Lipeck, Lipetsk, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
GRNTI 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
Body parts are typical, most material-intensive and expensive parts. When repairing worn out hull details, the costs for repairing equipment are significantly reduced, in comparison with the manufacture of new ones, the consumption of metal, electricity, and environmental pollution is reduced. Unlike many other methods, the methods of restoring body parts with polymeric materials are technologically simple, do not require large energy inputs and high qualification of the personnel. Due to the polymer layer, the stresses in the contact zone of loaded bodies with the bearing raceways decrease and its durability increases, there is no fretting corrosion and the service life of the bearing and body part increases manyfold. The use of polymeric composites can significantly improve the efficiency of restoring body parts. This is due to increased thermal conductivity, thermal and heat resistance, lower cost of composites in comparison with non-filled polymers. A promising direction in improving the consumer properties of the material is the filling of the polymer matrix with nanoscale particles. The nanocomposite based on elastomer F-40 filled with aluminum and copper nanoparticles has been developed and thoroughly studied at the LSTU. The material is designed to restore the landing holes in the hull parts of the tractor equipment. The article presents the results of experimental studies and analysis of deformation-strength and adhesion properties of a nanocomposite, its optimal composition is justified. Comparative results of the study of heat resistance and thermal stability of the F-40 elastomer and a nanocomposite based on are presented. It is shown that the nanocomposite has higher consumer properties than the F-40 elastomer: the strength and endurance are increased to 1.3 times, the heat resistance is up to 123C, the aging coefficients are 1.8 times higher in strength, 1.4 times in deformation.
elastomer, filler, composite, body part, hole, coating, restoration, efficiency.
Корпусные детали являются типовыми, наиболее материалоемкими и дорогими деталями. В них размещаются валы, шестерни, подшипники и др. типовые детали. Износ посадочных отверстий в корпусных деталях определяет взаимное пространственное положение вышеперечисленных сопрягаемых деталей, их ресурс и долговечность агрегата в целом. При восстановлении изношенных корпусных деталей существенно снижаются расходы на ремонт техники, уменьшается, в сравнении с изготовлением новых, расход металла, электроэнергии, загрязнение окружающей среды.
В настоящее время разработано большое количество способов восстановления корпусных деталей [1…4]. Корпусные детали восстанавливают установкой дополнительной детали, различными способами наплавки, электроконтактной приваркой стальной ленты, нанесением гальванических покрытий и др. В отличие от других способов, способы восстановления корпусных деталей полимерными материалами являются технологически простыми, не требуют больших энергозатрат и высокой квалификации персонала. Благодаря полимерному слою снижаются напряжения в зоне контакта нагруженных тел с дорожками качения подшипника и повышается его долговечность, отсутствует фреттинг-коррозия и многократно увеличивается ресурс посадки подшипника и корпусной детали [5]. Использование полимерных композитов позволяет существенно повысить эффективность восстановления корпусных деталей. Это обусловлено повышенной теплопроводностью, термо- и теплостойкостью, более низкой ценой композитов в сравнении с не наполненными полимерами [6…9]. Перспективным направлением в улучшении потребительских свойств материала является наполнение полимерной матрицы наноразмерными частицами [10…12]. Цель настоящих исследований – разработать и всесторонне исследовать нанокомпозит на основе эластомера Ф-40, наполненный наночастицами алюминия и меди, предназначенный для восстановления посадочных отверстий в корпусных деталях автотракторной техники (исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Липецкой области в рамках научного проекта №17-48-480268/18).
Методы и результаты исследований. Оптимизацию состава материала проводили при исследованиях деформационно-прочностных и адгезионных свойств нанокомпозита.
Деформационно-прочностные свойства материала оценивали по удельной работе разрушения αр пленок. Этот параметр характеризует выносливость материала. Чем выше значение этого параметра, тем более стоек материал при циклических нагрузках и, соответственно, выше его выносливость [5]. Испытания пленок проводили при одноосном растяжении на разрывной машине ИР5082-50. Активный эксперимент проводили по композиционному плану В2. Функцией отклика Y приняли удельную работу разрушения α, МДж/м3, а независимыми факторами: х1 – концентрацию наночастиц алюминия (ТУ 1791-003-36280340-2008), масс.ч., х2 – концентрацию наночастиц меди (ТУ 1791-003-36280340-2008), масс.ч. [13].
