Восстановление работоспособности теплонагруженных элементов дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных материалов (на примере систем выпуска отработавших газов) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат наук Сергеев Андрей Юрьевич

• Сергеев Андрей Юрьевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Сергеев Андрей Юрьевич

Введение

Глава 1. Состояние вопроса в области ремонта элементов системы выпуска отработавших газов дорожно-строительных машин

1.1 Анализ работ в области использования полимерных композиционных материалов при ремонте систем выпуска отработавших газов

1.2 Анализ условий работы элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин

1.2.1 Влияние температуры, атмосферных условий и давления отработавшего газа на долговечность элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин

1.2.2 Влияние влаги и агрессивных сред на долговечность элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин

1.2.3 Влияние вибраций на долговечность элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин

1.3 Особенности физико-механических свойств полимерных композиционных материалов, используемых для ремонта элементов выхлопных систем

1.3.1 Физическое и температурное старение полимерных композиционных материалов

1.3.2 Влияние влаги и агрессивных сред на долговечность конструкций из полимерных композиционных материалов

1.3.3 Влияние вибраций на долговечность полимерных композиционных материалов

1.4 Основные механизмы регулирования свойств полимерных композиционных материалов для получения необходимой прочности и долговечности конструкций

1.4.1 Упрочнение полимерной матрицы дисперсными наполнителями

1.4.2 Упрочнение полимерной матрицы волокнистыми наполнителями

1.5 Выводы по первой главе

1.6 Постановка цели и задач исследования

Глава 2. Теоретические основы расчета прочности и долговечности деталей выхлопных систем дорожно-строительных машин, восстановленных с использованием полимерных композиционных материалов

2.1 Взаимодействие композитного ремонтного бандажа с цилиндрической поверхностью элемента выхлопной системы

2.1.1 Определение напряженно-деформированного состояния композитного кольца, охлаждающегося в отсутствие оправки

2.1.2 Определение напряженно-деформированного состояния композитного кольца и металлической оправки в результате их совместного охлаждения

2.2 Определение прочности соединения композитного бандажа с металлической оправкой в направлении оси симметрии конструкции

2.3 Ползучесть и релаксация напряжений в композитном бандаже под действием напряжений от натяга

2.4 Выводы по второй главе

Глава 3. Экспериментальные исследования материалов, используемых для ремонта выхлопных систем дорожно-строительных машин

3.1 Исследование остаточных напряжений в ремонтных бандажах при разных технологиях отверждения связующего материала

3.2 Исследование зависимости остаточных напряжений в ремонтных бандажах от толщины бандажа

3.3 Исследование физико-механических свойств полимерных материалов после модифицирования их дисперсными наполнителями

3.3.1 Оценка теплостойкости модифицированных полимерных материалов методом дифференциально-сканирующей калориметрии

3.3.2 Определение адгезионной прочности наполненных полимерных материалов при сдвиге методом выдергивания цилиндрического волокна

3.3.3 Определение адгезионной прочности наполненных полимерных материалов методом отрыва

3.4 Выводы по третьей главе

Глава 4. Разработка технологии восстановления систем выпуска отработавших газов дорожно-строительных машин и расчет экономической эффективности от ее внедрения

4.1 Обоснование выбора способа ремонта элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин

4.2 Разработка технологических процессов ремонта выхлопных систем дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных материалов

4.3 Техническое нормирование работ по восстановлению элементов выхлопных систем различными способами

4.4 Расчет технико-экономической эффективности от внедрения технологии ремонта выхлопных систем дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных

материалов

4.5 Выводы по четвертой главе

Выводы и результаты работы

Список литературы

Приложение А Программа расчета релаксации напряжений и

ползучести ремонтного бандажа на языке MathCad

Приложение Б Карта дефектации выхлопной системы

Приложение В Маршрутные карты ремонта глушителя

Приложение Г Операционные карты ремонта глушителя и приемной

трубы

Приложение Д Акты внедрения результатов диссертационной

работы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Восстановление работоспособности теплонагруженных элементов дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных материалов (на примере систем выпуска отработавших газов)»

Актуальность темы исследования:

Развитая система гарантийных обязательств заводов - производителей дорожных машин и преобладание транспортных предприятий с большой номенклатурой техники и отсутствием специальных постов для ее ремонта все больше приводит к тому, что вопрос ремонта решается на этапе потери работоспособности машины. В таких условиях эксплуатационное резервирование на уровне резервирования деталей и агрегатов уходит на задний план. В настоящее время самым популярным методом ремонта дорожно-строительных машин является замена дефектной детали на новую. Однако такой метод имеет ряд недостатков, большей частью которые связаны с потерей времени на заказ новой детали и ее транспортировку (зачастую продолжительность процесса доставки комплектующих иностранного производства на дилерский склад занимает 30-40 рабочих дней с момента ее оплаты). Для сокращения простоев машин специалисты часто вынуждены использовать другие известные методы ремонта. При этом большую популярность находят такие методы, которые не требуют специального оборудования, специально обученного персонала и с минимальной трудоемкостью обеспечивают высокую долговечность отремонтированной детали.

Важнейшей частью дорожно-строительных машин является система выпуска отработавших газов. Ее основные функции - это снижение уровня шума работы двигателя внутреннего сгорания, вывод токсичных газов за корму машин, снижение токсичности отработавших газов, обеспечение динамических характеристик двигателя машины и другие. По действующим нормативным документам эксплуатация транспортных средств с неисправной выхлопной системой не допускается. По результатам проведенных исследований можно отметить, что дефекты выхлопных систем составляют третью часть от общего числа дефектов машин, пришедших в ремонт. Восстановление работоспособности выхлопных систем на ремонтных предприятиях в настоящее время осуществляют

сваркой электродом, а при больших площадях поражения используют сварку электродом и листовой металл, который выгибают по месту дефекта и затем приваривают. Практика показывает, что в зоне термического влияния сварочной дуги процесс коррозионного разрушения металла идет более интенсивно, чем в остальном теле элемента. Известен способ ремонта выхлопных систем с использованием листового металла, который выгибают по месту дефекта, а затем стягивают болтами. Для обеспечения герметичности соединения дефектной поверхности и металла наносят теплостойкий герметик. Такой способ не пользуется популярностью из-за высокой трудоемкости. Способы ремонта с использованием клеевых составов позволяют не только заменить сварку, но и восстанавливать работоспособность деталей машин и оборудования, ремонт которых известными способами невозможен.

Представители зарубежных фирм в России предлагают клеевые материалы, которые позволяют производить ремонтные работы различных деталей и узлов, в том числе выхлопных систем. Однако практика отмечает неудовлетворительную надежность и долговечность элементов выхлопных систем после такого вида ремонтного воздействия. Поэтому на сегодняшний день такие материалы чаще используются как средства «полевого» ремонта, цель которого обеспечить работоспособность элемента до тех пор, пока машина не достигнет ремонтной мастерской.

К настоящему времени накоплен довольно большой опыт использования отечественных клеевых составов в авиации, ракетно-космической отрасли и оборонном комплексе. Существующие авиационные технологии позволяют находить пути применения композиционных материалов и в других смежных областях, в том числе в области ремонта дорожно-строительных машин. В результате это может привести к увеличению сроков службы восстанавливаемых элементов, а также повышению качества и эффективности ремонта.

