Разработка технологии получения фрикционных материалов для реставрации тормозных колодок железнодорожных вагонов

Содержание
Введение …………………………………………………………………………..5
1 Литературный обзор ……………………………………………………………7
1.1 Термопластичные полимеры …………………………………………….7
1.1.1 Полиолефины ………………………………………...........................7
1.1.2 Термоэластопласты ………………………………………………….8
1.2 Виды и особенности свойств термоэластопластов …………………….9
1.3 Получение, переработка и применение термоэластопластов ………..11
1.3.1 Получение термоэластопластов …………………………………...11
1.3.2 Твердофазная полимеризация ……………………………………..11
1.3.3 Переработка термоэластопластов ………………………………....12
1.3.4 Применение термоэластопластов ………………………………....12
1.4 Основы создания фрикционных изделий………………………….......16
1.4.1 Практические примеры решения задач триботехники…………..16
1.4.2 Сроки службы трущихся деталей машин………………………….17
1.4.3 Рабочие поверхности деталей и их контактирование. общие сведения деталей и ее геометрия…………………………………………………….18
1.4.4 Шероховатость поверхности……………………………………...18
1.4.5 Показатели качества поверхности…………………………………..19
1.4.6 Механизм изнашивания полимеров и еомпозиций на их основе...20
1.4.7 Материалы для трущихся деталей. разделение материалов деталей пар трения по их назначению……………………………………………..21
1.4.8 Композиционные материалы ( кпм ) в качестве антифрикционных материалов………………………………………………………………...22
1.4.9 Численные критерии работоспособности материалов в парах трения.……………………………………………………………………...25
1.4.10 Некоторые правила сочетания материалов……………….…..27
2 Основы создания фрикционных изделий.…………………………………....33
2.1 Объекты исследования …………………………………………….........33
2.2 Методы исследований ……………………………………………..........34
2.2.1 Определение плотности ……………………………………............34
2.2.2 Способ получения ТЭП ………………………………………........35
2.2.3 Изготовление образцов для испытаний …………………………..36
2.2.4 Определение показателя текучести расплава …………………….36
2.2.5 Методы исследования реологических свойств …………………..38
2.2.6 Исследования релаксации напряжений ТЭП ……………………..39
2.2.7Исследование деформационно-прочностных свойств ТЭП …......39
2.2.8 Исследование динамических механических свойств ТЭП ……...40
2.2.9 Метод оценки долговечности ТЭП …………………………........40
2.2.10 Структурные исследования ……………………………………...41
2.2.11 Определение теплопроводности …………………………….......41
3 Научно-исследовательская часть ……………………………………………44
3.1 Разработка твердофазного метода получения ТЭП при экструзии….44
3.2 Релаксационные свойства и структурные характеристики ТЭП ……47
3.3 Реологические свойства высоконаполненных ТЭП …………………..51
3.4 Технология твердофазной полимеризации СКМС-30 и ПЭНД в процессе экструзии ……..………………………………………...................58
3.5 Эксплуатационные свойства …………………………………………...62
4. Экономическая часть………………………………………………………..69
40.1 Расчет капитальных вложений………………………………………69
4.2 Планирование технологического оборудования ……………………..69
4.3 Расчет стоимости зданий и сооружений ………………………………70
4.4 Стоимость технологического оборудования ………………………….70
4.5 Расчет стоимости технологической (силовой) электроэнергии ……..74
4.6 Расчет численности рабочих цеха……………………………………...77
4.6.1 Расчет численности производственных рабочих цеха по рабочим местам на основании норм обслуживания по агрегатам……………….77
5 Охрана труда ………………………………………………………………….82
5.1 Нормативно правовая база ………………………………………........82
5.2 Анализ опасных и вредных факторов ……………………………........83
5.3 Мероприятия по повышению безопасности труда …………………...85
5.4 Мероприятия по противопожарной безопасности ………………........87

6. Промышленная экология …………………………………………….............92
6.1 Нормативно-правовая база ……………………………………………..92
6.2 Анализ состояния окружающей среды ………………………………..94
6.3 Утилизация и ликвидация полимерных отходов ……………………...96
Заключение ………………………………………………………………………99
Список использованных источников …………………………………………100
Приложение……………………………………………………………………………………102

Содержание СКМС-30 составляет  30- 50 масс. %.

