем после отверждения должна иметь матричную структуру, представляющую собой равномерно распределенные по всему объему матрицы (полимерного материала) частицы наполнителя. Статистическая структура сигнализирует о недостаточном перемешивании наполнителя при изготовлении композиции, возникновении агломератов частиц наполнителя, что крайне негативно отражается на деформационно-прочностных свойствах полимерной композиции.

Электропроводность статистической двухфазной системы примерно на порядок больше электропроводности матричной системы. Поэтому характер распределения частиц наполнителя в полимерной матрице и, следовательно, качество приготовления полимерной композиции можно оценивать по значению электропроводности отвержден-ной полимерной композиции.

Адгезионная прочность клеевого соединения в значительной мере определяется качеством подготовки склеиваемых поверхностей. При не качественном обезжиривании на поверхностях возможно наличие низкомолекулярных веществ (влага, жировые пятна), которые приводят к образованию слабых пограничных слоев, существенно снижающих адгезию. Слабые пограничные слои являются источником поляризации, приводящей к изменению электропроводности клеевого шва. Таким образом наличие слабых пограничных слоев - причины снижения адгезионной прочности можно зафиксировать по изменению электропроводности клеевого шва.

Формулы (2)...(4), (9) характеризуют наличие корреляционной связи между когезионной прочностью полимерной композиции с дисперсным металлическим наполнителем и ее электропроводностью. По формулам (10) и (11) можно оценивать характер распределения частиц наполнителя в полимерной матрице и, следовательно качество приготовления полимерной композиции. Наличие слабых пограничных слоев, которые являются причиной снижения адгезионной прочности, можно фиксировать по изменению электропроводности клеевого шва.

Обоснование минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных ПКМ. Известна методика определения минимального уровня выбраковки изделий. Изделия с наихудшим качеством по результатам неразрушающего контроля подвергают ускоренным испытаниям на долговечность. В случае обнаружения отказа испытывают следующее изделие с менее худшим качеством. Процесс продолжают до тех пор, пока одно из изделий не пройдет все виды испытаний. Уровень качества этого изделия принимают за минимальный параметр выбраковки.

Однако при неразрушающем контроле качества склеивания используется корреляция между статической прочностью и электрической характеристикой клеевого шва. Известна формула Щукина В. М.

(12)

где N - число циклов до разрушения образца; Л - универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура; А Г/ - изменение потенциального барьера разрушения за один цикл; ор - разрушающее напряжение, характеризующее прочность полимерного образца; Опих -максимальное напряжение цикла.

Из формулы (12) следует, что между выносливостью материала и статической прочностью есть прямопропорциональная зависимость. Поэтому, установив максимально допустимую толщину клеевого шва при которой соединение не разрушается при циклическом нагружении, следует определить корреляцию между статической прочностью и электрической (диэлектрической) характеристикой клеевого шва вышеуказанной толщины. Так как прочность и электрическая характеристика клеевого шва имеют стохастический характер в качестве минимального уровня выбраковки следует выбрать нижнюю или верхнюю доверительную границу рассеивания параметра.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» приведены общая методика исследований и частные методики исследования электрических характеристик ПКМ при различных условиях отверждения, распределения прочности, электрических и диэлектрических характеристик клеевого шва соединений как случайных величин, влияния слабых пограничных слоев на прочность, электрические и

диэлектрические характеристики клеевого шва соединений, определения минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных ПКМ.

Процесс полимеризации композиции на основе адгезива АН-105 исследовали методом диэлькометрии при различных температурах отверждения Т = 20; 30; 40 °С, композиции на основе герметика АН-112 - измерением электрического сопротивления клеевого шва при температурах Т = 10; 20 и 40 °С.

Температуру в 30 и 40°С обеспечивали в шкафу сушильном СНОЛ-3.5,3.5,3.5/3, оснащенным электронным терморегулятором, В качестве образцов служили клеевые соединения подшипников 209 с валами. Валы изготовили из стали 45. Электрическую емкость или сопротивление клеевого шва соединения измеряли прибором Е7-11. О завершении полимеризации судили по стабилизации значений характеристик клеевого шва.

Прочность клеевых соединений исследовали на образцах, представляющих клеевые соединения внутренних колец подшипников 209 с валами, изготовленными из стали 45. Зазор в соединении до склеивания обеспечивали шлифованием валов. Для деталей, склеиваемых ПКМ на основе АН-112, диаметральный зазор составлял 0,15; 0,20 и 0,25 мм, деталей, склеиваемых ПКМ на основе АН-105 - 0,10; 0,20 и 0,30 мм. Для обеспечения соосности деталей клеевого соединения использовали центрирующие приспособления. Отверждение соединений проводили в течение 24 ч при температуре 20°С. Прочность образцов измеряли на разрывной машине ИР 5047-50, а электрическую емкость или сопротивление клеевого шва измеряли прибором Е7-11. По результатам эксперимента строили статистический ряд и определяли по критерию Кохрена теоретический закон распределения.

