автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение эффективности работы и износостойкости тормозных устройств путем применения биметаллических материалов

На правах рукописи

ТОМСКИЙ КИРИЛЛ ОЛЕГОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах (техн. науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з о пай т

Москва-2013

005060388

Работа выполнена на кафедре трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина»

Научный руководитель: Елагина Оксана Юрьевна

доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой трибологии и технологий ремонта Н/Г

оборудования ФГБОУ ВПО

РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина.

Официальные оппоненты: Буяиовскин Илья Александрович

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией методов смазки машин ФГБУН ИМ имени A.A. Благонравова РАН

Волков Николай Викторович

кандидат технических наук, доцент кафедры физических проблем материаловедения ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Ведущая организация: Государственный научный центр РФ -

Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение «Центральный научно-нсследовательский институт технологии машиностроения» ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Защита диссертации состоится 28 мая 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.200.07 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина по адресу: 119991, ГСП - 1, Москва, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина.

Автореферат разослан ««=У» ¿^nf-z/ij 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Гинзбург Э.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Тормозные устройства являются высокоответственными узлами в любом механизме, и от надежности их работы напрямую зависит безопасность эксплуатации механизма в целом. Они широко применятся в машинах и оборудовании различных отраслей промышленности, включая нефтяную и газовую отрасли. Основным фактором, определяющим эффективность и долговечность тормозного устройства, является сила трения, возникающая между колодкой и диском, и представляющая собой источник интенсивного теплообразования. Процесс торможения характеризуется активным преимущественным разогревом контактной поверхности металлического контртела. Температура поверхности тормозного диска за короткий интервал времени от 10 до 300 секунд может достигать 700 С и выше. Интенсивный разогрев приводит к снижению прочностных свойств металла поверхностного слоя диска и фрикционного материала, изменяет коэффициент трения, интенсифицирует процесс изнашивания контактирующих элементов.

Вопросами тепловых процессов, возникающих при трении, занимались такие известные отечественные и зарубежные ученые как A.B. Чичинадзе, И.А. Буяновский, Э.Д. Браун, Н.М. Михин, В.А. Балакин, А.Г. Гинзбург, М.Н. Добычин, Б.В. Протасов, В.М. Александров, Ю.Н. Дроздов, З.В. Игнатьева, М.В. Коровчинский, И.Г. Горячева, Н.Б. Демкин, Я.С. Подстригач, Д.В. Грилицкий, М.И. Петроковерц и другие. Значительный вклад в развитие вопросов повышения износостойкости деталей машин внесли И.В. Кра-гельский, Б.И. Костецкий, Г.М Сорокин, В.Н. Виноградов,. Ими были разработаны и опробованы целый ряд методик по расчету тепловых и эксплуатационных характеристик узлов трения и, в частности тормозных устройств. На основе этих исследований в настоящее время разработано и широко применяется целый ряд технических и конструктивных решений для тормозных устройств, позволяющих снизить температуру в зоне трения.

Увеличение удельных нагрузок и скоростей относительного перемещения в машинах и механизмах, приводит к интенсификации процессов тепловыделения в тормозных устройствах. Специфика нефтегазовой отрасли, характеризующейся присутствием абразивных частиц, дополнительно усложняет эту задачу за счет ограничения возможности применения ряда материалов и конструкций. Существующие методы, позволяющие увеличить теплоотвод из зоны трения отличаются значительным усложнением конструкции и применением дорогостоящих материалов. Таким образов разработка новых подходов в конструировании тормозных устройств, обеспечивающих наряду с усилением теплоотво-да, повышенную стойкость к изнашиванию и простоту конструктивного исполнения является актуальной задачей.

Объектом исследований в настоящей работе являются колодочные тормозные устройства машин и технологического оборудования, работающие в условиях циклического нагружения.

Целью диссертационной работы являлось повышение теплоотдачи и износостойкости тормозного устройства и разработка методики определения рациональных геометрических параметров входящих в него элементов, способствующих снижению температуры разогрева контактных поверхностей при торможении.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования по определению величины составляющих энергетического баланса при торможении в зависимости от параметров и материалов тормозного устройства и разработать расчетный способ их определения.

2. Разработать методику и выполнить экспериментальные исследования по определению температуры нагрева зоны контакта тормозных дисков разной конструкции при трении для оценки эффективности теплоотвода.

3. Выполнить экспериментальные исследования по определению зависимости коэффициента трения тормозных устройств от температуры нагрева.

4. Разработать новый подход к конструкции тормозного диска, обеспечивающий повышение эффективности теплоотвода в зоне контакта при торможении и провести его экспериментальную апробацию.

Научная новизна работы

1. Выявлены параметры, определяющие соотношение тепловой и механической составляющей энергетического баланса при трении без смазочного материала и разработана расчетная модель изнашивания фрикционной колодки. Показано, что увеличение износа фрикционной накладки в зависимости от удельной нагрузка характеризуется квадратичной зависимостью, а от скорости торможения линейной с коэффициентом пропорциональности, равным единице. Также показано, что увеличение площади фрикционной накладки способствует квадратичному увеличению срока ее наработки на отказ, а увеличение длины фрикционной накладки и уменьшение шероховатости тормозного диска пропорционально увеличивает время ее работы,

2. Предложен новый подход к снижению температуры нагрева поверхности тормозного диска при сохранении его износостойкости, основанный на применении теплоот-водящей вставки из металла с высокими показателями теплопроводности. Показано, что эффект от применения биметаллических поверхностей зависит от соотношения толщины поверхностного слоя и теплоотводящей вставки и может снизить температуру разогрева тормозного диска от 36 до 50%.

3. Экспериментально показана возможность стабилизации коэффициента трения при использовании биметаллических поверхностей. Снижение температуры разогрева контактной биметаллической поверхности способствует сужению диапазона разброса

значений коэффициента трения в 1,5 раза и более по сравнению с монолитной стальной поверхностью.

Практическая значимость проведенных исследований определяется возможностью увеличения срока эксплуатации и эффективности работы тормозных устройств.

1. Разработана конструкция биметаллического тормозного диска, обеспечивающая снижение температуры разогрева контактной поверхности и стабилизацию коэффициента трения.

2. Определены геометрические соотношения стальной и медной составляющих биметаллической поверхности, обеспечивающие наибольшую эффективность теплоотвода из зоны трения.

3. Найдены рациональные геометрические соотношения длины и ширины фрикционной накладки, обеспечивающие снижение ее износа в 1,6 - 1,8 раза.

4. Разработаны расчетные методики для оценки распределения энергии трения по составляющим энергетического баланса, определения времени наработки до отказа фрикционной накладки и расчета тепловых полей в биметаллическом поверхностном слое, позволяющие моделировать процессы, протекающие в дисковых тормозных устройствах при различных режимах их работы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального анализа процессов трения и изнашивания в дисковом тормозном устройстве;

2. Инженерная методика прогнозирования распределения энергии трения по составляющим энергетического баланса и оценки времени наработки до отказа фрикционной накладки;

3. Методическое обоснование нового подхода для снижения температуры нагрева тормозного диска за счет использования биметаллического поверхностного слоя.

4. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность предложенных конструктивных решений.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования, использованием современных математических методов моделирования физических процессов при трении и изнашивании, статистической обработкой результатов измерений, полученных в ходе выполнения настоящей работы и их сопоставления с литературными данными, практической реализацией разработанных научных и технических решений.

Аипобаиия работы

Результаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях: 62-й студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2008» (Москва, 2008), 63-й студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2009» (Москва, 2009), III Московской межвузовской научно-практической конференции «Студенческая наука» (Москва, 2009),

8-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2010), 12-й международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, 2010), Девятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2011), 9-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 4 опубликованы в рекомендованных ВАК РФ журналах, 1 патент на полезную модель.

Обьем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 152 стр., включая 19 табл., 44 рис. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 47 наименований.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научное руководство и помощь на всех этапах от постановки задачи до выполнения работы научному руководителю профессору, д.т.н. О.Ю. Елагиной.

Особая благодарность к.т.н., доценту, Гантамирову Б.М., а также коллективу кафедры трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования ФГБОУ РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина: проф. Пичугину В.Ф., доц. Бурякину A.B., доц. Гусеву В.М., инж. Слободянникову Б.А., инж. Канунникову H.H., инж. Буклакову А.Г. за неоценимую помощь в ходе подготовки диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований, определены цели и задачи работы, рассмотрены научная новизна и практическая ценность исследований и формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. АНАЛИЗ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТОРМОЗНЫХУСГГОЙСГВ

В этой главе обобщены литературные и патентные сведения по изучаемой проблеме.

В первом параграфе рассмотрены эксплуатационные характеристики и виды конструкций тормозных устройств. Показано, что основной характеристикой тормозных уст-

ройств является преобразование кинетической энергии движения в тепловую энергию; показано, что параметром, лимитирующим эксплуатационные характеристики тормозных устройств является температура разогрева контактных поверхностей, вызывающая изменение коэффициента трения и эффективности торможения.

Во втором параграфе проведен анализ материалов, используемых при конструировании тормозных устройств. Показано, что широко используемые материалы имеют существенные ограничения по температуре эксплуатации. В частности, чугун, один из наиболее широко используемых материалов при изготовлении тормозных дисков, имеет температурный предел эксплуатации 400 - 600 °С. Температурный предел эксплуатации наиболее распространенных и относительно недорогих углеродистых сталей также составляет около 300 - 400 °С. Повышение температуры эксплуатации за счет увеличения степени легирования не всегда является экономически выгодным. Остальные же материалы, способные работать при повышенных температурах, в настоящее время не нашли широкого применения в связи с их высокой стоимостью.

В третьем параграфе рассмотрен энергетический баланс при трении. Энергия выделяющаяся при трении преимущественно трансформируется в тепловую и механическую составляющие. Анализ литературных данных показывает, что в общем случае наибольшая часть работы внешнего трения превращается в теплоту, меньшая идет на изменение внутренней энергии поверхностных слоев металла. При использовании высокопрочных материалов и отсутствии заметных остаточных деформаций поверхностных слоев практически вся работа внешнего трения трансформируется в теплоту. Это определяет ведущее значение процессов тепловыделения и теплораспределения при работе тормозных устройств. В то же время на основе представленных исследований нельзя сделать окончательного вывода о влиянии на процесс преобразования кинетической энергии при трении характеристик материала контактных поверхностей, нормального давления, скорости относительного перемещения и пути трения.

Глава г ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ БЕЗ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Данная глава посвящена исследованию распределения энергетического баланса при трении без смазочного материала. Проведены экспериментальные исследования по оценке влияния параметров трения на распределение энергии по тепловой и механической составляющим энергетического баланса; разработана методика расчета рациональных параметров тормозного устройства на основе сокращения величины энергии, идущей на деформацию фрикционной накладки тормозного устройства при торможении; проведена экспериментальная проверка полученных закономерностей.

Первый параграф этой главы посвящен методике проведения экспериментальных исследований энергетического баланса при трении контактных поверхностей в условиях трения скольжения без смазки. Для экспериментальной оценки долевого распределе-

7

ния энергии, выделяющейся в процессе трения скольжения без смазки, была использована опытная установка для возвратно - поступательного трения по высокотвердому фрикционному материалу, имитирующая основные особенности процесса торможения. Конструкция установки позволила аккумулировать и замерить величину энергии трения, выделяющуюся в виде теплоты в металлическом контртеле. Для имитации условий нагружения контактной поверхности тормозного диска в неподвижном штоке установки закреплялся образец цилиндрической формы с диаметром контактной поверхности 10 мм, который прижимался к поверхности монолитного абразива под фиксированной нагрузкой. Для оценки влияния механических свойств материалов контактирующих поверхностей на распределение энергии, выделяющейся при трении, образцы имели соотношение по твердости в диапазоне от 5 до 15 единиц. Методика проведения испытаний включала в себя 2 этапа. На первом этапе проводилось определение общей мощности трения. На втором этапе определялась доля тепловой составляющей энергетического баланса.

Измерение мощности, потребляемой на преодоление трения, осуществлялось при четырех значениях контактных нагрузок. По общей мощности, затраченной установкой на трение образца под фиксированной нагрузкой определялась общая энергия процесса трения, а также рассчитывался коэффициент трения.

Второй этап исследований заключался в определении доли тепловой составляющей энергетического баланса. Общее количество теплоты, выделившееся в процессе трения, определялось методом калориметрирования испытываемого образца. Для замера выделившейся в процессе трения тепловой энергии, образец после остановки установки сразу помещался в водяной калориметр. На основе полученных данных по приросту температуры воды в калориметре, определялись значения тепловой энергии, накопленной образцом за время одного цикла испытаний. Из разницы полученных значений общей мощности трения и тепловой энергии рассчитывалась величина механической составляющей энергетического баланса и определялось их долевое соотношение в энергетическом балансе.

В результате реализации предложенной методики были найдены соотношения тепловой и механической составляющих в энергетическом балансе при разных условиях испытаний.

Во втором параграфе был проведен анализ результатов экспериментальных исследований энергетического баланса при трении контактных поверхностей в условиях трения без смазочного материала, определены энергетические затраты на механическое разрушение образца и найдено долевое соотношение механической и тепловой составляющих энергетического баланса при трении без смазочного материала (рисунок 1).