(2.3)

где м - содержание СКМС-30 в масс %; н - плотность наполнителя; ПМ - плотность ПЭВП.
Смесь полимеров получали на лабораторном двухшнековом экструдере «Коллин» с последующим введением в состав полимерной матрицы модификаторов и наполнителей по режиму, представленному в таблице 2.5. Двухшнековый экструдер был снабжен набором смесительных кулачков для обеспечения высоких напряжений сдвига расплава полимерной матрицы.

Таблица 2.5 - Режимы грануляции ПКМ
Материал
Температура, К
Частота вращения шнека, с-1

цилиндра
головки

ПЭНД
423-453
443-453
0,50
СКМС-30
433-483
473-483
0,25
ПЭНД+10 масс. % СКМС-30
433-473
463-473
0,25
ПЭНД+20 масс. % СКМС-30
433-473
463-473
0,25
ПЭНД+30 масс. % СКМС-30
423-473
463-473
0,30
ПЭНД+40 масс. % СКМС-30
423-473
463-473
0,30
ПЭНД+50 масс. % СКМС-30
423-463
453-463
0,30
2.2.
...

Введение.

Как прикладные, так и чисто научные аспекты полимерного материаловедения развиваются весьма интенсивно в течение двух последних десятилетий. Однако темпы его развития все еще зна­чительно ниже, чем следовало ожидать, исходя из широты тех об­ластей знания, которые оно охватывает, и потенциальной техниче­ской важности полимерных материалов. В Западной Европе, например, по некоторым (хотя и оспариваемым) оценкам исполь­зование полимерных материалов в высоконагруженных узлах тре­ния составляет только 10—20% от общего объема использования в этих узлах металлов за научные разработки и их внедрение
Недостаточное развитие при­кладного полимерного материаловедения признается рядом учреж­дений в разных странах, ответственных за научные разработки и их внедрение
Полимерное материаловедение, развивающееся на базе фунда­ментальных наук о полимерных композициях — химии, физике, физической химии и механике, выделилось в настоящее время в самостоятельный раздел общего материаловедения.
...

1.1 Термопластичные полимеры
Термопласты (ТП) – полимерные материалы на основе линейных или разветвленных полимеров, сополимеров и их смесей, обратимо переходящих при нагревании в пластическое или вязкотекучее состояние в результате плавления кристаллической или размягчения аморфной (стеклообразной) фаз. Наиболее распространены ТП на основе гибкоцепных (главным образом карбоцепных) полимеров, сополимеров и их смесей – полиолефинов (полиэтилена, полипропилена, поли-4-метил-1-пентена), поливинилхлорида, полистирола, полиметилметакрилата, поливинилацеталей, производимых в больших объемах и имеющих сравнительно низкую стоимость; они обладают низкими температурами плавления и размягчения, тепло- и термостойкостью.
По фазовому состоянию ненаполненные ТП могут быть одно- и двухфазными аморфными, аморфно-кристаллическими и жидкокристаллическими.

1.1.
...

1.1.1 Полиолефины
Полиолефины – высокомолекулярные полимеры, получаемые гомо- и сополимеризацией олефинов по радикальному, ионному или координационноионному механизму.
Молекулярно весовым распределением (МВР). Полиэтилен промышленных марок охватывает область молекулярных весов от 80000 до 500000. На практике вместо молекулярного веса определяют показатель текучести расплава.4-метил-1-пентен – кристаллизующийся бесцветный прозрачный термопластичный полимер изотактической структуры. Он получается в суспензии в органическом растворителе путем полимеризации 4-метилпентена при температуре до 80°С и давлении до 3 кгс/см2 в присутствии металлоорганических катализаторов. Полученную суспензию поли-4-метил-1-пентена в мономере промывают, полимер отжимают и сушат, после чего в него вводят стабилизирующие добавки и гранулируют.
Поли-4-метил-1-пентен является жестким прозрачным полимером с высокой теплостойкостью.
...