Однако в настоящее время вопросы применения полимерных композиционных материалов при ремонте теплонагруженных элементов транспортных и дорожно-строительных машин мало изучены. Таким образом,

диссертационная работа, направленная на разработку методов ремонта теплонагруженных элементов дорожно-строительных машин (на примере системы выпуска отработавших газов) с использованием полимерных композиционных материалов является актуальной для производителей и потребителей техники.

Степень разработанности темы исследования:

В настоящее время известно довольное большое число научных трудов, касающихся теоретических и экспериментальных исследований в области применения полимерных композиционных материалов при ремонте различных элементов транспортных и дорожно-строительных машин. В нашей стране одними из первых работ, посвященных вопросам ремонта деталей машин полимерными материалами, являются научные публикации Мотовилина Г. В. с сотрудниками [30, 57]. В монографии [30] отражены вопросы, касающиеся восстановления дефектов в виде трещин и пробоин корпусных деталей, износа втулок и валов, а также склеиванию двух деталей. Вопросам, касающимся увеличения долговечности неподвижных цилиндрических соединений путем использования полимерных материалов, посвящены работы Курчаткина В. В. [50], Истихина С. В., Баскакова В. Н, Дмитриева А. Д., Кулинского Г. А. и других ученых. Труды исследователей в настоящее время направлены на расширение номенклатуры деталей, восстанавливаемых полимерными композиционными материалами. Здесь следует отметить работы Зорина В. А. [38], Бауровой Н. И. [17], Малышевой Г. В. [25], Башкирцева В. И. [21], Башкирцева Ю. В. [22], Петровой А. П. [62], Темникова В. Н. [78], Ланихина Р. А. [51], Бодрых Н. В. [25] и др.

Получение положительных результатов по внедрению полимерных композиционных материалов при ремонте транспортных и дорожно-строительных машин невозможно без фундаментальных исследований свойств, структуры и поведения материалов. Здесь отметим лишь работы, касающиеся подходов к изучению свойств и поведения полимерных композиционных материалов, затронутых в настоящей диссертации. Касательно теории

адгезионных взаимодействий следует отметить работы Турусова Р. А. [83-85], Горбаткиной Ю. А. [33, 34], Фрейдина А.С. [89]. Многочисленным исследованиям свойств и поведения намоточных композитных конструкций посвящены работы Рабиновича А. Л. [67], Турусова Р. А. [79-82, 86], Гольдмана А. Я. [32], Бабича В. Ф. [14], Болотина В. В. с сотрудниками [23, 26, 27, 58], Тарнопольского Ю. М. [77], Портнова Г. Г. [64], Биргера И. А. [24] и др.

Однако на сегодняшний день научные работы, охватывающие в полном объеме фундаментальные и прикладные вопросы ремонта теплонагруженных элементов дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных материалов, автору не известны, что еще раз подчеркивает актуальность настоящего исследования.

Цель диссертационной работы: разработка методов ремонта теплонагруженных элементов дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных материалов, обеспечивающих повышение долговечности машин и снижение материальных затрат.

Основные задачи исследования в соответствии с целью состояли в следующем:

1. Разработать теоретические основы расчета прочности и долговечности элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин, восстановленных с использованием полимерных композиционных материалов.

2. Исследовать влияние технологических факторов на долговечность элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин, восстановленных с использованием полимерных композиционных материалов.

3. Исследовать физико-механические свойства полимерных композиционных материалов, используемых для ремонта дорожно-строительных машин.

4. Разработать технологию ремонта систем выпуска отработавших газов дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных материалов.

5. Провести оценку технико-экономической эффективности разработанных методов ремонта систем выпуска отработавших газов дорожно-строительных машин.

Объект исследования: элементы систем выпуска отработавших газов дорожно-строительных машин.

Предмет исследования: способ и технология ремонта элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных материалов.

Методология и методы исследования оценки качества предлагаемых новых технических решений включают в себя экспериментальные методы определения динамической прочности деталей, восстановленных с использованием полимерных композиционных материалов, проведение их лабораторных и эксплуатационных испытаний.

Предлагаемые методы и подходы базируются на основных положениях теории надежности машин, теории упругости, теорий неупругого поведения полимерных композиционных материалов, методов планирования эксперимента, на экспериментальном исследовании прочности, коррозионной стойкости и сопротивления усталости образцов и элементов машин, восстановленных с использованием полимерных композиционных материалов.

Общая методика исследования заключается в анализе возможных дефектов элементов выхлопных систем, исследовании свойств материала для обоснования его подбора для конкретного ремонтного воздействия, исследовании технологии нанесения ремонтного материала на восстанавливаемый элемент.

Теоретические и экспериментальные исследования проводились автором в МАДИ на кафедре «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин», в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Ракетно-космические композитные конструкции» и в институте Химической Физики РАН в лаборатории армированных пластиков в период с 2013 по 2015 гг.

Научная новизна работы:

Научная новизна заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании способа ремонта высокотемпературных элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин.

Разработана математическая модель, описывающая взаимодействие ремонтного композитного кольцевого бандажа с восстанавливаемой поверхностью, позволяющая оценить прочность конструкции в осевом и радиальном направлении; предложен метод расчета длительной прочности кольцевого ремонтного бандажа, метод оценки напряженно-деформированного состояния восстановленного элемента конструкции и дано теоретическое обоснование предлагаемого метода устранения повреждений.

Изучен механизм преждевременного выхода из строя ремонтного бандажа и установлено, что разрушающие напряжения зависят от толщины ремонтного бандажа и технологии полимеризации связующего. Установлено, что прочность восстановленных соединений зависит от типа и размера частиц наполнителя, а также степени дисперсности частиц в полимерной матрице.

Предложен новый способ ремонта теплонагруженных элементов дорожно-строительных машин, согласно которому на дефектном участке элемента намоткой формируют кольцевой бандаж из теплостойкого материала, отличающийся тем, что в качестве армирующего материала бандажа используют углеродное волокно, которое при намотке пропитывают полимерным связующим, при этом намотку каждого следующего слоя бандажа осуществляют после отверждения предыдущего.

Теоретическую и практическую значимость диссертационной работы составляют:

1. Разработанные модели прочности и долговечности сцепления ремонтного материала и восстанавливаемой поверхности выхлопной системы дорожно-строительных машин.

2. Технология полимеризации ремонтного бандажа, используемого для восстановления выхлопных систем дорожно-строительных машин.

3. Экспериментальные результаты влияния толщины намоточного ремонтного бандажа на прочность соединения его с восстанавливаемой поверхностью выхлопной системы дорожно-строительных машин.

4. Результаты экспериментов по определению адгезионной прочности при сдвиге и отрыве и температуры стеклования наполненного дисперсными углеродсодержащими наполнителями связующего.

Положения, выносимые на защиту:

-Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния соединения ремонтного материала и дефектного элемента выхлопной системы дорожно-строительных машин.

-Результаты экспериментальных исследований полимерных композиционных материалов, используемых для ремонта выхлопных систем дорожно-строительных машин.

-Технология ремонта теплонагруженных элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин с использованием полимерных композиционных материалов.

Степень достоверности и апробация работы:

Контроль достоверности полученных результатов осуществлялся сопоставлением теоретических положений с экспериментальными данными, полученными при проведении лабораторных испытаний большого количества опытных образцов и реальных конструкций.

Диссертационная работа выполнена в рамках проектной части Государственного Задания в сфере научной деятельности за 2014-2015 год (проект №Б1124214) и ГРАНТа в рамках программы стратегического развития МАДИ за 2014 год (проект №2.4.1/13).

