Восстановление гидроцилиндров лесных машин

Проект восстановления гидроцилиндров лесных машин полимерными материалами

Введение

Одно из направлений повышения эффективности производства - его переоснащение современной техникой, внедрение передовых технологических процессов и достижений современной науки.

В лесной промышленности и лесном хозяйстве таким направлением наряду с увеличением единичной мощности выпускаемой техники, повышением ее надежности и эффективности является массовый переход на гидрофицированную технику, позволяющую повысить производительность труда благодаря облегчению управления машинами, сокращению времени рабочего цикла, механизации вспомогательных операций. Широкое внедрение машин с гидроприводом поставило перед механизаторами лесной промышленности и лесного хозяйства задачу обеспечения их качественного технического обслуживания и ремонта, а следовательно, и эффективного использования.

Основными преимуществами гидропривода являются: независимое расположение привода и возможность любого разветвления мощности, простота кинематических схем и создание больших передаточных чисел, легкость реверсирования исполнительного механизма, достаточная скорость выполнения технологических операций, возможность предохранения от перегрузок, стандартизация и унификация деталей и сборочных единиц.

В гидроприводе лесных машин широко применяются гидроцилиндры. Они отличаются сравнительно малыми габаритными размерами и массой на единицу передаваемой мощности, бесступенчатым регулированием скорости, удобством эксплуатации, высоким коэффициентом полезного действия и другими положительными факторами, которые способствуют их распространению. Поэтому выпуск гидроцилиндров приобретает особо важное значение. Однако их изготовление и ремонт при существующей технологии - очень трудоемкий и сложный процесс, требующий больших затрат труда и средств.

Эффективное повышение производительности труда при ремонте цилиндров с использованием существующих технологических процессов практически невозможно. Необходимы качественно новые технологические процессы. К ним прежде всего следует отнести нанесение полимерных покрытий на грубо обработанные внутренние поверхности цилиндров, позволяющие получать высокую точность и чистоту поверхности цилиндров без механической обработки. Вопросам технологии нанесения покрытий на внутренние поверхности гидроцилиндров, надежности их работы посвящен настоящий проект.

1. Обзор номенклатуры гидроцилиндров и способы их восстановления.

1.1. Номенклатура гидроцилиндров лесных машин.

Гидроцилиндры являются простейшими гидродвигателями, выходное звено которых совершает возвратно-поступательное движение, причем выходным (подвижным) звеном может быть как шток или плунжер, так и корпус гидроцилиндра.

Основными параметрами гидроцилиндров являются их внутренний диаметр, диаметр штока, ход поршня и номинальное давление, определяющее его эксплуатационную характеристику и конструкцию, в частности тип применяемых уплотнений, а также требования к качеству обработки и шероховатости внутренней поверхности гидроцилиндра и наружной поверхности штока. Гидроцилиндры бывают одно- и двустороннего действия.

Характерная особенность гидроцилиндра одностороннего действия (рис.1.1., а) заключается в том, что усилие на выходном звене (например, штоке), возникающее при нагнетании в рабочую полость гидроцилиндра жидкости под давлением, может быть направлено только в одну сторону (рабочий ход). В противоположном направлении выходное звено перемещается, вытесняя при этом жидкость из гидроцилиндра, только под влиянием возвратной пружины 6 или другой внешней силы, например, силы тяжести.

Поршневые гидроцилиндры одностороннего действия на лесных машинах применяют обычно в системах управления и для привода некоторых вспомогательных механизмов.

Гидроцилиндры двустороннего действия (рис.1.1., б) в отличие от гидроцилиндров одностороннего действия включают в себя две рабочие полости, поэтому усилие на выходном звене и его перемещение могут быть направлены в обе стороны в завиимости от того, в какую из полостей нагнетается рабочая жид-

кость (противоположная полость при этом соединяется со сливом).Схемы различных вариантов крепления корпуса гидроцилиндра показаны на рис.1.2. Жесткое крепление (рис.1.2., а, б, в) применяют в основном для небольших гидроцилиндров системы управления. В лесных машинах чаще используют шарнирное крепление корпуса гидроцилиндра (рис.1.2., г и д).

Гидроцилиндры рабочего оборудования крепят шарнирно (рис.1.2., д), причем в обоих местах шарнирного крепления - у корпуса и штока - применяют сферические подшипники скольжения типа ШС. Эти подшипники допускают поворот (на небольшой угол) пальца в любой плоскости, обеспечивают свободный монтаж и демонтаж шарнирного соединения и исключают заклинивание его при небольших перекосах из-за неточности изготовления элементов рабочего оборудования.

1.2. Неисправности гидроцилиндров и способы их восстановления.

