Иркутский осударственный университет путей сообщения (Автоматизации производственных процессов, старший преподаватель)
с 01.01.2020 по 01.01.2023
УДК 62-1 Общие характеристики
УДК 62-9 Рабочие характеристики, параметры и условия (процессов и установок)
УДК 621.2.082.18 трения
На железнодорожном транспорте применяется большое количество полимерных деталей, работающих в сложных условия, испытывающих на себе недопустимый износ из-за работы в открытых узлах трения с присутствием запылённости и загрязнения без какой-либо жидкостной смазки. Существующие технологии, решающие эту проблему, применяются только при изготовлении самого материала детали, которые влекут за собой изменение эксплуатационных свойств всей детали, но нет технологии, которая будет изменять эксплуатационные свойства только поверхностного слоя. Для решения данной проблемы разрабатывается новый технологический процесс повышения эксплуатационных характеристик готовых полимерных деталей. Данная технология заключается в наполнении масляной смесью их поверхностного слоя на заданную глубину большего допустимого износа. Одним из самых важных этапов разработки данного технологического процесса является определение различных условий и режимов обработки, необходимых для обеспечения параметров технологического процесса. Для решения этой цели в работе сформирована целевая функция двух параметров. В данной работе определены критерии оценивания параметров технологического процесса маслонаполнения. Для определения границ параметров целевой функции выполнены аналитические расчеты и экспериментальные исследования по определению температурных границ применения смеси для наполнения, исходя из температуры ее кипения и испарения гексана из нее. Благодаря определенным начальным и граничным условиям определены рекомендованные режимы для выполнения технологического процесса маслонаполнения. Итогом работы стало определение конкретных границ целевой функции двух параметров и порядок этапов проведения технологического процесса, что позволяет обеспечить его стабильность и производительность.
маслонаполнение, технологический процесс, режимы обработки, начальные условия, граничные условия, целевая функция
Введение
В машиностроение присутствуют узлы трения с полимерными деталями, работающими в условиях обеднённой или безжидкостной смазки. Данные детали под нагрузкой испытывают значительный износ. Примерами таких деталей могут быть втулки, вкладыши, проставки, прокладки и т. д.. Подобные детали, работающие в таких условия, присутствуют в тележках грузовых или пассажирских вагонов на железной дороге. Существующие технологии, повышающие ресурс полимерных деталей, производятся только при изготовлении самого материала, при этом меняются эксплуатационные свойства всей детали.
Увеличение износостойкости (за счет добавления в расплав полимера масла, графита и т. п.), влечет за собой повышение пластичности полимера, а комбинированное решение по добавлению (например, масла и углеволокна) для увеличения жесткости и уменьшения износа, усложняет технологии по их механической обработке [1]. Исходя из этого, возникает необходимость в разработке технологии, которая позволит повысить эксплуатационные свойства только поверхностного слоя, не изменяя свойства всей детали.
Для решение данной проблемы, основываясь на том, что полимеры способны впитывать в себя влагу, например, для полиамида до 10 % [2], и согласно уже существующим технологиям пропитки полимеров для целей: понижения износа в узлах трения, увеличения жесткости при механической обработке, наполнения краской пористой резины по Flash-технологии для штампов оттисков на бумажных документах [3, 4], возникает возможность в разработке технологии наполнения маслом готовых полимерных деталей на заданную глубину, которая будет выше допустимого износа.
Данный процесс позволит повысить качество поверхностного слоя за счет уменьшения износа, не изменяя эксплуатационные свойства всей детали, работающей в условиях отсутствия внешней жидкостной или какой-либо смазки. Данная технология обеспечит повышение срока межремонтного обслуживания и долговечность маши, имеющие в себе узлы сухого трения или в случаях долгого простоя закрытых узлов с жидкостной смазкой, в которых присутствуют полимерные или композиционные детали. Но для того, чтобы разработать данный технологический процесс наполнения полимерных деталей, необходимо определить его начальные и граничные условия, а также его режимы, необходимые для обеспечения его параметров таких как: стабильность, производительность и качество [5].