В таблице 1 показаны факторы с уровнями и интервалами варьирования. Для регрессионного анализа результатов активного эксперимента использовали методику [14].
В таблице 2 показана матрица планирования композиционного плана В2 и результаты активного эксперимента.
Однородность дисперсий проверяли по критерию Кохрена. Расчетное значение критерия Кохрена составляет Gp=0,245, табличное значение критерия Кохрена – Gm=0,516. Так как выполняется условие Gp<Gm, можно сделать вывод об однородности дисперсий.
Коэффициенты регрессии:
b0=+ 12,88;b1= – 1,657; b2=+0,153;b12= – – 0,15;b11= – 5,08; b22= –4,08.
Оценку значимости коэффициентов регрессии проводили сравнением с значениями соответствующих доверительных интервалов:
∆b0=0,106 <b0=+12,88; ∆b1=∆b22=0,037≤b1= – 1,657ub2= +0,153;
∆b12=0,047<b12= –0,15; ∆b11=∆b22=0,082<∆b11= – 5,08ub22= – 4,08.
Коэффициенты регрессии по значению превышают соответствующие доверительные интервалы, поэтому можно сделать вывод об их значимости.
После раскодирования получили уравнение регрессии в натуральных единицах:
Y= – 15,296 +18,903X1+13,509X2–0,15X1X2 – –5,08X21– 4,08X22.
Регрессионную модель на адекватность проверяли по критерию Фишера.
Расчетное значение критерия Фишера составляет Fp=2,03, табличное значение – Fm=3,01. Так как расчетное значение критерия Фишера не превышает табличное можно сделать вывод, что регрессионная модель адекватна.
На рисунке 1 показана поверхность отклика (зависимость удельной работы разрушения пленок нанокомпозита от концентрации алюминиевого и медного нанопорошков).
Для построения двумерного сечения поверхности отклика провели каноническое преобразование регрессионной модели (рисунок 2). Координаты точки экстремума, в которой функция отклика имеет максимальное значение: Ys =13,01Мдж/м3: Xls=1,84 масс.ч наночастиц алюминия; X2s = 1,62масс.ч наночастиц меди.
Проведен анализ двумерного сечения поверхности отклика и определен оптимальный состав нанокомпозита: раствор эластомера Ф-40 – 100 масс. ч., наночастицы алюминия – 1,9 масс. ч. и меди – 1,7 масс. ч.
Оценку адгезии покрытий нанокомпозита к подложке из стали 45 проводили по прочности связи покрытия с металлом при отслаивании [15].
Проведены испытания покрытий различного состава нанокомпозита: 1) эластомер Ф-40 – 100 масс. ч., Al – l масс.ч., Си – 0,6масс.ч. ; 2) эластомер Ф-40 – 100 масс. ч., Al–2масс.ч., Си – 1,6 масс.ч. ; 3) эластомер Ф-40 – 100 масс. ч., Al–3 масс.ч., Си – 2,6 масс.ч.
Сравнительные результаты испытаний покрытий не наполненного эластомера Ф-40 и нанокомпозитов на его основе показаны на рисунке 3. Покрытия не наполненного эластомера Ф-40 имеют наименьшую адгезию к стали 45, F = 3310H/m . Адгезия покрытий состава №1 в 1,83 раза больше аналогичного параметра не наполненного эластомера и составляет F = 6080H/m . Покрытия состава №2 имеют максимальную адгезию F = 9560H/m, что в 2,89 раза больше аналогичного параметра не наполненного эластомера Ф-40 и 1,57 раза больше покрытий состава №1.
1. Kolomeychenko A.V. Technology of restoration with hardening of machine parts on the basis of microarc oxidation application. [Tekhnologiya vosstanovleniya s uprochneniem detaley mashin na osnove primeneniya mikrodugovogo oksidirovaniya]. / Kolomeychenko A.V., Kravchenko I.N., Puzryakov A.F., Logachov V.N., Titov N.V. Stroitelnye i dorozhnye mashiny. - Construction and road machines. 2014. №10. P. 16-21.