о -I---------

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Удельная нагрузка. Н/мм2

I —»— 110Г13Л -И-Ув|

Рисунок 1 - Зависимость тепловой составляющей энергии трения от удельной нагрузки для сталей с разными значениями прочностных свойств

Как видно из представленных данных параметрами, определяющими соотношение тепловой и механической составляющих в энергетическом балансе в условиях сухого трения, являются удельная нагрузка на контакте и механические свойства контактирующих поверхностей. С увеличением удельной нагрузки наблюдается рост доли механической составляющей с соответствующим снижением доли выделяющейся теплоты. Использование для контактирующих поверхностей тормозных устройств материалов с меньшей разницей в прочностных свойствах может существенно снизить долю механической составляющей в энергетическом балансе при трении, уменьшая за счет этого износ менее прочного контртела.

Третий параграф посвящен расчетному определению энергетического баланса в зависимости от параметров трения. Энергетический баланс процесса трения тормозного устройства в единицу времени можно представить следующим образом:

К = = + (1)

W - общая мощность трения, Дж/с, Ш = /тр'И у;

- механическая составляющая, Дж/с; \¥тепл - тепловая составляющая, Дж/с; /тр - коэффициент трения; N - нагрузка на контакте, Н; V - относительная скорость перемещения, м/с.

В данной главе, опираясь на теорию удельной энергии изменения формы и учитывая нормальные и тангенциальные напряжения, возникающие в поверхностном слое при трении была выведена формула для определения механической составляющей энергии трения:

Гмех^уд-Гед^уд-В-'р-Ь-^р (2)

где:

\Ууд - доля энергии трения, затраченная на деформацию металла в единице объема поверхностного слоя металла;

Уед - единичный объем деформируемого металла в единицу времени, м3/с;

В - ширина зоны контакта, м;

V — скорость скольжения, м/с;

А - величина деформации в направлении, перпендикулярном поверхности нагру-жения, м;

1Р - относительная площадь контакта.

С помощью данной методики был произведен расчет доли тепловой составляющей энергетического баланса для всего диапазона изменения нагрузок, использованных при проведении эксперимента. Анализ данных показывает, что средняя погрешность расчетных данных к экспериментальным не превышает 10 %, что позволяет использовать данную методику расчета для определения долевого соотношения составляющих энергетического баланса в условиях внешнего трения, а также для определения влияния параметров трения тормозных устройств на характеристики энергетического баланса при торможении.

Четвертый параграф посвящен определению рациональных параметров тормозного устройства. Использование предложенной методики расчета применительно к контактным поверхностям тормозных устройств позволяет оценить влияние основных конструктивных элементов на распределение энергии торможения по составляющим энергетического баланса. При этом следует учитывать, что механическая составляющая энергетического баланса будет преимущественно поглощаться материалом фрикционной накладки. В то же время тепловая составляющая будет распределяться в объеме тормозного диска вследствие значительной разницы в характеристиках теплопроводности металла и фрикционной колодки.

Если преобразовать зависимость для определения механической составляющей энергетического баланса с учетом особенностей внедрения тормозного диска в фрикционную накладку и физико-механических свойств фрикционной накладки, то механическая составляющая энергетического баланса примет следующий вид:

2

_л ДоЛГ

(V =0,610 4----(3)

мех 4 '

Р-Н

где,

Я — радиус микронеровности поверхности тормозного диска, м; V - скорость скольжения, м/с;

N - нормально направленная прижимная нагрузка, Н;

Б - площадь фрикционной накладки, м3;

Н - длина фрикционной накладки.

Как видно из полученной зависимости на величину механической составляющей энергетического баланса оказывают влияние силовые и геометрические факторы. Рассчитав энергетическую интенсивность изнашивания и зная механическую составляющую энергии трения, можно рассчитать объемную интенсивность изнашивания, что в свою очередь позволяет рассчитать ориентировочное время наработки до отказа фрикционной накладки тормозного устройства.

И - площадь фрикционной накладки, м2;

Б - высота фрикционной накладки, м;

Я - радиус микронеровности поверхности тормозного диска, м;

Н - длина фрикционной накладки;

1Ш - энергетическая интенсивность изнашивания;

N - нормально направленная прижимная нагрузка, Н;

V - скорость скольжения, м/с.

Как видно из полученной зависимости основными геометрическими факторами, влияющими на время наработки до отказа фрикционной накладки являются - радиус шероховатостей тормозного диска, площадь фрикционной накладки и ее длина. Их вклад в увеличение срока наработки на отказ фрикционной накладки можно оценить по величине безразмерного коэффициента и, характеризующего изменение каждого из перечисленных выше геометрических параметров:

Р2 Б Н

I =

0,610 4•/„, - Д-у-ЛГ

.2

(4)

п(1)% =

2

2,20

g. 2,00 ф

S 1,80

то

а

™ 1,60 I £

с

® — 1,20 T IL '

0,00 -I->-T-,-,-

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

увеличение срока наработки до отказа фрикционной накладки n(t)

—площадь контакта

фрикционной накладки (Р)

—■—длина фрикционной накладки (Н)

— шероховатость

поверхности тормозного диска (И)

Рисунок 2 - Изменение геометрических параметров тормозного устройства, обеспечивающих заданное увеличение срока наработки до отказа

На основе разработанной модели изнашивания фрикционной колодки тормозного устройства можно отметить, что увеличение срока ее наработки до отказа зависит от площади контакта фрикционной накладки с поверхностью тормозного диска, ее длины и шероховатости поверхности тормозного диска. Увеличение площади фрикционной накладки способствует квадратичному увеличению срока наработки до отказа, а увеличение длины фрикционной накладки и уменьшение шероховатости тормозного диска пропорционально увеличивает время ее работы.

Пятый параграф носвящен экспериментальным исследованиям влияния геометрических параметров фрикционной накладки на ее износостойкость. Для исследования были выбраны образцы, изготовленные из фрикционного материала, применяемого для стандартной тормозной колодки автомобиля ВАЗ, с различным соотношением ширины (В) и длины (Н) рабочей части с сохранением площади на одинаковом уровне. В качестве ответной детали использовалась стальная пластина. Испытания проводились на машине для возвратно поступательного трения. Образец закреплялся в штоке установки и прижимался к металлической поверхности под фиксированной нагрузкой. Время испытаний составляло 300 секунд. Замерялся вес образца до и после испытаний. Экспериментальные данные показали, что увеличение длины образца (Н) за счет уменьшения его ширины (В) в диапазоне отношения В/Н с 2,0 до 0,5 единиц приводит к постепенному снижению весового износа, что эквивалентно пропорциональному снижению величины механической составляющей энергетического баланса (рисунок 3).

0,0045 0,004

>х

о ш о

<и ей

- 0,0035

£ 0,003 х

5 0,0025

о 0,002

8 0,0015

*

д

0,001 0,0005 0

0

0,5

1

1,5

2

Отношение ширины к длине образца

♦ В/Н=0,5 ■ В/Н-0,72 а В/Н=1,39 О В/Н=2,0 —I—Среднее

Рисунок 3 - Средняя величина износа в зависимости от отношения ширины образца

Глава 3. РАЗРАБОТКА ПОДХОДА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ БЕЗ СМАЗКИ

Данная глава посвящена экспериментальному исследованию температуры нагрева и коэффициента трения в тормозных устройствах. В проведенных расчетных и экспериментальных исследованиях изучался подход, основанный на повышении теплопроводности тормозного диска за счет применения биметаллических материалов, что позволило снизить разогрев поверхностного слоя при сохранении на требуемом уровне коэффициента трения и эксплуатационных характеристик поверхности трения (давления на контакте и скорости относительного перемещения).

