автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества резьбовых соединений путём применения капсулированных полимерных материалов при сборке

«МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)»

На правах рукописи

Шакурова Алла Менсуровна

Технологическое обеспечение качества резьбовых соединений путём применения капсулированных полимерных материалов

при сборке

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2015 005570619

005570619

Работа выполнена на кафедре «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин» ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зорин Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Густов Юрий Иванович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Механизация строительства» ФГБОУ ВПО Московского государственного строительного университета (МГСУ)

Пузряков Анатолий Филиппович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология ракетно-космического машиностроения» ФГБОУ ВПО Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана»

Ведущая организация: ФГБОУ ВО «Российский государственный

аграрный университет - МСХА имени К. АТимирязева».

Защита состоится «23» июня 2015 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.03 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу 125319, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) и на сайте http://www.madi.ru.

Автореферат разослан » я^/у^еА 2015 года. Отзывы на автореферат в дбух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок 8(499)155-93-24.

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Д.С. Фатюхин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Машиностроение представляет собой одну из ведущих и крупнейших отраслей промышленности России. Наметившаяся тенденция научно-технического прогресса важную роль отводит вопросам технологического обеспечения качества выпускаемых изделий, существенный вклад в количество которых вносят транспортные и дорожно-строительные машины. Простои машин в техническом обслуживании и ремонтах являются основной проблемой для предприятий транспортно-строительного комплекса. Предприятия несут финансовые потери на демонтаж и восстановление сборочных единиц, что приводит к существенному снижению эффективности использования техники. Совершенствование существующих и создание новых технологических процессов позволяет решить задачу обеспечения качества изделий машиностроения с минимальными финансовыми и трудовыми затратами.

Эксплуатационные свойства машин во многом определяются качеством резьбовых соединений - одних из самых распространённых видов креплений. Широкое применение резьбовых соединений обусловлено их технологичностью, взаимозаменяемостью, универсальностью и т.п. Качество резьбового соединения закладывается при проектировании, однако, именно сборка во многом определяет его эксплуатационные свойства.

В целях повышения качества резьбовых соединений используются различные технологии, которые достаточно подробно освещены Биргером И.А., Иосилевичем Г.Б., Леоновым В.Н., Сумёнковым C.B., Кузьминым Ю.А., Кочетковым Д.В, Миндияровой Н.и! Петровым E.H. и др. Широкое распространение получили технологии с использованием анаэробных полимерных материалов. Вопросы, связанные с применением полимерных материалов в производстве, диагностировании и ремонте машин рассмотрены такими учеными, как: Зорин В.А., Баурова Н.И., Башкирцев В.И. и др. Обладая технико-экономической целесообразностью, полимеры теряют свои исходные физико-механические свойства под воздействием внешних факторов. С помощью капсулирования можно уменьшить отрицательное влияние внешней среды на клеевой материал, снизить токсичность, увеличить сроки хранения и т.д.

Технологическое обеспечение качества резьбовых соединений с использованием капсулированных материалов представляет собой комплексную задачу. В основе исследования лежит изучение и разработка закономерностей процессов, призванных обеспечить

з

качество сборки. Использование капсулированных материалов при производстве и ремонте машин позволит повысить долговечность деталей резьбовых соединений, снизить трудоёмкость и продолжительность сборочно-разборочных работ, а также обеспечить защиту рабочих поверхностей от коррозионного влияния окружающей среды. Однако, на сегодняшний день вопросы технологического обеспечения качества резьбовых соединений при сборке с использованием капсулированных материалов мало изучены, что и определяет актуальность и направление дальнейших исследований.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является технологическое обеспечение качества резьбовых соединений путём использования капсулированных полимерных материалов при сборке. Для достижения цели поставлены следующие задачи:

• Провести анализ условий эксплуатации резьбовых соединений и методов повышения их качества.

• Провести теоретические исследования основных эксплуатационных свойств резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированных полимерных материалов.

• Провести экспериментальные исследования стойкости резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированных полимерных материалов, к воздействию эксплуатационных факторов.

• Разработать методику оптимизации эксплуатационно-технологических свойств капсулированных полимерных материалов.

• Разработать технологию фиксации резьбового соединения при самоотвинчивании с использованием капсулированных материалов.

• Разработать технологию сборки с использованием капсулированных полимерных материалов, обеспечивающую повышение качества резьбовых соединений.

• Выполнить анализ технико-экономической эффективности применения капсулированных полимерных материалов при ремонте транспортно-технологических машин.

Научная новизна:

1. Разработаны математические модели основных эксплуатационных свойств резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированных полимерных материалов.

2. Разработана методика оптимизации эксплуатационно-технологических свойств капсулированных полимерных материалов. Проведён анализ напряженно-деформированного состояния капсулы. Разработана математическая модель высвобождения капсулированного полимерного материала в процессе сборки.

