Разработка технологии изготовления и методики проектирования деталей вращения с упругим покрытием из полиуретана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Яковлев, Станислав Николаевич

• Яковлев, Станислав Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яковлев, Станислав Николаевич

1. Введение.

2. Полиуретан как конструкционный материал и технология его переработки. Промышленное применение деталей вращения с упругим массивным покрытием из полиуретана

2.1. Общая характеристика полиуретанов.

2.2. Основные физико-механические свойства полиуретанов.

2.3. Требования к конструктивным и эксплуатационным качествам полиуретанов.

2.4. Промышленное применение колес с массивным упругим ободом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии изготовления и методики проектирования деталей вращения с упругим покрытием из полиуретана»

Актуальность темы диссертации:

В каждой отрасли машиностроения существуют критически важные детали, без которых невозможна нормальная эксплуатация конкретных машин. Ситуация обостряется, когда материалы и технологии, требующиеся для изготовления таких изделий, являются импортозависимыми, а поставка запасных частей, как правило, - экономически невыгодной. К ответственным деталям такого рода относятся колеса и катки с упругим сплошным ободом для промышленного транспорта, валы и ролики с массивным эластомерным покрытием (резиновым, силиконовым, полиуретановым и др.) для конвейеров и технологических устройств и т.п.

В мире производится более 15 млн. т каучуков и на их основе - до 30 млн. т резиновых изделий. В традиционные технологии переработки каучуков, насчитывающие более 100 лет своего развития, сделаны колоссальные капиталовложения и они экономически выгодны. Но начиная с 40-50х годов в передовых промышленно развитых странах резины во многих технических приложениях стали вытесняться полиуретанами, имеющими важные конструктивные, технологические и эксплуатационные преимущества, хотя полиуретаны в 1,5.3 раза дороже резин. Отставание валового выпуска полиуретанов, объясняется не только конъюнктурными и технологическими ограничениями, но и отсутствием методик проектирования, и в перспективе оно будет неуклонно преодолеваться.

Актуальность диссертационного исследования для отечественной промышленности определяется необходимостью замены традиционного эластомера - резины на более совершенный современный материал. -полиуретан с целью улучшения конструктивных, технологических и эксплуатационных качеств деталей. Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной НИР по единому заказ-наряду ПИМаш № 1.3.96 П 1999-2000 гг «Разработка технологии применения новых марок полиуретановых эластомеров, отработка конструкций, методика испытаний и расчетов», Госрегистрация № 01.9.80000607.

Объект исследования:

В качестве объекта исследования выбраны детали вращения типа колес или катков промышленных транспортных средств, а также роликов или валов конвейеров и технологического оборудования, состоящие обьгчно из металлического центра или стержня, соединенных со сплошным упругим ободом или массивным покрытием из полиуретана.

Предмет исследования:

Предметом исследования является экспериментально-теоретическое обоснование рациональных конструктивных и технологических факторов, определяющих несущую способность эластомерно-металлических деталей -колес и катков, роликов и валов и т.п.

Научная новизна исследования:

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Впервые разработаны физико-технические процессы обработки современных полиуретанов «Дуотан» и «Монотан», ранее не освоенных отечественной промышленностью.

2. Теоретически описаны и экспериментально воспроизведены модели отказов деталей качения с упругим полиуретановым покрытием.

3. Дано научное обоснование конструктивных параметров отдельного класса деталей машин: эластомерно-металлических деталей вращения для транспортных средств и технологического оборудования.

Цели и задачи научного исследования:

Определены две основные цели диссертационного исследования:

- разработка прогрессивной технологии изготовления эластомерно-металлических деталей с использованием перспективных видов полиуретана, включая физико-технические процессы переработки полиуретана и процессы механической обработки упругой поверхности;

-разработка научно-обоснованных методик проектирования эластомерно-металлических деталей вращения, в первую очередь типа колес со сплошным упругим ободом.

Для достижения указанных целей поставлены следующие задачи:

1. Очертить область применения полиуретанов как перспективного конструкционного материала для упругих и износостойких компонентов деталей машин. Выделить конструкции деталей типа колес и катков со сплошным упругим ободом, а также роликов и валов с упругим покрытием.

2. Разработать и внедрить технологию литья для опытно-промышленного изготовления деталей из полиуретанов.

3. Выявить особенности механической обработки маложестких эластомерно-металлических деталей и рекомендовать режимы обработки.

