Исследование физико-механических свойств полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных машин с целью повышения их ресурса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.03, кандидат технических наук Королев, Александр Викторович

• Королев, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Королев, Александр Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение

1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи

1.1 Назначение и требования, предъявляемые к покрытиям прессовых валов

1.2 Основные свойства и физико-механические характеристики полиуретановых покрытий

1.3 Структурные параметры технического состояния покрытий

1.4 Анализ работ по виброактивности, напряженно-деформируемому состоянию и диагностике поверхностных вязкоупругих слоев

1.5 Выводы и постановка задачи исследования

2. Обоснование параметров стенда для определения характеристик покрытий валов

2.1 Условия работы прессовых валов на реальных бумагоделательных машинах

2.2 Назначения стенда

2.3 Силовой анализ конструкции стенда

2.4 Динамические воздействия

2.4.1 Силовые, кинематические, параметрические

2.5 Колебания валов стенда

2.5.1 Частоты собственных колебаний прижимного вала

2.5.2 Поворотные колебания

2.5.3 Поступательно-поворотные колебания

2.6 Выводы по разделу

3. Моделирование напряженно-деформированного состояния полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных

машин

3.1 Постановка задачи

3.2 Описание модели контакта двух цилиндров с покрытием

3.2.1 Выбор модели поведения покрытия

3.2.2 Верификация модели

3.2.3 Построение плоской конечно-элементной модели

3.2.4 Построение объемной конечно-элементной модели гиперупругого контакта валов

3.3 Моделирование процессов напряженно-деформированного состояния в покрытии

3.3.1 Описание кинематики конечных деформаций покрытия

3.3.2 Тензоры напряжений, характеризующие напряженное состояние в покрытии

3.3.3 Определение напряженно-деформированного состояния контактной области и межосевого расстояния на плоской модели

3.3.4 Определение напряженно-деформированного состояния контактной области по краям вала при изменяемой геометрии скоса

3.4 Выводы по разделу

4. Экспериментальные исследования параметров облицовки

4.1 Постановка задачи

4.2 Температурные исследования на образцах

4.3 Методика проведения экспериментов на стенде

4.3.1 Определение площадки контакта

4.3.2 Определение коэффициентов жесткости контакта

4.3.3 Определение коэффициента трения качения валов с покрытием

4.3.4 Определение температуры покрытия

4.3.5 Определение динамических характеристик контакта валов.. 103 4.4 Выводы по разделу

ВЫВОДЫ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Документы о поверке средств измерений

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт внедрения результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физико-механических свойств полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных машин с целью повышения их ресурса»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Целлюлозно-бумажная промышленность - отрасль народного хозяйства, специализирующаяся на выпуске бумаги и картона. Технологический процесс бумажного производства осуществляется на уникальном оборудовании, где бумаго- и картоноделательные машины (БМ) являются наиболее сложными системами, работающие в автоматическом режиме без резервирования.

Повышение производительности современных БМ осуществляется за счет увеличения скорости и единичной мощности, что ведет к изменению многих параметров технологического режима, в частности, увеличению линейного давления между валами. Одновременно повышаются требования к надежности и эффективности работы основных частей и узлов БМ.

Непрерывность и безаварийность работы БМ зависит от многих факторов, среди которых надежность работы узлов и элементов ее составных частей. Одним из таких элементов являются полиуретановые покрытия валов. Такие покрытия используются на сетко-, сукно-, бумаговедущих валах, прессовых валах, включая валы клеильных прессов, валах мягких каландров [1]. Использование покрытий делает процесс производства бумаги более рентабельным - увеличивается срок службы валов, повышается качество готовой продукции.

Основная функция полиуретановых покрытий прессовых валов и валов мягких каландров - технологическая. Покрытия сглаживают последствия неправильной бомбировки, обеспечивают более равномерное давление при местных изменениях толщины бумажного полотна по сравнению с металлическими валами, а также дают возможность работать с большим линейным давлением и увеличить время нахождения полотна в захвате [2].

Работа при повышенных линейных давлениях, скоростях, температуры приводит к преждевременному выходу из строя покрытий, вследствие изменения напряженно-деформированного состояния. Это приводит к разрушению адгезионного соединения между покрытием и рубашкой вала (отслоению). В месте отслоения происходит снижение жесткости, что приводит к увеличению общего

уровня вибрации валов, снижению качества выпускаемой продукции. Поэтому для обеспечения продолжительной работы покрытий необходимы исследования, направленные на повышение ресурса покрытий.

Степень разработанности проблемы. Вопросам изучения напряженно-деформируемого состояния поверхностных вязкоупругих слоев в рамках теории контактного взаимодействия посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых. Среди отечественных исследователей, наибольших успехов достигли ученые института проблем механики РАН, в частности, И.Г. Горячева, ее коллеги и ученики [3-6]. Их исследования позволили получить соотношения между напряжениями и деформациями при скольжении цилиндра по вязкоупругому основанию; установить влияние несовершенной упругости реальных материалов и проскальзывания тел в зоне площадки контакта на распределение напряжений в этой области. Эти работы не могут быть в чистом виде применены для определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с покрытиями, так как не учитывают распределение напряжений, деформаций на границе «рубашка вала-покрытие», где и происходит появление дефектов, приводящих к останову бумагоделательной машины.

Большой вклад в исследовании процессов деформирования облицовочного слоя применительно к оборудованию ЦБП внесли Ефимов [7-9] и Новиков [10].

И.Н. Ефимов предложил систему дифференциальных уравнений термовязко-упругости с начальными и граничными условиями для описания деформирования эластичного слоя (покрытия) прессовых валов [7]. Данный подход позволяет проанализировать несколько параметров, влияющих на работоспособность: линейное давление, толщина облицовки, неравномерность температурного поля и т.д. и получить картины распределения нормальной и касательной составляющих внешней нагрузки и др. К недостаткам данной модели можно отнести то, что процесс деформирования рассматривается в плоскости. Это не позволяет рассматривать распределение деформаций по длине вала, не учитывается влияние краевых эффектов на процессы деформирования в покрытии.

Н.Е. Новиков провел множество экспериментальных исследований по изучению влияния диаметра валов, линейного давления, скорости машины, твердости и толщины резинового слоя, температуры и других показателей на величину площадки контакта; влияние времени работы на температуру резиновой облицовки которые отражены в монографии [10]. Однако в монографии не рассматриваются вопросы напряженно-деформированного состояния покрытий. Скорость машин, линейное давление и материалы, используемые в качестве покрытий прессовых валов, изменились, требуются новые исследования.

Среди зарубежных исследователей, занимавшихся вопросами контакта слоистых упругих и вязкоупругих тел, можно выделить работы Калкера [11] и Брата [12]. В этих работах теоретически и экспериментально изучался контакт качения двух цилиндров с покрытиями из вязкоупругих материалов, в частности резины. Для исследований использовались различные численные и вариационные методы определения напряжений в зоне контакта для слоистых упругих и вязко-упругих покрытий. Однако в трудах этих ученых не учитывается величина адгезии между валом и покрытием, не рассматривается влияние напряжений и деформаций на температуру покрытий, не учитывается влияние краевого эффекта на напряженно-деформированное состояние покрытий.

Срок службы покрытия во многом определяется виброактивностью валов прессовой части. На виброактивность валов прессовой части влияет техническое состояние покрытий. Больших результатов в исследовании виброактивности ПЧ добились ученые кафедры МиО ЦБП Уральского государственного лесотехнического университета. Основная часть исследований проводилась в сфере изучения вибрации [13-17].

Исследованиями колебаний двухвальных прессов занимались С.А. Мишин и С.А. Зарубин. В работе [18] неоднородность упругих свойств облицовки вала рассматривалась как один из источников колебаний валов. Были получены дифференциальные уравнения, описывающие поступательные и поворотные колебания валов.

Динамикой многовальных прессов БМ занимался C.B. Тойбич. В диссертации [19] получены передаточные функции и фазочастотные характеристики элементов прессовых частей с учетом поступательных, поворотных и изгибных колебаний.

A.A. Санников и Н.В. Куцубина занимались разработкой вибрационных расчетов [13,20,21], оценкой и прогнозированием вибрационного состояния бумагоделательных машин, в том числе прессовых частей, было установлено, что большинство источников вибрации проявляется на оборотных частотах, в том числе и дефекты покрытия.

Однако в трудах этих ученых не рассматриваются вопросы изменения параметров колебаний валов с покрытиями на различных силовых и скоростных режимах работы.

Наиболее перспективными являются исследования напряженно-деформированного состояния покрытий различных геометрических размеров с учетом режима работы, динамических характеристик валов с покрытиями и исследование изменения физико-механических характеристик покрытий при изменении температуры. Данные исследования позволят отработать методику определения напряженно-деформированного состояния, получить картины распределения напряжений, деформаций, перемещений в зоне контакта и установить причину их возникновения. Кроме того, определить пятно и жесткость контакта, установить изменение твердости покрытий измеренной по ГОСТ [22,23] и твердости в эксплуатационных условиях и другие параметры.

Применение полученных данных и экспериментально проверенных методик расчета на практике позволят обоснованно вносить изменения геометрических размеров и физико-механических свойств покрытий при изготовлении. Эти данные могут быть также использованы технологическими службами предприятий ЦБП при эксплуатации валов с покрытиями для повышения эффективности их работы.

Целью работы является повышение ресурса полиуретановых покрытий прессовых валов бумагоделательных машин путем решения следующих задач:

определения параметров напряженно-деформированного состояния в зоне контакта валов с учетом физико-механических свойств покрытий;

моделирования параметров напряженно-деформированного состояния на краях валов с учетом геометрии скоса;

экспериментального определения физико-механических свойств полиурета-новых покрытий с изменением температуры;

комплексных исследований полиуретановых покрытий валов на стенде. Методологической основой диссертационного исследования является комплексный подход, базирующийся на на эмпирическо-теоретическом методе познания. Для изучения влияния температуры на физико-механические свойства покрытий, динамических характеристик валов с покрытиями, размеров и формы площадки контакта, жесткости контакта валов использовался общенаучный метод познания - эксперимент. Для исследований напряженно-деформированного состояния, жесткости контакта использовался метод познания - моделирование.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных положений динамики машин, теории колебаний, методов конечных элементов. Экспериментальные исследования проведены на стенде ООО НПП «Уником-Сервис», спроектированном специально для исследований полиуретановых покрытий валов. При экспериментальных исследованиях использован анализатор вибрации «СД-12М» фирмы «ВАСТ», пирометр Center 350, дюрометры типа А и D, лицензионное программное обеспечение и другое. Геометрические построения выполнены в системе трехмерного параметрического моделирования Pro|Engineer, численные расчеты проведены в системе конечно-элементного анализа ANSYS (в рамках обучающих лицензий и студенческих версий программ).

Научная новизна работы. Реализована математическая модель контакта валов с покрытиями с учетом физико-механических свойств полиуретановых покрытий. Определены размеры и форма пятна контакта между валами при различных линейных давлениях. Реализовано численное моделирование процессов напряженно-деформированного состояния полиуретановых покрытий в зоне контакта ва-

лов. Установлено изменение твердости полиуретановых покрытий при увеличении температуры. Установлено влияние геометрии скоса на распределение параметров напряженно-деформированного состояния на краях покрытий. Определены коэффициенты жесткости в зоне контакта в зависимости линейного давления. Определено изменение температуры в зоне контакта в зависимости от скоростных режимов и линейного давления. Выявлено изменение динамических характеристик валов на различных режимах работы.

