Способ высокочастотной обработки конструктивно-сложных изделий из полимерных материалов
HIGH-FREQUENCY PROCESSING METHOD OF STRUCTURALLY COMPLEX ARTICLES FROM POLYMER MATERIALS

Предлагаемый способ относится к обработке деталей из пластических масс, в частности, из полиамида.
80% аварийных остановок подвижного состава ОАО РЖД связано с выходом из строя буксовых узлов, одним из основных элементов которого являются подшипники с полиамидными сепараторами.
Проблемность сепараторов, изготовленных из полиамида, заключается в их гидрофильности. Водопоглощение достигает нескольких процентов (в отдельных случаях до 8%) и существенно влияет на прочность и ударную вязкость. Деформационно-прочностные характеристики полиамидов, после сушки образцов восстанавливаются (см. кн. «Технические свойства полимерных материалов»: Уч.-справ, пос. / В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов, А.Д. Паниматченко, Ю.В. Крыжановская. - СПб., изд-во «Профессия», 2003 г. стр. 43-44, 110).
Поэтому задача заключается в том, чтобы создать эффективную технологию сушки полиамидов, с помощью высокочастотной обработки, обеспечивающую восстановление необходимых механических свойств ответственных конструкционных изделий, в том числе всех частей сепараторов подшипников, изготовленных из полиамида.
Известный способ сушки представлен в патенте RU №2338135, МПК F26B 7/00 (заявлен 07.11.2008 года дата публикации: 10.11.2008 г.).
В данном патенте указан способ сушки натрия йодистого.
Сущность способа включает: предварительное обезвоживание исходного сырья до массовой доли влаги 5-7%, охлаждение до температуры 60-65°С и окончательную сушку при подводе энергии электромагнитного поля и давлении среды 25-30 мм рт.ст. Окончательную вакуумную сушку проводят в атмосфере паров четыреххлористого углерода.
Разработать аналогичный способ удаления повышенной влажности из полиамидных сепараторов в вакууме при подводе энергии электромагнитного поля возможно, но стоимость установки будет весьма большой, а высокие затраты при эксплуатации и обслуживании сделают ее неконкурентоспособной.
Известно также «Устройство для диэлектрического нагрева длинномерного материала» (патент RU №2073315 МАК Н05В 6/46, заявлен 11.03.1993 г., дата публикации: 10.02.1997 г.).
Сущность устройства состоит в том, что для диэлектрического нагрева длинномерного материала оно содержит два идентичных длинномерных плоских электрода, между которыми находится нагреваемый материал, два выходных зажима высокочастотного генератора, расположенные напротив середины длины электродов симметрично относительно них и две идентичных группы проводников, связывающих выходные зажимы генератора, один из которых соединен с общей шиной, с соответствующими длинномерными электродами. Они подключены идентичным образом симметрично относительно концов электродов и на равных расстояниях по длине электродов, при этом расстояние от концов электродов до ближайших из концов проводников составляет половину расстояния между соседними концами проводников. Проводники выполнены в виде симметричной, относительно общей шины n-ступенчатой m-канальной разветвляющей системы с идентичными параметрами проводников в каждой ступени. Два проводника первой ступени разветвления расположены симметрично относительно экранирующего их от общей шины дополнительного проводника, оба конца которого и середина одного проводника первой ступени разветвления соединены с общей шиной. Между серединой другого проводника первой ступени, подключенной к несоединенному с общей шиной выходному зажиму генератора и серединой упомянутого дополнительного проводника включен индуктивный элемент.
Данное устройство использовать для сушки сепараторов, изготовленных из полиамида практически невозможно из-за громоздкости установки, сложности ее изготовлении. При эксплуатации данная установка требует больших временных затрат на подготовительные работы, наладку оснастки и приспособлений.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является «Способ высокочастотной обработки деталей из полиамида и устройство для его осуществления» (патент RU №2497673 МПК В29С 65/04, F26B 7/00), F26B 19/00, Н05В 6/46 (2006.01), заявлен: 2011142701/05, 21.10.2011, дата публикации 10.11.2013 Бюл. №31.
Сущность данного способа
В данном способе решается задача высокочастотной обработки сепаратора роликового подшипника из полиамида путем охвата деталей высокопотенциальными и заземленными электродами рабочего конденсатора, подключенного к высокочастотному генератору, при одновременном приложении давления, при этом охват обрабатываемой детали электродами осуществляют по верхней, нижней и внутренним боковым поверхностям перегородок, создавая пространственную схему 2×n рабочих конденсаторов (где, n - количество электродов), одновременно подключенных к высокочастотному генератору, тем самым образуют разность потенциалов между соседними электродами и между верхней высокопотенциальной плитой и электродами, подключенными через нижнюю контактную группу к нижней заземленной плите и нижней заземленной плитой и электродами, подключенными через верхнюю контактную группу к верхней высокопотенциальной плите. Нагрев производят до температуры начала рекристаллизации полиамида, которая определяется возникновением ступени в показаниях анодного тока на амперметре, установленном на высокочастотном генераторе, после чего отключают высокочастотный генератор. Так как части верхнего и нижнего ободов, находящиеся под контактами верхней и нижней контактной группы, не подвергаются разогреву, цикл обработки повторяют, повернув деталь, например, сепаратор, вокруг оси на один электрод. Давление пресса осуществляют при соединении контактных групп с электродами и высокопотенциальной и заземленной плитами.
