Pat de Racire
=== analitic ===
CAPITOLUL IV
metode analitice de ANALIZA CINEMATICĂ A
MECANISMELOR componente ale patulUI de răcire
Analiza cinematică a mecanismelor are ca scop determinarea pozițiilor, vitezelor și accelerațiilor elementelor unui mecanism (unghiuri de poziție, viteze și accelerații unghiulare în cazul elementelor în mișcare de rotație și deplasări, viteze și accelerații liniare în cazul elementelor în mișcare de translație) în funcție de unghiul de poziție al elementului conducător în mișcare de rotație sau de deplasarea liniară în cazul în care elementul conducător execută mișcare de translație.
În cazul elementelor cinematice care execută mișcare de rotație sau plan-paralelă, prin cunoașterea pozițiilor, vitezelor și accelerațiilor unghiulare ale acestora se pot determina traiectoriile, vitezele și accelerațiile liniare ale diferitelor puncte caracteristice ale acestor elemente, în funcție de poziția elementului conducător.
În vederea efectuării mai ușoare a analizei cinematice a mecanismelor plane, este necesară transformarea mecanismului, dacă este cazul, prin înlocuirea cuplelor cinematice superioare, de clasa a IV-a, cu elemente cinematice și cuple cinematice inferioare, de clasa a V-a, precum și împărțirea mecanismului în grupe cinematice ASSUR și element conducător, deoarece majoritatea metodelor de analiză cinematică, pentru a le putea generaliza cu ușurință au fost elaborate pentru astfel de grupe cinematice (diade, triade, tetrade, etc.).
În teoria mecanismelor sunt cunoscute metode de analiză cinematică grafo-analitice și analitice.
Metodele grafo-analitice, din care amintim: metoda proiecțiilor, metoda rabaterii, metoda ecuațiilor vectoriale, metoda centrului instantaneu de rotație și metoda asemănării au proprietatea că sunt expeditive și simplu de utilizat, însă datorită volumului mare de reprezentări grafice precizia rezultatelor este scăzută.
Metodele analitice, cum ar fi metoda contururilor, implică un volum mare de calcule matematice, respectiv rezolvarea unor sisteme de ecuații pentru cât mai multe poziții ale elementului conducător, ceea ce poate fi foarte ușor de rezolvat prin utilizarea calculatorului electronic folosindu-se software-uri matematice sau de programare cum sunt Mathcad, Matlab, C++, Visual Basic, etc.
Analiza cinetostatică a mecanismelor are ca scop determinarea forțelor care acționează în elementele cinematice, respectiv variația acestora pe perioada unui ciclu cinematic prin variația unghiul de poziție al elementului conducător.
În mecanisme acționează diferite tipuri de forțe, cum ar fi forțele și momentele motoare, forțele și momentele de rezistență utilă sau pasivă (cum sunt frecările din cuplele cinematice ale mecanismelor), forțe și momente de inerție, forțe de greutate, forțe de legătură (reacțiunile din mecanisme).
Cunoașterea acestor forțe și momente sunt necesare în vederea dimensionării elementelor cinematice ale mecanismelor, dimensionării cuplelor cinematice, verificării sau calculului puterii motorului electric de antrenare.
Metodele de analiză cinetostatică cunoscute, sunt ca și în cazul analizei cinematice, metode grafo-analitice și metode analitice, cu aceleași avantaje și dezavantaje.
Similar cu analiza cinematică, se preferă metodele analitice, care sunt mult mai precise, iar prin utilizarea tehnicii de calcul se reduce foarte mult timpul de lucru.
În vederea efectuării analizei cinetostatice este necesar ca în prealabil să se facă analiza structurală și cea cinematică a mecanismelor. Metodele de analiză cinetostatică sunt elaborate pe grupe cinematice de diferite clase sau ordine, iar unele dintre forțe cum ar fi cele de inerție și momentele forțelor de inerție, se calculează cu ajutorul accelerațiilor centrelor de greutate, respectiv cu ajutorul accelerațiilor unghiulare ale elementelor cinematice.
Analiza cinematică și cinetostatică se va face pentru mecanismul de frânare al firului 1 și pentru mecanismul de frânare al firului 2, componente ale patului de răcire din cadrul laminorului de profile mici din cadrul ARCELOR MiTTAL STEEL HUNEDOARA.
4.1. Analiza cinematică a mecanismului de frânare al firului 1
4.1.1. Schema de structură
Schema de structură a mecanismului de frânare de pe firul 1 este prezentată în figura 4.1. , [K2,P3] .
Figura 4.1. Schema de structură a mecanismului de frânare al firului 1
Din figură rezultă că mecanismul conține un element de rangul V, două elemente de rang IV, un element de rangul III și opt elemente de rangul II, care formează cinci contururi închise deformabile dintre care patru de clasa IV și unul de clasa V. Cuplele C și E sunt cuple duble.
4.1.2. Elemente efectoare
Elementul 0 este elementul fix iar elementul 1 este elementul conducător (motor). Mecanismul are două elemente efectoare, primul elementul efector fiind elementul H(L)M pentru faza de frânare. Acesta face parte din diada H(L)MJ care închide conturul de clasa a V-a EFJMH.
Mișcarea elementului efector se obține de la elementele EGH și FIJ a căror mișcări sunt în fază. Deoarece GH este egal și paralel cu segmentul IJ conturul pentalater poate fi substituit prin conturul GHJI, fără ca mișcarea elementului efector să fie influențată. La aceste particularități se adaugă remarca că contururile de clasa IV, DGE1C2 și GIFE2 sunt paralelograme.
Al doilea element efector, pentru faza de ridicare a laminatului este tija glisantă în N. Mișcarea elementului efector din N se obține de la elementul KI.
4.1.3. Analiza structurală a mecanismului
Schema cinematică de principiu a mecanismului este prezentată în figura 4.2. Mecanismul este raportat la un sistem de referință plan, cu originea în articulația fixă A, având axa OX orientată cu o direcție paralelă la direcția cuplelor fixe D,G,I. În figură sunt menționate principalele cote.
Figura 4.2. Schema cinematică a mecanismului de frânare al firului 1
Elementele geometrice al mecanismului de frânare al firului 1 sunt:
AB=143 mm BC=1800 mm CD=350 mm CE=640 mm
EG=350 mm GH=187 mm EF=430 mm FI=350 mm
IJ=187 mm JK=135 mm HL=150 mm JM=150 mm
ML=430 mm KN=181 mm IN=287 mm ω1=2π rad/s
Mecanismul este plan, format din 11 elemente cinematice mobile și 15 cuple cinematice de rotație de clasa a V-a (formând patrulaterul A,B,C,D; diada C,E,G; diada E,F,I; diada H(L)MJ; diada K,NN) și o cuplă de translație, în P.
Mecanismele plane sunt mecanisme de familie f=3, gradul de mobilitate pentru mecanisme plane (f=3) se calculează cu relația , [Z1]:
M3=3∙n-2∙C5-C4=3∙11-2∙16-0=1 4.1.
Deci, mecanismul are gradul de mobilitate egal cu 1.
Din punct de vedere structural, mecanismul poate fi descompus în:
– manivela AB;
– diada de aspect 1, BCD formată din biela 2 și pârghia 3, cuplele cinematice de clasa a V-a de rotație B, C, D;
– diada de aspect 1, CEG formată din biela 4 și pârghiile 5 și 8 rigidizate între ele, cuplele cinematice de clasa a V-a de rotație C,E,G;
– diada de aspect 1, EFI formată din biela 6 și pârghiile 7 și 9-10 rigidizate între ele, cuplele cinematice de clasa a V-a de rotație E, F, I;
– diada de aspect 1, H(L)MJ formată din elementul cotit 11-13 și bara 12, cuplele cinematice de clasa a V-a de rotație H, M, J;
– diada de aspect 2 degenerată, KNN formată din biela 14 și tija N, cuplele cinematice de clasa a V-a de rotație K, N și cupla cinematică de clasa a V-a de translație NN.
4.1.4. Poziții și unghiuri extreme
Pozițiile extreme ale mecanismului patrulater, component al mecanismului de frânare al firului 1, sunt prezentate în figura 4.3.
Figura 4.3. Pozițiile extreme ale mecanismului patrulater, [A1]
Pentru o privire de ansamblu asupra pozițiilor extreme ale mecanismului de frânare al firului 1 se vor reprezenta pozițiile extreme ale mecanismului și traiectoriile pentru toate cuplele, în figura 4.4.
Reprezentarea în cele două poziții extreme s-a realizat în mediul AutoCAD, la scară, astfel încât unghiurile corespunzătoare pozițiilor extreme dreapta (reprezentată cu albastru) și respectiv stânga (reprezentată cu roșu) vor rezulta simplu prin cotarea unghiurilor respective.
Coordonatele articulațiilor fixe D, G și I sunt:
xD=1840 mm xG=2480 mm xI=2910 mm
yD=420 mm yG=420 mm yI=420 mm
Figura 4.4. Pozițiile extreme ale mecanismului de frânare al firului 1, [A1]
Lungimea segmentului fix AD este:
4.2
Unghiul de poziționare γ este:
4.3
Poziția extremă stânga se produce când manivela și biela se suprapun (butonul manivelei se află în punctul Bs). Se formează triunghiul ADCs în care se pot determina unghiurile DACs și ADCs dacă se aplică teorema cosinusului în triunghi :
4.4
4.5
Poziția extremă dreapta se produce când manivela și biela sunt în prelungire (butonul manivelei se află în punctul Bd). Se formează triunghiul ADCd în care se pot determina unghiurile DACd și ADCd dacă se aplică teorema cosinusului în triunghi :
4.6
4.7
Unghiul de poziționare a manivelei pentru poziția extremă stânga a mecanismului:
4.8
Unghiul de poziționare a manivelei pentru poziția extremă dreapta a mecanismului:
4.9
Mărimea unghiul de rotație a manivelei AB în cursa activă:
4.10
Mărimea unghiul de rotație a manivelei AB în cursa de revenire:
4.11
Unghiul de poziționare a balansierului DC în poziția limită stânga:
4.12
Unghiul de poziționare a balansierului DC în poziția limită dreapta:
4.13
Unghiul de oscilare a balansierului DC:
4.14
4.1.5. Analiza pozițională a mecanismului
Pentru analiza pozițională a patrulaterului ABCD se folosește figura 4.5.
Figura 4.5. Analiza pozițională a patrulaterului ABCD
Ecuația vectorială de contur, conform [Z1], se scrie dând semn laturilor mecanismului:
4.15
Proiectând ecuația de contur pe axele sistemului de referință, se obțin următoarele ecuații scalare:
4.16
În aceste ecuații unghiurile β și ψ nu se cunosc, unghiul γ are o valoare cunoscută iar unghiul α se cunoaște ca fiind variabilă independentă cu valori cuprinse între αd și αs .
De mare interes pentru dezvoltările ulterioare îl reprezintă unghiurile ψ și β. Pentru găsirea acestora se izolează termenii care conțin mai întâi unghiul β și apoi unghiul ψ, se ridică la pătrat și se adună.
Determinarea unghiul ψ:
4.17
4.18
Ecuația se restructurează în forma:
4.19
Ecuația 2.18 se poate pune sub următoarea formă restrânsă:
4.20
unde:
4.21
4.22
4.23
Pentru aflarea unghiului ψ din ecuația 2.20 se fac înlocuirile:
și 4.24
Se obține o ecuație de grad 2 în de forma:
4.25
După restructurare ecuația devine:
4.26
Soluția generală a acestei ecuații este de forma:
4.27
Pentru determinarea unghiului β, de poziționare a bielei BC, se procedează în mod similar, ajungându-se la o ecuație similară cu ecuația 4.18:
4.28
unde:
4.29
4.30
4.31
Pentru aflarea unghiului β din ecuația 4.28 se fac înlocuirile:
și 4.32
Se obține o ecuație de grad 2 în de forma:
4.33
Soluția generală a acestei ecuații este de forma:
4.34
4.1.6. Analiza vitezei balansierului CD
În vederea obținerii vitezelor balansierului CD se va deriva în raport cu timpul ecuația 4.19, ținând cont că :
, j=0,1,2,3 4.35
, , 4.36
Se obține următoarea ecuație a vitezelor:
4.37
Din ecuația 4.37 se obține necunoscuta ω3 în funcție de ω1 .
4.38
Notând cu:
4.39
viteza unghiulară a balansierului CD capătă următoarea expresie:
4.40
4.1.7. Analiza accelerației balansierului CD
Pentru obținerea accelerației balansierului CD, se va deriva expresia vitezei 4.19 în raport cu timpul, pe baza acelorași condiții menționate la analiza vitezelor și a următoarelor condiții:
(ω1 este constantă) 4.41
4.42
Ecuația care se obține este:
4.43
Din ecuația 4.43. se poate obține ε3:
4.44
Dacă se notează:
4.45
accelerația unghiulară a balansierului are următoarea expresie restrânsă:
4.46
Figura 4.6. Variația a unghiului de poziție, vitezei unghiulare și accelerației unghiulare pentru balansierului CD în funcție de unghiul de poziție al manivelei AB
În figura 4.6 se reprezintă modul de variație a unghiului de poziție ψ, a vitezei unghiulare ω3 și accelerației unghiulare ε3 al balansierului CD în funcție de unghiul de poziție al manivelei α. Calculul și reprezentările grafice sunt realizate cu ajutorul programului propriu Mecanism fir 1, realizat în Mathcad.
4.1.8. Analiza vitezei bielei BC
Modul de obținere a vitezei unghiulare al elementului BC este asemănător cu al balansierului CD, astfel ținând cont că :
, j=0,1,2,3 4.47
, , 4.48
Se obține următoarea ecuație a vitezelor:
4.49
Notând cu:
4.50
viteza unghiulară a bielei BC capătă următoarea expresie:
4.51
4.1.9. Analiza accelerației bielei BC
Asemănător cu modul de obținere a accelerației unghiulare al balansierului CD, accelerația unghiulară a elementului BC în condițiile :
(ω1 este constantă) 4.52
4.53
se obține din următoarea ecuație:
4.54
Dacă se notează:
4.55
accelerația unghiulară a bielei are următoarea expresie restrânsă:
4.56
În figura 4.7 se reprezintă modul de variație a unghiului de poziție β, a vitezei unghiulare ω2 și accelerației unghiulare ε2 pentru biela BC în funcție de unghiul de poziție al manivelei α.
