Усовершенствование технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов

Наиболее простым путем уменьшения относительно высокой скорости износа ПТФЭ при сухом трении является введение порошкообразных наполнителей. При этом повышается сопротивление ползучести при сжатии и наблюдается значительное увеличение износостойкости при сухом трении. Введение оптимального количества наполнителя позволяет повысить сопротивление износу до 10⁴ раз.

2.4 Скрытокристаллический графит

Скрытокристаллический естественный графит получают путем размола графитовых руд, он отличается несовершенной текстурой, часто содержит примесь тонкодисперсного углеродистого вещества. Содержание углерода составляет от 80 до 90 %. При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никакого изменения до 3700 ⁰С. В связи с низкой твердостью и весьма совершенной спайностью графит легко оставляет след на бумаге, жирный на ощупь. Эти свойства графита обусловлены слабыми связями между атомными слоями. Прочностные характеристики этих связей характеризуют низкая удельная теплоемкость графита и его высокая температура плавления. Благодаря этому, графит обладает чрезвычайно высокой огнеупорностью. Кроме того, он хорошо проводит электричество и тепло, устойчив при воздействии многих кислот и других химических реагентов, легко смешивается с другими веществами, отличается малым коэффициентом трения, высокой смазывающей и кроющей способностью. Поэтому графит широко используется во многих отраслях промышленности, в том числе и в машиностроении.

При воздействии температуры на скрытокристаллический графит происходят следующие процессы. С увеличением температуры графит скрытокристаллический увеличивает прочность вплоть до температур 2400-2600 °С, а затем резко снижается и при температуре 3000 °С приближается к прочности, характерной для температуры 20 °С. При низких температурах это увеличение происходит линейно, и при 2500 °С прочность графита скрытокристаллического приблизительно в 2 раза выше, чем при комнатной температуре. При возрастании температуры увеличивается и пластичность материала. Так, если деформация при 20 °С составляет лишь 0,3%, то в условиях 2800 °С она может составить до 10 % (разрушение). Увеличение механической прочности графита скрытокристаллического с ростом температуры объясняют снижением веутренних напряжений в структуре графита. Эти напряжения возникают в материале в процессе охлаждения после графитации в следствие значительной анизотропии термического расширения в направлении, параллельном и перпендикулярном оси С /23/.

2.5 Углеродное волокно

Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) было предложено и запатентовано известным американским изобретателей - Томасом Алва Эдисоном в 1880г в качестве нитей накаливания в электрических лампах, эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями.

Рисунок 14 - Порошкообразное углеродное волокно

В последующие годы было предложено получать углеродные волокна (УВ) на основе различных природных волокон (рисунок 14).

УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жесткостью.

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600-2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются.

УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет от 300 до 350 °С. Благодаря своим свойствам УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных материалов, в качестве наполнителей в различных видах углепластиков /24/.

2.6 Дисульфид молибдена (МоS₂)

Сульфидмолибдена (дисульфидмолибдена) --неорганическое бинарное химическое оединениечетырехвалентного молибдена с двухвалентной серой. Химическая формула МоS₂ (рисунок 15).

Рисунок 15 - Вид дисульфидмолибдена

Сульфид молибдена представляет собой серо-голубой или чёрный кристаллический порошок, жирныйна ощупь, твёрдость по шкале Мооса составляет от 1 до 1,5. В дисульфиде молибдена каждый атом Mo находится в центре тригональной призмы и окружён шестью атомами серы.

Рисунок 16 - Кристаллическая решетка дисульфида молибдена

Тригональная призма ориентирована так, что в кристалле атомы молибдена находятся между двумя слоями атомов серы (рисунок 16).Из-за слабых вандерваальсовых сил взаимодействия между атомами серы в MoS₂, слои могут легко скользить друг относительно друга. Это приводит к появлению смазочного эффекта.

Дисульфид молибдена не растворяется в воде, не реагирует с разбавленными кислотами и щелочами.

Выше перечисленные свойства определили использование данного материала в качестве смазки. MoS₂ с размером частиц в диапазоне от 1 до 100 мкм. является сухим смазывающим веществом. Существуют немного альтернатив, которые могут иметь высокие смазочные и стабильные свойства вплоть до температур в 350 °C в окислительных средах, а также в вакууме. Испытания MoS₂ с использованием трибометра при низких нагрузках от 0,1 до 2 Н дают значение коэффициента трения меньшего 0,1.

Дисульфид молибдена часто является компонентом смесей и композиционных материалов с низким коэффициентом трения. Такие материалы используются в критически важных компонентах, например, в авиационных двигателях /24/.

3. Технологический раздел

Все современные машины и механизмы содержат различные виды подшипники скольжения. Подшипники, устанавливаемые в двигателе, наряду со своей главной функцией создания опоры для вращающихся деталей, выполняют и другую задачу: принятие и связывание продуктов механического истирания. Такое истирание возникает вследствие нормальной работы двигателя, причем сопровождается оно возникновением столь мелких частиц, что они не могут улавливаться масляным фильтром, однако, при отсутствии механизмов связывания, они провоцируют повышенный износ компонентов двигателя. Эта ключевая функция подшипника скольжения, осуществляемая при вращательном движении и обеспечивающая минимальный износ двигателя, обуславливает особенности конструкции данной детали. Работоспособность узлов с такими подшипниками может быть обеспечена лишь при условии строгого соблюдения правил их сборки.

3.1 Технология сборки подшипников скольжения

Подшипник скольжения состоит из корпуса, вкладышей, поддерживающих вал, а также смазывающих и защитных устройств (рисунок 17) /13/.



