close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование технологии ремонта дорожно-строительных машин путем использования клеев-расплавов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Лапина Наталья Викторовна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ДОРОЖНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛЕЕВРАСПЛАВОВ
Специальность: 05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъемнотранспортные машины»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2018
Работа выполнена в федеральном государственном образовательном
учреждении высшего образования «Московский автомобильно-дорожный
государственный технический университет (МАДИ)»
Научный
руководитель:
Баурова Наталья Ивановна
доктор технических наук, доцент
Официальные
оппоненты:
Кравченко Игорь Николаевич
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Российский государственный
аграрный университет - МСХА имени К.А.
Тимирязева», профессор кафедры
«Технический сервис машин и оборудования»
Севрюгина Надежда Савельевна
Кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Национальный
исследовательский Московский
государственный строительный университет
(МГСУ)», доцент кафедры «Механизация
строительства»
Ведущая
организация:
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный
технический университет»
Защита состоится «20» декабря 2018 г. в «__» часов на заседании
диссертационного совета Д 212.126.02 при ФГБОУ ВО «Московский
автомобильно-дорожный
государственный
технический
университет
(МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, зал
заседаний Ученого Совета, ауд. 42.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ и на сайте
ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный
технический университет (МАДИ)» http://www.madi.ru/1266-uchenyy-sovetgrafik-zaschity-dissertaciy.html
Автореферат разослан «___»____________2018 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью,
просим направлять в адрес диссертационного совета университета. Копию
отзыва просим прислать по E-mail: uchsovet@madi.ru.
Справки по телефону: 8 (499) 346-01-68 доб.1324.
Ученый секретарь
диссертационного совета, кандидат
технических наук, доцент
Борисюк Н.В.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Состояние проблемы и актуальность темы исследования:
При эксплуатации дорожно-строительных машин (ДСМ) достаточно
часто возникают неисправности элементов системы охлаждения. Причин
выхода из строя элементов системы охлаждения очень много: аварийные
повреждения, попадание загрязнений, инородных тел, разрушение
реагентами, которые применяются на зимних дорогах при гололеде и др. При
этом у ДСМ особенно страдает нижняя часть радиатора.
В настоящее время наиболее распространенным способом ремонта ДСМ
является замена дефектной детали. Но такой метод ремонта влечет за собой
потерю времени на заказ новой детали, ее изготовление (при необходимости)
и транспортировку. Для того, что бы сократить простои дорожностроительных машин, специалисты вынуждены прибегать к ремонту
имеющейся детали. И зачастую ремонт радиатора системы охлаждения
двигателя ДСМ обходится намного дешевле и быстрее, а качество
восстановленной детали оказывается не хуже, чем качество новой.
Восстановление работоспособности элементов системы охлаждения
ДСМ, в настоящее время осуществляется заменой поврежденной детали,
пайкой, сваркой или с использованием термореактивных (как правило,
эпоксидных) полимерных материалов.
Наиболее хорошо изученные методы ремонта элементов системы
охлаждения двигателя ДСМ, такие как пайка и сварка, наряду с
преимуществами, обладают рядом недостатков, таких как склонность
восстановленных участков к коррозии, структурные изменения в материале
восстанавливаемой детали вследствие нагрева, высокие требования к
квалификации персонала, высокая трудоемкость и себестоимость ремонтных
работ, а также необходимость в демонтаже детали при ремонте.
Клеевые технологии с использованием термореактивных (как правило,
эпоксидных) полимерных материалов получили широкое распространение
при ремонте дорожно-строительных машин, так как они позволяют просто,
быстро и надежно соединить между собой детали из различных материалов.
Восстановление элементов системы охлаждения ДСМ с использованием
термореактивных полимерных материалов позволяет исключить недостатки,
которыми обладают пайка и сварка, но данные технологии имеют свои
недостатки. Основными недостатками применения термореактивных
полимерных материалов при ремонте являются высокие требования к
качеству подготовки поверхности, длительное время отверждения и высокая
стоимость, что связано с большим количеством отходов. Еще одной
причиной неэффективности использования эпоксидных полимеров является
их высокая токсичность, что влечет за собой расходы, связанные с
обеспечением требуемых санитарных норм.
Одним из перспективных ремонтных материалов в настоящее время
являются термопластичные клеи (клеи-расплавы). Процессы склеивания с
3
использованием клеев-расплавов имеют малую энергоемкость, большую
производительность и могут быть автоматизированы. Данные материалы не
замерзают и не охрупчиваются, нетоксичны, пожаро- и взрывобезопасны, не
изменяют свойств при хранении. Клеи-расплавы широко используются в
различных областях (от изготовления упаковки до производства мебели и
электронного оборудования), но в настоящее время они не получили
широкого распространения при производстве и ремонте дорожностроительных машин. В связи с этим, разработка технологии ремонта
элементов системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин с
применением термопластичных клеев-расплавов является актуальной и
современной задачей.
В настоящее время вопросы применения термопластичных полимерных
материалов (клеев-расплавов) при ремонте элементов системы охлаждения
двигателя транспортных и дорожно-строительных машин мало изучены.
Таким образом, диссертационная работа, направленная на разработку
методов ремонта элементов системы охлаждения двигателя дорожностроительных машин (на примере радиатора системы охлаждения) с
использованием термопластичных полимерных материалов, позволяющих
повысить долговечность и безопасность эксплуатации машин, является
актуальной для производителей и потребителей техники.
