CC BY
54
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 621.792
Теоретическое обоснование использования клеевых составов для разработки метода фиксации шпилек в отверстиях с поврежденной резьбой при техническом сервисе автомобилей
Грибут И.Э., к.т.н., доцент, e-mail: igrit@gmail.com Кручер И.Л., преподаватель, e-mail: stokato@list.ru Никишина О.С., инженер Ушаков С.В., аспирант, e-mail: usegav@bk.ru Колосков А.В., аспирант
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса» г. Москва
Проведен анализ напряженно деформированного состояния адгезивных соединений, рассмотрен тип клеевого соединения металлов «одинарная нахлестка»; сделан теоретический расчет на прочность клеевого шва для фиксации шпилек.
The authors analyze the stressedly-deformed state of adhesive joint and study the bond for metal parts called the single-lap. The article provides theoretical calculations on the durability of glue joints to fix the pins.
Ключевые слова: адгезив, клеевое соединение, напряжения, сдвиг.
Key Words: adhesive, adhesive bonding, stress, shift.
Использование адгезивов для ремонта автомобилей позволяет восстановить потери металла от коррозии, механического изнашивания, кавитации, а также реконструировать детали, имеющие повреждения в виде пор, вмятин, раковин, трещин, пробоин, отколов и т. д.
В каждом случае на адгезивное соединение воздействуют различные факторы, величина и направление которых определяет целесообразность применения адгезива. В случае целесообразности применения адгезива нужно определить параметры его применения, а именно: толщину его слоя, величину нахлестки, а также оценить необходимость армирования, использования жесткой накладки и т.д. От оптимизации данных параметров зависит экономическая эффективность и работоспособность деталей, восстановленных при помощи адгезива. Последнее определяется деформационными свойствами клеевого шва склеиваемых материалов, геометрическими параметрами соединения и способом нагружения.
Для адгезивного соединения важным фактором, определяющим надежность всей системы, является прочность и стабильность контактов между субстратом и адгезивом. Для направленного регулирования прочностных и иных свойств клеевых соединений необходимо иметь представления о явлениях, происходящих при образовании адгезионных связей.
Следует отметить, что до настоящего времени отсутствует общепринятая методика для расчета параметров клеевого соединения, как и общепринятая теория адгезии. Существующие способы расчетов клеевых соединений разработаны для конкретных случаев, имеют множество допущений и основываются в основном на результатах эксперимента.
При расчете параметров клеевого соединения важно, чтобы площадь (при соединении жестких элементов) или длина (если хотя бы один элемент эластичный или гибкий) клеевого соединения были достаточными по размерам для воспри-
ятия самой большой нагрузки, которая возможна в условиях эксплуатации. Найти необходимую площадь (длину) клеевого соединения можно из выражений показателей прочности клеевых соединений. Для оценки прочности клеевых соединений в основном используют два показателя: среднюю прочность и максимальное напряжение. По физическому смыслу показатель «максимальное напряжение» ближе к объективной оценке прочности клеевого соединения, чем средняя прочность, так как клеевой шов начинает разрушаться там, где проявляется максимальное напряжение.
Для более детального изучения клеевого соединения рассмотрим тип клеевого соединения металлов «одинарная нахлестка». Приложение нагрузки Р в плоскости склеиваемых элементов (пластин) приводит к деформации как склеиваемых элементов, так и клеевого шва. Это является причиной появления переменных напряжений, в основном касательных ( т ) в клеевом шве и нормальных (а) для склеиваемых поверхностей металла. По длине клеевого соединения напряжения распределены неравномерно; максимальное напряжение ттах в клеевом шве находится на конце нахлестки и может в несколько раз превышать величину среднего напряжения Тср, определяемого величиной нагрузки Р, деленной на площадь склеивания F. Для количественной оценки распределения напряжений необходимо использовать довольно громоздкий математический аппарат, не располагая к тому же необходимыми исходными данными (такими как толщина, критерии прочности клеевого шва, его деформационные свойства). Положение осложняется еще и тем, что напряжения в клеевом шве во времени не остаются постоянными, а могут существенно перераспределяться, поэтому этот способ имеет ограниченное применение.