Рисунок 17 - Элементы подшипника скольжения

Технология сборки подшипников скольжения на примере цельного регулируемого подшипника состоит из следующих операций /22/:

1) Запрессовка втулки в корпус подшипника

При запрессовке втулок в корпус во избежание задиров посадочные поверхности смазывают машинным маслом. Запрессовка втулок на прессе эффективна в тех случаях, когда наружный диаметр втулки выполнен с определенными допусками. При посадках с большим натягом следует нагревать корпус подшипника до температуры 100--150 °С, что часто невозможно вследствие больших габаритов, или охлаждать втулку в жидком азоте, теоретическая температура которого составляет от 190 ⁰С до196 єС. Этот метод целесообразен для крупногабаритных тонкостенных втулок. Применяют приспособление, представленное на рисунке 18 /22/.



а - запрессовка: 1 - втулка; 2 - оправка; 3 - установочный палец; 4 - корпус детали; 5 - место и направление ударов молотка (нажатия штока пресса); б - продольное крепление втулки; в - поперечное крепление втулки.

Рисунок 18 - Установка неразъемного подшипника скольжения

2) Крепления втулки в корпусе

После посадки втулки ее дополнительно крепят в корпусе с помощью винтов или штифтов, устанавливаемых с торца по поверхности сопряжения или в отверстия буртов. Сверление отверстий и нарезание резьбы в них под крепежные детали выполняют после запрессовки. Перед обработкой отверстия втулки выполняют сверление отверстий для подвода смазочного материала.

3) Обработка отверстия втулки

Далее втулку подвергают тонкому растачиванию, развертыванию, калиброванию упрочняющими оправками или шариками, раскатыванию. Соосно расположенные втулки после запрессовки растачивают за одну установку или развертывают удлиненной разверткой. Втулки диаметром более 80 мм пригоняют только шабрением.

Шабрением называется окончательная обработка точных поверхностей (направляющих станин, подшипников скольжения), при которой соскабливают тонкие слои металла режущим инструментом -- шабером. Шаберы изготовляют из инструментальной углеродистой стали У10 и У12А, режущий конец его закаливают без отпуска.

К подшипникам скольжения предъявляют следующие требования:

1) отверстие втулки должно быть изготовлено с допусками, исключающими пригонку ее внутренней поверхности к шейке вала;

2) смазочные отверстия и канавки должны иметь плавные закругления на кромках;

3) несовпадение маслоподводящих отверстий во втулке и корпусе -- не более от 0,2 до 0,5 мм;

4) углубление фиксирующих штифтов и винтов относительно рабочей поверхности втулки от 0,5 до 2,0 мм;

5) отклонение от круглости и цилиндричности отверстия, установленной в корпус втулки -- не более половины допуска на отверстие;

6) отклонение от соосностиотверстий двух подшипников -- не более 50 мкм;

7) температура подшипника при приработке не должна превышать 70 єС.

3.2 Совершенствование технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов

В настоящее время детали узлов трения, изготовленные из различных металлов и сплавов, постепенно заменяются полимерами и полимерными композиционными материалами, в частности на основе политетрафторэтилена. Это позволяет понизить себестоимость изделий, повысить их надежность и долговечность. В тоже время область применения этих материалов очень ограничена, поскольку они обладают недостаточно высоким пределом прочности и модулем упругости, что приводит к значительному деформированию поверхностных слоев при трении и интенсивному изнашиванию. Существующие способы повышения механических и триботехнических свойств, политетрафторэтилена, такие как, введение модификаторов в полимерную матрицу и изменение режимов технологических операций (измельчение и перемешивание компонентов, прессование, термообработка) позволяют частично решить эту проблему. Для более эффективного решения этой задачи необходимо применение новых методов и технологических способов, которые бы позволили существенно повысить механические и триботехнические свойства полимеров, и тем самым расширить область их применения в производстве. Поэтому предлагается усовершенствовать технологию изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена /25/.

Основой технологии, используемой при производстве изделий из полимерных композиционных материалов, является прессование из порошков заготовок и их последующее спекание. При прессовании фактически закладываются будущие свойства изделий - плотность, прочность, упругость, износостойкость и равномерное распределение этих характеристик по всему объему изделия.

Для повышения качества прессования получили применение способы уплотнения порошков с наложением вибрации. Под действием вибрации силы трения и сцепления частиц уменьшаются. При этом повышаются: текучесть порошков, равномерность укладки частиц полимера, разрушаются арочные структуры.

Перспективным способом вибрационного воздействия является наложение ультразвуковых колебаний на прессуемый материал, благодаря которым существенно облегчается возникновение и развитие пластической деформации частиц порошка. Это положительно влияет и на характер изменения сил трения от давления прессования, дает возможность формовать изделие сложной формы при сравнительно небольших усилиях. Прессование с применением ультразвуковых колебаний является активным технологическим приемом, повышающим эффективность модификации структуры матрицы и оказывающим существенное влияние на процессы структурообразования в ней /26/.

Предлагаемая усовершенствованная технология изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена состоит из следующих этапов:

1) Подготовка композиционного материала на основе политетрафторэтилена

Подготовка композиционного материала состоит из следующих процессов, включающих:

1.1Определение состава композиционного материала

На основании проведенного анализа практических данных, был использован композиционный материал следующего состава (таблица 4).

Таблица 4 - Рецепт композиционного материала

Наименование материала	Соотношение, %
Политетрафторэтилен
Скрытокристаллический графит	8,0
Углеродное волокно	6,0
Дисульфид молибдена (МоS2)	2,0

1.2 Выбор специальной установки

Для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов, методом ультразвукового прессования, предлагается использовать специальную установку на базе гидравлического пресса МТ - 50 (рисунок 19).



