ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ НАНЕСЕНИЯ РЕМОНТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ

УДК 621.763

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ НАНЕСЕНИЯ РЕМОНТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Е.Ю. Ляхов1, В.А. Зорин2, Ю.В. Штефан3,

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет

(МАДИ), 125319 Москва, Ленинградский проспект 64.

Проведен анализ оптимальных технологических режимов нанесения ремонтных полимерных материалов на изношенные посадочные места подшипников качения электростатическим камерным способом. Проведено экспериментальное и математическое обоснование технологии нанесения и формирования покрытий для получения максимальной адгезионной прочности нанесенного покрытия.

Ключевые слова: адгезионная прочность, полимерный композиционный материал, ультразвуковые колебания.

DETERMINATION OF OPTIMAL TECHNOLOGICAL MODES FOR APPLICATION OF

REPAIR POLYMER MATERIALS

E.Yu. Lyakhov, V. A. Zorin, Yu.V. Stefan

Moscow automobile and road construction state technical university (MADI),

125319, Moscow, Leningradskiyprospect, 64 There is carried out the analysis of the optimal technological modes for application of repair polymer materials to worn-out rolling bearing seats by an electrostatic chamber method. There is carried out experimental and mathematical substantiation of the technology of application and formation of coatings in order to obtain the maximum adhesive strength of the applied coating.

Keywords: adhesive strength, polymer composite material, ultrasonic vibrations.

Введение

Значительное влияние на долговечность и работоспособность автомобильной и дорожно-строительной техники оказывает состояние подшипниковых узлов опор качения, режимы работы которых характеризуются специфическими условиями машиностроительного производства [1].

Опыт использования автомобильной и дорожно-строительной техники, многочисленные исследования, проведенные в области изучения долговечности и различных эксплуатационных свойств подшипниковых узлов показывают, что износ или несоответствие линейных размеров и геометрической формы посадочных

мест нормативным требованиям приводят к нарушению скоординированного расположения всех деталей механизмов.

Целью данного исследования является определение оптимальных технологических режимов нанесения ремонтных полимерных материалов. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать способ нанесения полимерного покрытия и оптимальный состав композиции

2. Определить зависимость адгезионной прочности покрытий от схемы подачи ультразвуковых колебаний (УЗК)

1Ляхов Евгений Юрьевич - аспирант кафедры Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин, МАДИ, тел.:+79683795964, e-mail: sami77752@gmail.com;

2Зорин Владимир Александрович -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин, МАДИ, тел.:+ 8-499-155-01-55, e-mail: madi-dm@list.ru;

3Штефан Юрий Витальевич - кандидат технических наук, доцент кафедры Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин, МАДИ, тел.: +7-903-123-13-27, e-mail: shtephan@madi. ru.

3. Определить оптимальную схему озвучивания для лучшего условия формирования адгезионного контакта

4. Определить оптимальный технологический режим нанесения покрытий на основе анализа полученных статистических данных.

Анализ данных литературы показывает, что для восстановления посадочных мест под подшипники наиболее приемлемыми являются порошкообразные термопластичные полимеры и композиции на их основе, а направленное изменение свойств полимеров во время их переработки путем оптимизации состава композиции, интенсификации процесса формирования адгезионных соединений является одним из наиболее целесообразных путей создания покрытий с высокими и стабильными физико-механическими свойствами.

1. Постановка задачи исследования

Одним из перспективных способов нанесения порошков на восстанавливаемые поверхности посадочных мест под подшипники является электростатический. Он основан на способности полимерных порошков приобретать электрический заряд при помещении их в электростатическое поле высокого напряжения с последующим их переносом на покрываемую деталь. Способ отличается высокой производительностью, возможностью комплексной механизации и автоматизации процесса, легкостью регулирования толщины покрытия, позволяет покрывать изделия, изготовленные из неоднородных материалов. При сочетании электростатического и вибровихревого (камерного) способов можно получить покрытия толщиной 1...2 мм [2].

