Экспериментальные исследования физико-механических свойств эластомера для изготовления ударопоглощающих рабочих органов сельскохозяйственных машин

Введение. Одним из существенных факторов, оказывающих влияние на травмирование семян, является способность рабочей поверхности сельскохозяйственных машин поглощать удар [1]. Ударопоглощающая способность зависит от физикомеханических свойств материала, используемого для изготовления рабочих органов. Основным конструкционным материалом выпускаемой промышленностью сельскохозяйственной техники является сталь, обладающая высокими прочностными свойствами. Это позволяет повысить надежность изготавливаемых изделий [2–8]. Но при этом сталь является малодеформируемым материалом, что приводит к серьезным повреждениям обрабатываемого семенного материала [9–11]. Травмирование семян рабочими органами, выполненными из стали, накладывает ограничения на скоростной режим работы механизмов и не позволяет повышать производительность машин [11].

Интенсифицировать технологические процессы сельскохозяйственного производства можно при создании условий минимального травмирующего воздействия на семенной материал. Одним из эффективных способов достижения высоких показателей целостности семян является замена стальных жестких конструктивных элементов, взаимодействующих с семенами, на полиуретановые эластомеры, способные выдерживать значительные упругие деформации растяжения-сжатия и поглощать ударное воздействие на семена.

Экспериментальные исследования упруго-прочностных свойств эластомеров позволяют определить реальные значения показателей физико-механических свойств высокоэластичных материалов и сравнить их со значениями, заявленными производи- телем, т.к. декларируемые значения могут отличаться от реальных значений. Данное обстоятельство может быть вызвано рядом причин: низким уровнем контроля технологического процесса изготовления материала, отсутствием контроля чистоты вулканизируемого состава, качества сырья и готовых изделий. Другой причиной необходимости выполнения экспериментальных исследований является то, что ранее высокоэластичные полимеры не применялись в сельскохозяйственных машинах в условиях значительных продольных деформаций при действии поперечных нагрузок.

Без использования высокоэластичных полиуретанов – эластомеров не обойтись в технических устройствах, напрямую контактирующих с семенным материалом. В АзовоЧерноморском инженерном институте разработаны машины с ударопоглощающими рабочими органами для предпосевной обработки – смесители-инкрустаторы. Травмирование семян в этих машинах не превышает 0,5% [1, 12, 13]. Разработка транспортирующих устройств с ударопоглощающими элементами является следующим этапом совершенствования технологии подготовки семян к посеву, т.к. в существующих и широко используемых транспортерах, нориях, пневмопогрузчиках травмирование семян составляет от 3 до 25% [1, 4, 9, 13, 14]. Планируется создать мобильный модульный сортировально-протравочный комплекс. Рабочие органы и элементы технических устройств, входящих в этот комплекс, будут изготовлены из высокоэластичного полиуретана [14]. Знание физико-механических характеристик выбранного эластомера позволит не сомневаться не только в надежности рабочих органов, но и в травмобезопас-ности семенного материала.

Таким образом, выбрав полиуретановый эластомер и выполнив экспериментальные исследования его упругопрочностных свойств, можно быть уверенными, что материал соответствует требуемым условиям эксплуатации ударопоглощающих рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Материалы и методы исследования. Для изготовления ударопоглощающих рабочих органов технических устройств, рекомендуемых к использованию в технологии подготовки семян к посеву, был выбран полиуретановый эластомер марки Адипрен-

L167, изготовленный российской компанией (условия соблюдения коммерческой тайны не позволяют разглашать название компании). Выбор данного эластомера обусловлен предварительным расчетом конструктивных элементов на прочность и ограничительным условием: напряжения, возникающие при ударном взаимодействии с семенным материалом, не должны превышать предела прочности семян. В таблице 1 представлены основные физико-механические характеристики полиуретанового эластомера выбранной марки, заявленные производителем.

Таблица 1 – Основные физико-механические характеристики полиуретанового эластомера Адипрен L-167

Table 1 – Main physical and mechanical characteristics of the polyurethane Adipren-L167 elastomer

Наименование показателя Available indicators	Величина Value
Модуль упругости при 100% растяжении, МПа Modulus of elasticity at 100% tesile deformation, MPa	12,7
Предел прочности, МПа Tensile strength, МPа	35,2
Твердость ТМ-2 (по Шору) Hardness HM-2 (according to Shore)	60
Температурный диапазон эксплуатации, °С Operating temperature range, °С	-50…+80
Кратковременное повышение температуры, °С Short-term temperature increase, °С	+90

Рисунок 2 – Экспериментальный образец полиуретанового эластомера марки

Адипрен L-167

Figure 2 – Experimental model of the polyurethane Adipren-L167 elastomer

Рисунок 1 – Штанцевый нож для изготовления образца

Figure 1 – Stamping knife for the manufacture of the sample

Для определения физико-механических свойств высокоэластичных полиуретанов использовался полиуретан марки Ади-прен-L167. Из полиуретановой пластины толщиной 2,0±0,2 мм с помощью винтового пресса штанцевым ножом (рисунок 1) был вырезан образец (рисунок 2) в соответствии с требованиями ГОСТ 270-75.

