СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ЭЛАСТОМЕРОВ (ВАРИАНТЫ)
HARDENING OF ARTICLES OF POLYURETHANE ELASTOMERS (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроительной промышленности, производящей износостойкое оборудование с применением полиуретановых эластомеров.
Из полиуретановых эластомеров в больших объемах изготовляют изделия, защищающие элементы оборудования от абразивного износа, например, футеровки барабанных мельниц, гидроциклонов, пульповодов, а также выполняющие определенные функции самостоятельно: трубы для транспортировки пульпы, половые покрытия и др.
В то же время изделия из полиуретана также подвержены интенсивному износу, в связи с чем сокращается срок их службы и увеличиваются затраты на их периодическую замену. Существует проблема повышения прочности и износостойкости изделий из полиуретановых эластомеров.
Известен способ низкотемпературного пластического деформирования полимеров под давлением (см. Баронин Г.С. Кербер М.Л., Минкин Е.В., Беляев П.С. Переработка полимеров в твердой фазе. Тамбов. Из-во ТГТУ 2005). С помощью высокого давления достигается пластическая деформация полимера с последующим затвердением образца в прессформе, сопровождающимся повышением его механических свойств (прочности, износостойкости).
Недостатком этого способа является необходимость создания высоких давлений на образец, обеспечивающих переход из упругого и высокоэластического состояния полимера в пластическое и развитие его пластической деформации до момента кристаллизации в специальной прессформе. Поэтому данный способ применим к термопластам с высокой пластичностью и низким сопротивлением пластическому деформированию при различных схемах нагружения. Его применение для упрочнения полиуретановых эластомеров, имеющих высокий предел текучести и высокое сопротивление пластическому деформированию, не известно.
Наиболее близким к изобретению является техническое решение повышения ресурса работы бронедисков центробежного насоса, изготовляемых из эластичного материала, за счет растяжения и установки их с предварительным напряжением. (а.с. SU 1560805, опубликовано 30.04.1990).
Недостатком является то, что предлагаемое техническое решение не содержит приемов длительного удержания эластичного материала в деформированном напряженном состоянии - без таких приемов упругая деформация и напряжение в материале быстро исчезнут и эффект упрочнения не проявит себя. Эластичный материал может оставаться деформированным без специальных приемов удержания лишь в зоне пластических деформаций, однако в этой зоне прочностные характеристики материала ухудшаются. Из этого следует, что реализацией данного технического решения практически не достигается длительное на период эксплуатации упрочнение эластичных материалов.
Задача изобретения - разработать способ постоянно действующего упрочнения изделий из полиуретановых эластомеров, являющихся элементами износостойкого оборудования, обеспечивающий повышение их прочности и износостойкости (долговечности) в условиях механических абразивных нагрузок.
Опыты, проведенные авторами данного изобретения, показали, что полотно из полиуретана упрочняется при его упругой деформации сжатием в пределах 1-3% от начального размера при условии удержания полотна в упруго сжатом состоянии. При упругой деформации полиуретанового полотна происходит изменение межатомных и межмолекулярных расстояний с созданием напряжений в объеме вещества. Искусственно созданное упругое напряжение в объеме тела создает дополнительное сопротивление полиуретанового полотна внешним изнашивающим и разрушающим нагрузкам. Благодаря этому происходит упрочнение изделий из полиуретановых эластомеров при их предварительном сжатии и сохранении тела изделия в упруго сжатом состоянии.
Технический результат упрочнения (повышения прочности и износостойкости) изделий из полиуретановых эластомеров, являющихся элементами износостойкого оборудования, достигается тем, что каждое изделие, согласно изобретению по первому варианту, подвергают, с целью создания в его теле постоянного напряжения, холодной одноосной упругой деформации сжатием в пределах 1-3% от исходного размера и сохраняют изделие в сжатом упруго деформированном состоянии на период эксплуатации путем помещения его в ячейку оборудования, препятствующего восстановлению линейных размеров тела изделия, при этом для повышения степени фиксации изделия в упруго деформированном сжатом состоянии к поверхности изделия, упруго деформированного сжатием, приклеивают или приваривают до установки его в ячейку оборудования стопорные недеформированные пластины из прочных жестких полимеров или из стали. Стопорные пластины приклеивают или приваривают вдоль оси сжатия изделия.