Степень разработанности темы исследования:
Традиционно ремонт поврежденных элементов системы охлаждения
ДСМ осуществлялся пайкой мягкими или твердыми припоями и аргоннодуговой сваркой. Значительный вклад в изучение этих видов ремонта внесли
такие ученые, как Алешин Н.П., Бенардос Н.Н., Волошкевич Г.З.,
Врублевский Е.И., Грабин В.Ф., Дудко Д. А., Лашко С.В., Лоцманов С.Н.,
Макара А.М., Мандельберг С.М., Медовар Б.И., Миткевич В.Ф., Николаев
Г.А., Новиков И.В., Патон Е.О., Патон Б.Е., Петров В.В., Петрунин И.Е.,
Походня И. К., Славянов Н. Г., Стеренбоген Ю.А., Фролов В.П., Цепенев
Р.А., Фуше Э., Элиу Томсон, Эдмунд Дэви и многие другие.
Наиболее современным и пока недостаточно изученным методом
восстановления ДСМ является применение полимерных материалов.
Наиболее значимый вклад в изучение и практическое применение
термореактивных полимерных материалов при ремонте машин внесли
Баурова Н.И., Башкирцев В.И., Зорин В.А., Гаджиев А.А., Гладких С.Н.,
Кричевский M.E., Куликов В.В., Курчаткин В.В., Малышева Г.В., Мотовилин
Г.В., Петрова А.П. и др., которые со своими учениками не только
сформировали базу для дальнейшего развития этого перспективного
направления, но так же разработали практические рекомендации, успешно
реализованные на практике.
Вопросы применения термореактивных полимерных материалов
непосредственно при ремонте системы охлаждения двигателя дорожностроительных машин рассматриваются в работах Киселева Р.В., Кононенко
А.С., Мостового А.С., Никишиной О.С. При этом публикаций по
4
применению термопластичных клеев-расплавов при ремонте ДСМ в
технической литературе автором не обнаружено.
Цель диссертационной работы: заключается в повышении
долговечности дорожно-строительных машин путем использования при
ремонте термопластичных полимерных материалов (клеев-расплавов).
Основные задачи исследования:
1. Разработать теоретические основы расчета прочности и
долговечности элементов системы охлаждения двигателя дорожностроительных машин, восстановленных с использованием термопластичных
полимерных материалов.
2. Исследовать влияние технологических факторов на прочность
элементов системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин,
восстановленных с использованием термопластичных полимерных
материалов.
3. Исследовать физико-механические свойства термопластичных
полимерных материалов, используемых для ремонта дорожно-строительных
машин.
4. Разработать технологию ремонта элементов системы охлаждения
двигателя дорожно-строительных машин с использованием термопластичных
полимерных материалов.
5.
Провести
оценку
технико-экономической
эффективности
разработанных методов ремонта элементов системы охлаждения двигателя
дорожно-строительных машин.
Объектом исследования является радиатор системы охлаждения
двигателя дорожно-строительных машин.
Предметом исследования является способ и технология ремонта
элементов системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин, с
использованием клеев-расплавов.
Методология и методы исследования оценки качества предлагаемых
новых технических решений включают в себя экспериментальные методы
определения прочности и расчет напряженно-деформированного состояния
элементов системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин,
восстановленных
термопластичными
полимерными
материалами,
проведение их лабораторных и эксплуатационных испытаний.
Предлагаемые методы и подходы базируются на основных положениях
теории надежности машин, теории упругости, теорий неупругого поведения
полимерных материалов, методов планирования эксперимента, на
экспериментальном исследовании деформационно-прочностных свойств и
стойкости к воздействию агрессивных сред образцов, изготовленных с
использованием термопластичных полимерных материалов.
Общая методика исследования заключается в анализе возможных
дефектов элементов системы охлаждения двигателя ДСМ, исследовании
свойств материала, используемого при ремонте, обосновании его подбора
для конкретного ремонтного воздействия, исследовании технологии
5
нанесения ремонтного материала на восстанавливаемый элемент и
обеспечении методов контроля качества ремонта.
Научная новизна работы заключается в теоретическом и
экспериментальном обосновании способа ремонта элементов системы
охлаждения двигателя дорожно-строительных машин.
Разработке алгоритма определения напряженно-деформированного
состояния элементов системы охлаждения дорожно-строительных машин,
восстановленных различными способами.
Разработке алгоритма выбора клеевого материала, с учетом
технологических и конструкционных требований.
Разработке технологических процессов ремонта дорожно-строительных
машин с использованием термопластичных полимерных материалов,
которые показывают, что клеи-расплавы более технологичны и внедрение
данных материалов в ремонтное производство позволит снизить
трудоемкость ремонтных работ, повысить долговечность и безопасность
эксплуатации машин.
Теоретическую и практическую значимость диссертационной
работы составляют:
1. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния
радиатора системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин,
восстановленного различными способами, методом конечно-элементного
моделирования, с использованием программной системы ANSYS.
2. Сравнительный анализ статических расчетов для различных
материалов, используемых для ремонта радиатора системы охлаждения
двигателя дорожно-строительных машин.
3. Совершенствование технологии ремонта ДСМ путем применения
новых перспективных клеевых материалов, обеспечивающих получение
заданных эксплуатационных характеристик восстановленного элемента.