В большинстве практических случаев, а также при экспериментальной оценке клеевых соединений оценка прочности клеевого шва сводится к определению разрушающей нагрузки для клеевого соединения или к определению «средней прочности» путем деления разрушающей нагрузки Р, Н, на площадь склеивания F, м2.
Условие прочности клеевого соединения на сдвиг можно выразить как р
Т =—. (1)
сР р 47
Условие прочности клеевого соединения на отрыв будет иметь вид
а = — <(7. (2)
Величины Т и а измеряются в Па.
ср V
Допустимые напряжения сдвига [т] , Па, и [а , Па, можно определить, поделив значение предельных напряжений тпр и ¿гпр для клея на коэффициент запаса прочности п:
Т = Ч п
а = ^ п
(3)
(4)
Коэффициент запаса прочности зависит от многих факторов (правильности подбора клея, ответственности и условий эксплуатации клеевого соединения), и обычно его принимают п > 2 .
Пределы прочности клеев на отрыв и сдвиг примерно равны между собой и также зависят от многих факторов (вида склеиваемых материалов, способа подготовки поверхности и т. д.). Для современных клеев т и ап достигают значения 25-40 мПа.
Однако справедливость этих формул обеспечивается только в том случае, если более или менее равномерно распределены напряжения по всей площади клеевого шва, а склеиваемые элементы обладают достаточной жесткостью.
Следует также иметь в виду, что увеличение площади клеевого шва за счет увеличения длины нахлестки может повышать несущую способность соединения только до определенного предела, что следует из анализа напряженно деформированного состояния. После достижения определенной длины нахлестки разрушающая нагрузка стремится к постоянной величине и увеличить значение разрушающей нагрузки можно только за счет увеличения ширины нахлестки, а если это невозможно по конструктивным соображениям, следует выбрать более рациональную схему клеевого соединения.
Если хотя бы один склеиваемый элемент будет эластичным (ткань, резина и т. д.) или
Теоретическое обоснование использования клеевых составов для разработки..
гибким (тонкий лист железа), то приведенные формулы теряют физический смысл, так как площадь клеевого шва не будет влиять на его несущую способность, а шов будет испытывать отдирающие напряжения. При этом напряжения концентрируются вдоль линии.
Поэтому для таких случаев расчет напряжения, Н/м, ведется по другой формуле, где нагрузка распределяется не на площадь, а на длину клеевого шва:
Р
" = И' (5)
где Ь - длина клеевого шва.
Следовательно, нет единой общепринятой теории расчета клеевых соединений, при расчете параметров клеевого соединения приходится основываться на результатах экспериментов.
При проведении ремонтных, регулировочных и регламентных работ, предусмотренных периодическими техническими обслуживаниями, а также в процессе эксплуатации нередко встречаются срывы, износ или повреждения резьбы. Дефектные гайки, болты и шпильки устраняются путем их замены. Для поврежденной резьбы в корпусной детали, изготовленной, как правило, из чугуна или сплавов алюминия, разработаны специальные способы ремонта. Они предусматривают нарезание резьбы увеличенного диаметра с последующей установкой соответствующего болта или шпильки, рассверливание отверстия с последующим нарезанием резьбы для установки резьбовых или пружинных вставок и т. д. Имеющиеся способы предусматривают использование специального оборудования и инструмента, которыми оснащены, как правило, только специализированные ремонтные предприятия. Поэтому дефект резьбы в корпусной детали часто является причиной ее замены при проведении ремонта в условиях мастерских общего назначения или гаражей.
Использование высокопрочных адгезивов позволяет надежно зафиксировать шпильку в отверстии с поврежденной резьбой. Технология применения адгезивов проста и заключается в очистке и обезжиривании соединяемых деталей, на которые затем наносится состав, после чего шпильку устанавливают в отверстие. После необходимой выдержки соединение готово к эксплуатации. Оно считается неразъемным, однако при не-
обходимости шпилька может быть демонтирована из отверстия путем ее нагрева свыше 300 0С.