1.1.2 Термоэластопласты
Термоэластопласты (термопластичные эластомеры), полимерные материалы, обладающие в условиях эксплуатации высокоэластичными свойствами, характерными для эластомеров, а при повышенных температурах обратимо переходящие в пластическое или вязкотекучее состояние и
перерабатывающиеся подобно термопластам. прочность возрастают, а относительное удлинение при разрыве уменьшается. Предельная температура эксплуатации зависит от температуры стеклования жесткого блока и составляет 70–80°С для бутадиен -a- метилстирольного и 40–50°С для бутадиен- или изопренстирольных термоэластопластов.

1 – блоки полистирола; 2 – блоки полибутадиена.

Рисунок 1.1 – Схема распределения фаз в блоксополимере
бутадиена и стирола
Наличие фаз в структуре блок-сополимера связано с несовместимостью эластичного и стеклоподобного блоков. При невысоких температурах домены удерживаются относительно друг друга силами Ван-дер-Ваальса, образуя сетчатую структуру физической природы (рисунок 1.1).
...

1.2 Виды и особенности свойств термоэластопластов
Свойства термоэластопластов обусловлены особенностями их структуры – образованием двухфазной системы вследствие термодинамической несовместимости гомополимеров, образующих жесткие блоки термопласта (например, полистирола, полиэтилена, полибутилентерефталата и т.п.) и эластичные блоки (например, полибутадиена, полиизопрена, полиоксиалкиленгликоля, сополимеров этилена с пропиленом и т. п.) в макромолекуле. В свою очередь свойствами этого класса материалов объясняется возрастающий спрос на изделия из ТЭП.
Термоэластопласты представляют собой блоксополимеры с жесткими (например, полиэтиленовыми, полистирольными, поливинилхлоридными, полиакрилатными) блоками и гибкими эластомерными блоками (полибутадиеновые, полиизопреновые, этилен пропиленовые и др.) [4].
...

1.3.1 Получение термоэластопластов
Синтез термоэластопластов осуществляется с помощью катализаторов, образующих так называемые живые цепи, сохраняющие способность к росту в течение неограниченного времени.
В качестве катализаторов такого типа промышленное признание получили литийорганические соединения. Они позволяют получать полимеры с более регулярной микроструктурой эластомерного блока, чем при использовании органических соединений других щелочных металлов, и тем самым обеспечить термоэластопластам лучший комплекс свойств. Литийорганические инициаторы, используемые для синтеза термоэластопластов, должны обладать высокой скоростью инициирования, обеспечивающей получение полимеров с узким молекулярно-массовым распределением. С этой целью обычно
Наиболее удобны для синтеза циклоалифатические углеводороды (например, метилциклогексан) или их смеси с алифатическими углеводородами (например, смесь циклогексана и гексановой фракции).
...

1.3.2 Твердофазная полимеризация
Полимеризация в твердой фазе протекает при температурах ниже температуры плавления мономера. Этот метод не нашел широкого распространения, так как затруднено инициирование полимеризации (низкие температуры, трудности равномерного распределения инициаторов, аппаратурное оформление и др.). Наиболее удобными являются способы инициирования твердофазной полимеризации светом, излучениями высоких энергий, причем могут реализоваться свободнорадикальный, ионный или смешанный (ионно-радикальный) механизмы полимеризации. [1]
Твердофазная полимеризация – полимеризация мономеров, находящихся в кристаллическом или стеклообразном состоянии. Дальний порядок и фиксированное расположение молекул в кристаллическом мономере обусловливают ряд кинетических и структурных особенностей твердофазной полимеризации. Наиболее распространенным способом инициирования такой полимеризации является радиационный (быстрые электроны, рентгеновские лучи и т.д.
...

