автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления и методики проектирования деталей вращения с упругим покрытием из полиуретана

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Санкт-Петербургский институт машиностроения (ВТУЗ-ЛМЗ)

На правах рукописи УДК 620.10

ФГ.®4 ОД 2 7 ДсК-

Яковлев Станислав Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ВРАЩЕНИЯ С УПРУГИМ ПОКРЫТИЕМ ИЗ ПОЛИУРЕТАНА

Специальности: 05.03.01 -Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент 05.02.02 - Машиноведение и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре «Теория механизмов и детали машин» Санкт-Петербургского института машиностроения (ВТУЗ-ЛМЗ)

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Державец Ю.А. Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Сивчиков С.Б.

Официальные оппоненты: академик Международной, Российской и

Санкт-Петербургской Инженерных Академий, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Вейц Владимир Львович (ПИМаш)

кандидат технических наук, доцент Капцан Михаил Викторович (Балтийский Технический Университет)

Ведущая организация: Лаборатория «Диагностики и модификации напольного безрельсового транспорта» при НПК СПБГТУ

Защита состоит в З^асов на заседании диссертационного

Совета К-064.82.01 по адресу: 195197 Санкт-Петербургский институт машиностроения, Полюстровский пр., 14 главный учебный корпус, аудитория 232

С диссертацией можно ознакомиться в биодидтеке ПИМаш Автореферат разослан г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

доцент, к.т.н. йтрик В.Э.

Л=М9.36.,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

В каждой конструкции существуют критически важные детали, без которых невозможна нормальная эксплуатация конкретных машин. Ситуация обостряется, когда материалы и технологии, требующиеся для изготовления таких изделий, являются импортозависимыми, а поставка запасных частей, как правило, экономически невыгодна. К ответственным деталям такого рода относятся колеса и катки с упругим сплошным ободом для промышленного транспорта, а также валы и ролики с массивным эластомерным (резиновым, силиконовым, полиуретановым и др.) покрытием для конвейеров и технологических устройств и т.п.

В традиционные технологии переработки каучуков, насчитывающие ^ более 100 лет своего развития, сделаны колоссальные капиталовложения и они экономически выгодны. Но с конца 40-х годов в промышленно развитых странах во многих технических приложениях резины стали вытесняться полиуретанами, имеющими важные конструктивные, технологические и эксплуатационные преимущества, хотя полиуретаны в 1,5...3 раза дороже I резин. Отставание валового выпуска изделий из полиуретанов в России, объясняется не только конъюнктурными и технологическими ограничениями, но и отсутствием методик проектирования.

Актуальность диссертационного исследования для отечественной промышленности определяется необходимостью замены традиционного эластомера - резины на более совершенный современный материал -полиуретан с целью обеспечения улучшенных конструктивных,! технологических и эксплуатационных качеств деталей. Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной НИР по единому заказ-наряду ПИМаш № 1.3.96 П 1999-2000 гг «Разработка технологии применения новых марок полиуретановых эластомеров, отработка конструкций, методика испытаний и расчетов», Госрегистрация № 01.9.80000607.

Объект и предмет исследования.

В качестве объекта исследования выбраны детали вращения типа колес или катков промышленных транспортных средств, а также роликов или валов конвейеров и технологического оборудования, состоящих обычно из металлического центра или стержня, соединенных со сплошным упругим ободом или упругим покрытием из полиуретана.

Предметом исследования являются экспериментально-теоретическое обоснование рациональных технологических и конструктивных факторов, определяющих эффективность производства и несущую способность эластомерно-металлических деталей.

Научная новизна исследования.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

\. Впервые разработаны физико-технические процессы обработки современных полиуретанов «Дуотан» и «Монотан», ранее не освоенных отечественной промышленностью.

2. Экспериментально воспроизведены и теоретически описаны модели отказов деталей качения с упругим полиуретановым покрытием.

3. Дано научное обоснование конструктивных параметров отдельного класса деталей машин: эластомерно-металлических деталей вращения для транспортных средств и технологического оборудования.

Практическая ценность.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе заключается в следующем:

1. Создана технология переработки полиуретанов, которая не требует сложного оборудования, сокращает „число стадий обработки 1 продолжительность производственного цикла, снижает энергетически« затраты, обеспечивает возможность более широкой автоматизацш процесса и напрямую определяет несущую способность эластомерно металлических деталей.

2. Выявлены перспективные процессы и эффективные режимы механическо!' обработки маложестких полиуретановых покрытий.

3. Предложена методика проектирования деталей вращения, имеюши: высококачественное полиуретановое упругое покрытие, что обеспечивае эксплуатационную надежность промышленных транспортных среден безопасность персонала и сохранность перевозимых грузов.

Цели и задачи научного исследования.

Были поставлены две основные цели диссертационного исследования:

- разработка прогрессивной технологии изготовления эластомернс металлических деталей с использованием перспективных видов полиуретан; включая физические процессы переработки полиуретана и процесс механической обработки упругой поверхности;

-разработка научно-обоснованной методики проектирован V эластомерно-металлических деталей вращения, в первую очередь типа коле со сплошным упругим ободом.

Для достижения этих целей решены следующие задачи: 1. Очерчена область применения полиуретанов как перспективно! конструкционного материала для упругих и износостойких компоненте деталей машин. Выделены конструкции деталей типа колес и катков < сплошным упругим ободом, а также роликов и валов с упруги покрытием.

2. Разработана и внедрена технология литья для опытно-промышленного изготовления деталей из полиуретанов.

3. Выявлены особенности механической обработки маложестких эластомерно-металлических деталей и рекомендованы режимы обработки.

4. Исследовано напряженно-деформированное состояние упругого сплошного покрытия типовых деталей. Установлены возможные механизмы разрушения колес с упругим ободом.

5. Разработаны методики проектирования эластомерно-металлических деталей на основе технологии их изготовления и выбранных критериев несущей способности.

Методика научного исследования.

Сложность и недостаточная изученность поставленных задач обусловили приоритетное использование теоретико-экспериментальных подходов, математического и физического моделирования объектов исследования и происходящих процессов, отличающихся заведомо нелинейным характером.

Для исследования изделий из полиуретанов в диссертации были выбраны методические подходы, характерные для специальностей «Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент» и «Детали машин и машиноведение» и направленные на обеспечение необходимых технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров деталей.

На защиту выносятся вопросы:

1. Полученные результаты экспериментального исследования технологических и конструкционных свойств перспективных видов полиуретана.

2. Рекомендованные технологические процессы переработки в изделие нового вида полиуретанов, а также способы и режимы механической обработки маложестких деталей со сплошным упругим покрытием.

3. Выявленные физические модели отказов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации эластомерно-металлических деталей типа колес.

4. Разработанные методики выбора рациональных конструктивных параметров при проектировании эластомерно-металлических деталей вращения.

За рамки диссертационного исследования выведены такие детали вращения с упругим покрытием, как длинные валы печатных, бумагоделательных и др. машин, к которым предъявляются узкопрофессиональные требования (красковосприятие и краскоотдача, хим-и термостойкость и т.п.). Не рассматриваются специальные методы

технологической переработки полиуретанов: термопластичных и вспененных, сотовых и многослойных композиций и др.

Реализация результатов работы.

Диссертационное исследование выполнено на производственной базе научно-производственной фирмы ООО «С.П.Б.».

Технология переработки полиуретана и методика проектирования эластомерно-металлических деталей вращения были реализованы при изготовлении колес с упругим сплошным покрытием из полиуретана для вильчатых и балансирных погрузчиков «Raimond», электротележек «Keller» и штабеллеров «Atlet» и «Rokla» для фирмы «Максидом», рольгангов для фирмы «Интов-Эласт», штабеллеров для Выборгского и Светогорского «ЦБК», а также тележки кабель-крана для Архангельского «ЦБК» и др.