4. Исследовать напряженно-деформированное состояние упругого сплошного упругого покрытия типовых деталей. Установить возможные механизмы разрушения колес с упругим ободом.

5. Разработать методики проектирования эластомерно-металлических деталей на основе технологии их изготовления и выбранных критериев несущей способности.

Методика научного исследования:

Сложность и недостаточная изученность поставленных задач обусловливают приоритетное использование теоретико-экспериментальных подходов, математическое и физическое моделирование объектов исследования и происходящих процессов, отличающихся заведомо нелинейным характером.

Для исследования изделий из полиуретанов в диссертации были выбраны методические подходы, характерные для специальностей «Процессы механической и физико-технической обработки, станки? и инструмент» и «Детали машин и машиноведение» и направленные на обеспечение необходимых технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров деталей.

На защиту выносятся вопросы:

1. Полученные результаты экспериментального исследования технологических и конструкционных свойств перспективных видов полиуретана.

2. Рекомендованные технологические процессы переработки в изделие нового вида полиуретанов, а также способы и режимы механической обработки маложестких деталей со сплошным упругим покрытием.

3. Выявленные физические модели отказов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации эластомерно-металлических деталей типа колес.

4. Разработанные методики выбора рациональных конструктивных параметров при проектировании эластомерно-металлических деталей вращения.

За рамки диссертационного исследования выведены такие детали вращения с упругим покрытием, как длинные валы печатных, бумагоделательных и др. машин, к которым предъявляются узкопрофессиональные требования (красковосприятие и краскоотдача, хим-и термостойкость и т.п.). Не рассматриваются специальные методы технологической переработки полиуретанов: термопластичных и вспененных, интегральных, сотовых и многослойных композиций и др.

Материал диссертации изложен в шести разделах:

1. Введение. Постановка задачи исследования.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Яковлев, Станислав Николаевич

6.1 Основные выводы

1. Анализ физико-механических свойств новых для отечественной промышленности типов полиуретанов подтвердил их высокие технологические и потребительские качества и перспективность для разработки типовых эластомерно-металлических деталей вращения.

2. Экспериментально подтверждено, что отработанная технология свободного литья одно- и двухкомпонентных полиуретанов горячей полимеризации, гарантирует достижение высоких и стабильных механических характеристик упругого покрытия ободьев колес, роликов или валов.

3. Выбраны и внедрены в производство рациональные методы и режимы черновой и чистовой механической обработки эластомерно-металлических деталей: точение специальными резцами, игольчатое фрезерование и шлифование абразивными кругами, шлифование и полирование абразивными лентами.

4. Показана необходимость использования различных технологических приемов обработки эластомерно-металлических деталей при различной твердости двух групп полиуретанов: сравнительно мягких (<40. 65 БНА) или твердых (>90 БЬА).

5. В результате анализа механизма возникновения упругих и релаксационных колебаний в процессе финишной обработки выработаны конструктивные и технологические рекомендации, обеспечивающие повышение качества рабочей поверхности полиуретана: жесткость арматуры, толщину упругого слоя, а также окружную скорость, осевую и радиальную подачу инструмента.

6. Экспериментально воспроизведены и пояснены наиболее опасные виды отказов колеса: внутреннее расслоение упругого обода в результате гистерезисного разогрева и термической деструкции, а также изнашивание рабочей поверхности обода.

7. Предложена методика ускоренных испытаний модели колеса со сплошным упругим ободом, основанная на закономерностях связи деформации, частоты нагружения и температуры нагрева эластомеров.

8. Определена интенсивность изнашивания упругого обода в зависимости от параметров нагружения, характеристик дорожного покрытия и свойств эластомера.

9. Впервые в отечественной проектной практике разработан расчет высокоэластичной контактной деформации колеса со сплошным упругим ободом с использованием экспериментальных данных, полученных непосредственно на моделях колес. Выделен комплекс критериев расчета упругого обода колеса: линейная нагрузка, деформация и износ, кореллирующие с температурой нагрева.

10.Предлагаемая инженерная методика расчета позволяет подготовить исходные данные для постановки уточненного расчета конкретной конструкции ведущего, рулевого или опорного колеса численными методами теории упругости, а именно МКЭ в пространственной постановке.

11. Показано, что по сравнению с опорным колесом напряженно-деформированное состояние ведущего и тормозного колес отличается большей неравномерностью распределения нормальных и касательных напряжений, а также меньшей протяженностью полосы контакта.