К основным неисправностям гидроцилиндров можно отнести: нарушение уплотнения поршня, износ поверхности гильзы, срыв резьбы, различные течи через уплотнения, износ гильзы, поршня, штока и др.

У гильзы цилиндра изнашивается внутренняя поверхность, на которой могут быть задиры, глубокие царапины, а также забоины и заусенцы по торцам. Следует отметить, что износ гильзы гидроцилиндра носит бочкообразный характер. Это вызвано тем, что для основных рабочих операций лесных и строительных машин нет необходимости использовать весь возможный ход поршня. Таким образом гильза гидроцилиндра изнашивается в основном в своей центральной части, в то время, как по краям износ имеет минимальные значения.

Отдельные забоины или риски на зеркале цилиндра можно зачищать шкуркой, зернистостью 80 - 120. При значительном износе рабочей поверхности гильзы ее растачивают под ремонтный размер. После расточки зеркало цилиндра подвергается отделочным операциям, т.к. чистота поверхности зеркала должна быть не менее девятого класса. В настоящее время в качестве отделочных операций применяют хонингование, раскатку, притирку, точную расточку, шлифование, полировку и прошивание.

Ремонт штоков можно проводить двумя путями. Первый сводится к обработке штоков по диаметру до ремонтного размера с последующим хромированием, с толщиной слоя не менее 0,021 мм. Второй способ сводится к проточке наружной поверхности на глубину 0,6 - 1 мм, наращиванию металла виброконтактной наплавкой, обработке и хромированию. Погнутые штоки следует править без нагрева, допустимый прогиб, при длине штока до 300 мм, не более 0,15 мм на всей его длине. Резьба на концах штока, в случае ее забоя, прогоняется или заваривается, протачивается и нарезается вновь.

У поршня изнашиваются направляющие поверхности, канавки для поршневых колец и сами кольца.

При большом износе обычно поршни не восстанавливают, а заменяют вновь изготовленными. В настоящее время имеется опыт восстановления поршней наплавкой полиамидной смолой П-6110Л на специальных литьевых формах. Кроме того, разработан метод ремонта поршней с помощью полиамидных чехлов-манжет.

Уплотнительные резиновые кольца заменяются новыми при их износе или потере эластичности.

Собранные гидроцилиндры испытывают на стенде на герметичность и скорость перемещения штока.

1.3. Задачи дипломного проектирования.

Наиболее ответственная операция при ремонте гидроцилиндров заключается в окончательной отделке внутренней поверхности гильзы гидроцилиндра. В разделе 1.2. были приведены отделочные операции, применяемые в настоящее время. Ни один из этих способов не является универсальным. Все они трудоемки, требуют точных станков и высокой квалификации рабочего, что в свою очередь ведет к значительному увеличению стоимости ремонта. Кроме того современные условия эксплуатации при недостатке финансирования служб технического обслуживания приводят к тому, что машины не обслуживаются в установленные сроки и фактически работают на износ. Эти причины ведут к тому, что в деталях возникают запредельные износы, в следствие чего они не могут быть восстановлены обычными способами и их вынуждены утилизировать.

Необходимы качественно новые технологические процессы. К ним прежде всего следует отнести нанесение полимерных покрытий на грубо обработанные внутренние поверхности гидроцилиндров без механической обработки, позволяющие получать высокую точность и необходимую шероховатость поверхности гидроцилиндров без механической обработки. Преимуществом этого способа также является возможность многократного повторения этого процесса без дополнительного снятия слоя металла, т.к. есть возможность выплавить слой изношенного полимера при температурах, немногим более 100о С.

Таким образом задача дипломного проекта состоит в том, чтобы показать перспективность использования данного метода на предприятиях лесопромышленного комплекса.

2. Проектирование технологии ремонта гидроцилиндров с использованием полимерных материалов.

2.1. Условия работы и конструктивно-технологические особенности гидроцилиндров.

Гидроцилиндры лесных машин предназначены для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от -40 до +50о С на гидравлических маслах (ВМГЗ, МГ-30, И-20 А), предназначенных для гидроприводов при работе на номинальном давлении 16 МПа (160 кгс/см2). Наибольшее кратковременно допустимое давление не должно превышать 20 МПа (200 кгс/см2).

Гидроцилиндр (рис.2.1.) на давление 160 кгс/см2, используемый для рабочего оборудования экскаватора ЭО-3322А, состоит из следующих основных частей: собственно гидроцилиндра (гильзы 19 с приваренной к ней задней крышкой), навинченной на гильзу 19 передней крышки 9 с отверстием под шток, штока 18 с проушиной 2 и поршня 15. В проушине 2, ввинченной в наружный торец штока 18, и в проушине задней крышки гидроцилиндра установлены с помощью пружинных колец сферические подшипники 1 типа ШС.