В первом параграфе главы для оценки эффективности предложенного подхода была разработана методика расчета распределения температур в биметаллическом поверхностном слое. Одной из основных особенностей тормозных устройств является значительная разница в теплофизических свойствах между контактирующими поверхностями. В результате, тепловой поток, формирующийся в зоне контакта «фрикционная колодка — контртело», поглощается преимущественно объемом металлической детали и направлен вглубь детали.

При расчете процессов распределения теплоты в объеме детали ее схематично можно рассматривать как полубесконечное тело с одной ограничивающей плоскостью, соответствующей поверхности контакта. При равномерном распределении нагрузки по поверхности контакта мощность теплового потока принята одинаковой на всей поверхности трения. Тепловое поле от такого равномерно распределенного источника нагрева представляет собой набор изотерм, параллельных поверхности контакта, температура которых снижается по мере удаления от поверхности вглубь детали.

к его длине

Процесс передачи тепловой энергии в биметаллической поверхности несколько меняет распределение тепловых полей при трении. В этом случае процесс теплопередачи был разбит на ряд этапов. Из-за разницы в теплофизических свойствах стальной пластины и теплоотводящей вставки на границе их контакта температурное поле изменяется скачкообразно. В результате температура нагрева двух контактирующих поверхностей различна, что обеспечивает формирование дополнительного теплового потока, направленного вглубь детали. Этот дополнительный тепловой поток можно представить, как фиктивный плоский источник теплоты, действующий в зазоре между стальной пластиной и теплоотводящей вставкой и обеспечивающий выравнивание температур между контактирующими поверхностями стальной пластины и теплоотводящей вставки.

С учетом предложенной методики был проведен сопоставительный расчет изменения температур по сечению монолитного и биметаллического материалов. Расчетный анализ температурных полей, возникающих в поверхностном слое тормозного диска, показал, что применение биметаллической конструкции позволит снизить температуру разогрева контактной поверхности на 40-45% от уровня нагрева для монолитного диска, а скорость прироста температуры - на 30-40 %.

Во втором параграфе описана методика проведения экспериментальных исследований по определению температуры нагрева поверхностного слоя и измерения коэффициента трения. Целью экспериментальных исследований было определения температуры разогрева поверхностей разной конструкции, работающих в условиях трения без смазочного материала, и изучение влияния этого параметра на изменение значения коэффициента трения. Для достижения поставленной цели была разработана экспериментальная установка, которая моделирует условия работы дискового тормозного устройства. Ее схема представлена на рисунке 4.

N

На вращающийся металлический диск (монолитный стальной и биметаллический) диаметром 260 мм под нормально направленной нагрузкой прижимается образец, выполненный из фрикционного материала и имитирующий работу тормозной колодки. Частота

вращения металлического диска составляла 1500 об/мин, а линейная скорость перемещения образца 15 м/с. Удельная нагрузка на образец составляла 0,55 МПа. На глубине 0,5 мм от поверхности стальной пластины по оси движения образца была закреплена хромель-алюмелевая термопара. Замер силы трения осуществляется с помощью тензометрических датчиков. Время одного цикла испытаний составляло 300 с. Экспериментальные данные регистрируются с помощью двухканального осциллографа.

Схематичное представление конструкции экспериментального металлического образца представлено на рисунке 5.

Поверхность трения (стальная пластина)

Болты для скрепления пластин со стальной основой

Стальная основа

Рисунок 5 - Экспериментальный диск с биметаллическим поверхностным слоем

Теплоотводящая вставка (медная пластина)

Испытания проходили в два этапа. На первом этапе рост температуры нагрева и изменение коэффициента трения оценивались при непрерывном нагружении образца, а на втором исследовалась роль предварительной температуры нагрева металлического диска.

Перед и после проведения каждого цикла испытаний образец взвешивался на электронных лабораторных весах. По результатам записи экспериментальных данных строились графики изменения температуры нагрева металлического диска и коэффициента трения в зависимости от времени испытаний.

Третий параграф посвящен анализу данных, полученных в результате экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились при шести разных соотношениях толщин теплоотводящих вставок и стальной поверхности: монолитный стальной (контрольный) образец; стальная пластина 1 мм + 1 мм теплоотводящая медная вставка; стальная пластина 1 мм + 2 мм теплоотводящая вставка; стальная пластина 1 мм + 3 мм теплоотводящая вставка; стальная пластина 2 мм + 1 мм теплоотводящая вставка; стальная пластина 2 мм + 3 мм теплоотводящая вставка.

На рисунке 6 представлены графики изменения температуры нагрева для разных типов металлического диска в зависимости от времени испытаний.

1 - сталь; 2 - сталь 2 мм + медь 1 мм; 3 - сталь 2 мм + медь 3 мм; 4 - сталь I мм +

медь 1 мм; 5 - сталь 1 мм + медь 2 мм; 6 - сталь 1 мм + медь 3 мм Рисунок 6 - Графики изменения температуры нагрева поверхностного слоя дисков различных конструкций в зависимости от времени трения

Как видно из рисунка в процессе торможения максимальная температура стального металлического диска за 300 секунд достигает примерно 220 °С. Использование медной вставки толщиной 1 мм, расположенной под стальной пластиной толщиной 2 мм показывает уменьшение максимальной температуры нагрева тормозного диска до 200 °С по сравнению со случаем монолитной стальной. Сокращение толщины стальной пластины до

1 мм обеспечивает существенное снижение температуры нагрева металлического диска. За один цикл испытаний максимальная температура нагрева достигает 140 °С, что на 36 % меньше, чем при стальном диске без медной вставки. Использование медной вставки толщиной 2 мм при толщине медной пластины 1 мм приводит к дополнительному снижению максимальной температуры нагрева поверхности диска, которая за 300 секунд достигает 110 °С. Это значение на 30 °С меньше случая с медной вставкой толщиной в 1 мм, и на 110 °С меньше случая монолитного стального тормозного диска. Увеличение толщины медной вставки до 3 мм приводит к незначительному снижению температуры нагрева и практически не отличается от случая, когда толщина медной вставки составляла 2 мм

Таким образом, добавление в конструкцию тормозного диска слоя меди толщиной

2 мм позволяет снизить температуру нагрева до 50% по сравнению с монолитным стальным тормозным диском.

