Исследование дефекта качающего узла насоса-регулятора НР-90
Статистика дефектов агрегата НР-90 и их последствия. Анализ и выбор антифрикционных износостойких покрытий. Кинематический и динамический расчет качающего узла. Сравнительный анализ экономической эффективности вариантов повышения ресурса подпятника.
| Рубрика | Транспорт |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.10.2013 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Образующуюся в процессе трения пленку называют "сервовитной" (от латинского servo-witte - спасать жизнь) или самогенерирующейся. Образование этой пленки относится к новому классу самоорганизующихся явлении неживой природы, изучение которых только началось. Сервовитная пленка может возникнуть под действием, как смазочного материала, так и условий нагружения. Пара трения, в которой возбуждается и активно поддерживается эффект избирательного переноса, характеризуется следующими особенностями: возникающая сервовитная пленка имеет, благодаря эффекту избирательного растворения, дефектную дислокационную структуру, которая может придать пленке свойства квазижидкости, благодаря чему могут быть уменьшены силы трения и одновременно существенно увеличена реальная поверхность контакта.
Самообразование сервовитного слоя в зоне контакта бронза-сталь в среде смазочного материала, обеспечивающего избирательный перенос, происходит при сравнительно малом расходе материалов. При этом добавление в смазочный материал незначительного количества слоеобразующих медьсодержащих присадок способствует уменьшению расхода цветных металлов на образование сервовитного слоя. Установлено, что благоприятное воздействие сервовитного слоя проявляется даже в том случае, когда толщина его в зоне контакта составляет всего несколько атомных слоев. Толщина пленки при избирательном переносе в 10-40 раз меньше толщины приработочных покрытий, полученных гальваническими способами.
Процесс образования сервовитной пленки при трении в паре сталь-сталь следующий. Пленка образуется, если в металлоплакирующих смазочных материалах содержатся мелкие частицы (порошки) бронзы, меди, свинца, серебра и др. При использовании глицерина или консистентной смазки ЦИАТИМ-201 с добавлением порошков стальные поверхности деталей покрываются пленкой, состоящей из материала порошков. Такие пленки обладают высокой пластичностью, они пористы и содержат в порах смазочный материал
В настоящее время основные способы ФАБО можно разделить на две группы:
1. Нанесение металлических покрытий: фрикционно-механическим способом прутковым инструментом; фрикционно-химическим способом.
2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием, в суспензии твердой смазки или специальными методами хонингования.
Сущность фрикционно-химического способа заключается в том, что ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах, содержащих в своем составе поверхностно-активные вещества и химические соединения металлов, способных восстанавливаться на поверхностях обрабатываемых деталей при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток или других инструментов из неметаллического или металлического материалов. Данные исследования представляют интерес для восстановления шеек коленчатых валов под очередной ремонтный размер с последующей обработкой их по предлагаемой технологии.
Использование предлагаемого решения позволяет повысить качество обрабатываемых поверхностей за счет нанесения на поверхность металлических пленок с низким коэффициентом трения, а также поверхностно-пластического упрочнения поверхности с формированием на ней регулярного микрорельефа, что улучшает эксплуатационные свойства.
3.6 Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов (БУФО)
Уникальность технологии состоит в том, что после обработки поверхности металла резцом, мы получаем шероховатость поверхности до 10-12 класса (Ra=0,04-0,1 мкм). При обработке закаленных сталей и исходной шероховатости Ra на уровне 0,4 мкм, получаем шероховатость на уровне 0,025 мкм (12 кл.). Микротвердость обработанного слоя, например, стали, увеличивается на 5 - 35%, повышается усталостная прочность, увеличивается до 90% опорная поверхность, остаточные напряжения трансформируются в сжимающие, некруглость геометрии детали после резца снижается на 25-30%, при условии твердого точения детали в размере использование БУФО исключает необходимость применения шлифовальных станков. Микротвердость поверхности металла повышается при обработке структур, например, алюминия более чем на 100 %; стали до закалки -- на 15-30 %, после закалки на 5-10 %; повышается усталостная прочность детали.
Более того, возможно одновременная обработка детали резанием и ультразвуком; при этом технология освобождается от абразива, войлока, притирочных паст и грязной ручной работы. Естественно, исключается внутрицеховая транспортировка деталей, возможные припуски, экономятся производственная площадь, электроэнергия, отпадает потребность в специалистах - шлифовщиках.
БУФО деформирует поверхность, сглаживает вершины микронеровностей и упрочняет поверхностный слой. За один финишный проход излучателя ультразвука при исходной поверхности Rа=6,3 мкм Вы получаете поверхность с Rа= 0,1мкм(10 класс).БУФО обрабатываются сталь (большинство известных марок), алюминий, медь и другие цветные металлы. Позволяет обрабатывать различные конструктивные формы поверхностей: цилиндрические, плоские, наружные и внутренние, торцевые, конические, шаровые поверхности металлов; различные выступы и впадины; прямоугольные и радиусные канавки. Комплект БУФО устанавливается на любые токарные, строгальные, плоскошлифовальные и др. станки, предназначенные для металлообработки. Исключает ручной труд, необходимость применения абразивных материалов. Упрощает технологический процесс и исключает применение некоторых типов станков, например шлифовальных. Уменьшает объемы внутрицеховой транспортировки деталей. Экономит производственные площади, электроэнергию, трудозатраты. Уменьшает необходимые припуски размеров в технологических операциях. БУФО открывает новые перспективы в использовании покрытий поверхностей различного назначения, в том числе и антифрикционных, так как создает идеальную поверхность для пар трения. Пары трения при этом обретают исключительную износоустойчивость. Резко - в 2-3 раза увеличиваются межремонтные сроки двигателей, станков, компрессоров, насосов и т.п. техники. Технология и оборудование БУФО не имеют аналогов в мировом машиностроении, защищены Патентами РФ, имеют сертификаты и используются на десятках заводов страны.
Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов (БУФО) состоит из источника питания - ультразвукового генератора, акустической головки, соединительного шланга для подачи электрической энергии от генератора к акустической головке, шланга для подачи смазочно-охлаждающей жидкости от станка к акустической головке.
На обмотку преобразователя от источника питания по кабелю через соединительный штуцер подается напряжение повышенной частоты (22,0±0,03) кГЦ. После преобразования электрической энергии в механические колебания волновода акустической системы энергия передается к излучателю ультразвука.
Акустическая система монтируется в акустической головке. При подаче акустической головки, закрепленной в резцедержателе токарного станка, излучатель входит в контакт в поверхностью детали, подлежащей финишной обработке. Поверхность излучателя при ударе оставляет соответствующий отпечаток. При вращении детали образуется полоска, при подаче - формируется площадь.
В мировой практике станкостроения нет аналогов БУФО. Преимущества применения комплекта БУФО заключаются в следующем:
- установленный на шлифовальный станок, он не обрабатывает металл резанием, а производит наклеп, упрочняя поверхностную структуру металла. Остаточные напряжения становятся сжимающими, усталостная прочность изделия повышается;
- его установка, например, на токарный станок, позволяет произвести весь комплекс работ от грубого резания до финишной обработки за один "установ" детали;
- комплект мобилен: он может устанавливаться практически на всех универсальных станках - токарных, строгальных (в том числе и на шлифовальных) без каких-либо дополнительных устройств; акустика крепится непосредственно в резцедержателе, аналогично резцу;
- конструкция комплекта позволяет использовать его на огромном парке станочного оборудования, уже имеющемся во всех странах. В комплект БУФО заложены элементы унификации и он может обрабатывать тела вращения, плоские детали, специальные приливы, пазы и т. п. формообразования.
Существует мнение что БУФО позволяет заменить шлифовку. Это не совсем так.
Дело в том, что БУФО не режет металл. Значит, если говорить об изменении размеров детали, то при БУФО это происходит только в пределах изменения от Ra исходной до Ra конечной.
Например, если идет обработка незакаленной стали с Ra=6,3 мкм (4 кл.), то после одного прохода излучателем ультразвука мы получаем Ra= 0,1мкм (10 кл.), значит, изменение диаметра детали происходит на уровне 12,4 мкм. При обработке одной стороны плоских деталей при изменении Ra от 6,3 мкм до Ra=0,1 мкм изменение толщины детали составит 6,2мкм.
При обработке закаленных сталей после шлифовки при шероховатости Ra=0,4мкм (8 кл.) мы за один проход излучателем можем получить Ra=0,025 мкм (12 кл.)
Далее, при шлифовке идет разупрочнение поверхности структуры металла. При БУФО - наоборот, идет ее упрочнение. И, фактически, повышается усталостная прочность детали.
Таким образом, БУФО можно и нужно использовать не вместо шлифовки, а после шлифовки деталей в размер, или тогда, когда шлифовка не нужна. Или при необходимости шлифовки большого сортимента деталей по металлам, габаритам и конструктивным формам деталей. В этом случае в производственной структуре фирмы необходимо иметь гамму шлифовальных станков. Это дорого. И не всегда оправдано. В этом случае надо иметь в виду, что комплект БУФО может быть поставлен на любой из этих станков, причем на плоскошлифовальных станках без каких-либо существенных изменений станка или акустической головки.
Технология БУФО исключает использование шлифовки и, более того, выход на 12 класс шероховатости и упрочнение поверхности только в случае, если состояние станка, на котором ведется предыдущая технологическая операция детали, обеспечивает заданный ей класс точности.
3.7 Финишное плазменное упрочнение(ФПУ)
СУЩНОСТЬ ФПУ состоит в нанесении износостойкого покрытия с одновременным осуществлением процесса повторной плазменной закалки приповерхностного слоя (на глубину нескольких микрометров). Покрытие является продуктом плазмохимических реакций реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон. Закалка происходит за счет локального воздействия высококонцентрированной плазменной струи.
ЦЕЛЬ ФПУ - изготовление инструмента, штампов, прессформ, ножей, фильер, подшипников и др. деталей машин со специальными свойствами поверхности: износостойкостью, антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, разгаростойкостью, антисхватыванием, стойкостью против фреттинг-коррозии и др.
ЭФФЕКТ от ФПУ достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.
