ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ
УДК 678:53
А.С. Кононенко, канд. техн. наук К.Г. Дмитраков
Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина
СТОЙКОСТЬ СОСТАВОВ ХОЛОДНОГО ОТВЕРЖДЕНИЯ И НАНОКОМПОЗИЦИЙ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
Одной из основных задач в машиностроении является увеличение срока службы подверженных эксплуатационным изменениям деталей. Среди них важное место занимает радиатор системы охлаждения ДВС, обеспечивающий тепловой баланс работающего двигателя [1]. Радиатор — это в первую очередь сложный высокотехнологичный аппарат большой прочности и точности по геометрии.
Условия работы радиатора весьма экстремальны и агрессивны. Так, например, давление охлаждающей жидкости в радиаторе достигает 0,2 МПа, температура до +125 °С, вибрационные нагрузки, приводящие к усталостным разрушениям, коррозионное разрушение, различные механические повреждения, сопровождающиеся утечкой рабочей жидкости. Восстановление герметичности радиаторов системы охлаждения ДВС с помощью традиционной пайки связано с технологическими трудностями, повышенной трудоемкостью ремонтных работ и отсутствием специализированной ремонтной базы. Поэтому в последнее время в качестве герметизаторов широко используются полимерные композиты холодного отверждения на основе эпоксидных смол [2], которые получили название «холодная сварка». Среди них на российском рынке широкое распространение получили отечественные композиты Алмаз, Полирем «Лекар» и зару-
бежные — Рох1ро1, ЬоеШе и ряд других. Наибольшее применение из них получили Алмаз и Рох1ро1. Составы холодного отверждения стойки к рабочим жидкостям, вибрационным нагрузкам, старению, коррозии. Диапазон рабочих температур композитов от -50 до +150 °С.
Сведения о преимуществах и недостатках этих составов в литературных источниках отсутствуют, а практика показывает, что их свойства не всегда соответствуют эксплуатационным требованиям современной техники.
Для улучшения физико-механических свойств и повышения долговечности полимерных составов в настоящее время в качестве наполнителей активно используются наноматериалы [3]. При их введении в матрицу полимеров можно получить совершенно новые композиционные материалы, в значительной степени превосходящие по свойствам исходные составы [4]. Нанонаполнители позволяют управлять физико-механическими свойствами исходных материалов. Так, за счет введения различных наполнителей с определенной концентрацией можно в значительной степени улучшить одни свойства, при этом подавив другие, в зависимости от того, какие требования предъявляются к ремонтируемым деталям. Эти изменения обеспечиваются за счет того, что наночастицы обладают малы-
ми размерами и высокой поверхностной энергией в отличие от традиционных наполнителей, но воздействие нанонаполнителей на полимерные материалы недостаточно изучено.
Одним из свойств, влияющих на работоспособность полимерных составов, в том числе на основе эпоксидных смол, является теплостойкость, которая определяет способность составов сохранять эксплуатационные качества при повышенных температурах. Теплостойкость характеризует верхнюю границу области температур, в которой полимерные составы могут нести механические нагрузки без изменения формы.
Как показывает практика, нижняя температурная граница -50 °С в условиях эксплуатации техники является практически недосягаемой. Радиаторы системы охлаждения, как правило, в реальных условиях работают при повышенных температурах, поэтому исследования были нацелены на изучение свойств полимерных композитов при температурах, приближенных к реальным.
Для изучения теплового воздействия на композитные наноматериалы были произведены сравнения базовых составов с нанонаполненными. За основу были выбраны составы отечественного производства Алмаз и зарубежного Рох1ро1.
С целью изучения свойств композитных наноматериалов на основе исследуемых составов холодного отверждения их смешивали с наноструктурным гидроксидом алюминия А100Н (далее — бемит) и фулереновой сажей в пропорциях 100:1 и 1000:1 соответственно. Оптимальное соотношение определялось экспериментальным путем.
Составы наносились на цилиндрические стальные диски диаметром 30 мм и толщиной 5 мм, толщина покрытия составила 200 мкм. Покрытия выдерживались на открытом воздухе при температуре +20 °С в течение 24 ч. После окончательной полимеризации составы термообрабатывали в сушильно-стерилизационном шкафу ШСС-80п с автоматическим поддержанием температуры. За начальную точку термостатирования выбрали температуру +20 °С, максимальная температура составила +200 °С. Интервал увеличения температуры от начальной точки термостатирования до максимальной составил +10 °С. Образцы термостатировали при установленной температуре в течение 30 мин, после чего подвергали испытаниям на модернизированном твердомере типа ТП, оснащенным индикаторной головкой МИГ-1М [5].
С помощью твердомера ТП определяли толщину покрытия до нагружения и в момент снятия нагрузки.
МПа >'
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 20
Время нагружения замеряли по секундомеру, но составляло 60 с при давлении 10 МПа на цилиндрический индентор.