Апробация работы и публикации.

Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах ПИМаш и ООО «С.П.Б.» (1996-1999 гг). По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 108 нумерованных страницах, включая 53 рисунка, 30 таблиц. Материал изложен во введении, четырех главах, заключении и приложении. В списке литературы 49 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

В разделе обоснованы научная проблема и актуальность диссертационной темы, показана практическая значимость работы, сформулированы цели и задачи научного исследования, представлены положения, выносимые на защиту.

2. ПОЛИУРЕТАН КАК КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ВРАЩЕНИЯ С УПРУГИМ МАССИВНЫМ ПОКРЫТИЕМ ИЗ ПОЛИУРЕТАНА

Разработка методики проектирования эластомерно-металлических деталей вращения неразрывно связана с технологией переработки полиуретанов. Дана общая характеристика полиуретанов и методов переработки компонентов исходного сырья в изделие. Перспективность полиуретанов обусловлена тем, что их свойства существенно дополняют возможности использования других эластомеров - каучуков, резин и пр. В качестве перспективного выделен полиуретан марки «Дуотан», фирмы Synair

(США) и CIL (Великобритания). Твердость полиуретана марок QA 45...95 ShA, марок QE 55...95 ShA", для них характерны высокие механические свойства, высокая износостойкость, хорошая демпфирующая способность, стойкость к воздействию влаги и озона, термостабильность в диапазоне от 40 XI до +50 'С и выше. Переработка производится реакционным литьем. Близкие к «Дуотану» отечественные ПУ«СКУ-7», «СКУ -ПФЛ» и др., отличаются токсичностью, а также продолжительной до 2...4 ч и высокотемпературной до 120 °С полимеризацией ( для «Дуотана» заливка происходит при 30...60 °С, полимеризация - при 80 °С ъ течение 25...45 мин). В некоторых случаях может быть использован однокомпонентный полиуретан «Монотан» тех же фирм.

Сформулированы требования к конструктивным и эксплуатационным качествам полиуретанов для основных типов конструкций. Дана классификация изделий из полиуретанов. Рассматриваемые в диссертационой работе колеса (направляющие ролики, барабаны, бегунки, катки транспортных средств и др.) относятся к группе упругих и износостойких деталей, испытывающих длительное воздействие переменных нагрузок.

В сравнении с резинами подтверждены высокие потребительские качества полиуретанов, которые по ряду важнейших показателей можно отнести к конструкционным материалам XXI века. Существующий опыт обработки и проектирования резиновых изделий представляет большую научную и практическую ценность, но он не может быть полностью перенесен на изделия из полиуретанов в связи с различной физико-химической природой этих эластомеров.

Большой вклад в развитие теории упругости и пластичности применительно к эластомерам внесли Г.М.Бартенев, Н.И.Безухов, Ю.В.Зеленов, И.А.,Кац, Л.М.Качанов. С.С.Соколовский и др. Проблемы механики полимеров рассмотрены в работах А.А.Аскадского, Л.Б.Гуревича, З.Н.Литвиненковой, Г.Л.Слонимского, А.П.Тобольского, К.Ф.Черныха. В том числе механика контактного взаимодействия изучена А.Б Ефимовым, К.Джонсоном, С.Хантером, усталостные явления в высокополимерах освещены в работах И.Х. Диллона, А.Кобаяши. Ценные сведения получены при экспериментальных исследованиях эластомеров А.И Лукомской, М.М.Резниковским.

Опыт и перспективы применения современных технологических форм полиуретановых эластомеров в промышленности освещен в работах С.А.Любартовича, Г.В.Матвеева, Л.М.Огибалова, С.Б.Сивчикова. Для понимания динамики физико-технических процессов обработки маложестких эластомерных деталей плодотворны идеи И.А.Биргера, В.Л.Вейца, И.И.Губанова, В.А.Кудинова, Я.Г.Пановко, А.С.Проникова. В обласш изнашивания эластомеров привлечены работы В.В.Ллнсинп. И.В.Крагельского, Д.Мура, М.Хебды, А.В.Чичннадзе. Проблемам

механической обработки пластмасс посвящены немногочисленные работы Н.В.Костина, В.И.Николаева, JT.A Панькова, Д.А. Тихомирова.

Вопросы расчета на прочность резиновых деталей успешно решались B.JI. Бидерманом, Э.В.Петровым, а особенности проектирования деталей из полиуретанов представлены в работах Ш.М.Билика, Дж.Бюист, А.И.Голубева, Ю.А.Державца, Л.А.Кондакова, A. Awater, E.G.Culver, H.G. Hoppe, K.J.Kraft.

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОТЛИВКИ ЗАГОТОВОК И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛАСТОМЕРНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Конструкция эластомерно-металлических деталей жестко связана с технологией их изготовления. В диссертационной работе основное внимание уделено двум аспектам: технологии нанесения (методом литья) и закрепления (методом приклеивания) упругого слоя, а также его механической обработке (методами резания, фрезерования и шлифования).

Технология отливки заготовок из полиуретана исследовалась в ООО «С.П.Б.». Рассмотрены конструкции форм для отливки сплошного упругого обода колеса, требования к подготовке заливаемой полиуретаном поверхности металлической арматуры (стальной стержень валика, стальной бандаж сменного обода, стальной или силуминовый центр колеса). В термических процессах использованы печь для предварительного разогрева исходных компонентов и сушки адгезива, а также печь для полимеризации.

Технологический процесс включает три основные операции: подготовка арматуры и формы; ручная или машинная заливка формы; полимеризация.

Внедрены технологии черновой, чистовой и финишной механической обработки полиуретановых отливок деталей вращения, рекомендованы режимы обработки. Чистовая и финишная обработка полиуретанов для обеспечения точности формы деталей вращения типа колеса или ролика обычно производится шлифованием. Процессы шлифования эластомеров разработаны недостаточно, и в этой связи был выполнен анализ рациональных технологий и инструментов.

С помощью абразивных кругов на основе оксида алюминия или карбида кремния можно добиться сравнительно гладкой поверхности элас гомера. По для предварительной обточки заготовки подобный способ обработки пригоден лишь для шлифования твердых покрытий >90 ShA на жесткой арматуре. Значительные силы резания заставляют предъявлять к жесткости шлифовального станка повышенные требования. Использование шлифовальных головок к обычным токарным станкам обеспечивает приемлемую точность формы, но невысокие параметры шероховатости. Выявлены преимущества игольчатых фрез. При обработке с их помощью выделяется меньше тепла и требуется меньшая мощность привода, чем при

шлифовании абразивным кругом. Эти фрезы эффективны при окружных скоростях от 30 до 100 м/с соответственно для высоких и низких твердости полиуретана. Эффективны абразивные ленты при шлифовании свободной ветвью полотна. Жесткость станка практически не влияет на качество обработки, и становится возможным использование обычных токарных станков. Малые силы резания позволяют производить и полирование полиуретанового покрытия, нанесенного на маложесткую арматуру. Низкая теплонапряженность процесса обеспечивает наивысшие показатели шероховатости. Исследования диссертанта позволили сформулировать требования к проекту полировальной головки.

При визуальном контроле качества финишной обработки поверхности часто выявляется рисунок сложного вида, который снижает качество детали.