2. Kononenko A.S. Povyshenie nadezhnosti nepodvizhnykh flantsevykh soedineniy selskokhozyaystvennoy tekhniki ispolzovaniem nanostrukturirovannykh germetikov: dis ... dokt. tekhn. nauk. (Increase of reliability of fixed flange joints of agricultural machinery using nanostructured sealers: dissertation for a degree of Doctor of Technical sciences). / Kononenko A. S. - M., 2012, - P. 405.
3. Zhachkin S.Yu. Modelirovanie mekhanicheskogo vozdeystviya instrumenta pri poluchenii galvanicheskikh kompozitnykh pokrytiy. [Modeling of the mechanical action of the tool in the preparation of galvanic composite coatings]. / Zhachkin S.Yu., Krasnova M.N., Penkov N.A., Krasnov A.I. Trudy GOSNITI. 2015. Vol. 120. P. 130-134.
4. Li R.I. Tekhnologii vosstanovleniya i uprochneniya detaley avtotraktornoy tekhniki. [Technologies of restoration and hardening of parts of automotive engineering]. / R.I. Li // Lipetsk : Izd-vo LGTU, 2014. - P. 379.
5. Kurchatkin V.V. Vosstanovlenie posadok podshipnikov kacheniya selskokhozyaystvennoy tekhniki polimernymi materialami: dis ... dok. tekhn. nauk. (Restoration of bearing fits of rolling of agricultural machinery by polymeric materials: dissertation for a degree of Doctor of Technical sciences). / Kurchatkin V.V. - M., 1989, - P. 407.
6. Li R.I. Polimernye kompozitsionnye materialy dlya fiksatsii podshipnikov kacheniya v uzlakh mashin: monografiya. [Polymer composite materials for fixing rolling bearings in machine units: monograph]. / R.I. Li. - Lipetsk: Izd-vo Lipetskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2017. - P. 224.
7. R. I. Li, A.V. Butin, S.P. Ivanov, D.V. Mashin. A promising polymer composite material for increasing the efficiency of recovery of basic parts of automotive engineering. ISSN 1995_4212, Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2014, Vol. 7, No. 3, P. 233-237.
8. R. I. Li, F. A. Kirsanov, M. R. Kiba. Technology and Equipment for High-Precision Polymer Restoration of Fitment Holes in Automotive Housing Parts. . ISSN 1995_4212, Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2016, Vol. 9, No. 3, P. 312-316.
9. R. I. Li, D. N. Psarev. A Model for Forming a Uniform Polymer Coating on the External Surface of a Rotating Cylinder. ISSN 1995_4212, Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2015, Vol. 8, No. 3, P. 249-252.
10. Pomogaylo A. D. Nanochastitsy metallov v polimerakh. [Nanoparticles of metals in polymers]. / A.D. Pomogaylo, A. S. Rozenberg, I. E. Uflyand. - Moskva: Khimiya, 2000. - P. 672.
11. Mikhaylyuk A.E. Razrabotka elastomernykh materialov na osnove etilenpropilenovykh kauchukov, modifitsirovannykh vysokodispersnymi chastitsami metallov: dis. ... kand. tekhn. nauk. (Elastomeric materials development based on ethylene-propylene rubbers, modified with highly dispersed metal particles: dissertation for a degree of Ph.D. of Technical sciences). Mikhaylyuk A.E. - Volgograd, 2014. - P. 140.
12. Kononenko A.S. Increase the resistance of cold-cured polymer composites to the effects of working fluids using nanomaterials. [Povyshenie stoykosti polimernykh kompozitov kholodnogo otverzhdeniya k vozdeystviyu rabochikh zhidkostey ispolzovaniem nanomaterialov]. / Kononenko A.S., Dmitrakov K.G. // Mezhdunarodnyy tekhniko-ekonomicheskiy zhurnal. - International Technical and Economic Journal. - 2015. - № 1. - P. 89-94.
13. Available at: http://www.nanosized-powders.com
14. Li, R. I. Osnovy nauchnykh issledovaniy [Tekst] : Ucheb. posobiye / R.I. Li // Lipetsk : Izd-vo LGTU, 2013. - 190 s.
15. GOST 21981-76. Metod opredeleniya prochnosti svyazi s metallom pri otslaivanii (prob) [Tekst]. - M.: Izd-vo standartov, 1976. - 7 s.
