Восстановление опорных поверхностей ведущего вала редуктора фиксацией дополнительной ремонтной детали полимерным нанокомпозитом

Язык труда и переводы:
УДК:
621.792.3
Дата публикации:
25 мая 2022, 22:13
Категория:
Инновационные технологии ремонта, реновации и восстановления в машиностроении
Авторы
Аннотация:
Рассмотрен перспективный способ восстановления изношенных опорных поверхностей ведущего вала редуктора, работающих в контакте с внутренними кольцами подшипников качения, фиксацией дополнительной ремонтной детали полимерным нанокомпозитом. Сделан анализ альтернативных способов ремонта. Обоснован выбор анаэробного полимерного фиксатора и нанонаполнителя. Приведены результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова:
вал, подшипник, восстановление, дополнительная ремонтная деталь, втулка, полимерная прослойка, анаэробный состав, нанонаполнитель, нанокомпозит
Основной текст труда

Введение

Валы являются одними из наиболее ответственных и ресурсоопределяющих деталей машин. Они применяются практически во всех машинах и механизмах. Выход вала из строя может привести к остановке узла или всего изделия в целом. Наиболее ответственными поверхностями вала являются опорные поверхности под подшипники [1].

В процессе эксплуатации опорные поверхности изнашиваются, что приводит к биению, вибрациям, перекосам, ударным нагрузкам. Основными видами дефектов опорных поверхностей валов является фреттинг-коррозия и, как следствие, абразивный износ. В большей мере такому износу подвергается первичный вал редуктора, который имеет наибольшую частоту вращения. В большинстве случаев быстроходные валы представляют собой вал-шестерни — ответственные, дорогостоящие и, в некоторых случаях, металлоемкие изделия [2].

В настоящее время основными методами восстановления опорных поверхностей валов до номинальных технических требований являются точение под ремонтный размер, различные виды напыления, электроконтактная приварка ленты, использование дополнительной ремонтной детали, а также использование полимерных материалов [3]. При точении на ремонтный размер необходима последующая закалка поверхности, а оборудование для поверхностной закалки специализированное и дорогостоящее. Напыление позволяет получить покрытия с необходимыми свойствами, однако формируемое покрытие обладает низкой адгезионной прочностью. Электроконтактная приварка ленты имеет существенные ограничения по толщине восстанавливаемого слоя, требует специального оборудования и квалификации персонала [4]. Способ использования дополнительной ремонтной детали менее трудозатратен, но приводит к фреттинг-коррозии в соединении «вал–деталь».

С учетом вышеизложенного, наиболее перспективным способом восстановления изношенной опорной поверхности вала является фиксация дополнительной ремонтной детали анаэробным полимерным материалом. Предложенный способ обеспечивает номинальную износостойкость восстановленной поверхности и повышает ремонтопригодность детали и узла в целом.

Дополнительную ремонтную деталь предлагается изготавливать из бесшовной трубы (ГОСТ 32528–2013). Для обеспечения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости целесообразно использовать сталь 40Х, которую, в дальнейшем, необходимо упрочнить термической или химико-термической обработкой.

Важным этапом в разработке технологии восстановления является правильный и обоснованный выбор анаэробного полимерного материала и нанонаполнителя для повышения его прочностных свойств. Анаэробные полимеры — это составы, которые длительное время могут находиться в вязкотекучем состоянии и быстро полимеризоваться при исключении контакта с кислородом. Важным условием полимеризации является их непосредственный контакт с металлом контактирующих поверхностей деталей [5]. Нанонаполнитель может улучшить адгезионную и когезионную прочность [6].

В связи с вышеизложенным была поставлена цель — разработать способ восстановления опорной поверхности вала редуктора фиксацией дополнительной ремонтной детали полимерным нанокомпозитом. Для достижения этой цели необходимо выбрать анаэробный полимер с наилучшими характеристиками и нанонаполнитель для повышения прочностных свойств полимерного состава.

Материалы и методы исследований

Для выбора ремонтного полимерного состава проводились сравнительные исследования разрушающих касательных напряжений. Анаэробных полимеров отечественного и зарубежного производства Анатерм-111, Анакрол-101 и Loctite-638.

В основу методики для определения разрушающих касательных напряжений анаэробных полимеров использовался способ определения прочности клеевых соединений при сдвиге по ГОСТ 14759–69.

Предел прочности анаэробного состава при сдвиге ( \tau _{i}, МПа) определяли по формуле:

\tau _{i}={\frac {P}{l\cdot b}}

где  Р – разрушающая сила, Н;

b – ширина зоны нанесения герметика на образец, мм;

l = 2 \pi R – длина зоны нанесения герметика на образец, мм.