12.В совокупности наиболее неблагоприятны условия нагружения в контакте (из-за дополнительного макропроскальзвания при повороте) у рулевого, затем у ведущего и тормозного колес (где происходит лишь микропроскальзывание при деформации).

6.2 Практические рекомендации

1. Основные операции технологического процесса переработки двухкомпонентного полиуретана горячей полимеризации «Дуотан»:

Подготовка металлической арматуры: очистка от грязи; обезжиривание; дробеструйная обработка чугунной (для нержавеющей стали алюминиевой) острой дробью размером 200-400 мкм; повторное обезжиривание; покрытие слоем до 20. 50 мкм адгезивом «СилБонд 49СФ»; сушка при 20X1 в течение 60 мин; консервация. ,

Подготовка металлической формы: очистка, обезжиривание и покрытие внутренних поверхностей слоем антиадгезива «СилРелиз»; сушка при 20X1 в течение 10. 15 мин; сборка с арматурой; уплотненеие стыков лентой «ФУМ».

Заливка формы: разогрев компонентов материала - преполимера и отвердителя до 50. 55 еX; заполнение емкостей заливочной машины при 50.55Х; (при необходимости вакуумирование); подогрев формы до 50.55X; предварительная полимеризация в печи при 90. 11 ОХ в течение 45 мин; извлечения отливки из формы; постполимеризация при 90. 110Х в течение 8. 16 ч; охлаждение отливки.

Разработаны также варианты ручного замеса, а также процесс отливки из однокомпонентного полиуретана горячей полимеризации «Монотан».

2. Режимы обработки резцами отливок деталей вращения указаны в табл. 3.1 3.2.

3. Полиуретаны эффективны в качестве упругого покрытия опорных колес и роликов при работе на участке высокоэластичной деформации диаграммы нагружения F-s.

4. Полиуретаны типа «Дуотан», имеющие более высокую прочность, упругость и износостойкость чем резины, целесообразны* -для широкого использования в промышленности и на транспорте, в менее нагруженных конструкциях может найти применение «Монотан».

5. По сравнению с колесом с резиновым ободом колесо с полиуретановым ободом выдерживает в 2,5-3 раза большую нагрузку, при качении по жесткому покрытию генерирует шум не выше 85 дБ, характеризуется сниженными потерями на трение качения, увеличенной грузоподъемностью и соответственно меньшими размерами, а также более длительным сроком службы.

6. Колеса транспортных средств, эксплуатирующиеся при сравнительно низких частотах нагружения /<100 Гц,, могут устойчиво работать в области длительных температур $<80°С и деформациях s<5. 10 для полиуретана «Монотан»90 SAh или £<10. 15 полиуретан «Дуотан» 90 ShA.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Яковлев, Станислав Николаевич, 2000 год

1. Аношин Г.В., Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Расчет ведущих и рулевых колес со сплошным упругим ободом // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып.19. СПб.: СЗПИ, 2000, с.38-41.

2. Аскадский A.A. Деформация полимеров. М.: Химия, 1973, 448 с.

3. Безухов Н.И. Теория упругости и пластичности. М.: Гостехиздат, 1953, 420 с.

4. Бидерман B.JI. Вопросы расчета резиновых деталей // Сб. Расчеты на прочность, №3, 1958, с. 25-41.

5. Билик Ш.М. Пары трения металл-пластмасса в машинах и механизмах. М.: Машиностроение, 1965, 312 с.

6. Вейц B.JL, Васильков Д.В., Максаров В.В. Управление параметрами зоны и траектории локальной метастабильности в обрабатываемом материале// Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып. 15. СПб: СЗПИ, 1999, с. 16-20.

7. Гуревич Л.Б. Механика полимеров. М.: Химия, 1974, 283 с.

8. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Экспериментальное исследование колес с массивным упругим ободом из полиуретана // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып.15. СПб: СЗПИ, 1999, с.158-163.

9. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Инженерный расчет колес с массивным ободом из полиуретана // Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сб. вып. 18. СПб: СЗПИ, 1999, с. 13-20.

10. Державец Ю.А., Никитин В.А., Петров В.М., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Изнашивание полиуретанов при трении скольжения // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып.21. СПб.: СЗПИ, 2000.

11. Державец Ю.А., Сивчиков С.Б., Яковлев С.Н. Гистерезисный нагрев колес со сплошным упругим ободом // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

12. Державец Ю.А., Яковлев С.Н. Предотвращение автоколебаний при финишной обработке металло-эластомерных деталей // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

13. Державец Ю.А., Яковлев С.Н. Критериальный подход к выбору режимов финишной обработки -эластомерно-металлических деталей // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвузовский сб. вып. 21. СПб.: СЗПИ, 2000.

