CC BY
3
Грищенко Вячеслав Игоревич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, vig84@yandex.ги.Россия. Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Ивлиев Евгений Андреевич, ассистент, аспирант, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Сидоренко Валентин Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
THEORETICAL STUDY OF THE INFLUENCE OF EXTERNAL FACTORS ON THE POSITIONING ACCURACY AND PERFORMANCE OF A LONG-STROKE PNEUMATIC ACTUATOR
D.A. Korotych, V.I. Grishchenko, E.A. Ivliev, V.S. Sidorenko
In this paper, the influence of dynamic load on the positioning processes of the proposed original long-stroke pneumatic pump is investigated. Using a computational experiment, the influence of various factors on the positioning cycle has been studied, and these factors have the greatest impact on the speed and accuracy ofpositioning of long-stroke pneumatic actuators. By means ofpreliminary modeling, the influence ofpneumatic, dynamic parameters and motion parameters of the positioning pneumatic actuator on the speed and accuracy ofpositioning has been established. The dependences of the influence of the stop accuracy on the coordinate at different masses, the influence of the positioning length on the coordinate at different masses and the influence of the stop accuracy (average) are obtained from the masses.
Key words: long-stroke pneumatic actuator, jet control system, mechatronic module, pneumatic actuator positioning, dynamic characteristics.
Korotych Daniil Andreevich, assistant, postgraduate, daniilberuk@gmail. com, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Vyacheslav Igorevich Grishchenko, candidate of technical sciences, docent, head of the department, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
IvlievEvgenyAndreevich, assistant, postgraduate, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Sidorenko Valentin Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, vsidorenko@donstu. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
УДК 678
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-516-517
ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕХАНИЗМАХ И АГРЕГАТАХ
Д.Ю. Запорожан, Д. А. Зайцев, А.В. Канатов, С.Ю. Киселев
Статья посвящена исследованию получения требуемых эксплуатационных свойств деталей из полимерных композиционных материалов применяемых в механизмах специализированных машин и агрегатов текстильной и легкой промышленности. Важным фактором оценки эксплуатационных характеристик являются физико-механические характеристики полимерных композитов. Одним из наиболее важным направлением исследования состава композитов является определение основных критериев их оценки, таких как прочность, химическая стойкость к агрессивным средам. Зависимость от используемых компонентных баз их типа и концентрации модифицирующих добавок, а также объемной доли наполнителей, играет ключевую роль в качестве проектируемых деталей. Представляется важным рассмотреть точные прогностические модели воздействия составляющих факторов на свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы; модифицирующие добавки; детали специального назначения, испытания образца полимерного композита.
В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении тесно связаны с использованием полимерных композиционных материалов (ПКМ) в машиностроении. Новые виды композитных материалов, появляются вследствие стремления к совершенствованию существующих конструкций технологического оборудования и отдельных элементов изделий вспомогательного назначения, Появление широкого ассортиментного ряда композитов на базе полимеров открывают ранее недоступные возможности для реализации перспективных конструкторских решений и повышает эффективность технологических процессов. В современном машиностроительном производстве с целью улучшения физико-механических свойств наиболее ответственных деталей исполнительных механизмов, все чаще применяют углепластик, арамидные волокна и стеклопластик эти материалы обладают высокой прочностью при боле низких массогабаритных характеристиках относительно моно материалов, применяемых ранее. Полимерные композиционные материалы представляют собой гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу, физико-механическими характеристиками и разделенных в материале четко выраженной границей, причем одни из компонентов являются армирующими составляющими, а другие - связующими их матрицами [1]. Благодаря постоянному совершенствованию материалов и технологий, инженеры и дизайнеры имеют возможность разрабатывать более эффективные и инновационные конструкции, которые обеспечивают высокую производительность и долговечность машиностроительных изделий.
516
Эти задачи способствуют созданию более прочных, легких и износостойких материалов, которые могут использоваться в производстве различных деталей и узлов машин и оборудования. Полимерные композиты имеют большой потенциал для замены традиционных материалов в машиностроении, таких как металлы, и могут значительно улучшить характеристики изделий, уменьшить вес и улучшить эксплуатационные свойства. Следовательно, для корректного использования композитных материалов важна правильная оценка их эксплуатационных свойств, далее в статье рассмотрены наиболее часто применяемые составы композитов.