Для игольчатых фрез характерны дефекты: «царапины» - фреза не заточена или иглы слишком грубые для данной твердости материала: «апельсиновая корка» - следствие натягивания и надрыва чешуек мягкого материала; «вырывы» - чаще встречаются на твердых материалах, но они нередки и при средней твердости, вследствие затупления игл; «спирали продольной подачи» - скорость продольной подачи не соответствует частоте вращения детали; «спирали отскока фрезы» - иглы фрезы на передней кромке неравномерно изношены и вызывают колебания упругого слоя; «спирали поперечной подачи» - глубина поперечной подачи превышает режущую способность игл фрезы; «спирали вибрации упругого покрытия» - иглы фрезы недостаточно грубы для сравнительно мягкого материала или изношены и вызывают вибрации упругого покрытия. Усложненный вибрационный рисунок вызывается неточной установкой или балансировкой инструмента, шкивов ременной передачи и двигателя фрезерной бабки, нежесткой арматурой или извне приходящими вибрациями фундамента станка.

Поперечные колебания арматуры вызывают полосчатый рисунок, условия появления которого зависят от соотношения частоты вращения вала и частоты силы смещения, но они не зависят от диаметра детали.

Сложный рисунок способны породить автоколебания упругого слоя при его обработке. Причиной автоколебаний обычно является изменение силы трения Г,„ в такт движения при определенных фазовых соотношениях

между тангенциальными и радиальными смещениями, здесь Р, -тангенциальная составляющая силы резания / - коэффициент трения. В общем случае сила трения может зависеть от координаты х упругих смещений, а также от их скорости ск/Л или ускорения <3гх/с1(. При финишной обработке глубина врезания инструмента мала, поэтому отклонением линии действия силы трения можно пренебречь, и, тем самым, принять функцию Гт (х)—Ю. Инерционные связи пренебрежимо малы, тогда Гт (^х/йГ)^ 0. Напротив, зависимость силы трения от скорости Гт (¿х/Ш) у эластомеров существенна.

1(1

Тангенциальная сила трения Рт=РтЛ+ЕтП - это сила сопротивления сдвигу поверхностного участка покрытия, являющаяся суммой адгезионной (молекулярной) Рт,4 и гистерезисной (деформационной) Ртн составляющих. Соответственно коэффициент трения/=/, +/н является суммой адгезионного /а и гистерезисного/п компонентов: /а=А С(Е/а,к) = Щ (а,/Е)" 188

,где А - постоянная; Я - коэффициент, зависящий от формы неровностей; £ - функция адгезионной способности поверхности; £ - геометрический коэффициент; к <1; п —> 1 - показатели степени; tgS- тангенс угла потерь или коэффициент демпфирования вязкоупругого материала. Коэффициент прямо пропорционален отношению Е /и , к , а коэффициент /н обратно пропорционален отношению Е /а По мере увеличения скорости V ,, коэффициент растет, а коэффициент /ц падает, что обусловливает существование минимума характеристики силы трения У7,,,. На восходящем участке силы трения при Уи> V,, автоколебания затухают, а при V ,> V и -усиливаются. Коэффициентов трения /А растет с увеличением твердости эластомера, а/и растет при увеличении шероховатости поверхности.

Обрабатываемый поверхностный слой представляют в виде некоторой среды, упругие и вязкие свойства которой характеризуют коэффициентом жесткости с, при упругом тангенциальном смещении покрытия вала: с, = аТ7, /сЬс и вязкости т] при сравнительно малых деформациях: г) = о, 1/е,, где а, -нормальные напряжения при локальной деформации в тангенциальном направлении, е1 - деформация; / - время. Допустимо ограничиться простыми моделями сред: Фойхта, рис.1, для мягких покрытий и Максвелла, рис.2, для твердых покрытий.___

Г 1

/ р=т1

Рис.1 Модель Фойхта; а - местный износ поверхности ролика

Рис.2 Модель Максвелла; а - микро-разрыв поверхности ролика

Тангенциальное смещение слоя эластомера х происходит, когда сила Г, превысит некоторое предельное значение силы трения ;„„= / при относительной скорости У„ , соответствующий коэффициент трения здесь обозначен / . Если упругое сопряжение доминирует над молекулярным сцеплением (характерно для твердых покрытий), то смещение происходит после разрушения адгезионной связи, при этом сила/", резко, скачком, падае'1

до значения = Рт!). Такой срыв (релаксация) будет отмечен на поверхности детали матовым пятном местного износа. Если молекулярное сцепление превосходит упругое сопряжение (характерно для мягких покрытий), то тангенциальное смещение происходит после разрушения упругой связи, при этом сила Р, скачком падает до Р„,п. Релаксация этого типа отмечена чешуйкой материала, отстоящей над микро-надрывом.

Релаксационные автоколебания в системе инструмент-эластомерное покрытие могут возникнуть при скоростях меньших, чем критическая скорость: * я Afg/[ Л , (е29 - I)"'5], где А/ = /п - / - перепад коэффициентов трения при К,5 = 0 и при > 0 на обрабатываемой поверхности; g - ускорение свободного падения; 9 - логарифмический декремент колебаний; Я, - частота собственных колебаний, которая определяет период автоколебаний: Т~ (¡+¡2, где ~ п/Л , - длительность периода в состоянии V,, - 0; /(Л ,2 V „) - длительность перемещения

при V,, > 0.

Чем меньше скорость движения Уп, тем более резко выражен процесс автоколебаний. При увеличении скорости У,э длительность остановок в относительном движении уменьшается, в результате смещение покрытия в процессе обработки становится более равномерным. Амплитуда колебаний стремится к значению, которое возможно при У1э = 0 : А с ->Ртпт /с,.

Для предотвращения автоколебаний необходимо, чтобы скорость обработки находилась в зоне V „> V ,* Это условие может быть удовлетворено при выборе скорости V п по предварительно рассчитанной величине . Однако, если скорость V технологически предопределена, то должны быть приняты меры для снижения V,':

Уменьшение перепада коэффициентов трения А/, возможное при сближении обоих компонентов/А и/н_.

При низкой твердости покрытия вала (40 БИА и ниже) молекулярное сцепление превосходит упругое сопряжение, и для предотвращения микро разрывов необходимо снизить коэффициент /.¡: исключить рост отношения (Е/а?). Желательно использование смазывающих жидкостей, паст или твердых материалов. Возможно также охлаждение обрабатываемой поверхности сжатым воздухом.

При высокой твердости покрытия (выше 40...65 БИА) упругое сопряжение доминирует над молекулярным сцеплением, которое может быть нарушено. Для недопущения пятен износа необходимо принять меры к снижению коэффициента/н, а именно не допускать рост отношения (а,/Е)п Использование смазываюших материалов противопоказано. Необходим подбор рациональных характеристик абразивного инструмента. Увеличение логарифмического декремента колебаний 9. Логарифмический декремент у вязких материалов мало зависит от уровня максимальных деформаций, и растет при уменьшении модуля упругости. Радикально рост

& достигается заменой вида эластомерного материала (с иными физико-механическими характеристиками).

Увеличение частоты собственных колебаний системы инструмент-эластомерное покрытие Л, . Частота собственных колебаний системы Л,=(с/т)°'} возрастает с увеличением коэффициента жесткости с,, значение которого в зоне упругих деформаций эластомера коррелирует с модулем Юнга Е = с1сг, Мде„ а в зоне пластичности - с модулем пластичности Е„ <Е; ■здесь т - масса деформируемого объема покрытия, которая определяется толщиной упругого слоя к и глубиной врезания инструмента.

Для повышения класса шероховатости следует рекомендовать: уменьшение амплитуд релаксационных колебаний до А ,.; уменьшение периода релаксационных автоколебаний Г, и, соответственно, повышение частоты собственных колебаний Л,.