Достоверность результатов исследований и рекомендаций обуславливается использованием при моделировании напряженно-деформированного состояния покрытий прогрессивного метода конечных элементов, реализованного в известных программных средствах, при исследовании вибрационных процессов - развитой теории колебаний. Достоверность численных расчетов подтверждается сходимостью с экспериментальными данными. Величина жесткости контакта модели экспериментально подтверждена на стенде ООО НПП «Уником-Сервис», при этом погрешность жесткости контакта составила не более 15%. Адекватность описания деформаций сжатия полиуретана моделью подтверждена на испытательной машине INSTRON 5582 лаборатории ООО НПП «Уником-Сервис» -ошибка численного эксперимента для материала с твердостью 70 Шор D не превышает 29% на всем диапазоне усилий прижима, для материала с твердостью 95 Шор А ошибка не превышает 28%. Достоверность экспериментальных данных по измерению температуры и твердости полиуретановых покрытий обусловлена использованием поверенных средств измерений.

Практическая значимость. Экспериментальные данные и теоретические методики расчета рекомендуется использовать при проектировании новых прессовых валов бумагоделательных машин, а также при выборе геометрических размеров и физико-механических свойств покрытий при нанесении новых покрытий на валы. Экспериментальные данные могут быть использованы технологическими службами предприятий ЦБП для повышения эффективности работы покрытий прессовых валов. Методика моделирования напряженно-деформированного состояния покрытий пригодна для прессовых валов, валов мягких каландров БМ.

Результаты работы следует использовать при проектировании покрытий прессовых валов на предприятиях, изготавливающих покрытия, при эксплуатации прессовых валов на предприятиях ЦБП, а также в учебном процессе в курсах «Теория и конструкция машин и оборудования отрасли» и «Диагностика машин и оборудования». Использование предложенных методик расчета напряженно-деформированного состояния покрытий и экспериментальных данных подтверждены актами внедрения работы на ООО НЛП «Уником-Сервис».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технической конференции студентов направления «Технологические машины и оборудование» 2009; международной научно-технической интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» 15.10-11.2012 г. (БГИТА, Брянск); научно-техническом семинаре «Организация и методы безопасной и эффективной эксплуатации технологических машин и оборудования с исчерпанным нормативным ресурсом» 2013г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы по единому наряд - заказу Минобразования РФ [24].

Научные положения, выносимые на защиту:

результаты моделирования напряженно-деформированного состояния валов с полиуретановыми покрытиями с учетом их физико-механических свойств, геометрии и нагружения;

результаты экспериментальных исследований изменения твердости полиуретанов, применяемых для покрытий прессовых валов БМ, при повышенных температурах;

результаты экспериментальных исследований на стенде: определение жесткости контакта;

определение коэффициента трения качения валов с покрытиями; определение температуры покрытий по длине; динамические характеристики контакта валов с покрытиями.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений. Она включает 134 страницы машинописного текста, 58 ил., 21 табл., 111 наименования использованных источников, в том числе 24 иностранных.

В первом разделе проведен обзор покрытий, применяемых на прессовых валах БМ, проанализированы требования, предъявляемые к покрытиям прессовых валов, а также основные физико-механические свойства покрытий; рассмотрены структурные параметры технического состояния покрытий; выявлены дефекты, влияющие на динамику валов ГШ, выполнен обзор работ по виброактивности, диагностике и напряженно-деформируемому состоянию поверхностных вязкоупру-гих слоев в рамках теории контактного взаимодействия, сделаны выводы и произведена постановка задачи исследований.

Во втором разделе выполнен силовой анализ стенда и получено уравнение для расчета коэффициента трения качения валов. Рассмотрены основные динамические воздействия на валы стенда, созданы динамические модели, описывающие поворотные и поступательно-поворотные колебания прижимного вала стенда, получены амплитудно-частотные характеристики поворотных и поступательно-поворотных колебаний прижимного вала стенда при различных динамических воздействиях. Выполнен модальный анализ рамы стенда и определены частоты собственных колебаний рычага прижима.

В третьем разделе описано создание математической модели контакта валов с покрытиями с учетом адгезионного слоя между полиуретановым покрытием и металлической рубашкой вала в двухмерной и трехмерной постановке, построена плоская конечно-элементная модель и конечно-объемная модель контакта валов с покрытиями. Определены параметры НДС в покрытии, с учетом его геометрии, получены картины распределения нормальных напряжений и напряжений сдвига, деформаций и перемещений в покрытии и рубашке валов.

В четвертом разделе описаны средства и методика определения размера и формы площадки контакта, жесткости контакта, коэффициента трения качения валов с полиуретановыми покрытиями, температуры покрытий на стенде

ООО НПП «Уником-Сервис», а также экспериментальные данные по изменению твердости полиуретанов при рабочих температурах прессовых валов. Результаты численного расчета подтверждены экспериментальными данными, полученными на стенде.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1.Назначение и требования, предъявляемые к покрытиям прессовых

валов

В бумагоделательных машинах большая часть валов имеет покрытия из эла-стомерных материалов. Использование покрытий делает процесс производства бумаги более рентабельным - увеличивается срок службы валов, повышается качество готовой продукции. Покрытия позволяют увеличивать площадку контакта между валами и как следствие, обеспечивать на выходе из прессовой части сухость бумажного полотна 42 - 48% [25]. Общеизвестно [25], что увеличение сухости в прессовой части на 1% дает экономию пара около 4%. Прессовая часть БМ виброактивна. Элементы ПЧ, как правило, при работе на скоростях более 500м/мин и высоких линейных давлениях вызывают высокочастотную и низкочастотную вибрацию. Высокочастотная вибрация является следствием разбалан-сировки валов, дефектов подшипников, она зачастую проявляется на собственных частотах колебаний прессовых валов и станин. Низкочастотная вибрация возбуждается неоднородностями параметров сукна (толщины, упругих свойств). Покрытия из эластомерных материалов сглаживают последствия неправильной бомбировки, обеспечивают более равномерное давление при местных изменениях толщины бумажного полотна, а также дают возможность работать с большим линейным давлением, увеличить время нахождения полотна в захвате. Всё это можно отнести к технологической функции покрытия. Очень часто наряду с технологической функцией, покрытия выполняют антикоррозионную функцию, предохраняя рубашку валов от коррозии, причиной которой является работа при высокой влажности и в агрессивной среде.

В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность изготавливает покрытия валов из различных полимерных материалов с широким спектром физико-механических свойств.

Натуральный каучук (N11) обладает хорошей адгезией с металлом, высоким сопротивлением раздиру, влагостойкостью, износостойкостью, имеет высокую

эластичность и низкую остаточную деформацию. Диапазон рабочих температур находиться в пределах от -60°С до +75°С, кратковременно выдерживает до +95°С [26]. Натуральный каучук практически не применяется в современной промышленности, так как обладает низкой маслобензостойкостыо и имеет достаточно высокую стоимость.

Нитрильный каучук (NBR) обладает высоким сопротивлением раздиру, хорошей износостойкостью. Рабочая температура до +80°С, для некоторых типов покрытий допустима кратковременная температура до +130°С [27]. Характеризуется отличной маслобензостойкостыо (спирты, растительные масла, кислоты). Озон, кетоны, эфиры и углеводороды показывают негативное влияние на нитрильный каучук. Различают покрытия черного и светлого цветов, причем более износостойкие - черные, так как в их состав входит сажа. Сажа улучшает стойкость резинового покрытия к истиранию, придает большую прочность, оказывает влияние на модуль упругости материала и тепловые процессы, происходящие в резиновом покрытии при эксплуатации.

Полихлоропреновый каучук (CR) - устойчив к воздействию химикатов (кислот, масел, растворителей, озону). Озон, кетоны, эфиры и углеводороды показывают негативное влияние на покрытия из полихлоропренового каучука. Рабочая температура +80°С, допускается кратковременное увеличение температуры до +110°С. Постоянное воздействие высокой температуры снижает эластичности покрытия [27].

Тройной этилен-пропиленовый каучук (EPDM) обладает хорошей стойкостью к озону, высокую термостойкость (до +180°С ), маслобензостойкость и износостойкость. Тройной этилен-пропиленовый каучук изготавливается из дешевых сырьевых материалов и поэтому широко используется во всех отраслях промышленности [27].

Бутадиен-стирольный каучук (SBR) - обладает хорошей адгезией с металлом и отличной износостойкостью. Он выдерживает воздействие слабых химикатов, кислот, щелочей, органических кислот и спиртов. Масла, большая часть углеводородов и концентрированные кислоты разрушают покрытия из бутадиен-

стирольного каучука, тем самым снижают его прочностные и эксплуатационные качества [27].

Полиуретан (PU) может заменять резину различных марок (в некоторых случаях и металлы), благодаря таким свойствам как: износостойкость, кислотостой-кость, маслобензостойкость, высокие диэлектрические свойства, а также возможность работы при высоких давлениях (до 750 атм.) в широком температурном диапазоне (от -60° до 140°С). Наиболее распространенным типом полиуретанов в настоящее время являются литьевые полиуретаны типа СКУ ПФЛ - 100, НИЦ ПУ-5, имеющие по отношению к другим видам, более высокие физико-механические характеристики и твердость по Шору А 85 - 90 единиц [28].

При увеличении рабочих скоростей и давлений значительно возросли требования, предъявляемые к покрытиям. Современные режимы работы БМ приближаются к пределам стойкости резиновых облицовок [10].

Покрытия из полиуретана по своим физико - механическим свойствам и характеристикам наиболее полно отвечают требованиям по сравнению с другими эластичными материалами. Применение покрытий из полиуретана в машинах зачастую увеличивает их ресурс в несколько раз.

Кроме того, полиуретан имеет меньший гистерезис, чем у резин, что дает ему возможность работать при более высоких линейных давлениях и скоростях. При специальной обработке полиуретан имеет прочные связи (адгезию) с металлом [2].

Обладая хорошими физико-механическими свойствами, большинство материалов покрытий не выдерживают тяжелых условий эксплуатации и выходят из строя. Причиной этому является несовершенство технологии нанесения покрытий, использование нерациональных геометрических размеров покрытий, недостаточная адгезия покрытия с рубашкой вала и ряд других факторов.

Существует несколько технологий нанесения покрытий на валы [29]. Методом конфекционной сборки последовательно накладывают каландрированные листы толщиной 1 ...2мм. Каждый слой тщательно прикатывается к рубашке вала. Данный способ не нашел широкого применения в промышленности, так как имеет

низкое качество обрезинивания, высокую трудоёмкость, ограничивает использование резин с плохой конфекционной клейкостью.

Более совершенный метод нанесения покрытия на вал - метод спиральной навивки, он лишен недостатков предыдущего метода. Данный метод позволяет наносить покрытия любых типов: резина, полиуретан. Его суть заключаться в нанесении экструдированной горячей ленты полимера на рубашку или на предыдущий слой. Нанесенная лента тщательно прикатывается под большим давлением специальным роликом, который расположен под углом к поверхности вала. Недостатком данного способа нанесения покрытия является сложность оборудования и высокие требования к центровке вала.

Так же известен метод так называемой "прямой экструзии", когда металлический вал протягивается через массу резиновой смеси. Недостатком этого способа нанесения покрытия является ограничения по габаритным размерам вала.

Метод заливки в форму, также применяется для нанесения покрытия на вал. Существенными недостатками данного метода являются неоднородность твердости покрытий по длине или по диаметру, в зависимости от расположения вала при заливке и необходимость изготовления литьевой оснастки для каждого конкретного вала. К положительной стороне можно отнести хорошую адгезию покрытия с рубашкой вала.

Самый совершенный и наиболее часто встречающийся способ нанесения покрытия - ротационное литье. Суть метода заключается в нанесении на вращающийся вал через дозирующее устройство полиуретановой системы с малым сроком «жизни» (15-60с). Преимущества ротационного метода литья полиуретана: не требуется изготовления литьевой оснастки, получение покрытия с минимальным припуском на механическую обработку, короткие сроки для изготовления покрытия, широкий диапазон получаемых твердостей, исключительная однородность покрытия по составу, и по твердости, высокая адгезия с поверхностью, возможность нанесения многослойных покрытий с разной твердостью.