Эффективность теоретических и экспериментальных результатов подтверждена актами и заключениями о внедрении результатов диссертационной работы:

- На предприятии ЗАО «Сергиево-Посадский Автодор» при ремонте приемных и соединительных труб, глушителей выхлопных систем дорожно-

строительных машин, а также при восстановлении герметичности соединения приемного коллектора с двигателем внутреннего сгорания.

- На предприятии ОАО «Сергиево-Посадское ДРСУ» при ремонте элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин.

- На предприятии ООО «Альт-Профи» при ремонте дефектов элементов выхлопных систем машин.

- В учебном процессе Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) при подготовке студентов, обучающихся по специальностям направления «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования» и по специальности «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (по отраслям)», при подготовке магистров по направлению «Наземные транспортные технологические машины и комплексы» и «Технология машиностроения», а также при написании кандидатских диссертаций.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах, выставках:

- Научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ с 2013-2015 гг.

-Международной научно-технической конференции «Современные достижения в области клеев и герметиков. Материалы, сырье, технологии» Дзержинск, Россия, 17-19 сентября 2013 года.

-Международной научно-технической конференции «Интерстроймех -2013»Новочеркасск, Россия, 1-2 октября 2013 года.

-Международной научно-технической конференции «Интерстроймех -2014» Самара, Россия, 9-11 сентября 2014 г.

-Международной конференции «Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций» ИМАШ РАН, Москва, Россия, 10-13 ноября, 2014 г.

-Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-

транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, Россия, 9 апреля, 2015 г.

-Международной научно-технической конференции «Интерстроймех -2015» Казань, Россия, 9-11 сентября 2015 г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 7 работ опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК для кандидатских диссертаций, 4 работы опубликовано в изданиях, входящих в базу цитирований Scopus. По результатам работы подана заявка на Патент (№ 2014150441 от 12.12.2014). В печатных работах подробно изложено содержание всех основных разделов диссертации, выводы и результаты работы.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 106 наименований, в том числе 13 на иностранном языке, а также приложений. Работа содержит 192 страницы, включая 158 страниц основного текста, содержащего 19 таблиц, 43 рисунка, и 5 приложений на 20 страницах.

Глава 1. Состояние вопроса в области ремонта элементов системы выпуска отработавших газов дорожно-строительных машин

Каждая установка, оснащенная двигателем внутреннего сгорания, имеет систему выпуска отработавших газов, которая выполняет множество функций при эксплуатации техники. Важнейшими из них являются снижение токсичности отработавших газов, снижение уровня шума, вывод токсичных газов двигателя машины, обеспечение динамических характеристик машины и другие.

Система выпуска отработавших газов дорожно-строительных и транспортных машин в большинстве случаев состоит из приемного коллектора, турбины (если двигатель внутреннего сгорания (ДВС) оснащен турбонаддувом), приемной и соединительной трубы, гофры (металлорукава) и моноблочного глушителя. Обычно в систему выпуска также входит каталитический нейтрализатор, характеристики которого учитываются при оценке заглушающих свойств всей системы. В случае дизельного двигателя глушитель компонуется сажевым фильтром. Расположение глушителей в системе выпуска зависит от конструкции двигателя, расположения двигателя на автомобиле и допустимого сопротивления выпуску отработавших газов. После открытия выпускного клапана волна давления поступает в выпускной трубопровод и при встрече препятствий частично отражается от них. Отраженная волна давления возбуждает колебательный процесс в системе с узлами и пучностями давления, расположение которых в выпускной системе определяется частотой вращения коленчатого вала двигателя, тактностью и количеством цилиндров, подключенных к этой выхлопной трубе [36]. Выпускную систему ДВС можно считать трубой, открытой с одного конца и закрытой клапаном с другого. Изменение скоростного режима работы двигателя влечет за собой изменение частоты вынужденных колебаний газа в трубе. Характеристика снижения шума зависит от частоты пульсаций, сглаживанию которых способствует увеличение количества цилиндров и возрастание частоты вращения коленчатого вала. Геометрические размеры глушителей определяют исходя из компоновочного пространства. Отношение

длины глушителя к диаметру оказывает существенное влияние на величину снижения шума и на диапазон заглушаемых частот. Простейшим одномерным элементом при расчете шумопоглощения является труба постоянного диаметра с жесткими стенками. При расчетах шумопоглощения выхлопных систем также прибегают к методам конечных элементов.

Требования к содержанию токсичных веществ в выхлопных системах в настоящее время регламентированы ГОСТ Р 52033-2003 [4], ГОСТ Р 41.83-99 [3]. Токсичность двигателя традиционной схемы с однородным зарядом определяется основными его характеристиками: величиной степени сжатия, формой камеры сгорания, диапазоном частот вращения коленчатого вала, величиной угла опережения зажигания, сортом использованного топлива, качеством заряда и процесса сгорания. Уровень звукового давления в приемной выхлопной трубе форсированного двигателя может достигать 180 дБ и регламентируется ГОСТ Р 41.51-2004 [5]. Интенсивность акустического излучения в процессе газообмена определяется как параметрами рабочего процесса, так и особенностями конструкции ДВС. В частности, на характеристики шума влияют плотность газа на выпуске, противодавление среды, в которую происходит истечение, и температура отработавшего газа. Потеря работоспособности выхлопных систем приводит не только к увеличению токсичности отработавших газов и увеличению шума, но и к снижению динамических характеристик двигателя внутреннего сгорания, увеличению расхода топлива, а также ухудшению условий работы механизатора вследствие попаданий токсичных газов в кабину. Причем исследования зависимости расхода топлива автомобиля от площади отверстий (условных дефектов) выхлопных систем и их положения на поверхности выхлопных систем показали [100], что скорость расхода топлива увеличивается пропорционально диаметру отверстий, дефекты, находящиеся вблизи каталитического нейтрализатора, приводят к наибольшему расходу топлива по сравнению с дефектами других элементов выхлопной системы. В целом же скорость расхода топлива практически не зависит от положения дефекта

(удаленности от ДВС) выхлопной системы, а с уменьшением диаметра отверстия и увеличением расстояния от выпускного коллектора уровень шума снижается.

Элементы системы выпуска отработавших газов дорожно-строительных машин являются одними из наиболее подвергающихся коррозии элементов. На элементы выхлопных систем действует окислительная коррозия, обусловленная попаданием влаги из атмосферы, а также выпадением конденсата из-за резкого снижения температуры выхлопного газа вследствие, например, останова ДВС. Попадание соли и реагентов с дорог усиливает окислительные процессы и является причиной появления питтинг-коррозии. Высокие температуры нагрева обусловливают газовую коррозию материалов. В настоящее время для обеспечения заданного срока службы элементов выхлопных систем широко применяют стали аустенитного класса [70] и алюминизированные нержавеющие стали [93].

Процесс теплопереноса в выхлопной системе происходит следующим образом: после открытия выпускного клапана нагретый отработавший газ из камеры сгорания устремляется в коллектор, затем, проходя через приемную трубу, попадает в нейтрализатор, служащий для снижения токсичности; далее, проходя через гофру, резонатор и глушитель, попадает в атмосферу. Скорость нагрева поверхности элементов выхлопной системы определяется скоростью распространения нагретого газа, оборотами коленчатого вала двигателя, объемом камеры сгорания, компрессией, конструктивными особенностями выхлопной системы, а также нагрузкой, создаваемой на коленчатый вал ДВС. Попадание влаги на разогретый элемент приводит к термоудару, что может привести к короблению металла и зарождению трещины [16].