Проведенные ранее нами исследования согласно методике, приведенной в [3] показали, что оптимальным составом композиции является: эпоксидный олигомер - 32...40%, порошкообразное стекловолокно - 9,8.11,6%, полиамид 12 - остальное. Однако качество адгезионных металлополимерных систем определяется, наряду с природой и составом адгезива и субстрата, равномерностью распределения компонентов в объеме покрытия, условиями термоокисления и релаксации, характером распределения сил взаимодействия и, в конечном итоге, фактической площадью контакта полимера с подложкой [4]. В основу этих условий положен процесс массообмена между субстратом и адге-зивом. Управлять этими условиями можно путем усовершенствования технологии нанесения и формирования покрытий, в чем и помогают обычно математические модели.

Теоретические предпосылки, приведенные в [5] показали, что перспективным направлением совершенствования технологии получения полимерных покрытий является воздействие на процесс формирования адгезионного контакта ультразвуковых колебаний, но не выяснены вопросы, связанные с механизмом образования адгезионного контакта между покрытиями, сформированными из порошкообразных композиций в совмещённом электростатическом и ультразвуковом поле. Это не дает возможности обосновать технологические режимы формирования покрытий, в связи с чем в статье решается задача оптимизации параметров влияния технологических режимов формирования покрытий и параметров ультразвукового поля (УЗП) на адгезионную прочность.

В ходе проведенных исследований изучено влияние схемы воздействия УЗК и технологических режимов формирования покрытий на адгезионную прочность соединений. Для этого исследовали 12 схем подачи УЗК по фазам формирования покрытий (рис. 1). Эффективность воздействия оценивали по значению адгезионной прочности соединения.

Установка для изучения растекания расплавов полимеров (рис. 2) была скомпонована на базе ультразвукового диспергатора УЗДН-2Т. Конструкция установки позволяет одновременно наблюдать за формированием капли полимера в УЗП и в обычных условиях. Динамику формирования капли фиксировали при помощи микроскопа электрического, модели ММУ-3, модернизированного цифровым видеоокуляром с подключением к персональному компьютеру. Конечное увеличение с цифровым окуляром х1000 раз. Программное обеспечение S-EYE версия 1.6.0.11 от 24 апреля 2020 года.

Температурные режимы обоих образцов поддерживали на одинаковом уровне посредством двух терморегуляторов.

Изучение влияния технологических режимов формирования покрытий на адгезионную прочность проводили для соединений, сформированных по схеме, обеспечивающей наилучшие условия формирования адгезионного контакта. Известно, что наибольшее влияние на качество покрытий оказывают три основных фактора: температурно-временные условия формирования покрытия, частота и интенсивность УЗК [5]. Эти факторы оказывают влияние на процесс формирования покрытия в совокупности и в той или иной степени находятся в зависимости друг от друга.

Рисунок 1 - Схемы воздействия УЗК по фазам формирования покрытий: т1 - нагрев подложки; Т2 - выдержка при постоянной температуре; тз - охлаждение покрытой детали; тн - нанесение порошка на деталь; А - амплитуда УЗК; I - продолжительность воздействия УЗК; -область воздействия УЗК.

проявляются в полной мере. Перегрев полимера приводит к интенсификации термоокислительной деструкции макромолекул. Указанное явление затрудняет процесс формирования адгезионных связей между адгезивом и подложкой, а при определённых условиях способствует разрушению ранее образованных связей [6].

Процесс формирования полимерных покрытий можно условно разделить на три стадии. На первой стадии происходит сближение молекул расплавленного полимера поверхности и подложки с одновременным их ориентированием как в самом покрытии, так и на границе раздела фаз.

На второй стадии происходит непосредственное взаимодействие между отвердевающим полимером и подложкой. Интенсивность их взаимодействия определяется расстоянием между соединяемыми фазами. В реальных условиях это расстояние зависит от многих факторов. К ним следует отнести наличие загрязнений на покрываемой поверхности, газовых включений в микропорах и микротрещинах, воздушной микропленки на границе раздела фаз.

На третьей стадии происходит образование химических связей между полимером и подложкой и формирование структуры покрытия.

Таким образом, технологические режимы формирования покрытий должны обеспечить максимальное сближение фаз на первой стадии формирования покрытия, то есть должны обеспечить наилучшую смачиваемость подложки полимером. На второй стадии образования адгезионного контакта следует учитывать, что чрезмерный нагрев детали способствует образованию газовых включений в результате термоокислительной деструкции, что ухудшает качество адгезионного соединения. В конечном

7

Рисунок 2 - Схема установки для изучения динамики растекания расплавов полимеров: 1 - ультразвуковой диспергатор; 2 - магнитострикционный

преобразователь; 3 - волновод; 4, 5 - образцы; 6 - электронный микроскоп; 7 - терморегуляторы;

8 - нагреватели.

