Повышение долговечности металлополимерных клеевых герметизирующих систем и совершенствование технологии их применения при ремонте машин и агрегатов бытового обслуживания

Актуальность темы

Улучшить качество бытового обслуживания населения можно путем повышения механизации предприятий, применения новейших технологий, эффективного использования оборудования и подготовки высококвалифицированных специалистов. Представленная работа направлена на решение актуальных задач по разработке научных основ новых технологических процессов ремонта бытовых машин и приборов (БМП) с целью повышения качества услуг и эффективности работы предприятий.

Значительное число металлических деталей, узлов, агрегатов БМП и технологического оборудования предприятий сервиса, работающих под давлением жидких и газообразных агрессивных сред, выходят из строя по причине нарушения герметичности. Традиционными способами восстановления герметичности являются методы с использованием сварки, пайки, эластичных прокладок, прижатых к отверстию с помощью механических приспособлений (хомутов, струбцин, резьбовых соединений и т. п.). Для осуществления проведения ремонта данными способам требуется иметь сложное оборудование, высококвалифицированный персонал. Внешний вид отремонтированных деталей не всегда соответствует требованиям заказчика.

В связи с этим большой интерес представляет использование полимерных клеев для восстановления герметичности деталей и узлов бытовых холодильных приборов, машин для обработки белья, аппаратов химической чистки одежды и технологического оборудования, эксплуатирующегося при воздействии агрессивной среды. Во многих случаях применение полимерных клеев-герметиков позволяет значительно упростить технологию ремонта, снизить стоимость и сократить сроки его проведения, организовать ремонт на базе небольших ремонтных предприятий и на дому у заказчика.

Например, по причине нарушения герметичности испарителя в ремонт поступает 15−20% холодильных агрегатов бытовых холодильников. До настоящего времени большинство алюминиевых испарителей бытовых холодильников не восстанавливается, а заменяется на новые. Существующие способы ремонта испарителей не получили широкого распространения, поскольку для осуществления аргоно-дуговой сварки алюминия требуется специальная аппаратура и высококвалифицированные сварщики, а пайка алюминия под флюсом также вызывает ряд трудностей, связанных с малой толщиной стенки канала (0,7 — 0,9 мм) и опасностью возникновения электрохимической коррозии в месте пайки. На поверхности испарителя, отремонтированного с использованием сварки или пайки, выгорает лаковое защитное покрытие и остается темное пятно, портящее его внешний вид. Отсутствие доступных методов ремонта испарителей вызывает повышение стоимости ремонта, а в некоторых случаях приводит к увеличению сроков ремонта из-за отсутствия необходимого типоразмера испарителя.

Клеевой способ восстановления герметичности при ремонте БМП и оборудования, используемого на предприятиях бытового обслуживания еще не получил широкого распространения, поскольку существуют опасения в недостаточной надежности клеевого уплотнения. Подобные опасения являлись в какой-то мере оправданными, поскольку первые попытки применения клеев для восстановления герметичности металлических деталей носили эмпирический характер и не всегда давали требуемый результат. Недостаточная изученность факторов, от которых зависит долговечность клеевого уплотнения, приводит к неудачам в использовании клеевого способа ремонта, затрудняет его внедрение.

Практический опыт использования клеев на предприятиях сервиса, а также результаты теоретических исследований по данному направлению технологии ремонта, накопленные в процессе многолетней работы, нуждаются в обобщении и систематизации. Это обусловлено множеством нерешенных задач, с которыми сталкиваются специалисты, занимающиеся ремонтом и обслуживанием аппаратов, в которых имеются замкнутые объемы, заполненные жидкостями и газами, находящимися под давлением.

Сложное взаимодействие многокомпонентной клеевой композиции и металлических элементов клеевого уплотнения, одновременное протекание в нем механических и физико-химических процессов под воздействием нагрузок, герметизируемой и окружающей сред, дают основание рассматривать его как систему. В дальнейшем эту систему будем называть металлополимерной клеевой герметизирующей системой (КГС).

Целью работы является разработка и исследование металлополимерных клеевых герметизирующих систем, направленные на повышение их долговечности, совершенствование технологии применения клеевых герметизирующих систем при ремонте БМП и технологического оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ известных в ремонтной практике способов восстановления герметичности металлических деталей, узлов, агрегатов, работающих под давлением жидких и газообразных агрессивных сред, и определить номенклатуру деталей бытовой техники, пригодных к ремонту клеевым способом, определить виды повреждений, связанных с нарушением герметичности;

— исследовать металлополимерное клеевое уплотнение как систему, определить основные элементы системы и установить характер их взаимодействияопределить факторы, воздействующие на КГС в процессе эксплуатации БМП и технологического оборудования предприятий сервисапровести системный анализ проблемы повышения долговечности металлополимерных КГС и выявить факторы, определяющие их прочность и долговечность;

— разработать методики экспериментального исследования металлополимерных КГС и технические средства для их проведения;