Все покрытия валов можно классифицировать по нескольким признакам: по назначению вала, по материалу покрытия, по способу литья.

Для эффективного выполнения своих технологических функций, покрытия валов должны удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой износостойкостью, стабильной твердостью во всем диапазоне рабочих температур, хорошей адгезией с рубашкой вала, сопротивлением воздействию минеральных масел и растворителей, обеспечивать легкое удаление бумаги с поверхности облицовки. Для того чтобы одновременно учесть вышеперечисленные особенности и подобрать покрытия, которые обладают всеми требуемыми характеристиками с длительным сроком службы, необходимо исследовать процессы, протекающие в зоне прессования при работе валов, что является условием производства готовой продукции высокого качества [2]. Полиуретановые покрытия сочетают в себе все эти качества, что делает их идеальным для применения на современных бумагоделательных машинах.

1.2.Основные свойства и характеристики полиуретановых покрытий

Увеличение скорости машин, линейного давления в зоне прессования - всё это тенденции развития бумагоделательного производства. И всё чаще полиуретановые покрытия приходят на смену покрытиям из резины - это обусловлено их лучшими характеристиками и свойствами. Физико-механические свойства полиуретана зависят от твердости и имеют резкую зависимость от перепадов температуры [1].

Твердость полиуретанов указывается целыми числами от 0 до 100 с буквами

А или Б. Определение проводится по шкале Шор А и Шор Б согласно

/

ДИН 53505. Под твердостью по Шору понимается сопротивление материала вдавливанию идентора в форме усеченного конуса под действием силы давления пружины. Чем больше число, тем выше твердость. Буква А используется для оценки твердости мягких покрытий, а буква Б - более твердых, причем области пересекаются (рисунок 1.1).

Диапазон твердостей покрытий, получаемых методом ротационного литья, от 60-95 единиц по Шор А и до 60 единиц по Шор Б.

Шор I)

Рис. 1.1. Взаимозависимость шкал твердости по Шору А и О Твердость покрытия в зоне контакта существенно зависит от температуры окружающей среды и от тепловых процессов, происходящих в покрытии. Внутренний разогрев полимерного покрытия является следствием сил вязкого трения [7]. Тепловой процесс внутри полимерного покрытия зависит от трех групп факторов: твердости, физико-механических характеристик и толщины покрытия; диаметра вала и типа поверхности; режимов работы (линейного давления, рабочей скорости, бомбировки и т.д) [10]. С увеличением температуры, твердость покрытия снижается. Это приводит к увеличению площадки контакта, а также снижению удельного давления прессования.

Модуль упругости Е полиуретана является важной характеристикой от которой зависит его твердость (жесткость). Модуль упругости не является постоянной величиной для материала и зависит от характера нагрузки, частоты воздействия и температуры, его оценивают обычно при растяжении на 100% и 300%. У большинства полимерных материалов различают статический и динамический модуль упругости. Явление увеличения модуля упругости от увеличения нагрузки принято называть динамическим модулем упругости. Диапазон модулей упругости полиуретана и резины представлен на рисунке 1.2.

Динамический модуль позволяет получить два рода информации: сведения о важнейших механических (деформационных) свойствах полимеров и о структуре, строении, составе и состоянии полимера. Кроме того, он позволяет изучить релаксационные процессы, которые и обусловливают важнейший комплекс физико-механических свойств полимеров.

Резина

Полиуретан

Рис. 1.2. Диапазон модулей упругости полиуретана и резины

Релаксация. Релаксацией называют процесс перехода системы к состоянию термодинамического равновесия. Процессы перехода к состоянию термодинамического равновесия в полимерах осуществляются за счет самых различных видов молекулярного движения. Каждому виду молекулярного движения соответствует определенный релаксационный процесс, который характеризуется своим временем релаксации [30-31].

Таким образом, реальные вязкоупругие тела, к которым принадлежит большинство твердых полимеров, обычно описываются спектром времен релаксации. Причины появления спектра времен релаксации:

неодинаковая скорость протекания релаксационных процессов в различных участках изделия;

наличие различных релаксационных механизмов; в случае полимеров к появлению спектра времен релаксации, по-видимому, приводит уже само наличие длинных полимерных цепей;

специфика межмолекулярного взаимодействия.

Для изучения релаксационных процессов применяются акустические методы. Необходимым условием является то, чтобы период звуковых колебаний был того же порядка, что и время релаксации полимера [32]. Акустические методы позволяют быстро и точно измерять параметры, характеризующие физические свойства полимеров: динамический модуль упругости и механические потери. Эти параметры содержат информацию не только о важнейших физико-механических свой-

ствах полимеров, но и об их структуре. Особенностью акустических методов является то, что их использование не приводит к изменению структуры полимерных материалов и разрушению исследуемых образцов. В этом смысле акустические (динамические) методы не могут быть заменены самыми надежными статическими механическими методами [32].

Феноменологическая релаксационная теория акустических свойств полимеров описывает процессы распространения продольных и сдвиговых волн в вязко-упругой среде. Данную теорию применяют для анализа ряда модельных систем, являющихся одним из способов описания вязкоупругого поведения реальных тел. Наиболее распространенными являются модель Максвелла, Кельвина-Фойхта и реологическая модель линейного стандартного тела (модель Зинера) [30-31].

Плотность полиуретана находиться в диапазоне от 1,1 - 1,23 г/см3.

Теплопроводность [Вт/м-К] меняется в зависимости от твердости, от 0,19 -для мягких материалов, до - 0,25 для твердых.

Покрытия прессовых валов работают в агрессивных средах и такая важная характеристика полиуретанов как химическая устойчивость, во многом определяет, как срок службы покрытия, так и качество готовой продукции. Химическая устойчивость зависит от количества, концентрации, времени действия, температуры воздействующего вещества.

Покрытия из полиуретана обладают хорошей износостойкостью, что крайне важно для их долговечной работы. Испытания на износостойкость проводятся согласно ГОСТ и определяются как потери объёма при истирании: 30 - 35 мм3 для мягких сортов и 20-30 мм3 для твердых.

1.3.Структурные параметры технического состояния покрытий

Информация, накопленная службами и отделами предприятий ЦБП, а также предприятия, занимающегося изготовлением и ремонтом покрытий ООО Н1111 «Уником-Сервис», дает полное понимание проблем, с которыми сталкиваются бумажники при эксплуатации валов с покрытиями.

Сведения по эксплуатации оборудования заносятся в журнал учета ремонтов, эксплуатационный журнал, дефектную ведомость [33].

Спектры вибрационного анализа следует также отнести к важной эксплуатационной информации. На предприятиях ЦБП нет полной накопленной систематизированной эксплуатационной информации. Хотя данные представленные в эксплуатационных журналах и анализ спектров вибрации позволили проанализировать имеющиеся отказы и сделать выводы. Были проанализированы эксплуатационные журналы механиков бумажного производства №2, №3 ОАО «Соликамск-бумпром», данные предоставленные службами технической диагностики других предприятий, а также данные отдела главного технолога ООО НПП «Уником-Сервис».

Наиболее часто встречающимся дефектом, приводящим к останову машины и замене вала, является разрушение адгезионного соединения полиуретанового покрытия и рубашки вала (рисунок 1.4.6). Различается несколько видов разрушения адгезионного соединения. Общепринятой считается следующая классификация видов разрушений: адгезионное, когезионное и смешанное (рис. 1.3). Адгезионное разрушение проходит непосредственно по границе раздела фаз (рис. 1.3.а). Когезионное разрушение может происходить вблизи поверхности раздела фаз (граничный слой) или по толщине покрытия (рис. 1.3.6). В зависимости от скорости деформирования покрытия характер разрушения изменяется. С повышением скорости деформирования когезионный характер разрушения сменяется смешанным.

Рис. 1.3. Виды разрушения адгезионного соединения: а - адгезионное, б - когезионное, в - смешанное

При скоростях деформирования, характерных для прессовых валов, полимер ведет себя как твердое тело с высоким модулем упругости. В этом случае харак-

тер разрушения будет по границе раздела металл-полимер, то есть адгезион-ный[34]. Доля такого рода дефекта у полиуретановых облицовок составляет порядка 90% от всех дефектов [35].

Остальные дефекты, такие как, вырыв части покрытия (рисунок 1.4.в) случаются довольно редко и, как правило, появляются вследствие попадания в захват валов твердых предметов. Такие дефекты как продольные (рисунок 1.4.а) и поперечные трещины не оказывают сильного влияния на качество продукции. Зародившееся отслоение начинает быстро развиваться либо по диаметру, либо по длине вала, приводит к увеличению параметров вибрации вала. Увеличение параметров вибрации валов приводит к увеличению нагрузок на узлы, механические системы и фундамент БМ, а также ведет к ухудшению качества вырабатываемой продукции. Таким образом, проблема отслоения покрытия от рубашки вала является актуальной, это связано с тем, что для данных условий работы вала не правильно подобраны физико-механические свойства покрытия, его геометрические размеры. Это связано с малой степенью изученности процессов, происходящих в зоне контакта. Такие вопросы как влияние геометрических размеров покрытия и его физико-механических характеристик на деформации при различных режимах нагружения и скоростях, распределения нормальных и касательных напряжений по толщине покрытия - всё это вопросы требующие глубокого изучения.

В современном производстве остро стоит вопрос о минимизации времени аварийного простоя оборудования. На смену планово-предупредительному ремонту приходит сочетание планово-предупредительного ремонта и ремонта по фактическому состоянию оборудования, где на первое место ставиться служба технической диагностики [36]. Встает вопрос об идентификации рассмотренных дефектов, особенно отслоения, на ранней стадии зарождения. Отслоение можно идентифицировать спектральным анализом вибрационного сигнала. Характерным диагностическим признаком отслоения покрытия является увеличение общего уровня вибрации. Главная причина - изменение жесткости в месте отслоения облицовки. Причины повышенной виброактивности прессовых валов и частоты их проявления в полном объеме рассмотрены в диссертации C.B. Тойбича [19].

ч \ *

■

в

Рис. 1.4. Дефекты прессовых валов: а - продольная трещина, б - отслоение покрытия, в - вырыв участка покрытия

Общеизвестно, что прессы относятся к батарейным конструкциям. Валы, входящие в батареи, кроме вибрации, характерной для одиночных валов, имеют следующие виды вибрации, обусловленные взаимодействием валов между собой, с сукном и бумагой: вынужденную, параметрическую, автофрикционную и самовозбуждающуюся.

Распределенная жесткость С0 в контакте сопрягаемых валов не является постоянной, а имеет периодически изменяющуюся часть из-за неоднородности сукна и/или обрезиновки прессовых частей

Со= С0сош1+Й=1 ЛС01 совро^+р.), (1.1)

где СОСОп51- постоянная составляющая жесткости;

ДС0;- амплитуда ¡-ой гармоники переменной составляющей жесткости; со— основная круговая частота переменной составляющей жесткости.

Периодически изменяющаяся жесткость С0 является источником параметрической вибрации валов с частотами, равными и кратными частотам изменения жесткости, которые, в свою очередь, равны и кратны частотам вращения валов и пробега сукон [36]. Спектры, приведенные на рисунке 1.5 являются типичным примером проявления переменной жесткости (отслоения) покрытия.

Н1В1

: нгм

*е к 1« 1« 1« м гг и

го и

а б

Рис. 1.5. Спектры вибрации гранитного вала второго пресса Б-21 в горизонтально-продольном (а) и вертикальном (б) направлении

Таким образом, основные частоты проявления отслоения покрытия равны и кратны частотам вращения валов и пробега сукон. Выявлено, что срок службы покрытия до появления отслоения редко превышает один год. Поэтому для эффективной эксплуатации валов с эластичными, в частности полиуретановыми, покрытиями бумажникам необходимо иметь научно обоснованные рекомендации по раннему предупреждению отслоения покрытия.