Оценка эксплуатационных свойств имеет огромное значения для того, чтобы определить, будет ли выполняться назначение детали с минимальным износом в процессе эксплуатации. Также важно определить долговечность детали и влияние деградации на протяжении всего срока службы. Это связано с эффектами, возникающими на протяжении всего жизненного цикла детали из-за повышенного износа, знакопеременных нагрузок и работы в химически агрессивной среде, которые являются основной причиной катастрофического и аварийного отказа многих деталей. Изучение различных режимов разрушения требуют применения разнообразных методов их оценки [2]. Поэтому выбор соответствующих методов оценки крайне важен для определения скорости и тяжести деградации. Если деталь является компонентом более крупного узла, необходимо также определить влияние, которое деградация этой детали окажет на окружающие компоненты или систему в целом. Этого можно достичь путем моделирования условий эксплуатации и лабораторного испытания, которым будет подвергаться образец из композитного материала. Эксплуатационные свойства деталей из полимерных композиционных материалов имеют решающее значение для успешной эксплуатации в машинах и агрегатах текстильной и легкой промышленности. Оценка этих свойств требует применения специальных методов, разработанных специально для таких материалов. Одним из основных методов оценки является испытание на механическую прочность. Оно позволяет определить устойчивость деталей к различным механическим нагрузкам, таким как растяжение, сжатие, изгиб и удар [3]. Эти данные помогают определить, насколько долго деталь сможет прослужить без поломки в условиях непрерывной эксплуатации. Также одним из важным методом оценки является термическое испытание [4]. Оно позволяет определить теплостойкость деталей и их способность сохранять свои свойства при высоких рабочих температурах. Кроме того, проводятся испытания на химическую стойкость, чтобы убедиться, что детали устойчивы к агрессивным средам, с которыми они могут столкнуться в процессе эксплуатации [1]. Эти данные помогают предсказать долговечность и надежность деталей в различных условиях. Оценка эксплуатационных свойств деталей, изготовленных из полимерных композиционных материалов (ПКМ), в машиностроении имеет решающее значение из-за уникальных характеристик этих материалов, включая их высокое отношение прочности к весу, коррозионную стойкость и гибкость конструкции. Эта оценка включает в себя множество методов, каждый из которых направлен на понимание того, как эти компоненты будут работать в различных условиях. Вот несколько ключевых методов, использованных в этой оценке. Используя эти разнообразные методы, могут тщательно оценить эксплуатационные свойства деталей, изготовленных из полимерных композитных материалов. Эта комплексная оценка гарантирует, что выбранные (ПКМ) хорошо подходят для предполагаемых применений в машиностроении, обеспечивая оптимальную производительность [13].
Классификация ПКМ может осуществляться по различным критериальным признакам [3].
- по типу используемого связующего;
- по типу используемого наполнителя;
- по типу ориентации армирующих компонентов (схеме армирования);
- по назначению;
- по эксплуатационным свойствам.
По типу используемого связующего
По типу используемого связующего ПКМ подразделяются на термопластичные и термореактивные [6].
По типу используемого наполнителя ПКМ подразделяются на дисперно- и волокнисто-наполненные. ПКМ, содержащие в качестве наполнителя волокна (ткани, ленты, нити, жгуты), получили название по упрочняющему волокну. Так, композицию, содержащую наполнитель в виде длинных стекловолокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями, называют ориентированным стеклопластиком [8]. Неориентированные стеклопластики содержат в качестве наполнителя короткое волокно. ПКМ, содержащий углеродное волокно, называют углепластиком, борное волокно боропластиком, органическое волокно - органопластиком (органитом). Использование различных наполнителей позволяет создавать материалы с заданными свойствами.
По назначению различают материалы для изготовления корпусных деталей, устройств и передач (зубчатых, червячных, ременных), материалы для изготовления емкостей, трубопроводов, уплотнений. В зависимости от назначения ПКМ иногда классифицируют по эксплуатационным свойствам (термостойкие, фрикционные, антифрикционные и др.) [9].