1.3.3 Переработка термоэластопластов
Термоэластопласты можно перерабатывать как методами, обычными для термопластов (экструзия, литье под давлением), так и методами, характерными для эластомеров (вальцевание, каландрование). Оптимальная температура переработки термоэластопластов литьем и экструзией 150–200°С; при более низких температурах может протекать интенсивная механодеструкция, при более высоких – окисление [4].
Экструзия термоэластопластов. Для переработки ТЭП используют одношнековые экструдеры со сменной рифленой втулкой в зоне загрузки с увеличенным шагом и глубиной нарезки [4]. Шнеки барьерного типа длиной 25-30D с двумя смесительными секциями: первая – с диспергирующе -смесительными спиральными элементами интенсивного сдвига; вто­рая – ромбовидная смесительно-распределительная секция. Степень сжатия 3,5:1. Возможно также использование стандартных трехзонных шнеков, используемых также для переработки ПВХ- пластиката.
...

1.3.4 Применение термоэластопластов
Как указывалось выше, основное применение мягких ТЭП – это уплотнители. ТЭП, производимые ЗАО «Уралпластотехника» по ТУ 5775-011-00149279-2001, предназначены для изготовления уплотнителей к оконным и дверным блокам. Уплотнители работоспособны при температуре окружающего воздуха от -50 до 80°С [4] .Га­рантийный срок службы – не менее 10 лет. Виды выпускаемых уплотнителей и их размеры показаны на рисунке 1.2. В таблтце 1.3 представлены нормативные и фактические данные по свойствам уплотнителей, представленных на рисунке 1.2.
...

1.4.1 Практические примеры решения задач триботехники
Повышенный износ деталей в сочленениях в одних случаях нарушает герметичность рабочего пространства маши­ны (например, в поршневых машинах), в других — нарушает нормальный режим смазки, в третьих — приводит к потере ки­нематической точности механизма.
Износ инструмента и рабочих органов машин, помимо сниже­ния производительности, повышает расход энергии. Например, с износом и затуплением зубьев ковша экскаватора уменьшается сечение срезаемой стружки грунта, увеличивается сопротивление резанию последнего, требуется больший путь для заполнения ковша.
Износ и повреждение поверхностей снижают сопротивление усталости деталей и могут служить причиной их разрушения даже при незначительных концентраторах напряжений и весь­ма низких номинальных напряжениях.
...

1.4.2 Сроки службы трущихся деталей машин
Срок службы машин — календарная продолжитель­ность эксплуатации изделия до разрушения или другого пре­дельного состояния. Предельное состояние может устанавли­ваться по изменениям параметров, условиям безопасности, экономическим показателям, по необходимости первого капитального ремонта и т. п.
Выход из строя деталей и рабочих органов машин при нор­мальных условиях эксплуатации является следствием физического износа разных видов: усталостных разрушений, ползучести материалов, механического износа, коррозии, эрозии, кавитации, старения материала и др.
Современное состояние теории рабочих процессов машин, на­личие обширной экспериментальной техники для определения рабочих нагрузок и высокий уровень развития прикладной теории упругости при относительно хороших знаниях физических и механических свойств материалов позволяют обеспечить достаточную прочность деталей машин с большой гарантией от поло­мок их в нормальных условиях эксплуатации.
...

1.4.3 Рабочие поверхности деталей и их контактирование. общие сведения деталей и ее геометрия
В технике под поверхностью детали понимают наружный слой, который по строению и другим физическим свойствам отличается от внутренних слоев. Комплекс свойств, приобретаемых поверхностью детали в результате ее обработки, характеризуется обобщенным понятием «качество поверхности».
Всякое реальное тело имеет отклонения от идеальной геоме­трической формы, именуемые погрешностями. Погрешности обработанной поверхности с точки зрения причин их образования и методов измерения, применяемых для их оценки, можно подразделить на три категории: макрогеометрические отклонения, волнистость поверхности, шероховатость поверхности.
Макрогеометрическими называют отклонения формы поверх­ности от заданной.
...