Для конкретных конструкций и технологических методов финишной предложен эмпирический критерий вида V „> V ,3 . В частности, при шлифовке опытного ролика диаметром 90 мм с покрытием из полиуретана «Монотан» 80 БкА, с помощью абразивного круга 25А40М2 диаметром 260 мм, при частоте вращения круга 1400 об/мин, для шероховатости обработанной поверхности Яа 1...1,2 получено значение Уи = 18 м/с.

При известной из эксперимента зависимости коэффициента трения /от скорости V , может быть использован другой вариант критерия: Л//Л,=У,; (е2$ - 1

Результаты анализа позволяют критически сравнить отобранные в исследовании технологические методы финишной обработки полиуретановых покрытий.

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИИ ОБРАЗЦОВ ПОЛИУРЕТАНА И КОЛЕС СО СПЛОШНЫМ ОБОДОМ ИЗ ПОЛИУРЕТАНА. ОТКАЗЫ КОЛЕС

Исследованы конструкционные свойства полиуретанов, характеризуемые различными параметрами: статическая и циклическая прочность, гистерезис, скорость и продолжительность нагружения, релаксация напряжений и ползучесть. «Монотан», имеющий пониженные механические характеристики по сравнению с «Дуотаном» был использован для ускоренных испытаний, позволяющих воспроизвести картину отказов. Выделены основные виды отказов, возникающих в процессе изготовления и под действием на ролик системы внешних сил, рис.3. Получены эпюры напряжений в поперечных сечениях, рис.4.

Значительные остаточные деформации резко искажают форму ролика: материал вспучен посредине обода на Ау, и выдавлен по торцам на Ах. При форсированных по нагрузке стендовых испытаниях роликов, получен отказ, связанный расслоением материала, рис.5, очаг которого возникает в

срединном слое: посредине ширины Ь ролика и посредине толщины /г обода, где развивается максимальная температура.

Рис.3 Нагрузки q и Fmp: касательные напряжения гу,. ;а - отслаивание

Рис.4 Эпюры нормальных напряжений о> и Су__

Рассмотрена расчетная схема колеса со сплошным массивным упругим ободом, закрепленным на металлическом центре посредством тонкого слоя адгезива, рис.6.

Рис.5 Остаточная деформация обода: а разрыхление; в - разрыв_

Рис.6 Расчетная схема колеса: а - упругая и ô • высокоэластическая деформация___

Основным критерием расчета колес с упругим ободом выбрана радиальная деформация s<[s], которая косвенно характеризует повышение температуры в толще обода, обусловленное высокими потерями на гистерезис. Используется экспериментальная зависимость контактной нагрузки q=F/b от осадки 5и, соответственно, максимальной деформации е -5 / h. У функции податливости q = / (s) выражены три участка упругой, высокоэластичной и деструктивной деформации.

Коэффициент Пуассона для полиуретана, являющегося практически несжимаемым материалом, близок к v= 0.5. поэтому объемная деформация G =0, но ее компоненты s, ,Sy ,s: отличны от нуля и реализуются благодаря стесненным деформациям сдвига. Материал обода, выдавливаемый из зоны

контакта в направлении оси X, образует по краям полосы контакта складки. При смещении материала по оси Y от среднего сечения обода в направлении к торцам нарастает выпучивание срединного слоя.

В процессе деформации, даже при отсутствии перекатывания колеса, на поверхности контакта возникают существенные силы трения. Поскольку тангенциальные смещения контактирующего слоя, также как и адгезированного слоя, отсутствуют, то плоские сечения при деформации в направлении оси X не остаются плоскими. Описанный контакт колеса с упругим ободом не является Герцовским, и для инженерного расчета допустимо воспользоваться приемами строительной механики - моделью упругого основания, отличного от основания Винклера.

Осадка колеса представлена как суперпозиция упругого д[, и пластичного 8Р компонентов: 8 = 8е + 8Р = 8е (1 + 8Р/ 8е). В плоской задаче упругий компонент 8е и полуширина пятна контакта aL, определяются цилиндрической формой колеса в контакте с жесткой плоскостью: 5е = ае 2/(2г). В сечении с координатой х = г sing) вертикальное перемещение: 8- 8- Л(х) = [ae2/(2r)][l - х2 /(.2г)]; где Лы = х2 /(2г) - зазор между ободом колеса и плоскостью. В том же сечении вертикальная деформация при напряжении о(х) = 0 , по закону Гука: е: = [(1- V)a(zl -(1+ v)a(v]/E= -(1-/Е , где £-модуль Юнга при сжатии; а(х) = - р(х) - напряжения сжатия и соответствующее ему давление. При деформации е. = -81х) /h давление равно: [l~(x/aJ2J/(2r).

Из условия равновесия определяют линейную нагрузку с/ = Екис 3/(l,5rh). Максимальная ордината давления pmjx, распределенного при упругой деформации по параболе, при х = 0 превышает среднее значение р„, = q/(2a)\

Рпт -Зрт/2 , или иначе: ртса~керш при значении коэффициента неравномерности ке=1,5.

В итоге осадка и полудлина пятна контакта: 6e={qH/[Ek(8r)1/2]}2/3; ае =(l,5qrh/Ek)"3.

Переход к объемной деформации требует учета степени ее свободы в направлении оси Y. По мере увеличения относительной ширины обода падает влияние стесненной деформации еу на осадку. Этим объясняется

парадоксальный рост осадки колес с широким ободом по сравнению с колесом при той же контактной нагрузке, но с узким ободом. Для расчета деталей из высокоэластичных материалов можно использовать формулы теории упругости при условии замены упругих констант переменными. При таком подходе полная осадка колеса, деформация и контактная нагрузка могут быть записаны в форме: 8p={qh/[Ep(8r/'2]}2/3; sP={q/[EP(8rh)''2]}2e;

др=2Ер й {(И/с1)12[е]} "'".где Ер = Е к/ [(]- \?)/кр] - переменный модуль деформации; кр = (I + бр/8е)3 ' - эмпирический коэффициент, который обобщает влияние не только переменной эпюры давления рм, но и смены рода деформации на различных участках: 1,5 < к., <2,4 и модифицирует модуль плоской деформации Еь к„ - эмпирический коэффициент формы, учитывающий влияние относительной ширины обода ЫЬ-

В случае контакта колеса с жестким роликом, в расчетные формулы следует подставить приведенное значение радиуса кривизны. Получены также зависимости для случаев деформация при начальном точечном контакте.

При высокоэластичной деформации обода, сопровождающей свободное качение колеса, энергия деформации рассеивается внутри эластомерного слоя. В связи с низкой теплопроводностью и большим внутренним (гистерезисным) трением для эластомеров возможен значительный разогрев в процессе деформации. Проведены ускоренные испытания роликовой модели для оценки гистерезисной составляющей нагрева, являющейся причиной тсрмодеструкционного отказа колеса. Адгезионная составляющая нагрева рассматривается при исследовании изнашиванием обода.

Величина интегральной температуры <9/,т ,„„„ обусловлена числом силовых взаимодействий - числом циклов N=60^ и деформацией е обода, здесь п - частота вращения колеса об/мин, г - время работы колеса ч, 5 е - упругая осадка колеса, мм, к - толщина обода, мм. Изменяющиеся во времени высокоэластичные деформации обода приводят к перегруппировке молекулярных цепей. Консолидированное воздействие деформации, частоты и температуры определяет долговечность материала, рис.7._

Рис. 7 Номограмма амплитудно-частотной характеристики £-/ для полиуретана «Монотан» твердостью 80 ЯкА в зависимости от интегральной температуры 5/„„ ™,„

гистерезисного нагрева______

С учетом методики выполненного эксперимента можно принять, что весь генерируемый тепловой поток воспринимается окружающей средой -

водяной ванной. Температура 91т инт , при которой было зафиксировано начало деструкции материала, является предельной интегральной и ей может быть сопоставлена внутренняя пиковая температура - «температурная вспышка» &1ш пик.. В связи с низкой теплопроводностью полиуретанов разность температур (&Пт пик -&/,„, „„„^ существенна и возрастает с ростом деформации обода е и частоты/ тем самым сокращается область возможного существования колеса.

