CC BY
4
Marushev Victor Vitalievich, design engineer of II category, vityamar1000@gmail. com, Russia, Saint-Petersburg. JSC «Obukhov plant»,
Marushev Vitaly Viktorovich, director of production, [email protected], Russia, Saint-Petersburg. «NUMKAKS»
LLC,
Remshev Evgeny Yuryevich, candidate of technical sciences, docent, remshev@mail. ru, Russia. Saint-Petersburg. Baltic state technical university «VOENMEH» named after D.F. Ustinov,
Rasulov Zainodin Nurmagomedovich, candidate of technical sciences, docent, labmetcontrol@inbox. ru, Russia. Saint-Petersburg. Baltic state technical university «VOENMEH» named after D.F. Ustinov
УДК 625.08
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-463-464
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ БАЗАЛЬТА В ПРИВОДНЫХ ВАЛАХ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
К.Г. Пугин, Н.К. Иванов
В данной статье решается задача определения возможности применения базальтового материала в приводе транспортно-технологических машин. Объектом исследования в работе является композиционный вал в виде цилиндрической оболочки вращения, изготовленный методом намотки из однонаправленного базальтового ровинга. Поставленная задача решается в два этапа. Для решения задачи на первом этапе выбрано оптимальное связующее и экспериментально определены основные физико-механические характеристики матрицы из базальтового материала на стандартных кольцевых образцах. На втором этапе проведена оценка напряженно-деформированного состояния композиционного вала под действием предельного нагружения с учетом полученных результатов испытаний на первом этапе. В результате экспериментальных исследований сделаны выводы о возможности применения базальтового материала в валах транспортно-технологических машин. Изготовлен образец композиционного вала для проведения дальнейших лабораторных и экспериментальных исследований в приводе машины.
Ключевые слова: привод, карданный вал, транспортно-технологические машины, композиционные материалы.
На привод транспортно-технологических машин приходится значительная доля массы всей машины. Снижение массы при сохранении основных характеристик и параметров их надежности является перспективным направлением, так как это снижает нагрузки на ходовую часть, увеличивает мощность механизма передвижения, уменьшает расход топлива. Одним из возможных путей снижения массы при сохранении всех показателей, является применение в силовых конструкциях композиционных материалов. Так, композиционные материалы стали применять не только в качестве корпусных деталей, электроизоляции, деталей отделки салона, но и в наиболее нагруженных и ответственных деталях и сборочных единицах. При разработке различных изделий одной из основных проблем является выбор материала под необходимые параметры и нагрузки. В настоящее время наиболее популярными материалами, применяемыми в силовых частях транспортно-технологических машин, являются композиционные материалы на основе угле-волокна и стекловолокна. [1-2]
Известны публикации [3-9] о экспериментальных исследованиях применения в силовых конструкциях, работающих при передаче крутящего момента, материалов из высокомодульного углеродного и стекловолокна. Одним из сдерживающих факторов массового применения композиционных материалов является дороговизна закупочного материала, на который приходится основная составляющая затратной части. В современных условиях изготовления качественной и доступной продукции актуальной является проблема поиска наиболее дешевого композиционного материала без снижения основных технических показателей, обеспечивающих близкие прочностные и упругие характеристики, в число которых входит базальт - наиболее распространенная излившаяся магматическая порода. Применение базальта в различных областях достаточно широк: тепло и звуко изоляционные материалы, композиционная силовая арматура при строительстве железобетонных конструкций, различные газоходы сооружений, облицовка здания. [10-11]
В настоящее время изделия из композиционных материалов, изготовленные методом намотки, становятся все более популярными. К таким конструкциям относятся различные оболочки вращения. Одним из перспективных направлений является создание конструкций, передающих крутящий момент в виде валов заданной длины и конфигурации. Такой интерес к изделиям из полимерных композиционных материалов обусловлен возможностью создания материалов с заданными физико-механическими характеристиками (ФМХ) под конкретные эксплуатационные свойства на этапе проектирования и отработки. Одновременно, на этапе проектирования возможно оптимизировать состав связующего, выбирать определенные углы намотки в зависимости от предъявляемых требований к изделиям, подобрать эффективный пакет слоев под необходимые нагрузки. [9]
На основании вышеизложенного ставится задача определения возможности применения перспективного базальтового волокна в приводных валах транспортно-технологических машин.