1.4.4 Шероховатость поверхности
Количественно шероховатость можно оценить по тем или иным показателям. ГОСТ 2789—73 предусматривает шесть параметров, характеризующих шероховатость поверхности: три высотных— Ra, Rz и Rmax, два шаговых —S и Sm и относительная опорная длина профиля tp.
На профилограмме положение средней линии профиля опре­деляют так, чтобы площади F по обе стороны от нее до контура профиля были равны, т. е. чтобы
\y(X)dX=0 ИЛИ Fl + F9+... + Fn-l*=F2 + Ifi+...+Fn.
Относительная однородность микронеровностей поверхности детали позволяет судить о шероховатости в данном направле­нии по результатам обследования участка сравнительно небольшой длины. Длину базовой линии, используемую для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности, на­зывают базовой длиной /.
...

1.4.5 Показатели качества поверхности.
Качество поверхности деталей характеризуется микро-и макрогеометрией поверхности, волнистостью, структурой, упрочнением и остаточными напряжениями. Глубина поверхност­ного слоя и качество поверхности зависят от основного материала, вида обработки, основных параметров инструмента, режима обработки и рода смазочно-охлаждающей жидкости.
Поверхностный слой неоднороден по строению (рис. 2.5). Гра­ничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме
Структура поверхностного слоя шлифованной детали из
углеродистой сталислой не изменяется по толщине, а слои 2 и 3 уменьшаются соответственно меньшим дав­лению и температуре поверхности при обра­ботке.
Поверхностный слой может находиться в напряженном со­стоянии. Остаточные напряжения в нем при механической обра­ботке могут достигать 560—1000 МПа и быть как сжимающими, так и растягивающими.
...

1.4.6 Механизм изнашивания полимеров и еомпозиций на их основе.
Взаимодействие полимеров и резины с металлической поверхностью может быть либо механическим, либо молекуляр­ным. Последнее проявляется только в виде адгезии. Зацепление неровностей поверхностей играет большую роль, так как плас­тическая деформация поверхностного слоя полимера под воз­действием неровностей металлической поверхности, увеличивая число пятен контакта, увеличивает и число зацеплений. Это торично стимулирует развитие пластической деформации ак­тивных слоев. В результате значительно возрастает сила трения. Если материал эластичный, например резина, то при прочих равных условиях шероховатость металлической поверхности не оказывает такого влияния, так как при отсутствии пластической деформации на перемещение затрачивается меньшая работа.
Если адгезия значительна, то разрушение возникающей связи возможно как по полимеру, так и по металлу.
...

1.4.7 Материалы для трущихся деталей. разделение материалов деталей пар трения по их назначению.
Трущиеся детали в зависимости от их назначения из­готовляют из конструкционных, фрикционных, износостойких и антифрикционных материалов широкой номенклатуры. Во мно­гих случаях материалы наносят в виде покрытия, пленок или накладок на остов из основного конструкционного материала., металлокерамических и неметаллических мате­риалов.
Фрикционные материалы — это материалы, которые в кон­такте с металлической поверхностью имеют высокий коэффи­циент трения. Они применяются в тормозах и фрикционных муфтах и разделяются на органические (дерево, кожа, пробка, вой­лок), металлические (чугун, стали, марганцовистая сталь и др.), асбестокаучуковые, пластмассовые (текстолит, асботекстолит, фибра) и металлокерамические. Подробные сведения о фрикционных материалах и про­блеме фрикционности приведены в работах [18, 28].
...

1.4.9 Численные критерии работоспособности материалов в парах трения.
Проверку правильности выбора материалов пар тре­ния скольжения при заданных или принятых сопрягаемых раз­мерах деталей и определение этих размеров при проектном рас­чете производят по некоторым критериям. Наиболее простой способ проверки заключается в расчете по среднему давлению р. Способ пригоден для пар трения, работающих с малыми скоро­стями скольжения при невысоких температурах окружающей среды, и имеет целью обезопасить сочленение от возможного заедания. Для шарнирно-болтовых соединений предельные зна­чения удельных нагрузок (МПа) приблизительно могут быть приняты: для закаленной стали по стали — до 15, закаленной стали по баббиту — 9, закаленной стали по бронзе — 8, закален­ной стали по чугуну — 6, незакаленной стали по баббиту — б, незакаленной стали по бронзе— 5.
...