Для получения слабых пограничных слоев и адгезионного разрушения клеевых соединений использовали пластичную смазку Литол-24 (ГОСТ 21150-75). Для этого, перед склеиванием, на обезжиренную и просушенную поверхность вала по трафарету, изготовленному из бумаги, кистью наносили смазку. Затем на внутреннее кольцо подшипника и не покрытую маслом посадочную поверхность вала наносили ПКМ. Площадь «загрязнения» маслом составляла: 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90 и 100 % от общей площади склеивания. Отверждение образцов проводили при температуре 20 °С в течение 24 ч.

Для определения минимального уровня выбраковки проведены стендовые испытания на долговечность при циклическом нагружении. Испытания на долговечность проводили на стенде, изготовленном на базе электромеханического вибратора ИВ-107А. Радиальная нагрузка на подшипники 209 составляла 20 кН. За критерий долговечности

приняли наработку до начала сдвига наружного кольца подшипника в посадочном отверстии щита. Если в течение 330 ч работы стенда (5,94*107 циклов нагружения) сдвига наружного кольца подшипника в посадочном отверстии щита не происходило, испытания прекращали и данную толщину клеевого шва принимали за максимально допустимую при восстановлении.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены результаты исследования электрических характеристик полимерных композиционных материалов при различных условиях отверждения, распределения прочности, электрических и диэлектрических характеристик клеевого шва соединений как случайных величин, влияния слабых пограничных слоев на прочность, электрические и диэлектрические характеристики клеевого шва соединений, по определению минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных ПКМ.

Исследование электрических характеристик ПКМ при различных условиях отверждения. Исследованиями установлено, что время отверждения композиции анаэробного герметика АН-112 при котором образуется сшитый полимер, составляет 3,0; 2,0 и 1,0 ч при температурах 10; 20 и 40 °С, соответственно. Определена зависимость температурного коэффициента электрического сопротивления ТКру композиции АН-112 от температуры Т, которая позволяет измеренные значения сопротивления клеевого шва при данной температуре пересчитывать в приведенные при температуре 20 °С. ТКру = 1,1 - 0,005Т.

Время отверждения композиции адгезива АН-105 при котором образуется сшитый полимер, составляет 3,0; 2,5 и 2,0 ч при температурах 20; 30 и 40°С, соответственно. Получена зависимость температурного коэффициента электрического сопротивления ТКе композиции АН-105 от температуры Т, которая позволяет измеренные значения диэлектрической проницаемости клеевого шва при данной температуре пересчитывать в приведенные при температуре 20 °С. ТКе = 0,94 + 0,003Т.

Из формул следует, что композиция герметика АН-112 имеет отрицательный, а композиция адгезива АН-105 - положительный ТКС.

Исследование корреляционной связи статистической прочности клеевых соединений композиции АН-112 с удельным электрическим сопротивлением клеевого шва. Исследования показали, что прочность при аксиальном сдвиге Т клеевых соединений композиции анаэробного герметика АН-112 с увеличением толщины клеевого шва снижается, что связано с влиянием масштабного фактора. Максимальную прочность Т = 24,92 МПа имеют клеевые соединение с толщиной клеевого шва 0,05 мм. Прочность с увеличением толщины клеевого шва от 0,075 до ОД и 0,125 мм уменьшается от 22,11 до 20,21 и

16,45 МПа соответственно. Исследованиями распределения прочности и электрического сопротивления клеевых соединений с толщиной клеевого шва 0,125 мм установлено: а) распределение прочности подчиняется закону нормального распределения, при этом наибольшее количество клеевых соединений (18 %) имеет прочность при аксиальном сдвиге в 16,45 МПа. Доверительный интервал значений прочности составляет 3,78 МПа, а нижняя и верхняя доверительные границы рассеивания соответственно = 14,59 и = 18,37 МПа; б) распределение

электрического сопротивления подчиняется закону нормального распределения, при этом наибольшее количество клеевых соединений (17 %) имеет электрическое сопротивление 6,43 Омхм. Доверительный интервал значений электрического сопротивления составляет 3,98 Омхм, а нижняя и верхняя доверительные границы рассеивания соответственно = 4,44 и /* = 8,82 Омхм. Получена графическая зависимость значений прочности Г от электрического сопротивления ру клеевых соединений композиции на основе герметика АН-112, которая аппроксимируется функцией Т = 10,819 + 0,861 ру .

