автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Интенсификация охлаждения тяжелонагруженных фрикционных узлов

/5 ? , * ¥ У - у у,- =

/ • - ^

КУБАНСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ВОЛЬЧЕНКО Николай Александрович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ

05.02.02 - Машиноведение и детали машин

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., профессор ПЕТРИК А.А.

Краснодар - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ 12

1.1. Нагруженность фрикционных узлов тормозов........................12

1.1.1. Динамическая................................................................................................12

1.1.2. Тепловая............................................................................................................18

1.2. Интенсивность теплообмена фрикционных узлов................25

1.3. Долговечность фрикционных узлов..................................................34

1.4. Экологические аспекты применения фрикционных материалов..................................................................................................................40

1.5. Задачи исследований........................................................................................45

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ОХЛАЖДЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ 47

2.1. Основы термоэлектрического охлаждения фрикционных узлов............................................................................................47

2.2. Теоретические исследования работы термобатарей............51

2.2.1. В режиме термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника..........................................................51

2.2.2. Совместно с тепловыми трубами............................................63

2.2.3. Под нагрузкой..........................................................................................70

2.3. Принципы разработки устройств и систем термоэлектрического охлаждения фрикционных узлов.. 79

2.4. Термоэлектрическое охлаждение фрикционных узлов.. 83

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ 96

3.1. Задачи экспериментальных исследований....................................96

3.2. Выбор методов измерения параметров работы

тормозов....................................................................................................................97

3.3. Конструкция и работа тормозного стенда....................................102

3.4. Измерительная аппаратура........................................................................105

3.5. Результаты экспериментальных исследований термоэлектрического охлаждения фрикционных узлов 123

3.5.1. Лабораторные............................................................................................123

3.5.2. Промышленные......................................................................................132

3. б. Долговечность фрикционных накладок тормозов................139

4. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ

УЗЛОВ....................................................................................................................................................146

4.1. Эксплуатационные параметры ленточно-колодочного тормоза с термоэлектрическим охлаждением..............................146

4.2. Тепловая равнонагруженность пар трения тормозных устройств......................................................................................................................165

4.2.1. При термоэлектрическом охлаждении..............................165

4.2.2. При охлаждении многоструйным эжектором..............172

4.3. Повышение эффективности термоэлектрического и комбинированного охлаждения фрикционных узлов.... 179

4.4. Интенсификация теплообмена фрикционных узлов принудительным охлаждением..............................................................186

4.5. Задачи дальнейших исследований......................................................195

ВЫВОДЫ......................................................................................................................................................197

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................................200

ПРИЛОЖЕНИЕ 216

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Эффективая, надежная и безопасная эксплуатация подъемно-транспортного оборудования, дорожных и строительных машин, транспортных средств и других технических систем в значительной степени зависит от уровня динамической и тепловой нагруженности их фрикционных узлов тормозных и передаточных устройств. Лимитирующим параметром во фрикционных узлах является допустимая температура фрикционных материалов накладок.

Согласно уравнению теплового баланса количество теплоты, генерируемой на поверхностях пар трения тормозов или передаточных устройств, расходуется на ее аккумулирование в объеме рабочих деталей и на рассеивание теплоты от их поверхности.

Нагревание пар трения фрикционных узлов и передаточных устройств при торможении вызвано генерированием значительного количества теплоты при взаимодействии рабочих поверхностей металлического элемента и фрикционных накладок, т.е. на границе контакта двух разнородных материалов пары трения. Количество теплоты, выделяемое на единице площади контакта в единицу времени с точки зрения теории тепломассопереноса, равно

0 = Пи • у,

где j - плотность тока, проходящего через контакт взаимодействующих пар трения; П^ - коэффициент Пельтье, зависящий от свойств материалов контак-

тирующих поверхностей фрикционного узла.

Выделение теплоты Пельтье связано с тем, что средние энергии электронов Е] и Ег в металлическом фрикционного элементе и в близлежащих к нему слоях рабочих поверхностей фрикционных накладок неодинаковы, даже если поверхности трения при торможении имеют одинаковую температуру. При переходе теплоты из металлического фрикционного элемента в тело фрикционной накладки изменяется, во-первых, потенциальная энергия электронов - е • (р,

т. к. на границе имеется скачок электростатического потенциала, поэтому фх ф ср2. Во-вторых, меняется их средняя кинетическая энергия Ек. Последняя

является результатом того, что электроны подчиняются не классической статистике Максвелла-Больцмана, а квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой Ек зависит не только от температуры, но и еще от концентрации электронов.

Теория явлений переноса энергии электронами позволяет заключить, что П]д можно представить в виде разности

Пи = П1-Пг,

где Пь П2 - коэффициенты Пельтье для металлического фрикционного элемента и материала фрикционных накладок.

