автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Повышение долговечности и ремонтопригодности соединений в узлах строительных машин с помощью полимерных материалов

С.1нкт-т1е1грГ1ургс(с«й Государственный Технический Университет --

На правах рукописи

^ удк 624.002.5:678.5

клис л. м. джодл

повышение долговечности и ремонтопригодности соединений в учлах строительна машин с помощью полимерных материалов

Специальность 05.05.04 - Строительные и дорожные машины

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1994

Работа выполнен» в Санкт-Петербургском государственном техническом упиверсшете

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук

Башкарев Л. Я.

Официальные оппоненты:- профессор, доктор технических наук

Болотный А. В. • кандидат технических наук, доиент ЧесноковН.М.

Ведушее предприятие: Акционерное общество "Подьемтрансмаш"

Защита состоится "_" 1 _1994 г. в 16 часов на

заседании специализированного совета Д 063. 38. 20 при Синю -Петербургском государственном техническом университете но адресу:

195251, С. • Петербург, Политехйическая ул., 29 корпус I. иуд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в специализированный совет университета.

Автореферат разослан __1994 г.

Ученый секретарь специализированного сове кандидат технических наук, доцент Смирнов В.

Обшая характеристика работы.

Актуальность темы. При решении задач, связанных с развитием экономики Ирака и наращиванием его промышленного потенциала, важное значение имеют вопросы, связанные со строительной техникой. Строительные и дорожные машины раСотают в крайне тяжелых режимах нагружения, под действием больших переменных нагрузок. Эксплуатация строительных механизмов оиычно происходит на открытом воздухе в любое время год;| Во многие узлы, несмотря на принимаемые меры, проникает большое количество влаги и абразивных частиц. Эти неблагоприятные факторы при юдят к тому, что ресурс работы узлов строительной техники зачастую ограничььается преждевременным износом или разрушением контактирующих поверхностей деталей, что существенно снижает качество машин и требует частых ремонтов, в результате которых стоимость эксплуатации механизмов может превышать стоимость их и нотовления.

Технология восстановления деталей строительной техники для Ирака стала одной из самых актуальных народнохозяйственных задач. Решение приходится искать с учетом специфики природно-климатических услопий эксплуатации техники, дефицитности используемых материалов, возможностей реализации технологических процессов с точки зрения экологии, используемого оборудования и подготовки работающих кадров.

Одним из распространенных видов износа строительной техники является фреттинг-коррозия. Она имееет место в нагруженных соединениях, где величина относительных смещений трущихся поверхностей измеряется всего лишь микрометрами.

Существуют различные методы уменьшения повреждении от фрегтинг-коррозии, однако, большинство их дорогостоящие и недостаточно эффективные для строительной техники.

Цель работы. Повышение надежности и долговечности узлов строительных машин, детали которых "повреждаются фреттинг-коррозией, путем применения полимерных материалов.

Научная новнзна.

1. Впервые в качестве способа борьбы с фреттинг-коррозией в узлах строительных и дорожных машин предложено использовать тонкослойные полиамидные покрытия.

2. Изучена зависимость параметров долговечности покрытий от их состава и технологических факторов.

Создана метоцика расчета оптимальных режимов нанесения покрытии.

лабораторные испытания адгезионной прочности полимерных покрытий. Проведены стендовые исследования и испытания фреттинг-коррозин опытных узлов.

Практическая ценность. Заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований фретгингостойкости и стабильности адгезии полиамидов делается вывод о применении полиамидных покрытий, которые позволяю! обеспечить высокую фреттингостоикость и долговечность восстановленных деталей строительных машин. Создана инженерная методика расчета на прочность.

На основе анализа условий работы узлов строительных машин установлены составы и режимы нанесения покрытий, применительно к типовым соединениям.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры "Подъемные и строительные машины" Санкт-Петербургского государственного технического университета, в научно-исследовательском центре министерства сельского хозяйства и ирригации Ирака. Была отмечена актуальность и новизна диссертационной работы и даны рекомендации о применении ее на производственных предприятиях Ирака.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы две статьи.

Объем работы. Диссертация ростоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы из III наименований. Работа содержит 108 страниц машинописного текста в том числе 26 страниц рисунков, 5 таблиц и 11 страниц библиографических данны я.

Содержанке работы

Во введении обосновывается актуальность тематики исследования, формулируется его цель и приводятся сведения о практической ценности полученных результатов.

Первая глава посвящена постановке вопроса и методике решения проблем восстановления дорожно-строительных машин и включает описания явления фреттинг-коррозип в строительной технике, а также обзор практических методов предотвращения повреждений от фреттинг-коррозии. Это явление рассматривалось в работах Голега Н.Л., Ильинского И.И., Паланда Г. И . Рябченкова A.B., Уотерхауза Р.Б. и других.