Для решения данной задачи выделены 2 этапа:
- определения основных ФМХ как наполнителя, так и связующего для использования данных значений для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) на втором этапе
- расчет НДС композиционного приводного вала на основе базальтового ровинга, моделируя его в виде трехмерного тела из однородного анизотропного материала с эффективными характеристиками.
Выбор связующего и экспериментальные исследования. Важнейшим этапом при проектировании и изготовлении любого изделия из композиционных материалов является выбор связующего. При формировании монолитного композиционного материала связующее заполняет пространство между волокнами наполнителя, оказывая значительное влияние на его эксплуатационные характеристики, такие как химическую стойкость, прочность и эластичность. Одновременно связующее обеспечивает равномерное распределение нагрузки, защиту от внешних агрессивных воздействий.
В настоящее время в машиностроении массово применяют композиционные материалы на основе эпоксидных, фенольных и полимерных связующих. В транспортно-технологических машинах наибольшее распространение получили эпоксидные связующие, используемые как при создании, так и при ремонте машин.
Композиционные материалы на основе эпоксидных связующих обладают высокими адгезионными свойствами и прочностными характеристиками, не подвержены объемной усадке при отверждении, имеют повышенное сопротивление усталости, способны выдерживать циклические нагрузки и устойчивы к образованию микротрещин, а также демонстрируют стойкость к воздействию влаги и резким перепадам температур.
Таким образом, для проведения экспериментальных исследований в качестве связующего выбрана наиболее востребованная эпоксидная смола, применяемая для получения всех типов стекло-, угле-, органопластиков и гибридных материалов. [12]
При работе приводного вала из композиционных материалов часть усилий при сжатии, развивающихся в пакете слоев, воспринимает связующее. В связи с этим, для определения и подтверждения прочностных характеристик изготовлены стандартные образцы по ГОСТ 4651-2014 из модифицированной эпоксидно-диановой смолы ЭДТ-10, ЭД-20 по ГОСТ 10587-84.
Статические испытания на сжатие проводились по ОСТ 92-1460-77. В рамках данных испытаний проводились следующие работы: измерение диаметра образцов, расчет площади поперечного сечения, измерение сжимающей нагрузки, определение относительной деформации при сжатии, расчет предела прочности на сжатие, расчет модуля упругости на сжатие.
На рисунках 1, 2 представлены результаты испытаний связующего ЭДТ-10 и ЭД-20.
Рис. 1. Предел прочности при сжатии
4000 3500 3000
2500 2000 1500 1000 500 0
ЭД-20 ЭДТ-10
23
Номер образца
1
4
5
Рис. 2. Модуль упругости при сжатии
Так как основной характеристикой связующего является прочность на сжатие, для дальнейших исследований выбрано связующее ЭДТ-10 с наилучшими показателями по пределу прочности.
464
Экспериментальные исследования композиционного материала на основе базальтового волокна. Исключительные свойства композиционных материалов определяются в основном свойствами армирующего элемента. Базальтовое волокна обеспечивают прочность и жесткость композиционного пакета, в то время как эпоксидное связующие придает материалу монолитность и заданную форму. В свою очередь матрица способствует более эффективному использованию прочностных свойств армирующих волокон, защищает от различных внешних воздействий и также воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе на сжатие. [9]
Поскольку отсутствует опыт длительной эксплуатации базальтового волокна, недостаточно изучены физико-механические и эксплуатационные характеристики при различных видах нагружения предлагается экспериментально исследовать и подтвердить основные ФМХ данного материала. [13]
Основным параметром, характеризующим прочность конструкции из композиционных материалов, изготовленных методом намотки и применяемом в дальнейшем как оболочка вращения, является предел прочности на растяжение, определяемый на кольцевых образцах. В связи с этим, для определения и подтверждения прочностных характеристик изготовлены кольцевые образцы по ГОСТ 25.603-82 из базальтового ровинга с модифицированной эпоксидно-диановой смолой ЭДТ-10.