Рабочая жидкость подается в поршневую и штоковую полости гидроцилиндра соответственно через отверстия Б и А. Герметичное разделение поршневой и штоковой полостей и передача усилия от давления в рабочей полости на шток 18 создается поршнем 15 с манжетами 14 и уплотнительным кольцом 13. Поршень 15 крепят на внутреннем конце штока 18 гайкой 16, фиксируемой шплинтом 17. Перетечки из полости в полость гидроцилиндра предотвращаются по наружной поверхности поршня манжетами 14, по внутренней - кольцом 13. Манжеты 14 удерживаются от осевого перемещения по поршню 15 манжетодержателями 12.

Передняя крышка 9 фиксируется на резьбе гильзы 19 цилиндра контргайкой 10. Запрессованная в крышке 9 втулка 21

служит направляющей для штока 18.

Утечкам из штоковой полости гидроцилиндра препятствуют установленное в проточке крышки 9 уплотнительное коль-цо 8, а также манжета 6 и уплотнительные кольца 4 и 5 во втулке 21. От осевого перемещения при движении штока манжета 6 удерживается манжетодержателем 7. Со стороны наружного торца крышки 9 установлен грязесъемник 3, который удерживается гайкой 22, ввернутой во внутреннюю резьбу крышки.

На штоке рядом с поршнем 15 установлен демпфер 11, смягчающий удар поршня в переднюю крышку в конце его пол

ного хода. В конце хода штока налево щель между кромкой 20 крышки 9 и конической поверхностью демпфера 11, через которую рабочая жидкость выжимается поршнем из штоковой полости в отверстие А, уменьшается. При этом поршень затормаживается за счет дросселирования масла через уменьшающуюся щель.

2.4. Расчет режимов для операционной карты ремонта

Цилиндр У 4560.092.120.

Стягивание сварного шва задней крышки гидроцилиндра (поз.4).

Используется токарно-винторезный станок 16Б16КА, резец 2102-0005-ВК8-1 ГОСТ 18877-73.

Рассчитываем глубину резания:

, (2.1.)

где: D - диаметр обрабатываемой поверхности;

d - диаметр обработанной поверхности.

мм.

Учитывая возможности оборудования и инструмента, снимаем припуск за один проход.

Подачу назначаем как долю от глубины резания.

Для черновой обработки:

S = 0,20 . t = 0,2 . 4 = 0,8 мм/об.

При диаметре заготовки 184 мм, и учитывая стойкость инструмента, принимаем частоту вращения n = 100 об/мин.

Рассчитываем фактическую скорость резания:

(2.2.)

м/мин.

Определяем основное время:

, (2.3.)

где: Lp - длина хода резца;

i - число проходов.

мин.

Вспомогательное время: Тв = 1,8 мин.

Черновое растачивание цилиндра (поз.1, 3).

Используется горизонтально-расточной станок 2620В, резец Т5К10 ГОСТ 18062-72.

Рассчитываем глубину резания:

мм.

Подача для черновой обработки:

S = 0,2 . 2 = 0,4 мм/об.

Частоту вращения назначаем n = 380 об/мин.

Рассчитываем скорость резания:

м/мин.

Основное время:

мин.

Тв = 1,8 мин.

Заливка полимерного материала в щелевой зазор.

Используется приспособление для заливки полимерного материала собственного изготовления.

А) Обезжиривание внутренней поверхности цилиндра.

Обезжиривание.

Ванна со щелочным раствором .Состав раствора: 50 г соды на 1 л воды. То = 2 мин, Тв = 0,5 мин.

Промывка.

Ванна с водой. То = 1 мин, Тв = 0,5 мин.

Сушка.

Устройство для подачи горячего воздуха (технический фен). То = 3 мин, Тв = 0,5 мин, t = 40o C.

Б) Установка цилиндра на основание приспособления и сборка оснастки.

То = 4 мин, Тв = 1 мин.

В) Нагрев цилиндра в сборе с оснасткой в термошкафе.

То = 18 мин, Тв = 2 мин, t = 50o C.

Г) Нанесение разделительного слоя на формующий стержень.

Дисульфид молибдена (МоS2) в порошке нанести на поверхность формующего стержня при помощи ветоши, пропитанной пастой КПД ТУ 6-02-833-74.

То = 1 мин, Тв = 1 мин.

Д) Приготовление полимерной композиции в стеклянной таре.

Рассчитываем количество композиции на одну гильзу.

, (2.4.)

где: D - диаметр гильзы после расточки, равен 144 мм;

d - диаметр гильзы номинальный, равен 140 мм;

k - коэффициент потерь, равен 1,2;

g - удельный вес композиции, равен 1,2 г/см3

кг.

