ВВЕДЕНИЕ 8
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1 Устройство силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники 13
1.1.1 Конструкция основных узлов традиционных гидроцилиндров 13
1.1.2 Материалы основных деталей современных гидроцилиндров 17
1.2 Полимерные материалы для производства антифрикционных деталей узлов трения силовых гидроцилиндров 18
1.2.1 Трение и изнашивание полимерных материалов 19
1.2.2 Основные типы полимерных материалов, применяемых для производства антифрикционных деталей и требования к ним 19
1.2.3 Достоинства и недостатки полиамида и композиций на его основе в качестве антифрикционных материалов гидроцилиндров
22
1.2.4 Эксплуатационные и технологические характеристики коммерческих композиционных материалов антифрикционного назначения
22
1.2.5 Технологические процессы и оборудование для производства и переработки полимерных композиций 23
1.3 Композиционные материалы триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) 26
1.3.1 Физико-механические и реологические характеристики СВМПЭ 27
1.3.2 Наноразмерные и тонкодисперсные модификаторы, улучшающие упруго-прочностные и трибологические характеристики СВМПЭ
28
1.3.3 Методы совмещения углеродных нанотрубок с полимерной матрицей 29
1.4 Методы переработки СВМПЭ и композиций на его основе 32
1.5. Методы получения самоармированных композиций СВМПЭ 35
1.5.1 Горячее компактирование 35
1.5.2 Горячее прессование чередующихся слоев 36
1.5.3 Совместная экструзия 37
Методы изучения эксплуатационных и технологических характеристик полимерных композиций 39
1.6.1 Приборы и методы изучения физико-механических свойств полимерных композиций 39
1.6.2 Приборы и методы изучения трибологических свойств
полимерных композиций 41
1.6.3 Приборы и методы изучения реологических свойств полимерных композиций 42
1.7 Цели и задачи исследования 44
2 МЕТОДИКИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
И ИССЛЕДОВАНИЙ 46
2.1 Анализ контактных нагрузок в трибосопряжениях силового
гидроцилиндра С100/40×200-344 трактора МТЗ 80 46
2.2 Разработка конструкции трибометрической приставки к лабораторному смесителю периодического действия PolyLabRheomix 600 OS
52
2.3 Теоретический анализ сил, действующих на образец при его эксцентричном расположении относительно ротора трибометрической приставки
55
2.4 Методика триботехнических испытаний композитов на трибометрической приставке к смесителю HAAKE PolyLabRheomix 600 OS
58
2.5 Методика механохимической активации композиций СВМПЭ с наноразмерными модификаторами на планетарно-шаровой
мельнице «Пульверизетте-7» 59
2.6 Методика компрессионного формования пластин для физикомеханических и реологических испытаний на лабораторном
прессе GT-7014-Н50С 61
2.7 Методики исследования технологических и эксплуатационных характеристик композитов СВМПЭ 62
2.7.1 Методика исследования упруго-прочностных характеристик композитов на испытательной машине UAI-7000 62
2.7.2 Методика исследования реологических характеристик расплавов композитов в динамическом режиме вынужденных
колебаний на реометре HAAKE MARS III
65
2.7.3 Методика триботехнических испытаний композитов на реометре HAAKE MARS III, снабженном трибометрической приставкой 67
Методика получения самоармированных композиций СВМПЭ 70
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 72
3.1 Определение оптимального времени механохимической активации смеси СВМПЭ с наноразмерными модификаторами
на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7» 72
3.2 Исследование физико-механических характеристик композитов «СВМПЭ +SiO2» и «СВМПЭ +Al2O3» 77
3.3 Исследование упругопрочностных характеристик самоармированных композитов СВМПЭ 80
3.4 Исследование реологических характеристик композитов «СВМПЭ» и «СВМПЭ + УНТ» 84
3.5 Исследование трибологических характеристик композитов «СВМПЭ + УНТ» 87
4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ РАЗРАБОТАННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И ТЕХНОЛОГИЙ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА 91
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 101
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 103
Актуальность проблемы. Анализ материально-технического оснащения предприятий АПК свидетельствует о том, что уровень его развития продолжает снижаться. По данным ГОСНИТИ количество тракторов до трех лет службы по всем сельскохозяйственным предприятиям АПК РФ составляет 5,5 %, четыре- восемь лет - 11,3 %, девять лет и более - 83,2 %, доля зерноуборочных комбайнов со сроком службы до трех лет составляет 9 %, четыре-восемь лет -
13,7 %, девять лет и более - 77,3 %. Около 75 % машинно-тракторного парка в аграрном секторе российской экономики выработало свой срок службы и требует повышенных затрат на поддержание его в работоспособном состоянии, которые в настоящее время составляют более 65 млрд. руб.