Нагрузку на шарик определяли по формуле
Р = 0,5^2
(1)
Для расчета теплостойкости тонких полимерных покрытий использовали формулу Герца, в которой теплостойкость определяется по изменению «условного модуля упругости» при нагревании («модуль упругости»):
Р
Е = 0,795-
(2)
дЗ/2д1/2 ’
где Р — нагрузка на шарик, Н; А — глубина погружения шарика в полимерное покрытие, м; d — диаметр шарика индентора, м.
Эксперименты показали, что при нагревании полимерных покрытий выше температуры их теплостойкости модуль упругости резко снижается и сводится к нулевой отметке. Так, при температуре +20 °С модуль упругости исходных составов Алмаз и Рох1ро1 составил соответственно 441 и 412 МПа (рис. 1). При нанонаполнении беми-том и фулереновой сажей эти значения для отечественных нанокомпозиций увеличились соответственно на 12,5 и 21,0 % и составили соответственно 496 и 534 МПа. Для зарубежных нанокомпозиций увеличение соответственно составило 8,2 и 15,5 %, а значения достигли 446 и 476 МПа.
Способность покрытий восстанавливать исходные размеры после снятия нагрузки характеризует коэффициент восстанавливаемости.
Коэффициент восстанавливаемости определяется по формуле, %:
Квос =
- к
100,
(3)
ко - к
где Н0 и к1 — толщина покрытия до и после нагружения (не снимая нагрузки), мкм; к2 — толщина покрытия после снятия нагрузки, мкм.
40 60 80 100 120 140 160 180 200 Т, °С
Рис. 1. Зависимость модуля упругости составов Е от температуры Т:
1 — Рох1ро1; 2 — Алмаз
Рис. 2. Зависимость коэффициента восстанавливаемости Kвос полимерных составов от температуры Т:
1 — Рох1ро1; 2 — Алмаз
Исследования показали, что при увеличении температуры коэффициент восстанавливаемости снижается для всех исследуемых нанокомпозиций. Так, для составов Алмаз и Рох1ро1 при +20 °С значения этого коэффициента соответственно составили 40,2 и 31,8 %, а с увеличением температуры до +200 °С они снизились до 5,1 и 3,3 %. Отечественный и зарубежный составы, наполненные бемитом, при +20 °С имеют значения коэффициента восстанавливаемости, равные соответственно 45,7 и 35,9 %, а при + 200 °С — соответственно 7,3 и 5,3 %. При использовании фулереновой сажи эти значения для отечественной композиции снизились с 49,5 до 8,7 %, а для зарубежной — с 38,7 до 6,5 %. Из представленных графиков (рис. 2) видно, что коэффициент восстанавливаемости отечественного состава выше зарубежного, что свидетельствует о более высоких упругих свойствах первого.
Следует отметить, что разность коэффициентов восстанавливаемости составов Алмаз и Рох1ро1, а также нанокомпозиций на их основе наиболее интенсивно уменьшается при повышении температуры выше +100 °С.
Исследования показали, что при наполнении составов бемитом теплостойкость возрастает на 6...19 %, а фулереновой сажей — на 8...24 %.
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что исследуемые нанонаполнители приводят к увеличению модуля упругости и теплостойкости составов. За счет этого составы способны работать при более высоких температурах, не меняя в значительной степени свои физико-механи-
ческие свойства и отвечая современным требованиям эксплуатации техники.
Список литературы
1. Кононенко, А.С. Восстановление радиаторов / А.С. Кононенко, Р.В. Киселёв // Сельский механизатор. — 2004. — № 6. — С. 22-23.
2. Чернин, И.З. Эпоксидные полимерные составы и композиты / И.З. Чернин, Ф.М. Смехов, Ю.В. Жердев. — М.: Химия, 1982. — 232 с.
3. Кононенко, А.С. Теория и практика герметизации фланцевых соединений сельскохозяйственной техники полимерными нанокомпозициями: монография / А.С. Кононенко. — М.: ФГБОУ ВПО МГАУ, 2011. — 180 с.
4. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. — М.: Физматлит, 2005. — 416 с.
5. Лебедев, Л.М. Машины и приборы для испытания полимеров / Л.М. Лебедев. — М.: Машиностроение, 1967. — 212 с.
УДК 658.562
О.А. Леонов, доктор техн. наук Н.Ж. Шкаруба, канд. техн. наук
Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина
АЛГОРИТМ ВЫБОРА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ
Выбор средств измерений — одна из важнейших задач метрологического обеспечения производства. От правильного ее решения зависит качество конечной продукции, промежуточного и входного контроля. Из-за наличия погрешности измерений часть годных деталей может быть забракована, а часть бракованных попадает в год-
ные. Анализ потерь от неправильного забраковы-вания или принятия изделий — сложная экономическая задача [1]. На общую экономическую эффективность контроля оказывает влияние также стоимость измерительных приборов и текущие эксплуатационные расходы, включающие в себя затраты на ежегодную поверку, на материа-
89