4. Результаты экспериментов по определению адгезионной прочности,
температуры стеклования и модуля упругости клеев-расплавов, стойкости
клеев-расплавов к различным агрессивным средам.
5. Результаты исследования микроструктуры клеев-расплавов в
исходном состоянии, и после выдержке в воде.
Положения, выносимые на защиту:
1.
Теоретические
исследования
напряженно-деформированного
состояния соединения ремонтного материала и дефектного элемента системы
охлаждения двигателя дорожно-строительных машин.
2. Результаты экспериментальных исследований термопластичных
полимерных материалов, используемых для ремонта элементов системы
охлаждения двигателя дорожно-строительных машин.
3. Технология ремонта элементов системы охлаждения двигателя
дорожно-строительных машин с использованием термопластичных клееврасплавов.
6
4. Технико-экономическое обоснование выбора клея-расплава, как
наиболее перспективного клеевого материала при ремонте элементов
системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин.
Степень достоверности и апробация работы:
Контроль достоверности полученных результатов осуществлялся
сопоставлением теоретических положений с экспериментальными данными,
полученных при проведении лабораторных испытаний большого количества
опытных образцов, и реальных конструкций.
Эффективность теоретических и экспериментальных результатов
подтверждена актами о внедрении результатов диссертационной работы:
- в ООО «ЮКОН Моторс» при разработке технологии ремонта
элементов системы охлаждения машин (включающей маршрутные карты и
технологические инструкции) и рекомендаций по выбору термопластичных
клеевых материалов при проведении ремонтных работ;
- в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного
государственного технического университета (МАДИ) при подготовке
студентов, обучающихся по программам специалитета по профилю 23.05.01
«Подъемно-транспортные,
строительные,
дорожные
средства
и
оборудование», бакалавриата по направлению 15.03.01 «Машиностроение» и
магистратуры по направлениям 23.04.02 «Наземные транспортнотехнологические комплексы и 15.04.01 «Машиностроение».
Основные положения работы докладывались и обсуждались на
следующих конференциях, семинарах, выставках:
- Научно-методических и научно-исследовательских конференциях
МАДИ 2014-2018 гг.;
- Выставке научных достижений МАДИ, Москва, 9-11 октября 2014 г.;
- Международной научно-технической конференции «Интерстроймех2016», Москва, Россия, 10-14 октября 2016 г.;
- II Международной научно-технической конференции «Современные
достижения в области клеев и герметиков. Материалы, сырье, технологии»,
Дзержинск, 13-15 сентября 2016 г.;
- Международной научно-технической конференции «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительной
отраслях», г. Белгород, 22-23 сентября 2017 г.
- международной научно-технической конференции «Новые материалы
и технологии в машиностроении», Брянск, 10 ноября 2017 г.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 4 статьи
опубликовано в изданиях, входящих в «Перечень рецензируемых научных
изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные
результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук и
доктора наук», 1 работа опубликована в изданиях, входящих в базу
цитирований Scopus. В печатных работах подробно изложено содержание
всех основных разделов диссертации, выводы и результаты работы.
7
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка
использованной литературы из 134 наименований, в том числе 14 на
иностранном языке, а также 2 приложений. Работа содержит 161 страницу,
включая 159 страниц основного текста, содержащего 26 таблиц, 35 рисунков,
и 2 приложения на 2 страницах.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность темы, цель и задачи
исследования, научная новизна и теоретическая и практическая значимость
работы.
В первой главе приводится обзор литературы по теме исследования.
Проводится анализ работ в области использования полимерных материалов
при ремонте дорожно-строительных машин и в смежных областях.
Приведено описание программы ANSYS, которая является
современным, универсальным средством для проведения конечноэлементного анализа. Проведен анализ условий работы элементов системы
охлаждения двигателя ДСМ. В частности рассмотрено влияние температуры,
атмосферных условий, влаги, агрессивных сред и вибраций на долговечность
элементов системы охлаждения двигателя ДСМ. Проведен анализ отказов
элементов системы охлаждения двигателя и характерных дефектов,
возникающих в системах охлаждения ДСМ. Проведен обзор традиционных
методов ремонта элементов системы охлаждения двигателя. Проведен анализ
видов полимерных материалов, применяемых при ремонте элементов
системы охлаждения двигателя ДСМ, и в качестве альтернативы,
используемым материалам, предложены термопластичные полимерные
материалы (клеи-расплавы), выявлены особенности их физико-химических
свойств.
Показано, что в настоящее время известно довольно большое число
научных трудов, касающихся теоретических и экспериментальных
исследований в области применения полимерных материалов при
проведении ремонтных работ. В результате проведенного в работе анализа
намечены направления расчетно-теоретических и экспериментальных
исследований, сформулирована цель и задачи исследования.
Во второй главе проводится расчет напряженно-деформированного
состояния элементов системы охлаждения дорожно-строительных машин,
восстановленных клеевыми материалами с использованием метода конечных
элементов, который позволяет решать инженерные задачи в статической и
динамической постановке, в том числе и нелинейные.
Проводится обоснование выбора типа, формы и размеров конечных
элементов и составляется уравнения жесткости.
Если число степеней свободы равно k, количество узлов равно m, то
матрица перемещений имеет вид (1)
8
 U1 
U 
U i  U m    2 
 ... 