1.4.Анализ работ по виброактивности, напряженно - деформируемому состоянию и диагностике поверхностных вязкоупругих слоев

Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) полимерных покрытий при статическом и динамическом нагружении - актуальная задача. Особенно остро стоит вопрос об увеличении долговечности работы покрытия и

повышении эффективности прессования при модернизации частей БМ. Полимерные покрытия играют важную роль в прессовой части и других частях современных бумагоделательных машин и во многом определяют качество готовой продукции. Покрытия работают при высоких линейных давлениях, скоростях и нагружаются циклически. Исследования процессов НДС покрытий позволят повысить их эффективность и увеличить долговечность работы.

Задачами теории упругости, которые играют значительную роль в полимерных покрытиях, в рамках механики контактного взаимодействия занимались многие ученые. Основателем классической механики контактных взаимодействий является Г. Герц. Герцем в 1882 году была решена задача о контакте двух упругих тел с искривленными поверхностями. Столетие спустя Джонсон [37], Кендалл и Роберте [38] нашли аналогичное решение для адгезионного контакта. В середине двадцатого столетия Боуден и Тейбор [39,40] указали на важность учета шероховатости поверхности контактируемых тел. Гринвуд и Вилльямсон в 1966 году и Перссон в 2002 году доказали, что действительная площадь контакта шероховатых поверхностей в грубом приближении пропорциональна нормальной силе, а давление и размер отдельного микроконтакта слабо зависят от нагрузки [41, 42]. Данная теория позволила решить многие задачи, такие как колесо-рельс, расчет муфт, тормозов, при штамповке и др.

С появлением новых полимерных материалов интерес к повышению эффективности работы прессовой части и долговечности ее основных узлов увеличился. Изучение НДС, физико-механических характеристик покрытий является актуальной задачей, имеющей практическое применение для ЦБП.

Процессы, протекающие в контакте прессовых валов с облицованным нижним валом, следует рассматривать в теории вязкоупругости, так как полиуретано-вые покрытия обладают свойствами характерными для вязкоупругих тел. Первой наиболее общей из теорий вязкоупругости является теория наследственного типа, основа которой заложена в работах Больцмана [43] и Вольтерра [44]. Данная теория дает связь меду напряжениями, деформациями и временем. Именно быстрое развитие и широкая сфера использования полимерных материалов в последние

годы стимулировали развитие теории вязкоупругости. Это объясняется тем, что из-за особых свойств полимерные материалы имеют длительный срок эксплуатации без смазки, при высоких скоростях, повышенных температурах и других тяжелых условиях [45-49].

Наибольших успехов в изучении контактных задач вязкоупругих тел достигли ученые института механики металлополимерных систем АН Беларуси и института проблем механики РАН.

Исследования по изучению контактных задач вязкоупругих тел, проведенные И.Г. Горячевой, ее коллегами и учениками [53], позволили получить соотношения между напряжениями и деформациями при скольжении цилиндра по вязкоупру-гому основанию; установить влияние несовершенной упругости реальных материалов и проскальзывания тел в зоне площадки контакта на распределение напряжений в этой области.

Среди зарубежных исследователей, занимавшихся вопросами контакта слоистых упругих и вязкоупругих тел, можно выделить работы Калкера [11] и Брата [12]. В этих работах теоретически и экспериментально изучался контакт качения двух цилиндров с покрытиями из вязкоупругих материалов, в частности резины. Для исследований использовались различные численные и вариационные методы определения напряжений в зоне контакта для слоистых упругих и вязко-упругих покрытий.

На все процессы, протекающие в зоне контакта и его окрестности, большое влияние оказывает величина действующих там напряжений [3], а, как известно, при качении деформируемых тел в зоне контакта возникают нормальные и касательные напряжения [4].

Картину распределения касательных напряжений по площадке контакта определяют следующие факторы:

величина скорости относительного проскальзывания; коэффициент трения между контактирующими поверхностями; геометрические размеры; механические характеристики.

Полиуретаны и резины, применяемые для покрытия валов, являются полимерными материалами, физические свойства которых качественно отличаются от свойств известных конструкционных материалов. При деформировании эти эластомеры проявляют следующие свойства:

способность испытывать большие деформации в упругой области; малая объемная сжимаемость и большая податливость при сдвиге; зависимость механических характеристик от температуры, скорости нагру-жения, явления последействия и диссипации энергии; гистерезис.

Зачастую надежность и долговечность работы эластомерных покрытий во многом определяется их напряженно-деформированным состоянием.

Вопросы напряженно-деформированного состояния упругих и вязкоупругих тел рассмотрены в монографиях [5,7], в диссертации [9]. Теория и практика контактных задач изложена во многих научных публикациях [37, 39, 50-63].

Большой вклад в исследовании процессов деформирования облицовочного слоя применительно к оборудованию ЦБП внес И.Н. Ефимов. Им предложена система дифференциальных уравнений термовязкоупругости с начальными и граничными условиями для описания деформирования эластичного слоя (покрытия) прессовых валов [7]. Данный подход позволяет проанализировать несколько параметров, влияющих на работоспособность: линейное давление, толщина облицовки, неравномерность температурного поля и т.д. Были получены картины распределения нормальной и касательной составляющих внешней нагрузки и др. К недостаткам данной модели можно отнести то, что процесс деформирования рассматривается в плоскости. Это не позволяет рассматривать распределение деформаций по длине вала, не учитывается влияние краевых эффектов на процессы деформирования в покрытии.

Н.Е. Новиков провел множество экспериментальных исследований по изучению влияния диаметра валов, линейного давления, скорости машины, твердости и толщины резинового слоя, температуры и других показателей на величину площадки контакта; влияние времени работы на температуру резиновой облицовки

которые отражены в монографии [10]. Однако в монографии не рассматриваются вопросы напряженно-деформированного состояния покрытий. Скорость машин, линейное давление и материалы, используемые в качестве покрытий прессовых валов, изменились, требуются новые исследования.

В зоне контакта прессовых валов наблюдается проскальзывание [10]. Согласно исследованиям Г. Гуравда [64] скольжение валов составляет 4-5% при давлении 80 кгс/см2 с покрытием из резины твердостью 55 пунктов Пуссей-Джонса. Оно зависит от состояния сукна и возрастает вследствие его износа. С увеличением твердости покрытия скольжение валов уменьшается.

В работе [65] П.П. Усовым рассмотрена контактная задача для жесткого цилиндра и вязкоупругого слоя при скольжении. Решение данной задачи сведено к решению интегрального уравнения, ядро которого имеет логарифмическую особенность и содержит сумму несобственных интегралов. Показано, что функция распределения контактного давления может иметь два максимума.

В. И. Бахшалиевым в работе [66] рассмотрен процесс трения качения цилиндра (катка) по цилиндрической поверхности (опоре), где предложена гипотеза о возможности замены местного проскальзывания элементов поверхности катка относительным микроперемещением этих элементов в пределах площадки смятия.

Не менее важной является работа [67], где обсуждаются результаты исследования поведения полимерных композиционных материалов при трении скольжения со скоростями до 1000 м/мин. Показано, что решающую роль на параметры высокоскоростного трения и изнашивания оказывает фрикционная температура.

Влияние проскальзывания на распределение поверхностных, подповерхностных напряжений упругих тел, а также влияние свойств поверхностного слоя на напряженное состояние рассматривалось в работе [4]. Построенные зависимости позволяют изучить влияние величины относительного проскальзывания на максимальное значение растягивающих напряжений в контакте при различных значениях коэффициента трения. Проанализировано влияние тонкого поверхностного слоя, в том числе вязкоупругого, на распределение контактных и внутренних напряжений. Выявлено, что при наличии поверхностного вязкоупругого слоя

снижаются растягивающие напряжения в зоне контакта. Показано, что при увеличении относительного проскальзывания происходит увеличение касательных напряжений, причем, чем больше величина коэффициента трения, тем быстрее приближаются их максимальные значения к поверхности.

Вопросы релаксации напряжений в полимерных материалах нашли своё отражение в работе Н.Г. Диановой [68]. Автором был предложен метод построения неразностного ядра интегральной зависимости между напряжением и деформацией при одноосном нагружении и линейной вязкоу пру гости.

В зоне контакта протекают процессы рассеивания энергии, это связано с нелинейностью свойств эластичной облицовки. Два основных источника диссипации энергии в контакте: создание и разрыв адгезионных связей в контакте и циклическое деформирование контактирующих тел при скольжении. Сила, необходимая для создания и разрыва адгезионных связей в контакте, известна как адгезионная компонента силы трения, а сила сопротивления, возникающая при циклическом деформировании контактирующих тел при скольжении, как механическая составляющая силы трения.

Адгезионная компонента силы трения зависит от свойств поверхности контактирующих тел, свойства поверхностей в работах [69,70] отражаются в форме третьего тела.

Адгезионная составляющая металлических поверхностей связана с разрушением мостиков сварки. Для резин и резиноподобных полимеров - при термическом переходе молекулярных цепей от одного равновесного состояния к другому.

Механическая составляющая силы трения оказывается чаще всего моделью вязкоупругого тела.

Установлено, что основными источниками сопротивления качению являются:

трение, обусловленное относительным проскальзыванием поверхностей на площадке контакта;

несовершенная упругость реальных материалов;

силы молекулярного сцепления.

Суммарные проявления несовершенной упругости и сил трения скольжения рассмотрены в работах И.Г. Горячевой [4,5].

Большое внимание уделено рассеянию энергии в квазиупругих материалах. В частности при циклическом нагружении квазиупругих материалов В.И. Савенко экспериментально и теоретически установлена связь между плотностью энергии, поглощаемой в контактной паре при циклическом качении, и структурно-механическими характеристиками поверхностного слоя деформируемого материала [71].

На основе анализа экспериментальных результатов по исследованию трения резин в 1953 году Шалломахом была высказана мысль о молекулярно-кинетической природе трения. Опираясь на этот подход, Г.М. Бартеневым была предложена теория трения резин по гладким поверхностям [72], а в 1954 году им была получена теоретическая зависимость силы трения от скорости скольжения и температуры [69].

В [73] A.B. Рогачев и его сотрудники на основе молекулярно-кинетического подхода вывели выражение для энергии адгезионного взаимодействия контактирующих пар металл-полимер с учетом релаксационного состояния макромолекул полимера и режима трения.

В прессовой части БМ важное значение имеет поведение покрытий валов в условиях циклической нагрузки. В зоне контакта покрытие сжимается, при этом часть энергии сжатия преобразуется в тепло внутри покрытия. Повышение температуры покрытия ведет к снижению его твердости, при этом эффективность работы покрытия, его прочностные свойства покрытия, а также прочность соединения полимер - металл снижаются [7]. Важно учесть, что чем ниже гистерезис материала, тем ниже температура покрытия. При больших линейных нагрузках и высокой скорости БМ, материалы с высоким гистерезисом не эффективны для покрытий. Именно поэтому полиуретановые покрытия приходят на смену покрытиям из резины.

Тепловыми и термомеханическими задачами в контакте скольжения занимался П.Н. Богданович. В работе [74] рассмотрено влияние фрикционного нагрева на механизмы изнашивания материалов.

Задача повышения долговечности и надежности резиноподобных покрытий валов наметила направление многих работ на исследование НДС покрытий и динамических процессов в зоне контакта валов. Так в работе [75] применительно к вальным кожевенным машинам расчетными методами оценено распределение напряжений при различном модуле упругости резин. В ходе экспериментов получены данные по изменению износостойкости обрезиненных валов и температурного режима трения.