1 - основание; 2 - шаровая опора; 3 - пресс-форма; 4 - волновод-пуансон; 5 - траверса; 6 - магнитострикционный преобразователь; 7 - направляющая колонна; 8 - гидроцилиндр; 9 - гидравлическая система

Рисунок 19 - Схема установки для прессования изделий из политетрафторэтилена с наложением ультразвуковых колебаний:

Применен ультразвуковой генератор УЗГ 3 - 4, имеющий выходную мощность 5 кВт и работающий в частотном диапазоне от 17,5 до 23 КГц. В качестве источника ультразвуковых колебаний был взят магнитострикционный преобразователь ПМС 15-А-18, с резонансной частотой колебаний 17,8 кГц.

1.3 Смешивание порошков полимерного композиционного материала

Перед прессованием проводится смешивание порошков полимерного композиционного материала в смесителе с частотой вращения ножей не менее 2800 мин^-1, с последующим засыпанием его в закрытую пресс-форму 3, закрепленную на шаровой опоре 2. Ультразвук включали одновременно с касанием волновода-пуансона 4 поверхности порошка. При этом ультразвуковые колебания передавались пресс-форме и всей массе порошка. Под действием колебаний пуансона частицы порошка совершают также колебательные движения, при этом происходит перемещение и укладка частиц. Мелкие частицы распределяются и заклиниваются между крупными, что способствует уплотнению и укрупнению контактов между частицами.

1.4 Спекание отпрессованной заготовки

После ультразвукового прессования отпрессованную заготовку подвергают спеканию, технология которой включает в себя следующие этапы:

1 этап - нагрев до температуры (360±5) ^оС со скоростью от 1,5 до 2,0 ^оС/мин;

2 этап - выдержка при этой температуре (8 ± 1) мин. на 1мм. толщины стенки изделия;

3этап - охлаждение до температуры 327 ^оС со скоростью от 0,3 ^оС/мин;

4этап - охлаждение от 327 ^оС до комнатной температуры вместе с печью. Соблюдая те же режимы спекания, для сравнения, изготавливали образцы без воздействия ультразвуковых колебаний на прессуемый композиционный материал.

2) Запрессовка втулки в корпус подшипника

3.3 Методики исследования

Методика исследования включала два этапа. На первом этапе определялись основные технологические параметры ультразвукового прессования (амплитуда колебаний волновода-пуансона, время и усилие прессования), а также влияние этих параметров на механические свойства (предел прочности и модуль упругости) композиционного материала. Механические свойства образцов при растяжении определяли на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин.

На втором этапе методикой предусматривалось исследование влияния режимов ультразвукового прессования на триботехнические характеристики (скорость изнашивания, коэффициент и момент трения) исследуемого материала.

3.3.1 Метод испытания на растяжение

Для определения прочностных характеристик был использован «Метод испытания на растяжение» согласно ГОСТ 11262 -- 80 /27/. Для проведения испытаний применялась разрывная машина Р 0,5 ГОСТ 11262 - 80 прошедшая аттестацию.

Метод основан на растяжении испытуемого образца с установленной скоростью деформирования.

1) Отбор образцов

Для испытаний применяют образцы определенных форм и размеров (ГОСТ 11262 -- 80 приложение 1). Тип, способ и режим изготовления, отбор образцов должны соответствовать нормативно-технической документации на каждый соответствующий материал

2) Аппаратура

Испытание проводят на машине, которая при растяжении образца должна обеспечивать измерение нагрузки с погрешностью не более 1% от измеряемой величины и постоянную скорость раздвижения зажимов в пределах, требуемых настоящим стандартом.

Зажимы машины должны обеспечивать надежное крепление образцов и совпадение продольной оси образца с направлением растяжения и не должны вызывать разрушений образцов в месте крепления.

Прибор для измерения удлинения в процессе испытания должен иметь погрешность измерения не более 1%, если в нормативно-технической документации на материал нет иных указаний.

Для измерения удлинения допускается использовать:

- приборы, закрепляемые непосредственно на образце; при этом масса прибора и способ его крепления не должны оказывать существенного влияния на величины определяемых показателей и поведение образца при испытании;

- приборы, не закрепляемые на образце и позволяющие производить измерение изменения расчетной длины образца, ограниченной метками, с помощью оптических или других систем измерения.

При удлинении свыше 25 мм допускается измерение удлинения по меткам с помощью масштабной линейки с ценой деления не более 1 мм.

Прибор для измерения ширины и толщины образцов должен обеспечивать измерение с погрешностью не более 0,01 мм. При измерении толщины образцов прибор должен оказывать давление на образец до 0,03 МПа (0,3 кгс/см²).

3) Проведение испытания

Перед испытанием на образцы наносят необходимые метки. Толщину и ширину образцов измеряют в трех местах, в середине и на расстоянии 5 мм от меток. Из полученных значений вычисляют средние арифметические величины, по которым вычисляют начальное поперечное сечение А₀. Образцы, у которых минимальное и максимальное значения толщины или ширины различаются более чем на 0,2 мм, не испытывают.

Образцы закрепляют в зажимы испытательной машины по меткам, определяющим положение кромок зажимов таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и направлениям движения подвижного зажима. Зажимы равномерно затягивают, чтобы исключалось скольжение образца в процессе испытания, но при этом не происходило его разрушения в месте закрепления.

Испытания проводят при температуре (296±2) К (23±2) °С и относительной влажности (50±5) %, если в нормативно-технической документации на материал нет других указаний.



1 - материал имеет предел текучести; 2 - материал не имеет предела текучести; а - участки прямолинейного направления кривой в начале кривой «нагрузка-удлинение»; S - предел текучести; x - отрезок на оси удлинения для определения условного предела текучести; S_x - условный предел текучести

Рисунок 20 - График кривой «нагрузка-удлинение»

Испытания проводят при скорости раздвижения зажимов испытательной машины, предусмотренной в нормативно-технической документации на материал.