Анализ возникновения отказов элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин показывает, что эксплуатационная надежность последних весьма низка. По результатам исследований установлено, что дефекты элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин составляют от 20 до 48% от общего количества дефектов, приводящих к ограничению эксплуатации машин.

На основании собранных статистических данных были построены диаграммы наработки на отказ элементов выхлопных систем МАЗ 64229 и КамАЗ 65117 (рисунки 1.1 - 1.2).

Анализ повреждений элементов системы выпуска отработавших газов дорожно-строительных машин показывает, что разрушение происходит чаще всего в угловых поворотах и в местах соединения элементов, то есть в местах концентрации напряжений (рисунок 1.3). При этом ослабление соединяющих хомутов, поддерживающих кронштейнов приводит к нарушению герметичности, увеличению амплитуд колебаний элементов выхлопных систем и ускорению повреждаемости последних. Также следует отметить, что ресурс отремонтированных с помощью дуговой сварки деталей сильно снижен по сравнению с ресурсом новых, выход из строя такой детали обусловлен значительной коррозией, проявляющейся на ранних стадиях после ремонта, в зоне сварного шва.

Сборку элементов выхлопных систем для обеспечения герметичности осуществляют с натягом, что приводит к некоторым монтажным напряжениям. Колебания узлов и агрегатов машин вызваны в основном вибрациями двигателя. Для снижения влияния вибраций машины при движении на элементы выхлопных систем применяют различного типа эластичные крепежи, изготовленные из резин.

Скорость газового потока в системе выхлопа отработавших газов зависит от оборотов двигателя, объема камеры сгорания и степени компрессии. Давление выхлопных газов может вырасти при появлении препятствий для их прохождения (например, при использовании горного тормоза или при забитом катализаторе).

Соль и реагенты усиливают действие окислительных процессов, а при перепадах температуры выпадающий конденсат смешивается с выхлопными газами и способен образовывать растворы слабых кислот. Попадание камней и песка с дорог приводит к абразивному изнашиванию металлической поверхности элемента выхлопной системы.

Рисунок 1.1- Наработка на отказ Т элементов выхлопных систем МАЗ 64229

Рисунок 1.2- Наработка на отказ Т элементов выхлопных систем КамАЗ 65117

а)

г)

б)

Д)

в)

е)

ж)

з)

и)

Рисунок 1.3- Дефекты элементов выхлопных систем: а - разрушение приемной трубы вследствие коррозии; б - разрушение фланцевого соединения приемной трубы с глушителем; г - прогар приемной трубы; д, е - нарушение герметичности соединений; ж - облом шпильки крепления коллектора двигателя; з -механическое повреждение соединительной трубы; и - прогар глушителя

Таким образом, перспективные методы ремонта выхлопных систем дорожно-строительных машин должны не только восстанавливать работоспособность элементов при низких затратах материалов и энергии, но и обеспечивать надежную защиту от разрушающих процессов.

Практике известны следующие методы ремонта выхлопных систем: заделка трещин и прогаров с применением сварки и наплавки, ремонт с применением металлических вставок, стягиваемых болтами, и высокотемпературного герметика, ремонт с использованием полимерных материалов и тканевых бандажей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сергеев Андрей Юрьевич, 2016 год

- у„

г 2

ф2

Е

г 2

(2.28)

Так как в задаче для простоты решения и наглядности пренебрегли радиальными и окружными температурными напряжениями, то (2.28) упрощаются:

а х1

(2.29)

ех1 _■

Е

а

ех2

х 2

Е

х 2 ^

Подставляя (2.25) в (2.26) с учетом (2.21) получим: х __ 1 гС(х)_ С(х)

т

(х, г) =/ О д _ ОI-

-дг-

-1п г+ф(х)

(2.30)

О О г О Запишем условия на границе кольца 2 с пограничным слоем 3 и оправки 1 с пограничным слоем 3, учитывая (2.30):

г _ г

С(х)

т1 _—:—1п г1 + ф(х) О

г _ г

т _

С(х) О

1п г2 +ф(х)

Вычитая т1 из т2 и дифференцируя по х, получим:

дт2 дт1 _ 1 дС(х)1п г2 дх дх О дх г

Подставляя сюда (2.24), (2.27), (2.29) и первое выражение для С(х) из (2.22), затем исключая ах2 с помощью (2.23), получим:

Э2а х1 2О 1 1 (с 20 - с10)1 Л —2х1+--[-а х1 [-2—т-+-2-И-Н _ 0

дх2 1п "Ех2(Я - г2) Е^ - ^ (г2 - г2)

г1

Введем обозначения:

р - 1

Ех2(ЯЯ -г22) Ех1(г12 -г02)

2 2ОР ю2 _—-

г

г1

Тогда получим:

д2а х1 а ю 2 + ю2 (с х02 - с °) 0 (2.31) -2— а х1ю Н---2-2— _ 0

дх2 х1 Р (гх2 -г02)

Решение (2.31):

а х1 _ С, • еюх + С + (с202 - с ^ х1 1 еюх (гх2 -г02)Р

Или с использованием гиперболических функций:

а 1 _ А • ^(ю х) + В • sh(ю х) + (с*2 - с^ (2.32)

(г1 - г0)Р

Так как в рассматриваемой задаче отсутствуют внешние воздействия, а напряжения в модели возникают под действием температуры или усадки, то граничными условиями является отсутствие нагрузки на торцах:

х _ -1 (3х 1 0 2

х _1 °х1 0 2

Подставляя граничные условия в (2.32), получим:

(с х2 - с х1) [1 - х) -

(г!2 -г2)Р ch(ю • V

2

Дифференцируя по х и подставляя в (2.22), получим:

од = . ^(о х) (2.33)

2р • ек(ю • ^)

После подстановки (2.33) в (2.21) получим окончательно для касательных напряжений:

т,(хг) =

Ю • (£ Х2 - £ Х1) Х)

I. Г

2р • ек(ю • 2) г (2.34)

где

Р - 1

Ех2(Х -г2) Е>12 -г02)

2ОР

1п Г

Г1

2рО

г1 • К

где 8°;8° - температурные, либо усадочные деформации, либо их сумма мм/мм; г0, ^-внутренний и внешний радиус оправки соответственно, мм; г2, R-внутренний и внешний радиусы композитного кольца соответственно мм; I-ширина бандажа, мм; Ех1, Ех2-модуль Юнга оправки и композита соответственно,

О

МПа; - жесткость контактного слоя, которая может быть определена из к

результатов испытаний связующего на сдвиг или методом выдергивания волокна из матрицы, МПа/мм.

Отметим, что в соответствии с принятой схемой х принимает значения от I I

- 2 до 2 (рисунок 2.8). Так как функция гиперболического синуса симметрична

относительно нуля и монотонно возрастающая, то очевидно, что максимальные по модулю значения функцият (х, г) в (2.34) будет принимать на краях модели. В

выражении (2.34) Р>0, ю>0, еК~)-1, тогда т (х, г) максимального по модулю

I

значения достигает при х=±^. Таким образом, можно сделать вывод о том, что

разрушение (появление трещины) начинается с краев модели. На рисунке 2.11 представлено распределение касательных напряжений вдоль образующей цилиндрической плоскости склейки.

80 т

• разр

- разр

Рисунок 2.11- Эпюра касательных напряжений т(х) для модели композита на

металлической оправке

I I

В общем случае т (х, г) = f ^(<шх)) на участке — <х <^ монотонно возрастает

. 0 'х1

при (е Х2 — е Х1) > 0 и убывает при (е х°2 — е Х1) < 0. У металлов деформации усадки е X как правило, при охлаждении отрицательны, еХ2при охлаждении композитного кольца может быть как положительными, так и отрицательными. Для большинства композитных колец е х°2 < 0.

