CC BY
39
УДК 62-567
С. П. БОБРОВ В. А. БАРАНОВ Т. В. СЕЛЯВИНА Д. А. УСТИНОВ И. Ю. ЕФИМОВ
Федеральный научно-производственный центр «Прогресс»,
г. Омс к
Омский государственный технический университет, г. Омск
УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОЛЬЦА РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО БЕЗ УХУДШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ СВЯЗЕЙ ИЗДЕЛИЯ
Показан эффект от применения клеев вместо технологической операции дор-нования при производстве резинометаллических колец. Представлены конечно-элементная модель изделия и объемная эпюра деформаций. Приведены результаты испытания изделия. Описан результат от применения улучшенной технологии изготовления резинометаллических колец.
Ключевые слова: резинометаллические кольца, прочность связей, вулканизация резины, величина перемещений.
Современное развитие техники сопровождается повышением динамической напряжённости машин, приборов и аппаратов, которая характеризуется общей вибрацией. Последняя оказывает отрицательное влияние на надёжность, долговечность и другие показатели конструкций и приводит к снижению производительности труда и ухудшению состояния здоровья работающих. В связи с этим большое значение приобретает разработка эффективных средств виброзащиты.
С целью снижения вибрационных нагрузок на машины и агрегаты применяются различные упругие, упругодемпферные и демпферные опорные, резиновые прокладки и амортизаторы, виброизолирующие покрытия и т.д. [1, 2]. Широкое применение в качестве упругих опор и амортизаторов с успехом находят пневматические упругие элементы с резинокордными оболочками [3, 4].
Примером таких упругих опор является амортизатор (рис. 1). На нём кронштейны (поз. 1) опираются на горизонтальный фундамент, оборудование устанавливается на опорной поверхности полуобойм (поз. 3).
Представленная модель амортизатора предназначена для виброизоляции и противоударной защиты механизмов и оборудования. Ударные нагрузки и вибрации также воспринимает кольцо резинометаллическое (поз. 2), которое представляет собой резиновый массив с привулканизованной к нему металлоарматурой в виде наружной и внутренней втулок (рис. 2).
В технологии изготовления таких изделий, как кольцо резинометаллическое, присутствуют операции вулканизации резины при температуре 150 — 155 °С [5]. Термическое воздействие ведет к расширению металлических элементов изделия (поз. 1 и поз. 2) и резины (поз. 3), вследствие после охлаждения в зонах, где резина привулканизована к металлу, возникают остаточные напряжения, ухудшающие характеристики как самого изделия, так и амортизатора в целом.
Для снятия подобного рода напряжений в технологическом процессе предусматривалась операция дорнования, принцип которой заключался в увеличении (растягивании) внутреннего диаметра внутренней втулки кольца резинометаллического механическим путём [6].
Такие операции при серийном изготовлении кольца резинометаллического увеличивали как время изготовления партии, так и трудоёмкость. Для того, чтобы избежать подобных операций дор-нования, возникла необходимость в применении составов клеев, которые улучшали привулканизацию резины к металлическому кольцу.
На ФГУП «ФНПЦ «Прогресс» изготовлены модернизированные кольца резинометаллические по вновь разработанной технологии, принцип которой заключается в подготовительной обработке втулок чугунной дробью и клеями.
Для подтверждения целесообразности использования процесса дорнования был проведён ряд испытаний:
Рис. 3. Конечно-элементная модель кольца резинометаллического
— определение прочности связей резины с металлом;
— определение величины перемещений;
— испытание наибольшей нагрузкой;
— определение прочности при циклических пе-ремещёниях.
Перед тем как начать испытания по определению величины перемещений, был проведён предварительный расчёт изделия методом конечных элементов [7], построены его конечно-элементная модель (рис. 3) и объемная эпюра деформаций (рис. 4).
Согласно расчету, при механических характеристиках материала изделия (табл. 1) с приложенной нагрузкой Q1 (4905 Н) (рис. 5) максимальное перемещение втулки наружной относительно втулки внутренней составило (1,5±0,3) мм.
При проведении испытаний по определению прочности связей резины с металлом производят распил кольца по диаметру на две половины. Далее распиливают кольцо, чтобы получить резинометал-лический образец. Затем на каждой половине отделяют внутреннее кольцо от наружного, делая разрез по массиву резины. Для закрепления образца в зажиме машины отслаивают часть образца.
Заготовленный образец (металлическое полукольцо с резиной) устанавливают в металлическую оснастку (рис. 6) в горизонтальном положении,
Таблица 1
Механические характеристики кольца резинометаллического
Резина Сталь
Модуль упругости Е, Па 6,2 • 106 2 • 1011
Модуль сдвига С, Па 2,07 • 106 6,6 • 1010
Коэффициент Пуассона, ц 0,49 0,32
Предел прочности аа, Па 1,4 • 107 4,2 • 107
Плотность р, м3 1200 7850
фиксируя с помощью винта. Включают машину на холостой ход и устанавливают скорость, которая соответствует скорости перемещения активного зажима. Устанавливают оснастку с образцом на рабочую площадку разрывной машины. С помощью винтов фиксируют оснастку на разрывной машине. Отслаиваемую часть резины образца закрепляют в зажиме таким образом, чтобы в ходе испытания
Рис. 5. Нагружение кольца резинометаллического нагрузкой (4905 Н)
Рис. 6. Металлическая оснастка с зафиксированным образцом на отслаивание (вид сверху)
Рис. 7. График показателей прочности связи резины с металлом при отслаивании для !4 образцов
сила отслаивания действовала перпендикулярно поверхности образца. После получения результатов испытаний вычисляют прочность связи резины с металлом [8] при отслаивании а, кН/м, по формуле:
ст = — 0,98 Ь
(!)
