CC BY
45
© В.Г. Ивахник, К.И. Шахова, Г.В. Селезнев, 2006
УДК 622:647.2
В.Г. Ивахник, К.И. Шахова, Г.В. Селезнев
К ВОПРОСУ О ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ВУЗОВСКИХ ИННОВАЦИЙ ПО ТЕМАТИКЕ МОДИФИКАЦИИ СВОЙСТВ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА
Семинар № 20
ТЪ инновационно-технологичес-кой
.О деятельности Инженерного центра (ИЦ) Горного Университета широко используется применение электро-
магнитных воздействий, обеспечивающих ресурсосбережение различных технологических процессов. Изготовление деталей, в частности, магнитно-импульсная обработка (МИО) ориентирована для обработки технического углерода с целью изменения его физико-механических свойств и использованию в различных композиционных материалах для изготовления деталей.
Технология МИО технического углерода [1] внедряется в замен способа ионизирующего радиационного воздейст-вия.Этод способ является непроизводительным, небезопасным в радиационном плане и необеспечивающим в достаточной мере улучшение эксплуатационных свойств графитосодеражащей продукции - резино-технических изделий, графитированных электродов для металлургической промышленности [2,3], графитонаполнительных термопластов, использующихся в конструкционных и антифрикционных материалах (вкладыши подшипников, зубчатые колеса, втулки, уплотнения и т.д.).
В настоящее время программа экспериментальных и опытно-промышлен-ных работ ИЦ МГГУ, совместно с кафедрой «Технология машиностроения и ремонта горных машин» (ТМР), включает уточне-
ние экспериментальных данных по влиянию МИО на определенные материалы, применяемые в технологических процессах различных производств. Так, в частности, для расширения инновационной тематики по практическому применению МИО в резино-технической продукции, приведенной в Патенте РФ [1], проведены испытания различных марок резин, используемых при изготовлении конвейерных лент.
Анализ результатов испытания резин, подверженных МИО
Для получения достоверных результатов влияния МИО на резину испытывались по 5 образцов, после обработки МИО. Одновременно испытывался образец, не прошедший обработку (контрольный). При испытаниях производились замеры геометрических размеров образцов.
Механические испытания велись на машине с фиксацией разрушающей нагрузки: удлинение при разрыве и остаточное удлинение. По данным, полученным при испытаниях, рассчитывался предел прочности резины и измерялась твердость резины по Шору.
Образцы изготавливаются в виде двусторонней лопатки в соответствии с требованиями ГОСТ 270 - 75. На узкую часть образца были нанесены метки симметрично относительно центра образца. Испытания проводились на машине типа ЦМГИ -250, обеспечивающей:
• измерение силы при заданных удлинениях и в момент разрыва с погрешностью измерения силы при прямом ходе (нагружении) не более ± 1 %;
• от измеряемой силы, начиная с 0,2 от наибольшего предельного значения каждого диапазона измерения;
• ход активного захвата не менее 1000 мм;
• скорость движения активного захвата (500 ± 50) мм/мин;
• измерение расстояния между метками и захватами при растяжении образца с ценой деления шкалы 1 мм и градуированным в процентах относи-тельного удлинения.
Образцы перед испытанием кондиционировали в соответствии с требованиями ГОСТ 269 - 66. Толщину образцов на узкой части измеряли толщиномером по ГОСТ 11358 - 89 с нормированным измерительным усилием, ценой деления шкалы 0,01 мм и диаметром измерительной площадки 10 мм.
Толщину образцов измеряли в трех точках. За результат измерения приняли среднее арифметическое всех измерений.
За ширину образца лопатки приняли расстояние между режущими кромками штанцевого ножа в его узком участке.
Испытания проводились при комнатной температуре и скорости движения активного захвата (500 ± 50) мм/мин. Образец закреплялся в захватах машины по установочным меткам так, чтобы ось образца совпадала с направлением растяжения.
После проверки нулевых установок приборов, измеряющих силу и удлинение, приводят в действие механизм растяжения. В ходе непрерывного растяжения фиксировалась сила, соответствующая заданным удлинением. В момент разрыва образца были зафиксированы сила и расстояние между метками. Части разорванного образца освобожденные из захватов, помещались на ровную поверхность стола и через (1,0 ± 0,1) мин после разрыва измеряли расстояние между метками двух
сложенных по месту разрыва частей образца.