Для сравнения эффективности применения биметаллических поверхностей по сравнению с используемыми в автотранспорте вентилируемыми тормозными дисками был проведен замер температур в поверхностном слое литого чугунного тормозного диска автомобиля ВАЗ 2110, производитель ОАО «АвтоВАЗ». Результаты замеров, представленные на рисунке 7, показывают, что максимальная температура нагрева за 300 секунд coló

ставила 260 °С, что на 40 °С выше, чем у монолитного стального диска и на 120 С и 150 °С больше биметаллических дисков с разной толщиной медной вставки.

Вентилируемый тормозной диск

Рисунок 7 - Изменение температуры нагрева и коэффициента трения в зависимости от времени для вентилируемого тормозного диска

Таким образом, отток теплоты в биметаллическую поверхность тормозного диска значительно выше, чем в вентилируемый чугунный и монолитный стальной, что подтверждает целесообразность разработки выбранного подхода.

Анализ данных об изменении коэффициента трения в процессе трения показывает существенный рост этого показателя по мере увеличения температуры разогрева контактной поверхности металлического диска. Использование теплоотводящих вставок способствует стабилизации коэффициента трения, рост которого за один цикл испытаний без медной ставки составляет 117%, в то время как с медной ставкой всего 60%, что практически в 2 раза меньше (рисунок 8).

1 - сталь; 2 - сталь 2 мм + медь 1 мм; 3 - сталь 2 мм + медь 3 мм; 4 - сталь 1 мм +

медь 1 мм; 5 — сталь 1 мм + медь 2 мм; 6 - сталь 1 мм + медь 3 мм. Рисунок 8 - Графики изменения коэффициента трения различных тормозных дисков в зависимости от времени торможения

Кроме того, следует отметить, что при использовании монолитной стальной поверхности разброса значений коэффициента трения достигает до ±0,2, в то время как на биметаллической - в том же интервале температур уменьшается до ±0,1- 0,15 единиц.

Экспериментальные исследования многоциклового нагружения поверхности тормозного диска проводились в следующем режиме «газ — тормоз» с интервалом торможения 180 секунд. Общая продолжительность единичного цикла испытаний составила 810 секунд. Результаты замера температуры и коэффициента трения представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 - График изменения температуры и коэффициента трения в зависимости от времени при циклическом нагружении для разных конструкций тормозного диска

Как видно из полученных данных при проведении циклического нагружения в случае монолитного стального тормозного диска можно наблюдать резкое повышение температуры за первый цикл торможения до 190 °С. Последующие этапы нагрева характеризуются примерно одинаковой температурой нагрева с плавным повышением до

220 °С. Добавление слоя меди толщиной 1 мм при толщине стальной пластины в 1 мм позволяет значительно снизить температуру нагрева при первых трех минутах торможения со 190 °С до 140 °С (на 26 %). При последующих этапах нагрева эффект от наличия медной пластины постепенно снижается. Увеличение толщины медной вставки до 2 мм позволяет снизить температуру нагрева в первый период до 120 °С. Последующие периоды также дают больший теплоотводящий эффект по сравнению с тем случаем, когда толщина меди составляла 1 мм. И в том и другом случае наблюдается снижение влияния медной вставки по мере увеличения продолжительности торможения. Наибольший эффект наблюдается в начальных этапах. Чугунный вентилируемый диск дает наибольший нагрев при многоцикловом торможении. В результате четырех циклов торможения максимальная температура составила около 300 °С, что превышает все ранее рассмотренные варианты. Увеличение толщины стальной пластины до 2 мм при наличии медной вставки толщиной 1 мм не дает практически никакого эффекта по сравнению с монолитным стальным диском.

Коэффициент трения тормозных дисков изменяется в широких пределах начиная от 0,23 до 0,6. Максимальное значение коэффициента трения составляет около 0,6 в случае стального тормозного диска, и около 0,55 в случае добавления медных вставок.

Таким образом, добавление теплоотводящих медных вставок при циклическом на-гружении способствует значительному снижению температуры разогрева контактной поверхности. В свою очередь снижение температуры нагрева способствует некоторой стабилизации коэффициента трения. Во всех вариантах конструктивного исполнения эффект от предварительного нагрева в диапазоне от 70 °С до 130 °С сказывается слабо, вызывая прирост средней температуры на цикле торможения на 30-50 °С.

Глава 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ТОРМОЗНОГО УСТРОЙСТВА С БИМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ

Данная глава посвящена стендовьм экспериментальным исследованиям температуры нагрева тормозного устройства.

Первый параграф данной главы посвящен обзору основных конструктивно-технологических приемов снижения температуры разогрева тормозных устройств. Рассмотрены их преимущества и недостатки. Описаны основные конструкции тормозных дисков, используемых в настоящее время.

Разработана конструкция тормозного устройства, представляющая собой дисковый тормозной механизм, тормозной диск которого выполнен в виде биметаллической конструкции. Он содержит: несущую основу /, изготовленную из конструкционной стали; теп-лоотводящую вставку 2, выполненную из материала с более высокой теплопроводностью, чем материал износостойкой контактной пластины 3. Сборка теплоотводящей вставки и контактной пластины с несущей основой тормозного диска осуществляется с

помощью механического крепления или путем послойного нанесения покрытий. Наличие теплоотводящей вставки обеспечивает усиление теплоотвода из зоны контакта поверхности диска с фрикционной накладкой 5 на тормозной колодке 4. На данную конструкцию был получен патент на полезную модель «Дисковый тормозной механизм» (рисунок 10).

4

Второй параграф данной главы посвящен методике стендовых испытаний по определению температуры нагрева поверхностного слоя тормозного диска. Для достижения поставленной цели бьша разработана экспериментальная стендовая установка, которая представляет собой реальный тормозной узел автомобиля ВАЗ 2107. Стендовая установка состоит из чугунного тормозного диска автомобиля ВАЗ 2107, скорость вращения которого составляла 969 об/мин, что соответствует линейной скорости движения автомобиля в 28 м/с (100 км/ч). На тормозной диск с обоих сторон с усилием 0,1 МПа прижимаются две стандартные фрикционные накладки автомобиля ВАЗ 2107. Температура разогрева поверхности тормозных дисков измерялась бесконтактным методом с помощью инфракрасного термометра (пирометра). Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 11.

Фрикционные накладки

Рисунок 11 - Схема установки для стендовых испытаний

Испытания проходили в два этапа. На первом этапе измерялась температура нагрева тормозных дисков при непрерывном торможении, на втором этапе измерялась температура нагрева тормозных дисков при циклическом торможении. Время торможения при первом этапе испытаний составляла 5 минут. При циклических испытаниях время каждого единичного цикла торможения составляла 2 минуты, количество циклов - 4, перерыв между циклами 30 секунд.

Третий параграф посвящен анализу экспериментальных данных по определению температуры нагрева поверхности тормозных дисков с разными значениями теплофизиче-ских характеристик. В качестве образца сравнения использовался чугунный тормозной диск автомобиля ВАЗ 2107. Исследуемые тормозные диски представляли собой биметаллические конструкции, изготовленные методом электродуговой металлизации: на двух поверхностях тормозного диска протачивался по периметру паз шириной 50 мм на глубину 3 мм, после чего напылялся слой медного сплава толщиной 2 мм, на которую в свою очередь напылялся стальной слой толщиной 1 мм. На рисунке 12 представлены графики изменения температуры нагрева биметаллического и чугунного тормозного диска при непрерывном и циклическом торможениях.

