CC BY
12УДК 631.3.004.67+621.891
ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
А.А. Гвоздев, д.т.н. — Ивановская ГСХА имени академика Д.К. Беляева»
E-mail: resurs59@yandex.ru
Композиционным материалам принадлежит наиболее важная роль и в машиностроении и в ремонтном производстве, так как срок службы машин, их безотказное функционирование в подавляющем большинстве случаев определяется работоспособностью узлов трения, на восстановление которых расходуются огромные средства. Совершенствование технологии нанесения композиционных материалов в виде покрытий, как при ремонте, так и при изготовлении узлов трения тракторов, автомобилей, машин и оборудования АПК - одно из перспективных направлений повышения их долговечности. Обобщен теоретический и практический опыт повышения адгезионной прочности антифрикционных износостойких полимерных композиций в узлах трения сельскохозяйственной техники и автотранспорта. Нанесение тонкого полимерного покрытия на металлические поверхности влечет за собой изменение характера машиностроительного производства и технологии последующего ремонта, делая их более совершенными, эффективными, экономически выгодными.
Ключевые слова: машины, оборудование, узлы трения, дефекты, ремонт, полимеры, прочность сцепления.
Композиционным материалам принадлежит наиболее важная роль и в машиностроении и в ремонтном производстве, так как срок службы машин, их безотказное функционирование в подавляющем большинстве случаев определяется работоспособностью узлов трения, на восстановление которых расходуются огромные средства. Совершенствование технологии нанесения композиционных материалов в виде покрытий, как при ремонте, так и при изготовлении узлов трения тракторов, автомобилей, машин и оборудования АПК - одно из перспективных направлений повышения их долговечности.
Анализ условий эксплуатации подшипников скольжения (ПС) типа «втулка» говорит о многообразии нагрузочных, скоростных и температурных режимов в присутствии различных смазочных материалов.
Основные причины выхода из строя:
схватывание, заедание, образование натиров на рабочих поверхностях втулок и вкладышей, следы абразивного изнашивания (рис. 1). Около 90 % ПС, имея предельную величину износа не более 0,25-0,40 мм, могут быть восстановлены (изготовлены) с применением тонкослойных антифрикционных износостойких покрытий на основе полимерных материалов.
Использование в парах трения полимерных материалов и антифрикционных композиций на их основе позволяет получать несколько иные закономерности изнашивания, лучшие в триботехническом отношении. Нанесение тонкого полимерного покрытия на металлические поверхности влечет за собой изменение характера машиностроительного производства и технологии последующего ремонта, делая их более совершенными, эффективными, экономически выгодными.
Для ПС, эксплуатирующихся при
больших удельных нагрузках (20,030,0 МПа) и скоростях скольжения (2,5-5,0 м/с), применение полимеров ограничивается их малой теплопроводностью. Вот почему на первый план выдвигается применение тонких слоев (0,3-0,5 мм) покрытий, представляющих собой в основном комбинацию полимера и наполнителей, нанесенных на металлическую матрицу. Это хорошо согласуется с величиной износа ПС в эксплуатации, - величиной, которую необходимо компенсировать при ремонте. Кроме высокой теплопроводности тонкие слои способны выдерживать значительно большие удельные нагрузки при малом расходе композиции в расчете на изделие и низкой себестоимости.
Передовой отечественный и зарубежный опыт изготовления (восстановления) деталей узлов трения с помощью полимеров показывает, что в качестве полимерной матрицы,
а б в
Рис. 1. Характерные формы проявления износа рабочей поверхности подшипников скольжения: а - следы абразивного износа; б,в - картина абразивного износа дополнена образованием натиров, чернот, схватывания.
№ 3-4 (73-74) 2015
g/iaduMipckül ЗемдеШецТ)
Рис. 2. Примеры деталей ремонтного фонда (а), схемы их контроля и расположения плоскостей и сечений максимального износа (б).
медный электрод разряды
сварочные точки
основа детали
Рис. 3. Принципиальная схема-модель ЭИО поверхности детали медным электродом по слою сферических гранул бронзы
наряду с термопластичными материалами, эффективно использование трибореактопластов, образующих в объеме покрытия пространственно-сетчатую структуру, имеющих высокие адгезионные, физико-механические и триботехнические свойства в наполненном состоянии.
В этой связи с целью повышения ресурса, качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции (РТП, СХТ, МТС, машиностроительными заводами) разработана и предлагается к внедрению технология изготовления
ВлаЭимгрскт Земледелец*
Рис. 4. Схема строения металлополи-мерного покрытия: 1-основа (деталь);
2-напеченный слой бронзовых гранул;
3-поли мерное связующее с наполнителем ^2=0,45-0,70 мм).