Испытания на растяжение проводились по ОСТ 92-1473-78. В рамках данных испытаний проводились следующие работы: измерение ширины и толщины образцов, расчет площади поперечного сечения, измерение разрывной нагрузки, определение относительной деформации при растяжении, расчет предела прочности при растяжении, расчет модуля упругости при растяжении. [14]
На рисунках 3, 4 представлены результаты испытаний базальтового ровинга со связующим ЭДТ-10.
1000 980
го 960
а
5 940 920 900
12345 Номер образца
^^"Базальтовый ровинг + ЭДТ-10
Рис. 3. Предел прочности при растяжении
44500 44000
а
| 43500 43000 42500
12345 Номер образца
^^"Базальтовый ровинг + ЭДТ-10
Рис. 4. Модуль упругости при растяжении
Проанализировав полученные ФМХ базальтового материала в сравнении с известными результатами исследований стекловолокна, можно сказать, что базальтовый ровинг не уступает по характеристикам, а по некоторым показателям превосходит стекловолокно. Таким образом, применение базальтового материала в качестве армирующего компонента в приводе транспортно-технологических машин вызывает большой интерес.
Исходные данные и граничные условия. Исследуемая конструкция - композиционный приводной вал. Конструкция вала выполнена из слоистого пакета на основе базальтового ровинга и связующего ЭДТ-10. В данной оболочке вращения выполнены отверстия под стыковку болтового соединения через полиуретановую втулку к существующей части вилки со стороны шлицевого соединения и к вилке шарнира с другой стороны. Стоит отметить, в связи с тем, что данная работа экспериментального характера расчет всей конструкции (стыковых вилок) не проводился, а рассматривался исключительно базальтовый вал. Так, проанализировав публикации по схемам армирования [6, 8], а также учитывая опыт изготовления и экспериментальный характер данной работы выбрана оптимальная схема армирования +45°/-45°. Кол-во слоев композиционного вала представлены на рисунке 5. ФМХ матрицы, полученные по результатам испытаний, а также недостающие характеристики по известным данным [2] сведены в таблицу. Пакет представлен многослойной анизотропной оболочкой. При расчете на прочность принимался работающим слоистых пакет на основе базальтового ровинга. Основным из требований к приводным валам является передача крутящего
465
момента без создания в трансмиссии дополнительных нагрузок. В связи с этим, композиционный приводной вал нагружается крутящим моментом. Привод машины работает при различных режимах работы и условиях эксплуатации, зависящих от многих внешних факторов. Предельные случаи нагружения и соответствующие им максимальные расчетные значения нагрузок, действующих на приводные валы, возникают при трогании с места и торможении двигателем. Одновременно, значения действующих нагрузок зависят от условий эксплуатации: улицы городов, пересеченная местность, разбитое булыжное шоссе, грунтовая дорога и тд. Проанализировав режимы работы в качестве граничных условий выбран крутящий момент - 460 Нм.
Рис. 5. Слоистый пакет конструкции вала
ФМХ композиционного материала
Наименование характеристик Обозначение Значение характеристик (базальтовый ровинг + ЭДТ-10)
Упругие характеристики
Модуль упругости при растяжении (основа), МПа Ех 43893
Модуль упругости при растяжении (уток), МПа Еу 14847
Модуль упругости при растяжении в радиальном направлении, МПа Ег 14847
Коэффициент Пуассона иху 0,29
Коэффициент Пуассона иуг 0,22
Коэффициент Пуассона ихг 0,22
Модуль сдвига, МПа Оху 5782
Модуль сдвига, МПа Оуг 250
Модуль сдвига, МПа Охг 250
Прочностные характеристики
Предел прочности при растяжении (основа), МПа Ох 965
Предел прочности при растяжении (уток), МПа Оу 54,39
Предел прочности при растяжении в радиальном направлении, МПа Ог 54,39
Предел прочности при сжатии (основа), МПа Ох 827,12
Предел прочности при сжатии (уток), МПа ОУ 145
Предел прочности при сжатии в радиальном направлении, МПа Ог 145
Расчет напряженно-деформированного состояния композиционного вала. Для анализа характеристик конструкции при экстремальных нагрузках обычно применяется программный комплекс на основе конечных элементов, который включает модули для подготовки моделей с учетом анизотропных свойств армированных материалов, выполненных послойно. Расчет НДС композиционного вала в условиях приложения к нему крутящего момента выполнен с использованием программного пакета ANSYS. В ходе исследования была разработана трехмерная математическая модель приводного вала с применением конечных элементов.