Материалы и методы
Для обеспечения установленных параметров технологического процесса необходимо сформировать целевую функцию и определить критерии, по которым они будут оцениваться [6]. Необходимо учесть, что критерий оценивания должен соответствовать следующим требованиям: иметь определенный физический смысл, иметь численное выражение, быть максимальным или минимальным для советующего параметра. Итак, критерии оценивания и их обеспечивающие факторы параметров технологического процесса:
– критерием оценивания стабильности является минимальное отклонение результатов скорости пропитки и повышение эксплуатационных характеристик поверхностного слоя при одних и тех режимах должно обеспечиваться начальными и граничными условиями, а также выполнение кондиционирования детали, согласно ГОСТ 12423-2013, перед проведением технологического процесса;
– критерием оценивания производительности является скорость пропитки, обеспечиваемая оптимальными параметрами технологического процесса;
– критерием оценивания качества готовой детали является повышение ее эксплуатационных характеристик, обеспечивается также оптимальными режимами проведения процесса маслонаполнения.
Как было выяснено для повышения производительности и качества готовой детали необходимо определить оптимальные режимы. Согласно проведенному литературному исследованию, найден технологический процесс, разработанный авторами [7], заключающийся в термовакуумном наполнении полиамидных образцов моторным маслом М8-В с добавлением в наполнитель гексана с целью повышения скорости и глубины пропитки за счет понижения его вязкости. Данные исследования были взяты за основу разработки нового технологического процесса маслонаполнения полимерных деталей.
В данной работе авторы применяли термовакуумную сушку полиамидных образцов с целью избавления от влаги в теле полимера, эти действия необходимы для освобождения места под заполнение масляной смесью в открытые поры. Исходя из этого, для повышения эффективности пропитки полимера смесью, было принято использовать электротермический способ нагрева в поле высокой частоты, заключающийся в размещении детали между двумя пластинами, имитирующими конденсатор, в котором под действием переменного поля высокой частоты происходит нагрев диэлектрического материала средней и высокой полярности. Для этой задачи была рассмотрена технология электротермической сушки полимерных и композиционных материалов, в котором определение достижения сухого состояния осуществлялся за счет контроля анодного тока [8]. Согласно этому исследованию, для операции технологического процесса сушки технологическим режимом будет являться величина анодного тока.
Так как после выполнения операции сушки происходит само наполнение, то важно учесть, что полимерная деталь будет находиться в горячем состоянии, а полного охлаждения допустить нельзя из-за факта гигроскопичности полимеров, исходя из этого, необходимо учесть при какой температуре будет производиться пропитка при подаче наполнителя или погружение полимерной детали в наполнитель. Как было рассмотрено ранее, исходя из понижения вязкости масляного наполнителя режимами самой операции маслонаполнения будет являться: процентное содержание гексана (вязкость) и температура полимерного образца.
Исходя из проведенного анализа, стало необходимо формирование целевой функции для достижения повышения производительности или же достижения повышения качества. Так как оба эти параметра зависят от одних и тех же режимов обработки и стремятся к максимуму, целевая функция, состоявшая из двух параметров, составлена на примере скорости пропитки по достижении кратчайшего времени пропитки на заданную глубину полимерной детали (1):
(1)
где u – скорость пропитки, мм/с, Т – температура полимерной детали, ℃, μ – вязкость наполнителя, Па∙с.
Для выполнения данной целевой функции необходимо определение начальных граничных условий ее параметров. Для этой цели принято предварительное ограничение для вязкости:
Для определения начальных температурных пределов необходимо определить начальные и граничные условия. Данные условия также обеспечивают стабильность технологического процесса и будут зависеть от температуры окружающей среды, а также вследствие присутствия гексана в смеси ввиду факта его выхода из нее из-за низкой температуры кипения по сравнению с маслом М8-В, можно делать вывод, что начальной температурной границей целевой функции будет являться температура, советующая нормальным условия, а конечная температура ‒ началом испарения гексана из смеси:
Результаты исследований
Дальнейшим действием стало определение итоговых границ параметров целевой функции. В целях определения конкретных границ параметров целевой функции определены начальные условия технологического процесса маслонаполнения, которые соответствуют нормальным условиям, согласно ГОСТ 8.395-80: температура 25 ± 2 ℃; давление 750 ± 5 мм рт. ст.; влажность 55 ± 10 %.