При испытании измеряют нагрузку и удлинение образца непрерывно или в момент достижения предела текучести, максимальной нагрузки, в момент разрушения образца. При записи кривой «нагрузка-удлинение» определяют характеристики в соответствии с графиком (рисунок 21).

1) Обработка результатов

Прочность при растяжении - максимальная нагрузка (F_рм) при испытании на растяжение, отнесенная к площади начального поперечного сечения образца (A₀), Мпа (Н/мм2). Значения прочности при растяжении вычисляют по формуле:

 = F_рм / А_0, (1)

где F_рм - максимальная нагрузка при испытании на растяжение, Н;

A₀ - начальное поперечное сечение образца, мм².

3.3.2 Метод определения модуля упругости

Сущность метода заключается в определении модуля упругости при растяжении как отношения приращения напряжения к соответствующему приращению относительного удлинения, установленному настоящим стандартом.

1) Отбор образцов

Для испытания применяют образцы по ГОСТ 11262-80. Количество образцов, взятых для испытания одной партии материала, должно быть не менее 3.

2) Аппаратура

Для проведения испытания применяют аппаратуру по ГОСТ 11262-80, при этом испытательная машина должна обеспечивать скорость раздвижения зажимов (1,0±0,5) % в минуту, а прибор для измерения удлинения должен обеспечивать измерение с погрешностью не более 0,002 мм.

3) Подготовка к испытанию Перед испытанием измеряют образец по ГОСТ 11262-80.

4) Проведение испытания

Испытание проводят при температуре и относительной влажности, указанных в нормативно-технической документации на конкретную продукцию. Образец закрепляют в машину так, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали с линией, соединяющей точки крепления зажимов на испытательной машине. На образце, закрепленном в зажимах, проводят установку и настройку прибора для измерения удлинения. Образец нагружают при скорости раздвижения зажимов испытательной машины, обеспечивающей скорость деформации образца (1,0±0,5) % в минуту. Нагружение осуществляют до величины относительного удлинения 0,5 %. Если образцы разрушаются до достижения относительного удлинения 0,5 %, нагружение проводят до меньшей величины деформации, установленной в нормативно-технической документации на конкретную продукцию.

Графическую запись нагрузки и деформации проводят в следующем масштабе:

- от 100 до 150 мм на диаграмме должно соответствовать 0,4 % относительного удлинения;

- не менее 100 мм на диаграмме должно соответствовать приращению нагрузки, соответствующему увеличению относительного удлинения на 0,4 %.

5) Обработка результатов По диаграмме определяют значения нагрузки, соответствующие величинам относительного удлинения 0,1 и 0,3%. Допускаются меньшие значения относительного удлинения для образцов, предусмотренных в ГОСТ 11262-80. Модуль упругости при растяжении в МПа вычисляют по формуле

, (2)

где F₂ - нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,3 %, Н; F₁- нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,1 %, Н;

l₀ - расчетная длина образца, мм;

А₀ - площадь начального поперечного сечения образца, мм;Размещено на http://www.allbest.ru/

l₂ - удлинение, соответствующее нагрузке F₂, мм;

l₁ - удлинение, соответствующее нагрузке F₁,мм.

За результат испытания принимают среднеарифметическое значение всех параллельных определений. Величину стандартного отклонения вычисляют по формуле

, (3)

где х_i - отдельное значение определяемого показателя;

- среднее значение определяемого показателя х; N - количество отдельных значений, входящих в расчет.

4. Расчетная часть

Для совершенствования технологии изготовления подшипников скольжения в данной работе предложено использовать композиционный материал на основе политетрафторэтилена в качестве втулки. Главной особенностью при подготовке этого материала является применение ультразвукового прессования. Полученные образцы прошли испытания, анализ извлеченных данных представлен далее.

Механические свойства образцов при растяжении определяли на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин.

4.1 Определение зависимости предела прочности композита от амплитуды колебаний

При определении основных технологических параметров ультразвукового прессования, как амплитуда колебаний волновода-пуансона, время и усилие прессования, а также влияние этих параметров на механические свойства (предел прочности и модуль упругости) композиционного материала были получены следующие результаты, представленные в таблице 5 и на рисунке 20.

Таблица 5 - Результаты испытаний «предел прочности - амплитуда колебаний»

	Значения
в предел прочности, МПа	12	16	18	28	27	20	15
Апмлитуда колебаний, мкм	8	10	12	14	16	18	20



Рисунок 21 - Зависимость предела прочности композита от амплитуды колебаний волновода-пуансона

На основании полученных данных было установлено, что влияние амплитуды колебаний волновода-пуансона на предела прочности композиционного материала имеет ярко выраженный экстремальный характер с максимумом 14 мкм. При этом усилие прессования составляет 27 МПа, а время прессования - 90 с.

4.2 Определение зависимости предела прочности и модуля упругости композита от времени прессования

Результаты исследований зависимости предела прочности и модуля упругости композита от времени прессования представлены в таблицах 6,7 и на графиках 21,22.