4

3. Разработан технологический процесс сборки резьбовых соединений с использованием капсулированных материалов, позволяющий повысить качество резьбовых соединений.

4. Разработана технология фиксации резьбового соединения при самоотвинчивании путём использования капсулированных материалов.

Практическую значимость диссертационной работы представляют:

1. Технология сборочного процесса на основе разработанного комплексного подхода к вопросу технологического обеспечения качества резьбовых соединений с использованием капсулированных полимерных материалов обеспечит повышение эффективности эксплуатации техники транспортно-строительного комплекса.

2. Разработанные математические модели, методики и алгоритмы найдут применение при обосновании свойств полимерных капсулированных материалов, создании технологических процессов технического обслуживания и ремонта транспортно-технологических машин.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели основных эксплуатационных свойств резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированных полимерных материалов.

2. Методика оптимизации эксплуатационно-технологических свойств капсулированных полимерных материалов.

3. Технологическое обеспечение качества резьбовых соединений с применением капсулированных полимерных материалов при сборке.

4. Технология фиксации резьбовых соединений при самоотвинчивании путём использования капсулированных материалов.

Внедрение результатов исследования. Результаты диссертационной работы внедрены: на предприятии ООО «Техкомплеет-ДТА» в виде разработанных рекомендаций и методики сборки резьбовых соединений с использованием капсулированных материалов; в учебный процесс кафедры «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин». Результаты диссертации используются при чтении дисциплин: новые технологические методы и материалы в машиностроении, теоретические основы ремонта автомобилей, основы технологии машиностроения.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены на 69-й, 70-й, 71-й, 72-й, 73-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (2011 - 2015 гг.); конференции в рамках выставки СТТ «Элементная база гидропривода, строительных, дорожных,

коммунальных и специальных машин», 2012 год; международной научно-технической конференции, 2-4 октября 2012г., Россия, Ижевск (Интерстроймех - 2012).

Диссертационная работа выполнена в рамках аналитических ведомственных целевых программ "Развитие научного потенциала высшей школы" 2010-2012 гг. (проект №1249) и в рамках исполнения государственных заданий в сфере научной деятельности 2014 г. (проект №242).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 9 статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций основных результатов диссертационных исследований (в т.ч. 5 в РИНЦ и 2 в SCOPUS).

Личное участие автора заключается в анализе состояния вопроса, формулировании цели и задач исследования, в проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке полученных результатов и разработке технологического обеспечения качества сборки резьбовых соединений.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих результатов и выводов, библиографического списка из 107 наименований литературы. Текст диссертации изложен на 192 страницах машинописного текста и включает 47 рисунков и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе проведён анализ условий эксплуатации резьбовых соединений и рассмотрены существующие методы повышения их качества. Резьбовые соединения деталей машин (шатунные болты, болты крепления агрегатов и т.д.) в процессе эксплуатации испытывают статические и вибрационные нагрузки. Основными причинами снижения качества резьбовых соединений являются факторы, связанные с механическими разрушениями (обрыв стержня болта, разрушение резьбы и т.д.), ослаблением усилия затяжки и самоотвинчиванием. Из проведённого анализа литературы следует, что существующие методы повышения качества резьбовых соединений являются трудоёмкими и имеют ограниченное применение. Одними из самых эффективных являются технологии с применением

анаэробных полимерных материалов. Использование полимерных материалов не требует применения сложного оборудования и высокой квалификации рабочих, а также позволяет обеспечить необходимый уровень прочностных свойств деталей. Данный класс полимеров представляет собой жидкие однокомпонентные клеевые составы, отверждающиеся при отсутствии доступа кислорода и наличии металлической подложки. Анаэробные полимерные материалы заполняют зазоры, фиксируют соединение и предотвращают ослабление затяжки в процессе эксплуатации. При применении данных материалов отпадает необходимость в использовании дополнительных механических деталей. Рассматриваемый класс полимерных материалов способствует: устранению напряженного состояния в резьбовых соединениях; стабилизации усилия затяжки; предотвращению заедания, причиной которого является диффузионное сваривание элементов резьбового соединения. Полимерные материалы подвержены изменению свойств под действием факторов внешней среды и эксплуатационных воздействий. Одним из эффективных способов защиты материалов от неблагоприятного влияния внешних и эксплуатационных факторов является капсулирование, которое представляет собой заключение материала в оболочку с получением капсул, обладающих заданными свойствами. Оболочка выполняет защитную функцию и позволяет обеспечить сохранность исходных свойств материала от внешних эксплуатационных воздействий. В последнее время для фиксации/стопорения/герметизации резьбовых соединений стали применять капсулированные полимерные материалы. Данный вид материалов в основном известен под наименованиями клеи/покрытия предварительного нанесения. Проведённый анализ показал, что производством капсулированных полимерных материалов занимаются: Chester Molecular (ChesterLock РЗО, ChesterLock Р80), ЗМ (Scotch-Grip™), Loctite (Dri-Loc, Dri-Loc Plastic и Dri-Seal), Nylock (Precote 30, Precote 80, Precote 85) и др. Механизм действия представленных марок материалов одинаков: разрушение капсул с последующим высвобождением клеевого материала и полимеризацией происходит в процессе сборки резьбовых соединений. Проведённый анализ литературы показал, что получение капсулированных материалов для резьбовых соединений возможно методом сложной коацервации. Данный метод является хорошо изученным и доступным, а также позволяет получить капсулы с размерами, соответствующими параметрам резьбовых соединений транспортных и дорожно-строительных машин.