Рассмотрим края модели, где касательные напряжения максимальны. Тогда выражение (2.34) запишется в виде: 1 , Ш • (е х°2 — е I

т (+—, г) =

тах \ 2

-хИ • Ш±ш- )

2г • р 2

Разрушению от максимальных касательных напряжений будет препятствовать адгезионная прочность при сдвиге связующего относительно металлической подложки. Напомним, что под разрушением соединения понимается сдвиг композитного кольца относительно отправки вдоль оси симметрии. Тогда условие прочности соединения композитного кольца с металлической оправкой в этом случае запишется в виде:

Г) < Т аС

Адгезионная прочность связующего при сдвиге таС, может быть определена известными методами сдвига, выдергивания и т.д. Подробнее об определении адгезионной прочности связующего при сдвиге будет сказано в главе 3.

Проанализируем выражение для максимальных касательных напряжений в зависимости от некоторых параметров модели. В первую очередь интерес представляет выбор ширины кольца, обеспечивающей минимальные касательные сдвиговые напряжения, вызванные изменением температуры.

Нш[Ю •(8 02 - 8 • tк(ш -)] = 0

1^0

2г • р 2

, 0 0 \ / / 0 0 \ ГЮ • (8х2 -8х1) , . /.п Ю • (8х2 -8х1)

Иш[-^-^ • tк(ю -)] =-^-

1 2г • р 2 2г • р

Функция гиперболического тангенса достигает своего предельного значения довольно быстро (при значении аргумента ~ 4.) Тогда условие снижения

максимальных касательных напряжений выглядит в виде: - ^ — . Значение ю

ю

зависит от жесткости контактного слоя, модулей упругости связующего и волокна и геометрических параметров модели. В большинстве случаев ю>1, тогда снижение максимальных касательных напряжений за счет уменьшения длины склейки I не рационально, так как очень малые повреждения элементов восстанавливать намоткой волокна экономически не выгодно. Численный анализ показывает, что увеличение длины склейки I незначительно влияет на максимальные касательные напряжения, вызванные изменением температур.

Интерес представляет случай, когда адгезионное сцепление между связующим и подложкой нарушено, например, вследствие трещины или масляного, топливного и другого типа загрязнения поверхности восстанавливаемого элемента выхлопной системы. Тогда сдвигу в направлении оси будет препятствовать сила трения, возникающая между кольцом и оправкой вследствие натяга между кольцом и оправкой. Следовательно, выражение для касательных напряжений, возникающих вследствие трения, запишется в виде:

тг = К ^(О (2.35) где К - коэффициент трения, характеризующий трение материала кольца о

поверхность элемента выхлопной системы; аг2(г1) - напряжения, с которыми кольцо обжимает металлическую оправку.

Подставляя в (2.35) выражение (2.17) для аг2(г1) получим:

т Ка (г) К Г^ — —+(!—Е • ВНе^ — едЕр2 ( (2.36)

ТГ = К1 г2(г) = К-[-Г+-Т~2к7Г-) (1 2к)Е в-С1"* ) + А (1— 2 )]

к +Угр2 + 2 (к —^ —(1— 2 )Ер2 •В

А=Е (е0 —еф°) в р2(1 + ^(1 —■ур * =п

1—к2 (г02 — гх2) Е Л

где е г0; ер0 отражают либо температурную, либо химическую усадку, либо

их совместное действие.

Таким образом, при частичном или полном отсутствии адгезии между связующим и восстанавливаемым элементом выхлопной системы дорожно-строительных машин герметичность ремонтного бандажа может быть сохранена за счет созданного натяга композитного кольца на оправке.

2.3 Ползучесть и релаксация напряжений в композитном бандаже под

действием напряжений от натяга

Одним из условий прочности конструкции является сохранение обжимающих оправку напряжений в течение времени, регламентированного сроком службы. Как уже было отмечено в разделе 1, с течением времени напряжения натяга в композитном ремонтном бандаже испытывают релаксацию. Одновременно с этим в материале развиваются деформации ползучести под действием этих же напряжений. Деформации ползучести приводят как к разрушению композитного кольца, так и разрушению соединения на границе его с оправкой. В связи с этим представляет интерес исследование прочности ремонтного бандажа из композита в течение некоторого продолжительного времени.

При решении задачи о релаксации напряжений натяга композитного бандажа на металлическую оправку и ползучести композитного бандажа под действием этих напряжений принято допущение, что ползучесть и релаксация начинаются в некоторый момент to, напряжения натяга при этом сформированы в конструкции с учетом этапов намотки, полимеризации и охлаждения. Предположим, что армирующие волокна в течение всего процесса ползучести ведут себя упруго, высокоэластические деформации развиваются только в связующем. Полагаем, что падение напряжений, обжимающих оправку, происходит из-за развивающихся со временем высокоэластических деформаций кольца, выражение скорости высокоэластических деформаций подчиняется обобщенному уравнению Максвелла. Расчетная схема к задаче приведена на рисунке 2.12.

Общие деформации кольца 8г, 8Ф складываются из суммы упругих ег, еф,

температурных 8Г0, 8ф0 и высокоэластических деформаций 8Г*, 8Ф*:

0 * 8 = е + 8 + 8

г г г г

8ф = еф + 8ф0 + 8ф (2.37)

где еп еф - упругие деформации по радиусу и окружности соответственно;

8г0, 8ф0- температурные либо усадочные деформации либо их сумма по радиусу и

* *

по окружности соответственно; 8г, 8ф - высокоэластические деформации по

ф

I

~-Т » 8ф _

ТЛЛГМУТТ/^Г-ТТТ РГ>ПТТ>АТРХПАОТ1П 8г ^ 8ф

радиусу и по окружности соответственно.

В силу осевой симметрии модели удобно ввести полярные координаты (г,ф). Подставляя уравнения равновесия (2.5) и соотношения Коши (2.7) в (2.6) с учетом (2.37) получим:

= — г ) + 8 г0 + 8 г

ёи 1 , 0 *

г+ 8 г

*

+ 8

г £ 4" ф ' гф~ г; ' "ф ф

ёг Ег

и 1 г \ 0 *

— =— К -У гф^ г ) + 8ф + 8

'ф

Решая систему, получим выражение для трансверсально изотропного кольца в общем виде:

а 2а. 5а. ,3 1 дЕ_ 1 — к2 1 дЕт у „„ дЕт 1 ду,

2 , + ^[И— _] + аг(^----+ ^--^) =

дг дг г Ер дг г гЕр дг гЕр дг г дг

Е д 0 д *

Ер / 0 , * 0 дер * дер ч

= (е г + е г — еф — — ер —

г дг дг

у Е

гр = = к 2

у Е

рг г

Введем допущение, что модуль Юнга вдоль волокна не зависит от радиуса

дЕ ду

—- = 0 ; коэффициент Пуассона постоянен по радиусу: —— = 0 ; охлаждение

дг дг

де0

однородно—р = 0: тогда получаем выражение, аналогичное (2.9), но с учетом

дг

неупругих деформаций:

д2а, +3 •^аг +аг ^—к2 = Ер (е* —е* — г ^е^ + (е0 -О) ("8)

Л. 2 Л. г 2 2 ^ г р \ г ф<>

дг г дг г г дг

где к-коэффициент упругой анизотропии (к = = ).