Был использован принцип температурно-временной суперпозиции: изменение температуры при постоянной частоте силового взаимодействия создает такое же изменение вязкоупругих параметров, как и изменение частоты при постоянной температуре. Изменение температуры Л9-9\-9г приводит к смещению кривых модуля деформации Е по оси абсцисс логарифма частоты на величину а=/2//1 , т.е модуль упругости при изменении температуры от 9\ до х% остается постоянным при условии: £/ )~Е2 (а/,). При изменении температуры от 9) до 92 остается постоянной при условии: С\ (/¡)= £г (а//). Для полиуретана «Монотан» при 80.4!ь4 экспериментально определен фактор приведения: а=1,92. Для практических оценок работоспособности колеса выделена область допустимого существования колес с упругим ободом. В качестве кратковременно допустимой температуры фирмы-производители полиуретанов рекомендуют [$пи«]- 1 Ю...120°С. Допустимой рабочей температурой при длительном режиме эксплуатации указывают [9]=80°С~[9Ш1Щ}.

Выделяют три вида изнашивания при скольжении эластомера по твердому основанию. При абразивном изнашивании силы адгезии и механического сцепления растягивают поверхность эластомера в направлении движения до тех пор, пока упругая восстанавливающая сила не превысит предельной силы трения, после чего смещенный слой материала отделяется от массива и процесс повторяется. Даже при равномерной скорости скольжения Кс и постоянной внешней нагрузке поверхность эластомера испытывает прерывистое нагружение и вовлекается е скачкообразное микроперемещение. На поверхности эластомера остаются гребешки, расположенные поперечно к направлению перемещения. Кроме того, на поверхности контакта видны канавки, процарапанные абразивными частицами по ходу движения. Абразивное изнашивание протекает интенсивно. В частности, оно характерно для высоконагруженных колес контактирующих с шероховатым основанием - бетоном, асфальтом ши открытым грунтом. При усталостном изнашивании в условия) недостаточной адгезии поверхностные повреждения эластомера развиваюто медленно. Этому виду изнашивания способствует замасливание шп увлажнение поверхности трения. Скатывание и отрыв «роликов» I поверхности эластомера наблюдается в основном при изнашивании мягки; полиуретанов: твердостью менее 40...65 БМ. Но по той же схеме могу

изнашиваться и более твердые полиуретаны, если в результате трения скольжения в поверхностном слое развивается высокая температура, при которой резко снижается твердость эластомера.

Для оценки изнашивания обода при движении колеса «юзом» удобно использовать понятие интенсивности линейного изнашивания. Аналогичный подход может быть использован при оценке изнашивания, происходящего вследствие деформирования обода при качении колеса. Экспериментально исследовалось трение скольжения и трение качения. Выявлены физические эффекты, характерные для полиуретанов. Выбранная методика эксперимента позволила произвести поиск модификатора, способного повысить износостойкость полиуретана. 5. ИНЖЕНЕРНАЯ И УТОЧНЕННАЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КОЛЕС СО СПЛОШНЫМ УПРУГИМ ОБОДОМ

Расчет колес со сплошным упругим ободом, сложного объекта, требующего учета большого комплекса теоретических, экспериментальных и эмпирических параметров, может выполняться путем нескольких итераций, последовательно усложняющихся и использующих предыдущее решение как первое приближение. Учтено, что в контакте полиуретанового обода с жестким плоским основанием возникают существенные силы трения, препятствующие смещениям в направлении осей Y, Z. Аналогичные смещения отсутствуют также в адгезированном слое, прилегающем к центру колеса. Вдоль оси X под нагрузкой происходит осадка колеса, мм: <У ={Fh/[Epb(4d)' 2]}23, где F- нагрузка на ось, //; d - наружный диаметр обода, дш; h - толщина обода, мм. Ширина пятна контакта, соответствующая упругом}' компоненту осадки колеса, равна: 2а,. =(5е d)1'. В

проектировочном расчете принимают допускаемые значения деформации [е] и линейной нагрузки [q], чтобы определить неизвестные размеры: относительную ширину b/d и толщину h/d обода при известной нагрузке на ось F. В проверочном расчете определяют запасы по деформации [SJ и линейной нагрузке [SJ при существующих размерах обода колеса d, b, h и известной нагрузке на ось F.

Выбор е, д в качестве основных критериев расчета обусловлен двумя основными факторами. Выполнение условия е < [с] предотвращает деструкцию полиуретана, которая может начаться в среднем слое обода. Соблюдение условие q< [q] определяет прочность поверхности упругого обода, одновременно это ограничение повышает его износостойкость. В совокупности условия £ < [s] и q< [q] косвенно определяют объемную и поверхностную прочность упругого обода.

Допускаемая деформация, которой соответствует область обратимых высокоэластических деформаций: [е] = ецт Кс/[SJ, где г, и„, - предельная деформация при сжатии; КЕ - коэффициент, учитывающий вид напряженно-

деформированного состояния обода; /¿У - запас по деформации, рекомендуется [SJ> 1,5...2. Допускаемая нагрузка: [д]= цПт К,/Д,7, где д ¡,т - 0,073 (БкИ) Шс1 - предельная линейная нагрузка, Н/млг, (БкЭ) -твердость по Шору, шкала £); й - диаметр колеса , лш; К, - коэффициент эксплуатации; [Бд] - допускаемый запас по нагрузке; рекомендуется при легком режиме работы[Бд] > 1,3...2, при тяжелом режиме/5,,/ > 1,6...2,5; здесь более высокие значения могут быть выбраны для пассажирских транспортных средств (эскалаторов, горизонтальных лифтов и др.)

Уточненный расчет напряженно-деформированного состояния деталей со сплошным ободом из эластомеров, обладающих нелинейно-упругими свойствами, требует использования численных методов теории упругости. Наиболее эффективным оказался метод конечных элементов (МКЭ) в пространственной постановке, разработанный под руководством к.т.п. Г.В.Аношина. Дополнительным достоинством этого метода является возможность визуализации результатов расчета напряженно-деформированного состояния детали, рис.8, 9, и, тем самым, постановки математического эксперимента с целью поиска рациональных конструктивных параметров.___

Рис.6 Интенсивность эквивалентных напряжений (а/ - аз) в ободе опорного колеса без относительного проскальзывания в контакте

Рис.7 Интенсивность эквивалентных напряжений (а/ - аз) в ободе опорного колеса при возможности относительного проскальзывания в контакте

Расчет в условиях квазистатики без учета релаксации и текучести, а также влияния внешней температуры выполнен для опорного колеса двумя приближениями. В качестве первого приближения используются результаты экспериментально-теоретического исследования моделей колес. При работе колесо нагружено радиальной силой Гг. При поступательном движении с перекосом колесо может дополнительно воспринимать осевую силу /г„. На поверхности контакта при деформации обода, а также при качении колеса по жесткому основанию развиваются силы трения.