Состав композиции: ЭД-2 - 0,915 кг, пластификатор МГФ-9 - 0,138 кг, графит (ГОСТ 5279-61) - 0,138 кг, отвердитель-полиэтиленполиамин (ПЭПА) - 0,109 кг.

То = 18 мин, Тв = 2 мин.

Е) Заливка полимерной композиции.

То = 9 мин, Тв = 1 мин.

Ж) Нагрев цилиндра в сборе с оснасткой в термошкафе.

То = 18 мин, Тв = 2 мин, t = 80o C.

З) Охлаждение на воздухе.

То = 40 мин, Тв = 5 мин, t = 10 -20o C.

И) Разборка оснастки.

То = 4 мин, Тв = 0,5 мин.

Шток У 4560.096.230.

1. Шлифование поверхности штока (поз.1, 2).

Требуемый размер Ж 79,81 -0,05. Диаметр шлифуемой детали составляет d = 80 мм.

Выбираем шлифовальный круг ПП 600х100х30524А,

Dк = 600 мм.

Используется кругло-шлифовальный станок 3А164. Длина обрабатываемой детали l = 1140 мм. Частота вращения шлифовального круга nк = 400 об/мин. Частота вращения детали nд = 20 об/мин.

Тогда: м/с.

Глубина резания за рабочий ход t = 0,095 мм. Вертикальная подача Sв = t = 0,095 мм/дв.ход. Продольная подача определяется в долях ширины шлифовального круга: S = 0,3 . Вк = 0,3 . 100 = 30 мм/об.заг., припуск Z = t = 0,095 мм.

При круглом шлифовании на проход учитывается величина врезания и пробега инструмента. Она составляет l1 = 0,2 . Вк = 0,2 . 100 = 20 мм.

Таким образом величина рабочего хода L = l + l1 = 1140 + 20 = 1160 мм.

Тогда основное время:

, (2.5.)

где: k - поправочный коэффициент на “выхаживание”, при чистовом шлифовании составляет 1,3.

мин.

Тв = 3 мин.

2. Хромирование поверхности штока (поз.1).

Технологический процесс хромирования охватывает группу операций подготовки деталей, операцию нанесения покрытия и обработку покрытых деталей.

Подготовка деталей.

А) Предварительное обезжиривание в ванне со щелочным раствором.

Состав раствора: 50 г соды на 1 л воды. То = 2 мин, Тв = 0,5 мин.

Б) Заделка отверстий и изоляция участков, не подлежащих хромированию.

Установить текстолитовую заглушку в резьбовое отверстие под проушину. Изолировать хвостовик и торцы штока при помощи липкой полиэтиленовой ленты совместно с лаком ХВЛ-21. То = 5 мин, Тв = 2 мин.

В) Монтаж детали на подвеску и изоляция поверхностей подвески, кроме контактных и защитных катодов, при помощи полиэтиленовой ленты совместно с лаком ХВЛ-21.

То = 4 мин, Тв = 1 мин.

Г) Обезжиривание и промывка в воде.

Обезжиривание произвести путем протирки хромируемой поверхности кашицей из венской извести. То = 3 мин, Тв = 2 мин.

Д) Активирование.

Произвести анодное активирование в хромировочном электролите. Плотность тока D=30 А/дм2, t=60оС, То=1мин., Тв=0,5 мин.

Хромирование.

Выбираем блестящее хромовое покрытие.

Прогреть деталь до температуры электролита в хромировочной ванне, t=60оС.

Состав электролита:

Хромовый ангидрид - 190 г/л

Серная кислота - 1 г/л

Кремнефторид натрия - 5 г/л

Бихромат натрия - 30 г/л

Кадмий металлический - 15 г/л

Для выбранного электролита для получения блестящего хромового покрытия режим работы следующий:

Катодная плотность тока Dк=55 А/дм2

Температура электролита t=60оС

Катодный выход по току h=22%

Скорость осаждения хрома составит:

P=0,047 Dк Ч h = 0,047x55x22=56,9 мкм/час

Рассчитываем необходимую силу тока:

I = Dк Ч F (2.6.)

где: F - площадь хромируемой поверхности, дм2

F = 2pR Ч L = 2 Ч 3,14 Ч 40 Ч 1140= 286368 мм2 = 28,6 дм2

тогда:

I = 55 Ч 28,6 = 1573 A

Для восстановления детали необходимо наращивание слоя хрома толщиной 0,19 мм., кроме того необходим припуск на последующую механическую обработку, принимаем 0,08 мм.,

тогда d=0,27 мм = 270 мкм

Продолжительность хромирования составит:

(2.7.)

Проводим проверочный расчет:

(2.8.)

где: С - электрохимический эквивалент

g - плотность хрома

тогда:

часа = 290 мин.