Figura 4.7. Variația a unghiului de poziție, vitezei unghiulare și accelerației unghiulare pentru biela BC în funcție de unghiul de poziție al manivelei AB
4.1.10. Accelerației elementului efector (tronson de frânare)
Datorită particularităților constructive ale mecanismului firului 1, segmentul DC este egal și paralel cu GE și cu IF, iar segmentul GH este egal și paralel cu segmentul IJ. Elementul efector H(L)MJ (tronson de frânare) va avea o mișcare de translație cu parametrii de mișcare ai punctelor H și J.
Mișcarea punctelor H și J și deci a elementului efector se desfășoară pe arce de cerc identice, cu centrele în G și I, razele fiind egale și paralele GH=IJ=187 mm.
Vitezele unghiulare ale elementelor GH și IJ sunt egale cu ω3. Accelerațiile punctelor H și J sunt accelerații compuse și au expresii de forma, [H2, P3]:
4.57
și
4.58
În figurile 4.8 și 4.9 se prezintă modul de variație al vitezelor și accelerațiilor unghiulare pentru cuplele J(H) și K.
Figura 4.8. Variația vitezei cuplelor J(H) și K în funcție de
unghiul de poziție al manivelei AB
Figura 4.9. Variația accelerațiilor cuplelor J(H) și K în funcție de
unghiul de poziție al manivelei AB
=== Cap. 1. – mat.plast ===
CAPITOLUL 1
MATERIALE PLASTICE TEHNICE ȘI
MATERIALE PLASTICE TEHNICE AVANSATE
1. INTRODUCERE PRIVIND MATERIALELE AVANSATE
În condițiile actuale, înlocuirea materialelor clasice cu materialele moderne care posedă caracteristici tehnico-funcționale și economice superioare este o necesitate stringentă, mai ales în domeniul construcțiilor de blindate, în industria navală și aerospațială, și nu numai. Răspunsul, aparent, ar fi simplu: „materiale noi”, compozite pe bază de fibre de bor, de sticlă, de azbest, de carbon și Kevlar, nanomateriale, materiale cu memoria formei, materiale metalice amorfe și altele.
Materialele compozite fac parte din categoria materialelor compuse, iar în cadrul generației de materiale noi, care înlocuiesc metalele, ținând cont de caracteristicile și perspectivele lor de viitor, o atenție deosebită se acordă compozitelor, denumite, până nu demult, materiale plastice consolidate. Astfel, materialele compozite sunt amestecuri de două sau mai multe componente, ale căror proprietăți se completează reciproc, rezultând un material cu proprietăți superioare celor specifice fiecărui component în parte. Cu alte cuvinte, materialul compozit reprezintă un sistem eterogen în care componentele sunt total indisolubile unele în altele, proprietățile acestor componente sunt diferite și vor coopera, deficiențele unora fiind suplinite de calitățile altora. Din punct de vedere tehnic, noțiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăți:
– sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente ;
– reprezintă o combinare a cel puțin două materiale deosebite din punct de vedere chimic ;
– prezintă proprietăți pe care nici un component luat separat nu le poate avea.
Materialul compozit este format din două faze principale:
– matricea (care trebuie să fie dintr-un material mai plastic) și,
– faza de armare, sau ranforsare, care trebuie să fie dură și rezistentă.
Proprietățile materialului compozit depind atât de combinația de proprietăți matrice–material de armat, cât și de rezistența interfeței dintre cele două componente.
2. KEVLAR
Familia KEVLAR de fibre patentate asigură o combinație unică de proprietăți cum ar fi:
-rezistența la solicitari repetate,
– tenacitatea și modulul deosebit de înalte și stabilitatea termică excepționale.
Datorită acestora, KEVLAR este folosit cu succes în aplicații ce necesită rezistența la tăiere, la căldură, precum și pentru echipamente de protecție anti-glonț și anti-schijă, frâne și piese de transmisie prin frecare, garnituri de etanșare, cabluri și frânghii, materiale compozite, cabluri de fibre optice, armături pentru plăci de circuite, echipamente sportive, anvelope, curele și furtune pentru autovehicule.
KEVLAR este deseori specificat atunci când aplicațiile ridică probleme de rezistența marită, masa redusă și/sau durata de utilizare superioară.
KEVLAR este o fibra textilă industrială cu proprietați deosebite de rezistentă și cu modul înalt, sub formă de fire lamentare continue, roving, semitort/pală, si pulpă.
KEVLAR elastomeric este un concentrat de pulpă de KEVLAR si elastomer care dispersează ușor în compuși elastomerici.
KEVLAR este una dintre cele mai importante fibre sintetice organice realizate pâna în prezent. Datorită combinației sale unice de proprietățti, KEVLAR este astăzi folosit într-o mare diversitate de aplicații industriale. Fibra para-aramidică KEVLAR posedă o combinație remarcabilă de proprietăți care, de la apariția sa comercială, de la inceputul anilor ’70, a condus la adoptarea sa intr-o varietate de domenii de utilizare.
Structura moleculară:
Fibrele de KEVLAR reprezintă catene moleculare lungi obținute din poli-parafenilen tereftalamidă. Lanțurile moleculare, sunt puternic orientate, cu legături intercatenare puternice, ceea ce conduce la o combinație unică de proprietăți.
Avantaje:
– rezistență mare la tracțiune la o masă redusă a fibrei;
– modul înalt (rigiditatea structurală);
– rezistență chimică înaltă;
– tenacitate înaltă (cicli de solicitare până la rupere);
– rezistență înaltă la tăiere;
– alungire scăzută la rupere;
– conductibilitate electrică mică;
– contracție termică scazută;
– stabilitate dimensională excelentă;
– rezistență la flăcări, caracteristici de auto-stingere.
Aplicații:
– ranforsarea cauciucului;
– benzi transportoare;
– furtune;
– combustibil;
– instalații răcire autovehicule;
– înaltă presiune;
– în aplicații de fricțiune, este un înlocuitor de înaltă performanță pentru materiale de ranforsare cum ar fi : azbest, fibre de sticlă, metalice și materiale similare;
– curele de transmisie;
– clutch tensioner;
– structuri compozite;
– izolatoare de fire;
– înlocuitoare ale azbestului în: pompe, captușeli frâne, garnituri etanșare, plastice, agenți de ranforsare
– pentru betoane;
– echipamente de protecție;
– fibre de ranforsare pentru piese elastomerice turnate, pentru aplicații termoplastice;
– veste anti-glonț;
– frânghii de diferite dimensiuni;
– căsti de protecție;
– cabluri;
– rețele/plase;
– mănuși de protecție cu rezistență excepțională la tăiere, slash și la căldură;
– țesături peliculizate;
– parașute, echipamente de salvare, sisteme ușoare de catapultare;
– benzi;
– piese interioare și exterioare pentru avioane;
– vase și rezervoare din filamente țesute;
– aplicații electrice si electronice;
– coca (corp) de navă;
– echipamente sportive;
– produse rezistente la coroziune;
– cabluri din fibre optice;
– echipamente de protecție performante;
– ranforsarea betoanelor;
– echipamente pentru pompieri;
– curele de transmisie de fortă;
– anvelope;
– etanșări;
– adezivi;
– vopsele și soluții de impregnare;
– betoane polimerice;
– sisteme lichide de rășini, necesitând: proprieățti thixotropice, ranforsari mecanice.
Industrii:
– aerospațială și aeronautică;
– autovehicule;
– procesare chimică;
– acoperitori și etanșanți;
– compozite;
– construcții;
– bunuri de consum;
– pază si protecție;
– militară;
– echipamente sportive;
– cabluri.
Produse din Kevlar
3. MATERIALE COMPOZITE
3.1. Introducere
Materialele compozite au fost concepute pentru a înlocui, într-o proporție tot mai mare, materialele tradiționale feroase și neferoase, care sunt caracterizate de unele neajunsuri referitoare la performanțele, procedeele de obținere și prelucrare, gabarite, mase, complexități geometrice, domenii de utilizare și costuri importante.
Materialele compozite sunt materiale cu proprietăți anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare și elaborare permit folosirea celor mai bune caracteristici ale componentelor.
Din punct de vedere tehnic, noțiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăți:
– sunt create artificial, prin combinarea diferitelor componente;
– reprezintă o combinare a cel puțin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, între care există o suprafață de separație distinctă;
– prezintă proprietăți pe care nici un component luat separat nu le poate avea.
Avantajul major, esențial al compozitelor constă în posibilitatea modulării proprietăților și obținerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a căror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnică.
Practic, materialele compozite sunt formate dintr-o matrice (plastică, ceramică sau metalică) și elemente de armare (ranforsanți), care sunt dispuse în matrice în diferite proporții și orientări. Armătura conferă materialului compozit o rezistență ridicată și reprezintă elementul principal de preluare a sarcinii, iar matricea are rolul de material de legătură între elementele de armare și mediul de transfer al sarcinii exterioare spre acestea.
În general, aceste două faze nu reacționează între ele și se aleg astfel încât să fie inerte una față de cealaltă în condițiile utilizărilor.
Materialele compozite prezintă o serie de avantaje între care se menționează:
– masă volumică mică în raport cu metalele;
– rezistență mare la tracțiune (compozitul denumit Kevlar, polimer organic cu fibre de aramide, are o rezistență la tracțiune de două ori mai mare decât a sticlei);
– coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele;
– rezistență la șoc ridicată;
– durabilitate ridicată ;
– capacitate mare de amortizare a vibrațiilor;
– siguranță mare în funcționare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din material compozit nu constituie amorsă de rupere);
– energetic scăzut și instalații mai puțin costisitoare în procesul de obținere, în raport cu metalele;
– rezistență chimică și rezistență mare la temperaturi ridicate (fibrele de Kevlar, teflon și hyfil până la 500oC, iar fibrele ceramice de tip SiC, Si3N4, și Al2O3 între 1400oC și 2000oC).
În tabelul de mai jos, se prezintă evoluția și prognoza consumului de materiale compozite și domeniile de utilizare ale acestora în țările vest-europene.
3.2. Clasificarea materialelor compozite
O clasificare mai generală a materialelor compozite, care le prezintă intr-un mod sintetic, are la bază utilizarea concomitentă a două criterii și anume: particularitățile geometrice ale materialului complementar și modul de orientare a acestuia în matrice .
Materialele compozite sunt grupate, în funcție de alți autori, nu în 2, ci în trei categorii:
– materiale compozite durificate cu fibre;
– materiale compozite durificate cu particule (disperse);
– materiale compozite obținute prin laminare(stratificate).
Fig.. Materiale compozite:
a – armate cu fibre; b – disperse; c – stratificate
a) Materiale compozite armate cu fibre
În figura de mai sus sunt prezentate diferite moduri de orientare a acestor fibre în interiorul matricei. Se obțin astfel materiale compozite cu caracteristici foarte bune de rezistență, rigiditate și raport rezistență – densitate. Comportamentul mecanic al unui asemenea compozit depinde de:
– proprietățile fiecărui component;
– proporția dintre componenți;
– forma și orientarea fibrelor în raport cu direcția de solicitare;
– rezistența mecanică a interfeței matrice – fibră
b.1.) Materiale compozite durificate prin dispersie
În cazul acestor compozite, particulele de dimensiuni foarte mici (100 … 2500 Å), blochează deplasarea dislocațiilor. Astfel, deși sunt necesare cantități mici de material dispers, efectul de durificare este foarte mare. Faza dispersată este, de regulă, un oxid stabil dur (Al2O3, ThO2, ZrO2, BeO etc.). Ea trebuie să aibă anumite dimensiuni, formă, cantitate și distribuție pentru obținerea celor mai bune proprietăți pentru materialul compozit. Totodată particulele dispersate trebuie să aibă solubilitate scăzută în materialul matricei și să nu apară reacții chimice între particule și matrice.
b.2.) Materiale compozite armate cu macroparticule
Armarea acestor compozite se face cu particule mari, care nu mai au rol de blocare a deplasării dislocațiilor. În funcție de proporția dintre cantitățile de macroparticule și cea de liant se obțin combinații neobișnuite de proprietăți.
Carburile metalice pot fi privite ca fiind astfel de materiale compozite, carbura de wolfram este înglobată într-o masă de cobalt, sculele așchietoare rezultate având combinate avantajele date de duritatea și rezistența la creșterea temperaturii de așchiere a CW și cele date de rezistența bună la impact a cobaltului.
Pietrele abrazive formate din macroparticule de carbură de siliciu (SiC), nitrură de bor sau diamant, înglobate într-o matrice de sticlă sau polimeri, pot fi considerate tot materiale compozite armate cu macroparticule.
Un alt exemplu îl constituie materialul utilizat pentru contactele electrice, care este format din particule de wolfram înglobat într-o matrice de argint. În acest mod se realizează combinația dorită de proprietăți, și anume conductibilitatea electrică bună (datorită argintului) și rezistență mare la uzură (datorită particulelor de wolfram).
c) Materiale compozite stratificate
Sunt obținute prin aplicarea, la suprafața materialului de bază, a unui strat din alt material. Aplicarea acestui strat din alt material cu proprietăți diferite de cele ale materialului de bază se realizează cel mai des prin turnare, sudare sau laminare.
Principalul avantaj al acestor materiale este de ordin economic și de ordin calitativ, deoarece prin utilizarea lor se economisesc importante cantități de materiale scumpe sau deficitare, îmbunătățindu-se, în același timp, calitățile produselor și mărindu-se durata lor de funcționare în condițiile unor performanțe ridicate.
Material compozit stratificat
Câteva exemple de asemenea materiale compozite sunt:
– duraluminiul, cu rezistență ridicată la rupere, placat cu aluminiu pur, cu rezistență ridicată la coroziune;
– oțeluri carbon, ieftine, placate cu oțeluri de scule cu duritate ridicată și rezistență la uzare sau cu oțeluri inoxidabile rezistente la coroziune;
– plăcuțele din oxid de aluminiu placate cu nitrură de titan (utilizate pentru părțile active ale sculelor așchietoare) etc.