Таблица 6 - Результаты испытаний «предел прочности - время прессования»

	Значения (без ультразвука)
в предел прочности, МПа	20	21	22	22,5	23	23	23
Время прессования, с	30	45	60	75	90	105	120
	Значения (с ультразвуком)
в предел прочности, МПа	23	24	26	27	28	28	28
Время прессования, с	30	45	60	75	90	105	120

Рисунок 22 - Зависимость предела прочности композита от времени прессования

Таблица 7 - Результаты испытаний «модуль упругости - время прессования»

	Значения (без ультразвука)
Модуль упругости, МПа	195	200	210	220	240	240	240
Время прессования, с	30	45	60	75	90	105	120
	Значения (с ультразвуком)
Модуль упругости, МПа	240	260	280	290	300	300	300
Время прессования, с	30	45	60	75	90	105	120

Рисунок 23 - Зависимость модуля упругости от времени прессования

На основании полученных данных было установлено, что у образцов, изготовленных методом ультразвукового прессования, предел прочности выше на 15 %, а модуль упругости - на 23 % по сравнению с образцами, изготовленными по технологии без применения ультразвука. Дальнейшее увеличение времени прессования не приводит к изменению предела прочности и модуля упругости.

4.3 Определение зависимости предела прочности и модуля упругости композита от усилия прессования

Результаты исследований зависимости предела прочности и модуля упругости композита от усилия прессования представлены в таблицах 8,9 и на рисунках 23,24.

Таблица 8 - Результаты испытаний «предел прочности - усилие прессования»

	Значения (без ультразвука)
в предел прочности, МПа	20	21	23	23	23
Усилие прессования, МПа	43	54	65	76	87
	Значения (с ультразвуком)
в предел прочности, МПа	24	26	28	26	25
Усилие прессования, МПа	43	54	65	76	87

Рисунок 24 - Зависимость предела прочности от давления прессования

Таблица 9 - Результаты испытаний «модуль упругости - усилие прессования»

	Значения (без ультразвука)
Модуль упругости, МПа	205	215	230	230	230
Усилие прессования, МПа	43	54	65	76	87
	Значения (с ультразвуком)
Модуль упругости, МПа	240	270	300	275	260
Усилие прессования, МПа	43	54	65	76	87

Рисунок 25 - Зависимость модуля упругости от усилия прессования

Как видно, графики зависимостей имеют экстремальный характер с максимумом при усилии 65 МПа. При этом образцы, изготовленные методом ультразвукового прессования, имеют больший предел прочности и модуль упругости.

4.4 Определение зависимости предела прочности от температуры

Результаты исследований зависимости предела прочности от температуры представлены в таблице 10 и на рисунке 25.

Таблица 10 - Результаты испытаний « предела прочности - температура»

	Значения (без ультразвука)
Предел прочности, МПа	23	22	21	19	17	16
Температура, оС	20	40	60	80	100	120
	Значения (с ультразвуком)
Предел прочности, МПа	28	28	28	27	26	25
Температура, оС	20	40	60	80	100	120

Рисунок 26 - Зависимость предела прочности от температуры

Механические испытания при повышенных температурах показали, что у образцов изготовленных ультразвуковым прессованием предел прочности практически не изменяется до 80^оС, а от 80^оС до 110^оС изменяется на15 % (рисунок 25). Предел прочности образцов, изготовленных без ультразвука, с повышением температуры монотонно уменьшается и при 110^оС изменяется на 30 %.

4.5 Определение триботехнических характеристик

Образцы для триботехнических испытаний были изготовлены методом ультразвукового прессования, на режимах обоснованных полученными результатами первого этапа исследования (амплитуда колебаний волноводапуансона 15 мкм, усилие прессования 65 МПа, время прессования 90 секунд).

Испытания образцов проводили на специальном стенде МДС - 2, скорость скольжения составляла V=0,75 м/с, при давлении Р=2 МПа без смазки. Результаты триботехнических испытаний приведены на рисунке 26.

1 - скорость изнашивания, I; 2 - момент трения, Мтр; 3 - коэффициент трения, fтр

Рисунок 27 - Характеристики триботехнических свойств ПКМ:

В результате проведенных исследований установлено, что применение ультразвукового прессования, в технологии производства подшипников скольжения (время прессования - 90 секунд, усилие прессования - 65 МПа, амплитуда колебаний волновода пуансона - 15 мкм), позволяет повысить предел прочности на 15 %, модуль упругости на 23 %, при этом скорость изнашивания снижается на 23 %, а коэффициент трения на 15 %.

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Общие требования техники безопасности

Техника безопасности - это комплекс мероприятий организационно-технического характера, которые направлены на создание безопасных условий труда на предприятии, позволяя снизить или исключить производственный травматизм. В том числе охрана труда на предприятии включает в себя обеспечение персонала инструкциями по технике безопасности, оснащение рабочих мест плакатами и наглядными пособиями по работе с оборудованием и изображениями, визуализирующими наиболее опасные места на производстве и действия, предотвращающие производственный травматизм.

Для снижения производственного травматизма, сотрудники также обязаны придерживаться определенных требований и правил поведения на рабочем месте, которые предусматривает техника безопасности:

1) При поступлении на работу, работник независимо от образования, стажа работы по данной профессии или должности, обязан получить в отделе промышленной безопасности, охраны труда и окружающей среды (ОПБ ОТиОС) вводный инструктаж, во время которого работник знакомится с обязательными для всех работающих правилами поведения на территории завода, сведениями об особенностях производства, требованиями охраны труда и производственной санитарии, мерами противопожарной безопасности и другой информацией в области охраны труда и технике безопасности;

2) В последующем, работники завода получают повторный инструктаж по охране труда, не реже одного раза в 3 месяца. Внеплановый инструктаж проводится: при переводе на другую работу; при изменении условий труда; при нарушении работниками требований правил техники безопасности; при несчастных случаях, при аварии, при введении в действие новых или переработанных стандартов, правил, методических указаний, инструкций по охране труда, по требованию органов надзора, при перерывах в работе более 60 календарных дней, а для работающих на работах повышенной опасности - 30 дней. Целевой инструктаж проводят при выполнении разовых работ, не связанных с прямыми обязанностями работника, при ликвидации последствий аварий, стихийных бедствий и катастроф, а также, при проведении работ повышенной опасности;

3) На территории завода работник обязан быть осторожным по отношению к движущемуся транспорту и перемещаемым грузам, обращать внимание на сигналы машинистов крана и водителей транспортных средств;

4) Строго выполнять указания предупредительных и запрещающих плакатов и надписей, световых и звуковых сигналов;

5) Основными вредными и опасными производственными факторами на предприятии являются:

воздействие движущихся деталей и частей оборудования;

повышенный уровень производственного шума;

движущийся электротранспорт и автотранспорт;

перемещение грузов с помощью грузоподъемных механизмов (ГПМ);

воздействие электрического тока;

воздействие технологических растворов и смазок;

тепловое излучение на горячих участках работ.