Исходными данными для расчета служат осевая сила Fа, возникающая при заданном моменте затяжки гайки Тзат, предельное разрушающее напряжение клеевого шва на сдвиг Т , диаметр отверстия с1, а также его глубина 1. Величина предельного разрушающего напряжения клеевого шва на сдвиг Тпр для современных клеев и компаундов достигает 25-35 мПа [1]. В клеевом шве касательные напряжения распределяются неравномерно. Максимальное напряжение в клеевом шве может в несколько раз превышать величину среднего напряжения сдвига, которое для нашего случая, согласно [2], находится на верхней кромке отверстия. Если допустить, согласно [3], равномерное распределение напряжений в клеевом шве, что широко используется в инженерных расчетах, то получим среднее значение касательных напряжений Т , возникающих в клеевом шве, которое зависит от параметров клеевого соединения и величины действующей нагрузки. Для нашего случая оно равно
т„
(6)
ср пdI ’
где d - диаметр отверстия; 1 - длина клеевого шва.
Силу затяжки шпильки можно определить, зная момент затяжки Тзат, который задается для каждого резьбового соединения и равен сумме моментов трения в резьбе и на торце поверхности гайки, что можно записать следующим равенством:
Т = Т Л Т . (7)
зат рзб тор 4 ’
Момент трения на торце поверхности гайки, согласно [4], определяется по формуле
т = р
тор зат </ /-ч 5
(8)
где F - осевая сила, действующая на шпильку (сила затяжки); d ср - средний диаметр кольцевой поверхности трения гайки; у - коэффициент трения на кольцевой поверхности гайки.
Момент трения в резьбе Трз6 определяется по формуле
= к
d2
(9)
где d2 - средний диаметр резьбы; в - угол подъема винтовой линии резьбы; рпр - приведенный угол трения в резьбе.
Подставив в выражение (7) значения Ттор из (8) и Трз6 из (9), получим выражения для определения момента затяжки:
TL = Ft у tg (+ Рпр ) + Ft f dp ■ Из (10) можно найти F :
v ' зат
F = . 2T-
(10)
(11)
¿гШ ( + Рпр ) + Д*'
Условие прочности клеевого соединения на сдвиг, согласно (6), имеет вид
<[т].
т =
ср ndl
(12)
Допустимые напряжения сдвига можно определить, поделив значение предельных напряжений на коэффициент запаса прочности п:
И =—; (13)
п
где Тпр для рекомендуемого анаэробного полимера Ан-П1 равно 30 Мпа.
Зная величину допустимых напряжений сдвига [т] для известного полимера и диаметр резьбы, можно определить минимальную глубину 1 отверстия для установки шпильки:
1
(14)
nd [г]
В качестве примера для расчета возьмем шпильку М10 с крупным шагом и моментом затяжки Т = 20 Нм. Чтобы рассчитать F , согласно
зат г зат7
(6), необходимо иметь значения f и рпр.
Коэффициент трения стали по стали можно приблизительно считать f = 0,15; рпр - угол трения в резьбе, который определяется из выражения
/пр = tgPnp, (15)
где/ - приведенный угол трения, который для метрической резьбы определяется как
f
= J = 0,15 Jnp cos 300 0,866
= 0,1732,
Для М10 шаг р = 1,5 мм; d2 = 9,026 мм; средний диаметр гайки dcp = 12,65 мм.
Угол подъема винтовой линии резьбы определяется из соотношения
tgß = = 1,5 = 0,053; ß = 3,040.
nd2 3,14-9
Тангенс суммы углов равен tg (ß + РПр ) = tg (3,04 + 9,82 ) =
= tg12,86 = 0,228.
Подставив в выражение (11) полученные значения, получим F3aT = 10128 Н.
Среднее касательное напряжение определяется из (12), где 1 - глубина ввертывания шпильки, которая принимается из справочных данных и обычно не превышает 2,5 диаметра шпильки [5].
Подставив в (12) полученные значения, найдем Тпр, которое равно 12,9 мПа, а [г], согласно (13), равно 15 мПа для выбранного полимера Ан-111 при коэффициенте запаса прочности, равном 2.