Анализ проведенных натурных испытаний показал, что температура нагрева биметаллической поверхности при торможении на 15-20% ниже аналогичного показателя у монолитного тормозного диска. При этом с повышением начальной температуры поверхности эффект теплоотвода у биметаллического диска усиливается.

Рисунок 12 - Температура нагрева биметаллического и монолитного тормозных дисков при непрерывном и циклическом торможениях

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

• Выявлены факторы, влияющие на соотношение тепловой и механической составляющих энергетического баланса при трении без смазочного материала. Определяющими параметрами являются удельная нагрузка на контакте и механические свойства контактирующих поверхностей. С увеличением удельной нагрузки наблюдается рост доли механической составляющей с соответствующим снижением доли выделяющейся теплоты. Использование для контактирующих поверхностей тормозных устройств материалов с меньшей разницей в прочностных свойствах может существенно снизить долю механической составляющей в энергетическом балансе при трении, уменьшая за счет этого износ менее прочного контртела

• Разработана расчетная модель изнашивания фрикционной колодки, которая учитывает силовые и геометрические параметры тормозного устройства. Из силовых факторов наибольшее влияние оказывает прижимная нагрузка, вклад которой в объем энергии идущей на разрушение фрикционной накладки характеризуется квадратичной зависимостью. Геометрическими факторами, снижающими износ фрикционной накладки тормозного устройства являются: площадь контакта фрикционной накладки с поверхностью тормозного диска, шероховатость поверхности тормозного диска и длина фрикционной накладки.

• Показано, что увеличение площади фрикционной накладки способствует квадратичному увеличению срока наработки на отказ, а увеличение длины фрикционной накладки и уменьшение шероховатости тормозного диска пропорционально увеличивает время ее работы,

• Экспериментально показана возможность снижения величины износа и увеличения срока наработки на отказ фрикционной накладки за счет регулирования ее геометрических параметров.

• Разработана принципиально новая конструкция тормозного диска, основанная на применении биметаллических материалов с целью увеличения теплопроводности. На предложенную конструкцию был получен патент на полезную модель.

• Экспериментально показано, что применение биметаллических тормозных дисков позволяет значительно снизить температуру нагрева поверхностных слоев при непрерывном и циклическом торможениях. По сравнению со стальным тормозным диском применение прослойки меди толщиной 2 мм под сталью толщиной 1 мм позволяет снизить температуру на 50%.

• Экспериментально показано, что использование теплоотводящих вставок способствует стабилизации коэффициента трения.

• Проведены натурные испытания биметаллических тормозных дисков на основе тормозных дисков автомобиля ВАЗ 2107 изготовленных методом электродуговой металлизации, которые показали, что температура нагрева биметаллической поверхности при торможении на 15-20% ниже аналогичного показателя у монолитного тормозного диска.

22

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в научных гаданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских исследований:

1. Елагина О.Ю., Коновалов A.B., Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Управление качеством в нефтегазовом комплексе. — М.:Нефть и газ, 2008, №1.- С. 38-42.

2. Елагина О.Ю., Коновалов A.B., Томский К.О. Использование биметаллических поверхностей для снижения температуры на поверхности трения / Трение и смазка в машинах и механизмах. - М.: Машиностроение, 2009, №12. - С. 30 - 34.

3. Томский К.О. Повышение эффективности работы тормозных устройств / Труды Российского государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина. - М.: РГУ нефти и газа, 2010, № 2. - С.86 - 94.

4. Елагина О.Ю., Томский К.О. Разработка подхода к использованию биметаллических поверхностей в узлах трения без смазки / Труды Российского государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина. - М.: РГУ нефти и газа, 2011, № 3. - С.48 -60.

Публикации в других научно-технических изданиях:

5. Елагина О.Ю., Коновалов A.B., Томский К.О. Дисковый тормозной механизм / Патент РФ на полезную модель № 77924 от 10.11.2008.

6. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборник тезисов и докладов 62-й студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2008». Секция «Инженерная и прикладная механика нефтегазового комплекса». - М.: РГУ нефти и газа,

2008. С. 12.

7. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборник тезисов III Московской межвузовской научно-практической конференции «Студенческая наука». - М.: Московский студенческий центр, 2008. - С. 42.

8. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборник трудов студенческого научного общества за 2008 год. - М.: РГУ нефти и газа, 2009. - С. 43 - 50.

9. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборник трудов III Московской межвузовской научно-практической конференции «Студенческая наука». - М.: Московский студенческий центр, 2009. - С.36 - 45.

10. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных устройств / Сборник тезисов и докладов 63-й студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2009». Секция «Инженерная и прикладная механика нефтегазового комплекса». - М.: РГУ нефти и газа,

2009. - С. 220.

11. Томский К.О. Повышение эффективности работы тормозных устройств / Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов. Часть II. Секция 5. - М.: РГУ нефти и газа, 2010. - С. 38.

12. Томский К.О. Повышение износостойкости тормозных колодок путем изменения их геометрии / Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня. Материалы 12-й международной научно-практической Конференции. Часть I. - СПб.: СПбГПУ, 2010. - С. 411.

13. Томский К.О. Повышение эффективности работы тормозных устройств / Новые технологии в газовой промышленности. Девятая Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов. Сборник тезисов. - М.: РГУ нефти и газа, 2011.

14. Томский К.О. Применение биметаллических материалов в тормозных устройствах / Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов. Часть II. Секция 5. - М.: РГУ нефти и газа, 2012. — С. 43.

Подписано в печать 16.04.2013. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 175

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8(499)233-95-44

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

На правах рукописи

04201356590

Томский Кирилл Олегович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

05.02.04 Трение и износ в машинах (техн. науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Елагина О.Ю.

