Проектно-технологическое обеспечение качества изделий из пм в показателях надежности
Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в определенных пределах, при заданных режимах работы и условиях использования изделия, его технического обслуживания, ремонта и транспортирования. Надежность – комплексное свойство, которое в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать безотказность, сохраняемость, долговечность и ремонтопригодность изделия и его составных частей. Надежность обеспечивает техническую возможность использования изделия по назначению в нужное время и с требуемой эффективностью /18/.
На практике оценка надежности может осуществляться комплексом различных показателей, например, «наработкой на отказ» (статистический показатель числа циклов или времени эксплуатации до первого отказа), «коэффициентом готовности» ( величина, рассчитываемая как функция от наработки на отказ и времени восстановления работоспособности изделия), «вероятностью безотказной работы» и другими показателями. Все эти характеристики надежности феноменологически оценивают эксплуатационные возможности готовых изделий, но они не пригодны для регулирования технологических факторов, от которых зависит работоспособность и сохраняемость изделия.
В интересах проектирования ТП изготовления полимерных изделий с заданным качеством важно выявлять связь физических проявлений надежности с конкретными технологическими факторами переработки ПМ. Стихийное проявление такой связи обычно имеет негативные последствия и получило название технологической наследственности как причины возникновения дефектов, обусловленных качеством исходного сырья и погрешностями выполнения отдельных технологических операций. Знание соответствующих закономерностей, наоборот, позволяет целенаправленно влиять на исходное сырье и материалы, выбирать технологические способы и режимы переработки ПМ, регулировать его структуру и осуществлять другие виды воздействия на объект производства, стабилизируя или добиваясь повышения надежности изготавливаемого изделия.
1.3.6.1. Зависимость «безотказности» полимерных изделий от технологических факторов изготовления можно проследить на примере наиболее типичных проявлений этого показателя надежности – стойкости к механическим нагрузкам, старению и износу.
Стойкость, в частности, к усталостным механическим нагружениям – одно из основных требований со стороны конструкторов, создающих технику (транспорт, станки, двигатели и т.п.), работающую в условиях постоянной вибрации. Усталость ПМ проявляется в ползучести и накоплении микроразрушений (трещин, расслоений), которые имеют следствием искажение размеров и формы изделия, снижение заданных эксплуатационных показателей. С физической точки зрения безотказность работы изделия обусловлена способностью ПМ поглощать или рассеивать механическую энергию внешнего воздействия, не допуская проявления усталости.
Известно, что в этом отношении ПМ имеют значительное преимущество перед металлами. Темп затухания колебаний, выражаемый декрементом затухания (δ), у ПМ выше на порядки благодаря высокомолекулярному строению, иной подвижности пространственной структуры и вязкоупругому характеру поведения при разрушении. При формовании изделий из ПМ эти факторы, претерпевая изменения под влиянием варьируемых температуры, давления и времени, могут вызывать соответствующие изменения декремента затухания, как это видно на рис. 1.16.
Рис. 1.16. Зависимости логарифмического декремента затухания колебаний от напряжения при изгибе для стекловолокнита АГ-4: 1 – без термообработки; 2, 3 – после термообработки при 150 ˚С в течение 3 и 5 ч соответственно /19/.
Как следует из приведенных данных, при осуществлении дополнительной термообработки изделий из фенолоформальдегидного стеклопластика АГ-4, более чем вдвое изменяется показатель затухания колебаний, вызываемых внешним источником воздействия. Можно предположить, что сокращая время термообработки, можно добиться заданного значения б в интервале между кривыми 1 и 2.
От энергопоглощающей способности ПМ зависит и ударная стойкость ак. Изменения ее показателей в достаточно широком диапазоне значений удается осуществлять уже на стадии формования. Примером может служить зависимость ак фенолоформальдегидного стеклопластика марки СНК-2-27 от температуры прессования изделий при постоянном давлении Р=150 МПа:
130 ± 5˚С --- 5,4 – 8,2 кДж / м²
145 ± 5˚С --- 5,7 – 7,5 кДж / м²
155 ± 5˚С --- 9,1 – 10,5 кДж /м²
При этом выдержка определялась из расчета 3-5 мин на 1 мм толщины образца /20/.