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

15. Диллон И.Х. Усталостные явления в высокополимерах // Сб. Усталость высокополимеров. М.: Госхимиздат, 1957, 124 с.

16. Ефимов А.Б. Осесимметрическая контактная задача для линейно-вязко-упругих тел //Вестник Моск. Ун-та. Сер. Мат.-мех., 1966, №2.

17. Кац И.А. Теория упругости. М., Машиностроение, 1956, 207 с.

18. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М., Наука, 1969, 420 с.

19. Кобаяши А. Обработка пластмасс резанием. М.: Машиностроение, 1974, 00 с.

20. Композиционные материалы на основе полиуретанов // Под ред. Дж.Бюиста. М.: Химия, 1982, 238 с.

21. Конструирование машин.//Под ред. К.В.Фролова. М.: Машиностроение, Том 2, 1994, 624 с.

22. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967, 359 с.

23. Любартович С.А., Морозов Ю.Л., Третьяков О.Б. Реакционное формование полиуретанов. М.: Химия, 1990, 288 с.

24. Механка машин // Под ред. Г.А.Смирнова. М.: Высшая школа, 1996, 512 с.

25. Мур Д. Основы и применения трибоники. М.: Мир, 1978, 488 с.

26. Огибалов JIM. Конструкционные полимеры. М.: Изд-во МГУ, 1072, 322 с.

27. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. М.: Наука, 1967', 420 с.

28. Паньков J1.A., Костин Н.В. Обработка инструментами из шлифовальной шкурки. JL: Машиностроение, 1988, 236 с.

29. Петров Э.В. Радиальная жесткость массивных резиновых шин // Известия вузов. Машиностроение, №9, 1964, с. 79-90.

30. Петров Э.В. Метод определения уточненных значений коэффициента внутренних потерь массивных резиновых шин // Автомобильная промышленность, №10, 1966, с. 17-10.

31. Проников A.C. Надежность машин.М.: Машиностроение, 1978, 592 с.

32. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник // Под . ред. И.А.Биргера и Я.Г.Пановко. М.: Машиностроение, Том 1, 1968, 832 с.

33. Резниковский М.М., Лукомская А.И. Механические испытания каучука и резины. М.: Химия, 1968, 500 с.

34. Релаксационные явления в полимерах // Под ред. Г.М.Бартенева и Ю.В.Зеленова. Л.: Химия, 1972, 374 с.

35. Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М.: Химия, 1967, 231 с.

36. Соколовский С.С. Теория пластичности. М., Высшая школа, 1969/ 608 с.

37. Справочник по триботехнике // Под ред. М. Хебды и А.В.Чичинадзе. М.: Машиностроение, Том 1, 1989, 398 е.,Том 2, 1990, 412 с.

38. Тихомиров Д.А., Николаев В.И. Механическая обработка пластмасс. Л.: Машиностроение, 1974. 00 с.

39. Тобольский А.П. Свойства и структура полимеров. М.: Химия, 1964, 247 с.

40. Трение, изнашивание и смазка. Справочник // Под ред. И.В.Крагельского и В.В.Алисина. М.: Машиностроение. Том 1, 1978, 400 е., Том 2, 1979.360 с.

41. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник // Под ред. А.И.Голубева и Л.А.Кондакова. М.: Машиностроение. 1994. 446 с.

42. Хантер С. Контактная задача качения жесткого цилиндра по вязко-упругому полупространству // Прикладная механика. Тр. Американского общества инженеров-механиков. -М. Мир. Том 28, №4, 1961, с.146-153.

43. Яковлев С.Н. Исследование механических характеристик полиуретанов перспективных конструкционных материалов // Сб. тр. ПИМаш, - СПб: ПИМаш, 1999, с. 230-233.

44. Яковлев С.Н. Отказы колес с упругим ободом// Сб. тр. ПИМаш, СПб: ПИМаш, 1999, с. 234-237.

45. Awater А., Kraft K.J. and others. Solid polyurethane materials. London. 1990. 371-405, P. 424-445.

46. Culver E.G. Polyurethane elastomers durable and versatile polymers // Materials World. April 1993, P. 225-228 .

47. Hoppe H.G. Application for polyurethane elastomers // Solid polyurethane materials. London, P 15-18.