Одна из главных целей применения данных работ - создание методов расчета НДС покрытий из вязкоупругих материалов для решения прикладных задач. Данные методы должны применяться при выборе материалов покрытий прессовых валов БМ. Стоит принять во внимание то, что покрытия на валах используются не только в ПЧ, а также в сеточной части (грудной, гауч-вал, сетковедущие), на валах клеильного пресса, а в последнее время и «мягких» валах каландров. Используя прикладные методы расчета, возможно повысить долговечность и эффективность работы покрытий.

Срок службы покрытия во многом определяется виброактивностыо валов ПЧ. На виброактивность валов ПЧ влияет техническое состояние покрытий. Дефекты, нецилиндричность поверхностей покрытий, неоднородность структуры, различная твердость, как по длине, так и по диаметру вала - всё это является причиной повышенной виброактивности валов.

На состояние облицовки, ее работоспособность и виброактивность таюке оказывают влияние технологические факторы - скорость машины, линейное давление в захвате, температура и другие [76]. Так, например, с увеличением скорости машины увеличивается жесткость контакта между прессовыми валами и в результате происходит увеличение собственных частот колебаний [19]. Повышенная виброактивность при эксплуатации приводит к неравномерному износу покрытия. При этом нарушается геометрия образующей вала, для восстановления

которой требуется периодическое шлифование. Примером может служить появление волн на эластомерном покрытии и появление разного рода механических дефектов [77].

Больших результатов в исследовании виброактивности ПЧ добились ученые кафедры МиО ЦБП Уральского государственного лесотехнического университета. Основная часть исследований проводилась в сфере изучения вибрации [13-17]. На основании произведенных комплексных исследований был выявлен частотный состав и произведено нормирование вибрации прессовых валов, а также станин ПЧ.

Актуальным вопросом является исследование влияния дефектов покрытий, а также их геометрических размеров и физико-механических характеристик при различных режимах работы на динамику прессовой части.

Исследованиями колебаний двухвальных прессов занимались С.А. Мишин и С.А. Зарубин. В работе [18] неоднородность упругих свойств облицовки вала рассматривалась как один из источников колебаний валов. Были получены дифференциальные уравнения, описывающие поступательные и поворотные колебания валов.

Динамикой многовальных прессов БМ занимался C.B. Тойбич. В диссертации [19] получены передаточные функции и фазочастотные характеристики элементов ПЧ с учетом поступательных, поворотных и изгибных колебаний. Для изучения динамики распределенных механических систем со сложными граничными условиями использован неявный метод конечных разностей. В диссертации предложена математическая и динамическая модели многовальных прессов БМ.

Диссертация Н.В. Куцубиной [78] посвящена изучению форм поперечно-изгибных колебаний валов на динамической модели. Динамическая модель валов представлена в виде сосредоточенных масс.

A.A. Санников и Н.В. Куцубина занимались разработкой вибрационных расчетов [13,20,21], оценкой и прогнозированием вибрационного состояния БМ [24,36]. Так, в научно-техническом отчете [36] были проведены комплексные исследования бумагоделательной машины Б-21 ООО «Пермский картон» на осно-

ве диагностирования. Исследования показали, что прессовые валы колеблются в широком диапазоне частот от оборотной частоты до нескольких килогерц из-за воздействия следующих источников возбуждения: центробежных сил инерции неуравновешенных масс валов, нецилиндричность рабочей поверхности валов, неравномерной толщины сукон, параметрическими воздействиями вследствие неоднородности упругих свойств облицовки и многих других. Большинство источников вибрации проявляется на оборотных частотах, в том числе и дефекты покрытия. Оценить влияние физико-механических характеристик покрытий на виброактивность, отследить их техническое состояние, выявить зародившийся дефект является довольно трудной задачей.

В работе [79] рассматриваются колебания прессовых валов как континуальных конструкций, которые описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных. Для изучения вибрационных характеристик системы выбрана модель Кельвина-Фойта. Для определения динамических характеристик системы использован метод конечных разностей, а для определения НДС элементов конструкции валов - метод конечных элементов.

Отследить техническое состояние покрытий БМ по изменению интенсивности вибрации зачастую является единственным возможным способом и осуществляется он методами технической диагностики. Техническим диагностированием в соответствии с ГОСТ 20911-89 называется определение технического состояния объекта. К задачам технического диагностирования относятся: контроль технического состояния; поиск места и определение причин отказа; прогнозирование технического состояния.

Величина интенсивности колебаний прессовых валов не постоянна, а изменяется в процессе эксплуатации [19]. Диагностическим признаком для оценки технического состояния прессовых валов, подшипников качения, муфт и других составных частей является вибрация.

Диагностирование элементов ПЧ может проводиться различными методами. Методы вибрационной диагностики, а также методы спектрального анализа с быстрым преобразованием Фурье изложены в работах [78, 20, 80-82].

В связи с развитием в последние годы высокопроизводительной микропроцессорной базы, программного обеспечения удалось создать современные методы анализа и цифровой обработки сигналов в диагностирующих системах. «Диамех 2000» (Москва) и «Васт» (Санкт- Петербург) - ведущие российские компании, направлением деятельности которых является производство балансировочной и виброизмерительной аппаратуры. Продукцией данных фирм являются, как портативные приборы для измерения и анализа вибрации, так и стационарные системы непрерывного контроля вибрации, которые широко используются на предприятиях ЦБП.

Множество комплексных работ по исследованию вибрации прессовых частей БМ проводилось на кафедре МиО ЦБП УГЛТУ. Под руководством A.A. Саннико-ва были выполнены работы [13,24,83-85] в результате которых были определены некоторые закономерности вибрационных процессов в валах БМ.

Для оценки технического состояния, а также для исследования динамических и волновых процессов в облицовке необходимо использование методов вибрационной диагностики с целью установления закономерностей данных процессов и параметров вибрации.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования

1. Знаний о поведении эластомерных материалов под нагрузкой и напряженно-деформированном состоянии недостаточно. Это затрудняет более широкое их внедрение в производство. Покрытия валов прессовых частей бумагоделательных машин работают при больших линейных давлениях, скоростях, при высоких температурах, что делает проблему разработки надежных методов расчета напряженно-деформированного состояния особенно актуальной.

2. Существующие методы расчета весьма трудоемки, поэтому многие расчетные модели, описывающие поведение эластомерных материалов значительно упрощены. Бурное развитие электронно-вычислительной техники и совершенствование расчетных программ привело к значительному сокращению времени расчетов, а также повышению точности и эффективности использования метода конечных элементов. Современные программные средства позволяют задавать материалы с учетом всех необходимых свойств, в том числе и свойств характерных для нелинейных материалов; учитывать температуру, нагрузки и другие факторы.

3. Прессовые валы являются ответственной частью бумагоделательных машин, состояние покрытий которых определяет качество вырабатываемой продукции и вибрационное состояние прессовой части. Такие дефекты как: вырыв части покрытия и разрушение адгезионного соединения (отслоения) приводят к останову машины и замене вала. Своевременное выявление зарождающихся дефектов методом диагностического контроля позволит существенно снизить время простоя машины.

4. Большая часть имеющихся исследований напряженно-деформированного состояния эластомерных покрытий валов технологического оборудования различных производств не могут быть использованы в полном объеме для расчета напряженно-деформированного состояния эластомерных покрытий прессовых валов бумагоделательных машин без дополнительных исследований.

5. Часто покрытия выходят из строя по причине отслоения по краям (краевого эффекта). Выбор рациональной геометрии скоса, снижающей напряжения в покрытии по краям, также является важной и актуальной задачей. Снижение напряжений по краям позволит увеличить надежность и долговечность работы поли-уретановых покрытий.

Проведенный анализ позволил выявить ряд весьма актуальных проблем. Многие из них довольно трудоемки и не могут быть выполнены в рамках одной диссертации из-за ограниченного объема. Поэтому в работе ставятся следующие задачи:

исследование напряженно-деформированного состояния полиуретановых покрытий прессовых валов на имитационной модели;

разработка методики определения напряженно-деформированного состояния по краям, обеспечивающей подбор рациональной геометрии скосов;

исследование физико-механических характеристик полиуретановых покрытий под действием температуры;

исследование температуры покрытия при работе на разных режимах; исследование влияния коэффициента трения качения валов с полиуретано-вым покрытием на размер, форму площадки контакта, а также на напряженно-деформированное состояние;

определение амплитудно-частотных характеристик валов с полиуретановыми покрытиями на разных режимах работы;

сопоставление результатов численных экспериментов и результатов, полученных на экспериментальной установке.

2. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЙ ВАЛОВ

При обосновании параметров стенда принято предположение, что динамические характеристики стенда и реальных конструкций двухвальных прессов должны быть идентичными. В разделе обосновываются параметры стенда и определяются его статические и динамические характеристики.

2.1. Условия работы прессовых валов на реальных бумагоделательных

машинах

Современная бумагоделательная машина является сложной технической системой непрерывного действия, состоящей из нескольких секций с автоматической системой управления [10]. В бумагоделательной машине можно выделить сеточную, прессовую, сушильную части, каландр, накат и привод. Наиболее виброактивной частью является прессовая часть.

Для понимания процессов, протекающих в прессовой части, необходимо установить динамические нагрузки, генерируемые прессовой частью и нагружен-ность прессовых валов. Характерная схема прессовой части БМ представлена на рисунке 2.1, а параметры нагруженности покрытий прессовых валов БМ сведены в таблицу 2.1.

Нагруженность валов прессовых частей определяется линейным давлением между валами и определяет напряженно-деформированное состояние валов, в том числе и их покрытий. Эти сведения необходимы для оценки работоспособности различных покрытий прессовых валов, включая современные полиуретановые покрытия. Сведения по статическим и динамическим воздействиям необходимы также для расчета и оценки привода прессовых частей. Влияние на привод динамических воздействий важен для токовой диагностики технического состояния прессовых частей.

Таблица 2.1

Параметры нагруженности покрытий прессовых валов бумагоделательных и отделочных машин

Наименование Материал покрытия Линейное давление, кН/м

Отсасывающие валы Резина, полиуретан 80-100

Заменители гранитных валов Полиуретан До 350

Сукноведущие валы Резина, полиуретан 5-7

Валы клеильного пресса Полиуретан 50-60

Валы прессов с удлиненной зоной прессования Резина, полиуретан 250-350

1 - гранитный вал третьего пресса, 2 - желобчатый вал третьего пресса, 3- желобчатый вал второго пресса, 4 - центральный прессовый вал, 5 - отсасывающий вал первого пресса, 6 - вакуумпересасывающий вал, 7 - гауч-вал, 8 - бумага, 9 - сукно третьего пресса, 10 - сукно второго пресса, 11 - сукно первого пресса Силовые воздействия классифицируются по характеру действия на статические и динамические, групповые и единичные, движущие и сопротивления; по характеру приложения - внешние и внутренние, поверхностные и массовые (объемные); по характеру протекания - периодические, импульсные комбинированные; по виду - детерминированные и случайные. Аналогичным образом класси-

фицируются кинематические и параметрические воздействия, но по характеру воздействия они не могут быть статическими [86].

В прессовой части преобладают следующие воздействия: статические нагрузки, определяемые собственным весом, а также условиями необходимыми для технологического режима (линейным давлением);

силовые динамические воздействия, определяемые статической и динамической неуравновешенностью валов прессовой части, несоосностыо сопрягаемых валов, воздействия муфт приводов и др.;

силовые кинематические воздействия, возникающие в следствие нецилинд-ричности рабочих поверхностей валов (биение, овальность, огранка и волнистость), несоосности валов, непостоянства толщины сукна по длине полотна, дефектов беговых дорожек и нецилиндричности посадочных мест подшипников качения, неравномерности форм самих тел качения;

параметрические воздействия, возникающие неоднородности упругих свойств сукон и облицовки валов, влияния гидроклина в зоне контакта, дефектов прессовых сукон;

автофрикционные воздействия, возникающие в контакте шаберов о поверхность валов;

самовозбуждающиеся колебания, возникающие при кратности частот вращения валов и частот пробегов сукна, а также кратности частот свободных колебаний прижимных валов с частотами пробегов сукна или с частотами вращения валов с обрезиновкой.