При недогреве подложки и незначительной продолжительности формирования расплавленный полимер быстро твердеет и не успевает заполнить все неровности подложки. Это приводит к тому, что соединяемые разнородные фазы не успевают достаточно близко приблизиться для образования надежного адгезионного контакта, а силы взаимодействия между ними не

счете технологические режимы должны обеспечить оптимальные условия структурообразова-ния покрытия.

Нами установлено, что ультразвуковое воздействие на подложку способствует лучшему растеканию расплавов полимеров. Так, анализ роста капли расплава полимера от продолжительности экспозиции при определенной температуре показал, что относительный прирост площади капли, сформированной в УЗП, в 2,6.3,2 раза выше, чем капли, сформированной

Рисунок 3 - Динамика растекания капли расплава полимера при температуре формирования капли (180±3)°С

Капля, сформированная в УЗП, достигает максимального прироста площади контакта полимера с подложкой после экспозиции при постоянной температуре в течение 8с, а капля, сформированная без воздействия УЗП, - после 10с.

Изучение геометрии сформированных капель в осевом сечении, перпендикулярном к подложке (рис. 4), показало, что обе капли имеют форму шарового сегмента, но с различными краевыми углами 0. Так, угол 0 у капли, сформированной в УЗП, на 20...28% меньше, чем у капли, сформированной без УЗП.

Рисунок 4 - Профиль капли расплава полимера,

сформированной в обычных условиях (а) и в УЗП (б): у5а - разновесное поверхностное натяжение на границе твердой фазы с воздушной, - равновесное поверхностное натяжение на границе твердой фазы с жидкой, уа - равновесное поверхностное натяжение на границе жидкой фазы и воздушной, 0 - краевой угол смачивания

Таким образом, учитывая, что капли формировались при всех остальных одинаковых условиях, можно заключить, что ультразвуковое воздействие оказывает влияние на смачиваемость твердых материалов расплавами полимеров из предложенной нами композиции.

Ускорение процесса растекания полимера в УЗП, вероятно, вызвано очисткой поверхности подложки в результате кавитационного разрушения адсорбционных пленок, препятствующих смачиванию, а также интенсификацией движения молекул расплава под влиянием ультразвука.

Как говорилось выше, технологические условия формирования покрытий оказывают влияние на адгезионную прочность в совокупности и являются главными факторами, определяющими полноту адгезионного контакта покрытия с подложкой.

Анализ результатов влияния условий воздействия УЗК на адгезионную прочность (рис. 1) показал, что лучшие условия формирования адгезионного контакта достигаются при озвучивании подложки по схемам II, IX, X и XII (рис. 5). Характерным для всех этих схем является воздействие УЗП после нанесения порошкообразной композиции в начальный период оплавления порошка. Это, вероятно, способствует увеличению фактической площади контакта адгезива с подложкой за счет более полного заполнения микронеровностей и пор подложки расплавленным полимером, лучшей диффузии сегментов макромолекул в кристаллическую решетку металла, интенсификации удаления газовых включений из зоны контакта полимера с подложкой в начальный период формирования покрытия.

без воздействия УЗП (рис. 3).

о 0,35

чР '

ев «

0,3

у = -0,0031х2 + 0,057х + 0,023 R2 = 0,9775

5 0,25

3

о

0,2

0,15

« 3

« 0,1 у = -0,0006х2 + 0,0109х + 0,01 R2 = 0,8118

£

в0,05 £

° 0

0 5 10 15

Продолжительность растекания капли, с

М Прирост капли при формировании в УЗП, % У Прирост капли при формировании без УЗП, %

схемы подачи ультразвука

Рисунок 5 - Зависимость адгезионной прочности покрытий от схемы подачи УЗК: температура формирования (210±10)°С; продолжительность формирования (15±7) мин; материал подложки АЛ4

Как видно из рис. 5, адгезионная прочность повышается (до 29 МПа) при воздействии ультразвуком на подложку до нанесения порошкообразной композиции и во время формирования покрытия (схемы IX и X). Это, по-видимому, связано со способностью ультразвука очищать поверхность и тем самым улучшать смачиваемость подложки расплавом полимера, что согласуется с результатами проведенных исследований.