În afară de materialele compozite bicomponente, prezentate mai sus, se utilizează și compozite tricomponente (tip “sandwich”). De exemplu, pentru împiedicarea difuziunii carbonului dintr-un oțel în altul, se poate interpune prin placare un strat de nichel, care nu permite difuziunea prin el a carbonului.
Tot un material tip “sandwich” este prezentat în figura de mai jos. El este alcătuit din două plăci subțiri din metal (de exemplu aluminiu, titan sau oțel), între care se găsește o structură tip fagure, din material mai dur (duraluminiu sau aliaj de titan), rezultând un material compozit deosebit de rezistent și rigid.
Material compozit tip sandwish
Materialele compozite se mai pot clasifica astfel:
a) materiale compozite plastice;
b) compozite metalice;
c) materiale compozite ceramice.
a) Materiale compozite plastice (polimerice)
Acestea au matricea formată din polipropilenă, polietilena, rașini epoxidice, rașini fenolice, poliuretani etc., și componente de structură constituite din armături de fibre (țesături, rețele, înfășurări), umpluturi diverse (pulberi, particule, elemente de armare) și elemente stratificate. După natura lor materialele compozite sunt constituite dintr-o matrice organică (rășină, spumă cu lemn) și fibre organice (kevlar, poliamidă etc.), fibre minerale (sticlă, carbon etc.) sau fibre metalice (bor, aluminiu etc.).
In general, materialele compozite plastice au densități reduse, rezistență ridicată la acțiunea agenților chimici, proprietăți mecanice, termice și electrice mai bune decât cele ale materialelor plastice. Aceste materiale sunt utilizate în industria de automobile, aviație, aeronautica, recipienți pentru industria chimică etc.
b)Materiale compozite ceramice
Sunt materiale compuse, constituite din substanțe anorganice (oxizi, carburi, siliciuri, boruri etc.) consolidate într-un ansamblu cu elemente de armare sub formă de fibre, granule sau agregate. De exemplu, compozitele ceramice pe baza de fibre sunt formate dintr-o matrice din materiale minerale (ceramică) și fibre de armare (fibre de SiC, A1203, W, Mo, Be, oțel și fibre de sticlă).
c)Materiale compozite metalice
Aceste materiale sunt formate dintr-o matrice metalică (Al, Mg, Cu, Ti, Pb, superaliaje etc.) și componenta de armare, care poate fi metalice sau ceramice (oțel inoxidabil, W, Be, Ti, fibre de carbon, fibre de bor, fibre de Al203, fibre de sticlă, particule din materiale ceramice etc.).
3.3. Tipuri de matrici utilizate
Matricea compozitelor trebuie să fie constituită dintr-un material capabil să înglobeze componenta dispersă, pe care să nu o distrugă prin dizolvare, topire, reacție chimică sau acțiune mecanică. Rezistenta compozitului la temperatura și la coroziune sau oxidare este determinată în primul rând de natura matricei. În cele mai multe cazuri, aceasta reprezintă partea deformabilă a materialului, având o rezistență mecanică mai scazută decât materialul complementar pe care îl include. Alegerea matricei se face în funcție de scopul urmărit și de posibilitățile de producere a compozitului. În tehnologiile actuale se folosesc numeroase tipuri de matrici: metalică, ceramică, sau organică.
Matricea reprezintă așadar, o parte a materialului compozit care asigură atât transferul solicitărilor exterioare la ranforsant, cât și protecția elementelor de ranforsare împotriva distrugerilor mecanice și prin eroziune.
3.3.1. Matrici organice
Matricile organice sunt executate din materiale plastice. Se pot folosi fie materiale termoplastice: polietilenă, polistiren, poliester, cetonă, etc., fie materiale termorigide: rășini de poliester, rășini epoxy, rășini fenolice, rășini poliamidice, rășini melamine. Matricile din rășini asigură compozitului proprietăți mecanice și chimice crescute, chiar la temperaturi de până la 450oC, în cazul rășinilor fenolice.
Matricile organice au utilizarea cea mai largă în domeniul materialelor compozite. Dintre acestea, materialele polimerice prezintă o serie de avantaje:
– sunt ușoare;
– asigură transparență;
– sunt izolatoare electric și termic;
– sunt impermeabile;
– au rezistență mare a coroziune;
– asigură autolubrifierea;
– se poate obține un comportament elastic sau plastic.
Proprietățile acestor materiale sunt dependente aproape în exclusivitate de temperatură, comportarea lor fiind determinată de mărimea forțelor de legătura dintre atomi, numărul de legături chimice pe unitatea de volum și rezistență la degradare a legăturilor sub acțiunea unor agenți externi. Deși matricele de natură organică satisfac cele mai multe dintre cerințele care se impun pentru a putea fi folosite la producerea materialelor compozite, ele prezintă și numeroase dezavantaje: rezistență mecanică redusa la temperaturi înalte, o durată scurtă de menținere în stare lichidă după preparare, conductivitate termică redusă, un coeficient mare de dilatare termică și rezistență relativ mică la șoc mecanic.
Principalul neajuns al matricelor organice, și anume slaba rezistență la temperatură, a menținut în atenție materialele organice gen sticlă și pentru matrice. Se pot obține astfel compozite cu temperaturi de lucru între 500°…1200 °C.
În funcție de structură, matricile organice pot fi:
– matrici amorfe (sunt transparente);
– matrici neamorfe (pe măsură ce scade gradul de amorfizare scade și transparența).
Material compozit cu matrice organică amorfa
În general, există două familii de matrici organice:
a) matrici organice termorigide;
b) matrici organice termoplastice.
3.3.1. a) Matrici termorigide
Acestea au proprietatea că prin încălzire devin suficient de plastice, iar după răcire (solidificare) se întăresc ireversibil (se pot forma o singură dată) datorită transformărilor chimice suferite. Astfel, după polimerizare rășinii, sub acțiunea căldurii, și în prezența unui catalizator, se obține o structură tridimensională, care nu poate fi distrusă decât la temperaturi ridicate. Se obțin astfel o serie de proprietăți mecanice și termomecanice favorabile.
Proprietățile mecanice ale compozitelor polimerice depind de unitățile moleculare care formează rețeaua și respectiv de lungimea și densitatea legăturilor.
Principalele rășini termorigide sunt:
– rășinile poliesterice nesaturate (PEN, UP), prezintă o fixare bună pe fibre, au preț redus, însă au o contracție volumică la întărire mare (8 … 10%) și o comportare dificilă la căldură umedă. Obținerea rășinilor se realizează în combinația: PEN (98,5 … 97,5), accelerator (0,5%) și catalizator (1 … 2% ). Deoarece catalizatorul este o substanță explozivă, el se păstrează la rece, împreună cu substanțe inerte, nu se amestecă niciodată catalizatorul cu acceleratorul, se evită sursele de foc (PEN este inflamabil) și se păstrează în spații deschise și bine ventilate;
– rășini epoxidice (EP), sunt cele mai utilizate în industria aeronautică. Ele prezintă o fixare bună pe fibre, o contracție redusă la turnare (contracția este de cca. 0,5%) și asigură proprietăți mecanice ridicate;
– rășini fenolice (PF), au proprietăți mecanice mai reduse decât rășinile epoxidice, ele fiind utilizate numai atunci când se cer exigențe deosebite privind comportarea la foc (nu produce gaze toxice la ardere). Se construiesc piese cu rezistență ridicată la temperatură și piese cu proprietăti de izolatori electrici.
3.3.1. b) Matrici termoplastice
Aceste materiale sunt divizate în materiale plastice de mare difuziune și materiale plastice tehnice (tehnopolimeri), având avantajul că se pot refolosi rebuturile și deșeurile recuperabile prin reciclare. Prima categorie are o utilizare mai largă din cauza prețului scăzut, al disponibilității materiei prime și al procedeului de prelucrare. Materialele termoplastice au o dezvoltare mai restrânsă comparativ cu materialele termorigide.
Principalele materiale termoplastice sunt:
– policlorura de vinil (PVC);
– polietilena cu densitate redusă (PE);
– polietilena cu densitate ridicată (PE);
– polipropilena (PP);
– polistirenul (PS);
– polistiren șoc (PS);
– pcrilonitrit-stiren (PS/AN);
– pcrilonitrit-butadien-stiren.
3.3.2. Matrici ceramice
Ceramica tehnică este tot mai frecvent utilizată pentru realizarea compozitelor, deoarece această categorie de materiale este caracterizată prin proprietăți intrinseci deosebite, datorate în principal legăturilor interatomice.
Aceste proprietăți sunt:
– rezistență mecanică mare la temperaturi înalte;
– rezistență la rupere foarte mare, uneori mai mare decât a celor mai bune oțeluri;
– rezistență la oxidare și la agenți chimici;
– modul de elasticitate mare, superior oțelurilor;
– duritate mare și stabilă la creșterea temperaturii.
Prin armare cu fibre de adaos crește tenacitatea matricei și sporește rezistența lor la șoc termic. Matricele ceramice care îndeplinesc condițiile de temperatură (minimă sub -100 °C si maxima peste 1000 °C) și proprietăți deosebite de duritate, fragilitate, refractaritate, rezistență la abraziune și coroziune, densitate redusă, stabilitate la temperaturi ridicate. Acestea pot fi: oxidice (alumina — A1203, silicea — Si02 și zirconia — Zr02), neoxidice (carbura de siliciu — SiC, carbura de bor — BC, nitrura de siliciu — Si3N4, borurile — TiB2, ZrB2).
3.3.3. Matrici metalice
Matricele metalice s-au folosit din necesitatea de-a obține compozite care să poată fi utilizate la temperaturi relativ înalte, comparativ cu cele de natură organica. Metalele prezintă și alte proprietăți care le recomandă în calitate de matrice: proprietăți mecanice bune, conductivitate termica și electrică mari, rezistență mare la aprindere, stabilitate dimensională, capacitate bună de prelucrare, porozitate scazută. În schimb, densitatea este relativ mare (1,74…7,0 g/cm3), iar fabricarea compozitelor este uneori mai dificilă.
Matricile metalice pot îngloba fibrele de armare prin laminare, impregnare în fază lichidă, depunere chimică în fază de vapori sau electroplacare a matricei și solidificare dirijată. Față de matricile din polimeri, prezintă o serie de avantaje legate de ductilitate și proprietăți mecanice superioare, rezistență la atacul anumitor solvenți, o gamă mai largă a temperaturilor de utilizare, conductibilitate termică și electrică mai bună.
Dezavantajele lor se referă la:
– masa volumică mai mare decât a matricilor din polimeri,
– posibila apariție a unor compuși intermetalici fragili la interfața dintre matrice și fibre (compuși ce determină un transfer greoi de tensiuni,
– microfisuri și zone de concentrație a tensiunilor care duc la ruperea materialelor compozite sub sarcini relativ mici) și la tehnologia de obținere mai complicată ducând la un cost mai ridicat al compozitelor cu matrice metalică.
Matricile utilizate trebuie sa aibă anumite caracteristici, și anume: temperatura necesara de utilizare 200 … 600 (1000) °C, proprietăți mecanice ridicate, conductibilitate termică și electrică, stabilitate dimensională, prelucrabilitate bună, rezistență chimică adecvata etc. Alegerea lor se face in funcție de greutatea specifică și de proprietățile mecanice, termice, electrice și metalurgice. Din categoria aliajelor utilizate ca matrici, avem: Al, Si, Mg, Cu, Mg, etc.
În prezent există două categorii de compozite cu caracteristici funcționale superioare:
– cu matricea din aluminiu (armata cu particule de carbură de siliciu, până la 15 % in volum, obținută prin turnare în amestecuri de formare fluide);
– cu matricea din oțel (ranforsată cu carbură de wolfram, elaborată printr-un procedeu original, materialul aflându-se in stare semifluidă).
Pentru materialele destinate produselor care lucrează la temperaturi sub 450°C se poate utiliza ca matrice metalică aluminiul și aliajele sale datorită costului relativ scăzut, densității mici, conductivității termice mari, fluidității bune și prelucrării ușoare. În vederea îmbunătățirii comportării aliajelor de aluminiu la temperaturi, se recomandă utilizarea titanului ca element de aliere. Prezența acestuia mărește stabilitatea termică și influențează pozitiv caracteristicile structurii primare. În ultimul timp s-au impus titanul și aliajele sale, datorită unei bune ductibilități și posibilității de a ține sub control interacțiunea chimică cu materialul complementar. Matricele din titan au densități mici și rezistența la rupere bună (în special aliajele aliate cu aluminiu, vanadiu, molibden, crom), fragilitate la rece redusă, iar coeficientul de dilatare liniară este de 1,4 ori mai mic decât cel al fierului si de 2,8 ori mai mic decât cel al aluminiului.
4. MATERIALE COMPOZITE STRATIFICATE
Materialele compozite polimerice au găsit aplicabilitate în construcția următoarelor subansamble: șasiu și suspensie, 1,7%; transmisie și motor, 2%, elemente de electricitate, 2%; elemente interioare, 16,3%; elemente sub capotă, 20,7%; elemente de caroserie, 56%. Procesul de obținere a materialelor compozite stratificate constă în unirea pe cale chimică și mecanică a straturilor de material de armare din fibre de sticlă prin impregnare cu rășină. Punerea în formă a pieselor stratificate prezintă particularități care au determinat procedee specifice.
5. MATERIALE PLASTICE TEHNICE
5.1. Materiale plastice tehnice de uz general, categoria A:
a) PVC;
b) PP;
c) materiale plastice pe bază de rășini:- TEXTOLIT;
d) PMMA;
e) PS.
a) PVC – Policlorură de vinil
Caracteristici principale : (PVC dur):
► rezistență la curgere : min. 45 – 70 MPa,
► prelucrabilitate bună,
► rezistent la agenți chimici și la intemperii,
► utilizare în intervalul de temperatură: – 20ºC până la +90ºC,
► duritate : 95 – 130 MPa,
► densitate : 1,35 – 1,6 kg/dm³,
► există și variantă neutră fiziologic (contact cu alimente),
► izolator electric bun și în mediul umed.