Таким образом, проведённый анализ литературы показал, что использование капсулированных полимерных материалов является перспективным и развивающимся направлением. Однако, на сегодняшний день в литературе мало сведений о применении данного класса материалов в области производства и ремонта транспортных и дорожно-строительных машин.

Во второй главе проведены теоретические исследования эксплуатационных свойств резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированных полимерных материалов. Закон распределения усилий по виткам резьбового соединения во многом определяет его дальнейшую надёжность и является важной составляющей технологического обеспечения качества. Задача распределения нагрузки по виткам резьбового соединения впервые решена профессором Н.Е. Жуковским, а затем уточнена И.А. Биргером. Впоследствии в работе Д.В. Кочеткова разработана модель распределения нагрузки по виткам резьбы с учётом анаэробного полимерного материала. Применение капсулированных материалов при сборке резьбовых соединений имеет свои особенности. В отличие от анаэробного полимерного материала, капсулированная форма представляет собой композит и при расчётах необходим учёт совместного деформирования оболочки капсулы и её наполнителя. С учётом методик И.А. Биргера и Д. В. Кочеткова разработаны математические модели распределения осевого усилия между витками при наличии капсулированного полимерного материала.

Резьбовые соединения воспринимают осевые нагрузки при затяжке и эксплуатации. В случае использования капсулированного материала законы распределения усилий при затяжке и эксплуатационных нагрузках различаются, что связано с механизмом активации материала (разрушение оболочек при сборке). Учитывая сложную закономерность механики разрушения полимерных материалов, задача приобретает нелинейный характер. В качестве упрощения можно воспользоваться методом предельного равновесия, разработанного учёными под руководством профессора Н.Е. Стрелецкого. Суть данного метода состоит в том, что материал капсулы рассматривается в момент, непосредственно предшествующий её разрушению, когда ещё выполняются условия равновесия для внутренних и внешних сил, достигающих предельных значений. Если учесть, что при затяжке происходит сжатие капсулы и она приобретает эллиптическую форму, то в общем виде можно рассматривать слоистую структуру материала (оболочка - наполнитель - оболочка), модуль упругости которого описывается аддитивным

законом

Екп.,=УсбЕ,06+ЕнкУнк, (1)

где - объемная доля, приходящаяся на оболочку капсулы; к, -объемная доля наполнителя капсулы; £„. - модуль упругости наполнителя капсулы, МПа; £,„„ - переменный модуль деформирования оболочки капсулы, МПа:

(2)

ех

где а» - предел прочности материала оболочки капсулы, МПа; -относительное удлинение при разрушении.

Усилие затяжки, действующее на отдельных витках при сборке с капсулированным полимерным материалом

Рзв, = (3)

Усилие затяжки, действующее в капсулированном полимерном материале на отдельных витках

Гзкпш = Гз,—^ (4)

где 9 - соотношение для интенсивностей распределенного усилия затяжки в витках резьбы и капсулированном полимерном материале

, _ <w00 _ (KeE,cé+E^V„JPSKm f л? ^ л ГЛ

Q _ Ч КПП _ v oo~ic6 нк>' НИМ 1 ___

qB(z) S3SB(\ + ftga/2) [ Е, Е2 j

(5)

где sktim- проекция площади капсулированного материала на одном

шаге резьбы на плоскость, перпендикулярную оси z, которую можно найти по формуле: = °>65да/2/^ ммг. s„ _ ПЛОщадЬ сечения витка,

с _ „ j i j Д п И '7

8 , мм ; i - действительная рабочая высота профиля

резьбы, мм; величина зазора, мм; Р - шаг резьбы, мм; lE-i, Е2 -

модули упругости материала болта и гайки, МПа; , -безразмерные коэффициенты, зависящие от геометрических параметров болта и гайки.

Результаты проведённых исследований показали, что капсулированный полимерный материал воспринимает часть усилия затяжки (15,70-17,61%) для резьбовых соединений болт-гайка: Мб, М8, М10, М12, М16 с посадкой 6Н/6д. Распределение усилия затяжки по виткам является одним из ключевых показателей качества резьбовых соединений и определяет их эксплуатационные свойства. Снижение нагрузки на витки позволит увеличить долговечность соединений машин.