При обработке результатов были определены условная прочность, относительное удлинение и условное напряжение.
Прочность при растяжении выражают условным и истинным значениями, указанными ниже.
Условную прочность /Р в МПа (кгс/см2) образцов лопаток вычисляли по формуле
Р
г _ т ^ т ~ і і >
а х Ь0
где РР - сила, вызывающая разрыв образца, МН (кгс); а - среднее значение толщины образца до испытания, м (см); Ь0 - ширина образца до испытания, м (см).
Относительное удлинение єР в МПа (кгс/см2) при разрыве образцов лопаток в процентах вычисляли по формуле
1т — 1о
1о
-х100.
где 1Р - расстояние между метками в момент разрыва образца, мм; 10 - расстояние между метками образца до испытания, мм.
Условное напряжение / при заданном удлинении образцов лопаток в МПа (кгс/см2) вычисляли по формуле
/ = Р Е ё х Ь0 ’
где Ре - сила при заданном удлинении, МН (кгс); ё - среднее значение толщины образца до испытания, м (см); Ь0 - ширина образца до испытания, м (см).
Помимо испытаний на механическую прочность проведены испытания резины на износ.
Для получения зависимости износа рабочей обкладки во времени испытывались 4 типа резин.
Зависимости получены по результатам наблюдений за партией резинотканевых конвейерных лент при различных условиях эксплуатации. Следует отметить линейный характер износа обкладки от времени.
Єт
Таблица 1
Физико-механические свойства резин
Марка резины Вид каучука Временное сопротивление Св, МПа Относительное удлинение при разрыве 8, % Температура хрупкости при замерзании, °С
КБ-21 В-14 ИРП-1287 Бутадиен-стирольный СКН Бутадиен-нитрильный СКС Фторкаучук СКФ-26 5,8 10 18,5 630 160 130 - 45 - 25
ИРП-1225 Фторкаучук СКФ-32 28 520 - 20
6429 Бутилкаучук БК 10,3 600
Таблица 2
Характеристики марок резин
Марка
Механические характеристики (реологические параметры)
резины Ош, МН/м2 О0, МН/м2 а в X Оъ, МН/м2 /
при ® = и А = 70 рад/с 12,0 мм
2959 0,74 1,76 0,6 1,11 0,58 1,6 0,3 4- 0,32
1224 0,66 - - - - 1,34 0,07 4 0,1
1378 0,43 0,78 0,6 0,3 0,45 0,74 0,08 4 0,1
51-1562 0,56 0,82 0,8 2,4 0,32 0,66 0,15 4 0,2
310 0,58 0,83 0,8 2,4 0,33 0,67 0,15 4 0,2
Основные свойства резин, необходимые для оценки результатов испытаний, указаны в табл. 1.
Основные характеристики наиболее распространенных марок резин приведены в табл. 2
О Ш,О0 - равновесный и мгновенный модуль сдвига; / - технический коэффициент поглощения энергии
_ _ АЖ
/_ Я0_
рез максимальное значение спектра времени релаксации и дефект модуля
1 2
а= -1 +— штат о -п
ЛБ(со1 )
Ж
где £ - площадь петли гистерезиса; £0 -площадь треугольника, соответствующая полной энергии при идеальной упругости материала; ДШ - необратимая рассеянная энергия; Ш - амплитуда значения энергии; а - параметр дробности, выражаемый че-
[л2 [ ) — Л(ю11) + Б2 (о1)] + Д2Б2 ])
в- обобщенное время релаксации
в _ со\+а ъіпб Л(й>1) — «^“соъб ;
1 Б(фі ) 1
Я - дефект модуля
Оо + ^
Я_-
Оо
А(а>) - частотная кривая;
А - механическая характеристика
Л _ 1 —.
' Р '2
V Р0 У
/
4п2
В(а>) - частотная кривая;
В - механическая характеристика
/ Б
Б _-
2п 2П0
б _ 0,5п( + а);
® - частота нагружения;
Р - упругая деформирующая сила.
Применение МИО приводит к изменению упругих характеристик резин. Меняется упругая деформирующая сила, поэтому изменяются реологические характеристики резин. Характеристики магнитных полей, создаваемых плоскими индукторами исследовались измерением импульсного магнитного поля.