U km 
(1)
Узловые силы {Р}m, точно также, как и узловые перемещения {U}m
запишем в матричной форме
 P1 
P 
Pi   Pm    2 
 ... 
 
 Pkm 
(2)
В данной работе был выбран метод прямого решения связанной задачи
(Directcoupled-fieldanalysis), как наиболее простой, что позволяло существенно
сократить продолжительность расчетов.
Для расчета напряженно-деформированного состояния необходимо
знать перемещения исследуемого объекта при заданных нагрузках. Записав
функцию формы в виде [А(х)]m, перемещение произвольной точки,
расположенной на исследуемом объекте Um(x) находим по уравнению (3)
um ( x)  A( x)m U m
(3)
при условии, что функция формы на границе узлов является
непрерывной (4)
uk ( xi1 )  uk 1 ( xi1 )
(4)
В работе была решена статическая задача и использованы следующие
(общепринятые в конечно-элементном расчете для решения линейных задач)
допущения:
-конечные элементы взаимодействуют между собой только через узлы;
-внутренние силы, которые распределены вдоль границ конечных
элементов заменяются на эквивалентные им узловые силы Рm.
Аналогичным образом были заменены все остальных нагрузки Ра, а также
напряжения Р и перемещения Р.
Уравнение жесткости имеет вид
K m U m  Pm  Pa  Р  Р
(5)
где [K]m – матрица жесткости элемента.
В качестве объекта исследования использовался радиатор системы
охлаждения двигателя, поверхность которого была разбита на конечные
элементы. Такая дискретная модель позволяет оценивать поведение
деформируемого объекта в процессе его нагружения (рис. 1).
Модель радиатора рассматривается как абсолютно твердое тело.
Граничные условия определяются векторами {Р} и {P}a. В качестве
9
граничных условий для расчета бачка радиатора использовалась заделка,
изображенная на рис. 2.
а)
б)
Рисунок 1 – Конечно-элементная модель бачка радиатора в масштабе
1:10 (а) и 1:5 (б)
Жесткая заделка
Рисунок 2 – Модель бачка радиатора с граничными условиями
Разработан алгоритм определения напряженно-деформированного
состояния восстановленных элементов системы охлаждения дорожностроительных машин (рис. 3).
Основными элементами структуры являются три блока:
- построение геометрической модели и разбивка ее на конечные
элементы;
10
- установка граничных условий и выбор метода расчета;
- анализ полученных результатов.
Исходные данные
Граничные условия и
нагрузка
Определение значений
перемещений  и
напряжений 
Нет
  зад
Да
Конец
Рисунок 3 – Алгоритм расчета перемещения восстановленного
радиатора
В данной работе рассматривается модель радиатора с трещиной,
образовавшейся у горловины. Размер трещины составляет: ширина – 1 мм,
длина трещины – 30 мм. При проведении расчетов, температура бачка
принималась равной 90°С, а давление, действующее внутри бачка – 1,2 атм.
Для оценки прочности восстановленного радиатора применялся
критерий максимальных напряжений (или максимальных перемещений),
согласно которому разрушение будет иметь место при условии, что
напряжения (перемещения) в одном из направлений превысят предел
прочности материала.
В работе была проведена разбивка на 305 648 конечных элементов, что
позволило выполнить расчеты в течение 20 мин. После завершения
построения КЭ-модели, ее элементам присваивались свойства тех или иных
материалов, что позволяло варьировать используемые ремонтные технологии
(пайка, сварка, клеевые технологии).
Проведено моделирование нагрузок, действующих на элементы системы
охлаждения дорожно-строительных машин в процессе их эксплуатации.
Рассмотрены переменные и постоянные нагрузки, воздействующие на
11
элементы системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин в
процессе их эксплуатации.
Для оценки качества ремонта элементов системы охлаждения двигателя
дорожно-строительных машин, были проведены сравнительные расчеты
напряженно-деформационного состояния с использованием методов
конечно-элементного моделирования для:
- радиатора без трещины;
- радиатора с трещиной в месте наибольших напряжений (рис. 4, а);
- радиатора с трещиной, восстановленной методом пайки;
- радиатора с трещиной, восстановленной методом сварки;
- радиатора с трещиной, восстановленной с использованием полимерных
материалов (рис. 4, б).
Результаты сравнительных расчетов напряженно-деформационного
состояния с использованием методов конечно-элементного моделирования,
для различных вариантов расчета, представлены в табл. 1.
а)
б)
Рисунок 4 – Распределение напряжений, действующих в бачке радиатора с
трещиной до ремонта (а) и после ремонта с использованием клея-расплава (б)
12
Таблица 1 – Максимальные значения напряжений, действующие в
бачке радиатора ДСМ, для различных технологий ремонта
Расчетные значения
Варианты расчета
напряжений, МПа
Бачок радиатора без трещины
155,67
Бачок радиатора с трещиной в месте наибольших
227,83
напряжений
Бачок радиатора с трещиной, восстановленной
173,06
методом пайки
Бачок радиатора с трещиной, восстановленной
185,79
методом сварки
Бачок радиатора с трещиной, восстановленной с
164,7
использованием клеев-расплавов
Бачок радиатора с трещиной, восстановленной с
использованием эпоксидных полимерных
270,5
материалов
Из полученных расчетов, сделан вывод, что при восстановлении
трещины методом использования термопластичных полимерных материалов,
напряжения, действующие в бачке радиатора немного ниже, чем при
восстановлении методами заделки трещины с помощью сварки или пайки.