Теоретическим анализом установлено, что клеевой шов обеспечивает необходимую прочность соединения, на основании чего можно утверждать о практической целесообразности применения предлагаемого метода восстановления нарушенного резьбового соединения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Составы анаэробные уплотняющие (герметики). Клеи акриловые. Каталог. Дзержинск, 1997.
2. Фрейдин А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1981.
3. Мотовилин Г.В. Склеивание. Параллельный словарь-справочник - СПб.: Наука, 2000.
4. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для студентов втузов. Изд. 6-е, перераб. / под ред.
В.А.Финогенова.- М.: Высшая школа, 2000.
5. Мягков В.Д. Краткий справочник конструктора. - Л.: Машиностроение, 1975.
Поступила 03.12.2009 г.
откуда угол трения в резьбе рпр = 9,820.
Применение клеевых составов при техническом сервисе
О.П. Голубев, к.т.н., профессор, e-mail: golubevop@delfincom.ru
И.Л. Кручер, преподаватель, e-mail: stokato@list.ru
О.С. Никишина, инженер
С.В. Стребков, к.т.н., доцент
С.В. Ушаков, аспирант, e-mail: usegav@bk.ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва
Рассмотрены способы восстановления работоспособности деталей машин и оборудования при помощи клеевых составов; проанализированы свойства клеевых составов на основе отечественного и зарубежного опыта их применения; доказано, что использование полимерных композиционных материалов при техническом сервисе машин и оборудования экологически оправдано.
The authors examine techniques to renovate machine parts and equipment with the use of adhesives. This article analyzes the properties of adhesive solutions and their use in Russia and in the world. The use of polymer composite materials for the technical autoservice and equipment is economically feasible.
Ключевые слова: адгезив, клеевые составы, автосервис, полимерные материалы, герметизация микротрещин. Key Words: adhesion, adhesives, autoservice, polymeric materials, sealing of microfissure.
Для поддержания автомобиля в исправном техническом состоянии требуется не только своевременное проведение технического обслуживания, но и устранение различных неисправностей. Использование полимерных материалов позволяет существенно расширить номенклатуру услуг, оказываемых автосервисами. В торговле имеется широкий выбор как отечественных, так и импортных полимерных материалов. Зная характеристики этих материалов, а также типовые технологии их использования, можно производить сложные ремонтные работы без применения дорогостоящего специального оборудования.
Использование полимерных материалов позволяет во многих случаях не только заменить сварку, наплавку, пайку, но и восстановить работоспособность деталей, ремонт которых традиционными способами невозможен или затруднен.
Рациональное использование физико -механических и химических свойств полимерных материалов позволяет снизить трудоемкость ремонта машин и оборудования на 20%, себестоимость работ на 15-20% и сократить при этом расход металлов на 40-50%. При техническом сервисе машин и оборудования преимущественно приходится иметь дело с деталями, бывшими в эксплуатации, а это значит, что поверхность их загрязнена различными отложениями органического, химического и природного происхождения, не исклю-
чено и наличие коррозии. С учетом вышеизложенного разработаны практические рекомендации по использованию клеевых составов при техническом сервисе автомобильной техники.
Ниже приведены типовые технологии, на базе которых могут быть разработаны и другие технологии использования адгезивов для ремонта и обслуживания автомобильной техники.
Ремонт сердцевин радиаторов
Несмотря на разнообразие конструкций радиаторов, используемых в автомобильной технике, и различия в материалах, из которых они выполнены, представленная технология является универсальной, т.е. пригодной для использования в любых условиях.
Сложность устранения течи в радиаторе состоит в том, что не всегда удается точно определить место течи, а также в том, что оно часто оказывается труднодоступным для герметизации. Для ремонта радиаторов в основном используются технологии, в соответствии с которыми сам радиатор полностью разбирается, на стенде определяются поврежденные трубки, после чего их запаивают с обоих концов или меняют. Такая технология допускает пайку до 10% трубок, что существенно уменьшает теплоотдачу радиатора. Данная технология трудоемка и не может быть использована для новых ти-