6) Администрация не вправе требовать от работников выполнения работы, сопряженной с явной опасностью для жизни и здоровья или безопасность выполнения которой работнику неизвестна;

7) Работники обязаны работать в спецодежде, специальной обуви и других средствах индивидуальной защиты выданных, согласно Перечню средств индивидуальной защиты, разработанным в соответствии с типовыми отраслевыми нормами. Правильно пользоваться средствами коллективной защиты, защитными и предохранительными средствами;

8) Работник обязан соблюдать правила пожарной безопасности, уметь пользоваться первичными средствами пожаротушения и знать места их размещения;

9) Лица, не выполняющие требования настоящей инструкции, привлекаются к ответственности, согласно Правилам внутреннего трудового распорядка предприятия и действующего законодательства.

5.2 Травмы при нарушении техники безопасности и рекомендации

Человеческому организму свойственно ошибаться и зачастую такие ошибки могут привести к тяжелым последствиям. Они могут быть вызваны, производственными факторами (неисправность станка, затупление резца и т.д.), а так же личными факторами (повышенная раздраженность, переживания и т.д.). Соответственно происходят случаи, когда человек может потерять концентрацию при работе и вследствие чего это может привести к травмам различного рода. Перечень травм, которые рабочий может получить определен в инструкции по охране труда:

– раны и ушибы;

– растяжения и разрывы связок;

– вывихи;

– переломы;

– ожоги термические;

– ожоги химические;

– отморожения;

– электротравмы;

– обморок;

– тепловой удар;

– отравления;

– отравление угарным газом.

Стоит отметить, что травмы бывают, как легкие в виде царапин, ссадин или небольших ушибов, так и тяжелые, при которых необходима помощь врача.

Согласно инструкции «По охране труда для работников цехов и отделов» повторный инструктаж происходит для работников не реже 1 раза в 3 месяца. Внеплановый инструктаж происходит при переводе работника на другую работу. Целевой инструктаж проводят при выполнении разовых работ, не связанных с прямыми обязанностями работника, при ликвидации последствий аварий, стихийных бедствий и катастроф, а также, при проведении работ повышенной опасности.

Для снижения показателя травмоопасности людей на предприятии, рекомендуется разработать ряд мероприятий:

– по учащению проведения инструктажа по технике безопасности в цехах до 1 раза в 1-2 месяца в зависимости от уровня опасности работ;

– распространить в цехах на каждое рабочее место краткую инструкцию по техники безопасности на рабочем месте;

– следить за обновлением и модернизацией оборудования в цехах с целью своевременного обновления техники безопасности на рабочем месте, а так же способствованием ее распространению, и проведению повторного инструктажа.

Так же рекомендуется внедрить в инструкцию «По охране труда для работников цехов и отделов» раздел, касающийся действий работников предприятия при возникновении чрезвычайных ситуаций (ЧС):

– природного характера (метеорологические, гидрометеорологические и пожарные ЧС);

– техногенного характера (химические, гидродинамические аварии, обрушение зданий или сооружений);

– военного характера.

5.3 Требования по охране окружающей среды

Одной из важнейших задач современности является проблема защиты окружающей среды. Производство подшипников связано с выбросами загрязняющих веществ и образованием отходов. Для снижения негативного влияния на окружающую среду сотрудники обязаны выполнять определенные требования и правила поведения на рабочем месте, которые предусматривают:

– работник предприятия должен знать требования Экологической политики завода и при выполнении своей работы способствовать достижению основного принципа Экологической политики - последовательного снижения отрицательного воздействия предприятия на окружающую среду;

– работник должен выполнять свою работу с соблюдением требований природоохранного законодательства РФ;

При выполнении работ необходимо соблюдать следующие правила:

– все работы проводить в строгом соответствии с технологическими процессами, инструкциями и процедурами для данного вида работ;

– не допускать розлива и утечек СОЖ, масел и технологических растворов (при их наличии на рабочем месте);

– собирать образующиеся в процессе работы отходы (раздельно по видам) в специально предназначенные для этих целей емкости, установленные в подразделении;

– не допускать попадания отходов: масла, технологических жидкостей, на почву, дороги и в ливневые стоки;

– отходы, являющиеся вторсырьем (чистая бумага, картон, чистый полиэтилен, пластмасса, отходы металла) собирать в специальные емкости и не допускать смешивание с другими отходами производства.

5.4 Требования безопасности при работе с политетрафторэтиленом

Продукт полимеризации тетрафторэтилена представлен в соответствии с ГОСТ 10007-80 материалом фторопластом-4 /28/. Фторопласт-4 обладает стойкостью к сильным агрессивным средам и работает при температуре до плюс 260 °С. Относится к группе трудногорючих материалов по ГОСТ 12.1.044-89. При нагревании фторопласта-4 выше 260 °С могут выделяться летучие продукты термоокислительной деструкции, содержащие в своем составе: фтористый водород, перфторизобутилен, оксид углерода и тетрафторэтилен.