Это объясняется тем, что при восстановлении радиатора системы
охлаждения двигателя методами сварки и пайки, металл подвергается
воздействию больших температур.
В результате проведенных расчетов установлено, что наибольшие
величины напряжений достигаются при использовании клея-расплава марки
Теплакс. По величинам напряжений клеи-расплавы различаются между
собой не более чем на 5%, однако они существенно больше различаются по
величинам деформаций.
При проведении конечно-элементных расчетов не учитываются
адгезионные характеристики используемых клеев, тогда как именно от них
будет зависеть долговечность восстановленной конструкции и поэтому
требуется проведения комплекса испытаний, позволяющих определить их
адгезионные свойства.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям свойств
термопластичных полимерных материалов. Исследована стойкость клееврасплавов
к
воздействию
повышенных
температур
методом
дифференциально-сканирующей
калориметрии
(ДСК).
В
качестве
испытуемых материалов использовались образцы клеев-расплавов Летек,
Теплакс и МС-1, Jnstant-PAK. Исследования проводились на приборе DSC
204 F1 (Phoenix NETZSCH-GERAETEBAU GmbH). В результате испытаний
все полимерные материалы незначительно изменяли свои свойства при
повышении температуры свыше 60°С (рис. 5).
13
б)
а)
в)
г)
Рисунок 5 – Результаты ДСК анализа для клеев-расплавов Летек (а),
МС-1 (б), Теплакс (в), Jnstant-PAK (г)
Испытания методом ДСК (для всех исследованных типов клееврасплавов) проводили при двух нагревах (верхние кривые на рис. 5 – первый
нагрев, нижние – второй), что позволило оценить поведение материала при
повторном повышении температур. Установлено, что повторный нагрев не
приводит к изменениям теплофизических свойств полимеров, что позволяет
использовать отходы этих материалов повторно, без ухудшения их свойств.
Далее проводилось исследование свойств ремонтного материала на
примере
изучения
модуля
упругости
клеев-расплавов
методом
динамомеханического анализа (ДМА). В качестве объектов исследования были
выбраны две марки отечественных клеев-расплавов, для которых значения
модулей упругости и потерь определяли как в исходном состоянии, так и после
выдержки образцов в воде в течение 100 суток. Исследования проводили на
приборе DMA 242 E Artemis.
Для удобства сравнения полученных результатов, они представлены
табличной форме (табл. 2).
14
Таблица 2 – Свойства клеев-расплавов в исходном состоянии и после
выдержки в воде в течение 100 суток
Марки клеев-расплавов
Свойства
Летек
Теплакс
Модуль упругости, МПа, при температуре, С
2830
4800
20
2540
4200
50
1860
2400
80
970
480
100
540
40
150
Модуль потерь, МПа, при температуре, С
980
2570
20
1250
2810
50
2460
4120
80
2970
2300
100
1080
40
150
Модуль упругости, МПа, при температуре, С
после выдержки в воде в течение 100 суток
2460
4660
20
2350
3900
50
1650
2250
80
900
560
100
530
60
150
Модуль потерь, МПа, при температуре, С
после выдержки в воде в течение 100 суток
1470
2980
20
1450
3620
50
3130
4440
80
2540
3100
100
970
270
150
Из полученных результатов сделан вывод, что клей-расплав марки
Теплакс обладает наилучшими механическими свойствами, в том числе и
после длительного воздействия рабочих жидкостей, поскольку он в
наименьшей степени изменяет свои свойства (на 3% уменьшается модуль
упругости при комнатной температуре и на 15% при этой же температуре
увеличивается модуль потерь). В большей степени воздействие воды оказало
влияние на свойства клея-расплава марки Летек, для которого модуль
упругости уменьшился на 13%, а модуль потерь увеличился практически на
50%.
Исследована стойкость соединений, восстановленных с использованием
клеев-расплавов, к воздействию агрессивных сред. Анализ полученных
результатов показал, что все исследуемые марки клеев-расплавов
увеличивают свою массу, т.е. они набухают. Наибольшая величина
15
набухания в воде у клея Теплакс (30%), наименьшая у клея Jnstant-PAK
(4%). Клеи-расплавы марок Летек и МС-1 имеют близкие значения
набухания (10%). В масле все исследуемые марки клеев-расплавов
набухают меньше. Наибольшая величина набухания (7%) также у клея
Теплакс, наименьшая (2%) у клея Jnstant-PAK. Влияние антифриза
аналогично влиянию воды и величина набухания клеев Летек и МС-1
практически одинаковая и в воде и в анрифризе. Набухание клея Теплакс в
антифризе составило 19% (меньше чем в воде), а для клея Jnstant-PAK 5%,
т.е. наоборот, больше чем в воде. Далее структуры испытываемых образцов
изучались с помощью растрового электронного микроскопа «Phenom» (рис.
6-8).
а)
б)
Рисунок 6 – Структура клея-расплава Летек через 20 дней (а) и 100 дней (б)
после нахождения в антифризе
а)
б)
Рисунок 7 – Структура клея-расплава МС-1 через 20 дней (а) и 100 дней (б)
после нахождения в антифризе
16
а)
б)
Рисунок 8 – Структура клея-расплава Теплакс через 20 дней (а) и 100 дней (б)
после нахождения в антифризе
Далее проводилась оценка адгезионной прочности
свойств
традиционных эпоксидных составов и термопластичных полимерных
материалов методом отрыва. Испытания проводились на машине для
испытания конструкционных материалов УТС 110М-50. Результаты
механических испытаний образцов приведены в табл. 3.