Величина максимального тока в индукторе рассчитывалась по формуле
т _ кп &
''шах 0^ ^ ’
где Кг - коэффициент, учитывающий омические потери в разрядной цепи; п0 - напряжение заряда на конденсаторах, В; С0 -емкость накопителя, мкФ; Ь - индуктивность разрядной цепи, мкГн.
Индуктивность прямоугольного индуктора, измеренная с помощью измерителя индуктивности ИЦ Е7-8, составляет Ь = 15,4 мкГн.
На основе осциллограммы определена величина напряженности поля в центральной зоне индуктора:
и _ п±
т _ ки *
где ^ - чувствительность датчиков Холла, ^ = 580 МВ/Тл
Напряженность поля плоского прямоугольного индуктора по осям X, Y и Z имеет разную интенсивность. Поэтому обрабатывать детали индуктором такой формой нецелесообразно ввиду получения не-
равномерных свойств на поверхности и по сечению деталей.
Для устранения этого недостатка использовался квадратный индуктор с последовательно соединенными обмотками. Квадратный индуктор характеризуется равномерным распределением напряженности магнитного поля на поверхности. Градиент напряженности магнитного поля относительно плоскости индуктора изменяется менее интенсивно.
Использование плоских индукторов при обработке материалов ведет к изменению свойств, которое можно связать с полями механических напряжений из-за нарушения структуры, приводящих к искажению электронного энергетического спектра.
Для установления параметров индукторов проводились экспериментальные работы по определению влияния МИО на конструктивные элементы конвейерных лент и отдельные компоненты резин. Исследовалось влияние МИО на свойства технического углерода. Техуглерод используют для усиления резин из некри-сталлизующихся каучуков и повышения износостойкости резин, улучшения технологических свойств резиновых смесей, повышения твердости, модуля упругости, износостойкости, тепло- и электропроводности, что, в конечном счете, снижает стоимость резин.
Исследование резин велось с использованием ренгеноструктурного анализа и определению механических свойств конвейерных лент. Полученные результаты приведены на рис. 1, рис. 2 и в табл. 3.
Оптимальные режимы обработки представлены в табл. 3.
Как следует из приведенных данных, обработка резин тремя импульсами с напряженностью магнитного поля 106 А/м соответствует наилучшим результатам для резин 51-3050, 1347 и 3825-20. Происходит стабилизация свойств, разбросы в твердости и прочности минимальны. Понижение твердости по
Марка резины Напряжение поля, А/м Количество импульсов
51-3050 105 3
1347 106 3
1348-7 105 3
3825-20 - 3
Рис. 1. Дифрактограммы образцов резины: а) - исходное состояние; б)-после обработки МИО
а
б
Твердость по Шору А. Нагрузка при разрыве, МПа.
Условная прочность, МПа.
Относительное удлинение при разрыве, х10 %.
б) Резина 1348-7.
Твердость по Шору А.
Нагрузка при разрыве, МПа.
Условная прочность, МПа.
Относительное удлинение при разрыве, х10 %.
30
25
20
15
10
5
0
Твердость по Шору А.
Нагрузка при разрыве, МПа.
Условная прочность, МПа. Относительное удлинение при разрыве,
х10 %.
50
40
30
20
10
0
г) Резина 3825-20.
Твердость по Шору А. Нагрузка при разрыве, МПа.
14
12
10
8
6
4
2
0
Условная прочность, МПа.
Относительное удлинение при разрыве, х10 %.
Рис. 2. Влияние МИО на свойства резин
Шору связано со снижением жесткости и уменьшением изнашивания незакрепленным абразивом, что характерно для конвейерных лент.
Для каждого типа резины существует оптимальный режим МИО. Использование МИО в случае, если не удается достичь максимального сочетания прочности и пластичности дает меньший разброс в механических свойствах, а это значит, что надежность ленты возрастает, т. к. нагрузки будут распределяться равномернее и будут отсутствовать слабые места, по которым идет разрушение. Использование произведения прочности на пластичность дает более полную характеристику работы конвейерной ленты и может быть предложена в качестве критерия для оценки работоспособности ленты.
У резины 1348-7 в результате МИО увеличивается разрывная нагрузка, относительное удлинение и условную прочность. В то же время обработка полем 105 А/м позволяет получить минимальное рассеивание в свойствах резины.