Повышенная виброактивность при эксплуатации приводит к неравномерному износу покрытия. При этом нарушается геометрия образующей вала, для восстановления которой требуется периодическое шлифование. Примером может служить появление волн на эластомерном покрытии и появление разного рода механических дефектов. Снижение параметров рассмотренных динамических воздействий позволит увеличить период шлифования покрытий, уменьшить количество разного рода дефектов покрытий, тем самым увеличить срок их службы.

Анализ нагруженности и динамических воздействий прессовых валов БМ позволит дать рекомендации по изменению требуемых физико-механических характеристик покрытий, геометрических размеров для увеличения эффективности работы покрытий, а также увеличения срока их службы.

2.2. Назначения стенда

В бумагоделательных и отделочных машинах применяются покрытия валов резиной и различными синтетическими эластомерными материалами. В частности, такие покрытия используются на сукно-, сетко- и бумаговедущих валах, прессовых валах, включая валы клеильных прессов, имеется опыт применения покрытий в валах каландров и суперкаландров [1]. Если в сетко- и бумаговедущих валах покрытия играют роль антикоррозионных покрытий, то в прессовых частях покрытия выполняют технологическое значение. А между тем вопросы напряженно-деформированного состояния облицовки, влияние их на технологический процесс, волновые процессы, возможные возбуждения автофрикционных колебаний, распределение температуры по длине покрытия, а также адгезии покрытия с металлом валов и другие вопросы недостаточно изучены.

На действующих бумагоделательных и картоноделательных машинах невозможно всесторонне исследовать работу различных облицованных валов, поэтому для выявления вышеуказанных факторов экспериментальные исследования целесообразно выполнять на стендах. Для исследований покрытий валов был спроектирован и изготовлен ООО НЛП «Уником-Сервис» стенд (рисунок 2.2) [87-89]. Стенд представляет собой систему двух контактирующих валов, установленных на общей раме. Приводной 1, ведомый 2 валы предназначены для моделирования условий работы реальных валов и являются основными элементами установки для проведения экспериментальных исследований. Валы опираются на подшипниковые узлы 3. Электродвигатель 4 с частотным регулированием передает крутящий момент на приводной вал 1 через плоскоременную передачу 5. Рычажная

система 6, гидроцилиндр 7 и насос 8 способны создать линейное давление в захвате валов в диапазоне от 20 до 80 кН/м.

Рис. 2.2. Стенд для комплексных исследований полиуретановых покрытий валов: 1 - приводной вал; 2 -прижимной вал; 3 - подшипниковые опоры; 4 - электродвигатель 5 АМХ16088 ГОСТ Р51689-2000; 5 - ременная передача; 6 - рычажная система; 7 - гидроцилиндр; 8 - насос НРГ - 7004

2.3. Силовой анализ конструкции стенда

Нагруженность конструкций стенда определяется посредством силового анализа. Силовой анализ ведется последовательно по структурным группам Ассура [90].

Кинематическая схема стенда представлена на рисунке 2.3,

Рис.2.3. Структурная схема стенда

где обозначено: Рпр - усилие на штоке гидроцилиндра; Р0ь Рвг - сила тяжести первого и второго вала соответственно; - нормальная составляющая уси-

лия прижима; Р112 , Р^ - тангенциальная составляющая усилия прижима; гь г2 - радиусы первого и второго цилиндров; юь со2 - круговые частоты вращения валов.

Стенд рассматриваем как плоский пятизвенный механизм: входное звено О совершает вращательное движение; звенья 1 и 2 соответственно приводной и ведомый валы; звено 3 - прижимной рычаг; 4 - гидроцилиндр.

Звенья соединены между собой пятью кинематическими парами 5 класса и тремя кинематическими парами 4 класса (на кинематической схеме они обозначены буквами латинского алфавита).

Для определения подвижности стенда воспользуемся формулой Чебышева для плоского механизма [90]:

\У=3-п-2-р5- 1-р4 = 3-п- 2-5-1 -3=2, (2.1)

где п - число звеньев, р5 - число кинематических пар 5-го класса, р4 - число кинематических пар 4-го класса.

Степень подвижности механизма определяет количество ведущих звеньев, которым необходимо задать движение. Степень подвижности стенда \¥=2 - это электродвигатель и гидроцилиндр.

Следующим этапом структурного анализа механизма является выделение в нем структурных групп, т.е. кинематических цепей, удовлетворяющих условию \¥=0.

Входные звенья и структурные группы Ассура стенда представлены на

рисунке 2.4.

О

' пр

/ \

.-'К.

Рис.2.4, Структурные группы Ассура стенда: а - входные звенья, б - структурные группы Ассура

Расчетная схема для силового анализа стенда представлена на рисунке 2.5.

Рис. 2.5. Расчетная схема для определения Р"2

Из равенства моментов сил относительно т.С, действующих на рычаг с ведомым валом, находим реакцию Б^:

_рпР1-Ро2а-Р*2Ь- 5т(а)-Мтр2

12"

Ь- соз(а)+к

(2.2)

Из равновесия приводного вала определяем составляющую Б]2, расчетная схема приводного вала стенда показана на рисунке 2.6.

Р12"Р2Г

Р21к - Мтр1+Мдв

(2.3)

_Рл

где Мдв - момент движения, определяемый как Мдв= — , где г| - КПД плоскоре-

С01

менной передачи, Р - мощность электродвигателя привода.

Рис. 2.6. Расчетная схема для определения

Моменты трения М,^ и Мтр2 можно не учитывать в расчете, так как погрешность составляет менее 1% от величины Б "2.

Таким образом, Р"2 с учетом коэффициента трения качения:

Рт|

р =рп = Гп 12

Рпп1 - РГт2а--1-Ь-

пр ш ю г

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины», Королев, Александр Викторович

109 ВЫВОДЫ

1. Надежность работы бумагоделательных машин зависит от надежности каждого элемента машины. Одним из таких элементов являются полиуретановые покрытия прессовых валов, от которых во многом зависит качество вырабатываемой продукции, эффективность обезвоживания бумажного полотна и динамика прессовых частей. Современные тенденции развития бумажного производства направлены на увеличение скорости машины. Это в свою очередь приводит к повышению линейного давления между валами прессовой части. Изменение рабочих режимов приводит к нагреву покрытий, изменению твердости и напряженно-деформированного состояния и как следствие к сокращению срока службы покрытий из-за появления в нем дефектов, в частности отслоения.

2. Предложена численная модель контакта валов с покрытиями с учетом их физико-механических характеристик и ее решение методом конечных элементов. Численный расчет показал хорошую сходимость с экспериментальными исследованиями.

3. Установлено, что изменение толщины покрытия приводит к изменению напряжений в зоне контакта. При уменьшении толщины покрытия с 20 до 8 мм напряжения в зоне контакта увеличиваются на 60%, что существенно снижает ресурс покрытия.

4. Предложенная методика расчета напряженно-деформированного состояния была применена для определения напряжений и деформаций в покрытиях на краях с учетом геометрии скосов. Расчетом установлено, что геометрия скоса во многом определяет действующие напряжения и деформации на краях. Использование рациональной геометрии скосов позволяет снизить напряжения и деформации на краях более чем в 2 раза и повысить ресурс покрытий.

5. Проведена серия экспериментальных исследований по определению твердости полиуретанов, используемых для покрытий прессовых валов, при повышенных температурах. Установлено, что разность между заявленной твердостью (по ГОСТ) и твердостью, полученной для диапазона рабочих температур прессов для материала с твердостью 85 ШорА - 3 единицы, для материала с твердостью 91 Шор А - 9 единиц, для материала с твердостью 97 Шор А - 4 единицы.

Полученные данные позволяют оценить значения твердости покрытия в эксплуатационных условиях и скорректировать тип используемого материала при изготовлении.

6. Экспериментально определено распределение температуры по длине вала, установлено, что температура по краям покрытий в 2-2,5 раза больше температуры в центральной части. Распределение температуры покрытия по длине хорошо согласуется с его напряженно-деформированным состоянием. Для повышения ресурса покрытий необходимо снизить температуру, предусмотрев скосы на краях.

7. Получены зависимости размеров площадок контакта от линейного давления. Причем изменение ширины средней части площадки контакта происходит по линейному закону, а изменение ширины площадки контакта по краям нелинейно и описывается полиномиальной функций второй степени. Формы полученных площадок контакта наглядно демонстрируют увеличение деформаций на краях покрытий, где и происходит существенное повышение температуры.

8. Показано, как изменяется коэффициент трения качения валов с покрытиями при различных режимах работы. Установлено, что коэффициент трения качения оказывает несущественное влияние на смещение площадки контакта и им можно пренебречь.

9. Получены амплитудно-частотных характеристики валов при изменении скорости и линейного давления. Анализ амплитудно-частотных характеристик показал, что увеличение скорости ведет к линейному росту среднеквадратическо-го значения виброскорости.

111

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

БМ - бумагоделательная машина

КЭ - конечный элемент

МКЭ - метод конечных элементов

НДС - напряженно-деформированное состояние

ПЧ - прессовая часть

СКЗ - среднеквадратическое значение

УГЛТУ - Уральский государственный лесотехнический университет

ЦБП - целлюлозно-бумажное производство

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Королев, Александр Викторович, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Куров B.C. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли. Бумаго- и картоноделательные машины: учебное пособие / B.C. Куров, H.H. Кокушин.- СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. 588 с.

2. Королев A.B. Опыт использования полиуретановых покрытий валов с целыо повышения их ресурса / A.B. Королев, C.B. Воронцов // Новые материалы и технологии в машиностроении/ Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференцию Выпуск 16. - Брянск: БГИТА, 2012. С. 43- 45.

3. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001,478с.

4. Горячева И.Г. Влияние относительного проскальзывания и свойств поверхностного слоя на напряженное состояние упругих тел при трении качения./ Горячева И.Г., Захаров С.М., Торская Е.В. // Трение и износ, 24(1):5—15, 2003.

5. Горячева И.Г. Контактные задачи в трибологии / Горячева И.Г., Добычин М.Н. - М.: Машиностроение, 1988, 254с.

6. Горячева И.Г. Контактная задача качения вязкоупругого цилиндра по основанию из того же материала // ПММ. 1973. Т37, №5. С. 877-885.

7. Ефимов И.Н. Обезвоживание и прессование бумажного полотна / И.Н. Ефимов. - Красноярск: Изд-во Красноярского университета, 1988.-156 с.

8. Ефимов И.Н. Обезвоживание и прессование бумажного полотна / И.Н. Ефимов. - Красноярск: Изд-во Красноярского университета, 1988.-156 с.

9. Ефимов И.Н. Исследование процесса прессования и надежность эластичных облицовок прессовых валов бумагоделательных машин: Автореф. дис. канд. техн. наук. Пермь, 1975. 14 с.

10. Новиков Н.Е. Прессование бумажного полотна / Н.Е. Новиков. - М.: Лесная промышленность, 1972. - 240 с.

11. Kalker J.J. Viscoelastic multilayered cylinders rolling with dry friction // ASME. J. Appl. Mech. 1991. Vol.58. P.666-679.

12. Braat G.F.M., Kalker J J. Theoretical and experimental analysis of the rolling contact between two cylinders coated with multilayered viscoelastic rubber // Contact mechanics, computational techniques / Ed. M.H. Aliabadi and C.A. Brebbia.: Contact Mechanics publ., 1993. P.l 19-126.

13. Разработка решений по виброзащите прессовых валов бумагоделательных машин №1 и 2 Котласского ЦБК: Отчет о НИР / Уральск, лесотехн. ин-т; руководитель А.А. Санников. - Екатеринбург, 1993. - 58 с.