Domenii de utilizare: Sisteme de ventilație industrială, canale de aer și de materiale, rezervoare de apă și de substanțe chimice, sisteme de țevi, filtre, piese electroizolante, căzi de galvanizare, agitatoare, instalații de decapare, piese și elemente tehnologice și din industria fotografică, elemente de construcții.
b) PP – Polipropilenă:
Caracteristici principale :
► rezistență la curgere : min. 30 MPa,
► modulul de elasticitate : min. 1300 MPa,
► rezistent la agenți chimici și la intemperii,
► sudabilitate bună,
► utilizare în intervalul de temperatură: -20ºC până la +90ºC,
► duritate : 70 MPa,
► densitate : 0,91 kg/dm³,
► preț scăzut de achiziționare (față de alte materiale plastice),
► prelucrabilitate bună,
► izolator electric bun și în mediu umed.
Domenii de utilizare: Organe de mașini supuse la solicitări mecanice mai mici, ca de exemplu : lagăre, roți dințate, carcase de aparate; rezervoare de galvanizare, piese izolatoare electrice, tancuri din industria chimică, vase de depozitare, instalații din industria publicitară, unelte, sisteme cu solicitare mică pentru transport de materiale, componente de tobogan, etc.
c) Textolit:
Caracteristici principale :
► rezistența la încovoiere (perpendicular pe straturi) : min. 100 MPa,
► modulul de elasticitate : min. 7000 MPa,
► rezistență la compresiune : min. 160 MPa,
► clasa de temperatură : E,
► coeficientul de dilatare termică liniară : 20-40 x 10-6 m/mK,
► rezistență la șoc și la încovoiere (Charpy) : min. 25 kJ/m2,
► rezistență la despicare : min. 3000 N,
► conductivitate termică : 0,2 W/mK,
► încercare la tensiune (timp de 1 minut),
► densitate : 1,4 kg/dm³,
Domenii de utilizare: Datorită caracteristicilor de alunecare și mecanice bune se poate utiliza la realizarea lagǎrelor, roților dințate și ghidajelor la prese, mașini de rindeluit grele, gatere și a altor organe de mașini cu solicitare mare, precum și la fabricarea jgheaburilor de transport materiale, carcaselor și reperelor de aparate. În general se pot utiliza bine în locurile unde stabilitatea dimensională și rezistența la compresiune a materialelor termoplastice de uz general nu este satisfăcătoare.
d) PMMA :
Caracteristici principale :
► rezistența la curgere : min. 45 MPa,
► modulul de elasticitate : min. 1380 MPa,
► prelucrabilitate bună, rezistent la agenți chimici și la intemperii,
► utilizare în intervalul de temperatură: -20ºC până la +90ºC,
► duritate : 100 – 170 MPa,
► proprietăți optice deosebite,
► preț de achiziție convenabil (față de policarbonat),
► izolator electric bun și în mediu umed, absorbție de umiditate redusă,
► densitate : 1,2 kg/dm³,
Domenii de utilizare: Organe de mașini din industria de aparatură electrică, carcase de aparate, geamuri de securitate, vitrinaje din industria publicitară, cutii, corpuri de iluminat, etc. care sunt supuse unor solicitări mecanice reduse.
5.2. Materiale plastice tehnice, categoria B:
a) PA PA6, 66, 4.6, 12;
b) POM;
c) PC;
d) PET;
e) PE;
f) ABS;
g)POLIESTER;
h) PTFE.
a) PA – Poliamidă:
Caracteristici principale :
► rezistență mecanică mare: min. 70 – 110 MPa, (la curgere, la rupere, la compresiune),
► tenacitate (Charpy) : 12 kJ/m² – nu se rupe,
► proprietăți bune de alunecare : μ = 0,15 – 0,5 (alunecare uscată pe oțel rectificat),
► interval larg de temperatură de utilizare : – 40ºC până la +140ºC,
► duritate mare (Rockwell) : M85 – M98,
► rezistență bună la oboseală și capacitate de amortizare mecanică convenabilă,
► rezistență bună la uzare,
► sarcina maximă la o deformare de 1 % : 18-26 MPa,
► densitate : 1,15 – 1,16 kg/dm³.
Domenii de utilizare (grupă de materiale de utilizare universală): Bucșe pentru lagăre de alunecare, ghidaje, role de susținere, de întindere, de ghidare și de transport, scripeți, roti dințate, cremaliere, roti melcate, roti de lanț, placi de taiere, elemente izolatoare, elemente de etanșare, suruburi, piulițe, șaibe, flanșe, elemente de legătura, cilindri, discuri, etc.
b) POM – Poliacetal:
Caracteristici principale :
► rezistență mecanică mare: min. 70 – 80 MPa, (la curgere, la rupere),
► tenacitate (Charpy) : 8 kJ/m² – nu se rupe,
► proprietăți bune de alunecare : μ = 0,25 – 0,45 (alunecare uscată pe oțel rectificat),
► interval larg de temperatură de utilizare : – 50ºC până la +120ºC,
► duritate mare (Rockwell) : M86 – M90,
► rezistență bună la oboseală și capacitate de amortizare mecanică convenabilă,
► la acțiunea umezelii nu se dilată, varianta POM C se poate utiliza și în imersie până la temperaturi de 80ºC,
► prelucrabilitate prin așchiere foarte bună inclusiv pe mașinile automate,
► densitate : 1,4 kg/dm³.
Domenii de utilizare: Piese de precizie cu stabilitate dimensională, roți dințate cu modul mic, scaune de supape, arcuri, elemente de alunecare, came de comandă, piese electroizolatoare în industria electrotehnică, organe de mașini în contact permanent cu apa, role, organe de asamblare, elemente de etanșare, elemente elastice, etc.
c) PC – Policarbonat:
Caracteristici principale :
► rezistență mecanică : 60 – 65 MPa, (la curgere, la rupere),
► tenacitate mare, rezistență la șoc foarte bună chiar la temperaturi joase : nu se rupe,
► stabilitate dimensională bună,
► prelucrabilitate bună,
► interval larg de temperatură de utilizare : – 60ºC până la +115ºC,
► duritate (Rockwell) : M70 – M75,
► proprietăți bune de alunecare : μ = 0,25 – 0,45 (alunecare uscată pe oțel rectificat),
► capacitate bună de amortizare mecanică,
► se poate termoformă, maleabilitate bună,
► este neutru fiziologic, poate fi în contact cu alimente și cu medicamente,
► sarcina maximă la o deformare de 1 % : 17 MPa,
► densitate : 1,2 kg/dm³.
Domenii de utilizare: Elemente de aparate de precizie, piese în contact cu alimente, instalații medicale și farmaceutice, geamuri de securitate, carcase, materiale de construcții, panouri publicitare, stații de autobuze,
elemente izolatoare, etc.
d) PET – Polietilentereftalat:
Caracteristici principale :
► rezistență mecanică mare : 78 – 90 MPa (la curgere, la rupere),
► tenacitate (Charpy) : 3,5 kJ/m2 – 50 kJ/m2,
► proprietăți bune de alunecare : μ = 0,1 – 0,3 (alunecare uscată pe oțel rectificat),
► sarcina maximă la o deformare de 1 % : 24 – 26 MPa,
► interval de temperatură de utilizare : – 20ºC până la +115ºC,
► duritate foarte mare (Rockwell) : M94 – M96,
► rezistență bună la oboseală și capacitate de amortizare mecanică convenabilă,
► la acțiunea umezelii practic nu se dilată,
► este neutru fiziologic, poate fi în contact cu alimente și cu medicamente,
► rezistență bună la uzare în comparație cu PA și POM, în condiții neabrazive,
► densitate : 1,4 kg/dm³.
Domenii de utilizare: Ghidaje puternic solicitate, lagăre de alunecare, organe de mașini cu stabilitate dimensională mare pentru mecanică fină, jgheaburi, plunjere de distribuție, elemente de pompe, elemente izolatoare în industria electrotehnică, role, roți dințate, came, scaune de supape, elemente de etanșare, etc.
e) PE – Polietilenă:
Caracteristici principale :
► rezistență mecanică : 20 – 24 MPa (la curgere),
► tenacitate mare (Charpy) : nu se rupe,
► proprietăți bune de alunecare : μ = 0,2 – 0,3 (alunecare uscată pe oțel rectificat),
► prelucrabilitate bună, rezistent la intemperii,
► interval de temperatură de utilizare : – 80ºC până la +110ºC,
► duritate (Shore) : D60 – D65,
► capacitate de amortizare mecanică bună,
► la acțiunea umezelii nu se dilată, rezistență bună la agenți chimici,
► este neutru fiziologic, poate fi în contact cu alimente și cu medicamente,
► materialul HD 1000 : rezistență bună la uzare abrazivă în comparație cu PA, POM și PET,
► densitate : 0,96 kg/dm³.
Domenii de utilizare: Lagăre de alunecare, jgheaburi, mese de tranșat (industria alimentară si pielărie), căptușeli pentru tobogane și pentru depozitare de materiale granulare, role, roți dințate cu sarcini reduse,
elemente izolatoare, elemente de etanșare, căptușirea silozurilor, transportoarelor, cupelor, benelor, pentru utilaje din industria celulozei și hârtiei, instalații de îmbuteliere, epurare, pompare, vane de electroliză, pentru ecranare în industria electrotehnică și nucleară, etc.
f) ABS – acrilonitril-butadien-stiren:
Caracteristici principale :
► rezistență mecanică : 45 MPa (la curgere),
► tenacitate mare (Charpy) : 11 kJ/m2 – nu se rupe,
► prelucrabilitate bună,
► interval larg de temperatură de utilizare : – 40ºC până la +80ºC,
► duritate (Shore) : D78,
► capacitate de amortizare mecanică bună,
► absorbție de umiditate scăzută, rezistență bună la agenți chimici,
► nu este rezistent la UV,
► densitate : 1,1 kg/dm³.
Domenii de utilizare: Piese din industria de autovehicule, grilaje de răcire, suporturi de acumulatoare, carcase, piese de precizie din industria de aparate, elemente de depozitare și de securitate, conectori, rezervoare și
lăzi, fitinguri și elemente mobile.
g) Poliester:
Caracteristici principale :
► rezistență mecanică : 45 – 50 MPa (la curgere, la rupere),
► tenacitate mare, rezistență la șoc și la temperaturi scăzute (Charpy), nu se rupe,
► este neutru fiziologic, poate fi în contact cu alimente și cu medicamente,
► prelucrabilitate bună,
► duritate (Rockwell) : R104 – R107,
► capacitate de amortizare mecanică bună,
► se poate termoforma, maleabilitate bună,
► grad de puritate ridicat,
► densitate : 1,3 kg/dm³.
Domenii de utilizare: Piese în contact cu alimente, aparate medicale și farmaceutice, geamuri de securitate, carcase, materiale de construcții, panouri publicitare, stații de autobuze, elemente izolatoare, etc.
h) PTFE – politetrafluoretilenă:
Caracteristici principale :
► rezistență la rupere : 16 – 25 MPa,
► deosebit de stabil din punct de vedere chimic,
► capacitate bună antiadezivă,
► prelucrabilitate bună,
► interval larg de temperatură de utilizare : – 200 ºC până la +260ț300 ºC,
► duritate (Rockwell) : D50 – D75,
► capacitate de amortizare mecanică bună, tenacitate convenabilă,
► coeficient de frecare deosebit de mic,
► este neutru fiziologic, poate fi în contact cu alimente și cu medicamente,
► capacitate bună de izolator electric inclusiv în mediu umed,
► densitate : 2,2 – 2,4 kg/dm³.
Domenii de utilizare: Repere de utilaje din industria alimentară, chimică, textilă, elemente de etanșare, elemente izolatoare, elemente de precizie din industria de aparate, aparate medicale și farmaceutice, jgheaburi, etc.
5.3. Materiale plastice tehnice speciale pentru utilizare în industria chimică, categoria C:
a) PSU, PES, PPSU;
b) PEI;
c) PVDF;
d) PPE.
5.4. Materiale plastice tehnice speciale pentru utilizare în condiții tribologice deosebite, categoria D:
a) PI;
b) PEEK;
c) PPS.
Materialele plastice ultraperformante (HPM) se remarcă printr-o combinație
de caracteristici mecanice, termice și electrice deosebite, ele putând să ofere soluții în cazurile în care celelalte materiale plastice tehnice nu reușesc. Se utilizează de obicei în domenii tehnice de vârf (electrotehnică, aviație, nucleară, farmaceutică, chimie, etc.) la aplicații pentru condiții de lucru deosebite.
6. MASE PLASTICE TEHNICE
Mase plastice tehnice :- generale,
-avansate.
6.1. Mase plastice tehnice avansate
a) POLIBENZIMIDAZOL – (PBI), CELAZOLE PBI: CELAZOLE PBI – este materialul termoplastic cel mai performant ce este disponibil astăzi.
Datorită profilului său unic de proprietăți CELAZOLE PBI poate fi ultima soluție acolo unde celelalte mase plastice nu reusesc.
Caracteristici principale:
– temperatura de lucru max. admisibilă in aer extrem de ridicată(310˚ C in regim continuu, mergând până la 500˚ C);
– menținere a rezistenței mecanice și a rigidității pe un domeniu larg de temperaturi;
– comportare excelentă la uzură și la frecare;
– coeficient de dilatare termică liniară extrem de scăzut;
– rezistență excelentă la radiația de înaltă energie (gamma și raze X);
– puritate ridicată în ceea ce privește contaminarea ionică.
Aplicații consacrate: Piese de contact pentru tuburi fluoreșcente producatorii de tuburi incandeșcente și fluoreșcente folosesc CELAZOLE PBI pentru piesele aflate în contact cu temperaturi ridicate.
b) PA :
Caracteristici principale:
– temperatura de lucru maxim admisibilă in aer foarte ridicat[ (250˚ C);
– excelentă menținere a rezistenței mecanice si a rigidității ;
– stabilitate dimensională excelentă până la 250˚ ;
– comportament excelent la uzură și frecare ;
– rezistență UV remarcabilă;
– rezistență excelentă la radiația de înaltă energie (gamma și raze X) ;
– inflamabilitate intrinsecă scăzută.