Испытания проводились на разрывной машине Instron 600DX. Использовались опытные образцы, изготовленные из стали 20. Сопрягаемые поверхности обезжиривали ацетоном. Анаэробный клей тонким слоем наносили на рабочую поверхность образца. После сопряжения образцы поворачивали относительно друг друга на 90 градусов для равномерного распределения полимера. Полимеризация клея проходила в течение 24 ч при температуре 20 °C. Скорость нагружения образцов составляла 10 кН/мин. Фиксировали наибольшую нагрузку, достигнутую при испытании. За результат измерения принимали среднее значение трех измерений.

Анализ результатов исследований показал, что наименьшую адгезионную прочность, равную 21,51 МПа, имеет полимерный состав Loctite-638. Исследуемый показатель у анаэробных составов Анакрол-101 и Анатерм-111 соответственно достиг 26,55 и 33,29 МПа. Для дальнейших исследований был выбран состав Анатерм-111, имеющий наибольшую адгезионную прочность.

С целью выбора нанонаполнителя проводились сравнительные исследования прочности полимерного состава Анатерм-111 и его композиций с нанонаполнителями Аэросил-200 (0,5 % по массе) и Аэросил-380 (0,5 % по массе).

В основу методики для определения разрушающих нормальных напряжений нанокомпозитных составов использовался способ определения предела прочности клеевых соединений при отрыве по ГОСТ 14760–69.

Предел прочности анаэробного состава при отрыве ( \sigma _{i}, МПа) определяли по формуле:

\sigma _{i}={\frac {P}{\frac {\pi \cdot d^{2}}{4}}}

где  Р – разрушающая сила, Н;

d – диаметр образца, мм;

Использовались цилиндрические образцы диаметром 25 мм, изготовленные из стали 20. Рабочие поверхности половинок образцов обезжиривали ацетоном, затем на них тонким слоем наносили исследуемые полимерные составы. После этого половинки образцов собирались. Полимеризация составов проходила в течение 24 ч при температуре 20 °C. Испытания проводились на разрывной машине Instron 600DX. Скорость нагружения образцов составляла 10 кН/мин. Фиксировали наибольшую нагрузку, достигнутую при испытании. За результат испытаний принимали среднее значение трех измерений.

Анализ результатов исследования показал, что прочность Анатерм-111 при добавлении нанонаполнителя Аэросил-200, увеличившись с 34,12 до 38,44 МПа, что составило 12,7 %. При этом нанонаполнитель Аэросил-380 не оказал существенного влияния на прочностные характеристики Анатерм-111.

Выводы

  1. Для восстановления изношенных опорных поверхностей ведущего вала редуктора наиболее технологичным является способ фиксации дополнительной ремонтной детали полимерным составом.
  2. Использование нанонаполнителя Аэросил-200 (0,5 % по массе) позволило увеличить адгезионную прочность анаэробного полимерного состава Анатерм-111 на 12,6 %, что дает основание рекомендовать нанокомпозицию «Анатерм-111+Аэросил-200» для фиксации дополнительной ремонтной детали.
Литература
  1. 1. Li R.I. Teoretical Concerns in Selection of Metall Nanosized Fillers for the F-40 Elastomer Composition. Polymer Science, Series D, 2019, vol. 12, no. 1, pp. 15–19. https://doi.org/10.1134/S199542121901012X
  2. 2. Кононенко А.С., Псарев Д.Н., Рожнов А.Б. Стойкость к старению и вибрационным нагрузкам полимерного композиционного материала на основе анаэробного герметика «АН-111». Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина», 2019, № 5 (93), с. 4–8. https://doi.org/10.34677/1728-7936-2019-5-4-8
  3. 3. Кононенко А.С., Кильдеев Т.А., Соловьева А.А. Особенности восстановления шпиндельных валов металлорежущих станков полимерными материалами и нанокомпозициями на их основе. Ремонт. Восстановление. Модернизация, 2018, № 10, с. 3–8.https://doi.org/10.31044/1684-2561-2018-0-10-3-8
  4. 4. Черноиванов В.И., Голубев И.Г. Восстановление деталей машин (Состояние и перспективы). Москва, ФГНУ «Росинформагротех», 2010, 376 с.
  5. 5. Кононенко А.С. Повышение надежности неподвижных фланцевых соединений сельскохозяйственной техники использованием наноструктурированных герметиков. Автореф. дис. … канд. техн. наук. Москва, 2012, 34 с.
  6. 6. Kononenko A.S., Solovyeva A.A., Komogortsev V.F. Theoretical determination of the minimum thickness of a polymer layer providing ensured protection of a shaft–bearing joint from fretting corrosion. Polymer Science. Series D, 2020, vol. 13, no. 1, pp. 45–49. https://doi.org/10.1134/S1995421220010116
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.