Исследование корреляционной связи статистической прочности клеевых соединений композиции АН-105 с диэлектрической проницаемостью клеевого шва. Максимальную прочность Г = 20,12 МПа имеют клеевые соединения с толщиной клеевого шва 0,05 мм. Прочность с увеличением толщины клеевого шва от 0,10 до 0,15 мм уменьшается от 18,23 до 17,14 МПа соответственно. Дальнейшими исследованиями установлено: а) распределение прочности подчиняется закону нормального распределения, при этом наибольшее количество клеевых соединений (40 %) имеет прочность при аксиальном сдвиге в 17,25 МПа. Доверительный интервал значений прочности составляет 4,12 МПа, а нижняя и верхняя доверительные границы рассеивания соответственно = 15,19 и = 19,31 МПа; б) распределение диэлектрической проницаемости подчиняется закону распределения Вейбулла, при этом наибольшее количество клеевых соединений (20 %) имеет диэлектрическую проницаемость е = 3,58. Доверительный интервал значений диэлектрической проницаемости е составляет 0,3, а нижняя и верхняя доверительные границы рассеивания соответственно ?а = 3,43 и = 3,73. Получена графическая зависимость значений

прочности Г от диэлектрической проницаемости е клеевых соединений композиции на основе адгезива АН-105, которая аппроксимируется функцией т = 66,42 - 13,73 е.

Исследование влияния слабых пограничных слоев на прочность и удельное электрическое сопротивление клеевого шва, со-

единений композиции АН-112. Прочность при аксиальном сдвиге склееных образцов и сопротивление клеевого шва с увеличением площади покрытия маслом склеиваемой поверхности убывают в виде показательных функций, асимптотически приближаясь к минимальному значению. При наличии на склеиваемой поверхности до 5 % масла удельное электрическое сопротивление снижается с 4,44 до 4,22 ОмХм, а прочность - с 16,19 до 15,84 МПа. Увеличение содержания масла на поверхности с 5 до 25 % приводит к резкому снижению удельного электрического сопротивления (с 4,22 до 2,33 Омхм) и адгезионной прочности (с 15,84 до 5,4 МПа). Это вызвано образованием слабых пограничных слоев, причины образования которых были рассмотрены выше. Дальнейшее увеличение содержания масла на поверхности до 100 % незначительно снижает сопротивление (с 2,33 до 2,1 Ом*м) и прочность (с 5,4 до 1,75 МПа).

Исследование влияния слабых пограничных слоев на прочность и диэлектрическую проницаемость клеевого шва, соединений композиции АН-105. С увеличением площади покрытия маслом склеиваемой поверхности прочность при аксиальном сдвиге склеенных образцов уменьшается, а диэлектрическая проницаемость клеевого шва увеличивается, приближаясь к минимальному и максимальному значению соответственно. При наличии на склеиваемой поверхности до 5 % масла диэлектрическая проницаемость 8 увеличивается от 3,73 до 4,12, а прочность снижается с 15,19 до 14,25 МПа. Увеличение содержания масла на поверхности с 5 до 30 % приводит к резкому росту диэлектрической проницаемости (от 4,12 до 11,02) и уменьшению адгезионной прочности (от 14,25 до 3,75 МПа).

Это обусловлено тем, что увеличение содержания масла на поверхности приводит к образованию слабых пограничных (переходных) слоев, прочность которых значительно ниже прочности основного полимера. Увеличение диэлектрической проницаемости объясняется межслоевой поляризацией. Дальнейшее увеличение содержания масла на поверхности от 30 до 100 % незначительно повышает диэлектрическую проницаемость (от 11,02 до 12,27) и снижает прочность (от 3,75 до 3,25 МПа) по линейной зависимости.

Определение минимального уровня выбраковки клеевых соединений композиции на основе АН-112. Исследования долговечности показали, что максимальной допустимой толщиной клеевого шва композиции герметика АН-112, обеспечивающей безотказную работу восстановленного неподвижного соединения при циклической радиальной нагрузке Р = 20 кН, является 0,125 мм. Поэтому минимальный уровень выбраковки определяли по параметрам клеевого шва данной толщины. Получена обобщенная кривая зависимости прочности от удельного электрического сопротивления, учитывающая вероятност-

ный характер распределения прочности и наличие слабых пограничных слоев, которая аппроксимируется функцией 44^209

7 _ 24,797 Учитывая вероятностный характер распреде-

Р\

ления прочности, в качестве минимального уровня выбраковки клеевых соединений выбрали значение прочности Гт;п =14,59 МПа. Это означает, что при условии соблюдения технологии склеивания, не смотря на разброс значений прочности, клеевые соединения будут иметь прочность не ниже 14,59 МПа с доверительной вероятностью а = 0,9. Значение удельного электрического сопротивления, соответствующего минимальному уровню выбраковки клеевых соединений

при неразрушающем контроле, составляет ру = 4,44 ОмХ м.

Определение минимального уровня выбраковки клеевых соединений композиции на основе АН-105. Исследования долговечности показали, что максимальной допустимой толщиной клеевого шва композиции адгезива АН-105, обеспечивающей безотказную работу восстановленного неподвижного соединения при циклической радиальной нагрузке Р = 20 кН, является 0,15 мм. Поэтому минимальный уровень выбраковки определяли по параметрам клеевого шва данной толщины. Получена обобщенная кривая зависимости прочности от диэлектрической проницаемости, учитывающая вероятностный характер распределения прочности и наличие слабых пограничных слоев,

которая аппроксимируется функцией т = 33,21е . Учитывая вероятностный характер распределения прочности, в качестве минимального уровня выбраковки клеевых соединений выбрали значение

прочности = 15,19 МПа. Это означает, что при условии соблюдения технологии склеивания, не смотря на разброс значений прочности, клеевые соединения будут иметь прочность не ниже 15,19 МПа с доверительной вероятностью а = 0,95. Значение диэлектрической проницаемости, соответствующей минимальному уровню выбраковки клеевых соединений при неразрушающем контроле, составляет е =3,43.