Для адекватного расчета приводного вала проводится оценка прочности изделия с учетом одновременного анализа нескольких критериев разрушения композиционного материала: максимальной деформации и максимального напряжения. ЛМБУБ использует метод конечных элементов, в котором модель объекта задается системой дифференциальных уравнений в частных производных с заданными краевыми условиями, учитывая анизотропные характеристики и виды разрушения композиционного материала. [7]
Результаты расчета композиционного вала представлены на рис. 6.
Результаты и обсуждение. Анализ показывает наличие высоких контактных напряжений в области отверстий под болтовое соединение. Это может быть объяснено тем, что при расчете не учитывается соединение к существующей металлической вилке через полиуретановую втулку, которая принимает на себя большую часть усилий, возникающих в конструкции. Таким образом происходит перераспределение нагрузки со стенки композиционного вала на все соединение. Обращает на себя внимание наличие максимальных напряжений в некоторых слоях в месте болтового соединения. Учитывая, что рассматривается многослойный пакет, а также анализируя полученный выше коэффициент запаса прочности можно сказать, что наличие в отдельных слоях максимальных напряжений не влияет на надежность многослойной цилиндрической оболочки в целом. Соответственно, можно сделать вывод, что композиционный вал является прочным.
С: 5ггис1ига1
У1аитит Рппара! 5"г«; Тур« Мамгаит Рлпоц^гкз ТорЛЗопот Ьауег О УпИ: МРа
С: 51>1к 51№С1ип1
5*1е1у Раоех
Туре: 5а(егу Ра пег |Ш|ы»г&дес;|
Мах 158,72 Мт: -3,0211
| 158,72 | 140X2 122,11 103,61 55,504 I 67,1 ЭЭ 48,894 30,589 | 12,284 -6,0211
1000 Ш.02
пш
667,07 556.09 443,11
334,13 223,15 112,17 I 1,1966
Рис. 6. Результаты расчета композиционного вала
Полученные данные свидетельствуют о повышенных показателях некоторых характеристик, по сравнению со стекловолокном, но значительно уступают высокомодульному углеволокну. Однако, стоит обратить внимание, что стоимость базальтового ровинга мала - порядка 200 руб/кг, что несомненно является преимуществом. Представляет интерес оптимизации углов намотки и структуры армирования с учетом сложного напряженного состояния стенки композиционного вала при действии нагрузок. В настоящее время в нормативной документации не определены требования, а также отсутствуют единые методики расчетов и испытаний валов из композиционных материалов. В связи с этим, следующим этапом, подтверждающим возможность создания композиционного вала, является проведение стендовых лабораторных экспериментов и необходимых испытаний непосредственно в силовом агрегате привода машины.
На основании вышеизложенного для проведения дальнейших экспериментов и испытаний изготовлен опытный композиционный вал (рис. 7).
Рис. 7. Опытный композиционный вал в карданной передаче
Вывод. При экспериментальном исследовании сложных систем, таких как привод транспортно-технологи-ческих машин, рационально использовать сочетание методов математического моделирования, численного расчета и в дальнейшем, на их основе проведения стендового эксперимента и необходимых испытаний непосредственно в силовом агрегате. Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность применения базальтового волокна при изготовлении композиционных приводных валов с учетом положительного проведения экспериментов и испытаний натурного образца.
Список литературы
1. Сибилев Н.П. О применении композиционных материалов в грузоподъемных машинах / Н.П. Сибилев, А.А. Шубин, А.А. Косенко // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. №11. С. 506-512.
2. Предельная деформируемость и прочность базальтопластиковых оболочек при внутреннем взрывном нагружении / В. Н. Русак, А. Г. Федоренко, М. А. Сырунин [и др.] // Прикладная механика и техническая физика. 2002. №1. С. 186-195.
3. Рогожникова Е.Н. Расчет НДС и оценка прочности сегментированной цилиндрической оболочки из композиционных материалов с металлическими вкладышами / Е.Н. Рогожникова, А.Н. Аношкин, Р.В. Бульбович // Вестник ПНИПУ. Механика. 2022. №2. С. 102-114.