Ширина рабочего участка образца b = 6 мм, толщина t = 2 мм. Образец подвергался деформации растяжения в разрывной испытательной машине (РИМ) (рисунок 3). Машина была изготовлена А.В. Бондаревым с учетом требований ГОСТ 28840-90 «Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб». К основным физикомеханическим характеристикам упругопрочностных свойств высокоэластичных полиуретанов относят предел прочности и максимальную относительную деформацию материала до разрыва.

На образец наносились метки, на уровне которых полиуретановый образец был зажат в захватах, приближенных друг к другу на расстояние, соответствующее длине образца. Образец подвергался растяжению путем приведения механизма привода 3 в действие нажатием кнопки «Старт» на блоке управления 9 (рисунок 3). В процессе выполнения эксперимента проводилась видеосъемка для регистрации максимальной абсолютной деформации образца, момента разрыва образца и показания динамометра в момент разрыва образца. Один из участников экспериментальных исследований следил за показанием измерительной рулетки, закрепленной вдоль защитной панели (рисунок 4).

• 1    – основание; 2 – корпус; 3 – механизм привода; 4, 5 – захваты для закрепления образца; 6 – датчик электронного динамометра; 7 – опора винтового вала;

• 8    – электронный динамометр FM-204;

• 9    – блок управления механизмом привода захвата; 10 – кнопка аварийной остановки; 11 – блок управления; 12 – защитная панель вала; 13 – винтовой вал;

• 14 – кронштейн подвижного захвата Рисунок 3 – Разрывная испытательная машина (РИМ)

• 1    – base; 2 – body; 3 – drive mechanism; 4, 5 – gripping devices for fixing the sample;

• 6    – electronic dynamometer sensor;

• 7    – screw shaft support; 8 – electronic dynamometer FM-204; 9 – control unit of the grip drive mechanism; 10 – emergency stop button; 11 – control unit; 12 – protective panel of the shaft; 13 – screw shaft;

• 14 – mobile grip bracket Figure 3 – Tensile testing machine (TTM)

  
  
  

Рисунок 4 – Закрепление образца в захватах испытательной машины

Picture 4 – Fixing the sample in the grippers of the testing machine

В результате выполнения исследований были определены показатели физикомеханических свойств полиуретана марки Адипрен-L167.

Предел прочности при растяжении (σ p ) определялся по формуле

где Ғ_р - нагрузка, действующая на образец в момент разрыва, Ғ _р = 321Н ;

А – площадь поперечного сечения образца, мм2.

Напряжение при заданном производителем полиуретана относительном удлинении 500%:

^ тах = ~ МПа,      (2)

где Ғ _тах - нагрузка при заданном удлинении 500%, Н.

Относительное удлинение полиуретанового образца в момент разрыва

£ _Р = ^ • 100% ,       (3)

где 1 _Р - длина рабочего участка образца в момент разрыва, мм;

Z₀ - первоначальная длина рабочего участка образца, мм.

Истинное напряжение полиуретанового эластомера в момент разрыва (σ р. ист. ):

0- р.ист. = ^ р ( ^⁺¹⁾ , ^{МПа.     (4)}

Результаты исследования и их обсуждение. Проведенные экспериментальные исследования позволили определить основные физико-механические характеристики высокоэластичного полиуретана марки Адипрен-L167 для дальнейшего сравнения их с показателями, заявленными производителем. Основные характеристики прочности и пластичности представлены в таблице 2.

На рисунке 5 приводится зависимость напряжения от деформации при растяжении эластомера до разрыва, построенная по результатам выполненных экспериментальных исследований.

В таблице 3 приведены характеристики физико-механических свойств полиуретана марки Адипрен-L167, полученные экспериментальным путем, в сравнении с аналогичными показателями, заявленными предприятием-изготовителем.

Сравнительный анализ физикомеханических характеристик эластомера, полученных при выполнении экспериментов, с данными производителя показал, что предел прочности экспериментального образца несколько ниже значения, указанного изготовителем.