Далее стало необходимо определение граничных условий проведения процесса маслонаполнения. Определенные граничные условия определены, исходя из решения добавления гексана в масло. Поэтому первым этапом для их определения выяснено, при каких критических температурах можно проводить процесс маслонаполнения, для этого проведен расчет температуры кипения масляного наполнителя.
Для проведения расчетов было принято решение взять три основных пропорции гексана с маслом, представленных в табл. 1 в первом столбце. Само выполнение расчета основывалось на законе Рауля, при смешивании двух материалов, в котором один – растворитель, другой – растворяемое вещество, происходит процесс разбавления. Исходя из этого закона, температура кипения смеси понижается относительно температуры кипения масла. Поэтому важно знать при какой температуре для отдельной концентрации это происходит.
В данном случае гексан (С6Н14) является растворителем, а моторное масло М8-В растворяемым веществом.
Из полученных результатов видно значительное уменьшение температуры кипения смеси гексана и масла по сравнению с температурой кипени чистого масла, 190 ℃. Полученные результаты указывают на критические температурные граничные условия превышения, которых нельзя допускать. Исходя из этого, необходимо определить рекомендованные граничные условия, которые определяются исходя из условий испарения гексана из наполнителя, превышение которых может привести к снижению эффективности пропитки: снижению стабильности и производительности технологического процесса.
Для решения этой задачи проведен эксперимент по определению рекомендованных граничных условий – определение температуры начала испарения гексана из смеси с маслом для различных пропорций. Для данного исследования разработан нагревательный стенд (рис. 2), состоящий из нагревательного элемента 1, ванны 2, расположенного на нем с прозрачной крышкой 4, необходимой для определения процесса испарения гексана из смеси, путем образования капель на ней. Контроль температуры смеси и нагревательного элемента производится по термопарам. Поддержание заданной температуры нагревательного элемента производится с помощью твердотельного реле и регулятором нагрева. Для проведения эксперимента написана управляющая программа, загруженная в управляющую плату.
Согласно полученным данным выяснено, что для содержания гексана 20 % рекомендованная температура не выше 91 ℃, а для 60 % – температура 52 ℃. Данные температурные границы гарантируют обеспечение стабильности выполнения технологического процесса. Также видна схожая закономерность падения температуры как для зависимости испарения, так и зависимости кипения наполнителя от процентного содержания гексана.
Исходя из полученных результатов, следующим этапом исследования стала задача определить какие необходимо назначать режимы технологического процесса маслонаполнения. Согласно выявленному ранее, режимами технологического процесса будут являться: для операции сушки – величина анодного тока; для проведения операции наполнения – процентное содержание гексана и температура полимерной детали. Так как уже определены значения процентного содержания гексана согласно табл. 1 и табл. 2. Далее необходимо назначить рекомендованные температуры полимерной детали, исходя из граничных условий по кипению смеси и испарению гексана из масла.
Итогом рекомендованных режимов технологического процесса маслонаполнения является следующее:
– 20 %, 40 %, 60 %, температура – 35 ℃;
– 20 %, 40 %, 60 %, температура – 50 ℃;
– 20 %, 40 %, температура – 75 ℃.
Также стоит указать, что еще одним важным режимом технологического процесса будет время пропитки, исходя из определённой скорости наполнения для каждого конкретного полимерного материала. Данное значение режима необходимо для достижения глубины пропитки, которая должна быть больше допустимого износа полимерной детали. Определение скорости пропитки возможно определять экспериментально или с применением математической модели маслонаполнения.
Сформированные режимы технологического процесса: анодный ток; пропорции смеси; температура детали; время пропитки; подбор данных режимов направлены на повышение стабильности и производительности процесса, а также повышение качества поверхностного слоя полимерной детали.
Обсуждение результатов исследования
Проведенные исследования позволили сформировать целевую функцию и определить конкретные границы параметров целевой функции технологического процесса. Согласно определенным условия и рекомендованным режимам данные границы параметров целевой функции будут иметь вид (11):
Исходя из проведённых исследований можно сформировать предварительный порядок этапов проведения технологического процесса маслонаполнения: кондиционирование детали; подготовка смеси с необходимым процентным содержанием гексана в масле; ВЧ-сушка, контроль анодного тока; охлаждение детали до температуры советующей пропорции смеси; погружение детали в масляный наполнитель или подача масляного наполнителя; контроль достижения наполнения на заданную глубину проникновения [9, 10].