Таблица 1
Область применения ПКМ_
ПКМ на основе термореактивных связующих
Фенопласты Изделия с повышенными диэлектрическими свойствами, работающие при повышенной влажности, циклических температурах и вибрациях
Аминопласты Дуго- и крекингостойкие детали,
Стекло пластики Корпусные детали
Углепластики Конструкционные детали и изделия самого широкого назначения
Органопластики Бронежилеты и др. изделия с повышенной устойчивостью к воздействию ударных нагрузок
ПКМ на основе термопластичных связующих
Полипропилен Ручки, гайки и корпуса аппаратуры, фильтровальные ткани, канаты, корпуса аккумуляторов
Полиамиды Антифрикционные и электроизоляционные изделия, подшипники, муфты, шестеренки, электроустановочная арматура
Поликарбонат Детали светотехнических приборов, конденсаторная пленка, детали экстерьера
Фторопласт Уплотнительные кольца, арматура трубопроводов, сальники, подшипники
Поливинилхлор ид Трубы и шланги строительного назначения, вибропоглощающие прокладки, уплотнители
В данной статье рассматриваются ключевые характеристики ПКМ и основные методы испытаний, применяемые при создании деталей машин из этого материала.
Термин "прочность" описывает способность материала выдерживать внешние воздействия, в результате чего в полимерно-композитных материалах (ПКМ) возникают внутренние механические напряжения. Когда напряжения достигают или превосходят предельно допустимые значения, ПКМ теряет целостность и разрушается. Прочность ПКМ является сложной функцией упругих и релаксационных свойств. В процессе эксплуатации деталей, изготовленных или восстановленных с использованием ПКМ, эти свойства непрерывно меняются. Оценивая прочность деталей из ПКМ, чаще всего используют два понятия: -напряжение, которое определяет уровень нагруженности; -разрушающее напряжение, которое определяет предел нагруженности. Условие прочности при растяжении по допускаемому напряжению имеет вид:
Срмах = (!)
где ормях - наибольшее расчетное напряжение детали, [ар\ - допускаемое напряжение материала детали при растяжении, N - расчетная внутренняя сила в сечении А.
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) однонаправленного КМ в направлении оси армирования
Ехк = ЕвУв + ЕмУм = ЕвУв + Ем(1 - Ув) (2)
где Ев, Ем - модули упругости волокон и матрицы соответственно; Ув. Ум - объемная доля волокон и матрицы соответственно.
Нормальные напряжения для однонаправленного композиционного материала по оси армирования определяются
°хк = стхкУвкв + - УВ)кМ (3)
где кв - коэффициент условий работы волокон; км - коэффициент, учитывающий пористости матрицы.
Прочность деталей из полимерных композитных материалов напрямую зависит от условий их эксплуатации. В процессе работы детали в машиностроении подвергаются разнообразным видам нагрузок: растяжению, сжатию, изгибу, кручению, срезу и другим, иногда одновременно (например, растяжение и изгиб) [8]. Существует множество методов механических испытаний, которые учитывают специфику нагрузок, режимов работы и условий эксплуатации конкретных деталей из полимерных композитных материалов.
Рис. 1. Механическое воздействия на композитную деталь для оценки стойкости к разрушению: - принцип воздействия на ПКМ; б - результат разрушения структуры материала при 10х увеличении
а
Для точного определения значения разрушающих напряжений можно использовать измерение твердости ПКМ. Твердость - это способность материала противостоять внедрению других тел. Она отражает механические свойства поверхности и является одной из ключевых характеристик материалов, определяющих их механические свойства [7]. Твердость, вместе с прочностью, указывает на способность материала сопротивляться деформации [11].
Существует два типа твердости: относительная и абсолютная. Относительную твердость определяют, как сравнение твердости одного материала с другим. Это является ключевым фактором для диагностики материала. Абсолютная твердость, также известная как инструментальная, измеряется с использованием методов вдавливания. Твердость отражает механические свойства поверхности материала.
Исследования твердости материалов проводятся путем нанесения индентора на поверхность и изучения пластической деформации как показателя степени твердости материала.
Определение твердости по методу Роквелла (НЯ) является самым распространенным видом технологического контроля металлических деталей и весьма ограниченно применяется при контроле ПКМ [8].