То=290мин., Тв=5 мин.

Заключительные операции.

Промыть деталь в горячей воде t=65оС, демонтировать с подвески и снять изоляцию.

То=10мин., Тв=3 мин

3. Шлифование штока после хромирования поз. 1.

Требуемый размер Ж 80мм. Диаметр шлифуемой детали составляет d = 80,08 мм.

Выбираем шлифовальный круг ПП 600х100х30524А,

Dк = 600 мм.

Тогда: м/с.

Глубина резания за рабочий ход t = 0,04 мм. Вертикальная подача Sв = t = 0,04 мм/дв.ход. Продольная подача определяется в долях ширины шлифовального круга: S = 0,3 . Вк = 0,3 . 100 = 30 мм/об.заг., припуск Z = t = 0,04 мм.

Таким образом величина рабочего хода L = l + l1 = 1140 + 20 = 1160 мм.

Тогда основное время:

где: k - поправочный коэффициент на “выхаживание”, при чистовом шлифовании составляет 1,3.

мин.

Тв = 3 мин.

3. Стенд для разборки и сборки гидроцилиндров.

3.1. Назначение и область применения стенда.

3.3. Устройство и работа стенда.

3.4. Расчет гидропривода механизма вытягивания-установки штока.

3.5. Электрическая схема стенда.

3.6. Расчеты на прочность и работоспособность

Определение диаметра гидравлических трубопроводов.

Расчет диаметра пальца

Расчет проушины на прочность

Расчет диаметра формующего стержня

Определение диаметра формующего стержня при помощи ЭВМ

Расчет толщины стенок формующего стержня

3.7. Разработка технологической оснастки.

4. Исследования эксплуатационных характеристик полимерных покрытий.

4.1. Выбор способа нанесения полимерного покрытия.

В настоящее время известно несколько способов нанесения полимерных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности, в частности:

Центробежный.

Нанесение покрытий в “кипящем слое”.

Электростатический метод напыления полимеров.

Футеровка цилиндров путем запрессовки тонкостенных полимерных втулок с последующей механической обработкой.

Газопламенное напыление.

Для изготовления металлопластмассовых цилиндров наиболее пригодны центробежный способ и способ запрессовки полимерных втулок в металлические корпуса с последующей механической обработкой. Однако оба способа имеют существенные недостатки. Так, например, при центробежном способе трудно обеспечить высокую точность внутреннего диаметра цилиндра, низка производительность, высока энергоемкость процесса и др. Запрессовка тонкостенных втулок с последующим растачиванием нерациональна вследствие большой трудоемкости.

В настоящее время наиболее приемлемым способом нанесения полимерного покрытия является способ получения полимерных покрытий путем отверждения полимерных композиций в щелевом зазоре.

Способ нанесения полимерного покрытия на внутренние поверхности цилиндра состоит в заполнении жидкой полимерной композицией (с последующим ее отверждением) щелевого зазора между покрываемой поверхностью, соответственно подготовленной для обеспечения хорошей адгезии покрытия, и поверхностью формующего элемента, имеющей высокую чистоту и обработанной с целью исключения к ней адгезии полимера.

Сущность рассматриваемого способа заключается в следующем (рис.4.1.). Металлический цилиндр 3, подлежащий облицовке пластмассой, устанавливается на основании 4. Концентрично цилиндру здесь же укрепляется центральный формующий стержень 2, имеющий диаметр несколько меньший, чем размер внутреннего диаметра цилиндра. Для создания дополнительного объема пластмассы с целью компенсации усадки на цилиндре имеется накладное кольцо 1. Кольцевой зазор 5 между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью стержня, определяющий толщину слоя покрытия 1-5 мм, заполняется пластмассой. Для ограничений наносимого покрытия по высоте и уплотнения его используется подпрессовочное кольцо 6, которое на некоторой стадии полимеризации пластмассы устанавливается между стержнем и накладным кольцом. Под действием необходимого усилия подпрессовочное кольцо, скользя по стержню, осаживается до уровня цилиндра. При этом избыток массы выдавливается в зазор между наружной поверхностью подпрессовочного кольца и внутренней поверхностью накладного кольца.

После отверждения пластмассы приспособление разбирают. Механическая обработка цилиндра с нанесенным слоем покрытия сводится к снятию фасок.

Применение способа обеспечивает высокую чистоту внутренних поверхностей металлопластмассовых цилиндров, точность размеров внутренних диаметров цилиндров, более высокую производительность и экономичность изготовления металлопластмассовых цилиндров по сравнению с центробежным способом нанесения полимерного покрытия.

4.2. Выбор полимерной композиции.

Для нанесения полимерного покрытия на внутренние поверхности цилиндров способом свободной заливки полимерной композиции в щелевой зазор с последующим отверждением удобны холоднотвердеющие пластмассы.