Aplicații consacrate: palete de compresor rotativ, dornuri pentru cutii din aluminiu, suporți pentru sudarea paharelor, cuiburi și socluri pentru cipuri .
c) PEEK :
Caracteristici principale:
– temperatura de lucru maxim admisibilă în aer (250˚ C );
– rezistență mecanică, rigiditate și duritate ridicate la
temperaturi mari ;
– rezistență chimică și la hidroliză excelentă ;
– comportare excelentă la uzură și frecare ;
– stabilitate dimensională foarte bună;
– rezistență UV remarcabilă;
– rezistență excelentă la radiația de înaltă energie(gamma
și raze X) ;
– inflamabilitate intrinsecă scăzută și niveluri scăzute ale
emanației de fum în timpul combustiei.
Aplicații consacrate: componente constructive la analizoare de gaze, cuzineți pentru rolele de ghidare a sârmei de oțel, inele de uzură pentru pompe.
d) PPS :
Caracteristici pricipale:
– temperatura de lucru maximă admisibilă în aer foarte ridicată
(220˚ C) ;
– rezistență mecanică, rigiditate și duritate mare și la temperaturi
ridicate;
– rezistență chimică ți la hidroliză ;
– comportare excelentă la uzură și frecare ;
– stabilitate dimensională foarte bună;
– rezistență excelentă la radiația de înaltă energie ( gamma și
raze X) ;
– rezistență UV bună;
– inflamabilitate intrinsecă scăzută;
– proprietăți bune de izolator și dielectrice.
Aplicații consacrate: lagăre de conveior pentru extractorul cu solvent,
piese reazem izolatoare pentru imprimante.
e) POLIFENILSULFONA (PPSU), POLIETERIMIDA (PEI), POLISULFONA (PSU) PPSU 1000 – PEI 1000 – PSU 1000:
Caracteristici principale:
– temperatura de lucru maxim admisibilă în aer ridicat (180, 170
si 150˚ C);
– rezistență mecanică și rigiditate ridicate pe un domeniu larg de
temperaturi;
– rezistență excelentă la hidroliză ;
– inert fiziologic (adecvat contactului cu alimentele);
– stabilitate dimensională foarte bună ;
– rezistență foarte bună la radiația de înaltă energie (gamma și
raze X) ;
– proprietați bune de izolator electric și dielectrice.
Aplicații consacrate: braț de vizare și vizor de poziționare, bucșă de poziționare a sondelor endoscopice, cleme, racorduri pentru echipamentele de curățare.
f) POLIFLUORURA DE VINILIDEN (PVDF), POLITETRAFLUORETILENA aditivat[ (PTFE), PVDF 1000 – FLUOROSINT:
Caracteristici principale:
– temperatura de lucru max. admisiblă în aer ridicată
(260˚ C) ;
– rezistență chimică și la hidroliză excelentă ;
– rezistență UV și la intemperii remarcabilă;
– rezistență mecanică, rigiditate și rezistență la fluaj
bune;
– proprietăți bune de alunecare și rezistență la uzuă;
– inflamabilitate intrinsecă sazută ;
– proprietăți de bun izolator electric.
Aplicații consecrate: carcase pentru pH-metre, lagăr pentru brațul mașinii de spălat vase.
g) MASE PLASTICE cu disipare electrostatică, SEMITRON ESd:
Caracteristici pricipale:
– disipare permanentă a sarcinilor electrostatice;
– disipare de sarcini statice (5 kV) în mai puțin de 2 secunde;
– utilizare de pudre metalice sau de grafit / carbon.
Aplicații consecrate: pieptenii de plăcute, tăvi de transport, piese de inserție.
6.2. PIESE DIVERSE DIN MASE PLASTICE TEHNICE
– roți dințate: -supape:
– suporți, flanșe: – role, roți:
– garnituri, inele “O”: – lagăre, capace:
7. PTFE ( " TEFLON " )
7.1. Introducere
Pe lângă reperele din mase plastice tehnice generale și avansate, mai există și o gamă largă de repere din PTFE(Teflon).
"Teflonul" ( PTFE sau Politetrafluoretilena ) are proprietăți antiadezive foarte bune, coeficient de frecare scăzut, este aproape inert chimic, este neinflamabil, are conductivitate termică scazută, rezistivitate electrică foarte ridicată și o rezistență dielectrică foarte bună, este impermeabil și stabil termic între – 240º C și + 260º C.
"Teflonul" se prelucrează și se livrează sub formă de:
– semifabricate: ( bare, buse, plăci, folie );
– piese finite: garnituri și inele de etanșare, compensatori de dilatare, profile complexe , suprafețe de alunecare, aplicații electrice, izolatori, folii, etc.
Aditivarea teflonului îmbunatatește proprietățile fizice ale acestuia lărgind domeniul lui de utilizare. "Teflonul" aditivat, în funcție de aditiv și concentrație, iși poate îmbunătăți proprietățile fizice, mecanice și electrice cu procente plecând de la 20% și ajungând la peste 100%.
Aplicațiile uzuale ale acestor materiale sunt: lagăre, etanșări de compresoare, etanșări diverse, segmenți, benzi portante, piese de uzură, suprafețe de alunecare, aplicații electrice supuse la compresiune, bandă Keder, etc.
7.2. Diagrama performanței PTFE
7.3. Principalele proprietăți ale PTFE
Propietăți chimice
7.4. Sorturi de PTFE. Principalele caracteristici ale PTFE
7.5. Aplicații ale PTFE
7.6. Semifabricate din PTFE (Teflon):
– plăci rectangulare
și rotunde: – bare rotunde
și rectangulare:
– bucșe și tuburi:
7.7. PIESE DIN PTFE ( " TEFLON " ):
– etanșări de tijă: – etanșări
de compresoare:
– diverse piese: – piese
extrudate:
– garniture și
inele de etanșare:
– compensatori
de dilatare:
– membrane: – inele
ghidare piston:
– piese diverse din
PTFE regenerat: – folie
sintetizată:
=== Cap. 2.- Prezentarea utilajului ===
CAPITOLUL 2
PREZENTAREA UTILAJULUI
1. CONSTRUCȚIA PATULUI DE RĂCIRE DIN CADRUL LAMINOARELOR DE PROFILE
Patul de răcire din cadrul laminorului de profile mici este unul dintre cele mai complexe paturi de răcire din cadrul Uzinei laminoare. Ca și amplasare face parte din ajustajul secției respective. Pe lângă acesta mai există foarfecile de debitare în flux, foarfecile de debitare la rece, instalația de evacuare a laminatelor și mașina de îndreptat.
Utilajul patului de răcire se compune din :
cale cu role de alimentare;
dispozitivul de separare cu jgheab deviator;
dispozitivul de frânare;
grătarul de îndreptare cu greble pășitoare;
rolele de răcire înclinate;
dispozitivul de grupare și transport ;
calea cu role de evacuare .
Modul de amplasare a principalelor mecanisme componente ale patului de răcire din cadrul laminorului de profile mici este prezentat în figura 1.
Figura 1. Amplasarea mecanismelor patului de răcire a laminorului de profile mici
– (1)-mecanism de separare;
– (2),(3)-cale cu role de alimentare 1 și 2;
-(4)-mecanism de antrenare grătar pășitor (greblă mobilă);
– ( 5),(6)-mecanismele de frânare ale firelor 1 și 2;
– (7),(9)-mecanism de grupare-evacuare;
– (8)-mecanism antrenare role înclinate;
– (10)-cale cu role de evacuare.
1.1. Descrierea procesului tehnologic
Țaglele de 80x80x12.000 mm se așează în pachete de aproximativ 10 tone (maxim 3 pachete) pe fiecare destivuitor amplasate în fața cuptoarelor de încălzire. După destivuire, țaglele sunt controlate calitativ iar cele cu defecte sunt preluate cu ajutorul unui braț aruncător.
Pe calea cu role de alimentare, țaglele sunt transportate până în fața unui opritor escamotabil care le oprește, până se formează o grupă de 3-4 țagle care pot fi introduse în cuptor. Această cale cu role de alimentare este așezată pe un cântar, astfel încât toate țaglele să poată fi cântărite.
Odată intrate în cuptor țaglele sunt deplasate pe vatra cuptorului prin zonele de încălzire și egalizare a temperaturii spre ușa de evacuare, prin împingere cu împingătoare hidraulice. Evacuarea țaglelor calde din cuptor către calibrul principal se face cu mașina de împins țagle prin ușa laterală a cuptorului.
Laminorul de profile mici este conceput să lamineze pe fir profil rotund de la Ø25 la Ø30 mm, profil cornier, lat și profil T.
Dirijarea țaglei către calibrul de lucru se face cu un macaz cilindric cu patru canale care permite alimentarea cu țagle pe ambele fire.
În fața primei caje a trenului pregătitor este montată o foarfecă de intervenție care poate să oprească înaintarea barei prin debitarea acesteia.
Trenul continuu pregătitor este format din patru caje duo cu diametrul cilindrilor de 450 mm și lungimea tăbliei de 1100 mm și din patru caje cu diametrul cilindrilor de 380 mm și lungimea tăbliei de 932 mm. Acestea pot fi deplasate hidraulic pentru schimbarea calibrelor sau pentru scoaterea din flux. Sistemul de calibrare în trenul pregătitor este romb-pătrat. Răsucirea rombului după cajele 1, 3 și 5 se face cu ghidaj și cajă de răsucire, iar după caja 7 se face numai cu ghidaj de răsucire.
După trenul pregătitor se găsesc două foarfeci rotative, câte una pentru fiecare fir, care șutează sau în caz de defecțiune mărunțește bara laminată în bucăți de aproximativ 2 m lungime.
Trenurile continue intermediare 1 și 2 sunt compuse fiecare din 4 caje duo orizontale. Sistemul de calibrare folosit în trenurile intermediare este: oval-pătrat pentru laminarea rotundului, calibre fasonate pentru laminarea profilului T și cornier și cilindrii cu tăblie netedă pentru laminarea oțelului lat. Răsucirea ovalului în cajele 9, 11, 13 și 15 se face cu țevi de răsucire. Toate cajele orizontale ale trenurilor intermediare 1 și 2 pot fi deplasate hidraulic pentru schimbarea calibrelor sau scoatere din flux.
Ambele trenuri finisoare sunt formate din două caje finisoare verticale și două orizontale. Schimbarea calibrelor la cajelor verticale se face electric, iar la cele orizontale se face hidraulic.
Între cajele de laminare ale ambelor trenuri finisoare sunt montate mese de buclare pe care bara laminată este îndoită din mers după prinderea de către caja următoare. Dezvoltarea buclei se face automat. Mesele de buclare sunt combinate, pentru buclare pe verticală a profilului lat, cornier și T și buclare pe orizontală a profilului rotund. În fața trenurilor finisoare sunt prevăzute deasemenea câte o foarfecă de intervenție.
Sistemul de calibrare folosit la trenul finisor este: oval-rotund fals la laminarea rotundului, calibre fasonate pentru laminarea profilului cornier și a profilului T, iar pentru laminarea oțelului lat se folosesc cilindrii cu tăblie netedă la cajele orizontale și cilindrii cu calibre de refulare la cajele verticale.
La ieșirea din trenul finisor barele laminate sunt preluate de o cale cu role de alimentare. În prima parte a acesteia sunt montate două foarfeci rotative care taie în flux bara laminată, la lungimea patului de răcire, cuprinsă între 75…100 m.
În spatele acestor foarfeci rotative începe patul de răcire cu calea cu role de separare și frânare a laminatelor. Viteza laminatelor la ieșirea din ultima cajă este cuprinsă între 4…14 m/s. lungimea patului de răcire este de 120 m.
Preluarea barelor de pe calea cu role a mecanismului de frânare se face cu ajutorul greblelor mobile, care depun ritmic laminatele pe un grătar fix și le deplasează transversal pe patul de răcire.
În continuare laminatele sunt predate pe o suprafață de răcire cu role așezate înclinat pe suprafața de răcire. Transportul se face deasemenea transversal pe patul de răcire către un grătar oscilant care grupează laminatele în pachete. Grătarul oscilant evacuează laminatele pachete pe calea cu role de evacuare către foarfecile de tăiere la rece.
Lungimea de tăiere este cuprinsă între 6 și 24 m, iar laminatele tăiate se transportă cu un transportor cu clicheți în buzunarele de legare. Dacă este nevoie se poate face îndreptarea laminatelor cu ajutor unei mașini de îndreptat.
Laminatele tăiate la lungimi comerciale se ambalează sub formă de baloți, se marchează prin etichetare sau vopsire și se depozitează în depozitul descoperit sau în hala secției. În final se face recepția laminatelor.
1.2. Calea cu role de alimentare
Calea cu role de alimentare a patului de răcire se compune din 2 părți:
a) calea cu role de alimentare I- care este cuprinsă între linia de laminare și foarfecile rotative amplasate în flux. Ea este formată din role cilindrice cu două rine, cu întreaga suprafață de rulare fixă.
Caracteristici tehnice:
– lungime aproximativă : 16 m;
– numărul rolelor : 14 buc. ;
– diametrul rolei : 210 mm ;
– lungimea rolei : 305 mm ;
-motor de antrenare : moment nominal : 1daNm ; turație : 600 rot./min.
b) calea cu role de alimentare II- cu dispozitiv de separare și jgheab deviator. Este cuprinsă între foarfecile rotative și calea cu role de alimentare din dreptul patului de răcire. Se compune din două zone, prima de la foarfeci la jgheabul deviator (fundul rinei împărțit în două părți fixe), iar a doua de la jgheabul deviator de bare până la calea cu role de alimentare. Cea de-a doua zonă este formată dintr-o parte fixă și una mobilă, care este ridicată și coborâtă de mecanismul de separare. Toate rolele sunt așezate în consolă cu o înclinare de 100 și sunt alimentate în curent alternativ de la un convertizor de frecvență variabilă. Convertizorul de frecvență este reglat în concordanță cu ultima cajă finisoare. Se poate regla viteza de rotație a rolelor astfel încât viteza periferică să corespundă vitezei de laminare. Se are în vedere faptul că viteza periferică a rolelor să fie cu 5 – 10 % mai mare decât viteza laminatului.