Таблица 11 - Предельно допустимые концентрации фторопласта-4

Наименование вещества	Предельно допустимая концентрация, мг/м3	Класс опасности
Водород фтористый	0,5/0,1	1
Перфторизобутилен	0,1	1
Углерода оксид	20	4
Аэрозоль фторопласта-4	10	4
Тетрафторэтилен	30	4

Предельно допустимые концентрации фторопласта-4 в воздухе рабочей зоны производственных помещений согласно ГОСТ 12.1.005-88 приведены в таблице 11 /28/.

При превышении предельно допустимых концентраций фтористый водород, тетрафторэтилен, перфторизобутилен, раздражают слизистые оболочки дыхательных путей, вызывают воспалительные процессы органов дыхания, а при высоких концентрациях - отек легких. Оксид углерода вызывает удушье, действует на центральную нервную систему. Вдыхание высокодисперсных частиц самого полимера, а также летучих продуктов, выделяющихся из фторопласта-4 при нагревании, вызывает явление "полимерной" лихорадки, напоминающее металлическую (высокая температура, озноб, раздражение верхних дыхательных путей, одышка, кашель).

Работа с фторопластом-4 должна проводиться в производственных помещениях, оборудованных приточно-вытяжной вентиляцией. Оборудование должно иметь местную вытяжную вентиляцию.

Работники обязаны работать в спецодежде, специальной обуви и других средствах индивидуальной защиты. В соответствии с типовыми отраслевыми нормами, при работе с фторопластом-4 работникам выдается бесплатно один раз в год полукомбинезон хлопчатобумажный, ботинки кожаные с гладким верхом и один раз в месяц 2 пары рукавиц комбинированных.

В производственных помещениях должен быть вывешен знак "Запрещается курение" по ГОСТ 12.4.026-76.

При работе с фторопластом-4 возможно скопление зарядов статического электричества. Для уменьшения скопления зарядов статического электричества относительная влажность на рабочих местах должна быть не менее 50%. Для защиты от статического электричества металлические конструкции должны быть заземлены по ГОСТ 12.1.018-86.

Работу в аварийных случаях (перегрев печей, нагревательных приборов, пожар и т. д.) следует проводить в противогазах марок ПШ-1, ПШ-2, ИП-46 и ИП-48, КИП 8. При загорании фторопласта-4 применяются средства пожаротушения: распыленная вода, пена, песок, асбестовое одеяло, углекислотный огнетушитель.

6. Определение технико-экономической эффективности разработки

В разделе технико-экономического обоснования определим экономическую эффективность в результате совершенствования технологии изготовления подшипника скольжения из композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ). Это позволяет понизить себестоимость изделия, повысить их надежность и долговечность.

Одним из способов повышения механических и триботехнических свойств политетрафторэтилена, является применение на этапе прессования нового технологического способа в качестве вибрационного воздействия - наложения ультразвуковых колебаний на прессуемый материал.

6.1 Сравнительная характеристика базовой и новой технологий

В настоящее время элементы деталей узлов трения подшипника скольжения, изготовленных из различных металлов и сплавов, постепенно заменяют композиционными материалами. В качестве усовершенствования технологии изготовления подшипника скольжения, предложено заменить материал, из которого изготовлена втулка. По базовой технологии втулка выполнена из бронзы с нанесенным на внутреннюю поверхность композитом. По новой технологии предложено изготовить данный узел подшипника полностью из композиционного материал на основе политетрафторэтилена с комплексным наполнителем - модификатором, причем используя при подготовке материала вместо механического прессования - ультразвуковое. Что в свою очередь позволяет улучшить прочностные характеристики подшипников скольжения:

- повышение предела прочности на 15 % и модуля упругости на 23 %;

- снижение скорости изнашивания на 25 % и коэффициента трения на 15 %.

Таблица 12 - Сравнительные характеристики по базовой и новой технологиий

Показатели	Базовая технология	Новая (модернизированная) технология
Годовая производительность, шт.	100000	100000
Срок службы выпускаемых изделий, часы (1 ед)	3000	3750
Коэффициент повышения износостойкости подшипника	-	1,25

6.2 Годовые затраты на изготовление изделий

Расчет годовых затрат на совершенствование производства подшипников скольжения выполняется в соответствии с классификацией затрат по экономическим элементам.

Материальные затраты (МЗ) определяются исходя из фактического потребления каждого вида материальных ресурсов и цены за единицу измерения данного вида ресурсов в рыночных ценах. По базовой технологии подшипник скольжения собран из элементов, выполненных из бронзы марки Бр.ОФ10-1 ( корпус, на внутреннюю поверхность втулки нанесено композиционное покрытие). В качестве примера рассматривается корпус размером 40 Ч 50 ГОСТ 11521 - 82 ( корпус подшипника для вала с d = 40 мм и В = 50 мм.). Дополнительно в смазочные отверстия втулки вносят слой антифрикционного материала. Согласно базовой технологии, материальные затраты на сырье и исходные материалы составляют 44000,0 тыс. руб. По новой технологии втулку из бронзы заменяют полностью на композиционный материал на основе политетрафторэтилена с комплексным наполнителем-модификатором, содержащим 8 % графита, 2 % дисульфида молибдена (MoS₂), причем предварительно прошедший ультразвуковое прессование. Затраты на изготовление подшипника с композитом составляют 37984,0 тыс. руб.

Затраты на оплату труда (ФОТ) определяются исходя из количества рабочих, обслуживающих данную технологию и среднего уровня оплаты труда данной категории рабочих. По старой технологии затраты составляют 3552,0 тыс. руб. По новой технологии предусмотрено сокращение 1 рабочего в связи с отменой технологической операции - обработки отверстия втулки, следовательно оплата труда составляет 3288,0 тыс. руб.