Москва - 2013

\

>

і . '<

Содержание

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

Глава 1. Анализ триботехнических параметров тормозных устройств... 8

1.1. Эксплуатационные характеристики и виды конструкций тормозных устройств...................................................... 8

1.2. Анализ материалов, используемых при конструировании тормозных устройств...................................................... 13

1.3. Анализ энергетического баланса при трении......................... 25

1.4. Экспериментальные и расчетные методы оценки температуры нагрева в узлах трения без смазочного материала................. 31

Выводы по главе 1.......................................................... 49

Глава 2. Исследование энергетического баланса в условиях трения

без смазочного материала................................................ 52

2.1. Методика проведения экспериментальных исследований энергетического баланса при трении контактных поверхностей

в условиях трения скольжения без смазочного материала......... 53

2.2. Анализ результатов экспериментальных исследований энергетического баланса при трении контактных поверхностей

в условиях трения без смазочного материала........................ 60

2.3. Расчетное определение энергетического баланса в зависимости

от параметров трения...................................................... 66

2.4. Определение рациональных параметров тормозного устройства. 77

2.5. Экспериментальное исследование влияния геометрических параметров фрикционной накладки на ее износостойкость...... 83

Выводы по главе 2......................................................... 88

Глава 3. Разработка подхода к использованию биметаллических

поверхностей в узлах трения без смазочного материала........... 90

(

V

3.1. Методика расчета распределения температур в биметаллическом поверхностном слое при трении.................. 92

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований по определению температуры поверхностного слоя и коэффициента трения...................................................... 100

3.3. Экспериментальное определение температуры нагрева и коэффициента трения тормозных устройств......................... 103

Выводы по главе 3.......................................................... 125

Глава 4. Стендовые эксперименты по исследованию температуры

нагрева тормозных устройств............................................ 126

4.1. Разработка конструкции тормозного устройства с биметаллическим поверхностным слоем.............................. 126

4.2. Методика проведения стендовых исследований по определению температуры нагрева поверхностного слоя тормозного диска........................................................... 136

4.3 Экспериментальное определение температуры нагрева

тормозных устройств на установке для стендовых испытаний... 140

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ............................ 146

Литература.................................................................... 148

ВВЕДЕНИЕ

Тормозные устройства являются высокоответственным узлом в любом механизме, и от надежности их работы напрямую зависит безопасность эксплуатации механизма в целом. Они широко применятся в машинах и оборудовании различных отраслей промышленности, включая нефтяную и газовую отрасли. Основным фактором, определяющим эффективность и долговечность тормозного устройства, является сила трения, возникающая между колодкой и диском, и представляющая собой источник интенсивного теплообразования. Процесс торможения характеризуется активным преимущественным разогревом контактной поверхности металлического контртела. Температура поверхности тормозного диска за короткий интервал времени от 10 до 300 секунд может достигать 700 °С и выше. Интенсивный разогрев приводит к снижению прочностных свойств металла поверхностного слоя диска и фрикционного материала, изменяет коэффициент трения, интенсифицирует процесс изнашивания контактирующих элементов.

Вопросами тепловых процессов, возникающих при трении, занимались такие известные отечественные и зарубежные ученые как A.B. Чичинадзе, И.А. Буяновский, Э.Д. Браун, Н.М. Михин, В.А. Балакин, А.Г. Гинзбург, М.Н. Добычин, Б.В. Протасов, В.М. Александров, Ю.Н. Дроздов, З.В. Игнатьева, М.В. Коровчинский, И.Г. Горячева, Н.Б. Демкин, Я.С. Подстригач, Д.В. Грилицкий, М.И. Петроковерц и другие. Значительный вклад в развитие вопросов повышения износостойкости деталей машин внесли И.В. Крагельский, Б.И. Костецкий, Г.М Сорокин, В.Н. Виноградов. Ими были разработаны и опробованы целый ряд методик по расчету тепловых и эксплуатационных характеристик узлов трения и, в частности тормозных устройств. На основе этих исследований в настоящее время разработано и широко применяется целый ряд технических и

конструктивных решений для тормозных устройств, позволяющих снизить температуру в зоне трения.

Вместе с тем, увеличение удельных нагрузок и скоростей относительного перемещения в машинах и механизмах, приводит к интенсификации процессов тепловыделения в тормозных устройствах. Специфика нефтегазовой отрасли, характеризующейся присутствием абразивных частиц, дополнительно усложняет эту задачу за счет ограничения возможности применения ряда материалов и конструкций. Существующие методы, позволяющие увеличить теплоотвод из зоны трения отличаются значительным усложнением конструкции и применением дорогостоящих материалов. Таким образом, разработка новых подходов в конструировании тормозных устройств, обеспечивающих наряду с усилением теплоотвода, повышенную стойкость к изнашиванию и простоту конструктивного исполнения является актуальной задачей.

Объектом исследований в настоящей работе являются колодочные тормозные устройства машин и технологического оборудования, работающие в условиях интенсивного циклического нагружения.

Целью диссертационной работы являлось повышение теплоотдачи и износостойкости тормозного устройства и разработка методики определения рациональных геометрических параметров входящих в него элементов, способствующих снижению температуры разогрева контактных поверхностей при торможении.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования по определению составляющих энергетического баланса при торможении в зависимости от параметров и материалов тормозного устройства и разработать расчетный способ их определения.

2. Разработать методику и выполнить экспериментальные исследования по определению температуры нагрева зоны контакта

тормозных дисков разной конструкции при трении для оценки эффективности теплоотвода.

3. Выполнить экспериментальные исследования по определению зависимости коэффициента трения тормозных устройств от температуры нагрева.

4. Разработать новый подход к конструкции тормозного диска, обеспечивающий повышение эффективности теплоотвода в зоне контакта при торможении и провести его экспериментальную апробацию.

Научная новизна работы

1. Выявлены параметры, определяющие соотношение тепловой и механической составляющей энергетического баланса при трении без смазочного материала и разработана расчетная модель изнашивания фрикционной колодки. Показано, что увеличение износа фрикционной накладки от удельной нагрузки характеризуется квадратичной зависимостью, а от скорости торможения линейной с коэффициентом пропорциональности, равным единице. Также показано, что увеличение площади фрикционной накладки способствует квадратичному увеличению срока ее наработки на отказ, а увеличение длины фрикционной накладки и уменьшение шероховатости тормозного диска пропорционально увеличивает время ее работы.

2. Предложен новый подход к снижению температуры нагрева поверхности тормозного диска при сохранении ее износостойкости, основанный на применении теплоотводящей вставки из металла с высокими показателями теплопроводности. Показано, что эффект от применения биметаллических поверхностей зависит от соотношения толщины поверхностного слоя и теплоотводящей вставки и может снизить температуру разогрева тормозного диска от 36 до 50%.

3. Экспериментально показана возможность стабилизации коэффициента трения при использовании биметаллических поверхностей. Снижение температуры разогрева контактной биметаллической поверхности

способствует сужению диапазона разброса значений коэффициента трения в 1,5 раза и более по сравнению с монолитной стальной поверхностью.

Практическая значимость проведенных исследований определяется возможностью увеличения срока эксплуатации и эффективности работы тормозных устройств.

1. Разработана конструкция биметаллического тормозного диска, обеспечивающая снижение температуры разогрева контактной поверхности и стабилизацию коэффициента трения.

2. Определены геометрические соотношения стальной и медной составляющих биметаллической поверхности, обеспечивающих наибольшую эффективность теплоотвода из зоны трения.

3. Найдены рациональные геометрические соотношения длины и ширины фрикционной накладки, обеспечивающие снижение ее износа в 1,6 -1,8 раза.