Максимальная адгезионная прочность (32 МПа) достигается при воздействии ультразвуком по XII схеме. Формирование покрытий по этой схеме сопровождается воздействием УЗК на подложку с частотой 20 кГц и амплитудой 10 мин с последующим уменьшением

амплитуды по зависимости, близкой к экспоненциальной. При этом УЗК подаются в импульсном режиме, что обеспечивает получение структуры с высокой степенью кристалличности и равномерным распределением составляющих композиции в объеме покрытия. Таким образом, подтверждается предположение о необходимости снижения интенсивности УЗК по экспоненциальной зависимости. Это устраняет возможность появления эффектов резонанса [7], а значит, обеспечивает устойчивость условий струк-турообразования.

Для выявления оптимальных технологических режимов проводили планирование экспериментов с целью построения математической модели зависимости адгезионной прочности покрытий уь..уз от температуры (х1) и продолжительности формирования покрытий (х2), частоты (хз) и амплитуды (х*) ультразвука. Решение о выборе модели принимали экспертным путем для минимизации количества проводимых экспериментов. Учитывая изложенное, исследования проводили с применением 3 (к*Р) эксперимента (см. табл. 1), откуда видно, что варьировали 4 фактора на трех уровнях каждый, после чего проводили эксперимент и осуществляли его статистическую обработку. Всего было проведено 27 опытов в различных точках факторного пространства, указанных выбранной моделью, в таблице представлены выборочно.

№ опыта Кодированные значения факторов Натуральные значения факторов Отклик: адгезионная прочность, МПа

Температура формирования, °С Продолжительность формирования, мин. Частота УЗК, кГц Амплитуда УЗК, мин.

Х1 Х2 Хз Х4 Х1 Х2 Хз Х4 У1 У2 У3 Уср

1 1 1 1 1 250 25 25 17 17,6 18,3 17,9 17,90

2... 1 1 1 -1 250 25 25 3 15,6 16,6 16,4 16,40

... 18 -1 0 0 0 190 15 20 10 26,8 27,6 27,1 27,10

19 0 1 0 0 220 25 20 10 33,9 34,6 34,4 34,40

20 0 -1 0 0 220 5 20 10 28,3 28,9 27,5 27,50

21 0 0 1 0 220 15 25 10 31,6 32,3 31,8 31,80

22 0 0 -1 0 220 15 15 10 30,0 30,2 30,1 30,10

23 0 0 0 1 220 15 20 17 31,8 31,9 32,5 32,50

24. 0 0 0 -1 220 15 20 3 29,5 30,8 29,8 29,80

.26 0 -1 -1 -1 190 5 25 3 11,9 12,9 12,8 12,80

27 0 1 -1 -1 190 25 15 3 29,1 28,6 28,9 28,90

Таблица 1 - Варьируемые факторы при планировании эксперимента

2. Обоснование вида испытания и типа образцов

Адгезионную прочность определяли на образцах, имеющих форму втулки и изготовленных из стали и алюминиевых сплавов. В образцах были высверлены пять конических отверстий, в которые вставляли конические штифты с последующей их притиркой по месту (см. рис. 6). Адгезионную прочность оценивали величиной усилия, необходимой для нормального отрыва конусообразных штифтов (метод штифтов) [3]. Разрыв штифтов осуществляли на разрывной машине МР-05.

3. Результаты исследования

Представленная в таблице 1 матрица

планирования эксперимента для независимых друг от друга факторов была реализована после получения результатов предварительных опытов, описанных и представленных на рисунках 2 и 4. Полученные при этом полиномы II степени дали возможность предположить, что адекватность полученной при планировании эксперимента модели будет достаточной, что и было проверено после статистической обработки результатов эксперимента по методике, изложенной в работе [8].