Деформация изделия из полиуретана сжатием и удержание тела в сжатом состоянии с целью сохранения в нем стабильного напряжения сравнительно легко осуществимо практически.
В качестве упрочняемых изделий из полиуретановых эластомеров могут быть футеровки обогатительного оборудования: барабанных мельниц, гидроциклонов.
Элементы футеровки шаровой мельницы установливают в сжатом состоянии согласно схемам фиг.1, 2, 3 в стальные ячейки лифтеров, прикрепляемых к днищу барабана. За счет повышения износостойкости футеровки достигается увеличение межремонтного периода эксплуатации мельниц.
В гидроциклонах предварительно сжатую футеровку в виде конуса вставляют в коническую часть металлического корпуса гидроциклона, которую присоединяют к цилиндрической части. Металлический корпус гидроциклона сохраняет футеровку в сжатом состоянии.
Благодаря применению упрочненной футеровки резко возрастает срок службы гидроциклона.
Технический результат упрочнения изделий из полиуретановых эластомеров, являющихся элементами износостойкого оборудования, достигается за счет того, что изделие согласно изобретению по второму варианту подвергают, с целью создания в его теле постоянного напряжения, упругой деформации в холодном состоянии сжатием в пределах 1-3% от исходного размера и удерживают изделие в сжатом упругодеформированном состоянии с помощью винтовых стержней, помещенных в тело изделия вдоль оси сжатия и снабженных зажимными гайками. Сжатие изделия и удержание его в упруго деформированном состоянии в пределах 1-3% от исходных линейных размеров осуществляется закручиванием гаек на концах винтовых стержней, выходящих за пределы тела изделия.
Эффект упрочнения изделия из полиуретанового эластомера по второму варианту может быть достигнут применительно к плитам футеровки барабанных мельниц. Упруго сжатые плиты футеровки закрепляют согласно схемам фиг.4, 5 и устанавливают на внутреннюю поверхность барабана. За счет повышения износостойкости плит увеличивается срок их службы и соответственно затраты на их текущую замену.
Другим примером упрочнения изделия из полиуретанового эластомера по второму варианту может служить полиуретановое сито, армированное стальными прутками. В данном случае прутки заменяют тонкими винтовыми стержнями с зажимными гайками. С помощью винтовых стержней и зажимных гаек осуществляют сжатие карты сита и удержание ее в упруго напряженном состоянии. За счет повышения износостойкости увеличивается период их эксплуатации.
Технический результат упрочнения изделий из полиуретановых эластомеров, являющихся элементами износостойкого оборудования, достигается также тем, что изделие согласно изобретению по третьему варианту подвергают, с целью создания в его теле постоянного напряжения, холодной одноосной упругой деформации сжатием в пределах 1-3% от исходного размера и удерживают изделие в сжатом упруго деформированном состоянии помещением его в оболочку из прочного жесткого полимера или стали, облегающую тело изделия со стороны сжатия и препятствующую восстановлению исходных линейных размеров изделия.
Приведенный способ может быть применен при изготовлении упрочненных футеровочных плит для шаровых мельниц (фиг.6, 7, 8), благодаря которым увеличивается межремонтный срок эксплуатации мельниц.
Выбор способа упрочнения полиуретановой футеровки барабанных мельниц из приведенных выше осуществляется в зависимости от конкретных конструктивных размеров футеровки.
Приведенный способ по третьему варианту также может быть применен для упрочнения пластинчатых футеровок спиралей спиральных классификаторов. Футеровки в форме сжатых в стальной оболочке тонких пластин (фиг.6, 7) прикрепляют к внешнему торцу вращающейся спирали, благодаря чему увеличивается срок службы спирального классификатора.
Таким образом предлагаемые варианты способа упрочнения изделий из полиуретановых эластомеров содержат новый элемент твердофазного низкотемпературного механического воздействия на тело изделия в виде сочетания упругой деформации, обладающей свойством обратимости с восстановлением тела до исходных размеров, с приемами удержания тела в напряженном упругом состоянии при сохранении в нем напряжения.