На основании полученных результатов, сделан вывод, что по своим
прочностным характеристикам клеи-расплавы практически не уступают
традиционным эпоксидным клеям и могут использоваться при ремонте
элементов системы охлаждения дорожно-строительных машин.
Таблица 3 – Результаты прочностных испытаний соединений, с
различными типами клеев
№
Марка клеевого материала
Значения максимального абсолютного
п/п
разрывного усилия, Н
1. Клей-расплав «Теплакс»
3752,7
2.
Клей-расплав «Jnstant-PAK»
3061,03
3.
Клей-расплав «МС-1»
6495,3
4.
Клей-расплав «Летек»
6283,1
5.
Эпоксидный клей ЭД-20 +
ПЭПА в качестве отвердителя
Эпоксидный
двухкомпонентный клей Done
Deal DD6540
6.
3978
3622,5
Четвертая глава посвящена вопросам обоснования способа ремонта,
разработки технологии ремонта дорожно-строительных машин с
использованием термопластичных полимерных материалов, нормирования
17
работ и оценки экономической эффективности способов ремонта элементов
системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин.
Разработан алгоритм выбора клея-расплава для ремонта элементов
системы охлаждения ДВС (рис. 9). Его отличительной особенностью (по
сравнению с термореактивными клеями) является то, что технологические
требования являются столь же важными, что и конструкционные, а так же
среди основных критериев, по которому первоначально проводится выбор
клея, является температура текучести. Это связано с рядом ограничений,
которые накладывают склеиваемые материалы. Если в качестве склеиваемых
материалов используются неметаллы, то в этом случае температура
плавления клея не должна превышать их температуру плавления или
деструкции.
Предельно допустимые напряжения пр (см. рис. 9), которые возникают
в клеевом соединении, не должны быть выше разрушающих. Данное
требование сохраняется для статических и динамических нагрузок, при
одновременном воздействии не только температур, но и рабочих сред.
Разработан технологический процесс на ремонт дорожно-строительных
машин с использованием термопластичных клеев-расплавов, который
показывает, что клеи-расплавы более технологичны и внедрение данных
материалов в производственные и ремонтные операции позволит увеличить
долговечность и безопасность эксплуатации машин.
Проведена оценка технико экономической эффективности применения
клеев-расплавов при ремонте элементов системы охлаждения дорожностроительных машин.
Общий случай расчета себестоимости восстановления деталей (узлов)
(СВ) определяется по формуле (6):
СВ = СИ.Д. + СМ + РЗП + РОб + Сб,
(6)
где СИ.Д. – стоимость изношенной детали, требуемой для
восстановления; СМ – стоимость материалов, требуемых для восстановления;
РЗП – затраты на заработную плату; РОб – затраты на содержание и
эксплуатацию восстановительного оборудования; Сб – стоимость потерь от
брака.
Стоимость восстановления детали рассчитана для различных способов
ремонта элементов системы охлаждения двигателя дорожно-строительных
машин: пайки, сварки, с использованием эпоксидных клеев и клееврасплавов.
18
Выбор клея-расплава
Рабочие температуры
Нет
ТТпл
Технические требования:
- склеиваемые материалы;
- рабочие температуры
(Т);
- нагрузки ();
- рабочие среды;
- долговечность;
- технология нанесения;
- стоимость (Ц).
Да
Нагрузки
Нет
пр
Да
Рабочие среды
Нет
пр
Да
Масштабный фактор
Нет
пр
Да
Стоимость
Нет
ЦЦпр
Да
Конец
Рисунок 9 – Алгоритм выбора клея-расплава
19
В таблице 4 приведены значения показателей и себестоимость работ,
рассчитанных с использованием выражения (6) для различных способов
ремонта.
Таблица 4 – Стоимость восстановления радиатора ДСМ различными
методами, руб.
Методы
ремонта
Показатель
Пайка
Сварка
Замена
радиатора
Восстановление Восстановление
склеиванием
склеиванием
(эпоксидный
(клей-расплав)
клей)
СИ.Д.
45000
-
-
-
-
СМ
-
102,5
73,5
60
21
РЗП
302,5
1250
1062,5
787,5
682,5
РОб
1,28
6,2
25
2,12
5,02
Сб
-
81,5
69,7
50,9
42,5
СВ
45303,8
1440,2
1230,7
900,6
751
На основании данных таблицы 4 и с использованием (6) на рисунке 10
построены диаграммы удельной себестоимости устранения дефектов
различными способами.
5000
4500
Замена радиатора
4000
3500
Пайка
3000
Сварка
2500
2000
Восстановление
эпоксидным клеем
1500
1000
Восстановление
клеем-расплавом
500
0
Стоимость восстановления
Рисунок 10 – Стоимость восстановления детали различными методами
20
Выводы и результаты работы
1. Проведенный анализ традиционных методов восстановления
элементов системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин
выявил, что существующие методы ремонта не позволяют с достаточной
степенью надежности и экономической целесообразности восстановить
поврежденные элементы. Установлено, что наиболее перспективными
материалами, которые могут быть использованы при ремонте дорожностроительных машин, являются термопластичные клеи-расплавы.