ОБОРУДОВАНИЕ для ФПУ включает в себя переносной блок аппаратуры с жидкостным дозатором, малогабаритный плазмотрон с плазмохимическим генератором и источник питания. Дополнительно данное оборудование может комплектоваться манипулятором, блоком автономного охлаждения, мобильной вытяжной системой и прибором контроля нанесения покрытия.
Рис.2. Блок аппаратуры
Рис.3. Плазматрон
Рис.4. Источник тока
Рис.5. Комплекс оборудования для ФПУ
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ток дуги - 100-150 А
напряжение дуги - 40 В
ПВ - 100 %
расход аргона не более 3-5 л/мин
расход препаратов «Сетол1» и «Сетол2» не более 1 г/ч
расход воды не более 350 л/ч
масса - 195 кг
габариты - 760х620х1150 мм
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ФПУ проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона. Скорость перемещения - 1-10 мм/с, расстояние между плазмотроном и изделием - 10-15 мм, диаметр пятна упрочнения - 12-15 мм, толщина покрытия - 0,5-3 мкм. Температура нагрева деталей при ФПУ не превышает 100 - 150°С. Параметры шероховатости поверхности после ФПУ не изменяются. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, исходным материалом для прохождения плазмохимических реакций и образования покрытия является специальный жидкий двухкомпонентный препарат СЕТОЛ. Его расход не превышает 0,5 г/ч (не более 0,5 литра в год).
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФПУ осуществляется по наличию и сравнению цветовой гаммы покрытия на обработанной поверхности и эталона, а также другими методами.
ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ при ФПУ не накладывают ограничений для широкого использования и определяются применением сварочных источников нагрева.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ФПУ: упрочнение режущего инструмента, штампов, ножей, пил, пресс-форм, калибров, фильер, шестерен, подшипников, деталей машин типа валиков, кулачков, направляющих, фиксаторов, прижимов, толкателей и т.д.
ВНЕДРЕНИЕ ФПУ - на предприятиях России, стран СНГ и зарубежья повышает стойкость упрочненных изделий в 2-10 раз.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФПУ: По сравнению с аналогами - ионно-плазменным напылением, лазерным и электроискровым упрочнением, эпиламированием, нанесением кластерных покрытий - данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:
высокая воспроизводимость и стабильность упрочнения за счёт двойного эффекта - от износостойкого покрытия и структурных изменений в тонком приповерхностном слое;
проведение процесса упрочнения на воздухе при температуре окружающей среды не требует применения вакуумных или других камер и ванн;
вследствие нанесения тонкоплёночногопокрытия (толщиной не более 3 микрометров), укладывающегося в допуски на размеры деталей, процесс упрочнения используется в качестве окончательной финишной операции;
отсутствие изменений параметров шероховатости поверхности после процесса упрочнения;
минимальный нагрев в процессе обработки (не более 100-120 °С) не вызывает деформаций деталей, а также - позволяет упрочнять инструментальные стали с низкой температурой отпуска;
возможность упрочнения локальных (по глубине и площади) объемов деталей в местах износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объёме;
тонкоплёночное покрытие по микротвёрдости наиболее близко к алмазоподобным покрытиям;
образующиеся на поверхности упрочнения сжимающие остаточные напряжения при циклической нагрузке повышают усталостную прочность изделия (для сравнения: после операции шлифования возникают растягивающие напряжения, ведущие к снижению усталостной прочности);
высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой обеспечивает максимальную сопротивляемость истиранию (в том числе - при взаимодействии инструмента с обрабатываемым материалом);
низкий коэффициент трения способствует подавлению процессов наростообразования при резании или налипания при штамповке и прессовании;
формирование специфического микрорельефа поверхности способствует эффективному его заполнению смазочно-охлаждающей жидкостью при эксплуатации инструмента и деталей машин;
образующееся на поверхности тонкоплёночное аморфное (стеклообразное) покрытие защищает изделие от воздействия высокой температуры (испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 100 часов при температуре 800 °С);
высокая производительность упрочнения (время обработки, например, кромок вырубного штампа средних размеров может составлять несколько минут);
простота операций по очистке и обезжириванию перед упрочнением (отсутствие специальной предварительной подготовки);
возможность упрочнения поверхностей деталей любых габаритов в ручном или автоматическом режимах;
минимальное потребление и низкая стоимость расходных материалов;
низкая потребляемая мощность установки для упрочнения - менее 6 кВт;
незначительная площадь, занимаемая оборудованием - 1-2 м2;
малогабаритный плазмотрон для упрочнения (массой около 1 кг) может быть легко закреплён на манипуляторе, в руке робота, а также - позволяет вести обработку вручную;
транспортабельность и маневренность оборудования ( масса блока аппаратуры - менее 15 кг, источника питания - 100-200 кг);
экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов при упрочнении;
минимальный уровень шума, не требующий специальных мер защиты;
в отличие от методов упрочнения с использованием поверхностно-активных веществ - в данной технологии отсутствуют особые требования к помещению, нет контактирования с токсичными материалами, не требуется затрат времени на выдержку в растворах и сушку обработанных деталей.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФПУ штампов, инструмента и других изделий определяется повышением их работоспособности и износостойкости, сокращением необходимого количества для заданной производственной программы, экономией инструментальной стали, уменьшением объёма заточных операций, сокращением времени и средств, связанных с настройкой прессов и металлообрабатывающих станков, возможностью интенсификации режимов работы.
Экономическая эффективность использования ФПУ связана с повышением работоспособности упрочненного инструмента и определяется:
уменьшением количества выпуска режущего инструмента и оснастки собственного изготовления, упрочняемых ФПУ и необходимых для заданной производственной программы минимум в 2 раза;
уменьшением программы закупок режущего инструмента и оснастки, упрочняемых ФПУ, минимум в 2 раза;
экономией закупаемой инструментальной стали, в связи с уменьшением количества изготавливаемого инструмента и оснастки;
уменьшением объёма заточных операций и количества приобретаемого шлифовального инструмента при выполнении конкретной производственной программы с использованием упрочненного инструмента и оснастки;
уменьшением затрат, связанных с настройкой и переналадкой прессов, станков и другого оборудования при выполнении конкретной производственной программы в связи с использованием более долговечного инструмента и оснастки;
возможностью повышения интенсификации режимов обработки и соответственно увеличением производительности труда с использованием упрочненного инструмента и оснастки.
Экономические расчеты эффекта от применения ФПУ основываются на знании времени упрочнения конкретной программы инструмента и технологической оснастки.
4. Анализ и выбор антифрикционных износостойких материалов
Анализ физико-механических характеристик предлагаемых материалов производится в сравнении с бронзовой пластиной подпятника применяемой на ОАО ПАО “Инкар”.
Характеристика материала БрСу3Н3Ц3С20Ф.
ГОСТ 493-79
Марка: БрСу3Н3Ц3С20Ф
Классификация: Сурьмянистая бронза
Применение: антифрикционные детали
Таблица 3
Химический состав в % материала БрСу3Н3Ц3С20Ф
|
Fe |
Si |
Ni |
P |
Al |
Cu |
As |
Pb |
Zn |
Sb |
Bi |
Sn |
Примесей |
|
|
до 0.3 |
до 0.02 |
3 - 4 |
0.15 - 0.3 |
до 0.02 |
64.8 - 72.85 |
до 0.1 |
18 - 22 |
3 - 4 |
3 - 4 |
до 0.025 |
до 0.5 |
всего 0.9 |
Примечание: Cu - основа; процентное содержание Cu дано приблизительно
По требованию потребителя в бронзе допускается массовая доля сурьмы 3,4%-4,5%, никеля 4,5%-6% и фосфора 0,25%-0,4%.
Таблица 4
Механические свойства при Т=20oС материала БрСу3Н3Ц3С20Ф
|
Сортамент |
Размер |
Напр. |
sв |
sT |
d5 |
y |
KCU |
Термообр. |
|
|
- |
мм |
- |
МПа |
МПа |
% |
% |
кДж / м2 |
- |
|
|
литье в кокиль |
157 |
2 |
|||||||
|
Твердость материала БрСу3Н3Ц3С20Ф, литье в кокиль |
HB 10 -1 = 65 МПа |
Таблица 5
Физические свойства материала БрСу3Н3Ц3С20Ф
|
T |
E 10- 5 |
a 10 6 |
l |
r |
C |
R 10 9 |
|
|
Град |
МПа |
1/Град |
Вт/(м·град) |
кг/м3 |
Дж/(кг·град) |
Ом·м |
|
|
20 |
0.735 |
17.4 |
54.4 |
9100 |
Литейно-технологические свойства материала БрСу3Н3Ц3С20Ф.
Линейная усадка, %: 1.25
Обозначения:
Механические свойства:
sв- Предел кратковременной прочности , [МПа]
sT- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5- Относительное удлинение при разрыве, [ % ]
y- Относительное сужение, [ % ]
KCU- Ударная вязкость, [ кДж / м2]
HB- Твердость по Бринеллю, [МПа]
Физические свойства:
T - Температура, при которой получены данные свойства, [Град]
E- Модуль упругости первого рода , [МПа]
a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ), [1/Град]
l- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
r- Плотность материала, [кг/м3]
C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]
R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]
4.1 Обзор современных антифрикционных износостойких материалов[4]
Различают несколько видов антифрикционных износостойких материалов: фторопласты, фторопласты с наполнителями, композиционные материалы на основе фенолоформальдегидных и эпоксидных смол(маслянит, эпоксилит), полиамидов(поликапролактам, нейлон), углеграфитов, текстолиты, графитопласты, металлокерамика, селицированные графиты, металлонаполненные углеграфиты, полиамиды, антифрикционный термостойкий графит, металлофторопласты.
При применении нового материала в подпятнике изменится характер работы трущейся пары, это связано с тем, что на максимальных режимах работы агрегата возможно вытеснение керосина из зоны контакта, что приводит к режиму сухого трения.
В эволюции антифрикционных материалов, способных работать при сухом трении, можно выделить три главных этапа.
Первый этап -- это разработка и совершенствование не требующих смазки или самосмазывающихся материалов. Сначала появились углеграфитовые материалы и полимеры с наполнителями. Существенный прогресс в создании самосмазывающихся материалов был достигнут с появлением фтороуглеродных полимеров, особенно политетрафторэтилена (ПТФЭ), получившего в нашей стране название фторопласт-4. Исключительные антифрикционные свойства фторопласта, его необычайная химическая стойкость стимулировали разработку всевозможных композиционных материалов, самосмазывающая способность которых обусловливается в основном наличием фторопласта, а необходимая прочность и износостойкость -- наполнителями.
Отличительной особенностью второго этапа является нанесение относительно мягкого антифрикционного слоя на твердую конструкционную основу. Такие комбинированные двухслойные детали, например, в виде стальных втулок с тонким полимерным покрытием, значительно увеличили предел допустимых удельных нагрузок. Исследования показали, что прочностные свойства тонких пленок, нанесенных на твердую основу, и их износостойкость повышаются с уменьшением толщины пленки. Однако, при этом уменьшается и величина допустимого линейного износа детали, что ограничивает долговечность.
Возникшее противоречие было устранено на третьем этапе созданием материалов со структурами, в которых расходуемая антифрикционная пленка постоянно пополняется и обновляется поступающим в зону трения самосмазывающимся материалом, содержащимся в порах каркаса, образованного спеканием металлических порошков. Материал такого типа впервые описал английский ученый Ф. Боуден, пропитавший политетрафторэтиленом поверхностный слой пористой меди. Дальнейшее совершенствование такого материала предусматривало нанесение губчатого бронзового каркаса на конструкционную стальную основу. Этот материал, состоящий из пористого бронзового каркаса, пропитанного фторопластом (или фторопластом с наполнителем) и стальной основы, называют металлофторопластовым материалом.
4.2 Полимерные антифрикционные материалы
Анализ причин низкой надежности и недолговечности деталей узлов трения показывает необходимость первоочередного решения трех проблем:
- повышения эксплуатационных характеристик применяемых материалов;
- рационального конструктивного оформления как изделий из них, так и узлов, в которых они используются.
- грамотное и рациональное составление технологии изготовления деталей и узлов.
Наиболее эффективным и технологически приемлемым методом улучшения мороза-, износа - и агрессивостойких свойств разрабатываемых материалов является направленная модификация структуры полимерного связующего.
Исследования по разработке и совершенствованию полимерных антифрикционных материалов развиваются по следующим основным направлениям:
- оптимизация химического состава полимерных композиций;
- улучшение механических показателей материалов (коэффициент трения, износостойкость, прочность и т. д.);
- изучение механизмов изнашивания полимерных материалов и поиск методов их регулирования;
- разработка новых технологий переработки полимерных композиций;
- поиск областей оптимального использования антифрикционных полимерных материалов;
- внедрение разработок в различные отрасли промышленности.
В результате механической и структурной модификации политетрафторэтилена (фторопласта) малыми количествами высокодисперсных наполнителей найдена оптимальная рецептура материалов; разработана технология на основе механоактивации ингредиентов для создания композитов с улучшенным комплексом свойств; получены триботехнические материалы с повышенными износостойкостью, эластичностью, прочностными параметрами, что обеспечило повышение ресурса работоспособности изделий из них в узлах трения машин и механизмов. Высокая химическая инертность фторопласта и применяемых для его модификации низкомолекулярных добавок позволяет использовать полученные композиты практически в любых агрессивных средах. Была также разработана безотходная ресурсосберегающая технология получения изделий на основе фторопластовых композиционных материалов с точно заданными геометрической формой и размерами, что не требует операций доводки изделия.
4.3 Фторопласт-4, свойства фторопласта[5]
Фторопласт-4 - полукристаллический перфторированный полимер этиленового ряда с температурой плавления около 327 оС, выше которой исчезает кристаллическая структура и он превращается в аморфный прозрачный материал, не переходящий из высокоэластичного в вязкотекучее состояние даже при температуре разложения (свыше 415оС).
Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) - получают полимеризацией тетрафторэтилена.
Высокая прочность связи атомов фтора и углерода и специфичная структура молекул обуславливают хорошее сочетание химических и физических свойств фторопласта. Торговые названия ПТФЭ: фторопласт-4, фторопласт-4Д (СНГ); тефлон, аллон (США); полифлон (Япония); гостафлон TF (Германия); флуон (Англия); гафлон, сорефлон (Франция); алгофлон (Италия).
Самые агрессивные химические вещества (кислоты, щёлочи, окислители, растворители) не оказывают на Ф-4 никакого воздействия даже при высокой температуре. На Ф-4 оказывают воздействие только расплавы щелочных металлов, растворы их в аммиаке, трёхфтористый хлор и элементарный фтор при высоких температурах.
У фторопласта самый низкий среди конструкционных материалов коэффициент трения, а равенство статического и динамического коэффициентов трения фторопласта-4 и композиций на его основе обуславливают широкое его применение в машиностроении. А именно, в узлах трения механизмов машин и приборов в качестве подшипников и опор скольжения, подвижных уплотнителей поршневых колец, манжет работающих без смазки, с ограниченной смазкой и при наличии коррозионной среды.
Износостойкость фторопластов в 40 раз выше, чем бронзы и в 10 раз выше, чем баббита. Показателем износа служит потеря массы за определенное время.
Фторопласт-4 эксплуатируется при температурах от -269 до +260°С, причем верхний придел ограничивается не потерей химической стойкости, а снижением физико-механических свойств.
Фторопласт-4 хорошо обрабатывается точением, сверлением, фрезерованием и шлифованием.
В зависимости от свойств и назначения фторопласт-4 выпускают пяти марок.
«С» - для изготовления спец. Изделий; «П» - для изготовления электроизоляционной и конденсаторной пленок; «ПН» - для изготовления электротехнических изделий и других изделий повышенной надежности, а также электроизоляционных, изоляционных и пористых, вальцованных пленок и прокладочной ленты. Допускается в отдельных случаях при отсутствии фторопласта-4 марки «С» применять фторопласт-4 марки «ПН» для изготовления изделий спец. Назначения. «О» - для изготовления изделий общего назначения и композиций; «Т» - для изготовления толстостенных изделий и трубопроводов.
Фторопласт-4 должен соответствовать нормам, указанным в табл. 8
Таблица 6
Характеристики фторопласта различных марок
|
Наименование показателей |
Марка «С» |
Марка «П» |
Марка «ПН» |
Марка «О» |
Марка «Т» |
|
|
Плотность, г/см3, не более |
2.18 |
2.18 |
2.19 |
2.20 |
2.21 |
|
|
Прочность при разрыве незакаленного образца, МПа (кгс/см2), не менее |
27.0 (270) |
26.0 (260) |
25.0 (250) |
23.0 (230) |
15.0 (150) |
|
|
Относительное удлинение при разрыве незакаленного образца, %, не менее |
350 |
350 |
350 |
350 |
280 |
|
|
Электрическая прочность (толщина образца 0,100±0,005 мм) при постоянном напряжении, кВ/мм, не менее |
50 |
60 |
50 |
не определяю |
не определяю |
|
|
Относительное удлинение при разрыве строганой пленки в поперечном направлении, %, не менее |
не определяются |
175 |
не определяю |
не определяю |
не определяю |
Таблица 7
Дополнительные показатели фторопласта-4
|
Наименование показателя |
Норма |
|
|
Температура плавления кристаллов, °С |
327 |
|
|
Температура стеклования аморфных участков,°С |
-120 |
|
|
Максимальная рабочая температура при эксплуатации, °С |
260 |
|
|
Минимальная рабочая температура при эксплуатации, °С |
-269 |
|
|
Температура разложения, °С |
св. 415 |
|
|
Температура наибольшей скорости кристаллизации, °С |
310-315 |
|
|
Температурный коэффициент линейного расширения, °С-1, при температуре, °С: |
||
|
от минус 60 до минус 10 |
8*10-5 |
|
|
св. минус 10 до плюс 20 |
(8-25)*10-5 |
|
|
св. 20 до 50 |
(25-11)*10-5 |
|
|
св. 50 до 110 |
11*10-5 |
|
|
св. 110 до 120 |
(11-15)*10-5 |
|
|
св. 120 до 200 |
15*10-5 |
|
|
cв. 200 до 210 |
(15-21)*10-5 |
|
|
св. 210 до 280 |
21*10-5 |
|
|
Насыпная плотность, кг/м3 |
350-600 |
|
|
Стойкость к действию химических реагентов при температуре 20-150 °С: |
||
|
- кислоты концентрированные |
стоек |
|
|
- органические растворители |
стоек |
|
|
- щелочи |
стоек |
|
|
- окислители (перекись водорода) |
стоек |
|
|
- расплавленные щелочные металлы или растворы их в аммиаке |
не стоек при повышенных температурах |
|
|
- элементарный фтор |
то же |
|
|
- трехфтористый хлор |
то же |
|
|
Кислородный индекс (ГОСТ 12.1.044-89), % |
95 |
|
|
Атмосферостойкость |
превосходная |
|
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/м*К |
0,25 |
|
|
Удельная теплоемкость, кДж/кг*К |
1,04 |
|
|
Водопоглощение за 24 ч, % |
0,00 |
|
|
Твердость по Бринеллю, МПа |
29,4-39,2 |
|
|
Термостабильность, % (при температуре 420°С, 3 ч) |
0,2 |
|
|
Коэффициент трения по стали |
0,04 |
|
|
Способность к механической обработке |
превосходная |
|
|
Средний износ |
0,054 |
Рис.7. Зависимость псевдотекучести от температуры
Таблица 8
Зависимость псевдотекучести от температуры
|
Температ., °С |
Предел псевдотекучести, кг/см2 |
|
|
25 |
142,4 |
|
|
50 |
106,9 |
|
|
75 |
83,5 |
|
|
100 |
67,2 |
|
|
150 |
46,6 |
|
|
200 |
35,5 |
|
|
250 |
28,6 |
4.3.1 Наполнители, вводимые во фторопласт. Их свойства и параметры
Исследования показали, что износостойкость чистого фторопласта очень мала и возможные применения его ограничены очень низкими значениями произведения PV. В связи с этим применяют наполнители которые существенно повышают характеристики фторопласта.
Наполнители:
Порошкообразные:
а) металлические - медь, серебро, свинец, никель, бронза, олово, алюминий;
б) минеральные - кварц, стеклопорошок, ситал, керамика, слюда, каолин и др.;
в) органические - графит, сажа, уголь, кокс.
Волокнистые (армирующие наполнители):
а) нетканые - стекловолокно, асбестовое, графитовое, кварцевое, базальтовое волокно, металлические усы и др;
б) тканые - стеклоткани, графитовые, асбестовые и базальтовые ткани.
Армирующие наполнители каркасного типа -- металлическая смятая сетка, смятая фольга. Наполнители можно вводить во фторопласт каждый в отдельности или в различных сочетаниях (комбинированные наполнители) в зависимости от назначения композиций. При использовании в качестве наполнителей дисульфида молибдена, графита и других антифрикционных материалов уменьшается (при соблюдении определенных пропорций) коэффициент трения, повышается износостойкость. Введение коллоидного графита повышает жесткость и уменьшает хладотекучесть материала. В обозначениях марок композиционных материалов отечественного производства цифры означают: первая -- марку фторопласта, следующие -- массовую долю наполнителей; буквы -- материал наполнителя. Например, композиционный материал Ф4К15М5 получен на основе фторопласта-4 и содержит 15% коксовой муки и 5% дисульфида молибдена. При использовании в качестве наполнителей стекловолокна, кремнезема, асбестовой ткани, металлической ваты увеличивается жесткость композита, уменьшается относительная деформация при невысоких коэффициентах трения. Введение 30-40% мелкорубленого стекловолокна повышает стабильность размеров при водопоглощении и усадке, теплостойкость, уменьшает коэффициент линейного расширения. Введение во фторопласты таких наполнителей, как стекловолокно, графит, бронза, коксовая мука, дисульфид молибдена, силициды металлов, позволяет в 200-1000 раз уменьшить износ уплотнительного элемента, в несколько раз увеличить теплопроводность, в 5-10 раз увеличить прочность при сжатии и твердость.
Композиция Ф4С15 (ТУ 6-05-1412-76): смесь фторопласта с размолотым стекловолокном; применяется для различных антифрикционных деталей, работающих в среде сухих агрессивных газов;
Композиция Ф4К15М5 (ТУ 6-05-1412-76): смесь фторопласта-4, кокса и дисульфида молибдена; применяется для работы в среде влажных газов;
Композиция Ф4С15М5: смесь фторопласта-4, размолотого стекловолокна и дисульфида молибдена применяется для деталей, работающих в условиях высокого вакуума сухого и влажного воздуха и газов;
Композиция Ф4М15: смесь фторопласта и дисульфида молибдена, применяется для деталей, работающих в среде влажных газов и в вакууме;
Композиция Ф4С15В5: смесь фторопласта-4, измельченного стекловолокна и нитрида бора; изделия обладают высокой химической стойкостью и износостойкостью, а также высокими механическими свойствами в широком интервале температур;
Композиция Ф4КА15В5: смесь фторопласта-4 и нитрида бора, изделия из этой композиции отличаются повышенной стойкостью против ползучести, небольшим коэффициентом линейного расширения, хорошей прирабатываемостью в паре с чугуном и конструкционными сталями в сухих и влажных средах и при наличии сильных агрессивных сред и окислителей;
Композиция Ф4Г21М7: смесь фторопласта-4, графита, дисульфида молибдена.
Таблица 9
Сравнительная характеристика композиционных материалов на основе фторопластов
|
Параметр |
Ф4К20 |
Ф4К15М5 |
Ф4С15 |
Ф4С15М5 |
Ф-4 |
|
|
Плотность, кг/м3 |
2050-2170 |
2100-2180 |
2170-2210 |
2190 |
210-2200 |
|
|
Коэффициент теплопроводности, Вт / (м К) |
0,23 |
0,29 |
0,25 |
- |
- |
|
|
Удельная теплоемкость, Дж/(кг*к) |
0,71 |
- |
0,9 |
- |
- |
|
|
Коэффициент линейного расширения х10-5, oС-1 от - 60 до + 20 |
8-11 |
- |
4,5-12,5 |
- |
- |
|
|
Коэффициент линейного расширения х10-5, 0С-1 от - 30 до +25o |
11-18 |
- |
12,5-9,5 |
- |
- |
|
|
Водопоглощение через 24 ч., % |
0,03 |
- |
0,04 |
- |
0 |
|
|
Предельное PV, кПа* м/с при V=0,05 м/с |
490 |
588 |
343 |
392 |
- |
|
|
Предельное PV, кПа* м/с при V=5 м/с |
1078 |
1078 |
542 |
608 |
- |
|
|
Интенсивность износа, мкг/с |
0,25-0,56 |
0,18 |
0,56-0,83 |
0,69 |
1,2 |
|
|
Интенсивность износа, мм/км (через 3ч |
0,03 |
0,02 |
0,05 |
- |
- |
|
|
Коэффициент трения по стали |
0,14-0,30 |
0,1-0,39 |
0,15-0,30 |
0,1-0,2 |
0,04 |
Фторопласт-4 в чистом виде не применяется для труднонагруженных деталей в связи с низкой износостойкостью при высоких нагрузках. Целесообразнее применение фторопласта с наполнителями повышающие его характеристики.
4.4 Углепластики ФУТ и УГЭТ[6]
Углепластики ФУТ и УГЭТ являются высокопрочными, износостойкими материалами, не изменяющими свои размеры и свойства при длительной эксплуатации в воде. Углепластики ФУТ и УГЭТ обладают высокой ударопрочностью, что исключает сколы, растрескивания и другие повреждения узлов трения, работающих в условиях интенсивных ударных нагрузок.
Традиционные антифрикционные полимеры имеют низкую прочность. Для них характерно изменение размеров при длительной эксплуатации в воде, они склонны к ползучести, детали, изготовленные из них, работают при низких контактных давлениях.
Механически обрабатываются на стандартном металлорежущем оборудовании, твердосплавным или алмазным инструментом.
Таблица 10
Сравнительные характеристики материалов (при скорости скорости скольжения 12 м/с, контактном давлении 0,7 Мпа)
|
Характеристика |
Ед. измер. |
Наименование материала |
||||
|
ФУТ |
Тордон XL |
Капролон |
Графитопласт АМС-3 |
|||
|
Плотность |
кг/м3 |
1450 |
1200 |
1150 |
1790 |
|
|
Прочность при сжатиии |
Мпа |
130 |
35* |
85 |
95 |
|
|
Модуль Юнга |
Гпа |
15 |
0,5 |
2 |
13 |
|
|
Коэффициент термического расширения |
1/Cx10-5 |
1,6 |
10 |
9,8 |
4,0 |
|
|
Объемное изменение размеров при работе в воде |
% |
0,0 |
1,3 |
5,0 |
0 |
|
|
Допускаемое контактное давление |
Мпа |
5,0 |
- |
0,5 |
0,8 |
|
|
Интенсивность изнашивания |
мм/1000 ч |
0,1 |
0,18 |
0,22 |
0,15 |
|
|
Рабочая температура |
°C |
-60 +150 |
-60 +107 |
0 +45 |
-60 +150 |
*прочность при сжатии
Детали из углепластика УГЭТ эксплуатируются при контактных давлениях до 40 МПа и скоростях скольжения от 0,005 м/с до 0,5 м/с при смазке водой или маслами по контртелам из стали, титановых сплавов. Кратковременно, в течение 10-20 минут, может работать без смазки.
Таблица 11
Сравнительные характеристики материалов(при скорости скольжения от 0 до 0,1 м/с и удельных контактных давлениях до 40 Мпа, при смазке водой в паре со сталью)
|
Характеристика |
Ед. измер. |
Наименование материала |
||||||
|
УГЭТ |
Тордон XL |
Капролон |
Маслянит-К |
Бронза* |
Баббит* |
|||
|
Плотность |
кг/м3 |
1450 |
1200 |
1150 |
1150 |
7890 |
7350 |
|
|
Прочность при растяжении |
Мпа |
200 |
35 |
65 |
49 |
250 |
80 |
|
|
Модуль Юнга |
Гпа |
15 |
0,5 |
2 |
2,5 |
100 |
||
|
Коэффициент термического расширения |
1/Cx10-5 |
1,6 |
10 |
9,8 |
9,5 |
1 |
22 |
|
|
Объемное изменение размеров при работе в воде |
% |
0,0 |
1,3 |
5,0 |
0,4 |
0,0 |
0,0 |
|
|
Допускаемое контактное давление |
Мпа |
40 |
7,5 |
5,0 |
10 |
50 |
5 |
|
|
Интенсивность изнашивания |
мм/1000 ч |
0,04 |
- |
3,0 |
0,2 |
0,006 |
0,01 |
|
|
Коэффициент трения |
0,12 |
0,12 |
0,18 |
0,15 |
0,14 |
0,01 |
||
|
Рабочая температура |
C |
-60 +120 |
-60 +107 |
0 +45 |
0 +40 |
-60 +150 |
-60 +75 |
*при смазке маслом
4.5 Графит антифрикционный[6]
Графит как вещество представляет собой аллотропную форму графита, характререзующуюся определенной кристаллической структурой. Эта структура и обуславливает свойства графитового вещества.
Преимущества графита антифрикционного в том, что произведенные из него материалы могут работать без смазки при высоких или низких температурах, в агрессивных средах или при высоких скоростях.
рафит антифрикционный, имеет высокую механическую прочность и очень плотную структуру, что увеличивает износостойкость в несколько раз. Пропитка графита антифрикционного металлами делает его непроницаемым для газа и жидкостей. Графит антифрикционный применяется для изготовления деталей узлов трения, работающих в условиях cухого, полусухого и жидкостного трения при спокойной или плавно меняющейся нагрузке.
АГ-1500-С05 - графитосвинцовые заготовки. Рекомендуются для использования при сухом трении по сталям и хромовому покрытию. Рекомендуемый материал контртела - чугун, сталь, хромовое покрытие; предельно допустимое удельное давление 20-25 кгс/см2; предельно допустимая скорость 25 м/с. Допустимая рабочая температура при эксплуатации изделий из указанных материалсв в окислительной, восстановительной и нейтральной средах составляет 300°C.
АГ-1500-Б83 - графитобаббитовые заготовки.
АМС-3 - используется для изготовления деталей торцевых уплотнений, работающих в воде и на воздухе.
Таблица 12
Физико-механические показатели графита
|
Физико-механические показатели |
АГ-1500-Б83 |
АГ-1500-С05 |
АМС-3 |
|
|
Плотность, (г/см3),не менее |
2.25 |
Подобные документы
 |