Эффект упрочнения достигается за счет того, что сопротивление сжатого полотна эластомера деформациям при разрушении и микродеформациям при абразивном износе выше, чем в его свободном состоянии. При упругой деформации происходит изменение межатомных и межмолекулярных расстояний с сохранением обратимости деформации и релаксации молекулярного строения. При последующей фиксации геометрических размеров деформированного тела изделия в нем сохраняется внутреннее напряжение, эквивалентное энергии обратимости деформации и релаксации внутреннего строения. Таким образом создается дополнительная потенциальная энергия полотна эластомера, усиливающая сопротивление полиуретана внешнему механическому воздействию, приводящему к деформации, износу полотна и его разрушению.
Деформация полиуретановых изделий может осуществляться любыми механическими способами: прессованием, прокаткой, штамповкой, в тисках.
При испытаниях упрочненных предлагаемыми способами полиуретановых изделий их прочность и износостойкость увеличились в 1,5-2,0 раза.
Рассмотрим приемы реализации способа упрочнения изделий из полиуретановых эластомеров на примере упрочнения элементов футеровки шаровых мельниц, проиллюстрированных фиг.1-7.
Фиг.1 Схема расположения упруго деформированных полиуретановых элементов в ячейках комбинированных метало-полиуретановых лифтеров футеровки шаровых мельниц.
Фиг.2 Схема расположения стопорных пластин, приклеиваемых или привариваемых к поверхности деформированного полиуретанового элемента лифтера.
Фиг.3 Продольный разрез А-А на фиг.2.
Фиг.4 Схема расположения винтовых стержней в деформируемом теле изделия из полиуретанового эластомера (плиты футеровки шаровой мельницы).
Фиг.5 Вид по А-А на фиг.4.
Фиг.6 Схема размещения деформированного изделия из полиуретанового эластомера (плиты футеровки шаровой мельницы) в стальной оболочке.
Фиг.7 Вид по А на фиг.7
На фиг.1 показано расположение изделия из полиуретанового эластомера (элемента футеровки шаровой мельницы) 1 в ячейке 2 футеровки между жесткими ребрами 3. В процессе реализации способа упрочнения изделия из конструкционного полиуретанового эластомера одноосно упругодеформированный в холодном состоянии элемент футеровки 1 помещается в сжатом состоянии в ячейку 2 между жесткими ребрами 3, установленными перпендикулярно оси приложения сил сжатия. Ребра ячейки 3 препятствуют восстановлению исходных линейных размеров деформированного элемента футеровки. 4 - стопорные пластины, приклеиваемые или привариваемые к поверхности элемента футеровки.
На фиг.2, 3 дана схема расположения стопорных пластин 4 из прочного жесткого полимера, приклеиваемых или привариваемых к поверхности упруго деформированного в холодном состоянии тела изделия из полиуретанового эластомера 5 вдоль оси приложения сил сжатия. Стопорные пластины приклеиваются или привариваются к поверхности сжатого тела изделия, в данном случае элемента лифтера шаровой мельницы, до снятия нагрузки, сохраняя таким образом тело изделия в упругодеформированном состоянии после снятия нагрузки.
Упруго деформированное тело с приклеенными стопорными пластинами после снятия нагрузки помещают в ячейку 2 фиг.1., что позволяет длительно сохранять упруго деформированное состояние лифтера в процессе износа его поверхности.
На фиг.4, 5 дан разрез и вид сбоку изделия из плиуретанового эластомера, в данном случае плиты футеровки шаровой мельницы, подвергаемой упрочнению. Сжатие, упругая деформация и сохранение плиты в упругодеформированном состоянии осуществляется с помощью помещаемых в тело изделия стержней с винтовой резьбой, называемых далее винтовыми стержнями 6, с зажимными гайками 8. Вращением зажимной гайки перемещают упорную металлическую пластину 7, деформируя на заданную величину тело плиты футеровки. Стопоря гайки 8, сохраняют размеры упруго деформированного изделия 9. На фиг.6, 7 показана схема размещения упруго деформированного изделия в виде плиты 10 футеровки шаровой мельницы из полиуретанового эластомера в стальной оболочке 11 непосредственно после снятия внешней нагрузки сжатия. Стальная оболочка препятствует восстановлению исходных линейных размеров изделия.