Таблица 2 – Показатели физико-механических свойств полиуретана марки Адипрен-L167

Table 2 – Indicators of physical and mechanical properties of the polyurethane Adipren-L167 elastomer

Наименование показателя Available indicators	Величина Value
Предел прочности при растяжении, МПа Tensile strength at the tensile deformation, МPа	36,2
Напряжение при относительном удлинении 500%, МПа Stress at standard elongation 500%, MPa	4,4
Относительное удлинение в момент разрыва, % Standard elongation at the moment of rupture, %	1060
Истинное напряжение в момент разрыва, МПа True stress at the moment of rupture, МPа	295

При выборе эластомера для конкретной машины необходимо учитывать нагрузку, которую будет испытывать рабочая поверхность в процессе эксплуатации, и ис- пользовать условия допустимого функционирования высокоэластичного рабочего органа.

Рисунок 5 – Диаграмма напряжений эластомера марки Адипрен L-167 Picture 5 – Stress diagram of the Adipren-L167 elastomer

Таблица 3 – Характеристики полиуретанового эластомера марки Адипрен L-167 Table 3 – Characteristics of the polyurethane Adipren-L167 elastomer

Наименование показателя Available indicators	Значение, указанное производителем Value indicated by the manufacturer	Экспериментальное значение Experimental value
Предел прочности, МПа Tensile strength, MPa	не менее 35,2 not less than 35,2	34
Относительное удлинение, % Standard elongation, %	500	500
Напряжение в момент разрыва, МПа Stress at the moment of rupture, MPa	не указано not indicated	295,3

Для определения максимальной возможной загрузки рабочей емкости необходимо соблюдать условие прочности:

^стах ^{— [с]} , где а _тах - максимальное напряжение, возникающее в точках поперечного сечения эластомера при его растяжении, МПа;

• [с] - допускаемое напряжение, зависящее от физико-механических свойств высокоэластичного полиуретана, МПа.

В свою очередь, принимается:

_ ^тах ^стах ^_ д , где N _max - максимальное продольное усилие, возникающее в волокне рабочей поверхности, Н.

В первом приближении считаем, что продольное усилие равно половине поперечной распределенной нагрузки, действующей от веса семенного материала, нахо- дящегося в рабочем объеме машины N _ ^семян^ (рисунок 6). Максимальное продольное усилие возникает в центральной части продольного сечения цилиндрической рабочей емкости. При этом принимается до- пущение о равномерном распределении се- менного материала по каждому продольно- му волокну рабочей поверхности; А - пло- щадь поперечного сечения рабочей поверх- ности, на которую действует сила распределенного веса семенного материала, мм2;

[с] - допускаемое напряжение, МПа:

Ы=Т где спч - предел прочности эластомера, МПа;

и - коэффициент запаса прочности.

С учетом того, что в процессе работы ударопоглощающая поверхность испытывает динамические нагрузки, принимаем n=10.

Рисунок 6 – Распределение веса семенного материала по волокну рабочей поверхности

Figure 6 – Distribution of the seed weight on the fiber of the working surface

Для определения предела выносливости высокоэластичного полиуретана были проведены исследования, результаты которых частично описаны в работе [15]. В дальнейшем будет представлена методика расчета на выносливость ударопоглощающего рабочего органа.

Выводы. В результате выполненных исследований определено истинное напряжение в момент разрыва. Данная характеристика не была указана производителем, но является важной при выборе высокоэластичного полиуретана в качестве материала для изготовления рабочих органов сельскохозяйственных машин, работающих в условиях значительных деформаций растяжения и динамического нагружения.

Анализ результатов экспериментальных исследований высокоэластичного полиуретана позволяет сформулировать требо- вания к выбору эластомера для изготовления ударопоглощающих рабочих органов сельскохозяйственных машин:

• 1.    При выборе высокоэластичного полиуретана необходимо предварительно задаться значением допускаемого напряжения и относительных деформаций материала в процессе эксплуатации.

• 2.    Предел прочности высокоэластичного материала не должен быть меньше напряжения, возникающего в материале в процессе работы технического устройства.

• 3.    Производители полиуретана должны минимизировать наличие посторонних включений или пустот внутри и на поверхности материала, являющихся причиной появления трещин, приводящих к преждевременному износу и разрушению изготовленных из этого материала высокоэластичных рабочих органов сельскохозяйственных машин.

• 4.    Необходимо разработать справочные материалы для рационального выбора высокоэластичного полиуретана, используемого при изготовлении рабочих органов сельскохозяйственных машин.