Рисунок 6 - Схема приспособления для определения адгезионной прочности методом штифтов:

1 - образец; 2 - ПКМ; 3 - ролик; 4 - ось ролика;

5 - механизм самоцентрирования; 6 - штифт;

7 - усилие разрыва

Сравнивали дисперсии полученных откликов и по критерию Фишера проверяли их принадлежность к генеральной совокупности. Максимальная дисперсия наблюдалась для Оу1= 65,84 МПа, а для уз - минимальная 60,4 МПа. Тогда отношение большей к меньшей дисперсии дает расчетное значение критерия Фишера Fp=65,84/60,4=1,09, что меньше табличного значения критерия для уровня доверительной

вероятности 95% Ft (0,05)=2,728. В то время, как р-уровень значимости, определяемый при помощи встроенной функции FPACn в Microsoft Excel равен 0,41, что более уровня значимости 0,05, следовательно, делается вывод о равенстве дисперсий. Встроенные функции указанного программного обеспечения позволили наряду с программой Statistica 10.0 проверить не только значимость каждого полученного коэффициента уравнения регрессии по критерию Стью-дента, но и адекватность полученной модели через расчет дисперсии адекватности и повторного сравнения критерия Фишера с табличными значениями:

F, < FT (1)

где F - расчетное значение критерия Фишера;

F =

1 р

S2

^адек

£2

Jy

^(р = 0,05; Д = 20;/2 = 26) = 1,99;

^ - число степеней свободы числителя, f2 - знаменателя.

Но при этом уже по условию 1 проверяли гипотезу об адекватности полученной модели:

50,12

= 0,8429 < М0,05; 20; 26) = 1,99.

Одним из несомненных достоинств программного модуля Statistica 10.0 (далее ПМ Статистика) состоит в быстрой возможности проверить способность статистически предсказывать поведение модели в различных точках факторного пространства с помощью множественной регрессии еще до построения уравнений регрессии и поверхностей отклика. Результаты проверки полученной модели представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты преобразования Бокса-Кокса в Statistica для расчета критериев согласия, полученные в ПМ Statistica

Близость спрогнозированных моделью зависимостей к полученным в лаборатории результатам измерений адгезионной прочности была оценена при помощи критериев согласия:

- Пирсона (критерий Хи-квадрат) получен при помощи ПМ Статистика (см.табл.2) %2=6,07, что меньше табличного значения Р (6;3) = 111, следовательно, по критерию согласия Пирсона теоретический закон распределения, предсказанный математической моделью близок к

фактическому.

- Колмогорова (р[^=0,22]=0,485) что приблизительно равно 0,5 и равно верхней границе критерия. По результатам этой проверки был также сделан вывод о случайности расхождения между теоретическими и опытными результатами.

По данным обработки результатов испытаний получены уравнения регрессии зависимости адгезионной прочности от варьируемых входных параметров в кодированных значениях переменных:

Р(Х1,Х2,"З,"4) = 22,104 - 1,9"! & 4,771"2 -0,143"3 & 0,561"$ - 1,9"2 & 1,67"| & 1,67"2 & 1,57"$ — 2,32"1"2. (2) Другие парные взаимодействия уравнения регрессии отсеяны по критерию Стьюдента, как малозначимые, поскольку дисперсия парных взаимодействий по результатам расчетов составила:

=

п

=i("i

55,4 4* 16

= 0,866, (3)

Zn

i7j' = l("l "45

где дисперсия воспроизводимости в центре

плана

,о _

2<=i(yi

■уГ

= 55,4;

у " =

(3/ = 26,26) - величина среднего значения отклика по всем центральным точкам плана; к -количество центральных точек плана; п - количество факторов в математической модели.

Следовательно, условие значимости коэффициентов при парных взаимодействиях не

поскольку не превы-А =

выполнены: >34 >

сили по

модулю произведение

0,866*1,714 = 1,474. Табличное значение критерия Стьюдента определяли в Excel при помощи встроенной функции имеющей синтаксис СТЬЮДРАСПОБР (0,1;23) = 1,714 для уровня доверительной вероятности 99% и числа степеней свободы s = N-4 = 27-4=23.

Из таблицы 3 видно, что коэффициенты в уравнении зависимости прочности от факторов все парные взаимодействия, за исключением произведения "г"2, являются не значимыми, что подтвердило результаты расчетов по критерию Стьюдента.

Таблица 3 - Оценки эффектов для определения уравнений регрессии

Фактор Оценки эффектов; R-kb.=.93626;Ckop .86189 (Таблица 27 опытов.sta) 4 3-х уровневые ф. 1 Блоки; OcTaT04H.SS=8.342449 ЗП Адгезионная прочность. МПа

Эффект Ст.Ош. t(12) Р -95.% Дов.Пред +95.% Дов.Пред Коэф.

