Радайкина Елена Александровна. Совершенствование технологии ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники применением композитов на основе капролона

brief description

Радайкина Елена Александровна. Совершенствование технологии ремонта силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники применением композитов на основе капролона: автореферат дис. ... кандидата Технических наук: 05.20.03 / Радайкина Елена Александровна;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»], 2018

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Национальный исследовательский
Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева»
На правах рукописи

РАДАЙКИНА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА СИЛОВЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ КАПРОЛОНА
Специальность: 05.20.03 – технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук профессор
ВОДЯКОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ
Саранск 2018

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ 11
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Анализ причин отказов гидроцилиндров и существующих ме- 11 тодов их ремонта
1.2 Устройство и преимущества современных гидроцилиндров с 20 опорно-направляющими деталями из полимерных материалов
1.3 Повышение ресурса опорно-направляющих деталей силовых 22 гидроцилиндров применением полимерных композиционных материалов
1.4 Методы изучения эксплуатационных и технологических харак- 39 теристик полимерных композиций
1.5 Цели и задачи исследования 43
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНИЦИПОВ МО- 47
ДИФИКАЦИИ ОПОРНО-НАПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
СИЛОВЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ
2.1 Теоретический анализ сил, действующих на поршень и шток 47 силового гидроцилиндра
2.2 Обоснование метода расчета теплофизических характеристик 54 полиамидных композиций
2.3 Обоснование методики изучения релаксационных характери- 59 стик полимерных композитов в режиме индентирования
2.4 Выводы по главе 2 66
3 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ 69
ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Методика компаундирования компонентов композиционных 69 материалов на лабораторном смесителе периодического дей¬ствия PolyLabRheomix 600 OS
3.2 Методика компрессионного формования образцов для физико- 72 механических, реологических и триботехнических испытаний на лабораторном прессе GT-7014-Н50С
3.3 Методика исследования реологических характеристик распла- 74 вов композитов в динамическом режиме вынужденных колеба-ний на реометре HAAKE MARS III
3.4 Методика исследования упруго-прочностных характеристик 76 композитов на испытательной машине UAI-7000

3
3.5 Методика исследования компрессионных характеристик компо- 78 зитов
3.6 Методика испытания композитов на влагопоглощение 80
3.7 Методика триботехнических испытаний композитов на реомет- 81 ре HAAKE MARS III и план многофакторного эксперимента
3.8 Методика измерения коэффициента температуропроводности 88 композитов
3.9 Методика исследования релаксационных характеристик компо- 89 зитов в режиме статического индентирования на машине UAI-7000
3.10 Методика эксплуатационных испытаний 92
3.11 Выводы по главе 3 95
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕС- 97
КИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1 Разработка составов, исследование эксплуатационных и техно- 97
логических характеристик многокомпонентных композитов
4.1.1 Эксплуатационные и технологические характеристики поли- 97 амидного композита, содержащего дисульфид молибдена
4.1.2 Эксплуатационные и технологические характеристики поли- 101 амидного композита, содержащего тонкодисперсный порошок шунгита
4.1.3 Эксплуатационные и технологические характеристики поли- 105 амидного композита, содержащего тонкодисперсные порошки шунгита и графита
4.1.4 Эксплуатационные и технологические характеристики поли- 109 амидного композита, содержащего тонкодисперсные порошки шунгита, дисульфида молибдена и графита
4.1.5 Эксплуатационные и технологические характеристики поли- 114 амидного композита, содержащего йодид меди
4.1.6 Эксплуатационные и технологические характеристики поли- 116 амидного композита, содержащего рубленое углеволокно
4.2 Эксплуатационные и технологические характеристики разрабо- 119
танного полиамидного композита, содержащего тонкодисперс¬
ные порошки шунгита и графита
4.2.1 Упруго-прочностные характеристики 119
4.2.2 Результаты исследования влагопоглощения композитов 120
4.2.3 Компрессионные характеристики полимерных материалов 121
4.2.4 Релаксационные характеристики композитов 122

4
4.2.5 Трибологические характеристики композитов 125
4.2.6 План многофакторного эксперимента 126
4.2.7 Теплофизические характеристики 131

4.3 Результаты эксплуатационных испытаний отремонтированных 132 силовых гидроцилиндров
4.4 Выводы по главе 4 133
5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РЕМОН- 136
ТА СИЛОВЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ОЦЕНКА ЕГО ЭКОНО-МИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
5.1 Рекомендации по повышению ресурса силовых гидроцилин- 136 дров при их ремонте
5.2 Расчет экономической эффективности разработанного техноло- 138 гического процесса ремонта силовых гидроцилиндров
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 148