Оценка точности методов неразрушающего контроля клеевых соединений. Установлено, что предельная относительная ошибка метода неразрушающего контроля клеевых соединений композиции на основе АН-112 составляет 9%, а композиции на основе АН-105 - 10%.

В пятой главе «Рекомендации производству и их технико-экономическая оценка» приведены технологические рекомендации и расчет технико-экономической эффективности. По результатам проведенных исследований разработаны технологии восстановления неподвижных соединений подшипников качения ПКМ на основе герметика

АН-112 и адгезива АН-105. Технологические процессы восстановления содержат следующие операции: подготовку посадочных мест деталей соединения; приготовление композиции; нанесение композиции на склеиваемые поверхности; сборку соединения с последующим центрированием; отверждение соединения; неразрушающий контроль качества склеивания.

Для проведения неразрушающего контроля в результате обобщения результатов исследований разработаны две номограммы. Номограмма для контроля клеевых соединений композиции на основе АН-

112 построена по функции прочности т = £(ру, Т, 0, представляют собой два бинарных поля (Д,, Т), (рх , 0, и сетку ( ру, т). Они допускают линейную интерполяцию по любой из переменных Ру и.1 (рисунок 1).

10 20 30 W Г Г

рк 0м м 8,0

7,0

6,0

5,0

í,0

3,0

■го--—

Г:

-—f I и

-\L

--

20 t.H

02 4 6 8ШШ1618 X, МПа

Ру - удельное электрическое сопротивление; Т - температура окружающей среды; т - прочность при аксиальном сдвиге; хд - минимальный уровень выбраковки

Рисунок 1 - Номограмма для выбраковки неподвижных соединений подшипников качения, восстановленных ПКМ на основе герметика АН-112:

Номограмма для контроля клеевых соединений композиции на основе АН-105 построена по функции прочности т = f(e, Т, t), представляет собой два бинарных поля (е, Т), (е, t), и сетку (в, х). которые допускают линейную интерполяцию по любой из переменных е, Т, и t (рисунок 2).

е - диэлектрическая проницаемость; Т - температура окружающей среды; I - время отверждения; х - прочность при аксиальном сдвиге; хд - минимальный уровень выбраковки

Рисунок 2 - Номограмма для выбраковки неподвижных соединений подшипников качения, восстановленных ПКМ на основе адгезива АН-105:

Номограммами пользуются следующим образом. После измерения электрической характеристики ее приводят к значениям при температуре 20 °С. Для этого отмечают значение электрической характеристики на соответствующей шкале температуры, а затем по направлению стрелок переходят к шкале значений при температуре 20 °С. Перпендикуляр, опущенный из этой шкалы на градуированную шкалу значений электрической характеристики, даст приведенное значение измеренной величины. Затем выполняют коррекцию по времени.

Отмечают значение электрической характеристики на соответствующей временной шкале, после чего по направлению стрелок переходят к основной шкале времени отверждения (1о). Для определения прочности приведённое значение измеренной величины переносят на

сетку ДО пересечений С кривой т = /(е) ИЛИ Г = ЛРу) .

Технологии восстановления неподвижных соединений подшипников качения ПКМ на основе герметика АН-112 и адгезива АН-105, включающие операцию неразрушающего контроля качества, внедрены в ЗАО «Агрофирма имени «15 лет Октября» Лебедянского и ОАО «Большие Избищи» Данковского районов Липецкой области. С февраля 2010 г. по сентябрь 2011 г. в хозяйствах проводили эксплуатационные испытания сельскохозяйственной техники. За период испытаний отказов машин из-за недостаточной долговечности восстановленных

неподвижных соединений подшипников не наблюдалось.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МичГАУ при изучении дисциплин «Технология ремонта машин» и «Монтаж, эксплуатация и ремонт технологического оборудования» и ФГБОУ ВПО ЛГТУ при изучении дисциплины «Надежность, эксплуатация и ремонт металлургического оборудования».

Годовой экономический эффект от внедрения новых технологий составил в ЗАО «Агрофирма имени «15 лет Октября» около 270, ОАО «Большие Избищи» - 230 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработано теоретическое обоснование методов неразрушаю-щего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных полимерными композиционными материалами. В качестве оценочного параметра качества склеивания для композитов-диэлектриков рекомендуется диэлектрическая проницаемость, для то-копроводящих композитов - удельное электрическое сопротивление клеевого шва.