В общем случае П = а-Т, где а— дифференциальная термо-э.д.с.; Т -температура одной из контактирующих поверхностей фрикционного узла тормоза.

Теплоперенос в парах трения носит дискретный характер, т. к. он осуще-

ствляется через фактическую площадь контакта - сумму площадей контактов всех микронеровностей взаимодействующих пар трения. В результате чего

и И и

имеет место дросселирование теплового потока или стягивание его линии, которое сопровождается согласно закону Фурье ростом градиента температуры по толщине металлического элемента пары трения. Этим и заканчивается аккумулирование теплоты в рабочих деталях тормоза или передаточного устройства. Значительную часть теплоты поглощает тот элемент пары трения, который имеет большее значение коэффициента теплопроводности материала, из которого он изготовлен, т. е. реализуется кондуктивный вид теплообмена.

В дальнейшем в интервале времени между торможениями происходит рассеивание теплоты от поверхностей фрикционных узлов конвективным и радиационным теплообменом. Однако в связи с тем, что скорость нагревания в процессе его работы в десятки раз превышает скорость указанных видов теплообмена (естественное охлаждение имеет весьма низкую интенсивность), уровень теплонагруженности фрикционных пар тормозов и передаточных устройств от торможения к торможению растет и на некотором этапе характеризуется температурой, превышающей допустимую для применяемых материалов фрикционных накладок. Это обусловливает уменьшение удельных нагрузок, коэффициентов трения, тормозных моментов и работы трения, что опасно снижает эффективность и надежность тормозов и передаточных устройств в целом. Кроме того, указанный уровень теплонагруженности сопровождается увеличением тепловых деформаций металлического фрикционного элемента и интенсивности изнашивания фрикционных накладок.

Одним из путей повышения энергоемкости тормозного устройства является управление тепловыми потоками, а следовательно, количеством теплоты, генерируемой на поверхности трения тормозного узла непосредственно в процессе торможения, и увеличение интенсивности ее рассеивания от поверхностей его деталей в окружающую среду.

Цель исследования. Улучшение эксплуатационных параметров тормозных устройств путем управления уровнем теплонагруженности их фрикционных пар с использованием высокоэффективного охлаждения. Указанная цель реализуется термоэлектрическим охлаждением пар трения тормозных устройств.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо:

- провести теоретические исследования работы термобатарей в режиме термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника для выравнивания поверхностных температур пар трения фрикционных узлов;

- разработать конструкции устройств и систем для термоэлектрического и комбинированного (термоэлектрического с тепловой трубкой) принудительного охлаждения пар трения фрикционных узлов и наметить пути повышения их эффективности;

- провести экспериментальные исследования термоэлектрического и комбинированного принудительного охлаждения пар трения ленточно-коло-дочного тормоза в лабораторных и промышленных условиях;

- установить закономерности изменения эксплуатационных параметров (удельных нагрузок, коэффициентов трения, тормозных моментов и работы

трения) ленточно-колодочных тормозов буровых лебедок при естественном и принудительном охлаждении их фрикционных узлов;

- оценить долговечность фрикционных накладок тормоза при его термоэлектрическом и комбинированном охлаждении в лабораторных и промышленных условиях;

- предложить конструкции устройств и систем с нетрадиционными видами высокоэффективного принудительного охлаждения фрикционных узлов тормозов (акустического, магнитного, магнитоэлектрического, а также базирующегося на эффектах тепловой трубки и многоструйного эжектора).

Методы исследования. Исследования проводились с помощью численных методов с привлечением общеизвестных методик экспериментальных исследований, при этом использовались основные положения теории: термоэлектрического эффекта применительно к фрикционным узлам тормозов; конструирования и расчета ленточно-колодочных тормозов буровых лебедок и теории принятия оптимальных решений при конструировании устройств и систем высокоэффективного охлаждения фрикционных узлов тормозов.

Научная новизна. Реализованы способы неравномерного охлаждения для управления теплонагруженностью фрикционных узлов тормозов за счет работы термобатарей в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохоло-дильника.

Предложены конструкции устройств и систем, работающие на термоэлектрическом эффекте охлаждения фрикционных узлов тормозов, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Разработана методика оценки эффективности термоэлектрического охлаждения фрикционных узлов тормозов, позволяющая определять уровень теп-лонагруженности пар трения в любой момент времени. Установлены закономерности изменения эксплуатационных параметров ленточно-колодочных тормозов буровых лебедок при естественном и принудительном охлаждении их фрикционных узлов.