А/у V Е

У р г 1 г

Левая часть уравнения (2.38) не зависит от времени, в правой части коэффициенты высокоэластической деформации являются функциями, зависящими от времени. Выражения для скоростей высокоэластических

деформаций -8*;получим, используя нелинейное уравнение Максвелла — —

(смотри раздел 1.3). Здесь запишем обобщенное уравнение Максвелла в форме, приведенной в [67]:

оф. _ *

* * (а--ф) - Е 8

Эбг ¡г* _ г 2 "*

& л** л**

о _ч „ *

. , (стф -

Ф_^ф,*_

&8ф уф*,, к-Т)-

& л* л

где

1 ^

1 ехр{ * • л* }

1 щ ' шах

(2.39)

*

___т

*

1*

Л, Л0*

где аг, аф - радиальное и тангенциальное напряжения соответственно; Еш,*

- модуль высокоэластической деформации *-й составляющей спектра высокоэластической деформации; t - время; т** - модуль скорости, отражающий

влияние скорости деформации на напряжение при данной постоянной

*

деформации; л 0,* - коэффициент начальной релаксационной вязкости *-й

составляющей спектра высокоэластической деформации, пропорциональный

*

начальному (т.е. в отсутствие напряжений и деформаций) времени релаксации 8, ; индекс «*» означает номер спектра времени релаксации; в выражении коэффициента релаксационной вязкости л * вместо /** должна быть поставлена

та из функций /** или /*,*, которая больше по абсолютной величине. Расчеты

показывают, что такой функцией, обычно, оказывается /ф*,* [67, 87].

**

Для определения высокоэластических деформаций 8г ,8ф , входящих в выражение (2.38), используем простые соотношения:

&(8*,* X

(8 *,* х,=(8 *,* х,;-+х,- •At

(8ф,* = (8ф,* - + (),м-А/

* (2.40)

* Ч ✓ * Ч ^&(8<р,*

а=1,2...)

где Л/- шаг по времени.

Далее воспользуемся способом решения методом прогонки [37, 87]. Для численного интегрирования заменим поле переменных г, / сеткой г, ^ шаг сетки по радиусу ho и по времени Л/ примем постоянными. Тогда справедливы выражения:

R-r

h = r+ -r =-1 = const

n

r = r+К ■/;

At = tj+1-tj = const

(,=1,2..")

где n-число интервалов по радиусу; К0-длина шага по радиусу. Выразим (2.36) в конечных разностях. Для этого будем использовать для аппроксимации производных по r формулы [37]: аг а + -Qr ,-1

дг

2К

дг2 h?

После подстановки формул в (2.36) получим (для удобства опуская подстрочный индекс г):

G+W + ПА; + ПЛч; =Vy (z=1,2...n-=0,1,2...)

(2.41)

где

m.

h2

(1 - k2) ■ ^^- 2 _r

■ 3 .

1 + h0 2r

n

' , j

2 r - 3h0 2 r + 3h0

* 2 hg Еф _ У,, j = [e

2r2 + 3rh

e — e

* _ * ,„ ьф+1,j ьф—1,j — о — Г-

r ,,j ф ,,j

2h

+ (e; - еф0)]

*

*

Выражение (2.39) для каждого момента времени j образует систему из (п-1) уравнений, содержащих (п+1) неизвестное напряжение а^. Таким образом, следует определить напряжения на границах кольца с оправкой а 0 и на внешнем радиусе кольца а П в j-й момент времени.

Напряжения на внешнем радиусе R кольца в любой j-й момент времени равны нулю (аП= 0) (рисунок 2.12). Для того, чтобы найти выражение для напряжений на внутреннем радиусе композитного кольца, следует рассмотреть задачу о взаимодействии композитного кольца с металлической оправкой при совместном охлаждении. Напомним, что в рассматриваемой нами задаче остаточные напряжения в композитном кольце складываются из напряжений, созданных на стадии намотки и охлаждения а 0 = а" + а О*. Задача об охлаждении композитного бандажа на цилиндрической металлической оправке в упругой постановке решена в разделе 2.1.2. Аналогично решая задачу о взаимодействии композитного кольца с металлической оправкой с учетом высокоэластических деформаций (с использованием соотношений (2.37)) и стадий намотки и охлаждения, можно записать второе граничное условие на внутреннем радиусе кольца:

а 0 = а ; (Г!) + (1 - *2 *) • [ ^ • ^ - 2-^ -у г, 2) + С^ 2 * +

0 к г,2 + *2к • (к-V г,2) - (1 - *2к)Е,2 • В

+_Е,2 • (£Ф2 + 8,2 - 8дО_] + ^(1 - *к-1)

к +V г, 2 + ^ • (к-V г, 2 ) - (1 - ^ ) Е, 2 • В К '

где

В = Го2(1 + V ,) + Г12(1 -V 0 А = Е, (8 г 2 - 8,2 + 8 г2 - 8,2)

(Го2 - гх2)Ех 1 - к2

*=г±

к V V- V Е я

где а Н (г1) - радиальные напряжения, обжимающие оправку и созданные на этапе намотки, значения которых могут быть получены из выражения (2.1), МПа; г0; о; Я - внутренний радиус оправки, внутренний радиус композитного

кольца, внешний радиус композитного кольца соответственно, мм; вг°, вф° -

деформации, вызванные химической усадкой, либо температурным расширением

* *

композита, либо их суммой; вг, вф - высокоэластические деформации; Е1; Еф; Ег -модули упругости оправки и композитного кольца в окружном и радиальном направлениях соответственно, МПа; уфг, - коэффициенты Пуассона оправки и рассматриваемого материала в двух направлениях соответственно.

Искомое выражение а,. определяется обратным ходом от правой границы

аП:

_ = у ,,, - пи&-1,А-1,}-- а 1+1,] (2-42)

,, ]

где

1 С = 1 =Уи 4,, =У /,/- п,С,-А-1

Ск] =--си =

] т,, т - п ■ с,-1

Для нахождения окружных напряжений а формула (2.5) может быть представлена в конечно-разностной схеме в следующем виде:

а г,,+и -а г,,-и (2-43)

а .. = г —:—--а ,,

Для удобства решения приведем алгоритм действий по вычислению:

1. Сначала определяются значения коэффициентов т,,, п,, с, входящие в (2.41) и не зависящие от времени] .

2. Момент времени]=1 (/°+Л/) считаем моментом приложения внешней силы, при этом высокоэластические деформации (в ,*,х),,0 еще не успевают

развиться и полагаются равными нулю. Значение напряжений на границах а 0 и

а ] определяются из граничных условий, а затем по (2.42) находится

распределение радиальных напряжений аг по радиусу кольца г в ]-й момент времени.

3. По формуле (2.43) определяются окружные напряжения аф в ]-й момент времени.

4. Далее по формулам (2.39) вычисляются скорости высокоэластических деформаций в окружном и радиальном направлениях, вызванных действующими напряжениями.

5. В следующий момент времени j=j+1 определяются величины высокоэластических деформаций, развившихся к его началу по формуле (2.40).

6. Затем вновь определяются напряжения на границах (аО; аП) из граничных условий и распределение напряжений по толщине кольца (2.42).

Таким образом, получается цикл, повторяющийся до тех пор, пока высокоэластические деформации не достигнут предельного значения (8*;8,)тах

либо падение напряжений натяга не достигнет предельного значения, оговоренного в задаче. Как было уже сказано в разделе 1.3, достаточного согласия эксперимента с расчетом можно получить при учете двух спектров релаксации.