4. Разработаны расчетные методики распределения энергии трения по составляющим энергетического баланса, времени наработки до отказа фрикционной накладки и распределения тепловых полей в биметаллическом поверхностном слое, позволяющие моделировать процессы, протекающие в дисковых тормозных устройствах при различных режимах их работы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований процесса трения и изнашивания в дисковом тормозном устройстве;

2. Инженерная методика прогнозирования распределения энергии трения по составляющим энергетического баланса и оценки времени наработки до отказа фрикционной накладки;

3. Методическое обоснование нового подхода для снижения температуры нагрева тормозного диска за счет использования биметаллического поверхностного слоя.

4. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность предложенных конструктивных решений.

Глава 1. Анализ триботехнических параметров тормозных

устройств

1.1. Эксплуатационные характеристики и виды конструкций

тормозных устройств

Тормозные устройства являются наиболее широко применяемым и высокоответственным видом фрикционных устройств. Основные задачи, решаемые тормозными устройствами, показаны на рисунке 1.1 (классификация по назначению).

Рисунок 1.1 - Классификация тормозных устройств по назначению [31]

В соответствии с решаемыми задачами тормозные устройства используются как остановочные (задача 1, рисунок 1.1) и подтормаживающие (задачи 1,3 и 4, рисунок 1.1). В большинстве случаев тормозные устройства решают все четыре задачи с преобладанием некоторых, в зависимости от режима работы, например, автомобильные тормоза, тормозные устройства железнодорожного транспорта, тормоз буровой лебедки и др. Некоторые тормоза работают только как остановочные, например тормоза кузнечно-прессового оборудования [30, 31] В соответствии с назначением выделяются следующие основные типы фрикционных тормозов:

1) кратковременного действия, которые приспособлены, прежде всего, для относительно кратковременной работы с большой эффективностью, то есть дающие большие значения замедления движения, особенно в опасных, аварийных ситуациях;

2) постоянного действия, так называемые замедлители, которые приспособлены для работы в течение довольно длительного времени и обеспечивают незначительное увеличение или поддержание постоянной скорости, несмотря на действие сил, стремящихся ее увеличить (например, движение автомобиля под уклон с возвышенности, опускание груза на тросе в подъемных механизмах);

3) стояночные, которые предназначены для блокировки, то есть обеспечения неподвижности транспортного экипажа на уклоне или поднимаемого груза в течение неограниченного времени.

В наиболее тяжелых условиях работают тормоза кратковременного действия, как при однократном, так и повторном режиме. Тормоза должны поглотить (преобразовать в теплоту) иногда огромные количества кинетической энергии, особенно тогда, когда велика начальная скорость транспортного средства (груза) и производится аварийное торможение. В случае относительно умеренного торможения механических транспортных средств (автомобилей) часть энергии поглощается за счет сопротивления воздуха. Поэтому при аварийном, длящемся непродолжительное время торможении, при огромном выделении теплоты в единицу времени, общее количество кинетической энергии, преобразуемой в тормозах в теплоту, будет наибольшим (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Тепловая нагрузка и температура тормозов машин [31]

Параметр . "' ' , .. : , ' -Объект,, ,

Автомобиль Самолет Экскаватор Буровая машина

Удельное количество теплоты на поверхности трения 9 ,ккал/см 0,1...4,5 2,5...6.5 1,5...3,0 2,0...4,0

Средняя температура поверхности трения, °С 300...400 1000 и более 400...500 600...800

Условия нагружения тормозных устройств иллюстрируют следующие

две таблицы (таблица 1.2,таблица 1.3):

Таблица 1.2 - Классификация тормозов по продолжительности процесса

трения

Характеристика Время проскальзывания , с

Кратковременное скольжение ¿у. <60

Длительное скольжение 60<^<300

Квазистационарные условия скольжения зоо</г<юоо

Стационарные условия скольжения ^>1000

Таблица 1.3 - Условия нагружения фрикционных устройств

Назначение пары Удельная нагрузка на Коэффициент

трения контакте, МПа . трения

Легкие условия работы, без смазки 1,00 0,3-0,35

Средние условия работы, без смазки 1,50 0,25-0,28

Утяжеленные условия, 6,00 0,22-0,25

без смазки

Легкие условия работы, 3,50 <0,12

со смазкой

Утяжеленные условия работы, 6,00-7,00 <0,1

со смазкой

Утяжеленные условия работы 150,00 0,22-0,25

в специальных условиях

Самые распространенные на сегодняшний день автомобильные тормозные системы - дисковые тормоза, так как они являются наиболее эффективными. Главным элементом тормоза такого типа является тормозной диск, к которому прикладывается усилие исполнительного механизма -колодки. Пара «тормозной диск - колодка» является одним из самых ограниченных по ресурсу автомобильным узлом. Условия ее работы можно охарактеризовать как особо тяжелые. Это обусловлено высокими контактными давлениями (до 10 МПа) и интенсивным фрикционным разогревом (до 600 °С) [40].

Как известно [31], сохранению эффективности любых тормозов препятствует увеличение температуры в паре трения. Чем интенсивнее автомобиль тормозит, тем больше выделяется теплоты и тем больше нагреваются детали тормозного механизма. Нагрев диска приводит к потере им фрикционных и прочностных свойств, нарушению формы его рабочей поверхности, ее короблению, значительному снижению износостойкости.

Существуют различные конструктивные решения, обеспечивающие снижение температуры разогрева тормозных дисков. Самым распространенным на сегодняшний день способом улучшения отвода тепла является использование вентилируемых дисков. Увеличенная толщина вентилируемого диска позволяет разместить между поверхностями трения ребра жесткости, которые обеспечивают принудительную циркуляцию воздуха. При вращении создается центробежная сила, она заставляет поступающий воздух устремляться от центра к краям диска и нагретый воздух выбрасывается в окружающую среду, а вентилируемый диск охлаждается.

Вентиляция снижает температуру тормозных накладок, достигающую 700 °С, на 60°-70°С, а уменьшение температуры на 50 °С увеличивает срок службы накладок вдвое [39].

К недостаткам вентилируемых тормозных дисков следует отнести:

- сложное конструктивное исполнение с большим количеством теплоотводящих элементов,

охлаждение за счет конвективного теплообмена, эффективность которого требует увеличения площади теплоотдающих поверхностей.

Также наличие вентилируемых канавок повышает сопротивление воздуха при движении автомобиля. Сложность конструктивного исполнения повышается также из-за тенденции конструкторов делать воздуховоды охлаждения тормозных систем минимального размера для снижения сопротивления воздуха [39].

Отдельное место в автомобильных тормозных системах занимают тормозные устройства Формулы-1. Нигде тормоза не изнашиваются так быстро, как в Формуле-1 - тормозные диски и колодки меняют после каждой гонки. Автомобиль может затормозить с 200 км/ч до нуля за несколько секунд. Тормозные диски в Формуле-1 нагреваются до 1000 °С за секунды. Тормоза автомобиля Формулы-1 эффективны в определенном диапазоне температур, и перегрев их -