[

Во втором приближении внешняя нагрузка задана в виде распределенной нагрузки с интенсивностью д = Гг / I, приложенной к образующей внутренней цилиндрической поверхности ступицы, здесь / -ширина ступицы, ¥г - внешняя радиальная сила, приложенная к оси колеса. В качестве исходного расчетного случая принят контакт без проскальзывания обода относительно опорной плоскости. Для сравнительной оценки влияния трения в контакте был произведен также и расчет модели колеса с условиями, описывающими контакт с проскальзыванием.

Напряженно-деформированное состояние опорного колеса усложняется в движении, когда колесо является ведущим или рулевым, а также при воздействии продольных или поперечных сил, возникающих при торможении и при движении юзом. Статическое трение неподвижного колеса связано с различием упругих деформаций колеса и опорной

«ЛППЯ...1ЛЯЧ-Т1 т» т,птттлт.П1 ГЛП. ПЧОТПОТПИЛ 1 /^ТТЛП п 1//МТТПТ'ТО П

случаях вращательного и поступательного движений колеса трение переходит в динамическую фазу и изменяет размеры полосы контакта. Далее рассмотрены варианты дополнительного нагружения для ведущего, рулевого опорного и тормозного колес и колеса, скользящего «юзом»

При необходимости производится третье приближении для учета вида рабочей поверхности обода (коническая, цилиндрическая), формы поперечного сечения обода (прямоугольное, трапециевидное), а также наличия радиусов закругления и рисунка протектора.

6. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ физико-механических свойств новых для отечественной промышленности типов полиуретанов подтвердил их высокие технологические и потребительские качества и перспективность для разработки типовых эластомерно-металлических деталей вращения.

2. Экспериментально подтверждено, что отработанная технология свободного литья одно- и двухкомпонентных полиуретанов горячей полимеризации, гарантирует достижение высоких и стабильных механических характеристик упругого покрытия ободьев колес, роликов или валов.

3. Выбраны и внедрены в производство рациональные методы и режимы черновой и чистовой механической обработки эластомерно-металлических деталей: точение специальными резцами, игольчатое фрезерование и шлифование абразивными кругами, шлифование и полирование абразивными лентами.

4. Показана необходимость использования различных технологических приемов обработки эластомерно-металлических деталей при различной твердости двух групп полиуретанов: сравнительно мягких (<40...65 БИЛ) или твердых (>90 БИЛ).

?и

5. В результате анализа механизма возникновения упругих и релаксационных колебаний в процессе финишной обработки выработаны конструктивные и технологические рекомендации, обеспечивающие повышение качества рабочей поверхности полиуретана, касающиеся жесткости арматуры, толщины упругого слоя, а также окружной скорости, осевой и радиальной подачи инструмента.

6. Экспериментально воспроизведены и пояснены наиболее опасные виды отказов колеса: внутреннее расслоение упругого обода в результате гистерезисного разогрева и термической деструкции, а также изнашивание рабочей поверхности обода.

7. Предложена методика ускоренных испытаний модели колеса со сплошным упругим ободом, основанная на закономерностях связи деформации, частоты нагружения и температуры нагрева обода.

8. Определена интенсивность изнашивания упругого обода в зависимости от параметров нагружения, характеристик дорожного покрытия и свойств эластомера.

9. Разработан расчет высокоэластичной контактной деформации колеса со сплошным упругим ободом с использованием экспериментальных данных, полученных непосредственно на моделях колес. Выделен комплекс критериев расчета упругого обода колеса: линейная нагрузка, деформация и износ, кореллирующие с температурой нагрева обода.

Ю.Предлагаемая инженерная методика расчета позволяет подготовить исходные данные для постановки уточненного расчета конкретной конструкции ведущего, рулевого или опорного колеса численными методами теории упругости, а именно МКЭ в пространственной постановке.

П.Показано, что по сравнению с опорным колесом напряженно-деформированное состояние ведущего и тормозного колес отличается большей неравномерностью распределения нормальных и касательных напряжений, а также меньшей протяженностью полосы контакта.

12.В совокупности наиболее неблагоприятные условия нагружения в контакте характерны для рулевого колеса из-за дополнительного макропроскальзвания при повороте, затем для ведущего и тормозного колес, где происходит лишь микропроскальзывание при деформации.

Основное содержание диссертации опубликованы в работах:

1. Аношин Г.В., Ю.А.Державец, Сивчиков С.Б., С.Н.Яковлев. Уточненный расчет напряженно-деформированного состояния колес с массивным упругим ободом методом конечного элемента // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып. 15. СПб.: С31Ш, 1999, с.35-40.

2. Аношин Г.В., Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Расчет ведущих и.рулевых колес со сплошным упругим ободом // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып. 19. СПб.: СЗПИ, 2000. с.38-41.

3. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Экспериментальное исследование колес с массивным упругим ободом из полиуретана // Машиностроение и автоматизация производства, межвузовский сб. вып. 15. СПб: СЗПИ, 1999, с. 158-163.

4. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Инженерный расчет колес с массивным ободом из полиуретана // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып. 18. СПб: СЗПИ. 1999, с.13-20.

5. Державец Ю.А., Никитин В.А., Петров В.М., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Изнашивание полиуретанов при трении скольжения // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып.21. СПб.: СЗПИ, 2000.

6. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Гистерезисный нагрев колес со сплошным упругим ободом // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

7. Державец Ю.А., Яковлев С.Н. Предотвращение автоколебаний при финишной обработке металло-эластомерных деталей // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

Î. Державец Ю.А., Яковлев С.Н. Критериальный подход к выбору режимов финишной обработки металло-эластомерных деталей // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

Яковлев С.Н. Исследование механических характеристик полиуретанов - перспективных конструкционных материалов // Сб. тр. ПИМаш, -СПб: ПИМаш, 1999, с. 230-233.

0. Яковлев С.Н. Отказы колес с упругим ободом// Сб. тр. ПИМаш, - СПб: ПИМаш, 1999, с. 234-237.

1. Введение.

2. Полиуретан как конструкционный материал и технология его переработки. Промышленное применение деталей вращения с упругим массивным покрытием из полиуретана

2.1. Общая характеристика полиуретанов.

2.2. Основные физико-механические свойства полиуретанов.

2.3. Требования к конструктивным и эксплуатационным качествам полиуретанов.

2.4. Промышленное применение колес с массивным упругим ободом.

Актуальность темы диссертации:

В каждой отрасли машиностроения существуют критически важные детали, без которых невозможна нормальная эксплуатация конкретных машин. Ситуация обостряется, когда материалы и технологии, требующиеся для изготовления таких изделий, являются импортозависимыми, а поставка запасных частей, как правило, - экономически невыгодной. К ответственным деталям такого рода относятся колеса и катки с упругим сплошным ободом для промышленного транспорта, валы и ролики с массивным эластомерным покрытием (резиновым, силиконовым, полиуретановым и др.) для конвейеров и технологических устройств и т.п.

В мире производится более 15 млн. т каучуков и на их основе - до 30 млн. т резиновых изделий. В традиционные технологии переработки каучуков, насчитывающие более 100 лет своего развития, сделаны колоссальные капиталовложения и они экономически выгодны. Но начиная с 40-50х годов в передовых промышленно развитых странах резины во многих технических приложениях стали вытесняться полиуретанами, имеющими важные конструктивные, технологические и эксплуатационные преимущества, хотя полиуретаны в 1,5.3 раза дороже резин. Отставание валового выпуска полиуретанов, объясняется не только конъюнктурными и технологическими ограничениями, но и отсутствием методик проектирования, и в перспективе оно будет неуклонно преодолеваться.