Зная значения коэффициентов упругих и неупругих свойств материала, входящих в выражение (2.38), можно определить время, за которое суммарные деформации достигнут предельных значений. Это в результате может стать причиной разрушения соединения. Неупругие константы имеют определенный физический смысл, являются функциями температуры и определяются экспериментально. Экспериментальные зависимости от температуры испытаний констант некоторых материалов приведены в [13, 14].

Для примера расчета ползучести принят случай намотанных анизотропных колец из стеклопластика на лабораторные металлические оправки, геометрические параметры которых - г0=35 мм; г1=75 мм. Стеклопластиковые кольца имеют однонаправленную структуру и получены мокрой намоткой стекловолокна линейной плотности 610 текс. Натяжение волокна при намотке считаем постоянным по времени и равным а, =170 МПа (около 8% от разрывной

прочности стекловолокна). В качестве связующего для получения стеклопластика выбрана эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем холодного отверждения -полиэтиленомполиамином (ПЭПА).

Толщина намотанных колец принята равной 10 мм, т.е. Я=85мм. Модуль упругости металлической оправки Е0=21,4-104 МПа, коэффициент Пуассона у0=0,3, температурные усадки 80°=-7-10"4мм/мм.

На рисунке 2.13 представлены результаты расчета напряжения по сечению наматываемого композитного кольца на оправку по формуле (2.1). Натяг композитного кольца на оправку по окончании этапа намотки составляет аг (^)= =- 19 МПа (знак минус означает сжатие). Дальнейшие расчеты произведем с учетом полученного значения аг

На рисунках 2.14-2.16 приведены результаты расчета релаксации напряжений и ползучести по предложенному алгоритму с использованием программы, созданной на языке Mathcad. Распечатка программы представлена в приложении А. Упругие и неупругие параметры композита приняты из работ [14, 59]: Е=7160 МПа, Е^=5,82-104 МПа; к=2,85; уГф=0,34; уфГ=0,04; 8°° =-=2,6110-3

мм/мм; 8,=-7,21 • 10-4мм/мм; Ею1=1150МПа; Еоо2=120 МПа; л0Р1=107 МПа^с; л02=4107

МПа-с; т* = тр =240 МПа.

Как видно из представленных кривых, при выбранных неупругих свойствах связующего заданные на этапе намотки напряжения сразу же начинают релаксировать и приводят к падению натяга композитного кольца на оправку. Одновременно с этим происходит ползучесть композитного кольца под действием напряжений от натяга, падающего со временем. За критерий разрушения бандажа (например, появления трещины в нем) может быть взято условие достижения некоторой предельной деформации композитного кольца етшс, установленной экспериментально.

Таким образом, для оценки срока службы детали, находящейся при известных условиях (температуре, напряжениях и т.д.), следует знать упругие и неупругие свойства композитного кольца. Первые могут быть определены механическими методами, обеспечивающими довольно большие скорости нагружения (например, метод мгновенной разгрузки) либо методами с использованием высокочастотных колебаний (частотный, акустический,

резонансный методы.) Неупругие свойства можно определить из опытов на ползучесть материала под действием постоянной нагрузки или на релаксацию напряжений под действием постоянной деформации.

Рисунок 2.13- Распределение сжимающих напряжений по сечению кольца после

этапа намотки

От, МПа

1

-5

-10

-15

-20

1000 2000 3000 4000 5000

/ /

/

и

Рисунок 2.14- Релаксация напряжений натяга композитного кольца на металлическую оправку в течение времени ?

От,

МПа

А

-4

-8

-12

-16

-20

75 7 7 7 9 8 1 8 3 8 5

3=5002 £__— _с----- г,мм

у>

/

Рисунок 2.15- Распределение напряжений по радиусу композитного кольца в

различные моменты времени ?

Рисунок 2.16- Распределение окружных деформаций ползучести по радиусу композитного кольца в различные моменты времени ?

2.4 Выводы по второй главе

На основании проведенных теоретических исследований и расчетов можно заключить следующее:

1. Установлено, что использование намоточного композита для ремонта элементов выхлопных систем дорожно-строительных машин наиболее предпочтительно с точки зрения обеспечения долговечности восстановленного элемента. В этом случае прочность конструкции определяется не только адгезионной способностью связующего, но и величиной натяга ремонтного намоточного бандажа на цилиндрическую поверхность выхлопной системы.

2. Установлено, что остаточные напряжения натяга в ремонтном бандаже формируются при намотке кольца и в основном определяются величиной натяжения волокна, ленты или ткани, фильтрацией связующего и анизотропией температурных и химических усадок. Фильтрация связующего через волокно к верхним областям кольца при намотке снижает уровень обжимающих напряжений.

3. По результатам исследования модели упругого взаимодействия кольцевого бандажа и металлической поверхности установлено, что увеличение толщины кольцевого бандажа приводит к увеличению растягивающих остаточных напряжений в композите, последние могут стать причиной отслоения ремонтного бандажа от восстанавливаемой поверхности, а также появления межслоевых трещин в структуре самого ремонтного бандажа.

4. Создание остаточных обжимающих напряжений важно с точки зрения получения натяга кольца на оправку. С целью обеспечения гарантированного натяга ремонтного бандажа на металлическую оправку предложен критерий монолитности, позволяющий выделять область максимально допустимых толщин колец. Расчетным путем установлено, что гарантированный натяг стеклопластикового кольца на оправку возможен лишь при толщине кольца не более 1,92 мм.

5. Послойная намотка тонкими слоями с последующими процессами отверждения ограничивает падение напряжений из-за фильтрации и может быть предложена для получения гарантированного натяга ремонтного бандажа на металлическую цилиндрическую поверхность.

6. Из решения задачи совместного взаимодействия композитного кольца и металлической цилиндрической поверхности восстанавливаемого элемента следует, что разрушение такой конструкции возможно как по границе склейки композитного кольца с металлической поверхностью, так и по срединной линии композитного кольца.

7. Из рассмотрения прочности соединения кольцевого бандажа с цилиндрической поверхностью восстанавливаемого элемента в направлении оси симметрии следует, что прочность соединения вдоль оси модели во многом определяется прочностью связующего при сдвиге, натяг бандажа на восстанавливаемый элемент приводит к появлению дополнительных напряжений, препятствующих разрушению соединения. Ширина бандажа при этом практически не влияет на уровень разрушающих касательных напряжений.

8. Установлено, что при действии температуры касательные напряжения достигают максимума на краях склейки. Разрушение начинается с краев модели, поэтому при намотке ремонтного бандажа особое внимание следует уделять непроклеям у краев бандажа. В случае трещин, непроклеев и других дефектов в плоскости склейки между ремонтным бандажом и восстанавливаемой поверхностью из-за созданного натяга возникают силы трения, препятствующие разрушению соединения.

9. Установлено, что при эксплуатации восстановленного элемента в ремонтном бандаже идет процесс его ползучести под действием напряжений натяга. Одновременно с этим проявляется релаксация напряжений, которая и снижает напряжения натяга со временем.

Глава 3. Экспериментальные исследования материалов, используемых для ремонта выхлопных систем дорожно-строительных машин

При обзоре существующих материалов для ремонта выхлопных систем дорожных машин среди прочих можно выделить материалы на основе эпоксидных смол. Коррозионная стойкость, высокая адгезия к различным типам подложек, довольно высокая стойкость к воздействиям агрессивных сред, влаги, высокие показатели трещиностойкости, технологичности и довольно низкая стоимость делают их наиболее перспективными материалами для ремонта. Некоторого повышения механических, тепловых, технологических свойств материалов на основе эпоксидных олигомеров можно добиться модифицированием их теплостойкими полимерами, подбором теплостойких отвердителей, введением дисперсных и волокнистых наполнителей (смотри раздел 1.4).