Полученные выражения используются для учёта распределения

усилия затяжки. Для определения значений внешнего осевого усилия, приходящегося на витки резьбы в процессе эксплуатации, полученные формулы необходимо уточнить. При затяжке резьбового соединения оболочка разрушается, высвобождая анаэробный полимерный материал. Следовательно, клеевой материал можно рассматривать в качестве наполненного, состоящего из матрицы (в данном случае клеевой материал) и наполнителя (частицы разрушенной оболочки).

Осевое усилие, действующее на отдельных витках

^Т^Г <6)

Осевое усилие, действующее в наполненном полимерном материале

$

^НПМ1 ~ Р* | + £ • (7)

где^ - соотношение для интенсивностей распределенного осевого усилия в витках резьбы и наполненном полимерном материале

э _ ЯипЛ') _ ЕнкБнтР{ 1 +АВ^) (Л[р | ЛТ/ <7в(') Sв(l + /tga/2)S'(l-BЧ^Veб){ Е, Ег

(8)

где

Е„„-

-1

А = КЕ -1; В = ^-; ¥=1 + —

-+а V ч>:

Е,

Еи_

где Еот.,ЕИ1с - модули упругости частиц разрушенной оболочки и наполнителя капсулы, МПа; кЕ- коэффициент Эйнштейна, который зависит от формы и ориентации частиц (для шарообразной формы кЕ = 2,5, для кубической - кЕ = 3, для чешуйчатой кЕ = 5); <з„, р„т„ -объемная и максимальная объемная доля частиц.

Результаты проведённых исследований показали, что капсулированный полимерный материал воспринимает часть внешнего осевого усилия (20,47-34,28%). Следовательно, на витки резьбового соединения приходится 65,72-79,53% нагрузки, в то время как при распределении усилия затяжки данная величина составляет 82,41 -84,30%. Как показал сравнительный анализ, при распределении внешнего осевого усилия витки воспринимают меньшее значение (в среднем на 10,73%) по сравнению с затяжкой, поскольку в первом случае клеевая композиция приобретает свойства дисперсно-упрочнённого материала. Однако, эффективность такого материала будет зависеть от размера частиц, их распределения и соотношения жёсткости полимерного материала и частиц оболочки.

Величины воспринимаемых внешних усилий резьбовыми

ю

соединениями являются одними из важных характеристик в части прогнозирования их ресурса. В работе И.А. Биргера получены соотношения, позволяющие определить долю нагрузки в соединении, приходящуюся на болт. На основе модели И.А. Биргера получены соотношения распределения нагрузки в элементах резьбовых соединений с учётом капсулированного материала. Отличие в полученных зависимостях от моделей И.А. Биргера состоит в учёте капсулированного материала в соединении.

Выражения для расчёта коэффициентов основной нагрузки на резьбовые детали и капсулированный полимерный материал будут иметь вид

у __ЛА„»_

Л ОКИ» - - л ч . , 5

ЛА„„ + АА™ + АА (9)

х - _АА.П,

АА™ + АА™, + АА (Ю)

АД,

Л™, =-

АА™ +АА™ + АА

(11)

В формулах (9), (10), (11) д., я,, - осевая податливость болта, детали и капсулированного полимерного материала, мм/Н.

Результаты расчётов показали, что использование капсулированного полимерного материала по сравнению с соединениями, собранными без применения полимеров позволяют снизить усилие в болте на 25,76-29,09%. Снижение доли нагрузки, воспринимаемой болтом, в свою очередь, позволит уменьшить накопление повреждений в материале и увеличить стойкость к разрушению и самоотвинчиванию. На рисунке 1 представлены средние значения коэффициентов нагрузки в резьбовых деталях и капсулированном полимерном материале.

Доля нагрузки согласно формуле (11) на 8 % выше значений полученных по зависимости (7). При общем расчёте доли усилия в капсулированном материале может быть использована зависимость (11). Более подробный расчёт распределения нагрузки по виткам соединения осуществляется согласно формуле (7).

и

1,20

11'00 р-

сг

сэ

0,80

х

£ 0,60

к

Я

-е- 0,40

-е-

Г)

& 0,20 0,00

0,8? Ж 0,25 0,6?. 0,27 ■ . <\ 0,60 1 / . ша

----

_1 «яа

Нагрузка в полимерном материале Ш Нагрузка в детали

в Нагрузка в болте

Без использования С использованием С использованием синтетических анаэробного капсулироеанного

матераилов материала материала

Рисунок 1 - Распределение усилий в резьбовых соединениях при различных вариантах сборки

С учётом капсулированного материала получена уточнённая зависимость для минимального усилия, с которым должен быть затянут болт

Рщ* + (12)

где -(Хе+Хт.«)) - доля нагрузки, уменьшающая начальное сжатие детали; Р- внешняя нагрузка, кН.