Отчисления от заработной платы (ЕСН) определяются в соответствии с законодательно установленным уровнем отчислений на социальное страхование (на 2014 год - 26 %) от ФОТ.

Амортизация оборудования (А) зависит от категории оборудования, балансовой стоимости оборудования и рекомендуется брать в среднем 10 % от балансовой стоимости. Стоимость оборудования по базовому производству составляет 65000,0 тыс. руб. Для производства по новой технологии предусмотрено приобретение ультразвукового аппарата модели АУП - 1/22 - 0, стоимостью 350,0 тыс. руб.

Прочие затраты (ПЗ) включают затраты на электрическую энергию, топливо, затраты на дополнительные запасные части, затраты на содержание и ремонт, накладные расходы и прочее. Условно принимаем расход в размере 3552,0 тыс. руб.

Строка «Затраты на потери от брака» (ЗБ) заполняются при наличии брака.

Общая сумма затрат (себестоимость - С) рассчитывается как сумма по всем статьям затрат.

Таблица 13 - Годовые затраты на изготовление изделий

Статьи затрат	Условные обозначения	Базовая технология	Новая технология
Материальные затраты, тыс. руб.	МЗ	44000,0	37984,0
Затраты на оплату труда, тыс. руб.	ФОТ	3552,0	3288,0
Отчисления от заработной платы, тыс. руб.	ЕСН	923,52	854,88
Амортизация оборудования, тыс. руб.	А	6500,0	6535,0
Прочие затраты, тыс. руб.	ПЗ	3552,0	3552,0
Затраты на потери от брака, тыс. руб.	ЗБ	-	-
Итого затрат	С	58527,52	52213,88

6.3 Затраты на капитальные вложения

Для совершенствования технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена потребуются капитальные вложения в размере 350,0 тыс.руб.

Таблица 14 - Затраты на капитальные вложения

Показатели	Условные обозначения	Базовая технология	Новая (модернизированная) технология
Балансовая стоимость технологии, тыс. руб.	БС	6500,0	6500,0
Дополнительные затраты на модернизацию, тыс. руб.	К	-	350,0
Стоимость технологии с учетом капитальных вложений		6500,0	6850,0

6.4 Расчет экономического эффекта от применения модернизации имеющейся технологии

Рассчитываем экономический эффект в форме прибыли и срок окупаемости дополнительных капитальных вложений от совершенствования технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена.

Таблица 15 - Расчет экономического эффекта

Показатели	Условные обозначения, расчет	Базовая технология	Новая (модернизированная) технология
Годовой объем выпускаемых изделий, тыс. шт.	Vн	100,0	100,0
Рыночная цена единицы выпускаемого изделия, руб.	Ц	600	700
Годовой объем выпускаемых изделий, тыс. руб.	Vс=Vн*Ц	60000,0	70000,0
Годовые затраты на изготовление изделий, тыс. руб.	С (таб.7.2)	58527,52	52213,88
Прибыль от выпуска изделий, тыс. руб.	П=Vс-С	1472,48	17786,12
Рентабельность производства, в процентах	Р=П/ Vс*100	2,5	25,4
Экономический эффект, тыс. руб.	Э=Пнт-Пбт* = 17786,12 - 1472,48 = 16313,64
Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений, год	Т=(Снт-Сбт)/ К** = 2,5

Совершенствование технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена позволит понизить себестоимость изделий, повысить их надежность и долговечность. Данный тип подшипников востребован при определенных режимах работы, как на близко расположенных валах, для особо точного и равномерного вращения и точного поворота механизмов, во вспомогательных тихоходных малоответственных механизмах.

подшипник скольжение композит политетрафторэтилен

Заключение

Поскольку подшипники скольжения подвергаются воздействиям различного характера, при их создании становится актуальным применять полимерные композиты. Как показывает анализ исследований в этом направлении, перспективным материалом становится политетрафторэтилен.

В данной дипломной работе были предложены пути по усовершенствованию технологии изготовления подшипников скольжения из композиционных материалов, состоящие в следующем:

- предложен состав композита на основе политетрафторэтилена;

- для повышения качества прессования рекомендовано применить уплотнение композиционного материала с помощью ультразвуковых колебаний.

Установленные зависимости прочностных характеристик от амплитуды колебаний, времени и усилия прессования, показали повышение показателей до 23 % по сравнению с обычным методом прессования.

Разработка нового подшипникового материала позволяет понизить себестоимость изделий, повысить их надежность и долговечность, а также играет ключевую роль в процессе адаптации подшипников скольжения к решению как сегодняшних, так и перспективных задач.

Список литературы

1 Черменский, О.Н. Подшипники качения. Справочник-каталог / О.Н. Черменский, Н.Н.Федотов. - М: Машиностроение, 2003. - 576 с.

2 Иванов, М.Н. Детали машин: учебник для втузов / М.Н. Иванов. - Издание: "Высшая Школа", 2003. - 383 с.

3 Ball and Roller Bearings. Сat. №2202. NTN, 2001. - Интернет / www.prompk.ru

4 Чернилевский, Д.В. Детали машин и основы конструирования: учебник для вузов / Д.В. Чернилевский. - М.: Машиностроение, 2006. - 656 с.

5 Черногоров, Е.Н. Подшипники скольжения: учебное пособие / Е.Н. Черногоров. - Южно-Уральский государственный университет, 2013. - 53 с.

6 ГОСТ ИСО 4378-1-2001. Подшипники скольжения. Термины, определения и классификация. Часть 1. Конструкция, подшипниковые материалы и их свойства. - Введ. 2002-07-01. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. - 17 с.

7 Детали машин: учебник для вузов / Л.А. Андриенко [и др.] Под ред. О.А. Ряховского; М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. -- 520 с.