1. Шаталов В. П. Юдин В. П. Промышленность СК. Л. «Химия», 1985. – 523с
2. Гормонов И. В. Синтетические каучуки. Л. «Химия», 1989. – 430 с.
3. Моисеев Е. А. Термоэластопласты. М. «Химия», 1985. - 192 с
4. Володин В. П. Экструзия профильных изделий из термопластов. СПб. «Профессия», 2005. – 430 с.
5. Макаров В. Г. Промышленные термопласты. Справочник. Л. «Химия», 2003 – 208 с.
6. Справочник по композиционным материалам. / Под ред. Дж. Любина / Пер с англ. - М. : Машиностроение, Т.1. - 1988. - С. 152-156.
7. Иманов А.Н., Мусалимов И.Г. Термопластичные композиционные материалы. Ч.1. Композиционные материалы на основе полиэтилена высокой плотности / Алма-Ата : НАДП и МИ РК, 1997. - 172 с.
8. Иманов А.Н., Мусалимов И.Г. Термопластичные композиционные материалы. Ч.2. Композиционные материалы на основе полипропилена / Алма-Ата : НАДП и МИ РК, 1997. - 121 с.
9. Иманов А.Н. Переработка наполненных материалов на основе ПЭВП в изделия санитарно-технического назначения: Дисс.… канд. техн. наук: 05.23.05 / А.Н. Иманов. - М., 1989. – 280 с.
10. Справочник по композиционным материалам. / Под ред. Дж. Любина / Пер с англ. - М. : Машиностроение, Т.2. - 1988. - С. 203-208.
11. Кулезнев В.Н., Шершнев В. А. Химия и физика полимеров / Учебник. – 2-е изд., перераб. И доп. – М. : КолосС, 2007. - 367 с.
12. Чалая Н.М. Производство и переаботка полиолефинов в России // Берлин А.А., Вольфсон С.А., Ошмян В.Г. Принципы создания полимерных композиционных материалов. М.: Химия, 1990. - 216с.
13. Шварц О. и др. Переработка пластмасс. СПб.: «Профессия», 2005. – 310 с.
14. Крыжановский В.К. и др. Производство изделий из полимерных материалов. М. «Профессия», 2004.- 460 с.
15. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов / Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман, В. М. Матюнин и др.; Под ред. Г. П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2001. – 638 с.: ил
16. Графкина М. В. Охрана труда и производственная безопасность: учебник – М.: «Проспект», 2007. – 424 с.
17. Гормонов И. В. Синтетические каучуки. Л. «Химия», 1989. – 430 с.
18. ГОСТ 12.1.044 – 76 Содержание токсичных веществ. Общие требование безопасности.
19. Князевский Б. А. Охрана труда. М. «Высшая школа», 1982. – 312 с.
20. Филатов В. И. Карсаков В. Д. Технологическая подготовка процессов формования изделий из пластмасс. Л.:
«Политехника», 1991. – 353 с.
21. Баратов А. Н. Пожарная безопасность. М. 1997. – 173 с.
22. Закон Республики Казахстан от 15 июля 1997 года N 160-1 «Об охране окружающей среды».
23. Брылов С.А., Грабчак Л.Г. Охрана окружающей среды. М.: Высшая школа, 1985
24. Хван Т.А. Промышленная экология. Ростов на Дону: Феникс, 2003.
25. Бобков А.С. Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности. М.: Химия, 1998.
26. Кушелев В.П. Охрана природы от загрязнений промышленными выбросами М.: Химия, 1999.
27. Д.Н.Гракунов Триботехника.- М.: Машиностроение.1989.328 с.
28. Кащеев В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов . М.: Машиностроение,1978.211 с.
29. Елизаветин М.А., Сатель Э.А. Технологические способы повышения долговечности машин. М.: Машиностроение,1979. 438 с.
Белый В.В. Полимерные конструкционные материалы. Минск: Наука и техника, 1980. 278 с.