Исследовались композиции на основе акриловых и эпоксидных смол. К акриловым пластмассам относятся бутакрил и

АСТ-Т. Акриловые пластмассы и пластмассы на основе эпоксидных смол коррозионностойки, имеют удовлетворительные механические характеристики, дают малую усадку, обладают малым влагопоглощением и хорошей адгезией (прилипанием) к металлам.

Для улучшения антифрикционных свойств исследуемых пластмасс использован серебристый графит ГОСТ 5279-61. Применение в качестве наполнителя порошкообразного графита снижает усадку пластмассы, что способствует повышению точности формования. Химическая стойкость покрытия при таком наполнителе также возрастает.

Испытания показали, что для составления графитовых композиций на основе акриловых смол оптимальным количеством графита следует считать 10 мас.ч., а для композиций на основе эпоксидных смол - 15 мас.ч. Такие композиции обладают достаточно высокой адгезией (прилипанием) к поверхности металлов, малой усадкой, высокими прочностными характеристиками, хорошими антифрикционными свойствами.

Экспериментально установлено, что для получения полимерных покрытий наилучшими являются композиции состава (мас.ч.):

а) бутакрил (порошок) - 100, бутакрил (жидкость) - 100, графит ГОСТ 5279-61-10;

б) АСТ-Т (порошок) -85, АСТ-Т (жидкость) - 85, графит ГОСТ 5279-61-10;

в) ЭД-20 - 100, пластификатор МГФ-9 - 15, графит (ГОСТ 5279-61) - 15, отвердитель - полиэтиленполиамин (ПЭПА) - 12 -15.

4.3. Точность цилиндров.

Внутренняя поверхность цилиндра, облицованного полимерной композицией, не подвергается механической обработке. Для получения требуемой точности цилиндров необходимо было установить факторы, влияющие на точность формования покрытия.

При нанесении полимерного покрытия на внутреннюю цилиндрическую поверхность формующим элементом служит стержень, устанавливаемый концентрично относительно поверхности. При отвердении полимерной композиции в щелевом зазоре ее усадка направлена по нормали к поверхности цилиндра. После отверждения полимерной композиции внутренний диаметр футерованного цилиндра будет больше диаметра формующего стержня на величину

, (4.1.)

где - усадка полимера в первые сутки после нанесения покрытия;

- усадка за время .

Величина не зависит от диаметра цилиндра, но прямо пропорциональна толщине слоя полимерного покрытия:

, (4.2.)

где ky - коэффициент пропорциональности, выражающий несвободную усадку полимера;

t - толщина слоя полимерного покрытия.

Величина ky равна сумме величин ky24 и ky, выражающих усадку через сутки после нанесения полимерного покрытия и усадку за время , т.е.

ky=ky24+ky. (4.3.)

Значения k для ряда полимерных композиций, применяемых с целью нанесения покрытия, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Определение коэффициентов усадки.

Примерная композиция

ky24

ky=ky24+ky

АСТ-Т + 10% графита

0,017

0,005

0,022

Бутакрил + 10% графита

0,017

0,005

0,022

ЭД-20 + 15% графита, отвердитель ПЭПА

0,015

0,005

0,020

Анализ данных измерений внутренних диаметров цилиндров с полимерными покрытиями показал, что рассеивание величины усадки подчиняется закону нормального распределения. Основные статистические характеристики, определяющие распределение исследуемых размеров - центр группирования и среднее квадратическое отклонение , выражены следующими соотношениями:

, (4.4.)

где ky - коэффициент пропорциональности, значения которого для ряда полимерных композиций приведены в табл. 4.1;

t - толщина слоя полимерного покрытия;

, (4.5.)

где , - верхняя и нижняя границы рассеивания величины усадки. Границы рассеивания также пропорциональны толщине полимерного покрытия, т.е.

, (4.6.)

где ky2 - коэффициент пропорциональности;

t - толщина слоя покрытия;

, (4.7.)

где ky1 - коэффициент пропорциональности;

t - толщина слоя покрытия.

Среднее квадратическое отклонение выражается зависимостью

. (4.8.)

Значения коэффициентов ky, ky1и ky2 для ряда композиций приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2.

Полимерная композиция

ky1

ky2

АСТ-Т + 10% графита, жидкость - порошок 1:1

0,022

0,008

0,036

Бутакрил + 10% графита, жидкость - порошок 1:1

0,022

0,008

0,036

ЭД-20 + 15% графита, отвердитель ПЭПА

0,20

0,01

0,030

4.4. Прочность адгезии и внутренние напряжения в полимерных покрытиях.

