Р.И. Ли, С.И. Кондрашин, А.В. Бочаров

ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», г. Мичуринск, Россия

Исследованиями ученых МГАУ, ГОСНИТИ, НАТИ, ВНИИТУВИД «РЕМДЕТАЛЬ», Мич-ГАУ установлено, что применение современных полимерных материалов предотвращает возникновение фреттинг-коррозии, значительно повышает долговечность восстановленных неподвижных соединений и подшипников качения.

Постоянное повышение цен на углеводородное сырье является одной из основных причин роста цен полимерных материалов. Введение наполнителей позволяет изменить физико-механические свойства, значительно сократить время отверждения и снизить стоимость адгезивов.

Прочность клеевого соединения, выполненного полимерным композиционным материалом (ПКМ) на основе анаэробного герметика и твёрдого дисперсного наполнителя, является составной и определяется адгезионной и когезионной составляющими.

При введении дисперсных наполнителей в ПКМ поверхность наполнителя адсорбирует, наряду с олигомерными звеньями, и «вредные» примеси (низкомолекулярные соединения), находящиеся в полимере. Благодаря этому увеличивается адгезионная прочность на границе «деталь – ПКМ». Высокой способностью адсорбировать низкомолекулярные соединения обладают минеральные наполнители, характеризующиеся большой пористостью и поверхностью. Следует также отметить, что явным преимуществом минеральных наполнителей является их низкая стоимость.

С учётом того, что высокодисперсные наполнители имеют очень большую площадь адгезионного контакта с полимером, чрезмерное повышение интенсивности межфазного взаимодействия на границе «наполнитель – полимер» затруднит релаксацию напряжений, что приведёт к локальным перенапряжениям при нагружении ПКМ и снижению его прочности. Поэтому с целью обеспечения оптимальной молекулярной подвижности на границе раздела фаз «наполнитель – полимер» предпочтительно образование редкой сетки прочных связей в сочетании с достаточно большим числом легко регенерируемых слабых связей или густой сетки связей со средней энергией взаимодействия.

Данную схему адгезионного взаимодействия можно реализовать при использовании наполнителей, способных образовывать большое количество водородных связей с функциональными группами анаэробных герметиков, потому что лабильные связи характерны для групп, содержащих подвижный атом водорода, а также гетероатомы с необобщёнными электронами [1]. Это создаёт благоприятные условия для релаксации напряжений, что повысит критическую деформацию и когезионную прочность ПКМ.

Дефектами в ПКМ являются неупорядоченные (межсферолитные) области и воздушные включения в полимере, поры, образующиеся при нарушении адгезионного контакта на границе раздела «наполнитель – полимер», а также агломераты частиц наполнителя и области с повышенным содержанием наполнителя.

Введение дисперсного наполнителя в полимеры препятствует росту трещин, что приводит к росту поверхностной энергии разрушения и значительному повышению сопротивления к распространению трещин. Это, в свою очередь, повышает долговечность ПКМ при динамическом нагружении.

Площадь контакта высокодисперсных наполнителей с полимером очень большая, а огибание трещиной частиц наполнителя увеличивает её путь. Поэтому повышению поверхностной энергии разрушения будет способствовать уменьшение размера частиц наполнителя.

Существенное влияние на прочность оказывает степень наполнения полимерного материала. Как правило, в ряде случаев наблюдается экстремальная зависимость прочности от степени наполнения, характеризующаяся наличием концентрационного оптимума. Это связано с достижением оптимальной толщины модифицированного слоя полимера, обладающего наибольшей однородностью структуры и наименьшей дефектностью. К недостаткам ПКМ, наполненных минеральными наполнителями, следует отнести наличие в ряде случаев склонности к тепловому старению. Применение ПКМ с минеральными наполнителями рекомендуется при восстановлении легко и средне нагруженных подшипниковых узлов.

Теплопроводность полимерных материалов отличается от черных металлов примерно в 100 раз. Эта особенность затрудняет теплоотвод в восстановленных тяжело нагруженных подшипниковых узлах в процессе эксплуатации. В тяжело нагруженных подшипниковых узлах повышение температуры полимерного материала из-за гистере-зисных потерь, ухудшение теплоотвода может привести к значительному повышению температуры подшипника и смазочного материала и снизить долговечность подшипникового узла.

Введение наполнителя в виде металлического порошка в полимерный материал значительно повышает его теплопроводность. Кроме того, теоретические исследования показали, что при введении дисперсных металлических порошков с высокой вязкостью разрушения (алюминий, его сплавы, медь и сталь) значительно повышается прочность и трещиностойкость полимерного композиционного материала [2].

На кафедре «Технология обслуживания и ремонта машин» МичГАУ разработаны перспективные ПКМ, наполненные минеральными и металлическими дисперсными наполнителями. Для восстановления неподвижных соединений легко и средне нагруженных подшипниковых узлов рекомендуется использовать ПКМ, содержащий 100 масс.-ч. анаэробного герметика АН-111, 9…11 масс.-ч. микроталька Талькон Т-20 и 1…2 масс.-ч. бронзовой пудры БПП. При этом составе материал имеет максимальную удельную работу разрушения и, соответственно, долговечность при циклическом нагружении (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость удельной работы разрушения композиции на основе анаэробного герметика АН-111 от концентрации микроталька Талькон Т-20 и бронзовой пудры БПП.

Для восстановления неподвижных соединений тяжело нагруженных подшипниковых узлов рекомендуется использовать ПКМ, содержащий 100 масс.-ч. анаэробного герметика АН-112; 12 масс.ч. алюминиевой пудры ПАП-1; 0,35 масс.ч. бронзового порошка БПП. Клеевой шов композиции при этом оптимальном составе имеет наиболее высокие деформационно-прочностные свойства – 12,5 Мдж/м3 (рисунок 2).
3D Surface Plot (Spreadsheet2.sta 20v*20c) Var3 = 9.741-2.122*x-0.753*y-0.974*x*x-0.986*x*y+0.541*y*y

Рисунок 2 – Зависимость удельной работы разрушения композиции на основе анаэробного герметика АН-112 от концентрации алюминиевой пудры ПАП-1 и бронзовой пудры БПП.

Исследования показали, что коэффициент теплопроводности ПКМ, по сравнению с полимерной матрицей АН-112, увеличился в 22,9 раза. Испытания при циклическом нагружении показали, что в соединении подшипника 209, выполненном ПКМ на основе герметика АН-112, равновесная температура, по сравнению с ненаполненным гермети-ком АН-112, ниже до 12 оС и, соответственно, составляет Тр = 63 оС.

По результатам проведенных исследований разработаны технологии восстановления неподвижных соединений подшипников качения ПКМ на основе анаэробных гер-метиков АН-111 и АН-112, которые содержат следующие операции: очистка посадочных мест деталей соединения; определение износа; обезжиривание посадочных мест деталей; приготовление композиции; нанесение композиции на посадочные места деталей и сборка соединения; отверждение клеевого соединения; контроль качества склеивания.

Литература

1.    Кондрашин, С. И. Восстановление неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники анаэробными герметиками с дисперсными минеральными наполнителями [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Кондрашин С. И. – Мичуринск, 2009. – 118 с.
2.    Бочаров, А. В. Повышение эффективности восстановления неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники адгезивами, наполненными дисперсными металлическими порошками [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Бочаров А. В. – Мичуринск, 2009. – 150 с.

Источник - ВЕСТНИК МИЧГАУ, научно-производственный журнал, 2010, № 1,  Печатная версия.