Показано, что процессы ремонта ДСМ с использованием клеев-расплавов
имеют малую энергоемкость, большую производительность и могут быть
автоматизированы.
2. Проведены расчеты напряженно-деформированного состояния
радиатора системы охлаждения двигателя дорожно-строительных машин,
восстановленного различными способами, методом конечно-элементного
моделирования, с использованием программной системы ANSYS. В
результате проведенных расчетов установлено, что напряжения,
действующие в бачке радиатора при использовании клеев-расплавов ниже,
чем при восстановлении трещины методами сварки или пайки.
Установлено, что по своим свойствам все исследованные марки клеярасплава близки между собой и различия в величинах напряжений не
превышают 5%. Показано, что проведенные конечно-элементные расчеты
не позволяют учесть адгезионные характеристики используемых
материалов и поэтому необходимо провести комплекс их испытаний.
3. Исследована
стойкость
клеев-расплавов
к
воздействию
повышенных температур методом дифференциально-сканирующей
калориметрии (ДСК). Определена температура стеклования каждого из
рассматриваемых клеев-расплавов, которая позволяет оценить не только
теплостойкость полимера, но и рассчитать его долговечность при
длительном
воздействии
повышенных
температур.
Анализируя
полученные графики, сделаны выводы о том, что наилучшую
температурную стойкость демонстрируют материалы марок Летек и МС-1.
4. Методом динамомеханического анализа (ДМА) исследовано
изменение деформационных свойств клеев-расплавов при воздействии
температуры. Установлено, что модуль упругости при увеличении
температуры постепенно снижается, а модуль потерь, в диапазоне
температур от +40 до +100°С увеличивается, а при дальнейшем
повышении температуры, резко снижается. Воздействие влаги приводит к
тому, что модуль упругости при комнатной температуре снижается, а
величина модуля потерь, наоборот, возрастает. После воздействия воды
клей-расплав марки Теплакс в наименьшей степени изменяет свои
деформационные свойства (на 3% уменьшается модуль упругости при
комнатной температуре и на 15% при этой же температуре увеличивается
модуль потерь). В большей степени воздействие воды оказало влияние на
21
деформационные свойства клея-расплава марки Летек, для которого
модуль упругости уменьшился на 13%, а модуль потерь увеличился
практически на 50%. Увеличение температуры испытаний оказывает
аналогичное воздействие, поскольку в наибольшей степени воздействие
воды оказало влияние на изменение упругих характеристик клея Летек, а в
наименьшей степени для клея Теплакс. Следовательно, клеи-расплавы
могут быть рекомендованы в качестве конструкционных клеев при
изготовлении и ремонте деталей ДСМ, подвергающихся в процессе своей
эксплуатации длительному деформационному воздействию.
5. Изучена
стойкость
клеев-расплавов
к
воздействию
эксплуатационных факторов, основным из которых при ремонте элементов
системы охлаждения является воздействие агрессивных сред. Изучена
структура клеев-расплавов после их нахождения в агрессивных средах в
течение 100 дней. Установлено, что клеи-расплавы обладают
удовлетворительной стойкостью к воде и антифризу, а так же хорошо
устойчивы в полусинтетических маслах. Таким образом, клеи-расплавы
имеют практически такую же стойкость к агрессивным средам, как
традиционные эпоксидные материалы и могут быть предложены в
качестве конструкционного клея при изготовлении и ремонте деталей
дорожно-строительных машин, которые в процессе эксплуатации
подвергаются длительному воздействию воды, масла и антифриза.
6. Проведены сравнительные исследования адгезионной прочности
термореактивных полимерных материалов традиционно используемых при
ремонте ДСМ и клеев-расплавов, установлено, что по своим прочностным
характеристикам клеи-расплавы практически не уступают традиционным
эпоксидным клеям и могут использоваться при ремонте элементов
системы охлаждения дорожно-строительных машин. Установлено, что
наилучшие прочностные характеристики получены для термопластичного
клея марки МС-1 и Летек.
7. Проведены экспериментальные исследования по оценке прочности
клеевых соединений в динамических условиях. Установлено, что потери
прочности после 10 суток выдержки на вибростенде не превысили 1% для
клея-расплава марки Теплакс и 1,8% для клея марки Летек. Для
эпоксидного клея имеет место потеря прочности уже после 1 часа
воздействия вибрационных нагрузок (18,45%), после воздействия
вибрации в течение 10 суток потери прочности составляют 59%. При
воздействии циклических напряжений, соответствующих нагрузкам,
равным 50% от разрушающих, разрушение клеевого соединения, на клеерасплаве не происходит, тогда как эпоксидное клеевое соединение при
таком нагружении имеет очень малый предел выносливости.
8. Разработан алгоритм выбора клеев-расплавов при ремонте
элементов системы охлаждения дорожно-строительных машин с учетом
конструкторских и технологических факторов. Его отличительной
особенностью (по сравнению с термореактивными клеями) является то,
22
что технологические требования являются столь же важными, что и
конструкционные. Среди основных критериев, по которому первоначально
проводится выбор клея, является его температура текучести.
9. Разработан технологический процесс ремонта элементов системы
охлаждения дорожно-строительных машин с использованием клееврасплавов. Установлено, что клеи-расплавы более технологичны и
внедрение данных материалов в производственные и ремонтные операции
позволит повысить долговечность и безопасность эксплуатации машин.