Сложившаяся ситуация представляет серьезную угрозу для обеспечения необходимых объемов производства, насыщения рынка отечественной сельскохозяйственной продукцией, сырьем и продовольствием.
В условиях ограниченных финансовых и материальных ресурсов проблема технического перевооружения сельскохозяйственного производства не может быть решена только за счет увеличения поступления новой техники. Значительная роль в этом процессе отводится разумному использованию имеющегося парка машин, поддержание его технического уровня за счет квалифицированного технического обслуживания и ремонта.
Ремонт агрегатов с восстановлением и упрочнением деталей - технически обоснованное и экономически оправданное мероприятие. Оно позволяет ремонтно-обслуживающим предприятиям и мастерским хозяйств сокращать время простоя неисправных машин, оборудования, улучшать показатели надежности и использования машин.
Известно, что надежность современных тракторов и других сельскохозяйственных машин определяется надежностью агрегатов гидросистемы. Особое место здесь занимает силовой гидроцилиндр. Опыт эксплуатации гидрофицированных машин показал, что на долю гидроцилиндров приходится 17.30 % отказов всей гидросистемы.
По данным ГОСНИТИ, областных, краевых и республиканских структур АПК ежегодно списывается более 340 тыс. силовых гидроцилиндров отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники. Некоторые сельскохозяйственные предприятия вынуждены проводить ремонт собственными силами. При этом из-за отсутствия опыта, технологий и оборудования ресурс отремонтированных агрегатов зачастую не превышает 30¬60 % от ресурса новых.
В связи с вышеизложенным, разработка и внедрение новой технологии ремонта, основанной на использовании в трибосопряжениях силовых гидроцилиндров полимерных деталей из антифрикционных композитов на основе сверхмолекулярного (сверхвысокомолекулярного) полиэтилена, сокращенно СВМПЭ, позволит снизить себестоимость и сроки ремонта, что имеет существенное значение для развития АПК.
Степень разработанности темы. Систематизация и критический анализ материалов по тематике исследования проведены на основании работ известных ученых: П.В.Сенина, С.А.Величко, В.Н.Водякова, П.А.Ионова, В.В. Кузнецова, В.И. Борисова, Н.В. Ракова, П.В. Чумакова, Н.И. Шубина, И.В. Воскобойникова, В.А. Ушкова, В.К. Астанина, В.В. Глухих, В.В. Богданова и других.
Однако, несмотря на большое количество исследований в области ремонта и восстановления силовых гидроцилиндров, в том числе с использованием антифрикционных композитов, возможности
совершенствования состава композитов и технологий ремонта трибосопряжений силовых гидроцилиндров с использованием полимерных деталей, далеко не исчерпаны. В частности, недостаточно изученными остаются: проблемы разработки состава антифрикционных композитов на основе СВМПЭ), содержащих такие тонкодисперсные и наноразмерные модификаторы как шунгит, диоксид кремния, углеродные нанотрубки и Цель исследований - разработка составов, технологических процессов производства и переработки и исследование свойств антифрикционных композитов на основе СВМПЭ для изготовления антифрикционных деталей силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники.
Объект исследования - антифрикционные композиционные материалы на основе СВМПЭ для изготовления антифрикционных деталей силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники.
Предмет исследования - процессы производства и переработки, технологические и эксплуатационные свойства композиционных материалов антифрикционного назначения на основе СВМПЭ.
Научную новизну работы составляют:
- составы антифрикционных композиционных материалов на основе СВМПЭ, модифицированного углеродными нанотрубками (УНТ) и нанокристаллическим диоксидом кремния (SiO2);
- техпроцесс механохимической активации сухосмешанного состава «СВМПЭ + 0,1% УНТ» на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7»;
- результаты изучения эксплуатационных и технологических
характеристик антифрикционных композиционных материалов на основе СВМПЭ, модифицированного углеродными нанотрубками и
нанокристаллическим диоксидом кремния (SiO2).
Практическую значимость представляют:
- теоретическое обоснование и конструкция трибометрической приставки к лабораторному смесителю Rheomix 600 OS;
- технологический процесс упрочнения изделий из композита «СВМПЭ + 0,1 % УНТ» методом самоармирования; - рекомендации по применению в АПК полученных антифрикционных композитов и технологий их производства.
Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнены по оригинальным и известным методикам с использованием современного научно - исследовательского оборудования и средств измерений лаборатории «Энергоэффективные технологии переработки сырья и материалов» Института механики и энергетики.