2 Исследованы электрические характеристики полимерных композиционных материалов на основе герметика АН-112 и адгезива АН-105 при различных условиях отверждения. Время отверждения композиции адгезива АН-105 составляет t = 3,0; 2,5 и 2,0 ч при температурах Т = 20; 30 и 40 °С соответственно, композиции анаэробного герметика АН-112 -1 = 3,0; 2,0 и 1,0 ч при температурах Т = 10; 20 и 40 °С соответственно. Установлено, что композиция герметика АН-112 имеет отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления, композиция адгезива АН-105 - положительный коэффициент диэлектрической проницаемости. Полученные зависимости позволяют значения электрических характеристик клеевого шва, измеренные при различных температуре и времени, пересчитывать в приведенные значения.

3 Экспериментальными исследованиями установлены теоретические законы распределения прочности и электрических характеристик клеевых соединений композиций на основе герметика АН-112 и адгезива АН-105. Исследовано влияние слабых пограничных слоев на прочность и электрические характеристики клеевых соединений композиций на основе АН-112 и АН-105. Получены зависимости прочности от удельного электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости клеевых соединений, имеющих слабые пограничные слои.

4 Определены минимальные уровни выбраковки клеевых соединений при неразрушающем контроле. Для соединений композиции

герметика АН-112: удельное электрическое сопротивление pv = 4,44

Ом Хм и соответственно прочность Ттт =14,59 МПа, соединений композиции адгезива АН-105: диэлектрическая проницаемость е = 3,43 и соответственно прочность rmin = 15,19 МПа. Для проведения неразрушающего контроля качества восстановления в производственных условиях разработаны номограммы в виде двух бинарных полей и сетки, которые позволяют линейную интерполяцию по любой из переменных pv , в, Т, и t.

5 Для оценки надежности восстановленных неподвижных соединений подшипников качения с февраля 2010 г. по сентябрь 2011 г. в хозяйствах проводили эксплуатационные испытания сельскохозяйственной техники. За период испытаний отказов машин по причине недостаточной долговечности восстановленных неподвижных соединений подшипников не наблюдалось.

6 По результатам исследований разработаны технологии восстановления неподвижных соединений подшипников качения композициями на основе анаэробного герметика АН-112 и акрилового адгезива АН-105, включающие операцию неразрушающего контроля качества, которые внедрены в ЗАО «Агрофирма имени «15 лет Октября» Лебедянского и ОАО «Большие Избищи» Данковского районов Липецкой области. Годовой экономический эффект от внедрения новых технологий составил около 270 и 230 тыс. руб. соответственно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Шипулин, М. А. Восстановление полимер-полимерной композицией и неразрушающий контроль неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники [Текст] / Ли Р. И., Бутан А. В., Шипулин М. А. // Вестник МичГАУ. -2010. - №1. -С. 181-185.

2 Шипулин, М. А. Перспективные полимерные и полимер-полимерные композиционные материалы для сборки подшипниковых узлов при изготовлении и ремонте техники [Текст] / Ли Р. И., Бочаров А. В., Бутин A.B., Шипулин М. А. // Клеи. Герметики. Технологии. -№5,2011 г., С. 28-33.

3 Шипулин, М. А.. Повышение эффективности акрилового адгезива АН-105 при восстановлении неподвижных соединений подшипников качения [Текст] / Ли Р. И., Щетинин М. В., Бутин А. В., Шипулин М. А. // Вестник МичГАУ. - 2011. - №1 Ч. 1 - С. 214-217.

4 Шипулин, М. А. Оценочные параметры качества при нераз-рушающем контроле клеевых металлических соединений в узлах ма-

шин [Текст] / Ли Р. И., Шипулин М. А. // Клеи. Герметики. Технологии,-№7, 2011г., С. 26-30.

В сборниках научных трудов и материалах конференции:

5 Шипулин, М. А. Теоретические вопросы неразрушающего контроля неподвижных соединений подшипников, восстановленных полимерными композитами-диэлектриками [Текст] / Ли Р. И., Шипулин М. А. // XV Международная научно-практическая конференция: Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства. ГНУ ВИИТИН. - Тамбов.: Изд-во Першина Р. В., 2009. С. 577-581.

6 Шипулин, М. А. Теоретические вопросы неразрушающего контроля неподвижных соединений подшипников, восстановленных полимерными композициями с металлическими наполнителями [Текст] / Ли Р. И., Шипулин М. А. // XV Международная научно-практическая конференция: Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства. ГНУ ВИИТИН. - Тамбов.: Изд-во Першина Р. В., 2009. С. 592-596.

7 Шипулин, М. А. Разработка метода неразрушающего контроля клеевых металлических соединений в узлах машин [Текст] / Ли Р. И., Шипулин М. А. // Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК: сб. науч. тр. Междунар. науч.практ. конф. 13-14 мая 2010 г. - Мичуринск: Изд-во Мичуринского ГАУ. - 2011. - С. 178 — 184.

8 Шипулин, М. А. Клей для соединения однородных изделий из металла, стекла, пластмасс и керамики [Текст]: Патент на изобретение № 2418025 РФ Заявл. 29.05.2009 / Ли Р. И., Кондрашин С. И., Бутан А. В., Шипулин М. А. // Опубл. 10.12.2010. - Бюл. № 34.