Существует множество методов определения термо- и тепло- стойкости ПКМ. Наиболее известные термические методы и области их применения
В контексте полимер-композитных материалов (ПКМ) термоаналитические методики служат для выявления фазовых переходов, сопровождающихся изменениями термодинамических параметров, таких как энтальпия, энтропия, внутренняя энергия и объем. Более того, эти приемы применяются для выявления образцов, установления оптимальных параметров отверждения полимерных композиционных материалов, оценки эффективности превращения функциональных групп, изучения термической устойчивости, определения температуры начала окисления и разложения, а также для измерения концентрации разнообразных примесей [12].
Таблица 2
Термические методы определения свойств ПКМ__
Метод Измеряемое свойство Область применения Сокращение
Дифференциальный тер-мический анализ и скани-рующая калориметрия Температурная разность между стандартным и исследуемым образцами Температура и теплота фазовых переходов и химических реакций, теплоемкость, температура стеклования ДТА ДСК
Термомеханический анализ. Динамический механический анализ Деформации Механические изменения, деформации ТМА ДМА
Термогравиметрический Анализ (термогравиметрия) Масса Распад фазы, дегидратация, окисление ТГА
Термодилатометрия Размеры Температурный коэффициент расширения, температура стеклования, точка размягчения, температура и кинетика плавления и кристаллизации ТД
Тер мо магнетометр ия Магнитные свойства Фазовая однородность, Температура магнитного перехода -
Диэлектрический термический анализ Диэлектрическая проницаемость Фазовые изменения -
Наибольшее применение в последнее десятилетие нашел метод дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК), поскольку с использованием одного прибора можно определять различные характеристики ПКМ в разных фазовых состояниях (в жидком до отверждения и в твердом после отверждения), а также с его помощью можно оценивать степень отверждения ПКМ при использовании любых термореактивных связующих. Методы термомеханического анализа ТМА и динамического механического анализа ДМА имеют несколько более узкие области применения, однако в сумме с ДСК они позволяют определять большинство важнейших теплофизических характеристик ПМК [3].
Известно, что при продолжительном воздействии разных рабочих сред (например, вода, кислоты горючесмазочные материалы - топливо, масла) полимерно-композитные материалы меняют свою внешность и теряют исходную прочность. Поэтому проблемы изменения свойств, связанные с разрушением полимерно-композитных материалов под воздействием различных рабочих сред, должны рассматриваться в приоритете при выборе материалов [12].
Существует множество разнообразных веществ, оказывающих воздействие на свойства ПКМ, их перечень весьма обширен, однако можно выделить основные группы, которые встречаются наиболее часто [3].
- минеральные и органические кислоты, а также их растворяв воде;
- растворы щелочей и окислителей;
- алифатические и ароматические растворители;
- горюче-смазочные материалы;
- вода, пар.
Воздействие враждебной окружающей среды на ПКМ может привести к его расширению, проникновению среды в ПКМ и химическим реакциям, которые могут привести к разрушению ПКМ.
Таблица 3
Оценка стойкости ПКМ к длительному воздействию агрессивных сред_
Тип связующего Оценка стойкости Изменение прочностных или деформационных свойств, %
Термопластичный Хорошая 0...10
Удовлетворительная > 11...15
Плохая > 16
Термореактивный Хорошая 0.15
Удовлетворительная > 16.25
Плохая > 26
В соответствии, проведенных по ГОСТ 12020-72, так же как и данные, приведенные в табл. 3, требуют соответствующих дополнений. Например, необходимо указывать промежуток времени между выемкой образцов из соответствующей агрессивной среды и временем начала механических испытаний [3].
В соответствии с ГОСТ 12020-72 стойкость материалов к агрессивным средам оценивается по изменению их массы по пятибалльной шкале: 5 - высокая; 4 - удовлетворительная; 3 - материал устойчив не во всех случаях; 2 - стойкость недостаточная, к применению не рекомендуется; 1 - материал нестоек и быстро разрушается [3].
Устойчивость материала к различным вредным воздействиям (согласно стандарту, ГОСТ 12020-72) оценивается на основе изменения массы и (или) габаритных размеров образца после его выдержки в определенных агрессивных средах в течение определенного времени [12].
Устойчивость соединения к разнообразным вредным воздействиям оценивается так же, как устойчивость соединений к длительному воздействию воды. Температура и продолжительность воздействия вредных сред могут варьироваться в зависимости от условий испытаний. Предварительную оценку устойчивости проводят согласно пятибалльной оценочной шкале указанным в таблице 3.