Данный способ возможно использовать для восстановления деталей, например, сепараторов, изготовленных из полиамида, но только крайне простой конструкции. За последнее десятилетие конструкции деталей, например сепараторов, претерпели изменения, так например, созданы разнотолщинные (конические) элементы (перегородки) в конструкции сепараторов. В связи с этим предлагаемый способ не позволяет произвести равномерный нагрев таких конструктивных элементов изделий из полиамидных материалов.
Задачей предлагаемого изобретения является равномерный нагрев с целью восстановление прочностных характеристик всех элементов изделий, например сепараторов подшипников, изготовленных из полиамида.
Задача достигается тем, что способ высокочастотной обработки конструктивно-сложных изделий, например, полиамидный сепаратор роликового подшипника, включает размещение обрабатываемой детали между высокопотенциальным и заземленным электродами рабочего конденсатора, подключенного к высокочастотному генератору, при одновременном приложении давления. Охват обрабатываемой детали электродами осуществляют по верхней, нижней и внутренним боковым поверхностям перегородок, создавая пространственную схему 2×n рабочих конденсаторов, где n - количество электродов, их подключают к высокочастотному генератору, тем самым образуя разность потенциалов между соседними электродами и между верхней высокопотенциальной плитой и электродами, подключенными через нижнюю контактную группу к нижней заземленной плите, и нижней заземленной плитой и электродами. Созданную таким образом, пространственную, из нескольких пар, схему рабочих конденсаторов подключают через верхнюю контактную группу к верхней высокопотенциальной плите, нагрев производят до температуры начала рекристаллизации полиамида, после чего отключают высокочастотный генератор. В случае несимметричности изделия, деталь поворачивают вокруг оси на одни электрод и нагревают необработанные поверхности. Равномерный нагрев подключенных к высокочастотному генератору разнотолщинных (конических) элементов изделий, например перегородок полиамидного сепаратора роликового подшипника, обеспечивают путем создания воздушных зазоров между изделиями и электродами. Зазоры подобранны таким образом, что на всех участках разнотолщинных (конических) элементов изделий, с учетом соответствующих геометрических параметров разнотолщинных (конических) элементов изделий, они образуют (на всех обрабатываемых поверхностях) равные по емкости рабочие конденсаторы. Сущность изобретения поясняются чертежами
На фигуре 1 представлена схема высокочастотной обработки деталей, изготовленных из полиамида
На фигуре 2 представлена схема высокочастотной обработки деталей, изготовленных из полиамида (вид А). (Нижняя заземленная плита не показана).
На фигуре 3 представлена схема высокочастотной обработки деталей, изготовленных из полиамида (при опущенной верхней высокопотенциальной плите)
На фигуре 4 представлена схема высокочастотной обработки деталей, изготовленных из полиамида, при наличии воздушных зазоров (при опущенной верхней высокопотенциальной плите)
На фиг. 1, фиг. 2 показана схема высокочастотной обработки деталей, изготовленных из полиамида, которая содержит подвижную верхнюю высокопотенциальную плиту (1) и нижнюю заземленную плиту (2), на них установлены: на подвижной верхней высокопотенциальной плите - верхняя контактная группа (3), на нижней заземленной плите - нижняя контактная группа (4).
Сепаратор (5) состоит из перегородок (6), верхнего обода (7) и нижнего обода (8). Электроды (9), вставлены в сепаратор (5). Для равномерного нагрева разнотолщинных элементов конструкции сепаратора, между электродами (9) и перегородками (6) предусмотрены воздушные зазоры (11) Пресс (10) находится в поднятом состоянии.
На фиг. 3, фиг. 4 показаны схема высокочастотной обработки деталей и способ образования рабочих конденсаторов и разности потенциалов на них, образованные в результате собранного и подключенного к высокочастотному генератору, технологического устройства для высокочастотной обработки деталей (пресс (10), находится в опущенном, рабочем состоянии).
Способ высокочастотной обработки конструктивно-сложных изделий из полимерных материалов осуществляется следующим образом.
v
v
Рабочий конденсатор C и разность потенциалов на нем U - образованы между верхней подвижной высокопотенциальной плитой (1) и нижней заземленной плитой (2).