14. Санников А.А. Колебания бумагоделательных машин и пути их устранения / А.А. Санников, A.M. Витвинин, Е.М. Королев. - М.: Лесная промышленность, 1976. - 128 с.

15. Витвинин A.M. Предотвращение преждевременного износа обрезиненных прессовых валов / A.M. Витвинин, А.А. Санников, С.А. Мишин // Бумажная промышленность, 1976. - №2. - С. 18-20.

16. Витвинин A.M. Методика исследований колебаний бумагоделательных машин и колебаний прессовых валов / A.M. Витвинин, А.А. Санников, С.А. Мишин // Тр. ин-та / Уральск, лесотехн. ин-т. -Свердловск, 1973. -Вып. 29. - С. 36-56.

17. Витвинин A.M. Колебания станин бумагоделательных машин: методические указания / A.M. Витвинин, А.А. Санников. - Уральск, гос. лесотехн. акад., 1973. - 19 с.

18. Мишин С.А. Колебания двухвапьных прессов бумагоделательных машин / С.А. Мишин, С.А. Зарубин: под ред. В.Н. Старжинского, А.А. Санникова.// Виброакустическое проектирование оборудования целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств. - Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. акад., 1996. - С. 167-173.

19. Тойбич С.В. Разработка методов вибрационного проектирования валов прессовых частей бумагоделательных машин: дисс. на соиск. учен.

степ. канд. техн. наук: 05.21.03 / Тойбич Сергей Владимирович. -Екатеринбург, 2006.- 192 с.

20. Санников A.A. Решение проблемы виброзащиты и вибродиагностики бумагоделательного и лесопильного оборудования: дисс. на соиск. уч. степ, докт. техн. наук / Санников Александр Александрович. - Екатеринбург, 2002. - 424 с.

21. Куцубина Н.В. Вибрационный расчет сложных валов БМ / Н.В. Куцубина, A.A. Санников: под ред. В.Н. Старжинского, A.A. Санникова.// Виброакустическое проектирование оборудования целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств - Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. акад., 1996.- С. 140-167.

22. ГОСТ 24621-91 Пластмассы и эбонит. Определение твердости при вдавливании с помощью дюрометра (твердость по Шору). - М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1991- 7с

23. ГОСТ 263-75 Резина. Метод определения твердости по Шору А. -М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1975. - 6с.

24. Исследование виброакустических процессов при решении триботехнических проблем потенциально опасных технических систем отраслей лесного комплекса: Отчет о НИР / Уральск, гос. лесотехн. ун-т; руководитель В.Н. Старжинский. - ГР 01200800062; Инв.002/2012. -Екатеринбург, 2012. - 312 с.

25. Иванов С.И. Технология бумаги. - М.: Лесная промышленность, 1970.-696 с.

26. Корнев, А. Е. Технология эластомерных материалов / А. Е. Корнев, А. М. Буканов, О. Н. Шевердяев. - М. : Издательство «Эксим» 2000. - 288 с

27. Королев A.B. Обзорный анализ полимеров, применяемых для покрытий валов / A.B. Королев, A.A. Санников // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: матер. IX всерос. науч.-техн. конф. / Урал. гос. лесотехн. ун-т. - Екатеринбург, 2013. -Ч. 1. С. 248 - 250

28. Буторин С.М. Обоснование применения полиуретановых изделий и покрытий валов бумагоделательных и отделочных машин / Буторин С.М., Воронцов C.B.// Вибродиагностика, триботехника, вибрация и шум: монографический сборник/ Под ред. A.A. Санникова, Н.В. Куцубиной. -Екатеринбург: Уральск, гос. лесотехн. ун-т, 2009.-416 с.

29. Аверко-Антонович Ю.О. Технология резиновых изделий. / Ю.О. Аверко-Антонович, Р.Я. Омельченко, H.A. Охотина, Ю.Р. Эбич. - Д.: Химия, 1991.-352 с.

30. Лосев И. П. Химия синтетических полимеров/ Лосев И. П., Тростянская Е. Б. - М.: "Химия", 1971.

31. Яворский Б. М. Справочное руководство по физике. / Яворский Б. М., Селезнев Ю. А. - М.: "Наука", 1979.

32. Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. М.: "Химия", 1973.

33. Абрамов И.В. Совершенствование структуры планово-предупредительных ремонтов оборудования / И.В. Абрамов, Ю.В. Турыгин, Б.М. Ценципер // Бумажная промышленность - 1988. №9 - С. 27-28.

34. Берлин А. А. Основы адгезии полимеров/ Берлин А. А., Басин В. Е. -М., Химия», 1974. 392 с.

35. Санников A.A. Структурные параметры технического состояния покрытий / A.A. Санников, A.B. Королев // Новые материалы и технологии в машиностроении/ Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференцию Выпуск 16. - Брянск: БГИТА, 2012. С.91 -93.

36. Разработка рекомендаций по повышению эффективности работы бумагоделательной машины Б-21 на основе ее комплексного диагностирования и прогнозирования вибрационного состояния при увеличении скорости: Отчет о НИР / Уральск, гос. лесотехн. ун-т; руководитель A.A. Санников. - Екатеринбург, 2008. - 172 с.

37. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989. 510с.

38. Johnson K.L., Kendall К., Roberts A.D. Surface energy and the contact of elastic solids//Proc. R. Soc. bond. A 1971 - т. 324, № 1558 -С. 301-313

39. Tabor D. The mechanism of rolling friction // Philos. Mag. Ser. 7. 1952. Vol. 43, P.345.

40. Боуден Ф.П. Трение и смазка твердых тел/ Боуден Ф.П., Тейбор Д.-М.: Машиностроение, 1968.-543 с.

41. J.A. Greenwood, J.B.P. Williamson. Contact of nominally flat surfaces, Proc. R. Soc. bond. A 295 (1966) 300-319

42. B.N.J. Persson. Contact mechanics for randomly rough surfaces // Surface Science Reports 61 (2006) 201-227.

43. Boltzmann L. Zur Theorie der elastischen Nachwirkung // An. Phys. und Chem. 1876. Erg.-Bd.7.

44. Volterra V. Lecons sur les fonetions de lignes. Paris, 1913.

45. Friction and wear of Polymer Composites / Ed. by F. Klaus. Elseveir, Amsterdam - Oxford - New York, 1986. 465 p.

46. Briscoe B.J. Wear of polymers: an essay on Fundamental aspects // Tribolog. Internat. 1981. Vol. 14. P. 231-243.

47. Белый В.А. Трение и износ материалов на основе полимеров/ Белый

B.А., Свириденок А.И., Петроковец М.И. - Минск: Наука и техника, 1976. 432с.

48. Свириденок А.И. Структурная трибомеханика материалов на основе полимеров/ Свириденок А.И., Савкин В.Г. // Трение и износ. 1980. Т.1. №1.

C. 150-167.

49. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Справочник / Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1988. 328 с.

50. Бидерман B.JI. К расчету обрезиненных валов/ B.J1. Бидерман , A.M. Гоман // Изв. вузов. Сер. Машиностроение. 1973. - № 5. - С. 9 - 13.

51. Глаголев Н.И. Сопротивление перекатыванию цилиндрических тел // ПММ. 1945. Т.9, №4. С. 318-333.

52. Гольдштейн Р.В. Решение вариационными методами пространственных контактных задач качения с проскальзыванием и сцеплением/ Гольдштейн Р.В., Зазовский А.Ф., Спектор А.А., Федоренко Р.П. //Успехи механики. 1982. Т.5, №3/4. С. 61-102.

53. Ишлинский А.Ю. Трение качения. // ПММ. 1938. Т.2, С. 245-260.

54. Ишлинский А.Ю. Теория сопротивления перекатыванию (трение качение) и смежных явлений // Трение и износ в машинах. М., JI.: Изд-во АН СССР, 1940. С. 255-264.

55. Ишлинский А.Ю. О проскальзывании в области контакта при трении качения // Изв. АН СССР. ОТН. 1956. №6. С. 3-15.

56. Коллинз Д. Повреждение материалов в конструкциях: Анализ, предсказание, предотвращение. М.: Мир, 1984. 624с.

57. Конвисаров Д.В. Влияние радиусов кривизны цилиндрических тел на их сопротивление перекатыванию при различных нагрузках/ Конвисаров Д.В., Покровская А.А. // Тр. Сиб. физ-техн. ин-та. 1955. Т34. С.62-79.

58. Хантер С.К. Контактная задача качения жесткого цилиндра по вязкоупругому полупространству // Прикл. механика. 1961. Т.28, №4. С. 146153.

59. Carter F.W. On the action of a locomotive driving wheel // Proc. Roy. Soc. London A. Vol. 112.P.151.

60. Flom D.G. Dynamic mechanical losses in rolling contacts // Rolling contact phenomena. L.: Bidwell; Elsevier, 1962. P.97-112.

61. Flom D.G., Bueche A.M. Theory of rolling friction for spheres // J.Appl. Phys. 1959. Vol.30, N11. P.1725-1730.

62. Kalker J.J. Three dimensional elastic bodies in rolling contact. Dordrecht etc.: Kluwer, 1990.314р.

63. Tomlinson J.A. A molecular theory of friction // Philos. Mag. Ser. 7. 1929. Vol. 46. P.905-939.

64. Huravd H. Influence du revetement de oautchouc des cylinders. "Rev. ATIP", 1970, 24, N 6, 261-272.

65. Усов, П. П. Контактная задача для вязкоупругого слоя и жесткого цилиндра при равномерном скольжении / П. П. Усов, В. Д. Данилов // Трение и износ. - 2009. - Т. 30, N 4. - С. 341-354.

66. Бахшалиев, В. И. К вопросу математического моделирования трения качения / В. И. Бахшалиев // Трение и износ. - 2009. - Т. 30, N 5. - С. 423-428

67. Свириденок, А. И. Трение скольжения полимерных композитов в условиях высоких скоростей / А. И. Свириденок, В. В. Мешков // Трение и износ. - 2005. - Т. 26, N 1. - С. 38-42.

68. Дианова, Н. Г. Релаксация напряжений в деталях из полимерных материалов / Н. Г. Дианова, В. П. Белоусов // Технология машиностроения. -2010. -N 2. - С. 36-37.

69. Алексеев Н.М., Модели изнашивания // Трибология: Исследования и приложения: Опыт США и стран СНГ / Под ред. В.А. Белого, К. Лудемы, Н.К. Мышкина. М.: Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон пресс, 1993. 6687.

70. M. Godet, The third body approach: a mechanical view of wear//Wear 100 (1984) p 437-452.

71. Савенко В. И. О рассеянии энергии в квазиупругих материалах при циклическом качении / В. И. Савенко // Трение и износ. - 2009. - Т. 30, N 3. -С. 261-268.

72. Бартенев Г.М. Трение и износ полимеров/ Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. - Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1972. 240с.

73. Рогачев A.B. Адгезионное взаимодействие в динамическом металлополимерном контакте / Рогачев A.B., Плескачевский Ю.М., Пинчук Р.Г., Серенков А.Г. // ДАН БССР.Т.31 .№1. 1987. С. 55-58.

74. Богданович, П. Н. Тепловые и термомеханические явления в контакте скольжения / П. Н. Богданович, Д. В. Ткачук // Трение и износ. -2009. - Т. 30, N 3. - С. 214-229.

75. Коротченко Ю.Н. Совершенствование параметров валичных кожевенных машин: дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.02.13 / Коротченко Юрий Николаевич. - М., 2007. - 124 с.

76. Schiel С. Verbesserung der Papierqualitat durch Ausschaltung von Kontaktschwingungen in der Pressenpartie / C. Schiel // Wochenbl. Papierfabr. -1990.-№14.-s. 622-626.

77. Gagnon T.P. Press vibration: now it is affected by different types of felt mass vibration and roll shapes / T.P. Gagnon // Papermaners conf. Chicago Apr. 11-13, 1988. - Atlanta, 1988. p. 151-161.