Обзор исследовании, связанных с изучением явлений фретгиш-коррозии приводит к выводу, что в настоящее время достаточно эффективных методов борьбы с фреггинг-коррозией с широким производственным использованием не, существует. Пока лишь идет их научный и практический поиск. Один из наметившихся путей ■ применение полимерных покрытий.

Обосновывается вывод, что наилучшим сочетанием технолог ических и эксплутационных свойств обладают покрытия на основе полиамидов.

Диссертация включает два этапа, один из которых предполагает исследование влияний внешних факторов на долговечность полимерных покрытии в соединениях, разрушаемых в узлах строительных н дорожных машнн в результате действия фреттинг-коррознн.

Второй этап исследований связан с изучением возможности применения металло-полнмерной конструкции в узлах строительных и дорожных машин и выработкой критерия, по которому может быть определена эффективность их использования с учетом типовых условий эксплуатации.

В основу методики расчета полимерных покрытий на долговечность положена термофлуктацнонная теория прочности.

В заключении главы обоснованы и сформулированы цели и задачи исследования. Отмечено, что, поскольку основная проблема заключается в повышении устойчивости конструкции против фреттинг-коррозии, изучение которой может проиодится лишь экспериментальным путем. Первым этапом должно быть создание соответствующей методики исследованиий и необходимого для нее стенда, позволяющего изменять условия испытания опытных образцов. Диапазон изменений режимов нагружения, включая нагрузки, амплитуду смешения и частоту колебании, устанавливается на основе анализа предшествующих исследований других авторов и по анализу режимов работы узлов строительных и дорожных машин.

После того, как будут выработаны рекомендации по составам материалов для полимерных покрытий и условия их фреттинг-коррозинной стойкости, предстоит исследовать их адгезионную прочность когда имекп место применительно к условиям работы, нагруженного высоки давления.

Вторая глава носвяшена. непосредственно, исследованию фреттинг-коррозии в металло-полимернон паре. Она включает обзор работ, посвященных исследованию фрегтинг-коррозни. На основе анализа результатов Голега Н.Л., Ильинского И.И., Паланда Г.И., Рябч'енкова A.B., Томлинсона Г.А., Хлавасека И. и других показано влияние различных факторов на фретгинг-коррозшо и определено состояние вопроса в целом. Установлено, что:

- подавляющее большинство исследований связано с изучением поведения металлов, тогда как, фреттинг-коррозня полимерных материалов практически не изучена;

j

- применительно к металлам, установлен характер влияния основных эксплутационных факторов нагрузки, частоты амплитуды и числа циклов смещения.

На предварительном этапе были установлены условия работы шарнирных, соединений строительных машин в светс возникновения и развития в них фретгинг-коррозии.

Возвратно-вращательные перемещения в шарнирных соединениях строительных машин происходят, как правило, в условиях сухого трения или при наличии пластической смазки, которая, хотя и уменьшает коэффициент трения, но не обеспечивает вывод продуктов износа. В результате процесс фрегтинг-коррозни, несмотря на наличие смазки, здесь неизбежно возникает и развивается.

Для проведения экспериментальных исследований фреттинг-коррозии были выбраны образцы и схема их нагружения, спроектирована и из1 ставлена усгановка, позволяющая варьировать величину нагрузки, частоту и амплитуду колебаний.

Для изготовления образцов в качестве исследуемого полимора использовался полиамид П-66.

При изучении влияния частоты колебаний на динамику развития фретгинг-коррозии интенсивность износа оценивалась величиной износа, отнесенной к числу колебаний. Один из графиков изменения этой величины при увеличении частоты колебаний для эталонных стальных образцов и полиамидного покрытия представлен па рис. I. Эксперимент ставился при давлении 14.7 МПа и амплитуде колебании 75 10 5 мм. Результаты исследований влияния на интенсивность фреттинг-коррозии амплитуды колебаний, давления и толщины полиамидного слоя представлены на рис.2, табл. I и 2.

В целом, по результатам исследований, были сделаны следующие выводы:

1. Для стальной и полиамидной пары фреттннг-корротня возрастает с увеличением нагрузки и амплитуды.

2. Наиболее сильное влияние имеет амплитуда, за которой следуют нагрузкн в порядке значимости.

3. Применение полиамидного покрытия является эффективным способом защиты от фреттинг-коррозии.

4. Чем меньше толщины слоя полиамидного покрытия, тем выше его стойкость к фреттинг-коррозии. Минимальная толщин» ограничивается технологическими возможностями.