Заключение
Результатом проведенных исследований стала разработка и определение научных подходов разработки технологического процесса маслонаполнения, путем выполнения аналитических расчетов и проведения экспериментов, что позволило определить начальные и граничные условия, а также рекомендованные режимы, благодаря которым сформирован предварительный порядок этапов проведения технологического процесса.
Также сформированная целевая функция и определённые границы ее параметров позволяют определить режимы, наиболее благоприятно сказывающие на параметрах технологического процесса: производительность и качество, достижение наибольшей скорости пропитки и достижение наибольшего повышения износостойкости готовой полимерной детали [11].
Благодаря данной целевой функции появляется возможность в проведении исследования оптимальных режимов технологического процесса, которые дадут наилучший результат по проникновению наполнителя за кротчайшее время на заданную глубину тела не менее чем на допустимую величину износа полиамидной детали.
Результаты проведенной работы направлены на обеспечение повышения стабильности и производительности технологического процесса, а также повышение качества готовой полимерной продукции, что позволит повысить межремонтный ресурс и долговечность деталей, применяемых на железной дороге в частности, так и в машиностроении в целом.
1. Бычковский В.С., Филиппенко Н.Г. Попов С.И., Попов А.С. Термовакуумное нанесение самосмазывающихся покрытий полимерных материалов узлов трения машин и механизмов транспортного машиностроения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2018. № 2 (58). С. 58-64.
2. Butorin D.V., Filippenko N.G., Livshits A.V., Popov S.I. Analysis of failures of bearings of axle box unit with polyamide cages and prospects of increasing their service life // Article Scopus. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Conference on Transport and Infrastructure of the Siberian Region, SibTrans 2019. 2020. P. 1001-1010.
3. Буторин, Д.В., Чуклай И.В., Филиппенко Н.Г. Технология маслонаполнения полимерных и композитных антифрикционных материалов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы Седьмой международной научно-практической конференции, посвященной 355-летию со дня основания города Иркутска, 29 марта - 01 апреля 2016 г. Иркутск: в 2 т., Т.2. Иркутск: ИрГУПС, 2016. С. 490-495.
4. Ярославцев В.М. Высокоэффективные технологии обработки изделий из композиционных материалов // Электронное научно-техническое издание «Наука и образование» МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. №4. С. 1-24.
5. Шахрай С.Г., Ржечицкий Э.П., Горовой В.О. Исследование параметров технологических процессов и анализ производительности оборудования // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 3 (51). С. 84-88.
6. Тлустенко С.Ф., Коптев А.Н. Методология оптимизации целевых функций технологических систем производства летательных аппаратов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2020. № 6, T. 22. C. 36-42.
7. Буторин Д.В., Филиппенко Н.Г., Лившиц А.В., Егоров А.И., Грамаков Д.С. Технология жидкофазного наполнения полимеров и композитов на их основе моторными маслами Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2017. Т. 2. С. 422-431.
8. Филиппенко Н.Г. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 1 (33). С. 101-107.
9. Бычковский В.С., Филиппенко Н.Г., Лившиц А.В., Баканин Д.В., Фарзалиев Э.Ф. Автоматизированный способ контроля наполнения маслом полимерных и композиционных материалов // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2021. Т. 68. № 4 (45). С. 9-16.
10. Bychkovsky V., Butorin D., Bakanin D., Filippenko N., Kuraitis A., Larchenko A. Contact method of volume control of temperature of a polymer sample at high-frequency heating. // Article Scopus. Journal of physics: conference series. International scientific conference energy management of municipal facilities and sustainable energy technologies. 2020. P. 123-158.
11. Бычковский В.С., Филиппенко Н.Г., Лившиц А.В., Баканин Д.В., Фарзалиев Э.Ф.О. Сравнительный анализ физико-эксплуатационных характеристик полимерных образцов, наполненных маслом // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2022. № 2 (47). Т. 69. С. 91-96.