Сред/Св.член 22 10437 0.602989 36.65798 0.000000 20.79057 23.41817 22.10437

(1)Температура формирования, 'C(L) -3,80640 1,556022 -2.44624 0.030804 -7.19668 -0.41612 -1,90320 3.28566

Температура формирования, 'С(К) 6.57132 1,385834 4,74178 0.000479 3.55184 9.59079

(2)Продопжительность формирования, мин.(Ц 9.54263 1.330896 7.17008 0,000011 6,64285 12.44240 4,77131

Продолжительность формирования, мин.(К) 3.34139 1.776049 1.68136 0.084399 -0.52828 7.21107 1.67070

(З)Частота УЗК. кГц(Ц -0.28519 3.34139 1.480336 ■0.19265 0.850454 -3.51056 2.94018 -0.14259

Частота УЗК. кГц(К) 1.776049 1.88136 0.084399 -0.52828 7.21107 4.03093 7.01107 1.67070 0.56088 1,57070

(4)Амллитуда УЗК, mhh.(L) 1.12175 1,335214 0.84013 0.417261 -1.78743

Амплитуда УЗК, мин.(К) 3.14139 1.776049 1.76875 0.102322 -0.72828

1L на 2L -4 64470 1 6744С6 -2 77394 0.016838 -8.29292 -0.99649 -2.32235

1L на 3L 0.52296 0.30530 0.65757 1.651924 0.31658 0.757005 -3.07627 4.12219 3.95351 4.09900 0.26148 0.15265 0,32878 -0.19231

1L на 4L 1.674406 0.18233 0.858366 -3.34292

2L на 3L 1.579501 0.41631 0.684530 -2.78387

2L на 4L -0.38462 1.413098 -0.27219 0.790106 -3.46350 2.69425

3L на 4L -1.24357 1.623971 -0.76576 0.458619 4.78190 2.29476 -0.62178

Первый столбец справа таблицы 3 включает оценки коэффициентов для нелинейного уравнения регрессии при перекодированных значениях факторов. Первый и второй столбцы таблицы 3 дают готовые коэффициенты уравнения регрессии без их перекодирования. Но удобнее анализировать уравнения в перекодированных значениях факторов, когда масштабы всех четырех независимых факторов условно одинаковы и находятся в интервале от -1 до +1. Полученную при этом точность предсказания можно проанализировать по

рисунку 7. Задача математической модели -максимально точное описание всего факторного пространства, с чем она с успехом справилась, о чем можно судить по рисунку 8.

Для более точного изучения факторного пространства вблизи оптимального (максимального) значения отклика в ПМ Статистика есть модуль «Предсказания значений через функцию желательности», для получения которого можно задать полученные критические значения в кодированных переменных: Х1=-0,288; х2=0,812; хз=0,002; х4=0,057. Этому сочетанию факторов

модель предсказывает значение отклика у = 35,26 МПа в доверительном интервале от 31,57 до 38,95 с 95% уровнем предсказания (см. рис.9).

Как показывает анализ рисунка 9, наиболее значимыми факторами для получения желательности более 1 является сочетание факторов в кодированных значениях: «температура формирования, оС» Х1 = -0,8.0,4 и «продолжительность формирования, мин» Х2 = 0,0. 1,0. О том, насколько точно в центр факторного пространства попадает зависимость частоты от амплитуды УЗК можно судить по контуру полученной поверхности, что мы и наблюдаем на поверхности отклика (см рис. 8 (г)), но границы варьирования факторов видны лучше на контурных линиях проекции. Отсюда можно сделать вывод, что дальнейшее увеличение температуры формирования покрытия выше 0,4 в кодированных значениях не целесообразно. И напротив,

снижение времени ниже середины факторного пространства приведет к понижению адгезионной прочности получаемого покрытия.