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с поставленными в диссертационной работе задачами, по результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы.
1. Выполнен теоретический анализ сил, действующих на поршень и
шток силового гидроцилиндра С100/40×200-344 тракторов типа МТЗ.
Установлено, что:
– величина реакций в переднем положении поршня практически в шесть раз больше реакций, реализуемых в заднем положении, результатом чего является возникновение в вертикальной плоскости значительных изно-сов рабочих поверхностей сопряженных деталей и увеличение зазоров в по-движных уплотнительных узлах;
– рост зазоров приводит с течением времени к образованию значитель-ного прогиба гидроцилиндра в вертикальной плоскости, следствием чего яв-ляется увеличение реакций в трибосопряжениях, приводящее к появлению изгибающего момента на штоке, еще большему росту контактных напряже-ний и интенсификации изнашивания;
– реконструкция трибосопряжения с установкой направляющего коль¬ца из разработанного полимерного композита в переднюю крышку силового гидроцилиндра обеспечивает заметное снижение максимальных контактных напряжений, темпа их нарастания с увеличением зазора и, как следствие, уменьшение интенсивности износа элементов трибосопряжения.
2. На основе теории Г.Н. Дульнева проведено обоснование метода рас¬
чета теплофизических характеристик многокомпонентных полиамидных
композитов. Предлагаемый метод позволяет на стадии проектирования со¬
става материала выбирать модификаторы, эффективно влияющие на значе¬
ния теплофизических коэффициентов, и устанавливать значения оптималь¬
ных концентраций.
Экспериментальная проверка показала, что коэффициент корреляции Пирсона расчетных и экспериментальных значений коэффициента темпера-туропроводности разработанного трехкомпонентного композита составляет

145
0,921, что подтверждает корректность предлагаемого метод расчета теплофи-зических характеристик полиамидных композитов.
Установлено, что ввод шунгита (2 %) и графита (0,5 %) способствует существенному (22 - 34%) росту коэффициента теплопроводности ПА 6 в исследованном температурном диапазоне 20-80°С.
3. С использованием программного комплекса ANSYS MAPDL проведе¬
но обоснование экспериментальной методики изучения релаксационных ха¬
рактеристик полимерных композитов в режиме индентирования образца
композита сферическим индентором.
В результате численного моделирования установлено, что:
- максимальная величина рассогласования кривых релаксации относи-тельных значений давления и нормальных напряжений не превышает 10 %;
- коэффициент корреляции Пирсона теоретических и эксперименталь-ной кривых релаксации усилия нагружения составил: для ПА 6 - 0,951; для композиции УПА 6 -15А - 0,997, для разработанного композита - 0,985.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о корректности ме-тодики изучения релаксационных характеристик в режиме статического ин-дентирования цилиндрического образца композита сферическим инденто¬ром, размеры которых соответствуют рекомендуемым ГОСТ 4670-2015.
4. Разработаны методика испытаний и конструкция оригинальной три¬
бометрической приставки к реометру HaakeMars III для изучения трибологи-
ческих характеристик антифрикционных композитов.
Методика испытаний позволяет проводить на реометре Haake Mars III высокоточное исследование трибологических характеристик антифрикцион-ных полимерных композитов в условиях сухого трения и трения со смазкой в диапазоне изменения: температуры - 28 - +200 °С; скорости скольжения 0,01 - 2 м/с; контактного давления 0,05 - 5 МПа; крутящего момента на ро-торе 10 Нм - 0,2 Нм.
5. Разработаны техпроцессы смешения и компаундирования компонен¬
тов антифрикционных композитов на основе капролона на лабораторном

146
смесителе (PolyLabRheomix 600 OS) периодического действия, обеспечива-ющие получение композитов с воспроизводимыми реологическими и упруго-прочностными характеристиками.
6. Построен план многофакторного эксперимента, проведены трибо-
технические испытания и получены уравнения регрессии, описывающие для
разработанного трехкомпонентного композита зависимости интенсивности
износа и коэффициента трения по стали 40Х со смазкой от давления, скоро¬
сти скольжения и температуры.
Установлено, что в исследованном интервале изменения указанных па-раметров рост скорости скольжения приводит к снижению интенсивности износа и коэффициента трения; рост давления в зависимости от величины температуры и скорости скольжения может приводить как к увеличению, так и снижению интенсивности износа и коэффициента трения; рост температу¬ры обуславливает возрастание интенсивности износа и коэффициента трения.
7. Разработаны составы, исследованы физико-механические, триболо-
гические, реологические и теплофизические характеристики антифрикцион¬
ных композиционных материалов из капролона (ПА-6) и комбинации раз¬
личных тонкодисперсных модификаторов (шунгита, графита, дисульфида
молибдена, йодида меди).
Установлено, что лучшие результаты по комплексу эксплуатационных и технологических характеристик достигаются в трехкомпонентном компо-зите, содержащем 97,5 % ПА6, 2 % тонкодисперсного шунгита марки «Ново-карбон» и 0,5 % графита марки ГЛ-1.
Введение данных модификаторов обеспечивает рост модуля упругости по отношению к ПА 6 в 1,85 раза, прочности в 1,25 раза при снижении ин-тенсивности износа в 7,6 раза, коэффициента трения – в 1,2 раза, водопогло-щения на 19 %, коэффициента температуропроводности на 12…15 % при одинаковых значениях вязкости расплава.
По отношению к коммерческому угленаполненному композиту УПА6-15А разработанный трехкомпонентный композит обладает при одинаковых

147
модулях упругости (~3300 МПа) более высокой прочностью (на 27%), влаго-стойкостью (на 5 %), износостойкостью (на 50 %), меньшими значениями ко-эффициента трения (на 15 %) и скорости релаксации напряжений.
8. Разработан технологический процесс ремонта силовых гидроцилин¬дров применением разработанного состава антифрикционного композита для изготовления направляющих элементов силовых гидроцилиндров сельскохо-зяйственной техники. Экономический эффект от внедрения данной техноло¬гии в производство составит 404715 рублей на программу ремонта 500 агре¬гатов в год.
Стоимость 1 кг коммерческого УПА6-15А составляет –1620 руб. за 1 кг, а разработанной композиции – 284 руб. Экономия составит 1336 руб. (82%) с каждого кг композиции.