Актуальность диссертационного исследования для отечественной промышленности определяется необходимостью замены традиционного эластомера - резины на более совершенный современный материал. -полиуретан с целью улучшения конструктивных, технологических и эксплуатационных качеств деталей. Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной НИР по единому заказ-наряду ПИМаш № 1.3.96 П 1999-2000 гг «Разработка технологии применения новых марок полиуретановых эластомеров, отработка конструкций, методика испытаний и расчетов», Госрегистрация № 01.9.80000607.

Объект исследования:

В качестве объекта исследования выбраны детали вращения типа колес или катков промышленных транспортных средств, а также роликов или валов конвейеров и технологического оборудования, состоящие обьгчно из металлического центра или стержня, соединенных со сплошным упругим ободом или массивным покрытием из полиуретана.

Предмет исследования:

Предметом исследования является экспериментально-теоретическое обоснование рациональных конструктивных и технологических факторов, определяющих несущую способность эластомерно-металлических деталей -колес и катков, роликов и валов и т.п.

Научная новизна исследования:

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Впервые разработаны физико-технические процессы обработки современных полиуретанов «Дуотан» и «Монотан», ранее не освоенных отечественной промышленностью.

2. Теоретически описаны и экспериментально воспроизведены модели отказов деталей качения с упругим полиуретановым покрытием.

3. Дано научное обоснование конструктивных параметров отдельного класса деталей машин: эластомерно-металлических деталей вращения для транспортных средств и технологического оборудования.

Цели и задачи научного исследования:

Определены две основные цели диссертационного исследования:

- разработка прогрессивной технологии изготовления эластомерно-металлических деталей с использованием перспективных видов полиуретана, включая физико-технические процессы переработки полиуретана и процессы механической обработки упругой поверхности;

-разработка научно-обоснованных методик проектирования эластомерно-металлических деталей вращения, в первую очередь типа колес со сплошным упругим ободом.

Для достижения указанных целей поставлены следующие задачи:

1. Очертить область применения полиуретанов как перспективного конструкционного материала для упругих и износостойких компонентов деталей машин. Выделить конструкции деталей типа колес и катков со сплошным упругим ободом, а также роликов и валов с упругим покрытием.

2. Разработать и внедрить технологию литья для опытно-промышленного изготовления деталей из полиуретанов.

3. Выявить особенности механической обработки маложестких эластомерно-металлических деталей и рекомендовать режимы обработки.

4. Исследовать напряженно-деформированное состояние упругого сплошного упругого покрытия типовых деталей. Установить возможные механизмы разрушения колес с упругим ободом.

5. Разработать методики проектирования эластомерно-металлических деталей на основе технологии их изготовления и выбранных критериев несущей способности.

Методика научного исследования:

Сложность и недостаточная изученность поставленных задач обусловливают приоритетное использование теоретико-экспериментальных подходов, математическое и физическое моделирование объектов исследования и происходящих процессов, отличающихся заведомо нелинейным характером.

Для исследования изделий из полиуретанов в диссертации были выбраны методические подходы, характерные для специальностей «Процессы механической и физико-технической обработки, станки? и инструмент» и «Детали машин и машиноведение» и направленные на обеспечение необходимых технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров деталей.

На защиту выносятся вопросы:

1. Полученные результаты экспериментального исследования технологических и конструкционных свойств перспективных видов полиуретана.

2. Рекомендованные технологические процессы переработки в изделие нового вида полиуретанов, а также способы и режимы механической обработки маложестких деталей со сплошным упругим покрытием.

3. Выявленные физические модели отказов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации эластомерно-металлических деталей типа колес.

4. Разработанные методики выбора рациональных конструктивных параметров при проектировании эластомерно-металлических деталей вращения.

За рамки диссертационного исследования выведены такие детали вращения с упругим покрытием, как длинные валы печатных, бумагоделательных и др. машин, к которым предъявляются узкопрофессиональные требования (красковосприятие и краскоотдача, хим-и термостойкость и т.п.). Не рассматриваются специальные методы технологической переработки полиуретанов: термопластичных и вспененных, интегральных, сотовых и многослойных композиций и др.

Материал диссертации изложен в шести разделах:

1. Введение. Постановка задачи исследования.

6.1 Основные выводы

1. Анализ физико-механических свойств новых для отечественной промышленности типов полиуретанов подтвердил их высокие технологические и потребительские качества и перспективность для разработки типовых эластомерно-металлических деталей вращения.

2. Экспериментально подтверждено, что отработанная технология свободного литья одно- и двухкомпонентных полиуретанов горячей полимеризации, гарантирует достижение высоких и стабильных механических характеристик упругого покрытия ободьев колес, роликов или валов.

3. Выбраны и внедрены в производство рациональные методы и режимы черновой и чистовой механической обработки эластомерно-металлических деталей: точение специальными резцами, игольчатое фрезерование и шлифование абразивными кругами, шлифование и полирование абразивными лентами.

4. Показана необходимость использования различных технологических приемов обработки эластомерно-металлических деталей при различной твердости двух групп полиуретанов: сравнительно мягких (<40. 65 БНА) или твердых (>90 БЬА).

5. В результате анализа механизма возникновения упругих и релаксационных колебаний в процессе финишной обработки выработаны конструктивные и технологические рекомендации, обеспечивающие повышение качества рабочей поверхности полиуретана: жесткость арматуры, толщину упругого слоя, а также окружную скорость, осевую и радиальную подачу инструмента.

6. Экспериментально воспроизведены и пояснены наиболее опасные виды отказов колеса: внутреннее расслоение упругого обода в результате гистерезисного разогрева и термической деструкции, а также изнашивание рабочей поверхности обода.

7. Предложена методика ускоренных испытаний модели колеса со сплошным упругим ободом, основанная на закономерностях связи деформации, частоты нагружения и температуры нагрева эластомеров.

8. Определена интенсивность изнашивания упругого обода в зависимости от параметров нагружения, характеристик дорожного покрытия и свойств эластомера.

9. Впервые в отечественной проектной практике разработан расчет высокоэластичной контактной деформации колеса со сплошным упругим ободом с использованием экспериментальных данных, полученных непосредственно на моделях колес. Выделен комплекс критериев расчета упругого обода колеса: линейная нагрузка, деформация и износ, кореллирующие с температурой нагрева.

10.Предлагаемая инженерная методика расчета позволяет подготовить исходные данные для постановки уточненного расчета конкретной конструкции ведущего, рулевого или опорного колеса численными методами теории упругости, а именно МКЭ в пространственной постановке.

11. Показано, что по сравнению с опорным колесом напряженно-деформированное состояние ведущего и тормозного колес отличается большей неравномерностью распределения нормальных и касательных напряжений, а также меньшей протяженностью полосы контакта.

12.В совокупности наиболее неблагоприятны условия нагружения в контакте (из-за дополнительного макропроскальзвания при повороте) у рулевого, затем у ведущего и тормозного колес (где происходит лишь микропроскальзывание при деформации).

6.2 Практические рекомендации

1. Основные операции технологического процесса переработки двухкомпонентного полиуретана горячей полимеризации «Дуотан»:

Подготовка металлической арматуры: очистка от грязи; обезжиривание; дробеструйная обработка чугунной (для нержавеющей стали алюминиевой) острой дробью размером 200-400 мкм; повторное обезжиривание; покрытие слоем до 20. 50 мкм адгезивом «СилБонд 49СФ»; сушка при 20X1 в течение 60 мин; консервация. ,

Подготовка металлической формы: очистка, обезжиривание и покрытие внутренних поверхностей слоем антиадгезива «СилРелиз»; сушка при 20X1 в течение 10. 15 мин; сборка с арматурой; уплотненеие стыков лентой «ФУМ».