9 Шипулин, М. А, Перспективные полимер-полимерные и на-но-полимерные композиционные материалы для соединений деталей при изготовлении и ремонте машин [Текст] / Ли Р. И., Кондрашин С. И., Бутан А. В., Шипулин М. А. // XV международная научно-производственная конференция: Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения. - Белгород.: Изд-во Белгородской ГСХА, 2011. С. 207.

10 Шипулин, М. А. Метод неразрушающего контроля неподвижных соединений подшипников, восстановленных токопроводя-щими полимерными композиционными материалами [Текст] / Ли Р. И., Шипулин М. А. // XVI Международная научно-практическая конференция: Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства. ГНУ ВИИТИН. - Тамбов.: Изд-во Першина Р. В., 2011. С. 233 -235.

11 Шипулин, М. А. Технология восстановления неподвижных соединений подшипников сельскохозяйственной техники полимер-

полимерной композицией на основе адгезива АН-105 [Текст] / Ли Р. И., Бутин А. В., Шипулин М. А. // XVI Международная научно-практическая конференция: Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства. ГНУ ВИИТИН. - Тамбов.: Изд-во Першина Р. В., 2011. С. 230-232.

12 Шипулин, М. А. Повышение эффективности восстановления неподвижных соединений тяжело нагруженных подшипниковых узлов полимерной композицией на основе герметика АН-112 [Текст] / Ли Р. И., Бочаров А. В., Шипулин М. А. // XVI Международная научно-практическая конференция: Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства. ГНУ ВИИТИН. - Тамбов.: Изд-во Першина Р. В., 2011. С. 228-229.

13 Шипулин, М. А. Клей для для металлических изделий [Текст]: Патент на изобретение № 2424268 РФ Заявл. 29.05.2009 / Ли Р. И., Кондрашин С. И., Бочаров А. В., Шипулин М. А. // Опубл. 20.07.2011.-Еюл. №20.

Отпечатано в издательско-полиграфическом центре МичГАУ Подписано в печать 1.02.12 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная №1. Тираж 120.

Издательско-полиграфический центр Мичуринского государственного аграрного университета

393760, г. Мичуринск, ул. Интернациональная 101, Тел. +7(47545) 5-55-12

61 12-5/3804

ФГБОУ ВПО МИЧУРИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФГБОУ ВПО ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫМИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность 05.20.03 Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Ли Р. И.

На правах оукописи

ШИПУЛИН МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Мичуринск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................5

1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований...........................10

1.1 Технологии восстановления неподвижных соединений подшипников качения полимерными композиционными материалами...............................10

1.2 Методы неразрушающего контроля клеевых соединений.......................16

1.3 Применение измерений электрических характеристик

при исследовании полимерных материалов........................................22

1.3.1 Исследование процессов отверждения полимерных материалов.......22

1.3.2 Исследование температурного коэффициента электрических

и диэлектрических характеристик клеевого шва соединений..................29

1.3.3 Исследование дефектности полимерных материалов.....................31

1.4 Выводы. Цель и задачи исследований........................................................37

2 Теоретическое обоснование методов неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных полимерными композиционными материалами..............................................41

2.1 Теоретическое обоснование метода неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных полимер-полимерными композиционными материалами......................41

2.2 Теоретическое обоснование метода неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных полимерными композиционными материалами с дисперсными металлическими порошками...........................................................44

2.3 Обоснование минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных полимерными композиционными материалами..............................................................................49

3 Методика экспериментальных исследований..............................................54

3.1 Общая методика исследований...................................................................54

3.2 Методика исследования электрических характеристик полимерных композиционных материалов при различных

условиях отверждения.......................................................................................57

3.3 Методика исследования распределения прочности, электрических и диэлектрических характеристик клеевого

шва соединений как случайных величин..............................................62

3.4 Методика исследования влияния слабых пограничных слоев на прочность, электрические и диэлектрические характеристики клеевого шва соединений.................................................................................69

3.5 Методика определения минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных

полимерными композиционными материалами........................................70

4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ.......................74

4.1 Исследование электрических характеристик полимерных композиционных материалов при различных условиях отверждения.........74

4.2 Исследование распределения прочности, электрических и диэлектрических характеристик клеевого шва соединений

как случайных величин.................................................................79

4.2.1 Исследование корреляционной связи статистической прочности клеевых соединений композиции АН-112 с удельным электрическим сопротивлением клеевого шва.........................................................79

4.2.2 Исследование корреляционной связи статистической прочности клеевых соединений композиции АН-105 с диэлектрической проницаемостью клеевого шва.........................................................92

4.3 Исследование влияния слабых пограничных слоев

на прочность, электрические и диэлектрические характеристики клеевого шва соединений.................................................................................103

4.3.1 Исследование влияния слабых пограничных слоев на прочность и удельное электрическое сопротивление

клеевого шва, соединений композиции АН-112.............................................103

4.3.2 Исследование влияния слабых пограничных слоев

на прочность и диэлектрическую проницаемость клеевого шва,

соединений композиции АН-105................................................................105