Надежность работы гидроцилиндров с полимерными покрытиями определяется главным образом прочностью адгезии пластмассы к поверхности металла, т.е. прочность адгезии должна быть значительно выше всех возможных внутренних напряжений, возникающих в полимерном покрытии. Это условие может быть представлено выражением

, (4.9.)

где - величина прочности адгезии к поверхности металла;

- суммарные напряжения в слое полимерного покрытия.

Напряжения, возникающие в слое полимерного покрытия, могут быть представлены выражением

, (4.10.)

где - усадочные напряжения, возникающие вследствие химической усадки полимера;

- термические напряжения, возникающие вследствие разности коэффициентов линейного расширения металла и пластмассы при температурных перепадах;

- рабочие напряжения, возникающие от давления рабочей среды.

Таким образом, при нанесении полимерного покрытия на поверхности цилиндров необходима количественная оценка прочности адгезии данного полимера к поверхности металла и всех возможных внутренних напряжений, возникающих в полимерном покрытии, действующих против сил адгезии. Это позволяет определить надежность соединения полимера с металлом и работоспособность металлопластмассового изделия в целом.

Прочность адгезии полимерных композиций на основе акриловых и эпоксидных смол к поверхности металлов определяли следующим образом.

Цилиндрические образцы, состоящие из двух половин, были склеены исследуемой полимерной композицией в специальной обойме, обеспечивающей их соосность. Склеенные образцы закрепляли в зажимах разрывной машины и разрушали клеевое соединение с фиксированием максимальной нагрузки. Для каждого варианта испытывали 50 склеенных образцов. Прочность адгезионного соединения определяли по формуле

, (4.11.)

где P - разрушающая нагрузка, Н;

F - площадь образца, м2 .

Прочность адгезии композиций на основе пластмассы бутакрил к поверхности стали составляет 20 МПа, прочность адгезии композиции на основе пластмассы АСТ-Т - 19,3 МПа, прочность адгезии композиции на основе эпоксидной смолы ЭД-20 - 18,6-23,0 МПа.

Как показали исследования, наибольшими по величине и соответственно наиболее опасными являются термические напряжения, возникающие вследствие разности коэффициентов линейного расширения полимера и металла. Такие напряжения могут быть определены расчетным путем по формуле

, МПа. (4.12.)

Здесь - коэффициент линейного расширения полимера, 1/град;

- то же металла, 1/град;

Т - перепад температуры, К

- модуль упругости полимера, Н/м2;

- коэффициент Пуассона полимера;

, (4.13.)

где Тс - температура склеивания полимера;

Тр - рабочая температура.

Для композиций на основе акриловых пластмасс (бутакрила и АСТ-Т) были определены следующие необходимые физические характеристики: 1/град, Тс=70о С, ЕП = 1,4*109 Н/м2,

Для композиции на основе эпоксидной смолы ЭД-20 физические характеристики следующие: 1/град, Тс = 70о С, ЕП = 1,4*109 Н/м2,

Внутренние “замороженные” напряжения в полимерном покрытии при температуре 20о С составляют:

Гидроцилиндры с полимерными покрытиями по условиям работы могут находиться при температуре -60о С. Внутренние напряжения в полимерных покрытиях при этом будут составлять:

Надежность адгезионного соединения полимерного покрытия с металлом будет обеспечена при выполнении соотношения

(4.14.)

В случае применения композиций на основе акриловых и эпоксидных смол имеем следующие данные:

19,3 МПа + 7 МПа > 18,0 МПа;

18,6 МПа + 7 МПа > 18,0 МПа,

т.е. при температуре -60о С отслоения полимерного покрытия на основе акриловых или эпоксидных смол от поверхности металла не произойдет.

4.5. Промышленные испытания износостойкости гидроцилиндров с полимерными покрытиями.

Испытания были проведены на ряде предприятий. Установлено, что допустимая величина износа покрытия без потери герметичности поршня составляет 0,2 мм.

Зависимость износа покрытия от времени наработки изделия (пути трения), представленная на рис.4.2., аппроксимируется уравнением

(4.15.)

где - величина износа покрытия в исследуемый момент времени;

- величина изменения диаметра цилиндра в режиме установившегося износа;

- безразмерный коэффициент, выражающий интенсивность износа;

L - путь трения, м.

Значения исследуемых параметров следующие: при скорости 0,5 м/с мм, - L*105 = 8-10 м.

Уравнение зависимости износа от времени наработки можно решить относительно пути трения и по допустимой величине износа цилиндра определить возможное время наработки.

Опыт эксплуатации гидроцилиндров с полимерными покрытиями показывает, что износостойкость покрытия не уступает износостойкости металлических поверхностей, а износостойкость резиновых уплотнителей увеличивается в 7-10 раз.

5. Проектирование участка восстановления гидроцилиндров.