Результаты проведённого расчёта показали, что использование клеевых материалов позволяет прикладывать меньшее усилие для обеспечения одной и той же силы затяжки. Так, использование жидкой консистенции анаэробного материала позволяет снизить усилие до 32%, а применение капсулированной формы до 36%.

Также получена формула, позволяющая определить значение динамического усилия, воспринимаемого болтом с учётом наличия капсулированного полимерного материала

го Хб„,шг ~ у х ' ( )

Проведённые расчёты показали, что использование капсулированного материала способствует снижению динамических усилий на болт в пределах 15,91 - 25,58%. Полученные зависимости могут использоваться при прогнозировании ресурса резьбового соединения, собранного с использованием капсулированного полимерного материала и являются важной составляющей

технологического обеспечения качества.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований эксплуатационных свойств резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированных полимерных материалов.

Исследования проводились с использованием капсулированного материала Chester Lock Р80 (фирма Chester Molecular), который представляет собой двухкомпонентную композицию (полимеры проп-2-еновой и 2-метилпроп-2-еновой кислот и их производных), состоящую из вязкого связующего и герметизированных капсул. В процессе сборки происходит разрушение оболочек капсул, высвобождение акгивного компонента и фиксация соединения. В качестве сравнения в испытаниях также используется жидкий анаэробный материал Permatex 24200.

Экспериментальные исследования показали, что при эксплуатации резьбовых соединений, собранных без использования полимерных материалов, в условиях повышенных температур и влажности снижение момента отвинчивания составляет 11,30%. Использование жидкого анаэробного материала, в свою очередь, позволяет сохранить стабильность затяжки. В случае применения капсулированного материала происходит увеличение момента на 21,04%, что объясняется набором прочности материала под воздействием температуры. Температурный режим испытаний выбран исходя из условий рабочих температур резьбовых соединений транспортных и дорожно-строительных машин. В соответствии с ГОСТом 15150-69 1 час лабораторных испытаний при 120°С эквивалентен 100 часам работы при нормальных эксплуатационных условиях, а 10 циклов эксперимента соответствуют 1000 часам.

В целях исключения образования коррозии между полимерным материалом и резьбовой поверхностью проведён микроструктурный анализ на границе полимер-металл. Результаты (рисунок 2) показали, что использование капсулированного материала: исключает образование контактной коррозии; заполняет все неровности поверхности, что позволяет предотвратить микроперемещения между витками резьбы и повысить стойкость к самоотвинчиванию; исключает «сваривание» участков поверхностей витков болта и гайки вследствие воздействий повышенных температур. Таким образом, увеличение прочности соединения подтверждается набором прочности капсулированного материала.

Рисунок 2 - Фото микроструктуры образца болта М8-6gx30.88.38XA.88.09 (513)

Оболочка капсулы резьбовых капсулированных материалов должна быть устойчива к воздействию агрессивных сред и повышенных температур и разрушаться только при сборке резьбового соединения (при механических нагрузках). В целях проверки данного утверждения поведены испытания стойкости капсулированного материала к воздействиям повышенной температуры и влажности.

Результаты выполненных исследований капсулированного материала (рисунок 3) показали его способность сохранять целостность оболочки в условиях повышенных температур и влажности.

Рисунок 3 - Структура капсулированного полимерного материала после проведения термических испытаний

Таким образом, исключается возможность высвобождения капсулированного материала в процессе хранения. Однако, на поверхности капсул в процессе их хранения при повышенных температурах сорбируется влага, что вызывает образование пор и может приводить к ухудшению эксплуатационных свойств.

В процессе работы конструкционные и эксплуатационные материалы испытывают совместное влияние эксплуатационных факторов (механические, тепловые нагрузки) и окружающей среды. Важнейшими факторами окружающей среды являются суточные перепады температуры и влажности. Таким образом, представляется рациональным проведение исследований в условиях реальной эксплуатации.

Проведены исследования в условиях подконтрольной эксплуатации: городской транспортный режим в пределах московского региона с умеренно-континентальным климатом в период с ноября 2013 по март 2014 г. В качестве объектов исследования использованы колесные гайки М12х1,5 L20 (DIN 74361 А) с предварительно нанесённым капсулированным материалом.

В результате структурного анализа капсулированного материала после эксплуатации выявлено частичное разрушение капсул, что можно объяснить несоответствием их размеров параметрам зазоров гайки. Таким образом, обоснована необходимость разработки методики оптимизации эксплуатационно-технологических свойств

капсулированных полимерных материалов.

В четвертой главе разработана методика оптимизации эксплуатационно-технологических свойств капсулированных полимерных материалов, являющаяся важной составляющей технологического обеспечения качества резьбовых соединений. Результаты исследований, представленных в 3 главе диссертации, обосновали необходимость установления зависимостей характеристик капсул и резьбовых соединений.

Сформулированы основные технологические факторы для резьбовых капсулированных материалов:

1. Размер капсулы.

2. Материал и толщина оболочки капсулы.

3. Проницаемость оболочки капсулы.

4. Время высвобождения капсулированного вещества.

5. Концентрация капсулированного анаэробного материала.

6. Стойкость оболочки капсул к агрессивным средам.

7. Соотношение вязкости клеевого материала и величины уплотняемого зазора.

В данной главе проведён анализ напряжённо-деформированного состояния капсулы методом конечных элементов (рисунок 4). Полученные результаты показывают, что капсула при сжатии принимает эллиптическую форму. Следовательно, полученные результаты позволяют обосновать форму её деформации при математическом моделировании распределения усилия затяжки по виткам резьбового соединения.

Разработана закономерность высвобождения капсулированного полимерного материала в процессе сборки. Установлена зависимость высвобождения клеевого вещества от основных характеристик капсулированного материала. Полученное уравнение позволяет определить время высвобождения полимерного материала.

т 4 ttR2 ((sin2«/ 2 -1) +16R / 3) (гсд ^ (14)

где V~< - объём зазора резьбового соединения, мм3; R- радиус

капсулы, мм; г«'- напряжение сдвига, Па; ^ - динамический коэффициент вязкости, Пас; п - константа, зависящая от вида неньютоновской жидкости (для псевдопластичных п < 1, для дилатантных п > 1).

Проанализировав данное выражение, можно сделать следующие выводы:

- Уменьшение вязкости полимерного материала способствует снижению времени заполнения зазора.

-Уменьшение радиуса капсулы способствует более быстрому высвобождению клеевого материала. Однако, осуществление механизма активации капсулированного материала (разрушение

16

оболочек при сборке) возможно только при соответствии размера капсул и величины зазора. Следовательно, рассматриваем?.* характеристика не может определяться в соответствии с разработанной моделью высвобождения клеевого вещества.

- Увеличение напряжения сдвига позволяет уменьшить время истечения и распределения капсулированного вещества. Проведённые исследования показали, что в целях полного высвобождения клеевого вещества оболочки капсул должны разрушаться при значении усилий в третьем витке. Следовательно, активация капсулированного материала начнётся раньше, чем усилия затяжки достигнут своих значений на первых двух витках. Таким образом, данный механизм позволит сократить время истечения клеевого вещества за счёт создания дополнительных усилий в капсулированном материале для первого

^ ~ ~ /"'3 И ъ = ~ ^ для второго витка.

Полимерные материалы, как в жидкой, так и в капсулированной форме, используемые при сборке резьбовых соединений, воспринимают рабочие нагрузки с момента ввода машины в эксплуатацию. Известно, что воздействия эксплуатационных факторов способствуют ухудшению их физико-механических свойств. Высвобождение полимерного материала в необходимый момент времени позволит сократить время его эксплуатации. Такие материалы должны обладать эффектом самоактивации и фиксировать соединение при самоотвинчивании.

Реализация механизма самоактивации осуществляется при усилии отвинчивания в третьем витке (материал наносится на первые три витка). На рисунке 5 представлена общая схема реализации механизма фиксации с учётом напряжённо-деформированного состояния в витках резьбового соединения.

Вследствие неравномерности распределения нагрузки высвобождение капсулированного материала будет происходить постепенно, начиная с первого к последующим виткам. Расчёт параметров оболочки капсулы с контролируемым высвобождением производится по значениям поперечных нагрузок в направлении самоотвинчивания. Данный подход выбран с учетом того, что поперечные нагрузки являются самыми опасными, т.к. требуют приложения меньших усилий по сравнению с нагрузками, действующими в осевых и противоположных самоотвинчиванию направлениях Вышеописанный механизм высвобождения капсулируемого вещества позволит исключить самоотвинчивание, действующее в любых направлениях.

Распределение усилия затяжки по виткам резьбы

Область накопления напвяженнй

Распределение усилия отвинчивания

1

3

6 N1

Рисунок 5 - Схема реализации механизма фиксации с учётом

напряжённо-деформированного состояния в витках резьбового

соединения

На основании сформулированных положений разработан алгоритм обоснования свойств капсулированных полимерных материалов, активируемых при сборке и самоотвинчивании.

В пятой главе предлагается технологический процесс сборки резьбовых соединений с использованием капсулированного полимерного материала. Технологическое обеспечение сборки резьбовых соединений, способствующее улучшению их эксплуатационно-технологических свойств, основывается на результатах, полученных во второй главе данной диссертации. В результате расчётов было выявлено, что нагрузка на витки уменьшается (в среднем на 10,73%) при наличии наполненного полимера (клеевой материал и частицы разрушенной оболочки). Однако, необходимо обеспечить максимальное проявление полезных свойств полученной композиции. Физико-механические и прочностные характеристики наполненных материалов определяются тремя составляющими: свойствами компонентов матрицы и частиц оболочки, наличием прочной адгезионной связи между полимером и наполнителем, распределением частиц наполнителя в полимерной матрице.

Первые две составляющие обеспечиваются на этапе планирования и в процессе технологического получения

капсулированного материала. Распределение частиц по полимерной матрице осуществляется уже в процессе сборки после разрушения оболочки капсулы. Неравномерное распределение частиц наполнителя является причиной разброса прочности по объему композита. Менее прочные участки будут источником разрушения материала. Достигнуть более равномерного распределения частиц наполнителя по полимерному материалу можно путём перемешивания. Для этого необходимо создать напряжение сдвига, которое, в свою очередь, вызывает в полимерном материале перемещение частиц разрушенной оболочки относительно друг друга. Направление сдвиговой деформации в процессе перемешивания изменяется, в результате происходит распределение частиц наполнителя по всему объему. Также, из полученного выражения (14) следует, что приложение дополнительных сдвиговых усилий способствует более быстрому истечению капсулированного вещества, что позволит снизить время заполнения зазоров.

Создание дополнительных сдвиговых усилий можно осуществить с помощью нескольких обратно-поворотных движений гайки. Таким образом, сборочный процесс резьбового соединения можно разбить на три этапа.

Вначале производится сборка с приложением усилия, значение которого меньше силы затяжки, но достаточного для разрушения капсул. Затем производится несколько обратно-поворотных движений гайки. На последнем этапе сборки производится окончательная затяжка. Усилие распределяется мехеду витками и наполненным полимерным материалом.

Результаты проведённого эксперимента показали, что использование разработанной технологии сборки позволяет увеличить момент отзинчивания в среднем на 11,78%, что, в свою очередь, позволит повысить эффективность использования капсулированного материала. Увеличение момента отвинчивания в данном случае объясняется более равномерным распределением материала по виткам резьбы.

Проведён расчет экономической целесообразности применения капсулированных полимерных материалов. Оценка эффективности использования капсулированной формы материала проводилась при сравнении со слесарно-механическим методом восстановления резьбового соединения. Важным показателем технологического процесса сборки является его трудоёмкость, от которой напрямую будут зависеть затраты, связанные с оплатой труда рабочего персонала. Выявлено, что использование болтов с предварительно

нанесённым капсулированным материалом позволяет уменьшить трудоёмкость сборочного процесса на 22-30% по сравнению с применением анаэробных капсулированных материалов в жидкой форме (рисунок 6).

3 ----

Рисунок 6 - Трудоёмкость сборки резьбовых соединений с использованием анаэробного материала в жидкой и капсулированной

формах

Сравнительный анализ показал, что себестоимость восстановления одной детали капсулированным полимерным материалом в 3,5 раза ниже, чем при использовании слесарно-механического метода. Использование предложенного метода восстановления резьбового соединения позволяет получить годовой экономический эффект в размере 311 171 руб.

Основные результаты и выводы по работе

В рамках настоящей работы решена комплексная задача технологического обеспечения качества резьбовых соединений путём использования капсулированных полимерных материалов при сборке.

Решение поставленной задачи подтверждается следующими результатами:

1. Проведён анализ условий эксплуатации резьбовых соединений и методов повышения их качества. Обоснована актуальность разработки технологии обеспечения качества резьбовых соединений с помощью использования капсулированных полимерных материалов.

2. Проведены теоретические исследования основных эксплуатационных свойств резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированных полимерных материалов:

20

- Разработаны математические модели распределения усилия затяжки и внешнего осевого усилия по виткам резьбового соединения, собранного с применением капсулированного полимерного материала. Результаты проведённых исследований показали, что капсулированный полимерный материал воспринимает до 35 % осевых усилий. Как показал сравнительный анализ, при распределении внешнего осевого усилия витки воспринимают меньшие значения (в среднем на 10,73%) по сравнению с затяжкой, поскольку в первом случае клеевая композиция приобретает свойства дисперсно-упрочнённого материала.

- Разработаны математические зависимости распределения внешнего усилия в условиях статического и динамического нагружения. По результатам расчётов выявлено, что использование капсулированного полимерного материала позволяет снизить нагрузку до 30%.

3. Проведены экспериментальные исследования надежности резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированного полимерного материала марки СЬеэ1ег1оск Р80:

- Анализ полученных результатов показал, что эксплуатация резьбовых соединений, собранных с использованием капсулированного материала, под воздействием повышенных температур способствует увеличению момента отвинчивания на 21%, что связано с доотверждением материала и набором прочности. Структурный анализ среза болта также позволил исключить коррозию резьбовых поверхностей в условиях повышенных температур.

- Результаты проведенных экспериментальных исследований показали способность материала сохранять целостность оболочки в условиях повышенных температур и влажности. Однако, на поверхности капсул в процессе их хранения при повышенных температурах сорбируется влага, что вызывает образование пор и может приводить к ухудшению эксплуатационных свойств.