4.4 Определение минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных полимерными композиционными материалами................107

4.4.1 Определение минимального уровня выбраковки клеевых соединений композиции на основе АН-112.......................................107

4.4.2 Определение минимального уровня выбраковки клеевых соединений композиции на основе АН-105.......................................110

4.4.3 Оценка точности методов неразрушающего контроля клеевых

соединений...............................................................................112

5 Реализация результатов исследований и их технико-экономическая оценка..................................................................................................................114

5.1 Реализация результатов исследований......................................................114

5.2 Расчет экономической эффективности восстановления неподвижных соединений подшипников качения композицией АН-105 в ОАО «Большие Избищи» Данковского района

Липецкой области..............................................................................................118

5.3 Расчет экономической эффективности восстановления неподвижных соединений подшипников качения композицией АН-112 в ЗАО «Агрофирма имени «15 лет Октября» Лебедянского

района Липецкой области.................................................................................123

Общие выводы...................................................................................................126

Список использованных литературных источников......................................128

Приложения........................................................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Федеральным Законом «О развитии сельского хозяйства» (№264-ФЗ от 29.12.2006 г.) и Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы (утверждена постановлением Правительства Российской Федерации 14.07.2007 г. №446) предусмотрено инновационное развитие отрасли, ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий.

Конкурентоспособность отечественной сельскохозяйственной продукции в современных условиях рыночных отношений в значительной степени определяется ее ценой. Затраты на поддержание

сельскохозяйственной техники и технологического оборудования в работоспособном состоянии существенно влияют на себестоимость с.х. продукции.

Восстановление изношенных деталей является основным резервом снижения затрат на ремонт. Стоимость восстановленных деталей значительно ниже стоимости новых, и это позволяет значительно снизить затраты на ремонт сельскохозяйственной техники. Кроме того, известны перспективные технологические процессы восстановления, обеспечивающие деталям повышенный послеремонтный технический ресурс и соответственно повышение надежности узлов, агрегатов и машины в целом [1...18]. Академик РАСХН Черноиванов В.И. отмечает - одной из приоритетных задач в развитии системы технического сервиса является развитие восстановления изношенных деталей, как альтернативы расходу новых на обслуживание стареющего парка машин, что позволит снизить затраты на поддержание техники в работоспособном состоянии [19, 20].

Подшипники качения относятся к категории многочисленных элементов конструкций машин. В течение всего срока службы трактора затраты на замену подшипников качения могут составить до 30% его

стоимости [21]. Отказы подшипниковых узлов приводят к простоям техники, потерям сельскохозяйственного сырья, увеличению себестоимости сельскохозяйственной продукции и снижению ее конкурентоспособности.

Одной из основных причин, приводящих к отказу подшипников качения, является износ посадочных мест подшипников. Основной причиной износа посадочных мест подшипников качения является фреттинг-коррозия.

При восстановлении посадочных мест подшипников качения используют различные способы: установку дополнительной детали, наплавку, нанесение электролитических покрытий, электроконтактную приварку присадочных материалов (порошок, проволока, стальная лента) и другими способами [22...41]. Вышеуказанные способы имеют общие недостатки: сложность технологического процесса и оборудования, потребность в механической обработке восстанавливаемых поверхностей, высокие трудоемкость, энергоемкость и себестоимость. Способы восстановления не исключают появление фреттинг-коррозии, которая является основной причиной изнашивания посадочных мест подшипников качения.

Способы восстановления посадочных мест подшипников качения полимерными материалами лишены вышеуказанных недостатков и полностью предотвращают появление фреттинг-коррозии, вследствие чего многократно повышается долговечность неподвижных соединений. Себестоимость восстановления посадочных мест подшипников нанесением покрытий из герметика 6Ф ниже по сравнению с наплавкой в 11,4, с железнением - 9,4 раза [8].

При восстановлении неподвижных соединений подшипников полимерными материалами снижаются напряжения в зоне контакта нагруженных тел с дорожками качения. В итоге ресурс подшипника 205 с покрытием ВК-50 в 4,1, а герметика 6Ф в 5,4 раза превышает расчетный [12].

Перспективным направлением в повышении эффективности восстановления неподвижных соединений подшипников является разработка поли-

мерных композиционных материалов (ПКМ). Введение наполнителей в полимер позволяет получить материал с заданными потребительскими свойствами и, как правило, существенно снижает его стоимость. Однако разработка высокоэффективных технологических процессов восстановления невозможна без надлежащего контроля качества. Отсутствие методов неразрушающего контроля качества не исключает появления брака и попадания в эксплуатацию не качественно восстановленных неподвижных соединений, влекущих за собой отказы и простои сельскохозяйственной техники.

Настоящая работа посвящена разработке методов неразрушающего контроля, обеспечивающих эффективную оценку качества восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники, полимерными композиционными материалами и исключающих появление брака.

