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 № 01.9.80 000 607.

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 деталейколес 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.

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 однои 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 грязиобезжириваниедробеструйная обработка чугунной (для нержавеющей стали алюминиевой) острой дробью размером 200−400 мкмповторное обезжириваниепокрытие слоем до 20. 50 мкм адгезивом «СилБонд 49СФ" — сушка при 20X1 в течение 60 минконсервация. ,.

Подготовка металлической формы: очистка, обезжиривание и покрытие внутренних поверхностей слоем антиадгезива «СилРелиз" — сушка при 20X1 в течение 10. 15 минсборка с арматуройуплотненеие стыков лентой «ФУМ».

Заливка формы: разогрев компонентов материала — преполимера и отвердителя до 50. 55 еXзаполнение емкостей заливочной машины при 50.55Х- (при необходимости вакуумирование) — подогрев формы до 50.55Xпредварительная полимеризация в печи при 90. 11 ОХ в течение 45 минизвлечения отливки из формыпостполимеризация при 90. 110Х в течение 8. 16 чохлаждение 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.