Третья • глава посвящена исслечованиям адгезионно! прочности полиамидного покрытия применительно к условиям нагружения шарнира. Она содержит обзор известных метода определения адгезионной прочности метшиюнолимерньо

о________

юо 1 оо 300 лоо

Частота колемний ЦИКА./миН.

Рис. I Зависимость относительного износа от частоты колебаний при амплитуде 75 х Ю1 мм, давления 14,7 МПа после 100 часов работы:

1 - сталь-сталь

2 - смола П-66 - сталь.

ТОЛЩИНА СЛОЯ, мм

Рис.2. Зависимость износа полиамидного покрытия при амплитуде 75 х 10' мм, давления 14,7 МПа (смола П-66 по стали).

Таблица I.

Зависимость износа от величины амплитуды (Давление 14,7 МПа, частота 266,5 цикл /мин).

Амплитуда, мм х 10-' Средний износ образца, мм х Ю-3

без покрытий • с покрытием П-66

75 152±м 48

50 86±" 28

Таблица 2.

Зависимость износа от величины давления (Амплитуда 75 х МИ мм, частота 266,5 цикл./мин).

Давление, МПа Средний износ образца, мм х 10-'

без покрытий с покрытием П-66

14,7 152*» 48 ±ю

5,9 107±го 46*'

соединений по данным авторов Басина В.Е., Берлина Л.Л., Макларина А.Д., Липатова Ж.С., Петрова В.А., Яковлева А.Д. и других.

Следеут отметить, что адгезионная прочность со временем изменяется. Ее оценка с учетом длительности действия нагрузки и температуры может бьпь сделана с позиций термофлуктационной теории прочности. При этом входящие в «ее константы в данном случае отражают комплексное воздействие целого ряда факторов, поэтому единой точки зрения пока не существует.

Представлена методика исследования и экспериментальное оборудование. В ходе исследований было установлено, что с увеличением давления адгезионная прочность покрытий также возрастает. Опыты были повторены для различных составов полимерного материала.

Следующая серия испытаний адгезионной прочности была произведена с целью изучения влияния давления на стабильность адгезии, которая характеризуется известными параметрами термофлуктационной теории прочности: энергией активизации процесса разрушения и и структурно чувствительным

коэффициентом у канонической формулы

и-^о

где: т - долговечность; Т - температура; о - напряжение;

т«- предэкспотенцнальный множитель, равный 10" - 10"с.

Для определения параметров долговечности и и у в диссертации предлагаются следующие зависимости:

цч

1 г кт. .

—) ехр--<11 = -г,

то 0 | _ '

мхр^г КГ

— 1ехр--1-Ш з т.

т„ О , Ч_

и

' т'ехр М-

После подстановки результатов экспбрнментов были получены значения и и у нр.ч разных значениях давления ч (на рисунках

3 и 4). Установлено, что с увеличением давления возрастают оба параметра и и у, но энергия активации разрушения "и" возрастает в большей степени, что обозначает увеличение долговечности адгезии с повышением давления.

В конце главы были предложены практические рекомендации по улучшению адгезионной прочности полимерных покрытий.

Четвертая глава посвящена методике"расчета' соединений строительных машин с полиамидным покрытием, подвергаемых фреттинг-коррознн.

Был представлен анализ условии работы соединении в конструкциях строительных машин в свете использования в них полимерных материалов.

С позиции воздействия фреттннг-коррозни, как разрушающего фактора, соединения строительных машин по виду силового фактора можно разделить на две группы. К первой группе относятся те шарнирные соединения, которые имеют скользящую посадку, т. е. положительный монзажный зазор. Ко-второн группе относятся соединения по своему назначению абсолютно не предусмаривающие перемещение или полностью его исключающие, т. е. неподвижные посадки. Как правило, такие соединения имеют отрицательный зазор, т. е. изготавливаются с натягом.

Разрушение полимерных покрытий, как известно, начинается с утраты их адгезии к металлической подложке. Главным механическим фактором оказываются напряжения, возникающие в результате действия силы тренич со стороны контртела.

Предыдущими исследованиями было установлено, что контактные давления, а следовательно, и фрикционные силы следует рассчитывать без учета деформации тонкослойного, полиамидного покрытия. На основании этого вывода в главе предложены методика расчета напряжения для обеих групп да алей.

С точки зрения термофлуктационной теории прочности, как указываюсь выше, основным разрушающим фактором является температура.

В результате выполненных исследований адгезионной прочности установлено, что с повышением температуры ее значение снижается, а с увеличением давления возрастает.

Таким образом, значение адгезионной прочности при расчеге полимерного покрытия Кьшо представлено в виде

Рис.3. Зависимость энергии активации процесса разрушения (и) от величины давления.