10. Разработаны рекомендации по контролю качества ремонта
элементов системы охлаждения дорожно-строительных машин с
использованием клеев-расплавов. Показано что, контроль качества,
проводимый на всех этапах технологического процесса ремонта, является
необходимой мерой, обеспечивающей заданные характеристики
отремонтированной детали, позволяет свести к минимуму возможность
повторного возникновения дефекта, повысить долговечность и
безопасность эксплуатации машин.
11. Проведена оценка технико экономической эффективности
применения клеев-расплавов при ремонте элементов системы охлаждения
дорожно-строительных машин. Показано, что стоимость восстановления
радиатора с использованием клеев расплавов на 39 % ниже чем при сварке,
на 48 % ниже чем при пайке и на 17 % ниже чем при ремонте с
использованием эпоксидных клеев.
23
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИИ:
Публикации в рецензируемых научных изданиях
1. Лапина, Н.В. Применение клеев-расплавов при ремонте узлов и
агрегатов машин, длительно работающих в условиях воздействия
агрессивных сред / Н.В. Лапина // Автотранспортное предприятие. – 2014. –
№11. – С. 36-38.
2. Лапина,
Н.В.
Перспективы
применения
термопластичных
материалов при ремонте элементов системы охлаждения машин / Н.В.
Лапина, Н.И. Баурова // Механизация строительства. – 2015. – №4(850). – С.
44-47.
3. Лапина, Н.В. Определение адгезионной прочности термопластичных
полимерных материалов, используемых для ремонта дорожно-строительных
машин / Н.В. Лапина, Н.И. Баурова // Механизация строительства. – 2017. –
Т. 78. – №8. – С. 50-54.
4. Лапина, Н.В. Исследование стойкости полимерных материалов,
используемых при ремонте дорожно-строительных машин, к воздействию
повышенных температур / Н.В. Лапина // Вестник Московского
автомобильно-дорожного государственного технического университета
(МАДИ). – 2018. – № 3(54). – С. 50-54.
Публикации в журналах, индексируемых в базе данных Scopus
5. Lapina, N.V. Feature of processing machinery parts for workability when
transiting to new construction materials / N.V. Lapina, N.I. Baurova // Polymer
Science, Series D. – 2016. – Vol.9. – № 3. – pp. 326-330.
Публикации в других научных изданиях
6. Лапина, Н.В. Алгоритм выбора клея-расплава / Н.В. Лапина, Н.И.
Баурова // Энциклопедия инженера-химика. – 2014. – № 11. – С. 11-16.
7. Лапина,
Н.В.
Особенности
определения
характеристик
микроструктур наполненных полимерных материалов / Н.В. Лапина // Все
материалы. Энциклопедический справочник. – 2014. – №12. – С. 12-15.
8. Гузева, Т.А. Показатели качества клеев-расплавов / Т.А. Гузева, Е.В.
Воробьев, Н.В. Лапина // Все материалы. Энциклопедический справочник. –
2015. – №3. – С. 7-12.
9. Лапина, Н.В Применение клеев и герметиков при ремонте
пластиковых деталей машин / Н.В. Лапина // Энциклопедия инженерахимика. – 2015. – №3. – С. 32-35.
10. Павлов, А.П. Резервирование клеевых материалов, используемых в
ремонтном производстве / А.П. Павлов, Н.В. Лапина // Все материалы.
Энциклопедический справочник. – 2015. – №8. – С. 15-19.
24
11. Лапина, Н.В Анализ стандартов, используемых при оценке
технологичности / Н.В. Лапина // Все материалы. Энциклопедический
справочник. – 2015. – №10. – С. 78-81.
12. Лапина, Н.В Особенности применения клеев-расплавов при ремонте
элементов системы охлаждения машин / Н.В. Лапина, Н.И. Баурова // Ремонт.
Восстановление. Модернизация. – 2015. – № 10. – С. 33-36.
13. Лапина, Н.В Особенности отработки деталей машин на
технологичность при переходе на новые конструкционные материалы / Н.В.
Лапина, Н.И. Баурова // Все материалы. Энциклопедический справочник. –
2016. – №1. – С. 11-15.
14. Баурова, Н.И. Ремонт элементов системы охлаждения дорожностроительных машин с использованием клеев-расплавов / Н.И. Баурова, Н.В.
Лапина // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2016. – №3(77). – С. 36-38.
15. Лапина, Н.В Оценка технологичности изделий машиностроения при
замене традиционных материалов на композиты / Н.В. Лапина, Н.И. Баурова
// Новые материалы и технологии в машиностроении. – 2017. – № 26. – С. 3741.
16. Лапина, Н.В. Оценка эксплуатационных свойств термопластичных
полимерных материалов, используемых при ремонте дорожно-строительных
машин / Н.В. Лапина, Н.И. Баурова // Технология металлов. – 2018. – №4. –
С. 39-43.
25
Подписано в печать: 18.10.2018. Формат 60х84/16
Печать офсетная. Объем: 1,0 усл.п.л.
Тираж: 100 экз. Заказ №
МАДИ, 125319, г. Москва, Ленинградский пр-т, д. 64.
26
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
1 081 Кб
Теги
путем, расплавов, технология, использование, ремонт, дорожной, совершенствование, клее, машина, строительная
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа