Програма, методики досліджень властивостей деталей з вуглепластиків

Размещено на http://www.allbest.ru/

Програма, методики досліджень властивостей деталей з вуглепластиків

1. Програма досліджень обертових елементів робочих органів з вуглепластиків

вуглепластик комбайн дисковий машина

Для розв'язання задач, викладених у ВСТУПІ, проводили дослідження у такому порядку: виявили проблемні вузли робочих органів комбайнів, обґрунтували теоретичне застосування вуглепластикових обертових елементів, виявили перспективність застосування полімерних деталей рухомих з'єднань провідними зарубіжними виробниками комбайнів, а вже тоді обґрунтували технологічні заходи, при яких досягаються раціональні характеристики вуглепластикових деталей.

Виявлення проблемних вузлів обертових елементів робочих органів заключалося в аналізі літературних джерел (технічна література, патенти, авторські свідоцтва, підручники, монографії) та дослідженні виробничих ситуацій при експлуатації зернозбиральних комбайнів.

Дослідження закономірностей зношення серійних і розроблених обертових елементів робочих органів здійснювали на основі обробітку статистичних даних, накопичених у процесі експлуатації зернозбиральних комбайнів.

Програма теоретичного обґрунтування застосування вуглепластикових обертових елементів у робочих органах комбайнів передбачала використання теорії Герца про контакт двох циліндричних тіл (вічко шнека жатки і палець), планування активного експерименту (для охвату якнайширшого діапазону експлуатаційних умов обертових елементів у робочих органах комбайнів).

Стабільне функціонування вуглепластикових обертових елементів у робочих органах комбайнів обумовлюється, у першу чергу, високими трибологічними властивостями. Тому, програму досліджень щодо обґрунтування технологічних заходів, при яких забезпечуватимуться раціональні характеристики вуглепластикових обертових елементів, розпочинали із дослідження їх трибологічних, а вже потім міцнісних, теплофізичних, термічних, властивостей. З метою впровадження ресурсозберігаючих технологій досліджували вплив рециклінгу при переробці вуглепластиків на вказані властивості.

Для перевірки отриманих результатів та раціонального використання вуглепластикових обертових елементів проводили широкі багаторічні польові випробовування зернозбиральних комбайнів, які мали різні технічні характеристики, укомплектованих розробленими вуглепластиковими обертовими елементами робочих органів.

2. Дослідження трибологічних властивостей обертових елементів

Дослідження властивостей вуглепластикових елементів у рухомих з'єднаннях здійснювали на основі оригінальних і стандартних методик.

Трибологічні властивості вуглепластикових елементів при терті без змащення та вплив шорсткості на них визначались на дисковій машині тертя (рис. 1) за методикою [121]. Дискова машина тертя приводиться в рух електродвигуном постійного струму 1, обертання від якого через пасову передачу передається через шків 2 до вертикального вала, кількість обертів якого реєструється цифровим спідометром ТЦ-3 (ТУ 23.2.1604-83). Диск 3, виготовлений зі сталі 45 (ГОСТ 1050-88). До жорстко закріпленої хрестовини 4 приєднані незалежно одне від одного три важелі 5, у стаканах яких встановлюються вуглепластикові зразки 6. Нормальний тиск на кожен із зразків створюється знімними вантажами 7 за допомогою важелів (відношення пліч 1 : 2,6) дозволяє випробовувати одночасно від 1 до 3 зразків. Під час роботи, під дією сили тертя, що виникає між диском і зразком, важіль намагається повернутися в горизонтальній площині і через призму танискає на балку 8. На останній наклеєні високотемпературні тензодатчики, які мають пропорційний силі тертя опір. Сигнали датчиків, посилені тензометричною станцією 8АНЧ-7М, реєструється мікроамперметром постійного струму М 2000 (ТУ 25-04-1214-75).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Дискова машина тертя: 1 - електродвигун; 2 - шків; 3 - сталевий диск; 4 - хрестовина; 5 - важіль; 6 - вуглепластикові зразки; 7 - знімні вантажі; 8 - балка

Коефіцієнт тертя визначали за формулою:

, (3.1)

де N - нормальне навантаження на зразок; F₁ - сила тертя зразка, що випробовується; F₁ - втрати, що виникають при повороті важеля на вістрях у горизонтальній площині. Точність вимірювань сили тертя складає 5 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Загальний вигляд машини тертя СМТ-1 (а) і схема випробовування (б) у масляній ванні

Дослідження трибологічних властивостей при терті у змащувальних середовищах вивчали також на машині 2070 СМТ-1 (рис. 2, а) за схемою „диск - палець” у масляній ванні (рис. 2, б). У якості контртіла (діаметром 50 і висотою 10 мм) використовували сталь 45, термооброблену до твердості 48 - 50 НRC. Навантаження на зразок знаходилось у межах від 1 до 14 МПа.

Кількість дослідів - 3, діаметр і висота вуглепластикових зразків складала по 10 мм.

Знос зразків визначали ваговим методом на аналітичних терезах ВЛР-200 (ГОСТ 24104-88) з точністю 0,0001 г. за основну інженерну характеристику процесу зношування згідно [116] приймали інтенсивність лінійного зношування, обумовлену наступним безрозмірним співвідношенням:

, (3.2)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Маятниковий копер КМ-0,4

де G - величина вогового зносу; L_m - шлях тертя; А_а - номінальна площа контакту; _m - густина досліджуваного матеріалу; = А_а / А_m,, А_m - номінальна площа тертя. Приймали = 1, тобто розглядали знос тіла, уся поверхня якого постіно знаходиться у контакті.

3. Дослідження фізико-механічних властивостей

Ударну в'язкість визначали на маятниковому копрі КМ-0,4 (рис. 3) за методом Шарпі згідно ГОСТ 4647-80 при температурі 23 2 ^оС і відносній вологості повітря 505%.

Суть методу заключалась у випробуванні, при якому зразок, лежачи на двох опорах (відстань між опорами 40 мм), руйнується при ударі маятника (1), причому лінія удару знаходиться посередині між опорами.

Ударну в'язкість зразків розраховували за формулою в кДж/м²:

 (3.3)

де: А_п - енергія удару, затрачена на руйнування зразка, кДж / (кг^. см²), фіксується на цифровому табло приладу;

b - ширина зразка по його середині, мм;

s - товщина зразка по його середині, мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Випробовувальна машина FP-100: 1 - приладдя для випробовування на розтяг; 2 - те ж для випробовувань на стискання; 3 - бланк реєстрації результатів

Дослідження міцнісних властивостей здійснювали на випробовувальній машині FP-100 (рис. 4), згідно ГОСТ 4651-82. Для дослідження границі міцності при стисканні використовували зразки діаметром 10 і висотою 15 мм і застосовували відповідне приладдя 2. При цьому опорні площини зразків повинні бути паралельні в межах 0,1 % у напрямку, перпендикулярному прикладанні навантаження. Границю міцності при розтягу досліджували, використовуючи зразки у вигляді лопаток, розміри яких посередині дорівнювали 5Ч5 мм. Для цього виду досліджень використовували приладдя 1. Реєстрація процесу руйнування зразка та його видовження здійснювалась самописцем на спеціальному бланку 3.

Границю міцності при стисканні (_р) розраховували за формулою:

= Р / F, (2.11)

де: Р - навантаження, МПа;

F - мінімальна площа поперечного перерізу зразка, мм²;

F = d²/ 4; (2.12)

d - діаметр зразка, мм.

Відносну деформацію при стисканні (.) розраховували за формулою:

= h_р.с. ^.100 / h_o (2.13)

де: h_р.с - величина зменшення висоти зразка при руйнуванні, мм;

h_о - початкова висота зразка, мм.

Для визначення модуля пружності при стисканні (Е) за діаграмою визначали значення навантажень, що відповідали величинам відносної деформації 0,1 і 0,3% (ГОСТ 9550-81). Розрахунок здійснювали згідно співвідношення:

(2.14)

де: F₁ - навантаження, що відповідає відносній деформації 0,1%, Н;

F₂ - навантаження, що відповідає відносній деформації 0,3 %, Н;

h_o - початкова висота зразка, мм;

A_o - площа поперечного перерізу зразка, мм;

h₁ - зміна висоти, яка відповідає навантаженню F_1;

h₂ - зміна висоти, яка відповідає навантаженню F_2.

За остаточний результат випробовувань приймали середнє арифметичне всіх паралельних досліджень.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Спектрофотометр ИКС-29

Усадку деталей з вуглепластиків визначали за допомогою штангенциркуля з електронним ноніусом з точністю до 0,01 мм. Перші вимірювання проводилися через 30 хвилин після виготовлення деталей, а наступні через кожні 24 години до припинення процесу усадки.

ІЧ-спектральний аналіз здійснювали на спектрофотометрі ИКС-29 (рис. 5), призначеному для реєстрації спектрів поглинання і відбиття різних речовин та вимірювання коефіцієнтів пропускання у спектральному діапазоні 4200-400 см^-1. Підготовку зразків для дослідження здійснювали методом суспендування речовини в таблетці броміду калія: близько 1 мг зразка розтирали в 300 г КВr, а потім піддавали значному стисненню в металевій прес-формі. Реєстрацію спектрів здійснювали на паперовому бланку, який калібрований за коефіцієнтами пропускання в процентах та по хвильовим числам в обернених сантиметрах.

Дослідження будови деталей з вуглепластиків здійснювали на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-2,0 в мідному випромінюванні з нікелевим фільтром. Якісний рентгенівський аналіз полягав в ідентифікації речовин по їх рентгенівських дифракційних кривих. Набір експериментально одержаних максимумів на дифракційних кривих описували двома характеристиками: кутом розсіювання 2 та відносною інтенсивністю. Кут розсіювання визначали безпосередньо з експерименту. Інтегральну інтенсивність розсіювання рентгенівського випромінювання (I) орієнтовно ототожнювали з площею (S) під кривою розсіювання за різницею інтенсивності фону, приймаючи до уваги, що IS. Інтенсивності максимумів на дифракційних кривих порівнювали з літературними даними про структуру полімерів [68].

4. Дослідження теплофізичних властивостей

Температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) визначали на дилатометрі ДКВ-5АМ (рис. 6) згідно ГОСТ 15173-70. Даний прилад призначений для автоматичної реєстрації дилатометричних кривих різних твердих тіл в інтервалі температур 293 ... 1173 К. Дія приладу полягає на вимурюванні різниці зміни довжини зразка, що випробовується та стандартного кварцевого. Покази приладу завжди менші дійсної зміни зразка, що випробовується на величину подовження ділянки кварцевої трубки, рівного довжині зразка.

Для дослідження використовували призматичні (64 мм) зразки, довжиною 503 мм. Непаралельність відшліфованих торців яких складала не більше 0,02 мм. Поверхня зразків була гладкою, рівною, не мала раковин, тріщин та інших дефектів; торці були перпендикулярні до поздовжньої осі зразка. Кількість зразків для випробовувань складала не менше десяти.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Дилатометр ДКВ-5

Перед випробовуванням вимірювали довжину зразка з точністю 0,01 мм. Встановлювали швидкість піднімання температури (не більше 0,5 К / хв) і вибирали масштаб вимірювання подовження зразка при нагріванні, після чого зразок встановлювали у кварцевий блок. Записували його дилатометричну криву відносно плавленого кварца.

Середній ТКЛР - (К^-1) досліджуваного зразка розраховували за формулою:

, (3.4)

де: - різниця відхилення стрілки потенціометра по осі “у” в інтервалі температур , мм;

- відхилення нуля приладу в інтервалі температур , мм;

- довжина зразка при початковій температурі Т = 293 К, мм;

- ТКЛР кварцевого скла в інтервалі температур (за даними ВНИИФТРИ Держкомітету стандартів СРСР), К^-1.

За результат випробовувань для кожної партії матеріалу приймали середнє арифметичне значення 10 вимірів, округлене до 1 10^-6 К^-1.

Диференціально-термічний аналіз визначали на деріватографі Q-1500Д (рис. 7) системи Ф. Паулік, Й. Паулік, Л. Ердей типу МОМ (Угорщина). Випробовування проводили в спеціальних керамічних тиглях на повітрі в інтервалі температур 298-1273 К. Швидкість піднімання температури складала 5С / хв. В якості еталонної речовини використовували Al₂O₃, кількість речовини - 100 мг. Ретельно подрібнену навіску деталей з вуглепластика розміщували у спеціальній випробувальній камері 1 та за допомогою блоку управління встановлювали швидкість піднімання температури. Випробування здійснювали в автоматичному режимі. Графіки термічного аналізу одержували за допомогою блоку реєстрації 3 з виводом на спеціальний бланк 4, який потім оброблявся.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Деріватограф Q-1500Д системи Ф. Паулік, Й. Паулік, Л. Ердей типу МОМ: 1 - випробувальна камера; 2 - блок управління; 3 - блок реєстрації результатів; 4 - бланк

У процесі випробовувань реєструвалися температури, при яких втрачається 0, 5, та 30 % маси матеріалу, а також реєстрували температуру, при якій спостерігалася максимальна швидкість деструкції матеріалу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Випробовувальна машина ПТБ-І-ІІ Ж: 1 - блок управління; 2 - випробувальна камера; 3 - індикатор стрілочний

Температуру розм'якшення за Віка визначали на приладі ПТБ-І-ІІЖ (рис. 8) у рідинному середовищі згідно ГОСТ 15088-83. Для випробувань виготовляли зразки, розміром 4650 мм. Зразки не мали дефектів: раковин, зовнішніх пошкоджень, поверхня зразків була гладкою. Реєстрацію результатів здійснювали за допомогою потенціометрів, встановлених на блоці управління 1. Готові зразки занурювались у силіконове мастило марки ПМФС-4 у випробовувальну камеру 2 на спеціально встановлені опори. По центру зразка прикладали навантаження 5,025 кг після чого фіксували прогин зразка індикаторами годинникового типу 3. Нагрівання рідини здійснювали зі швидкістю 120С / год. Протягом нагрівання рідини зразок розм'якшувався і прогинався. У момент прогину зразка, що дорівнює 1 мм від початкового стану дослідження припиняли і реєстрували температуру рідини. Зафіксована температура і є температурою розм'якшення за Віка. Випробовування проводили одночасно трьох зразків, результати реєструвалися по трьох незалежних одне від одного каналах.

Визначення теплопровідності при кімнатній температурі визначали згідно ГОСТ 15173-70 на приладі ИТЭМ-1М (рис. 9). Використовували зразки з вуглепластика діаметром 15 і висотою 3 мм. Прилад градуювали за допомогою зразкових мір з міді і оргскла (висота і діаметр яких складали 1 і 15 мм відповідно). Потім вимірювали висоту і діаметр зразка, що досліджувався, після чого його встановлювали в пластинку тепломіра, попередньо змастивши силіконовим мастилом контактні поверхні. Роботу здійснювали за допомогою органів управління, розташованих на лицьовій панелі вимірювального блоку. Перед випробуванням у вимірювальний блок вводили розміри висоти і діаметра досліджуваного зразка. Потім опускали термоблок і здійснювали автоматичне вимірювання теплопровідності, значення якої зчитували із цифрового табло. Середнє арифметичне значення теплопровідності, отримане в результаті не менше 10 вимірювань, які відрізнялись не більше, як на 1%, приймали за остаточний результат.

Температуропровідність розраховували за формулою:

, (3.5)

де: - температуропровідність, м²/с;

- коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м К);

- питома теплоємність, кДж/кг К ;

с- щільність зразка, кг/м³.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Прилад для дослідження теплофізичних властивостей ИТЭМ -1М

Враховуючи складність обробки експериментальних даних, використовували програму розрахунку теплофізичних характеристик за допомогою прикладної програми Microsoft Excel. При цьому враховували наступні особливості експерименту:

кількість дослідів для визначення С_р і може не співпадати, останнє визначали наявністю зразків;

для різних складів вуглепластиків гранична температура при випробовуваннях зразків може бути неоднакова.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Загальний вигляд установки ИИРТ-А

Показник текучості розплаву (ПТР) визначався на установці ИИРТ-А згідно ГОСТ 11645-73.

Принцип дії установки оснований на вимірюванні швидкості витікання розплаву через калібрований капіляр 1, що знаходиться у нижній частині екструзійної камери 2, при фіксованому тиску і температурі.

Необхідна для випробування вуглепластика температура створюється у термостаті електричним обігрівом і підтримується із заданою точністю за допомогою автоматичного регулятора температури.

Необхідний тиск на матеріал, що досліджується створюється за допомогою поршня 3 з вантажем 4.

Дослідження проводили в ручному режимі, суть якого заключалась у наступному.

Прогрівали установку до необхідної температури випробування. При досягненні встановленої температури завантажували вуглепластик у вигляді гранул і опускали поршень з вантажем в екструзійну камеру та проводили попереднє прогрівання зразків протягом не менше 4 хвилин.

Після вказаної витримки відводили упор капіляра 1 і розплав вуглепластика вільно витікав під дією сили тяжіння поршня 3 з вантажем 4. Готували до роботи секундомір. На поршні є дві мітки: нижня і верхня. Коли нижня мітка на поршні знаходилась на відстані 5-10 мм над верхнім краєм екструзійної камери, витиснуту частину вуглепластикового розплаву відсікали та видаляли спеціальним ножем.

У момент, коли нижня мітка на поршні досягне верхнього краю екструзійної камери за секундоміром засікали рівні проміжки часу і відсікали та видаляли витиснуті частинки зразків.

Довжина відрізків знаходилась у межах 10-20 мм. Інтервал часу допускається вибирати від 5 до 240 с. Відсікання зразків припиняли тоді, коли верхня мітка на поршні досягала верхнього краю екструзійної камери.

Відкидали зразки витиснутого матеріалу, що містили пухирці повітря. Після охолодження до кімнатної температури зважували не менше трьох зразків з точністю 0,001 г і розраховували їх середню масу.

ПТР розраховували за формулою:

де Т - температура випробування, К (С);

Р - навантаження, Н (кг);

S - стандартний час (інтервал часу відсікання відрізків, дорівнює 600 с);

m - середня маса витиснутих зразків, г;

t - інтервал часу між двома послідовними відсіканнями відрізків, с.

За результат випробовувань приймали середнє арифметичне двух визначень на трьох відрізках матеріалу, при цьому розходження по масі не повинно перевищувати 5 %.

5. Дослідження поверхні тертя обертових елементів з вуглепластиків

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Оптичні мікроскопи: МБИ-6 (а) і NEOFOT 30 (б)

Дослідження поверхні тертя та розподілення вуглецевих волокон у полімерній матриці здійснювали за допомогою мікроскопів МБИ-6 (рис. 11, а) та NEOFOT 30 (рис. 11, б). Причому, зображення об'єктів досліджень на мікроскопі NEOFOT 30 передавали на великий екран 1 для більш зручного візуального контролю, та на фотопластинку через екран 2 для фотографування.

6. Виготовлення зразків та експериментальних деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Ливарна машина ручного типу ПЛ-32

Здійснювали методом лиття під тиском на ливарній машині ручного типу ПЛ-32 (рис. 12), яка реалізовує необхідні технологічні засоби, розроблені для виготовлення вказаним способом вуглепластикових деталей. Тиск лиття контролювали за допомогою манометра 1, встановленому безпосередньо у гідроциліндрі 2. Температуру розплаву вуглепластика у нагрівальній камері 3 контролювали за допомогою термопари, сигнали від якої передавалися на стрілочний автоматичний покажчик 6. Задана температура підтримувалася електричним реле в межах 5 С. Управління машиною здійснювалось за допомогою панелі управління 5. Відливання розплаву вуглепластика у прес-форми здійснювали через яблуко 4, у якого є отвір, діаметром 4 мм.

Виготовлення зразків і партії експериментальних деталей здійснювали в ручному режимі.

Згідно заходів з охорони праці машина встановлена на спеціальних віброопорах під витяжним зондом з дотриманням вимог електробезпеки.

7. Польові випробовування експериментальних деталей

Польові випробовування вічок шнека жатки зернозбиральних комбайнів КЗС-9-1 “Славутич”, Дон-1500, СК-5 “Нива”, Домінатор та підшипникових опор клавішного соломотряса комбайнів Дон-1500 здійснювали згідно плану NRr, згідно якого одночасно починали випробовування N об'єктів. Деталі, що відмовили під час випробовувань (або досягли граничного зносу) замінювали новими. Випробовування припиняють тоді, коли кількість деталей, що відмовили (досягли граничного зношення) дорівнює r.

Так, одночасно проводили випробовування 4-х комбайнів Дон-1500, укомплектованих експериментальними вічками шнека жатки в одному підприємстві в однакових умовах.

Размещено на Allbest.ru