где — среднее значение нагрузки при отслаивании, кгс;
Ь — ширина образца, см.
Для расчета принимают среднее арифметическое трех значений ширины испытуемого образца. Среднюю силу отслаивания каждого образца вычисляют как среднее арифметическое всех значений, включая силу, при которой происходит обрыв резины.
На рис. 7 представлен график, позволяющий наглядно показать результаты испытаний. Из графика видно, что показатели прочности связи резины с металлом превышают установленные в среднем в 2,5 раза.
Для подтверждения результатов теоретического моделирования проведены испытания на образцах кольца резинометаллического по определению величины перемещения кольца резинометаллического. В процессе испытания определяется величина сме-
щения втулки наружной относительно втулки внутренней в радиальном направлении при статическом сжатии кольца резинометалического под воздействием номинальной статической нагрузки 4905 Н (500 кгс). Для проведения данных испытаний изделие помещается в специально спроектированное для этого приспособление (рис. 8), в которое помещается изделие.
Нагружение кольца резинометаллического в составе приспособления происходит на испытательной машине с номинальной статической нагрузкой (б1), равной 4905 Н (500 кгс), со скоростью перемещения от 10 до 15 мм/мин. В ходе испытаний контролируется величина перемещения Щ, показатели внешнего вида изделия.
По полученным испытательным данным (табл. 2) можно сделать вывод, что фактическая величина перемещения и внешний вид полностью соответствуют заявленным характеристикам изделия, а также соответствуют расчёту с долей погрешности.
Для проверки работоспособности колец резино-металлических в течение требуемого срока службы проводятся испытания в составе изделия. Наработка при испытании в составе амортизатора (рис. 9) на циклическую прочность по эквивалентному режиму с амплитудой 13 мм (в соответствии с техническими условиями на амортизатор) составила
Рис. 8. Схема приспособления для испытаний кольца резинометаллического
№ образца Величина перемещения, (7), мм
1 1,6
2 1,6
3 1,5
4 1,8
5 1,7
Таблица 2
Рис. 9. Схема испытаний амортизатора
3. Ляпунов В. Т. Резиновые виброизоляторы. Л.: Судостроение 1988. 216 с.
4. Потураев В. Н. Резиновые и резинометаллические детали машин. М.: Машиностроение, 1966. 298 с.
5. Трибельский И. А. [и др.]. Расчётно-экспериментальные методы проектирования сложных резинокордных конструкций: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. 240 с.
6 Лепетов В. А., Юрцев Л. Н. Расчеты и конструирование резиновых изделий. Изд. 2-е, пер. и доп. Л.: Химия, 1977. 408 с.
7. Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике: пер. с англ. М.: Мир, 1975. 541 с.
8. Махлис Ф. А., Федюкин Д. Л. Терминологический справочник по резине: справ. изд. М.: Химия, 1989. 400 с.
1 млн циклов при норме 218 тыс циклов, при этом отклонения по внешневидовым показателям были незначительны и не влияли на дальнейшую работоспособность кольца резинометаллического.
Изготовление кольца резинометаллического по разработанной ФГУП «ФНПЦ «Прогресс» технологии и исключение операции дорнования значительно сократили время изготовления партии, уменьшили трудоёмкость, а также увеличили циклическую прочность изделия без ухудшений характеристик амортизатора в целом.
Библиографический список
1. Болотник Н. Н. Оптимизация амортизационных систем. М.: Наука, 1983. 255 с.
2. Ляпунов В. Т. Виброизоляция в судовых конструкциях. Л.: Судостроение 1975. 232 с.
БОБРОВ Сергей Петрович, кандидат технических наук, первый заместитель генерального директора — директор института Федерального государственного унитарного предприятия «Федеральный научно-производственный центр «Прогресс» (ФГУП «ФНПЦ «Прогресс»).
БАРАНОВ Виктор Александрович, главный конструктор ФГУП «ФНПЦ «Прогресс». СЕЛЯВИНА Татьяна Викторовна, заведующая лабораторией ФГУП «ФНПЦ «Прогресс». УСТИНОВ Дмитрий Андреевич, соискатель по кафедре «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология» Омского государственного технического университета (ОмГТУ); инженер-конструктор 3-й категории ФГУП «ФНПЦ «Прогресс». ЕФИМОВ Иван Юрьевич, соискатель по кафедре «Основы теории механики и автоматического управления» ОмГТУ; заведующий сектором лаборатории № 242 отдела № 2 ФГУП «ФНПЦ «Прогресс». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 12.01.2017 г. © С. П. Бобров, В. А. Баранов, Т. В. Селявина, Д. А. Устинов, И. Ю. Ефимов