5.1. Организация работ на участке.

Работа на участке может быть организована следующим образом. После мойки гидроцилиндры поступают на участок ремонта и испытания гидроцилиндров, где складываются в специальный контейнер для ожидания ремонта. Затем на стенде разборки, ремонта, сборки гидроцилиндры разбираются, проводится их дефектовка. В случае необходимости гидроцилиндры подвергают мелкому ремонту (замена уплотнительных колец и т.д.). При износе более допустимого штоки направляются на восстановление на соответствующие участки. Отремонтированные гидроцилиндры направляются на испытания, где они проходят проверку при работе под нагрузкой. В случае, если параметры не удовлетворяют техническим требованиям, цилиндры возвращаются для повторного ремонта. Если же параметры полностью удовлетворяют требованиям, гидроцилиндры направляются на склад отремонтированной продукции.

5.2. Расчет производственной площади участка ремонта гидроцилиндров.

Подбор оборудования и инвентаря.

Таблица 5.1.

п/п

Оборудование и инвентарь

Марка или модель

Кол-во

Требуемые размеры, мм

Площадь м2

Стенд для разборки и сборки гидроцилинд-ров

собс.изгот.

300 х 920

2,76

Моечная ванна

собс.изгот.

2500 х 1000

2,5

Дефектовоч-ный стол

собс.изгот.

2500 х 1000

2,5

Стенд для испытаний гидроцилиндров

КИ-4815М

1640 х 875

1,44

Контейнер для гидроцилинд-ров, ожидающих ремонта

собс.изгот.

2000 х 1000

Бункер для утильных деталей

Р-938

1500 х 1000

1,5

Верстак слесарный

ОРГ-1468-01-060А

1500 х 800

1,2

Приспособле-ние для заливки полимерного материала

собс.изгот.

1000 х 1000

Термошкаф

1000 х 1000

Шкаф для хранения материа-

ОРГ-1468-07-040

1000 х 500

0,5

лов и измерительного инструмента

Стеллаж для хранения деталей и зап. частей

ОРГ-1468-05-230А

1500 х 500

0,75

Ларь для песка

ОРГ-1468-03-320

500 х 500

0,25

Бункер для мусора

собс.изгот.

500 х 500

0,25

Ларь для обтирочного материала

ОРГ-1468-07-090А

1000 х 500

0,5

Итого:

20,65

Принимаем площадь, занятую оборудованием участка, 20 кв.м.

Площадь участка определяем по формуле:

F = C . Fo, (5.1.)

где С - коэффициент плотности оборудования, равен 5;

Fo - площадь, занимаемая оборудованием участка.

F = 20 . 5 = 100 м2.

Принимаем размеры участка 12,5 x 8 метров.

6. Энергетические затраты при осуществлении проекта.

Для того, чтобы определить количество потребляемой электроэнергии, необходимо сначала определить активную мощность токопотребителей по формуле:

Na = Kc . е Nуст, (6.1)

где: Kc - коэффициент спроса, учитывающий время работы токоприемников и их загрузку;

е Nуст - суммарная установленная мощность токопотребителей, кВт.

Na = 0,55 . 30 = 16,5 кВт.

Годовой расход электроэнергии для силового потребления определяют с учетом действительного годового фонда времени и коэффициента загрузки (по времени):

Nг1 = Nа. Фд . n . Кз, (6.2)

где: Фд - годовой действительный фонд времени работы токопотребителей для одной смены (равен 1802,69 часа);

n - число смен;

Кз - коэффициент загрузки токопотребителей по времени (принимаем 0,8).

Nг1 = 16,5 . 1802,69 . 1 . 0,8 = 23795,5 кВт.ч

По этой же формуле рассчитывают годовой расход электроэнергии на освещение участка. Освещается участок лампами типа ЛДЦ по 80 Вт каждая, мощность всех ламп составит:

39 . 80 = 3120 Вт.

Тогда годовой расход электроэнергии на освещение:

Nг2 = 3120 . 1802,69 . 1 = 5624,9 кВт.ч

Полный годовой расход электроэнергии по участку составит:

Nг = Nг1 + Nг2, (6.3)

Nг = 23795,5 + 5624,4 = 29419,9 кВт.ч

7. Охрана труда.

7.1. Состояние условий труда при стендовых испытаниях и ремонте гидроаппаратуры.

При исследовании гидроаппаратуры на специализированных стендах в ряде случаев возникают условия, неблагоприятные для исполнителей работ. Такие ситуации создаются из-за того, что при трансформации энергии в стендах имеют место шумы, а большая кинетическая энергия вращающихся и поступательно движущихся масс является первопричиной и источником создания неблагоприятных условий для обслуживающего персонал

Вернуться