Исследование физико-механических характеристик образцов композитов производилось по ГОСТ 11262-80, ГОСТ 12423-66, ГОСТ 4648-71, ГОСТ 4650¬80. При исследовании процессов механохимической активации композиций и реологических испытаниях использованы компьютерные программы и оригинальные методики фирм - поставщиков оборудования.
Обработка результатов исследований проведена с использованием методов теории вероятности и математической статистики с помощью современных вычислительных средств и программы «Excel 2010».
На защиту выносятся:
- состав антифрикционного композиционного материала на основе
СВМПЭ, модифицированного углеродными нанотрубками и
нанокристаллическим диоксидом кремния (SiO2);
- техпроцесс механохимической активации сухосмешанного состава «СВМПЭ + 0,1% УНТ» на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7»;
- результаты изучения эксплуатационных и технологических
характеристик антифрикционных композиционных материалов,
модифицированных углеродными нанотрубками и нанокристаллическим диоксидом кремния (SiO2);
-- технологический процесс упрочнения изделий из композита «СВМПЭ + 0,1 % УНТ» методом самоармирования.
Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (2018 г.). По результатам исследований опубликовано в 2016-2018 г. четыре работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, включает 47 рисунка и 10 таблиц, список литературы содержит 71 наименований. Работа оформлена в соответствии с требованиями и правилами, предусмотренными стандартом СТП 006-2014 ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева».
1. Получены уравнения и проведен теоретический анализ сил, действующих в трибосопряжениях «поршень - гильза цилиндра» и «передняя крышка - шток» силового гидроцилиндра С100/40*200-344 трактора МТЗ 80.
Установлено, что значения сил реакций R и трения Ртр деталей штокового и поршневого уплотнительных узлов изменяются в процессе всего рабочего цикла гидроцилиндра, что является причиной неравномерного износа рабочих поверхностей трибосопряжений.
Максимальные значения реакций достигаются в переднем положении поршня и составляют 3850 Н. Контактные напряжения возрастают с ростом износа рабочих поверхностей от 4,35 МПа (при начальной величине зазора 0,091 мм) до 13,7 МПа (зазор 0,4 мм). Отсюда следует, что по мере увеличения зазора между сопряженными деталями скорость изнашивания должна быстро нарастать.
2. Разработана конструкция и изготовлена приставка к лабораторному смесителю периодического действия PolyLabRheomix 600 OS для изучения трибологических характеристик антифрикционных композитов на основе СВМПЭ. С использованием данной приставки были получены сравнительные значения коэффициентов трения антифрикционных композитов на основе ПА 6 и СВМПЭ в условиях сухого трения и трения со смазкой при температуре 20 °С, контактном давлении 0,1 МПа и диапазоне скоростей скольжения 0,1 - 0,5 м/с.
Установлено, что в условиях трения со смазкой значения коэффициента трения композитов СВМПЭ более чем в 1,3 раза ниже коэффициентов трения полиамидных композитов.
3. Разработан техпроцесс механохимической активации сухосмешанных композиций СВМПЭ и наноразмерных модификаторов на планетарно-шаровой мельнице «Пульверизетте-7», обуславливающий повышение 4. Разработан оригинальный состав композиции на основе СВМПЭ и углеродных нанотрубок (УНТ) фирмы «Tuballmatrixbeta».
Установлено, что ввод 0,1 % УНТ обеспечивает (по отношению к
чистому СВМПЭ) повышение предела текучести на 35 %, прочности на 28 %, начального и конечного модулей упругости на 23 % и 29 %, соответственно.
5. В результате триботехнических испытаний в условиях трения со смазкой (при температуре 25 оС, скорости скольжения 0,15 м/с и контактном давлении 2,5 МПа) установлено, что ввод 0,1 % УНТ обеспечивает снижение интенсивности износа СВМПЭ от 2,46-10’8 до 1,85-10’8 отн.ед. При этом интенсивность износа коммерческого полиамидного композита УПА6 -15А составила 2,73 ■ 10-8 отн. ед.
6. Исследована возможность реализации эффекта самоармирования при изготовлении модели опорно-направляющего кольца гидроцилиндра из разработанного композита методом двухстадийного прессования композиции СВМПЭ с вытяжкой расплава вдоль оси кольцевой полости пресс-формы.
Установлено, что вытяжка расплава в пределах 15.20 % обеспечивает прирост модуля упругости для образцов из СВМПЭ (без м/а) - 9 %; для образцов из СВМПЭ (м/а) - 8 %; для образцов СВМПЭ + 0,1% УНТ (м/а) - 12 %.
7. Разработаны рекомендации по применению разработанного антифрикционного материала в объектах сельскохозяйственной техники.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