(восстановления) деталей узлов трения. Она позволяет экономить цветные металлы и сплавы в виде бронзового и алюминиевого литья и проката; снизить себестоимость продукции; повысить долговечность узлов трения; расширить диапазон нагрузочно-ско-ростных и температурных условий эксплуатации. Технология ориентирована на ПС (рис. 2) типа «втулка», «вкладыш» (прямые пары трения) и «зубчатое колесо», «шестерня» с посадкой скольжения по валу или оси (обратные пары трения).
Одной из важнейших предпосылок высокого качества полимерных покрытий является достижение максимальной адгезионной прочности (АП) с основой детали. Анализ литературных источников (работы Белого, Берлина, Басина, Воюцкого, Гуля [1-5] и др. ученых, развивших адсорбционную, моле-кулярно-кинетическую, диффузионную теории адгезии полимеров к металлам, исследовавших влияние на кинетику и полноту микрореологического процесса контакта «полимер-металл» - давления, температуры, продолжительности обработки), патентная проработка данного вопроса, накопленный личный опыт в работе с полимерными композициями, позволил сделать акцент на том, что в общем виде величину адгезии характеризует совокупность следующий факторов:
а) шероховатость, структура и твердость металлической поверхности;
б) состав и структура полимера (композиции) для покрытия;
в) температура детали (подложки) и полимерного связующего;
г) величина внутренних напряжений, возникающих при нанесении покрытия;
д) вид последующей термической обработки изделия с покрытием.
Проводя ранжирование данных факторов и анализируя результаты исследований [6-9], следует сказать, что на этапе подготовки изделия АП зависит в основном от шероховатости металлической поверхности; на этапе нанесения и формования покрытия -от температуры детали (подложки) полимерного связующего, воздействия внешних полей и временных параметров процесса. В завершающей части - от вида термической обработки для снятия внутренних напряжений (своего рода релаксация), порой совмещенной с пропиткой маслом, легирующими добавками при определенном проценте пористости полимерной композиции, а также от вида и режима окончательной механической обработки. Все эти факторы довершают общую картину высокой адгезии покрытий к деталям. Так, по мере увеличения шероховатости возрастает прочность сцепления вследствие роста фактической площади контакта между металлом и покрытием, но не беспредельно. На определенном рубеже внутренние напряжения могут резко возрасти из-за возникшего разламывающего (раскалывающего) эффекта внутри покрытий от острых граней металлической поверхности. Кроме того установлено, что адгезия существенно снижается, если расплавленный недостаточно полимерный материал (в большей степени
№ 3-4 (73-74) 2015
в г
Рис. 5. Фрагменты нанесенных покрытий (а - поперечный разрез; б - вид сверху, микроскоп С-11, увеличение 56х) и конкретных деталей (в - втулки; г - шестерни).
50 40 30 20 10 0
12 3 Варианты обработки
Рис. 6. Зависимость предела прочности полимерных покрытий на сдвиг от варианта подготовки металлической поверхности: 1 - ЭИО медным электродом без гранул; 2 - ЭИО медным электродом по гранулам 40-80 мкм; 3 -ЭИО медным электродом по гранулам 100-220 мкм.
относится к термопластам) вследствие малой текучести не способен полностью заполнять углубления шероховатой поверхности.
В работе дана сравнительная оценка различным видам подготовки поверхности деталей по такому важному критерию, как предел прочности покрытий на сдвиг (осдв, МПа). Образцы в виде колец из стали 20, чугуна СЧ18 и сплава алюминия АМО7-3 с нанесенными по внутренней образующей полимерными покрытиями на основе трибореактопластов [6-8] испытывали по стандартной методике. В качестве технологических вариантов подготовки поверхности использовали: а) различные режимы токарной обработки внутренними резцами (достигнута прочность сцепления 23-28 МПа); б) эффект «пескоструйной» обработки корундовым порошком (30-35 МПа); в) электроискровая обработка (ЭИО) по
№ 3-4 (73-74) 2015
1 2 3
Варианты обработки
Рис. 7. Зависимость температуры в зоне трения «металл-полимер» в зависимости от варианта подготовки металлической поверхности (позиции - по рис.6).
слою бронзовых гранул.