Заливка формы: разогрев компонентов материала - преполимера и отвердителя до 50. 55 еX; заполнение емкостей заливочной машины при 50.55Х; (при необходимости вакуумирование); подогрев формы до 50.55X; предварительная полимеризация в печи при 90. 11 ОХ в течение 45 мин; извлечения отливки из формы; постполимеризация при 90. 110Х в течение 8. 16 ч; охлаждение отливки.

Разработаны также варианты ручного замеса, а также процесс отливки из однокомпонентного полиуретана горячей полимеризации «Монотан».

2. Режимы обработки резцами отливок деталей вращения указаны в табл. 3.1 3.2.

3. Полиуретаны эффективны в качестве упругого покрытия опорных колес и роликов при работе на участке высокоэластичной деформации диаграммы нагружения F-s.

4. Полиуретаны типа «Дуотан», имеющие более высокую прочность, упругость и износостойкость чем резины, целесообразны* -для широкого использования в промышленности и на транспорте, в менее нагруженных конструкциях может найти применение «Монотан».

5. По сравнению с колесом с резиновым ободом колесо с полиуретановым ободом выдерживает в 2,5-3 раза большую нагрузку, при качении по жесткому покрытию генерирует шум не выше 85 дБ, характеризуется сниженными потерями на трение качения, увеличенной грузоподъемностью и соответственно меньшими размерами, а также более длительным сроком службы.

6. Колеса транспортных средств, эксплуатирующиеся при сравнительно низких частотах нагружения /<100 Гц,, могут устойчиво работать в области длительных температур $<80°С и деформациях s<5. 10 для полиуретана «Монотан»90 SAh или £<10. 15 полиуретан «Дуотан» 90 ShA.

1. Аношин Г.В., Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Расчет ведущих и рулевых колес со сплошным упругим ободом // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып.19. СПб.: СЗПИ, 2000, с.38-41.

2. Аскадский A.A. Деформация полимеров. М.: Химия, 1973, 448 с.

3. Безухов Н.И. Теория упругости и пластичности. М.: Гостехиздат, 1953, 420 с.

4. Бидерман B.JI. Вопросы расчета резиновых деталей // Сб. Расчеты на прочность, №3, 1958, с. 25-41.

5. Билик Ш.М. Пары трения металл-пластмасса в машинах и механизмах. М.: Машиностроение, 1965, 312 с.

6. Вейц B.JL, Васильков Д.В., Максаров В.В. Управление параметрами зоны и траектории локальной метастабильности в обрабатываемом материале// Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып. 15. СПб: СЗПИ, 1999, с. 16-20.

7. Гуревич Л.Б. Механика полимеров. М.: Химия, 1974, 283 с.

8. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Экспериментальное исследование колес с массивным упругим ободом из полиуретана // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып.15. СПб: СЗПИ, 1999, с.158-163.

9. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Инженерный расчет колес с массивным ободом из полиуретана // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып. 18. СПб: СЗПИ, 1999, с. 13-20.

10. Державец Ю.А., Никитин В.А., Петров В.М., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Изнашивание полиуретанов при трении скольжения // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып.21. СПб.: СЗПИ, 2000.

11. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Гистерезисный нагрев колес со сплошным упругим ободом // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

12. Державец Ю.А., Яковлев С.Н. Предотвращение автоколебаний при финишной обработке металло-эластомерных деталей // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

13. Державец Ю.А., Яковлев С.Н. Критериальный подход к выбору режимов финишной обработки -эластомерно-металлических деталей // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

14. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989, 510 с.

15. Диллон И.Х. Усталостные явления в высокополимерах // Сб. Усталость высокополимеров. М.: Госхимиздат, 1957, 124 с.

16. Ефимов А.Б. Осесимметрическая контактная задача для линейно-вязко-упругих тел //Вестник Моск. Ун-та. Сер. Мат.-мех., 1966, №2.

17. Кац И.А. Теория упругости. М., Машиностроение, 1956, 207 с.

18. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М., Наука, 1969, 420 с.

19. Кобаяши А. Обработка пластмасс резанием. М.: Машиностроение, 1974, 00 с.

20. Композиционные материалы на основе полиуретанов // Под ред. Дж.Бюиста. М.: Химия, 1982, 238 с.

21. Конструирование машин.//Под ред. К.В.Фролова. М.: Машиностроение, Том 2, 1994, 624 с.

22. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967, 359 с.

23. Любартович С.А., Морозов Ю.Л., Третьяков О.Б. Реакционное формование полиуретанов. М.: Химия, 1990, 288 с.

24. Механка машин // Под ред. Г.А.Смирнова. М.: Высшая школа, 1996, 512 с.

25. Мур Д. Основы и применения трибоники. М.: Мир, 1978, 488 с.

26. Огибалов JIM. Конструкционные полимеры. М.: Изд-во МГУ, 1072, 322 с.

27. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. М.: Наука, 1967', 420 с.

28. Паньков J1.A., Костин Н.В. Обработка инструментами из шлифовальной шкурки. JL: Машиностроение, 1988, 236 с.

29. Петров Э.В. Радиальная жесткость массивных резиновых шин // Известия вузов. Машиностроение, №9, 1964, с. 79-90.

30. Петров Э.В. Метод определения уточненных значений коэффициента внутренних потерь массивных резиновых шин // Автомобильная промышленность, №10, 1966, с. 17-10.

31. Проников A.C. Надежность машин.М.: Машиностроение, 1978, 592 с.

32. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник // Под . ред. И.А.Биргера и Я.Г.Пановко. М.: Машиностроение, Том 1, 1968, 832 с.

33. Резниковский М.М., Лукомская А.И. Механические испытания каучука и резины. М.: Химия, 1968, 500 с.

34. Релаксационные явления в полимерах // Под ред. Г.М.Бартенева и Ю.В.Зеленова. Л.: Химия, 1972, 374 с.

35. Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М.: Химия, 1967, 231 с.

36. Соколовский С.С. Теория пластичности. М., Высшая школа, 1969/ 608 с.

37. Справочник по триботехнике // Под ред. М. Хебды и А.В.Чичинадзе. М.: Машиностроение, Том 1, 1989, 398 е.,Том 2, 1990, 412 с.

38. Тихомиров Д.А., Николаев В.И. Механическая обработка пластмасс. Л.: Машиностроение, 1974. 00 с.

39. Тобольский А.П. Свойства и структура полимеров. М.: Химия, 1964, 247 с.

40. Трение, изнашивание и смазка. Справочник // Под ред. И.В.Крагельского и В.В.Алисина. М.: Машиностроение. Том 1, 1978, 400 е., Том 2, 1979.360 с.

41. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник // Под ред. А.И.Голубева и Л.А.Кондакова. М.: Машиностроение. 1994. 446 с.

42. Хантер С. Контактная задача качения жесткого цилиндра по вязко-упругому полупространству // Прикладная механика. Тр. Американского общества инженеров-механиков. -М. Мир. Том 28, №4, 1961, с.146-153.

43. Яковлев С.Н. Исследование механических характеристик полиуретанов перспективных конструкционных материалов // Сб. тр. ПИМаш, - СПб: ПИМаш, 1999, с. 230-233.

44. Яковлев С.Н. Отказы колес с упругим ободом// Сб. тр. ПИМаш, СПб: ПИМаш, 1999, с. 234-237.

45. Awater А., Kraft K.J. and others. Solid polyurethane materials. London. 1990. 371-405, P. 424-445.

46. Culver E.G. Polyurethane elastomers durable and versatile polymers // Materials World. April 1993, P. 225-228 .

47. Hoppe H.G. Application for polyurethane elastomers // Solid polyurethane materials. London, P 15-18.