40 -------------

« 30 к

х ф

Ш

о 25

5

5 10 15 20 25 30 35 40

Наблюдаемые значения

Рисунок 7 - Близость полученных средних значений отклика к предсказываемым

Рисунок 8 - Зависимость отклика «адгезионная прочность» от переменных факторов: а)

«продолжительность формирования» и «температура формирования покрытия»; б) «чатоста ультразвука» и

«температура формирования покрытия»; в) «амплитуда ультразвука» и «температура формирования покрытия»; г) «продолжительность формирования» и «амплитуда ультразвука»; д) «амплитуда ультразвука»

и «чатоста ультразвука»

Подставив оптимальные хЮpt в уравнение 212,344=212; = 25,261=25; Х3о^ = 20,772 =21; (2), получили максимальное значение АП = х^ = 11,253 =11. 35,26 ПМа. В натуральных координатах оптимальные значения соответственно равны: х^ =

Таблица 4 - Результаты предсказания моделью максимального значения отклика «адгезионная прочность»

Фактор Предскаа. анач.; Прм.Лдгеэионная прочность. МПа; Я ка.=.93626 4 3-х уровневые ф. 1 Блоки: Остаточн.55=8.342449 ЗП Адгезионная прочность. МПа

Регрес. Знач. Ко>ф.

Постоям. 33.03470| 1-

(1)Температура формирования. -с(1) -1.90320 -0,287700 0.54755

Температура формирования, •С(К) -6.57132 0,082771 -0.54392 3.87617

^¡Продолжительность формирования, мин р.) 4,771311 0,812390

Продолжительность формирования, мин.(К) -3.34139 0.659978 -2.20524

(3)Частота УЗК. кГц(1) -0.14259 0.002050 -0.00029

Частота УЗК. кГц(Ю -3.34139 0.000004 0,56038 0,057210 -0.00001 0.03209

(¿¡Амплитуда УЗК, микп-)

Амплитуда УЗК, мин. (К) -3.14139 0.0 03273 -0.01023

11. на 21. -2.32235 -0.233725 0.54279

11 иа 31 0.26148 -0,000590 -0.00015

11 на ¿1 0.15265 -0.016459 •0.00251

21 на 31 0.32878 0.001665 0.00055

гинз^и -0,19231 0.046477 -0.00894

31. на 41. -0.62178 0.000117 -0.00007

предсказан 35.26242

-95.% Дов, 31.57120 38.95364 27.96662

+95.% Доо.

•95.% Пред.

+95.% Пред. I 42.55821

Рисунок 9 - Контурные линии поверхностей профиля желательности: за 1 принято предсказываемое моделью максимальное значение адгезионной прочности 35,26 Мпа

Влияние и вклад каждого фактора в общее увеличение прочности можно заметить на рисунках 10 и 11: наибольшее увеличение прочности дает фактор «продолжительность формирования, мин» Х2 и квадратичный коэффициент перед фактором «температура формирования, оС» х21. Но в то же время именно сочетание парного воздействия хгх2 снижают адгезионную прочность наиболее значимым образом, о чем

можно судить по отрицательной величине абсолютного значения эффекта. При наиболее благоприятном сочетании факторов хь. .х можно получать и более высокие значения прочности вплоть до 42 МПа, что значительно превосходит полученные на границах исследованного факторного пространства значения прочности и позволяет прогнозировать дальнейшее увеличение адгезионной прочности при очень

незначительном варьировании входных параметров модели. Это заключение в очередной раз доказывает справедливость закона «Створа» И.А. Рыбьева для любых композиционных материалов [8]: наиболее экстремальному значению отклика соответствуют только оптимальные значения факторов.

Таким образом, с учетом установленного доверительного интервала и особенностей формирования покрытий в УЗП для предсказанного максимального значения АП независимых переменных х можно варьировать в пределах: 200<"1<220; 20<"2<25; 18<"3<22; 8<"$<13, то есть, формирование покрытий необходимо проводить при следующих технологических режимах: температура формирования - 200... 220°С; продолжительность формирования - 20.25

мин.; частота УЗК - 18.22 кГц; амплитуда торца волновода - 8.13 мкм.

Наиболее обобщенным критерием предсказания зависимых параметров отклика от варьируемых независимых факторов является коэффициент детерминации модели по критерию R2. И хотя предсказание благодаря ПМ Статистика выходит не ниже R2 =0,95, но общий коэффициент корреляции между предсказанными по уравнению регрессии значения отклика модели с получаемыми результатами замеров в лаборатории для данной математической модели, рассчитанные в Excel при помощи встроенной функции, имеющей синтаксис КОРРЕЛ от двух массивов Урасч по уравнению (2) и уср, было получено на уровне R2=0,593, что можно также считать достаточно высоким уровнем предсказания математической модели.