— разработать и испытать клеи-герметики, предназначенные для восстановления герметичности металлических деталей и агрегатов БМП и технологического оборудования и соответствующие технологическим, эксплуатационным, гигиеническим и другим требованиям, разработать технологические параметры применения клеев-герметиков;

— исследовать влияние вида конструктивной схемы, геометрических параметров и напряженного состояния металлополимерных КГС на их прочность и долговечностьизучить напряженное состояние герметизирующих систем и разработать методики прогнозирования их долговечности;

— разработать рекомендации по использованию конструктивных решений КГС, клеев-герметиков и разработке технологий ремонтах применением ме-таллополимерных КГС, обладающих повышенной долговечностью;

— разработать технологические процессы и оснастку для реализации предложенных способов восстановления герметичности металлических деталей и агрегатов БМП и технологического оборудованияпровести производственные испытания и внедрение разработанных технологий.

Объект исследований. В качестве объектов исследований выбраны метал-лополимерные клеевые герметизирующие системы, применяемые при ремонте БМП и технологического оборудования предприятий бытового обслуживания.

Методы исследования. В работе использовались методы системного анализа, математического анализа и моделирования, методы аналогового и натурного моделирования.

Для проведения экспериментальных исследований использовали как стандартные и традиционные методики, приборы и стенды, так и специально разработанные для решения конкретных научных и производственных задач. Для определения физико-механических и физико-химических характеристик объектов исследования использовались приборы, аппаратура и оборудование лабораторий ЮРГУЭС, ЮРГТУ (НПИ) и ряда других научных учреждений и производственных предприятий. Обработку результатов экспериментов и математическое моделирование проводили с использованием компьютерных программ Microsoft Word, Microsoft Excel, MathCAD, Microsoft Visio, Adobe Photoshop и пакета символьных математических вычислений Maple 9.5 для операционной системы Windows ХР.

Научная новизна работы состоит в научно обоснованном подходе к проблеме использования полимерных клеев-герметиков для восстановления герметичности деталей и узлов БМП и технологического оборудования, работающих под воздействием повышенного давления и агрессивных сред, с целью повышения качества ремонта, введения новой услуги и получения экономического эффекта.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что впервые дано определение металлополимерным КГСпредложены и проанализированы обобщенные структурные модели основных типов КГС, используемых в ремонтной практикеопределены основные требования к конструкциям КГС, обладающих необходимой долговечностью.

Впервые на основе системного подхода к решению проблемы повышения долговечности металлополимерных КГС, применительно к условиям эксплуатации бытовой техники, изучены и теоретически обобщены факторы, определяющие их прочность и долговечностьустановлена связь между указанными факторами, дана оценка их вклада в обеспечение прочности, герметичности и долговечности металлополимерных КГС, показана возможность значительного повышения долговечности клеевых уплотнений, используемых для ремонта бытовой техники.

Разработаны и испытаны новые рецептуры полимерных клеев-герметиков с улучшенными характеристиками, удовлетворяющие технологическим, эксплуатационным, гигиеническим и другим требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для восстановления герметичности металлических деталей бытовой техники. Путем построения математических моделей клеевых композиций оптимизирован их состав.

Экспериментально исследовано влияние состава полимерного клея, напряженного состояния, агрессивной среды, температурного режима эксплуатации клеевых соединений металлов и КГС на их физико-механические характеристики и долговечность. Разработана методика испытаний КГС и прогнозирования их долговечности применительно к бытовым машинам, приборам и технологическому оборудованию.

Разработаны и испытаны физические модели металлополимерных КГС различных конструктивных типов, разработаны КГС с повышенной прочностью и долговечностью, которые обеспечивают снижение напряжений в клеевом шве, уменьшение воздействия агрессивной среды и перепадов температуи ры. Разработаны математическая модель напряженного состояния металлопо-лимерных КГС и методика прогнозирования их долговечности.

Разработаны и внедрены в производство новые технологические процессы и технологическая оснастка для реализации предложенных способов восстановления герметичности холодильных агрегатов и других машин и аппаратов бытового назначения.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке научных основ технологических процессов ремонта бытовой техники, с использованием новых полимерных клеев-герметиков и способов восстановления герметичности металлических деталей и агрегатов на предприятиях сервиса, которые обеспечат повышение качества ремонта, введение новой услуги и получение экономического и социального эффектов.

Реализация результатов работы. Разработанные технологии, описание конструктивных схем КГС, технологических приспособлений и способов герметизации, рецептуры клеев-герметиков опубликованы в бюллетенях научно-технической информации отрасли бытового обслуживания, представлены на научных конференциях международного, регионального и вузовского уровней. Результаты работы внедрены на предприятиях бытового обслуживания населения: ОАО «Краснодарбыттехника» г. Краснодар, ОАО «Сервисбыттехника» г. Ростов-на-Дону, ЗАО «Рембыттехника» г. Ставрополь, ЗАО «Прогресс» г. Шахты и др. Технологии ремонта БМП с помощью полимерных клеев экспонировались на выставках Всероссийского и регионального уровней и получили положительный отзыв. Результаты работы используются при выполнении дипломных работ, НИР студентов, в лабораторных практикумах по дисциплинам «Диагностика бытовых машин и приборов», «Химические материалы в проектировании бытовых машин, приборов и технологического оборудования», «Физико-химические методы оценки свойств полимеров», «Химия (Часть 3. Химия и физика высокомолекулярных соединений)».

Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные разделы докладывались и получили положительную оценку на: научно-практических конферен циях ШТИБО, ДГАС, ЮРГУЭС и Межвузовских научно-практических конференциях на базе ЮРГУЭС в 1977;2005 гг. (всего 32 доклада) — научно-технических конференциях МТИ (МГУС) в 1977, 1986 гт. (5 докладов) — научно-технической конференции ЦНИИБыт -1983 г. — 3 докладареспубликанских научно-практических конференциях работников бытового обслуживания населения в г. Уфа (1979,1981 гг.) — 2 доклада, в г. Волгоград -(1988, 1989 гг.) -2 докладавыставке достижений народного хозяйства СССР в 1987, 1988 гг.- Всесоюзных научно-технических конференциях «Прогрессивные полимерные материалы, их переработка и применение» в г. Ростов-на-Дону, 1989 г. -1 доклад, в г. Аксай 1990 г. — 2 докладаV Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» в г. Пенза, 2003 г. — 1 докладМеждународной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» в г. Пенза, 2004 г. — 1 докладМеждународной научно-технической конференции «Композиционные материалы» в г. Пенза, 2005 г.-1 докладII Всероссийской научно-практической конференции «Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении» в г. Пенза, 2005 г. -1 доклад.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 статей и тезисов докладов, 13 отчетов по госбюджетным и хоздоговорным научно-исследовательским работам.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 57 рисунков, 19 таблиц. В приложениях приведены документы по технологическим процессам ремонта, чертежи технологической оснастки, акты внедрения и другие материалы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертации, а также производственные испытания и опыт использования результатов диссертационной работы на предприятиях по ремонту БМП позволяют сделать следующие выводы:

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований доказана возможность успешного применения клеев-герметиков для восстановления герметичности металлических деталей и агрегатов БМП, технологического оборудования предприятий сервиса, работающих под давлением жидких и газообразных агрессивных сред.

2. Путем проведения системного анализа проблемы долговременного сохранения герметичности клеевых соединений металлов определены основные элементы клеевой герметизирующей системы, дано определение данной системе, предложены структурные модели основных типов металлополимерных КГС. Выявлены главные факторы, определяющие долговечность КГС: рецептурный, адгезионный, конструкционный, технологический, эксплуатационный, физико-механические и физико-химические свойства клеевого слоя. Установлен характер связи между указанными факторами, дана оценка их вклада в обеспечение требуемого уровня долговечности работы герметизирующей системы, показана возможность значительного повышения долговечности герметизирующих клеевых соединений металлов. Установлено, что наибольшей весомостью обладают конструкционный, рецептурный и адгезионный факторы.

3. Разработаны методики экспериментального исследования металлополимерных КГС и технические средства для их проведения. Сформулированы требования, которым должны удовлетворять клеи-герметики, предназначенные для восстановления герметичности металлических деталей и агрегатов БМП и технологического оборудования предприятий сервиса, работающих под давлением жидких и газообразных агрессивных сред.

4. В результате проведения сравнительных испытаний различных типов клеев установлено, что наиболее близко требуемому комплексу показателей соответствуют эпоксидные клеи, образующие в процессе формирования клеевого соединения сетчатую «структуру. Разработаны и испытаны рецептуры одноупа-ковочных и двухупаковочных эпоксидных клеев-герметиков с улучшенными характеристиками, удовлетворяющими технологическим, эксплуатационным, гигиеническим и другим требованиям. Путем построения математических моделей клеевых композиций оптимизирован их состав. Определены технологические параметры и области применения разработанных клеев-герметиков.

5. Методом экспериментального исследования физических моделей различных типов металлополимерных КГС определен характер влияния конструктивной схемы, геометрических параметров и напряженного состояния на их прочность и долговечностьразработана математическая модель напряженного состояния КГС. Установлено, что наибольшей прочностью и долговечностью обладают КГС, сформированные таким образом, когда в клеевом шве возникают в основном сдвиговые напряжения, а наименьшей — системы, в которых клеевое соединение работает на неравномерный отрыв. Разработана методика прогнозирования долговечности КГСопределены безопасные уровни давления герметизируемой среды для заданной временной базы наработки на отказ.

6. Разработаны рекомендации по использованию конструкторско-технологических решений при формировании КГС в процессе ремонта металлических деталей бытовой техники, обладающих повышенной прочностью и долговечностью. Разработан новый способ, технологический процесс и оснастка для восстановления герметичности испарителей бытовых холодильных приборов с использованием КГС, обладающей повышенной долговечностью. Технологический процесс и оснастка для реализации предложенного способа ремонта испарителей прошли производственные испытания и внедрены на предприятиях бытового обслуживания, получен значительный экономический эффект (около 240 тыс. руб. в год).