Жизнеспособность и технология приготовления и отверждения эпоксидных композиций главным образом определяется выбранным типом отвердителя. В ремонтном производстве используют как отвердители холодной технологии, так и горячей технологии отверждения. Если условия таковы, что отверждение будет проходить без подогрева в нормальных температурных условиях, то, как правило, применяют аминные отвердители, обладающие повышенной реакционной способностью. Среди отвердителей холодного типа отверждения обычно используют полиэтиленполиамины (ПЭПА). Существенным недостатком композиций с таким отвердителем является низкая жизнеспособность (30-60 мин) и необходимость соблюдения точной дозировки компонентов. Так, незначительное изменение оптимальной дозировки ПЭПА как в меньшую, так и большую сторону приводит к резкому падению прочности и других свойств композиции. Отвердители горячего типа обладают более высокой жизнеспособностью. При нормальных температурных условиях они обычно находятся в твердом состоянии, поэтому перед введением отвердителей смолу подогревают до температуры плавления отвердителя. Нагрев смолы до более

высоких температур вызывает улетучивание компонентов отвердителя и приводит к временному уменьшению вязкости связующего и ускорению процесса

о

полимеризации. При +100 С жизнеспособность состава немодифицированной смолы и отвердителя горячего типа триэтаноламинотитаната (ТЭАТа) достигает четырех часов [75].

В данной работе для исследований были выбраны аминные отвердители холодной (ПЭПА) и горячей (ТЭАТ) технологии получения материала.

3.1 Исследование остаточных напряжений в ремонтных бандажах при разных технологиях отверждения связующего материала

В главе 2 при решении модельных задач указывалось, что технология термообработки изделия значительно влияет на его монолитность и остаточные напряжения. В связи с этим важное значение приобретает экспериментальное изучение влияния отвердителя на остаточные напряжения в готовом намоточном изделии с использованием тензодатчиков, установленных на границе кольца с цилиндрической металлической оправкой.

Образцы для испытаний были изготовлены из стальной трубы диаметром 56 мм, толщиной 3 мм и длиной 75мм. На внешнюю и внутреннюю поверхности трубы в окружном направлении устанавливали тензодатчики с базовой длиной 10 мм (рисунок 3.1). Для регистрации показаний тензодатчиков использовали многоканальную тензостанцию СИИТ-3. Калибровка прибора показала, что одно деление его соответствует деформации е=10-6мм/мм.

Перед началом намотки оправка устанавливалась в центрах намоточного станка таким образом, что могла свободно деформироваться в осевом и окружном направлениях под действием натяжения наматываемой нити, в качестве которой использовали арамидное волокно Русар-С (две нити по 58,8 текс). Свойства арамидного волокна представлены в таблице 1. Натяжение наматываемой нити задавалось устройством, создающим торможение пропиточного ролика

намоточного станка и было постоянным по времени. Частота вращения кулачка при намотке составляла 45 мин-1, шаг 0,75 мм/об.

Рисунок 3.1- Общий вид образцов с установленными тензодатчиками

Таблица 3.1- Свойства арамидного волокна Русар-С

Показатели Значения

Линейная плотность, текс 58,8

Плотность, г/см 1,45

Предел прочности при растяжении, ГПа 5-5,4

Модуль упругости при растяжении, ГПа 130-140

Удлинение при разрыве, % 3,5

Равновесное влагосодержание, % 2,2-3,3

В ходе исследований было проведено два опыта: в первом использовали эпоксидиановое связующее ЭДТ-10 с отвердителем горячей технологии отверждения - триэтаноламинотитанатом (ТЭАТ) в количестве 10 масс. %, в этом случае натяжение нити было равно 60 Н, (т.е. напряжение растяжения, приходящееся на каждую нить, составляло 750 МПа - примерно 15% от разрывной прочности волокна); во втором - тот же олигомер со связующим холодной технологии отверждения - полиэтиленполиамином (ПЭПА) в количестве 7,5 масс. %. Здесь натяжение нити при намотке составляло 80 Н

(напряжение, приходящееся на каждую нить, было равно 1000 МПа, т.е. 20% от разрывной прочности волокна).

В ходе первого опыта производили измерение показаний тензодатчиков в процессе намотки нити на оправку. На рисунке 3.2 представлены теоретическая, полученная с использованием формулы (2.1), кривая 1 и экспериментально полученные значения показаний деформаций тензодатчиков, установленных на внешнем и внутреннем радиусах трубы (отмечены белыми и заштрихованными окружностями соответственно). Полученные значения деформаций можно пересчитать в напряжения сжатия аопр, оказываемые намоткой на стальную

оправку:

„ =

опР в

ср

где еф - измеряемая деформация, мм/мм; 5 -толщина кольца, мм; В -средний диаметр трубы, мм; Е-модуль упругости стальной трубы, МПа.

£■10, аопр, мм/мм МПа 0,32 т 80

0,24 + 60

0,16+ 40

0,08 4 20

0

л

1

о 2

•

1,8 2,4

3,0

5,мм

и 0,6 1,2

Рисунок 3.2- Деформация в и напряжения <зопр в на поверхности трубы в зависимости от толщины намотки 5: 1- теоретическая кривая, построенная без учета фильтрации; 2-экспериментальная кривая

Если предположить, что расхождение теоретической кривой и экспериментально полученных значений напряжений связано только с процессом

фильтрации связующего через волокно, то, подставив выражение (2.4) в (2.1), можно подобрать расчетный коэффициент фильтрации kф, такой, что кривая зависимости напряжений на оправку от числа витков будет удовлетворительно описывать эксперимент (кривая 2 на рисунке 3.2). Здесь коэффициент фильтрации оказался равным kф=0,0065 мм4/Н-с

Во втором опыте измерение показаний датчиков на промежуточных этапах намотки не производилось, по окончании намотки внутренний датчик показал деформацию е=0,0037мм/мм.

Дальнейшие исследования показали, что натяжение полуфабриката на оправку при комнатной температуре сохраняется постоянным в течение неопределенного длительного времени независимо от того, сохраняется ли связующее неотвержденным или полимеризуется при комнатной температуре.

Далее измеряли натяжение композита на оправку в течение процесса термообработки. Температурный режим термообработки в обоих случаях был

о

следующим: нагрев до температуры +160 С - 2 часа, выдержка при этой температуре в течение 5 часов. Для того, чтобы учесть температурные погрешности показаний тензодатчиков, в шкаф одновременно с исследуемым образцом помещали кварцевую пластину с приклеенным к ней тензодатчиком и термопару. Деформацией кварцевой пластины можно пренебречь, поэтому температурную зависимость изменения показаний приклеенного к кварцевой пластине тензодатчика можно рассматривать как поправку к показаниям тензодатчиков, закрепленных на исследуемом образце. Она составляла 5 дел./°С.

На рисунке 3.3 (а) отражено изменение показаний тензодатчика, установленного на границе оправки и композитного кольца в процессе термообработки образца на основе связующего горячего отверждения. Участок 1 отражает сжатие оправки в процессе намотки, участок 2 - нагрев образца, снижение вязкости связующего и затем увеличение его вязкости в процессе полимеризации. Все этапы приводят к практически полному исчезновению остаточных напряжений сжатия. На границе кольца и оправки наблюдается даже