78. Куцубина Н.В. Разработка методов вибрационного расчета и виброзащиты валов бумагоделательных машин: дисс. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук: 05.21.03 / Куцубина Нелли Валерьевна. - Екатеринбург, 1998.- 180 с.

79. Тойбич C.B., Куцубина Н.В. Моделирование и анализ динамики прессов бумагоделательных машин. Вибродиагностика, триботехника, вибрация и шум: монографический сборник/ Под ред. A.A. Санникова, Н.В. Куцубиной. - Екатеринбург: Уральск, гос. лесотехн. ун-т, 2009. - 416 с.

80. Бендат Дж. Применение корреляционного и спектрального анализа / Дж. Бендат, А. Пирсол; пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 312 с.

81. Коллакот P.A. Диагностирование механического оборудования / Р.А.Коллакот; пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1980. - 296 с.

82. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко. -Питер: СПб, 2003. - 604 с.

83. Санников A.A. Колебания вакуум-пересасывающих устройств бумагоделательных машин / A.A. Санников, A.M. Витвинин // Целлюлоза, бумага и картон. - 1977. - №2. - С. 8-9.

84. Вибрационная диагностика технического состояния оборудования для производства целлюлозы, бумаги, картона: Отчет о НИР / Уральск, лесотехн. институт; руководитель A.A. Санников. - ГР 79053579; Инв.02850043471. - Свердловск, 1984. - 111 с.

85. Анализ методов и средств вибрационной диагностики технического состояния сложных механических систем применительно к технологическому оборудованию целлюлозно-бумажных производств: Отчет о НИР / Уральск, лесотехн. институт; руководитель A.A. Санников. - ГР 01860009401; Инв.0280055379. - Свердловск, 1987. - 118 с.

86. Санников A.A. Вибрация и шум технологических машин и оборудования лесного комплекса: моногр./А.А. Санников, В.Н. Старжинский, Н.В. Куцубина, H.H. Черемных, В.П. Сиваков, С.Н. Вихарев. -Екатеринбург: Уральск, гос. лесотехн. ун-т, 2006. - 484 с.

87. Королев A.B. Диагностический стенд для испытания полимерных покрытий валов./ A.B. Королев, A.A. Санников. - Непрерывное образование: инженерное творчество молодежи. Сборник научных и научно-методических статей.- Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2010. С. 52-54.

88. Королев A.B. Назначение и параметры стенда для исследования характеристик полиуретановых покрытий валов. / A.B. Королев, A.A. Санников, С.М. Буторин, C.B. Воронцов // Вибродиагностика, триботехника, вибрация и шум: монографический сборник/ Под ред. A.A. Санникова, Н.В. Куцубиной. - Екатеринбург: Уральск, гос. лесотехн. ун-т, 2009.-416 с.

89. Королев A.B. Разработка стенда для испытаний полимерных покрытий валов / A.B. Королев // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» Том 2. Технические науки. / Черноморье. - Одесса,, 2009. С. 12-14.

90. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин./И.И. Артоболевский. - Учеб. для втузов. - 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. -640 с.

91. Кугушев И.Д. Трансформация и реологические свойства бумажной массы и бумажного полотна на бумагоделательной машине: учебное пособие / И.Д. Кугушев, O.A. Терентьев, B.C. Куров, В.Н. Гончаров, H.H. Кокушин / СПбГТУРП. СПб., 2003.-25 с.

92. Санников A.A. Определение критических скоростей валов бумагоделательных машин с учетом жесткости опор и сеток / A.A. Санников, A.M. Витвинин // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1976. - №3. - С. 8-10.

93. Ку дубина Н.В. Исследование динамических характеристик синтетических сеток бумагоделательных машин / Н.В. Куцубина // Машины и аппараты целлюлозо-бумажного производства: Межвуз. сб. науч. тр. - С.-Пб., 1994.-С.88-89.

94. Витвинин A.M. Исследование колебаний быстроходных бумагоделательных машин: дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / Витвинин Анатолий Михайлович. - Екатеринбург, 1974. - 147 с.

95. Каудерер Г. Нелинейная механика./ Г. Каудерер. - М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1961.-777 с.

96. Tschoegl, N.W. "Constitutive Equations for Elastomers," J. Polymer Science, AI, 1959-1970 (1971).

97. А. И. Голованов, Ю. Г. Коноплев, JI. У. Султанов, "Численное исследование конечных деформаций гиперупругих тел. II. Физические соотношения", Физико-математические науки, Учён. зап. Казан, гос. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки, 150, №3, Изд-во Казанского ун-та, Казань, 2008, 122-132

98. S. Timoshenko, S, Woinowsky-Knieger, Theory of Plates and Shells, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, NY, 1959, pg. 202

99. Подгорный A.H. Задачи контактного взаимодействия элементов конструкций./ A.H. Подгорный, П.П. Гонтаровский, Б.Н. Киркач и др. - Киев: Наук, думка, 1989. - 232 с.

100. Русанов O.A. Применение метода конечных элементов в расчётах конструкций автомобильной техники: Учебное пособие, 2-е изд., стереотип. -М.: МГИУ, 2008.-56с.

101. Королев A.B. Исследование напряженного состояния покрытий прессовых валов бумагоделательных / A.B. Королев, A.A. Санников //

Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 1; URL: http://www.science-education.ru/107-8490

102. Санников A.A., Королев A.B. Разработка численных методов расчета покрытий прессовых валов бумагоделательных машин с учетом краевого эффекта // Современные проблемы науки и образования. — 2013. — № 2; URL:http://www.science-education.ru/108-8634

103. А.И.Голованов, Ю. Г. Коноплев, Л.У.Султанов, "Численное исследование конечных деформаций гиперупругих тел. I. Кинематика и вариационные уравнения", Физико-математические науки, Учён. зап. Казан, гос. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки, 150, № 1, Изд-во Казанского ун-та, Казань, 2008, 29-37

104. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. -М.: Мир. 1975.-540 с.

105. Лихнов П.П. Динамика системы цилиндр - оболочка / П.П. Лихнов. -М.: Машиностроение. 1988. - 152с.

106. HELP ANSYS

107. Санников A.A. Современные проблемы технической эксплуатации оборудования. Вибродиагностика, триботехника, вибрация и шум: монографический сборник / Под ред. A.A. Санникова, Н.В. Куцубиной. -Екатеринбург: Уральск, гос. лесотехн. ун-т, 2009. - 416 с.

108. ГОСТ 30296-95. Аппаратура общего назначения для определения основных параметров вибрационных процессов. Общие технические требования.-М.: Изд-во стандартов, 1966. - 16с.

109. ГОСТ ИСО 2954-97. Вибрация машин с возвратно-поступательным и вращательным движением. Требования к средствам измерений. - М.: Изд-во стандартов, 1998. -6с.

110. Соколов Е.В. Моделирование и исследование динамических и гидродинамических процессов в центробежных насосах массоподводящих систем бумагоделательных машин: дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.21.03 / Соколов Евгений Вячеславович. - Екатеринбург, 2008.- 188 с.

111. ГОСТ 26493-85. Вибрация. Технологическое оборудование целлюлозно-бумажного производства. Нормы вибрации. Технические требования. -М.: Изд-во стандартов, 1985.-8с.

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

Рисунок 1.1. Взаимозависимость шкал твердости по Шору А и D Рисунок 1.2. Диапазон модулей упругости полиуретана и резины Рисунок 1.3. Виды разрушения адгезионного соединения Рисунок 1.4. Дефекты прессовых валов

Рисунок 1.5. Спектры вибрации гранитного вала второго пресса Б-21 в горизонтально-продольном (а) и вертикальном (б) направлении Рисунок 2.1. Схема прессовой части БМ №4 ОАО «Соликамскбумпром» Рисунок 2.2. Стенд для комплексных исследований полиуретановых покрытий валов

Рисунок 2.3. Структурная схема стенда Рисунок 2.4. Структурные группы Ассура стенда Рисунок 2.5. Расчетная схема для определения F"2 Рисунок 2.6. Расчетная схема для определения Foi

Рисунок 2.7. Схема нагружения вала при статической и моментной неуравновешенности

Рисунок 2.8. Расчетная схема ведомого вала на рычаге Рисунок 2.9. Спектр частот колебаний вала на рычаге

Рисунок 2.10. Расчетная схема рамы и ведомого вала на рычаге прижима для модального анализа

Рисунок 2.11. Форма колебаний рамы и рычага стенда

Рисунок 2.12. Амплитудно-частотные характеристики поворотных колебаний ведомого вала на рычаге при силовом возбуждении

Рисунок 2.13. Амплитудно-частотные характеристики поворотных колебаний ведомого вала на рычаге при кинематическом возбуждении

Рисунок 2.14. График изменения жесткости контакта С от усилия прижатия валов Fn

Рисунок 2.15. Амплитудно-частотная характеристика поворотных колебаний ведомого вала на рычаге при параметрическом возбуждении

Рисунок 2.16. Схема для расчета поступательно-поворотных колебаний Рисунок 2.17. Амплитудно-частотная характеристика маятниковых колебаний ведомого вала на рычаге

Рисунок 2.18. Амплитудно-частотные характеристики поступательно-поворотных колебаний ведомого вала на рычаге от распределенной жесткости контакта Рисунок 3.1. 2D геометрическая модель контакта валов Рисунок 3.2. Объемная геометрическая модель контакта валов Рисунок 3.3. Диаграмма «напряжение-деформация»

Рисунок 3.4. Аппроксимация поведения материала моделью Муни-Ривлина с тремя параметрами

Рисунок 3.5 Образец для верификации

Рисунок 3.6 Схема измерения перемещения на испытательной машине Рисунок 3.7 Расчетная конечно-элементная модель

Рисунок 3.8. Узлы контактной области валов для нанесения КЭ CONTA 175 и TARGE 169

Рисунок 3.9. Схемы конечных элементов модели

Рисунок 3.10. Области конечно-элементной модели контакта валов

Рисунок 3.11. Схемы 3-D конечных элементов модели

Рисунок 3.12. Конечно-объемная модель контакта валов

Рисунок 3.13. Схема нагружения валов

Рисунок 3.14 Расчетные конечно-элементные модели

Рисунок 3.15. Характерные картины распределения напряжений и перемещений в покрытии при деформации

Рисунок 3.16. Характерные картины распределения напряжений и перемещений в

покрытии при деформации

Рисунок 3.17. Графики изменения напряжений

Рисунок 3.18. Напряженно-деформированное состояние по длине валов Рисунок 3.19. Изменение жесткости контакта валов модели Рисунок 3.20. Отслоение покрытия прессового вала вследствие краевого эффекта Рисунок 3.21. Геометрии скоса покрытия

Рисунок 3.22. Результаты численных расчетов для материала 70 Шор Б

Рисунок 3.23. Результаты численных расчетов для материала 95 Шор А

Рисунок 4.1. Изменение твердости образца (85 ШорА)

Рисунок 4.2. Изменение твердости образца (91 ШорА)

Рисунок 4.3. Изменение твердости образца (97 ШорА)

Рисунок 4.4. Изменение твердости образца (74 Шор Б)

Рисунок 4.5. Отпечаток контакта валов на бумаге

Рисунок 4.6. Зависимости ширины площадки контакта от линейного давления

Рисунок 4.7. График изменения жесткости контакта

Рисунок 4.8. Изменение силы тока при линейном давлении 30 кН/м

Рисунок 4.9. Изменение коэффициента трения качения при линейном давлении

30 кНУм

Рисунок 4.10. Изменение температуры покрытия по длине

Рисунок 4.11. Спектр вибрации лицевого подшипника ведомого вала в вертикальном направлении

Рисунок 4.12. Амплитудно-частотная характеристика валов стенда при линейном давлении 40 кН/м