Caracteristici tehnice:
– numărul rolelor : 147 buc. ;
– diametrul rolei : 220 mm ;
– lungimea rolelor până la jgheabul deviator : 305 mm ;
– lungimea rolelor înclinate de la jgheabul deviator : 460 mm ;
– pasul rolelor : 1000 mm ;
-motor de antrenare : – moment nominal 0,7 daNm ;
– turație 600 rot./min.
1.3. Mecanismul de separare cu jgheab deviator
Acest dispozitiv are drept scop separarea profilelor laminate după ce acestea au fost tăiate de foarfecile rotative prezente în flux. Separarea se face prin ridicarea rinei mobile care susține laminatul, astfel încât următorul profil laminat să ajungă pe jumătatea fixă a dispozitivului; în figura 2 este prezentată introducerea barelor pe patul de răcire.
Mișcările jgheabului deviator în fața dispozitivului de separare sunt cuplate cu ridicările și coborârile acestuia. Jgheabul deviator conduce laminatul pe lângă jumătatea ridicată, iar când jumătatea mobilă a rinei coboară, jgheabul deviator se mișcă transversal conducând laminatul în această direcție. Imediat ce vârful laminatului următor a atins jgheabul deviator, acesta se deplasează odată cu ridicarea jumătății dispozitivului de separare în poziție de plecare.
La fiecare separare, trebuie ca jumătatea mobilă a rinei să fie coborâtă, astfel încât jgheabul deviator să fie în dreptul ei. Principiul de funcționare este prezentat în figura 3.
Figura 2. Introducerea barelor pe patul de răcire
a – calea cu role de apropiere;
b – macaz de separare;
c – cale cu role de alimentare cu sanie de frânare;
d – linial de separare.
Figura 3. Principiul de funcționare al linialului și saniei de separare
a – linialul de separare;
b – sanie de frânare;
c – sanie de separare și frânare.
Acționarea dispozitivului de separare se face cu un mecanism bielă manivelă antrenată de un motor de curent alternativ. Pentru a reduce solicitările motorului se echilibrează greutatea proprie a dispozitivului de separare cu cilindrii cu aer comprimat.
Comanda electrică se face independent pentru cele două jumătăți. Deconectarea dispozitivului de separare are loc după fiecare rotație cu 1800 a manivelei printr-un mecanism de copiere.
1.4. Mecanismul de frânare al firului 1 și 2
Acesta este așezat în continuarea căii cu role de alimentare, rolele acestuia fiind de asemenea așezate înclinat cu un unghi de 100.
Rolele sunt alimentate de la aceeași sursă de curent amintită mai înainte. Jgheabul cu două fire al căii cu role se compune, la fel ca și dispozitivul de separare, din două părți. Principiul de funcționare este prezentat în figura 4.
Caracteristici tehnice: – lungimea de frânare maximă: 120 m;
– motor de antrenare : putere 87,5 kW – fir 1; putere 50,1 kW – fir 2; turație 600 rot./min.
O primă parte este mobilă, asigurând frânarea laminatului prin ridicarea acesteia, datorită frecării, iar cea de-a doua parte este fixă și primește profilul laminat următor. Rolele înclinate transportă laminatul transversal în jumătatea dispozitivului de frânare.
Figura 4. Principiu de funcționare mecanism de frânare
Dispozitivul de frânare este amplasat de-a lungul grătarului de îndreptare cu greble și predă materialul mai departe greblelor. Dispozitivul de frânare de pe firul 2, prin ridicarea pentru frânare a părții mobile, depune materialul pe niște gheare fixe, de unde va fi preluat de greblele mobile, figura 5. Laminatul de pe firul 1, va fi trecut prin ridicare peste peretele despărțitor dintre jgheaburi, în jgheabul vecin, de unde va fi preluat de greblele mobile.
Figura 5. Mecanismul de frânare și separare
Rolul dispozitivului de frânare este de a opri laminatul în mișcare și de a-l introduce în jgheabul de predare. Acționarea dispozitivului de frânare pentru ambele fire, se face cu câte un motor de curent continuu printr-un ax cotit și o bară de tragere.
Comanda electrică se face independent pentru ambele fire și separat pentru ridicare și coborâre. Comenzile de ridicare și coborâre a dispozitivului de frânare, se impun astfel ca barele să se oprească pe cât posibil la același nivel pe patul de răcire.
1.5. Grătarul de îndreptare cu greble
Grătarul de îndreptare cu greble este amplasat lângă calea cu role a dispozitivului de frânare. El constă din greblele mobile și grătarul de îndreptare fix din plăci de fontă, figura 6.
Bara laminată este preluată de greble din jgheabul căii de alimentare și așezată pe plăcile grătarului de îndreptare, de unde este transportat pe rolele înclinate de răcire tot de greblele mobile, care lucrează pentru ambele fire în același ritm. Pe grătarele de îndreptare, barele laminate se răcesc uniform, îndreptându-se așa de mult încât în timpul transportului ulterior peste suprafața rolelor de răcire, nu se mai produce nici o transformare permanentă.
Figura 6. Schema axului cu excentrice pentru acționarea greblei mobile
Acționarea greblelor mobile se face de un motor de curent alternativ, prin intermediul unui reductor și a unui ax excentric. Deconectarea greblelor se face după rotirea cu 3600 a excentricului prin intermediul unui aparat de comandă, imediat după așezarea barei. Comanda de conectare a greblelor se face ținând seama de faptul că laminatul trebuie să fie ridicat din primul jgheab după oprirea sa. În cazul când în momentul preluării barei, aruncătorul barei de pe firul 1 aruncă laminatul în ghearele de susținere, comanda pentru greble trebuie să se facă cu 0,5 secunde mai târziu.
Caracteristici tehnice:
– lungimea grătarului: 120 m;
– lățimea grătarului: 1,5 m ;
– motor de antrenare: putere 60 kW ; turație 750 rot./min.
1.6. Rolele de răcire înclinate
Suprafața de răcire constă dintr-un număr mare de role așezate înclinat pe patul de răcire. Bara laminată este așezată de greblele mobile, pe rolele patului de răcire care se rotesc permanent. Poziția înclinată a rolelor produce o deplasare paralelă transversală a laminatelor către dispozitivul de grupare și evacuare. Acționarea se face cu un motor de curent continuu, prin intermediul unui reductor, ax de acționare și câte o transmisie cu roți dințate conice pentru fiecare două role.
Conectarea și deconectarea, precum și reglarea turațiilor se face manual din postul de comandă. Coborârea sub nivelul de lucru al rolelor este corectată cu șuruburile de reglare.
Caracteristici tehnice:
– suprafața de răcire cu role: lungime: 120 m, lățime: 4 m ;
– numărul rolelor de răcire: 250 buc. ;
– diametrul rolelor: 140 mm ;
– pasul rolelor: 500 mm ;
– motor de antrenare: putere 40kW ; turație 1400 rot./min (acționare cu angrenaje conice).
1.7. Mecanismul de grupare și evacuare
Dispozitivul de grupare și evacuare este amplasat în spatele suprafeței de răcire. El constă din grătarele oscilante ce preiau barele care vin de pe rolele înclinate și le transportă către calea cu role de evacuare. Marginea plăcilor de acoperire a căii cu role de evacuare servește ca opritor pentru bare. Aici, barele sunt adunate în grupuri iar transportul lor se realizează prin mișcarea de ridicare și revenire a grătarului oscilant, [A7].
Materialul grupat ajunge pe calea cu role de evacuare prin ridicarea grătarului, transport transversal și prin revenirea grătarelor oscilante. Arborele cu excentric al grătarului oscilant este acționat de un motor de curent alternativ prin intermediul unui reductor și a unei transmisii cu roți dințate conice. Conectarea și deconectarea dispozitivului se face manual din pupitrul de comandă ale patul de răcire. Axa de ridicare a grătarului oscilant este acționată de un motor de curent alternativ prin intermediul unui reductor și a arborilor cotiți. În figura 7. se prezintă principiul de funcționare al mecanismului de grupare-evacuare.
Figura 7. Mecanismul de grupare-evacuare
(1)-reductor;
(2)-excentric de acționare,
(3)-traversă de legătură;
(4)-pârghie de acționare;
(5)-excentric;
(6)- braț de legătură;
(7)-traversă;
(8)-rolă antrenată (excentrică);
(9)-cărucior-suport traversă.
Caracteristici tehnice:
– lungimea grătarului oscilant: 120 m;
– motor de antrenare: putere 80 kW ; turație 750 rot./min
1.8. Calea cu role de evacuare
Calea cu role de evacuare transportă grupele de bare laminate de la dispozitivul de grupare și evacuare până la foarfecile de tăiat la rece. Calea de rulare este prevăzută cu role acționate și libere. Acționarea se face individual din postul de comandă, cu două sensuri de rotire. Patul de răcire este prevăzut cu o instalație centralizată de ungere cu unsoare consistentă.
1.9. Precizări constructive referitoare la mecanismele de frânare ale celor două fire
Mecanismul de frânare al ambelor fire prezintă o particularitate constructivă: astfel datorită lungimii mari a patului de răcire mecanismul complet este format printr-o multiplicare pe lungimea patului, la aceeași distanță, a unui component de bază care va fi studiat în capitolele următoare. Întreg mecanismul este prezentat în figura 8., în care nu sunt reprezentate manivelele care antrenează cele două bare de tragere. În figură sunt precizate doar dimensiunile care pun în evidență un tronson de frânare.
Figura 8. Mecanismele de frânare ale celor două fire
=== Cap. 3. ===
CAPITOLUL 3
METODE DE PUNERE IN EVIDENȚĂ A INCĂRCĂRILOR UNUI SUBANSAMBLU
În prezentul capitol se prezintă măsurători experimentale legate de cinematica mecanismelor din cadrul patului de răcire al laminorului de profile mici.
Astfel măsurătorile experimentale s-au făcut pe un stand experimental realizat la scara 1:1 după modelul mecanismului de frânare al firului numărul 1 din cadrul laminorului.
1. Utilizarea software-ului specializat în analiza cinematică a mecanismelor
Se va utiliza produsul software SAM by ARTAS (Simulation and Analysis of Mechanism). Acesta este un produs software interactiv destinat proiectării și studiului mecanismelor plane.
Nucleul matematic al programului se bazează pe metoda elementelor finite. Se poate face astfel analiza mecanismelor cu unul sau mai multe elemente motoare și chiar a mecanismelor complexe cum ar fi mecanismele planetare.
Un astfel program de analiză ușurează și scurtează foarte mult munca de cercetare și proiectare, pe baza rezultatelor furnizate de către program putându-se lua decizii cu privire la optimizarea funcționării mecanismului.
1.1. Construcția grafică a mecanismului firului de frânare numărul 1
Mecanismul a fost construit grafic la scară (1:1). După ce a fost construit mecanismul, sunt stabilite cuplele fixe (de rotație sau translație) și se fixează dacă este cazul unghiurile relative sau fixe dintre două elemente.
Figura 1. Schema cinematică a mecanismului de frânare al firului numărul 1
În cazul studiat s-a considerat pentru elementul motor o lege de mișcare liniară, când unghiul de poziție al manivelei variază liniar între 0 și 3600, viteza elementului conducător este constantă iar accelerația unghiulară a acestui element va fi egală cu zero, figura 2.
Este necesară această ipoteză pentru a putea realiza o comparație între valorile analitice și valorile măsurate ale componentelor accelerației pentru cuplele studiate.
Figura 2. Legea de mișcare a elementului motor
1.2. Analiza cinematică a mecanismului firului de frânare numărul 1
Datorită particularităților constructive și a simetriei elementelor se vor prezenta dependențele după axele sistemului de referință ale componentelor vitezei respectiv accelerației doar pentru o parte din cuple. Cuplele cinematice pentru care se analizează aceste dependențe sunt B, C, J, K și N.
În cele ce urmează se prezintă doar modul de variație al accelerațiilor și vitezelor pe durata unui ciclu cinematic teoretic (în funcție de unghiul de poziție al manivelei).
Astfel în reprezentarea acestor dependențe pe axa OX este reprezentată durata unui ciclu cinematic teoretic (unghiul de poziție al manivelei, respectiv timp – când se exclude timpul de frânare), axa OY principală (stânga) – variația vitezei și axa OY secundară (dreapta) variația accelerației. S-a preferat acest mod de reprezentare pentru o mai bună vizualizare a dependențelor grafice, datorită diferențelor de ordin de mărime între cei doi parametrii.
Se prezintă aceste dependențe pentru elementele cinematice representative:
Figura 3. Variația componentelor vitezei și accelerației în
funcție de unghiul de poziției al manivelei pentru cupla B
Figura 4. Variația componentelor vitezei și accelerației în
funcție de unghiul de poziției al manivelei pentru cupla C
Figura 5. Variația componentelor vitezei și accelerației în
funcție de unghiul de poziției al manivelei pentru cupla J
Figura 6. Variația componentelor vitezei și accelerației în
funcție de unghiul de poziției al manivelei pentru cupla K
Figura 7. Variația componentelor vitezei și accelerației în
funcție de unghiul de poziției al manivelei pentru cupla N
1.3. Construcția grafică a mecanismului firului de frânare numărul 2
Figura 8. Schema cinematică a mecanismului de frânare al firului numărul 2
Mecanismul este construit la scara 1:1. Legea de mișcare a elementului motor este de asemenea o lege de mișcare liniară. În figura 8 sunt reprezentate și traiectoriile tuturor cuplelor pentru o rotație completă a manivelei.
1.4. Analiza cinematică a mecanismului firului de frânare numărul 2
Datorită particularităților constructive se vor prezenta numai componentelor după axele sistemului de referință ale vitezei și accelerației pentru cuplele cinematice B, C și J.