Отказы изделий по причине старения ПМ – еще более распространенное явление, если иметь в виду, прежде всего, термоокислительный вид старения (коррозии) полимеров. Например, средняя скорость образования летучих продуктов при нагревании полистирола до 300 ˚С в присутствии кислорода воздуха составляет 60 % /ч, а в атмосфере инертного газа – всего лишь 3 % /ч. Как правило, в воздушной среде температура начала деструкции снижается. Так, полиэтилен деструктирует при 160 ˚С, а в отсутствии кислорода лишь при 290 ˚С, полистирол – при 100 ˚С и 220 ˚С соответственно /21/.
Результатом термоокислительной деструкции является охрупчивание ПМ (снижение энергетического порога разрушения), изменение электрических, триботехнических, теплофизических и других эксплуатационных характеристик, ускоряется процесс дальнейшего старения ПМ и снижения надежности изделия. Следовательно, для предотвращения этих последствий необходим при проектировании ТП предусмотреть технологические условия переработки ПМ, исключающие причины старения, например, метод формования и последующего отжига изделия в вакууме, инертной среде, с использованием герметичных технических средств, а также снижение температур переработки и хранения ПМ.
Отказы по причине износа изделий из ПМ наиболее типичны для многочисленных пар трения – подшипников, тормозных колодок, поршневых систем, зубчатых колес, транспортных и других полозьев, гребных винтов и т.п. Отсюда различные варианты износа – истирание, унос, вымывание, сколы, абляция и др.
Различными бывают и способы определения интенсивности износа (J) полимерных изделий. Например, согласно формуле J= ΔV ⁄ W интенсивность износа рассчитывается как отношение утраченного объема поверхностного слоя ПМ (ΔV) к величине затраченной работы (W). Аналогичным образом в числители может оказаться толщина поверхностного слоя (δ f), а в знаменателе, например, число циклов нагружения (Nц): J= δf ⁄ Nц. Однако, как показывают экспериментальные данные, интенсивность реального износа не всегда имеет линейный характер. На рис. 1.17 отмеченное обстоятельство продемонстрировано на примере полиамидных зубчатых колес.
Рис. 1.17. Зависимость износа от продолжительности испытаний зубчатых колес из фенотекстолита (1) и полиамида 6 (2) /23/.
Как можно видеть, износ капроновых колес, линейно нарастающий в начальный период эксплуатации (стадия «приработки»), через некоторое время замедляется и затем практически прекращается, чему способствует эластическая деформируемость ПА6.
Анализ механизма износа изделий из конкретных ПМ помогает в ряде случаев изыскивать эффективные технологические возможности для снижения его интенсивности и, следовательно, соответственно увеличивать «безотказность» этих изделий. Например, увеличивая эластическую деформируемость поверхностного слоя полиамидных изделий термообработкой их в масляной ванне, удается снижать износ при трении в 3 и более раза.
Не менее эффективных результатов в повышении износостойкости полимерных изделий иногда удается достигать, применяя различные способы формования. Так, при сравнении износостойкости образцов из ПА 66, полученных спеканием и литьем под давлением, износ первой группы образцов за 24 часа трения составлял 1,5 мм, в то время как литые образцы разрушались уже через 0,5 часа с потерей 1,6 мм толщины /22/. При этом РV- фактор износа (давление x скорость) при испытании первых образцов, равный 1337 Н·м־¹·с־¹, почти в 7 раз превышал соответствующий показатель нагружения для литых образцов.
Таким образом, как и предыдущих случаях, возможность регулирования надежности полимерных изделий согласно заданным техническим требованиям могут быть предусмотрены еще на проектном этапе разработки ТП их изготовления.