пер1…n
пер1…n
в1…n
пер1…n
в21…n
пер1…n
Рабочие конденсаторы перегородок (6) С, (фиг. 3), а в местах разнотолщинности (фиг. 4, вид Б увеличено) С=С+С+С, равны по емкости за счет подобранных зазоров, где они предусмотрены, или одинаковой толщине материала. Принимая во внимание диэлектрические свойства воздуха (ε=1,000570), можно утверждать, что воздействие на полимер (полиамид ε=3,0-3,6) в местах с воздушным зазором (в зависимости от величины зазора) уменьшает высокочастотное воздействие. Например, в разнотолщинных (конических) элементах зазоры пропорционально увеличили в тех местах, где пропорционально уменьшается толщина конструкции сепаратора. Таким образом, при воздействии на участки изделия, где предусмотрены увеличенные зазоры, снижается интенсивность воздействия высокочастотная энергии, и наоборот, где зазоры уменьшены, высокочастотное воздействие и нагрев более интенсивны. Таким образом, нагрев в разнотолщинных местах всего элемента изделия происходит равномерно. Таким образом, разности потенциалов рабочих конденсаторов также равны на всех разнотолщинных (конических) участках U, образованных между электродами (9), соединенными с верхней высокопотенциальной плитой (1), и электродами (9), соединенными с нижней заземленной плитой (2).
об1…n
об1…n
Рабочие конденсаторы верхнего обода (7) C и разность потенциалов на них, U, образованы между верхней высокопотенциальной плитой (1) и электродами (9), соединенными с нижней заземленной плитой (2). Рабочие конденсаторы нижнего (8) обода образованны между нижней заземленной плитой (2) и электродами (9), соединенными с верхней высокопотенциальной плитой (1).
v
об1...n
пер1…n
Таким образом, все рабочие конденсаторы C, C и C равные по емкости за счет подобранных зазоров, где они предусмотрены, или одинаковой толщины материала, включены параллельно, что позволяет производить обработку всех соединенных с электродами конструкционных элементов сепаратора, за один цикл.
Обработка деталей, изготовленных из полиамида, осуществляется следующим образом. Между подвижной верхней высокопотенциальной плитой (1) и нижней заземленной плитой (2) на нижнюю контактную группу (4) устанавливают обрабатываемую деталь (пример полиамидный сепаратор (5), роликового подшипника) со вставленными в нее электродами (9). Сверху устанавливают верхнюю контактную группу (3). Опускают пресс (10) на собранное технологическое устройство и включают генератор. Режим обработки контролируют по показателю анодного тока амперметра, установленного на высокочастотном генераторе. Плотное прилегание верхней (3) и нижней (4) контактных групп к электродам (9) гарантирует конструкция контактов контактной группы (радиус закругления R) и давление на контактные группы, осуществляемое прессом (10), а равномерный нагрев разнотолщинных (конических) элементов конструкции сепаратора обеспечивается созданными воздушными зазорами (11).
пер1…n
об1…n
пер1…n
об…n
в1…n
После подключения устройства к высокочастотному генератору в местах контактов с электродами (9) на поверхностях изделия образуются разности потенциалов U на разнотолщинных (конических) перегородках (6) сепаратора, с учетом предусмотренных воздушных зазоров и U на ободах сепаратора (5) в конденсаторах C и С. Напряженность электрического поля в конденсаторах, в том числе включающих в себя воздушные конденсаторы С, приводит к равномерному разогреву конструкционных элементов перегородок (6) и верхнего (7) и нижнего (8) ободов сепаратора (5) соответственно. Для разогрева частей верхнего (7) и нижнего (8) ободов, находящихся непосредственно под контактами верхней (3) и нижней (4) контактной группы, необходимо повторить процесс обработки, повернув деталь (сепаратор) вокруг оси на один электрод. После чего деталь извлекается и идет в сборку.
Способ высокочастотной обработки обеспечивает испарение влаги из деталей, тем самым, повышая диэлектрическую проницаемость материала. Учитывая, что диэлектрическая проницаемость материалов пропорциональна влажности, то нагрев продолжается до тех пор, пока сохраняется повышенная влажность. Благодаря низкой теплопроводности полиамида при нагреве до температуры начала рекристаллизации, основной объем материала не будет выведен из кристаллического или стекловидного состояния.
Был проведен ряд опытов по сушке полиамида на установке УЗП 2500 в соответствии с разработанным способом.
Пример:
Использовались сепараторы модели 2726 АО "Степногорский подшипниковый завод" (бывший ГП3-16), с наработкой более 50000 км (демонтированными в межремонтный период, при проведении полной ревизии букс в «Пассажирском вагонном депо» г. Иркутска ВСЖД ОАО РЖД). Материал сепараторов подшипников - Армамид ПА СВ 30-1ЭТМ. Время обработки изменялось от 50 до 200 сек, при номинальной величине анодного тока 0,6-0,7А, контролируемого по амперметру, установленному на высокочастотном генераторе, изготовленные электроды позволяли обеспечивать зазоры в разнотолщинных (конических) местах перегородок от 0, в местах наибольшей толщины, до 2,5 мм в месте наименьшей толщины конической перегородки сепаратора.
Результаты представлены в табл. 1
Из приведенных данных видно, что относительная влажность при начальных показателях 5,5% после обработки уменьшилась до 0,9%, а прочностные характеристики увеличились на 7,4%, что позволяет делать вывод о практической значимости данного способа.