Figura 9. Variația componentelor vitezei și accelerației în
funcție de unghiul de poziției al manivelei pentru cupla B
Figura 10. Variația componentelor vitezei și accelerației în
funcție de unghiul de poziției al manivelei pentru cupla C
Figura 11. Variația componentelor vitezei și accelerației în
funcție de unghiul de poziției al manivelei pentru cupla J
2. Simulări privind comportarea bucșelor la solicitări statice
Pentru a se putea lua o decizie privind posibilitatea utilizării acestor compozite plastice în construcția lagărelor amintite anterior sunt prezentate o serie de simulări privind comportarea acestor materiale la solicitări statice.
Se consideră sugestivă această comportare deoarece vitezele relative sunt mici, încărcările sunt reduse iar mișcarea cuplelor este oscilantă. Simulările au fost realizate cu un program specializat cu element finit Ansys 8.0.
2.1. Prezentarea subansamblului studiat
Subansamblul studiat face parte din mecanismul de frânare al firului 1, dar intră și în componența firului de frânare 2. Desenul este prezentat în figura 12 .
Figura 12. Subansamblu mecanism frânare fir 1
– 1,2,3,4- bucșe bronz.
În figurile 13, 14 și 15 se prezintă desenele celor patru bucșe puse în evidență în figura 12.
Figura 13. Bucșă numărul 1, subansamblu mecanism frânare
Figura 14. Bucșă numărul 2 și 4, subansamblu mecanism frânare
Figura 15. Bucșă numărul 3, subansamblu mecanism frânare
2.2. Prezentarea materialelor plastice tehnice selectate pentru încercări
ERTALON 66SA, face parte din categoria poliamidelor (PA), folosite pentru o gamă largă de componente industriale atât originale cât și pentru întreținere cum sunt lagăre monobloc și cu bucșă, plăci de uzură, role transportor, manșoane roți, cuzineți, came, roți dințate, roți de lanț, etc.
Materialul are o culoare alb-crem și este caracterizat de o rezistență mecanică ridicată, rigiditate, rezistență la uzură și la temperaturi bune. Rezistența la șoc și la amortizare mecanică este redusă, dar are rezistență bună la fluaj. Este izolator electric și are o bună rezistență chimică. Coeficientul de frecare dinamic, fără lubrifiere, este cuprins între 0,4…0,6.
Tabelul 1. Caracteristici mecanice ale materialului ERTALON 66SA
ERTALYTE, face parte din categoria polietilentereftalat (PET), folosite la construcția pieselor puternic solicitate cum sunt lagăre, șaibe de presiune, ghidaje, componente stabile dimensional, lagăre, roți dințate, role sau componente izolatoare și pentru industria alimentară.
Tabelul 2. Caracteristici mecanice ale materialului ERTALYTE
Are o culoare albă, proprietățile specifice ale Ertalyte îl fac corespunzător în special la fabricarea unor componente de precizie care trebuie să susțină sarcini grele sau sunt supuse uzurii.
Coeficientul de frecare dinamic, fără lubrifiere este cuprins între 0,15…0,25.
ERTACETAL C, face parte din categoria poliacetal (POM), folosit la construcția unor piese cum sunt roți dințate cu module mici, came, lagăre puternic solicitate, subansamble care necesită o bună stabilitate dimensională, componente care lucrează continuu la 60…800C, componente izolatoare.
Tabelul 3. Caracteristici mecanice ale materialului ERTACETAL C
Are culoare albă, rezistență mecanică ridicată, rigiditate și duritate mare, rezistență la fluaj bună, rezistență la uzură și proprietăți de alunecare bune, izolator electric și inert chimic. Coeficientul de frecare dinamic, fără lubrifiere este cuprins între 0,30…0,45.
Coeficientul de frecare dinamic, fără lubrifiere este cuprins între 0,04…0,1.
2.3. Realizarea modelului pentru simulare
Modelul elementului finit pentru bucșă se prezintă în figura 16. Astfel în figura 16., este discretizat modelul cu ajutorul unei rețelei de tip mesh.
Figura 16. Discretizarea modelului cu ajutorul rețelei de tip mesh
Se stabilesc ca și cazuri de încărcare variantele extreme, corespunzătoare unei forțe uniform distribuite pe suprafața de contact (b), respectiv forță care acționează de-a lungul liniei de contact (a), conform figurii 16. Încărcările sunt aplicate prin intermediul suprafețelor de transfer a forței sau în nodurile rețelei.
Figura 17. Cazurile de încărcare
Când modelul este complex, programul calculează deformații și eforturi combinate, astfel deformațiile principale rezultă din sistemul de ecuații:
(1)
și sunt notate ε1, ε2, ε3. Deformațiile sunt ordonate, astfel încât ε1 este de regulă pozitiv iar ε3 este negativ.
Intensitatea deformațiilor este cea mai mare valoare dintre diferențele ε1-ε2, ε2-ε3 sau ε3-ε1, conform relației:
(2)
Deformația echivalentă se calculează cu relația:
(3)
unde ν=E/2·G-1 este coeficientul lui Poisson
Pentru eforturi combinate, eforturile principale sunt calculate din sistemul de ecuații:
(4.)
și sunt σ1, σ2, σ 3, astfel σ1 este de întindere (pozitiv) iar σ2 este de compresiune (negativ).
Intensitatea eforturilor este cea mai mare valoare dintre diferențele σ 1- σ 2, σ 2- σ 3 sau σ 3- σ 1, conform relației:
(5.)
Efortul echivalent se calculează cu relația:
(6.)
sau
(7.)
Deformația echivalentă este dependentă de efortul echivalent prin relația:
(7.)
unde E- modul de elasticitate longitudinal.
2.4. Stabilirea parametrilor simulării
În cazul bucșelor 1,2 și 3 forțele maxime (reacțiunile maxime în cuple) care se pun în evidență sunt:
F1=135,72 N ; F2=530,69/2=265,345 N și F3=289,122 N. (8.)
Pentru se face un calcul acoperitor, forțele se majorează cu un coeficient de siguranță c=1,2 , [H8, P1], astfel forțele maxime sunt:
F1max= F1·c=162,864·1,2=162,864 N
F2max= F2·c=530,69·1,2=318,414 N (9.)
F3max= F3·c=289,197·1,2=304,197 N
Caracteristicile modelului de simulare cu element finit, pentru fiecare bucșă în parte, sunt prezentate în tabelele 4., 5. și 6.
Tabelul 4. Caracteristicile modelului de simulare pentru bucșa 1, fig. 13.
Tabelul 5. Caracteristicile modelului de simulare pentru bucșa 3, fig. 15.
Tabelul 6. Caracteristicile modelului de simulare pentru bucșa 2, fig. 14.
Bucșele sunt solicitate conform figurii 17., cu încărcările obținute pe baza relației 9. pentru toate cele patru categorii de materiale plastice tehnice.
2.6. Consecințe economice ale înlocuirii materialului bucșelor
Principalul obiectiv care s-a avut în vedere a fost o reducere a costurilor de exploatare a utilajului în condițiile menținerii și chiar a îmbunătățirii performanțelor acestuia.
Comparativ cu bronzul (care are un preț de achiziție în jur de 12…14 euro/kg) aceste materiale compozite plastice au un preț mult mai mic (de aproximativ 7…7,5 euro/kg – pentru bare și aprox. 12…13 euro/kg pentru tuburi).
Prețul de cost scăzut, coroborat cu o densitate mai mică comparativ cu a bronzului de 7 ori (1,14 g/cm3 – materialele plastice și 8,65 g/cm3 – bronzul ) conduce importante economii financiare. Astfel, dacă costurile de prelucrare sunt aceleași, economia rezultată din utilizarea materialelor plastice este în jur 0,2…4 euro/bucșă funcție de dimensiunea acesteia.
În condițiile când în mecanismele de frânare ale celor două fire sunt folosite sute de astfel de bucșe, economia financiară este importantă.
=== Cap. 4.-Comportarea la uzare ===
CAPITOLUL 4
ANALIZA COMPARATIVĂ PRIVIND COMPORTAREA LA UZARE A UNOR TIPURI DE MATERIALE
1.INTRODUCERE
Lagărele sunt organe de mașini care împreună cu fusurile arborilor sau ale osiilor formează cuple cinematice de rotație sau translație. Lagărele cu alunecare pot fi simple sau complexe, iar pentru asigurarea unei funcționări mai bune se utilizează bucșe din materiale antifricțiune metalice sau nemetalice. Utilizarea bucșelor prezintă avantajul unei construcții simple, putându-se înlocui cu ușurință când s-a atins nivelul de uzură limită.
De reținut este faptul că buna funcționare a cuplei cinematice, randamentul și durata de viață sunt dependente de caracteristicile fizico-mecanice ale materialelor aflate în contact, de forma geometrică a suprafețelor și de lubrificație.
Pentru alegerea judicioasă a materialelor care vor forma cupla se au în vedere următoarele aspecte:
– între materialul fusului și materialul suprafeței de sprijin trebuie să existe cât mai puțină afinitate pentru a se evita gripajul;
– rezistența mecanică a fusului să fie de 2…4 ori mai mare decât a materialului suprafeței de sprijin, pentru a se evita uzarea acestuia;
– materialul antifricțiune trebuie să aibă rezistență suficientă pentru preluarea sarcinii, iar rezistența la uzare, coroziune și oboseală să fie cat mai mare;
– materialul celor două suprafețe trebuie să favorizeze adsorbția lubrifiantului, iar coeficientul de frecare să fie cât mai mic;
– materialele antifricțiune trebuie să fie ieftine, să aibă temperatura de înmuiere peste temperatura de lucru, conductivitate termică mare etc.
Ca și materiale antifricțiune se amintesc bronzurile (pe bază de plumb, plumb-staniu sau cu aluminiu), aliaje de aluminiu, produse obținute prin sinterizarea pulberilor de fier, cupru, staniu, grafit și materiale nemetalice ceramice, plastice etc.
1.1. Regimuri de frecare
În funcționarea unei mașini, frecarea este un „rău” necesar. Frecarea poate fi privită ca „rezistența care frânează”, în cazul frecării cinetice, sau care „împiedică”, în cazul frecării de repaos, mișcarea relativă de alunecare sau de rostogolire a două corpuri.
Frecarea este un fenomen complex, care se poate produce în absența lubrifiantului (frecare uscată), sau în prezența parțială sau integrală a acestuia (frecare limită, mixtă, elastohidrodinamică, hidrodinamică, hidrostatică etc.).
Frecarea uscată se produce în absența oricărui lubrifiant între cele două suprafețe în mișcare relativă. Aceasta conduce la valori mari ale coeficientului de frecare, uzură intensă care poate duce la apariția fenomenului de gripaj.
Figura 1. Schița contactului sub sarcină a două suprafețe rugoase 1 și 2
Fma= forța de frecare mecanică de alunecare;
Fmr= forța de frecare mecanică de rupere;
Fad= forța de frecare de adeziune;
Fs= forța de frecare datorată joncțiunilor de sudură;
Fe= forța de frecare datorată deformărilor elastice a microasperităților;
Fec= forța de frecare datorate trecerii energiei cinetice sub formă de cuante;
Fes= forța de frecare datorată transferului de electroni și a diferenței de potențial;
Fp= forța de frecare datorate deformării plastice a microasperităților;
FN= forța normală;
va= viteza relativă a celor două corpuri.
Analiza fenomenul de frecare uscată se bazează pe teorii care au evoluat de-a lungul timpului (teoria mecanică, adeziunea moleculară, microsuduri, deformații elasto-plastice etc.). Astfel, forța de frecare conține mai multe componente care exceptând cazurile particulare (ca uzura de abraziune sau adeziune) sunt greu de separat, deoarece efectele de frecare pot avea loc simultan, unele cu o anumită probabilitate, conform figurii 1.
Frecarea limită sau onctuoasă este caracterizată prin interpunerea unuia sau mai multe straturi subțiri moleculare de lubrifiant, care de regulă împiedică contactul direct dintre cele două suprafețe, figura 2.
Figura 2. Poziția relativă a suprafețelor de frecare pentru
regimurile de frecare limită (a), mixtă (b) și fluidă (c),
Frecarea limită se numește și frecare onctuoasă datorită moleculelor polare bine ancorate pe suprafețe.
Frecarea mixtă sau semifluidă implică un fenomen complex și apare la limita frecării fluide în cazul unor suprafețe cu un anumit grad de rugozitate. Deși filmul de fluid are o grosime corespunzătoare ungerii fluide, totuși filmul se rupe și se reface astfel încât concomitent cu sustentația hidrodinamică apare și contactul direct între suprafețe.
Frecarea fluidă apare când suprafețele de frecare sunt separate de un film continuu de lubrifiant care împiedică contactul direct dintre suprafețe în timpul mișcării lor relative. Asigurarea frecării fluide se face fie hidrodinamic fie hidrostatic.
1.2. Tipuri de uzare
Uzarea reprezintă o pierdere de material caracterizată fie prin produse desprinse fie prin modificarea stării inițiale a suprafețelor în contact. Uzura poate fi liniară, volumetrică sau gravimetrică.
Există răspândită ideea că între frecare și uzare există o legătură directă și că prin reducerea frecării, implicit se obține o reducere a uzării. În realitate procesul este unul complex, în sensul că dependența frecare-uzare nu este întotdeauna directă.
Uzarea de adeziune- este cunoscută și sub denumirile de uzare de aderență, uzare de contact și este caracterizată prin sudarea și ruperea punților de sudură între microzonele de contact. Se caracterizează printr-un coeficient de frecare ridicat și în consecință o valoare mare a intensității uzării.
O consecință a uzării de adeziune este griparea. Griparea apare la sarcini mari în lipsa lubrifiantului sau la străpungerea peliculei de lubrifiant în urma unor temperaturi locale ridicate.
Uzarea de abraziune- este un proces de degradare intensă a suprafețelor solide în frecare prin acțiuni mecanice de așchiere sau tăiere, care sunt determinate fie de asperitățile dure din masa eterogenă a materialelor, fie din particule abrazive rezultate în urma unui proces de uzare.
Uzarea de oboseală – se produce în cazul în care acționează concomitent o forță alternativă și un mediu lichid care transmite forța spre suprafață. Formele de manifestare a uzurii de oboseală sunt pittingul, exfolierea, cavitația și uzarea de impact.