Предложены конструкции устройств и систем с нетрадиционными видами высокоэффективного охлаждения фрикционных узлов тормозов, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Практическая ценность работы. Созданы и разработаны конструкции устройств и систем, работающие на нетрадиционных видах охлаждения фрикционных узлов ленточно-, дисково- и барабанно-колодочных тормозов, которые позволяют не только снижать, но выравнивать и поддерживать их поверхностные температуры в интервале, ниже допустимых для применяемых материалов фрикционных накладок. Это обеспечивает улучшение эксплуатационных параметров тормозных устройств.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы:

- при модернизации ленточно-колодочных тормозов с комбинированным охлаждением в ассоциации "Карпатнефтемаш" (г. Калуш Ивано-Франков-ской обл., Украина);

- при усовершенствовании барабанно-колодочных тормозов автобусов семейства ЛАЗ (ассоциация "Автобус", г. Львов, Украина) и большегрузных ав-

томобилей семейства КрАЗ (г. Кременчуг Полтавской обл., Украина).

На защиту выносятся;

- определение основных геометрических параметров ветвей термобатарей при термоэлектрическом охлаждении тормозов;

- методика расчета эффективности термоэлектрического и комбинированного (термоэлектрического с тепловой трубкой) охлаждения фрикционных узлов тормозов;

- закономерности изменения эксплуатационных параметров ленточно-колодочных тормозов буровых лебедок при естественном и принудительном охлаждении их пар трения;

- различные способы выравнивания теплонагруженности пар трения фрикционных узлов тормозов;

- конструкции устройств и систем, работающие на нетрадиционных видах охлаждения фрикционных узлов тормозов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: российском научно-техническом семинаре "Современный опыт проектирования, испытания, производства и эксплуатации тормозных устройств подъемно-транспортных машин" (г.Москва, 1992 г.);VI Международном симпозиуме "Влияние вибраций на окружающую среду" (г. Краков, Польша, 1992 г.); Международной конференции "Прочность и надежность конструкций нефтегазового оборудования" (г. Ивано-Франковск, Украина, 1994 г.); II и III Международном симпозиуме по трибологии фрикционных материалов (г.Ярославль, 1994 и 1997 гг.); Международной научно-исследовательской конферен-

ции "Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении" (г. Луганск, Украина, 1996 г.); Международной конференции "Неразъемные соединения в сборке изделий" (г. Варшава, Польша, 1996 г.); XVI Международной научной автомобильной конференции (г. Белград, Югославия, 1997 г.); Международной конференции "Мотоавто' 97" (г. Русе, Болгария, 1997 г.); на расширенном заседании кафедры технической механики Кубанского государственного технологического университета (г. Краснодар, 1998 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 31 печатной работе, из которых 9 статей и материалов конференций, 3 авторских свидетельства и 4 патента России на изобретения, остальное - положительные решения на выдачу патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованной литературы, содержащего 132 наименования, приложения и изложена на 160 страницах машинописного текста, включая 41 рисунок и 20 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Нагруженность фрикционных узлов тормозов 1.1.1. Динамическая

Известно, что оценку триботехнических параметров фрикционных узлов тормозных устройств проводят с учетом динамического и, как следствие, теплового нагружения их пар трения. Значения триботехнических параметров зависят от стохастической природы физических процессов, протекающих на поверхностях трения фрикционных узлов, а также от большого числа нестабильных взаимосвязанных параметров. Так, закономерности изменения удельных нагрузок определяют: характер взаимодействия пар трения тормозов; их деформации, порождающие колебания деталей; развиваемый тормозной момент; реализуемый постоянный или переменный коэффициент трения /13/ и, как следствие, закономерности и интенсивность изнашивания пар трения. Поэтому при работе пар трения тормозных устройств в реальных условиях их эксплуатации вести речь о стабилизации их динамической нагруженности не имеет смысла, т.к. лю-бои тормозной механизм является стохастической системой. В связи с вышеизложенным остановимся на анализе динамической нагруженности фрикционных узлов тормозов.

Расчету жесткости конструкции ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки с учетом упругих свойств его рабочих деталей посвящена работа /119/. Взаимодействующим фрикционным узлам тормоза при торможении сообщается

значительная кинетическая энергия, способствующая возникновению дополнительных нагрузок в них и, как следствие, упругих колебаний деталей, изменению тормозного момента и повышению износа фрикционных пар. Приведена аналитическая зависимость для определения тормозного момента, развиваемого тормозом, при следующих допущениях: сила трения по длине тормозной ленты распределена по закону Эйлера, величины коэффициентов трения во фрикционных узлах являются постоянными. Последнее не соответствует действительности, что существенно влияет на точность получаемых результатов.

Влияние эксплуатационных параметров (усилия на тормозной рукоятке и работы трения при торможении на коэффициент трения) на модельном ленточ-но-колодочном тормозе в стендовых условиях освещено в работе /48/. При обработке полученных экспериментальных данных использов