Обработка резины 5130-50 режимом
105 А/м приводит к минимальному росту разрывной нагрузки, сохранению условной прочности и незначительному снижению относительного удлинения при разрыве. Таким образом, предложенные режимы практически не меняют свойств этой резины, но при режиме 105 достигается минимум разброса в свойствах, что дает повышение надежности ленты с этой резиной в условиях эксплуатации.
Резина 1347 увеличивает нагрузку при разрыве, условную прочность и относительное удлинение при обработке режимом 106 А/м. Этот же режим обеспечивает минимальный разброс в свойствах. Таким образом, можно утверждать, что режим
106 А/м является оптимальным для этой марки резины
Резина 3825-20 практически не изменяет механических свойств на проведенных режимах обработки, но при всех режимах существенно снижается разброс по свойствам. Поэтому использование
МИО для лент, содержащих эти резины, является целесообразным.
Результаты промышленных испытаний конвейерной ленты с МИО
Для испытаний конвейерной ленты с МИО использовался известный в отечественной и зарубежной практике метод производственных испытаний, состоящий в одновременной установке на конвейер отрезков различных лент, состыкованных вместе. Применение метода исключает влияние случайных факторов на показатели долговечности лент. Такие факторы неизбежно вносят погрешности в результаты испытаний лент, устанавливаемых на конвейер последовательно.
В условиях Мансуровского карьероуправления проведено изучение интенсивности износа конвейерных лент с различными видами обкладок в условиях абразивного износа. Применяли состыкованные в одну ленту методом горячей вулканизации четыре отрезка лент различных типов.
Конвейер № 2 предназначен для транспортирования песчано-гравийной смеси (ПГС) фракции 0 г 75 мм из цеха первичного дробления в цех сортировки. Конвейер установлен в наклонной галерее, имеет длину 50,7 м, ширину ленты 1200 мм, скорость ленты 1,0 м/с, производительность 280 м3/ч по ПГС. Угол транспортирования 8 градусов. Высота падения на ленту груза составляет 0,45 м от центра плиты, установленной под углом 40° к горизонту до ленты. Конвейерная лента Курского завода РТИ 2-ТК-200/5 с толщиной рабочей обкладки 5 мм и нерабочей - 3 мм подвергалась воздействию высоких динамических нагрузок.
В процессе эксплуатации составной ленты наблюдались вырывы рабочей обкладки, сквозные продольные и поперечные порывы, износ глубиной до 2 - 3 прокладки сердечника. Самым долговечным оказался кусок ленты, обработанный по режиму 106 А/м.
Долговечность ленты увеличилась на 30 % и составила 22 месяцев. Наблюдалось сокращение количества и площади вырывов. И практически отсутствовали продольные и поперечные порывы.
В пределах ленты без обработки наблюдается разброс по количеству перевезенной массы и долговечности, достигающий 7-10 %. После обработки
уменьшился разброс по количеству перевезенной массы до 2-3 %. При этом долговечность ленты увеличилась на 2530 %, т.е. разброс в долговечности составляет 5-7 %. Увеличение долговечно-
1. Способ обработки технического углерода и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2099373, 1997.
2. Ивахник В.Г., Шахова К.И., Черанев А.И. Проблемы повышения качества литейной продук-
сти (срока службы) ленты на 25-30 % находится за пределами разброса, поэтому можно утверждать, что использование МИО приводит к повышению срока службы ленты и, следовательно, к сокращению расхода ленты на единицу транспортируемого груза.
Проведенные экспериментальные работы показывают, что в результате МИО изменяются свойства резин, входящих в состав конвейерных лент, что . дает возможность применения инноваций ИЦ МГГУ в конвейерных лентах.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ции. Горный информационно-аналити-ческий бюллетень, вып. 4, М.: МГГУ, 2002, с. 101 - 102;
3. Ивахник В.Г., Шахова К.И., Черанев А.И. Повышение качества литейной продукции. Журнал «Горные машины и автоматика», 2004, №7, с. 11-12.
— Коротко об авторах --------------------------------
Ивахник В.Г. - кандидат технических наук,
Шахова К.И. - кандидат технических наук,
Селезнев Г.В. - инженер,
Московский государственный горный университет.