4. Карташов А.Б. Применение композиционных материалов в конструкции ходовой части городского автомобиля // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2010. №3. С. 155-159.
5. Донецкий К.И. Полимерные композиционные материалы для создания элементов трансмиссий авиационной техники / К.И. Донецкий, Д.В. Быстрикова, Р.Ю. Караваев, П.Н. Тимошков // Труды ВИАМ. 2020. №3. С. 8293.
6. Еремин Г.П. Расчетно-экспериментальное исследование прочности композитного приводного вала с учетом технологических особенностей изготовления / Г.П. Еремин, А.А. Больших // Инженерный вестник. 2016. №12. С. 86-96.
7. Еремин В.П. Расчетно-экспериментальный метод определения конструктивного облика трансмиссионных валов, изготовленных с применением композиционных материалов / В.П. Еремин, А.А. Больших, М.В. Шкурин // Computational nanotechnology. 2020. №2. С. 71-78.
8. Гончаров В.А. Особенности состава полимерной матрицы и схем армирования трансмиссионных валов из полимерных композиционных материалов (обзор) / В.А. Гончаров, М.Н. Усачева, А.В. Хрульков // Труды ВИАМ. 2021. №1. С. 85-96.
9. Белецкий Е.Н. Специфика расчета элементов валопроводов, выполненных из композиционных материалов, с учетом направления армирования и физико-механических характеристик модификаторов матрицы // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2016. №6. С. 113-120.
10. Кадыкова Ю.А. Полимерматричные композиционные материалы на основе эпоксидной матрицы, наполненной дисперсным базальтом / Ю.А. Кадыкова, С.В. Улегин, Э.Г. Фархутдинова, В.А. Сотник // Вестник СГТУ. 2014. №4. С. 97-99.
11. Аносов В.В. Применения базальтовых пород для производства наполнителей композитных материалов / В.В. Аносов, С. Ахылбек // Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей. 2021. №5. С. 1-11.
12. Мухаметов Р.Р. Термореактивные связующие для полимерных композиционных материалов (обзор) / Р.Р. Мухаметов, А.П. Петрова // Авиационные материалы и технологии. 2019. №3. С. 48-58.
13. Кычкин А.К. Исследование физико-механических характеристик композиционных арматурных стержней, изготовленных на основе базальтового ровинга / А.К. Кычкин, А.А. Васильева // Вестник СВФУ. 2012. №3. С. 8085.
14. Макаревич Ю.Л. Влияние гамма-облучения на прочностные свойства базальтокомпозитов / Ю.Л. Ма-каревич, В.Д. Онискив, В.Ю. Столбов, И. Гитман // Механика композитных материалов. 2022. №1. С. 59-74.
Пугин Константин Георгиевич, д-р техн. наук, профессор, 123zzz@rambler. ru, Россия, Пермь, Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова; Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Иванов Никита Константинович, аспирант, [email protected], Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
THE USE OF BASALT-BASED COMPOSITE MATERIALS IN THE DRIVE SHAFTS OF TRANSPORT AND
TECHNOLOGICAL MACHINES
K.G. Pugin, N.K. Ivanov
This article solves the problem of determining the possibility of using basalt material in the drive of transport and technological machines. The object of research in this work is a composite shaft in the form of a cylindrical shell of rotation, made by winding from unidirectional basalt roving. The task is solved in two stages. To solve the problem, the optimal binder was selected at the first stage and the main physical and mechanical characteristics of the matrix of basalt material on standard ring samples were experimentally determined. At the second stage, an assessment of the stress-strain state of the composite shaft under the action of extreme loading was carried out, taking into account the test results obtained at the first stage. As a result of experimental studies, conclusions have been drawn about the possibility of using basalt material in the shafts of transport and technological machines. A sample of the composite shaft was made for further laboratory and experimental studies in the machine drive.
Key words: drive, driveshaft, transport and technological machines, composite materials.
Pugin Konstantin Georgievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Perm, Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov; Perm National Research Polytechnic University,
Ivanov Nikita Konstantinovich, postgraduate, nikitaivanov59@mail. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University