В диссертации разработаны методы неразрушающего контроля качества неподвижных соединений подшипников, восстановленных ПКМ на основе анаэробного герметика АН-112 и акрилового адгезива АН-105, технологии восстановления, включающие операцию неразрушающего контроля, которые внедрены в ЗАО «Агрофирма имени «15 лет Октября» Лебедянского района и ОАО «Большие Избищи» Данковского района Липецкой области.

Работа выполнена на кафедре «Технология обслуживания и ремонта машин и оборудования» Мичуринского государственного аграрного университета в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ МичГАУ на 2006...2010 годы по теме № 14 «Разработка технологий восстановления и упрочнения деталей с.х. техники и технологического оборудования по переработке и хранению с.х. продукции» и кафедре металлургического оборудования Липецкого государственного технического университета.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены

на:

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, докторантов и аспирантов Мичуринского государственного аграрного университета в 2009...2011 гг.;

- XV международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - Новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства», ГНУ ВИИТИН (г. Тамбов), 2009 г.;

- Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», МичГАУ (г. Мичуринск), 2010 г.;

- XV Международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения», БелГСХА (г. Белгород), 2011 г.;

- XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции» - «Новые технологии и техника для растениеводства и животноводства», ГНУ ВНИИТиН (г. Тамбов), 2011 г.;

- заседании кафедры «Технология обслуживания и ремонта машин и оборудования» МичГАУ в 2011 г.

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано -13 печатных работ, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на изобретение №2418025 РФ «Клей для соединения однородных изделий из металла, стекла, пластмасс и керамики». Заявл. 29.05.2009; Опубл. 10.05.2011. - Бюл. № 13 (приложение А), патент на изобретение №2424268 РФ «Клей для металлических изделий». Заявл. 29.05.2009; Опубл. 20.07.2011. - Бюл. № 20 (приложение Б).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 141 странице машинописного

текста, содержит 38 рисунков, 20 таблиц, библиографию из 134 наименований.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование методов неразрушающего контроля качества клеевых металлических соединений, выполненных полимерными композиционными материалами;

- результаты экспериментальных исследований электрических характеристик полимерных композиционных материалов при различных условиях отверждения;

- результаты экспериментальных исследований распределения прочности, электрических и диэлектрических характеристик клеевого шва соединений как случайных величин;

- результаты экспериментальных исследований влияния слабых пограничных слоев на прочность, электрические и диэлектрические характеристики клеевого шва соединений;

- результаты экспериментальных исследований минимального уровня выбраковки клеевых соединений, выполненных полимерными композиционными материалами;

- технологии восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники композициями на основе анаэробного герметика АН-112 и адгезива АН-105, включающие операцию неразрушающего контроля качества, и технико-экономическая эффективность технологий.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Технологии восстановления неподвижных соединений

подшипников качения полимерными композиционными

материалами

Основным направлением снижения затрат и повышения эффективности восстановления является создание полимерных композиционных материалов (ПКМ). Введение различных наполнителей в полимерную матрицу позволяет получать полимерные композиционные материалы с заданными потребительскими свойствами и, как правило, меньшей ценой.

Восстановление неподвижных соединений подшипников качения полимерными композиционными материалами осуществляют тремя способами [42...59]:

1 - формованием посадочных отверстий номинального размера под подшипники;

2 - нанесением полимерного покрытия на изношенное посадочное место подшипника в детали и последующей ее запрессовкой в сопрягаемую деталь;

3 - склеиванием одного из колец подшипника с посадочной поверхностью сопрягаемой детали.

При восстановлении неподвижных соединений подшипников качения применяют ПКМ на основе эпоксидных смол и анаэробных герметиков.

Эпоксидные смолы марок ЭД-14, ЭД-15, ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 представляют собой вязкие жидкости, которые получают из дифенилолпропана и эпихлоргидрина [60]. Для отверждения смол используют отвердители, которые вводят непосредственно перед применением смол.

Различают отвердители холодного (температура отверждения 16...20°С) и горячего отверждения (температура отверждения 100...200°С). К первой группе относятся амины (полиэтиленполиамин, этилендиамин, гексаметилендиамин и др.) и низкомолекулярные полиамиды (Л-18, Л-19, Л-20 и др.). Ко второй - ангидриды дикарбоновых кислот (малеиновой, фталевой и др.), а также амиды кислот (дициандиамиды).

Эпоксидные смолы после отверждения находятся в стеклообразном состоянии, отличаются хрупкостью и низкой ударной прочностью. Для улучшения свойств смол в последние вводят пластификаторы: дибутилфталат, диоктилфталат, трикрезилфосфат и др. Наиболее широко используют дибутилфталат.

Для повышения физико-механических свойств, повышения теплостойкости, теплопроводности и снижения стоимости композиции в эпоксидные смолы вводят наполнители: железный, чугунный и алюминиевый порошки, графит, асбест, цемент и др. материалы.

В таблице 1.1 представлены составы ПКМ на основе эпоксидных смол [59]

Таблица 1.1 - Составы ПКМ на основе эпоксидных смол

Но- Количество компонентов, массовые части

мер Эпоксидная Пластификатор, Этвердител