Стремление к дальнейшему значительному повышению долговечности композиционных покрытий привело к попытке уравнять адгезионную и ко-гезионную составляющие наносимых полимерных покрытий. В работе испытан и показал свою работоспособность способ, заключающийся в том, что на предварительно очищенную и механически обработанную поверхность металлической подложки (сталь, чугун, цветные металлы и сплавы) электроискровой обработкой (ЭИО) на установке «ЭЛИТРОН-22БМ», с расширенным частотным диапазоном (производства ВНИИТУВИД и ГОСНИТИ г.Москва), медным (латунным) электродом при частоте 250-400 Гц, напряжении 1020 В, силе тока 3-5 А, амплитуде 50100 мкм в течение удельного времени 0,5-0,8 мин/см2 наносится пористое покрытие толщиной 250-350 мкм. Но на первом этапе, работая просто медным электродом даже на 5 и 6 энерге-
тических диапазонах, такой толщины достичь не удавалось. В среднем она составляла 60-70 мкм, в отдельных местах - 90-110 мкм. Дальше, как известно, наступала точка насыщения и процесс останавливали. Ставилась задача
- достичь при минимальном удельном времени обработки (т, мин/см2 ^ min) толщину покрытий 250-350 мкм с хорошо развитой пористой поверхностью. Воспользовавшись достоинствами ЭИО (локальность обработки, минимальная зона термического влияния, широкий выбор энергетических режимов) стало возможным вести ЭИО при вращении изделий по слою бронзовых гранул (рис. 3) дисперсностью 80-120 мкм (БрАЖНМЦ 1,5-4-2,5-1,5 производства ОАО «Тулацветмет»), ссыпаемых во внутреннюю полость втулок, шестерен из бункера-дозатора. Параметры режима ЭИО подобраны таким образом, что полученная своего рода сетка (каркас) сферических шарообразных по форме напеченных металлических частиц, прочно удерживаемых подложкой и между собой, позволяет надежно удерживать в «лабиринтах» полимерное связующее (рис. 4). Округлая форма частиц способствует минимальным внутренним напряжениям. При этом достигается предел прочности на сдвиг 47-50 МПа (отдельных образцов
- до 56-58 МПа).
Экспериментальным путем установлено (рис.5), что предлагаемый способ предварительного электроискрового напекания слоя бронзовых гранул позволяет:
- увеличить прочность полимерных покрытий на сдвиг в 2,8-3,5 раза (рис.6), а именно, с 10-15 МПа ЭИО медным электродом без слоя гранул до 35-38 МПа ЭИО медным электродом по слою бронзовых гранул размером 40-80 мкм и 48-50 МПа ЭИО медным электродом по слою бронзовых гранул размером 100-220 мкм;
- сократить удельное время ЭИО поверхности в 3-6 раз, а именно, с 3,03,5 мин/см2 медным электродом без слоя гранул до 1,0-1,2 мин/см2 медным электродом по слою гранул размером 40-80 мкм и до 0,5-0,8 мин/см2 медным электродом по слою гранул 100-220 мкм;
- улучшить теплоотвод из зоны трения подшипников скольжения в процессе эксплуатации (рис.7), а именно, антифрикционная полимерная композиция на основе термореактивной смолы с плазменнорасширенным графитом и диоксидом титана, испытанная в равных условиях нагрузки, скорости и подачи смазочного материала (машина трения 2070 СМТ-1, р=10,0 МПа, Voi(=1,5 м/с, масло М-10Г2К), по-
g/iaduMipckiü Землейлод
Литература
1. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и антифрикционных взаимодействиях. - М.,1986.
2. Вадас Э. Изготовление и ремонт деталей машин с пластмассовым покрытием: пер. с венг. - М.,1986.
3. Юдин С.Б. Центробежное литье. - М.,1972.
4. Князев В.К. Эпоксидные конструкционные материалы в машиностроении. - М.,1977.
5. Антифрикционные эпоксидные композиты в станкостроении -Минск,1990.
6. Гвоздев А.А. Обоснование применения для подшипников скольжения наполненных реактопластов / Сб.науч.тр.СПГАУ-ИГСХА. - СПб, 2001.
7. Гвоздев А.А. Ремонт и восстановление деталей типа «втулка» ме-таллополимерными композицими / Сб.науч.тр.СПГАУ-ИГСХА. - СПб.,1995.
8. Гвоздев А.А. Влияние параметров центробежного нанесения реактопластов на триботехнические характеристики покрытий /Тез.докл. науч.-практ.конф.-Иваново,1995.
9. Грунберг И.С. Обзор явлений экзоэлектронной эмиссии. - М.,1962.
зволила выявить различие в инициировании тепла при трении образцов с разной степенью предварительной подготовки металлической основы. Через 60 мин триботехнических испытаний температура в зоне трения образцов с ЭИО медным электродом без слоя гранул составила 58 0С, образцов с ЭИО медным электродом по слою гранул размером 40-80 мкм уменьшилась до 44 0С, образцов с ЭИО медным электродом по слою гранул 100-220 мкм до 42 0С.