Список литературы
1.Андреева А.В. Основы физикохимии и технологии композитов: учеб. пособие. М.: ИПРЖР, 2001.
192 с.
2.Баженов С.Л. Механика и технология композиционных материалов. Долгопрудный: Интеллект, 2014.
332 с.
3.Баурова Н.И., Зорин В.А. Методы оценки эксплуатационных свойств деталей из полимерных композиционных материалов: метод. пособие. М.: МАДИ, 2017. 84 с.
4.Казуров А.В. Свойства и методы испытаний полимерных композиционных материалов: учебное пособие. Волгоград: Волгоградский государственный технический университет, 2017. 88 с.
5.Садова А.Н., Бортников В.Г., Заикин А.Е. и др. Практикум по технологии переработки и испытаниям полимеров и композиционных материалов М.: Колосс, 2013. 191 с.
6.Шах В. Справочное руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения. СПб.: НОТ, 2009. 732 с.
7.Бабушкин А.В., Лобанов Д.С. Экспериментальное исследование и моделирование свойств композиционных материалов в условиях сложных термомеханических воздействий // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Н.Новгород. 2011. № 4(5). С. 1984-1986.
8.Белл Ф.Дж. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел: В 2-х частях. Часть 1. Малые деформации: Пер. с англ./ Под ред. А.П. Филина. М.: Наука, 1984. 600 с.
9.Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. Ч. I. Механизмы старения // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 11. С. 19-26.
10. Прочность и разрушение композитных материалов // Труды второго советско-американского симпозиума / Под ред.: Дж. К. Си, В.П. Тамуж. Рига: Зинатне, 1983. 320 с.
11. Современные методы испытаний композиционных материалов. науч.-метод. сборник / под ред. А.П. Гусенкова, сост. А.Н. Полилов. Москва: Изд-во ИМАШ им. А.А. Благонравова, 1992. 247 с.
12. Запорожан Д.Ю., Канатов А.В., Кулаков А.А., Челомов А.А. Оценка разрушающего влияния. агрессивных сред на процесс старения. композитных материалов. Дизайн и технологии. 2023. №96 (138). С. 57-62.
13. Запорожан Д.Ю., Канатов А.В. Особенности развития различных видов 3Д-печати в производстве изделий народного потребления // Инновационное развития техники и технологий в промышленности (ИНТЕКС 2022) сборник материалов Всероссийский научной конференции молодых исследователей с международным участием. Москва, 2022. С. 44-49.
Запорожан Дмитрий Юрьевич, аспирант, [email protected], Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство),
Зайцев Дмитрий Александрович, аспирант, zaytsevdima1996@yandex. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство),
Канатов Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн.Искусство),
Киселев Сергей Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, kiselev-syu@rguk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн.Искусство)
EVALUATION OF OPERATIONAL PROPERTIES OF PARTS MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS FOR
APPLICATION IN MECHANISMS AND AGGREGATES
D.Yu. Zaporozhan, A.V. Kanatov, D.A. Zaitsev, S.Yu. Kiselev
The article is devoted to the research of obtaining the required operational properties of parts from polymer composite materials used in mechanisms of specialized machines and units of textile and light industry. An important factor in assessing the operational characteristics are physical and mechanical characteristics of polymer composites. One of the most important directions of composites composition research is the definition of the main criteria of their evaluation, such as strength, chemical resistance to aggressive media. Dependence on the component bases used, their type and concentration of modifying additives, as well as the volume fraction offillers, plays a key role in the quality of designed parts. It seems important to consider accurate predictive models of the influence of constituent factors on the properties ofpolymer composite materials (PCM).
Key words: polymer composite materials; composite materials; quality assessment; composite parts, testing.
Zaporozhan Dmitry Yuryevich, postgraduate. zaporochan.dima9@mail. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia (Technologies. Design. Art),
Zaitsev Dmitry Alexandrovich, postgraduate, zaytsevdima1996@yandex. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia (Technologies. Design. Art),
Kanatov Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia (Technologies. Design. Art),
Kiselev Sergey Yurievich, doctor of technical sciences, professor, kiselev-syu@rguk. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia (Technologies. Design. Art)