- Проведённые исследования выявили несоответствие размеров капсул материала и параметров резьбовых зазоров М12, что позволило определить направление дальнейших исследований в части разработки методики оптимизации эксплуатационно-технологических свойств капсулированных полимерных материалов

4. Разработана методика оптимизации эксплуатационно-технологических свойств капсулированных полимерных материалов:

- С помощью программы 1.5-Оупа выполнен анализ напряжённо-деформированного состояния капсулы, который подтвердил адекватность выбранной формы её деформирования при разработке

математической модели распределения усилия затяжки по виткам резьбового соединения.

Разработана математическая модель высвобождения капсулированного вещества. Полученная зависимость показала, что основными параметрами, определяющими закономерность истечения капсулированного материала являются: величина зазора, вязкость состава, диаметр капсул и напряжение сдвига. Анализ полученной модели показал, что разработанный механизм высвобождения капсулированного материала (разрушение оболочки капсулы при усилии затяжки, возникающем в третьем витке соединения) также

F ~~ F — F

позволит создать дополнительные усилия для первого 1 ~ " 13 и

F2 = Fi2'FJ} для второго витка, что обеспечит сокращение времени высвобождения клеевого вещества.

5. Разработана технология фиксации резьбового соединения при самоотвинчивании с использованием капсулированных материалов. В рамках данной технологии разработаны основные положения эффекта фиксации при самоотвинчивании и алгоритм обоснования свойств ремонтного материала.

6. С учётом проведённых исследований разработана технология сборки резьбовых соединений с применением капсулированных материалов. Разработанный метод сборки обеспечивает более равномерное распределение клеевого материала, что способствует повышению момента отвинчивания в среднем на 11,78%.

7. Проведён организационно-экономический анализ эффективности применения капсулированных материалов. Результаты показали снижение оперативной трудоёмкости сборки резьбовых соединений на 22-30%. Себестоимость восстановления одной детали с использованием капсулированного полимерного материала в 3,5 раза ниже по сравнению со слесарно-механическим методом, а годовой экономический эффект составляет 311 171 руб.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шакурова, A.M. Восстановление резьбовых соединений дорожных машин с использованием анаэробных материалов / В.А. Зорин, Н.И. Баурова, A.M. Шакурова // Международный специализированный информационно-аналитический журнал «Строительная техника и технологии». - 2011. - №9. - С. 80-81.

2. Шакурова, A.M. Применение микрокамсулированных анаэробных материалов при фиксации резьбовых соединений / В.А. Зорин, Н.И. Баурова, A.M. Шакурова // Научно-производственный журнал «Автотранспортное предприятие». - 2011. - № 10. - С. 32-33.

3. Шакурова, A.M. Управление микроструктурой и свойствами наполненных полимерных композиций. / В.А. Зорин, Н.И. Баурова, A.M. Шакурова // Научно-технический и учебно-методический журнал «Клеи. Герметики. Технологии». - 2012. - №8. - С. 30-35.

4. Шакурова, A.M. Обоснование возможности применения принципов резервирования для предотвращения самоотвинчивания резьбовых соединений / А.П. Павлов, A.M. Шакурова // Производственный, научно-технический и учебно-методический журнал «Ремонт, восстановление, модернизация». - 2013. - №1. - С 46-47.

5. Shakurova, А. М. Control of Microstructure and Properties of Filled Polymer Compositions / V. A. Zorin, N. I. Baurova, A.M. Shakurova // Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2013. V. 6. № 1. -P. 36-40.

6. Shakurova, A. M. Investigation of the Structure of an Encapsulated Anaerobic Adhesive / V. A. Zorin, N. I. Baurova, A.M. Shakurova // Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2014. V. 7. № 4. - P. 303305.

7. Шакурова, A.M. Исследование структуры капсулированного анаэробного клея. /' В.А. Зорин, Н.И. Баурова, A.M. Шакурова // Научно-технический и учебно-методический журнал «Клеи. Герметики. Технологии». - 2014. - №5. - С. 27-30.

8. Шакурова, A.M. Применение капсулированных материалов при сборке и ремонте резьбовых соединений. / В.А. Зорин, Н.И. Баурова, A.M. Шакурова // Всероссийский ежемесячный научно-технический и производственный журнал «Механизация строительства». - 2014. - №8.

- С. 38-43.

9. Шакурова, A.M. Применение капсулированных материалов для фиксации резьбовых соединений в процессе работы / В.А. Зорин, A.M. Шакурова // Всероссийский ежемесячный научно-технический и производственный журнал «Механизация строительства». - 2014. - № 10. - С. 16-20.

Ю.Шакурова, A.M. Особенности применения капсулированных полимерных материалов в резьбовых соединениях транслортно-технологических машин / В.А. Зорин, A.M. Шакурова // Технический журнал «Грузовик: транспортный комплекс, спецтехника». - 2015. - № 2.

- С. 38-43.

Подписано в печать 22.04.2015 г. Формат 60x84/16 Печать офсетная . Усл.печ.л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ 130 МАДИ. 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64.