В ходе многочисленных стендовых и эксплуатационных испытаний образцы и детали сельскохозяйственной и дорожно-строительной техники с предложенными вариантами подготовки поверхности под покрытие (втулки масляных насосов НМШ-25, втулки промежуточных шестерен ГРМ ДВС, втулки шестерен делителя мощности автомобилей КамАЗ, втулки шестерен коробки передач тракторов МТЗ-80(-82), втулки шестерен узла реверса тракторов Т-25А, Т-30А и др.) не имели отказов по причинам отслаивания, выкрашивания, снижения адгезионной прочности и рекомендуются для широкого внедрения в производство.
УДК 621.8.004.67
ДИНАМИЧЕСКАЯ СБАЛАНСИРОВАННОСТЬ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА - ЗАЛОГ ДОЛГОВЕЧНОЙ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ
А.А. Гвоздев, д.т.н. — Ивановская ГСХА имени академика Д.К. Беляева»
E-mail: resurs59@yandex.ru
Обобщен опыт организации работы НТО Центр «ДОКТОР-ДИЗЕЛЬ ПЛЮС» в вопросах диагностики, ремонта, регулировки, повышения ресурса энергонасыщенной техники путем динамической балансировки системы «коленчатый вал+маховик+сцепление» автотракторных двигателей.
Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, коленчатые валы, дисбаланс, надежность.
Неуравновешенность (дисбаланс) В зависимости от взаимного распо-вращающихся частей - один из факто- ложения геометрической оси изделия ров, лимитирующих надежность и дол- и его центральной оси инерции раз-
A.A. Gvozdev
RESEARCHES AND RECOMMENDATIONS ON INCREASE OF ADHESIVE DURABILITY OF METALPOLYMERIC COMPOSITIONS IN KNOTS OF FRICTION OF CARS AND EQUIPMENT
Composite materials play the most important role in machine manufacturing and repair production as long as machines service life and their reliable functioning in most cases depends on friction knots efficiency because the money spent of their repair is huge. One of the perspective directions to prolong friction knots efficiency is the upgrading of the technology of composite materials application as covering both during the repair and process of production of friction knots for tractors, cars, machines and APC equipment. There is summed up the theoretical and practical experience of adhesive durability increase of applied to antifrictional wearproof polymeric compositions in knots of friction of agricultural machinery and motor transport. Application of a thin polymeric covering onto the metal surface leads to changes in the character of machine manufacturing and subsequent repair technologies turning them into more modern, efficient and profitable.
Keywords: cars, equipment, friction knots, defects, repair, polymers, coupling durability.
говечность автотракторных двигателей в эксплуатации. Неуравновешенность -это негативное состояние детали, узла, соединения, характеризующееся таким распределением масс, которое вызывает переменные нагрузки на опоры, повышенный износ и вибрацию, способствует быстрой утомляемости водителя (рис. 1).
Дисбаланс изделия - величина векторная, равная произведению локальной неуравновешенной массы (т) на расстояние (радиус) ее расположения от оси этого изделия (г): D = т г.
Дисбаланс возникает в процессе изготовления (восстановления) деталей, сборки узлов и агрегатов и изменяет свое количественное значение в процессе эксплуатации и ремонта.
ВлаЭимгрскт ЗемлеШецТ)
личают три вида неуравновешенности: статическую, моментную и динамическую. Коленчатым валам автотракторных двигателей свойственны два последних вида. При моментной неуравновешенности геометрическая ось изделия (заданная при изготовлении) и его центральная ось инерции пересекаются в центре масс (центре тяжести изделия). Данная неуравновешенность не является сложной при устранении и определяется двумя равными по значению разнонаправленными векторами дисбалансов Dm1 и Dm2 в двух произвольных плоскостях, создающими момент дисбалансам М (рис.2).
Моментная неуравновешенность является частным случаем более общей и более сложной с точки зрения
устранения - динамической неуравновешенности, при которой ось изделия (ОВ) и его центральная ось инерции (ОИ) пересекаются не в центре масс. Присуща она длинномерным вращающимся деталям типа «вал», состоит из статической и моментной неуравновешенности и определяется, главным вектором дисбалансов Dcm и главным моментом дисбалансов М, или двумя приведенными векторами дисбалансов (в общем случае разных по значению и непараллельных), лежащих в двух произвольных плоскостях (динамический дисбаланс) (рис.3).
Дисбаланс изделия характеризуется числовым значением (в г'мм или г'см) и углом дисбаланса (в градусах) в системе координат, связанных с осью изделия.
При вращении неуравновешенного изделия возникает перемен-
№ 3-4 (73-74) 2015