,81239 -1, ,00205 1, -1, ,05721 1, Рисунок 10 - Доверительные интервалы профиля желательности

Карта Парето стандартизованных эффектов; Перемен.: Адгезионная прочность, МПа 4 3-х уровневые ф, 1 Блоки; Остаточн.35=8,342449 ЗП Адгезионная прочность, МПа

^Продолжительность формирования, мин.(1_) Температура формирования, °С(К) 11_на21.

(1 ¡Температура формирования, °С(Ц Продолжительность формирования, мин.(К) Частота УЗК, кГц(К) Амшпггуда УЗК, мин.(К) (4)Амплитуда УЗК, мин.(Ь) 31_на41_ 21_на31_ 11_на31. 21_на41_

(З)Частота УЗК, кГц(1_) ИнаДЬ

р=,05

Оценка эффекта (абсолютное значение)

Рисунок 11 - Карта Парето для коэффициентов регрессии

Выводы

1. Выполненные исследования позволили определить оптимальные режимы испытаний и получить адекватную математическую модель зависимости адгезионной прочности сцепления полимерного покрытия от переменных технологических параметров.

2. По данным обработки результатов испытаний получено уравнение регрессии зависимости адгезионной прочности от варьируемых входных параметров в кодированных значениях переменных.

3. По результатам экспериментальных данных и расчетов согласно уравнения регрессии получено максимальное значение АП = 35,26 МПа. В натуральных координатах оптимальные значения технологических режимов соответственно равны: х^ = 212,344 ~ 212; X2орt = 25,261 ~ 25; xзорt = 20,772 ~ ~ 21; X4орt = 11,253 к 11.

4. С учетом установленного доверительного интервала и особенностей формирования покрытий в УЗП для предсказанного максимального значения АП, формирование покрытий необходимо проводить при следующих технологических режимах: температура формирования - 200.220°С; продолжительность формирования - 20.25 мин.; частота УЗК -18.22 кГц; амплитуда торца волновода -8.13 мкм.

Литература

1. Зорин, В.А. Анализ долговечности посадочных мест подшипников, восстановленных

полимерными материалами /В.А. Зорин, Е.Ю. Ляхов // Интерстроймех-2018. 2018. С. 337-342.

2. Тахавиев, М.С. Состояние и перспективы развития технологии нанесения полимерных порошковых покрытий / М.С. Тахавиев, Р.Р. Сайфуллин // Международная молодежная научная конференция" XXII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (школа молодых ученых)". - 2015. - С. 303-306.

3. Гаджиев, А. А. Технологическое обеспечение долговечности подшипниковых узлов машин применением полимерных материалов Текст.: авто-реф. дис. докт. техн. наук. / Гаджиев А. А. -М., 2005. -35 с.

4. Баурова, Н.И. Методы оценки эксплуатационных свойств из полимерных композиционных материалов: метод. Пособие / Н.И. Баурова, В.А. Зорин // М.: МАДИ, 2017. 84 с.

5. Зорин, В.А. Повышение прочностных характеристик полимерных покрытий обработкой в ультразвуковом поле / В.А. Зорин, А.А. Гаджиев // Автотранспортное предприятие, № 3, 2004. С. 1216.

6. Машков, Ю.К. и др. Самоорганизация и структурное модифицирование в металлополимерных трибосистемах / Ю.К. Машков, О.В. Кропотин, С.В. Шилько, Ю.М. Плескачевский. Омск: изд-во ОМГТУ. 2013. - 232 с

7. Хмелёв, В.Н. Ультразвуковая сварка термопластичных материалов: монография / В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, А.Д. Абрамов, С.С. Хмелёв; под ред. В. Н. Хмелева. - Бийск: Изд-во Алтайского государственного технического университета, 2014. - 281 с.

8 Штефан, Ю.В. Методы выявления и оценки рисков в дорожном строительстве и машиностроении: монография /Ю.В. Штефан, В.А. Зорин. - М.: МАДИ, 2017 - 136 с. [Электронный ресурс] http://lib.madi.ru/fel/fel 1 /fel 17M587.pdf