Uzarea de coroziune- se manifestă prin deteriorarea suprafeței de frecare, pierdere de material și respectiv greutate, datorită acțiunii simultane sau succesive a factorilor chimici agresivi din componența mediului respectiv și a solicitărilor mecanice. Procesul uzării de coroziune se desfășoară în două faze: formarea produșilor de reacție pe cale chimică sau mecano-chimică și îndepărtarea acestor produși de pe suprafața de frecare pe cale tribomecanică.
1.3. Rodajul
Rodajul- este un proces de uzare controlată care are ca scop adaptarea suprafețelor, atât a macro cât și a microgeometriei, ce trebuie să conducă în final atât la jocul necesar ungerii și a funcționării la sarcină și temperatură de regim, cât și la realizarea unei structuri a suprafețelor de frecare cu proprietăți sporite de antifricțiune și antiuzare.
Conform figurii 3. se observă că în perioada de rodaj curba de variație a uzurii globale are o alură crescătoare, după care se intră în perioada de uzare normală în exploatare și în final uzarea distructivă. Perioada de rodaj este relativ scurtă ca durată, dar are o importanță hotărâtoare asupra fiabilității utilajului.
Figura 3. Curbe de uzură
Rodajul se poate face după mai multe metode, conform figurii 4.
Figura 4. Rodajul normal (1) comparativ cu alte metode:
– 2 – rodaj cu sarcină și turație progresivă;
– 3 – rodaj rapid cu sarcină progresivă;
– 4 – rodaj în sarcină la turație mare;
– 5 – rodaj rapid abraziv;
– 6 – rodaj chimic.
Timpul de rodaj poate varia mult, funcție de complexitatea utilajului, iar durata lui este cuprins între 2 … 150 ore. În atelierele de reparații ale unităților industriale, pentru produse cum sunt reductoare, lagăre etc., durata rodajului este de 72 ore efective.
1.4. Încercări la uzură
Încercările la uzură pot fi împărțite în încercări în exploatare și încercări de laborator, încercările din exploatare fiind, fără îndoială, cele mai importante. Dezavantajul acestor încercări constă în faptul că sunt foarte costisitoare și de lungă durată, fapt care necesită completarea lor cu încercări de laborator.
Mașinile destinate determinării uzurii trebuie să dispună de sisteme pentru aplicarea sarcinilor și eventual de mijloace pentru măsurarea uzurii. Sarcina aplicată simulează presiunea de contact dintre suprafețele în frecare. Marea majoritate a mașinilor pentru determinarea uzurii sunt proiectate pentru a măsura frecarea cinetică.
Din analiza fenomenului de frecare se poate face o clasificarea a mașinilor pentru determinarea uzurii după modul cum se realizează contactul cuplelor de frecare. Se deosebesc mașini cu contact punctiform, mașini cu contact liniar și mașini cu contact după o suprafață.
2. Cercetări experimentale privind comportarea la uzură a materialelor
Pe baza specificațiilor tehnice s-au selectat patru tipuri de materiale plastice tehnice ERTALON 66SA, ERTALYTE, ERTACETAL C și PTFE care pot înlocui materialul din care sunt confecționate în prezent o parte a bucșelor (confecționate din materiale metalice antifricțiune numite generic bronzuri) componente a lagărelor mecanismului de frânare din cadrul laminorului de profile.
Figura 5. Materiale plastice tehnice: ERTACETAL C, ERTALON 66SA, ERTALYTE
Trebuie menționat că au mai fost efectuate cercetări bazate pe înlocuirea unor bucșe similare, dar care lucrează la temperaturi ridicate. În cazul respectiv s-a propus utilizarea unor materiale compozite metalice, care pot fi folosite până la o temperatură de aproximativ 2500… 3000C când aceste compozite devin abrazive ducând la uzura prematură a lagărului.
Deoarece în acest caz temperatura de lucru nu este ridicată (laminatul nu radiază căldură la bucșele propuse pentru înlocuire) iar încălzirea în exploatare a bucșei este redusă datorită vitezelor și încărcărilor reduse, este oportună utilizarea unor astfel de materiale plastice.
3. Comportarea în exploatare a materialelor studiate
După cum am prezentat, înlocuirea materialului din care sunt confecționate lagărele de alunecare duce la reducerea costurilor de întreținere-exploatare, reducerea consumului de energie etc, înlocuirea bucșelor putându-se face treptat pe măsura uzării celor vechi.
Plecând de la rezultatele încercărilor anterioare, pentru a verifica comportarea în exploatare s-a realizat un stand experimental în care au fost montate bucșele din materialele plastice tehnice selecționate și ulterior a fost urmărită comportarea acestora în exploatare, dincolo de perioada de rodaj.
3.1. Prezentarea ansamblului realizat
Pornind de la desenele de execuție ale elementelor componente, respectiv bucșe și bolțuri, acestea au fost realizate la scara 1:2. Piesele pentru cele trei lagăre (înainte de montare) sunt prezentate în figura 27.
Deoarece este obligatoriu ca materialul din care este confecționat bolțul să aibă duritate mai mare decât materialul din care este confecționată bucșa, s-a realizat bolțul din oțelul OLC 45 călit (încălzire la 8400C – menținere scurtă pentru uniformizarea temperaturii – răcire în apă).
Elementul cinematic implicat practic este JIF, cu pârghiile JI și IF rigidizate între ele la un unghi de 810. Elementul JIF a fost realizat la scara 1:1 astfel încât să fie similar cu cel din elementul component al mecanismului de frânare.
Figura 27. Elementele componente ale lagărelor subansamblului studiat
Viteza de rotație a manivelei este ω=60 rot/min, iar pentru antrenare s-a folosit un motor de curent continuu și un reductor melcat. Reglarea turației s-a făcut cu un tahometru montat pe axul motorului.
Încărcarea lagărelor J (superior) și F (inferior) s-a realizat prin intermediul unor greutăți de plumb rigidizate de bolțurile lagărelor.
În aceste condiții, lagărul cel mai încărcat a fost cel care susține întreg ansamblul, lagărul I. Întreg ansamblu este prezentat în figura 28.
Figura 28. Realizarea practică a elementului JIF
S-a urmărit în special comportarea lagărului I, pentru aceasta realizându-se următoarea încărcare a subansamblului: lagărul F: 59,4 N ; lagărul J: 83,1 N; greutatea barei cotite : 2,3 kg; → lagărul I: 165,1 N
2.1. Aparatura folosită
Din fiecare categorie de material s-au strunjit epruvete pentru încercare (Ø4 mm) și apoi debitate la 80 mm. În cazul bucșelor existente din bronz, a fost debitată o fâșie dintr-o astfel de bucșă astfel încât să se obțină o epruvetă de dimensiunile amintite.
Figura 6. Epruvetă brută pentru încercare la uzură
Încercările au fost realizate pe o mașină de încercat la uzură a cărei schemă cinematică este prezentată în figura 7a.
Figura 7a. Mașină pentru încercat la uzare – schemă cinematică
– 1-motor electric;
– 2-transmisie prin curea;
– 3-ax vertical cu disc rotitor;
– 4-pârghie.
Caracteristicile mașinii, figura 7b, sunt:
– motor electric P=1kW, turație n=1500 rot./min;
– distanța dintre axul de rotație și epruvetă d=75 mm;
– viteza periferică a discului în dreptul epruvetei v=11,775 m/s;
– materialul din care este confecționat discul rotitor OLC45.
Figura 7b. Mașină pentru încercat la uzare
Măsurătorile s-au efectuat după perioade de 30 secunde; pentru fiecare perioadă încărcarea a fost crescută progresiv. Înregistrarea uzurii a fost realizată prin cântărire cu o balanță electronică digitală marca Sartorius CP22025-OCE, cu calibrare automată și precizie de cântărire de 0.01grame.
3.2. Rezultate obținute
Aprecierea uzurii bucșelor s-a făcut prin cântărirea acestora înainte de montare și după demontarea lor în/din subansamblu.
Cântărirea s-a realizat utilizându-se o balanță electronică digitală marca Sartorius CP22025-OCE, cu calibrare automată și precizie de cântărire de 0.01grame, prezentată în figura 29.
Figura 29. Balanță electronică digitală marca Sartorius CP22025-OCE
Aprecierea uzurii s-a făcut după aproximativ 336 ore de funcționare (mai mult de 106 cicluri cinematice), pentru fiecare bucșă în parte și pentru toate cele 4 tipuri de materiale compozite nemetalice luate în studiu.
Se poate afirma că a fost depășită perioada de rodaj, cu aproximativ 250 ore de funcționare, iar în condițiile actuale de exploatare a laminorului acest lucru echivalează cu minimum două luni de funcționare.
Din punct de vedere al comportării materialelor, și în acest caz se poate afirma că atât Ertalon 66SA cât și Ertalyte au avut cea mai bună comportare, nepunându-se în evidență uzuri, chiar și în condițiile unei ungeri necorespunzătoare. Ertacetal C și PTFE au prezentat o uzură de maxim 0.01 grame, cea ce conduce la concluzia că nu sunt de preferat pentru utilizare la aceste tipuri de lagăre.
2.2. Experimentări și rezultate obținute la încercarea la uzură
În cazul PTFE uzura este relativ redusă la încărcări mici. Odată cu creșterea încărcării s-a observat creșterea uzurii combinată cu o tendință de flambare a probei – figura 8.
Materialul Ertacetal C prezintă cea mai slabă comportare, observându-se o uzare accelerată, în special odată cu creșterea încărcării – figura 9.
Bronzul are o comportare bună la uzură, dar odată cu creșterea încărcării, se observă o tendință de formare a unei bavuri – figura 10.
Figura 8. Modul de variație a uzurii cu încărcarea pentru PTFE
Figura 9. Modul de variație a uzurii cu încărcarea pentru Ertacetal C
Ertalyte se comportă excelent la încărcări mici și medii când nu se uzează deloc. Se observă și în acest caz o tendință de flambare ce conduce la o creștere a uzurii (figura 11).
Figura 10. Modul de variație a uzurii cu încărcarea pentru bronz
Figura 11. Modul de variație a uzurii cu încărcarea pentru Ertalyte
Ertalon 66SA este materialul care s-a comportat cel mai bine la uzură dintre materialele studiate.
În figura 12 se prezintă valori comparative ale uzurii cumulate în funcție de presiunea specifică pentru toate materialele studiate, inclusiv bronz.
Figura 12. Uzura cumulată funcție de presiunea specifică – valori comparative
Comparând epruveta din bronz cu cea din Ertalon 66SA, figura 13, se observă o tendință de formare a unei bavuri – pentru bronz, pe când în cazul Ertalon 66SA nu s-au observat pierderi de material și nici formare de bavură ca și în cazul bronzului.
Figura 13. Comparație între epruvetele de bronz și Ertalon 66SA
Concluzionând, compozitul plastic Ertalon 66SA se comportă mai bine decât bronzul în aceste condiții de încercare.
3. Considerații asupra frecării în cuple (lagăre cu alunecare)
Deplasarea relativă a două corpuri solide este însoțită de pierderi de energie prin frecare. Când suprafețele corpurilor sunt separate printr-un film de lubrifiant, fenomenul de frecare se produce în interiorul acestuia iar forțele de frecare se reduc corespunzător.
Influența frecării în cuplele de rotație, figura 14., se manifestă în una din următoarele forme:
– pe lângă reacțiunea normală , care trece prin centrul cuplei mai există și reacțiunea tangențialăcontrară mișcării. Astfel punctul de contact dintre corpurile cuplei sau mai corect poziția rezultantei se deplasează în sens contrar rotației făcând posibil echilibrul forțelor;
– reacțiunea normală este înclinată față de normală cu unghiul de frecare φ și deci este excentrică, adică tangenta unui cerc de frecare de rază ρ;
– se poate folosi reprezentarea că reacțiunea totală trece prin centrul cuplei dar trebuie introdus și momentul de frecare ρ·R.
În calcule, pe lângă egalitatea R=Q se mai face aproximația N≈0 având în vedere că frecarea este redusă. Se deosebesc următoarele trei ipoteze de calcul, funcție de starea cuplei de frecare.
3.1. Cupla de rotație uzată
Aceasta este o cuplă la limita de funcționare. Se acceptă că între arbore și alezaj există un punct de contact sau o generatoare, conform figurii 14.
Figura 14. Cuplă de rotație uzată
Momentul de frecare este:
(1.)
unde și (2.)
deci (3.)
3.2. Cupla de rotație fără joc
Cupla de rotație strânsă, fără joc este cupla nouă la începutul funcționării, figura 15.
În acest caz se admite un contact uniform pe tot semicercul opus forței de încărcare Q, iar presiunea de contact este constantă. Se poate scrie:
(4.)
(5.)
(6.)
Figura 15. Cupla de rotație fără joc
adică presiunea pe suprafața semicilindrică este aceeași ca presiunea pe suprafața plană, de lățime 2r (diametrul lagărului) și lungime l.
Pe baza ecuației: (7.)
momentul de frecare este:
(8.)
3.3. Cupla de rotație normală
Această cuplă este cupla în funcționare, rodată. Constituie un caz între cele două cazuri extreme anterioare. Repartiția contactului este neuniformă pe semicercul opus forței Q. Având în vedere experimentările cât și acceptările teoretice, presiunea de contact este maximă în dreptul forței Q și nulă la capetele AB ale semicercului de eforturi, figura 16.
Această variație corespunde uzurii constatate experimental și este proporțională cu frecarea, deci cu forța normală.
Dacă se acceptă variația presiunii de forma: (9.)
pornindu-se de la însumarea proiecțiilor pe orizontală a forțelor se obține:
(10.)
Figura 16. Cupla de rotație rodată
(11.)
(12.)
iar pe baza: (13.)
momentul de frecare este:
(14.)
Concluzionând, se observă că varianta cuplei de rotație normale este din punct de vedere al solicitărilor între celelalte două cazuri; deci se vor studia cazurile în care cupla este nouă respectiv uzată și se va simula comportarea acesteia la încărcări statice în cele două cazuri.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Pat de Racire (ID: 161715)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.