Рис.4. Зависимость коэффициента чувствительности к механическим нагрузкам (у) от величины давления.

п

М=Ф",]=М„-ь(т,-т„)

Теперь условие прочности тшах<[т] записывается как:

г<{ К+(т,-т.)1> }-ч"' + к

где: [т]л- адгезионная прочность при нормальной температуре Т0; Т, - температура эксплуатации; И - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида полиамида (11=0.35 + 0.5 мн м2 град.) Ч - величина давления;

к - коэффициент, зависящий от состава полимерной композиции.

Были изучены зависимости условного ресурса адгезии Ы\ определяемого числом адгезионных связей от технологических

факторов к любому моменту времени

Ы1 =-

I.

т„ехр

и.

ят

2т0ехр

и.

ЯТ

1--

т„ехр

и.

•У.о

ИТ,

т0ехр

и.-г.о

Я'Г,

2т„ехр

и.-у.о ЯТ,

По условию N' = 0 получено выражение для определения времени начали эксплуатации покрытия (детали) I,

I, =

т„ехр-

.Ц.-г.д ят.

и. -ст х0ехр—

ЯТ

I.

I. +

+

где: - продолжительность технолигнческою процесса нанесения покрытия при температуре Т; ип I 2 • энер!ня активации процесса разрушения полимера; и» - энергия активации процесса деструкции адгешонных связей;

СТ - действующие напряжения;

у», уп • структурно-чувствительные коэффициенты а,ш сны н полимера соответственно; Тт - температура эксплуатации.

Полу генная зависимость может быть нсполыонанц и для решения обратной чадами • оптимизации технологических режимов. Для этого нужно взят» производную по (. п приравнять ее ь нулш. Тогда получится выражение дтя определения опгнм.пьной технологической выдержки при заданной температуре тшнегения.

Основные результат ы и выводы.

В целом, на основании проведенных исследований, могут быть сделаны следующие выводы и рекомендации:

1. Технолог ия восаановпения дета юн строительных и дорожных машин нанес?нием полимерных изиососостойкоетных покрытий является эффектнинмм методом их реставрации, одновременно обеспечивающим повышение надежное! и, долговечности и ремонтопригодности деталей строительной техники, повреждаемых фра гинг-коррозисп.

2. В качестве способа борьбы с фрегтинг-коррозией в узлах строительных машин впервые предложено применять полиамидные покрытия, обеспечивающие значительное уменьшение фреггинг-коррознн.

3. Установлен характер влияния на сгойкость покрытий и металлов основных эксплуатационных факторов в диапазоне нагрузок и рабочих температур строительных машин, а также частоты колебаний, амилшуаы. нагрузки и толщины покрытия, который показывает, что:

- для ст альной и полиамидной пары фрезтииг-коррозиа во (растает с увеличением нагрузки и амплитуды :

- наиболее сильное влияние имет амплитуда смешения, а затем, нагрузка;

• в исследованном диапазоне (0,1-0,5 мм), чем меньше толщины слоя полиамидного покрытия, тем выше его стойкость к фреттинг-коррозми.

4. Для нследования адгезионой прочности полимерных покрытий были предложены оригинальные экспериментальные установки п методика исследований. Установлено, что с увеличением .давления адгезионная прочность покрытий возрастает. Эго дает возможность применить полимерные материалы российского производства (1-66/6 для деталей, устанавливаемых в узлах гусеничного хода, шарнирных соединениях рабочего оборудования экскаваторов и других узлах землеройных машин с аналогичными режимами эксплуатации в климатических условиях Ирака.

5. Предложена методика расчета на прочность полимерного покрытия, работающего в условиях фретгинг-коррозии, с учегом времени и температуры эксплуатации. Установлено, что величина контактных давлений на динамику изменения прочности

адгезионного соединения пракшчсски не влияй, но создает положительную составляющую в сопротивлении мгновенному разрушению.

6. Определены ошимальные составы покрытии и технологические режимы их нанесения для детален, работающих а узлах строительных машин.

Основные положения диссертации и шожены в следующих публикациях:

1. Каис А. М. Джода, Башкарев А. Я. Снижение фрепинг-коррозни в узлах строительных машин. СПб. гос. техн. ун-т. - СПб., ¡994-10 С." Деп. в ВИНИТИ Ко1126-1394.

2. Каис Д. М. Джода, Еашкарев А. Я. Исследование применения полиамидных покрытии для снижения фрепимг-коррозии в узлах строительных машин. СПб. гос. техн. ун-т. - СПб., 1994-13 С. Деп. в ВИНИТИ №1127-1394.