автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Разработка и применение композиционных материалов в тяжелонагруженных опорных трибосопряжениях железнодорожного подвижного состава

На правах рукописи

ДОСОВ ЛЕОНИД ГЕННАДИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ОПОРНЫХ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.02.04 - Трение и износ в машинах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 2005

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель - академик РАН, доктор технических наук, про-

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Сычев Алек-

Офнцнальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Защита диссертации состоится 26 декабря 2005 г. в 15.00 час. на заседании диссертационного совета Д 218.010.02 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. им. полка Народного Ополчения, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

фессор Колесников Владимир Иванович.

сандр Павлович

Майба Игорь Альбертович;

кандидат технических наук Броновец Марат

Александрович.

Ведущее предприятие - Южно-Российский государственный технический университет (ЮРГТУ-НПИ, г. Новочеркасск).

Автореферат разослан <41>

»«

» 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совете Д 218.010.02, д.т.н., про*}

И. М. Елманов

МО 6 'Н

Я9Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

126ШЭ

Актуальность темы

Одним из основных условий эффективности эксплуатации подвижного состава железнодорожного транспорта является высокая надежность узлов трения, на долю которых в настоящее время приходится до 85 % всех отказов.

К наиболее тяжелонагруженным сопряжениям подвижного состава относится пятник-подпятник грузового вагона, работающий в режиме полусухого трения при высоких контактных нагрузках, наличии абразива и резких колебаниях температуры.

Попытки повысить долговечность этого узла путем изменения конструкции его деталей или применением стальных сменных прокладок не дали положительного результата.

Учитывая, что потери от преждевременного выхода из строя деталей пятника-подпятника не ограничиваются только стоимостью его ремонта, который, кстати, возможен только в специализированных депо, но и сопровождаются непроизводительным простоем грузовых вагонов, вопрос повышения износостойкости сопряжения пятник-подпятник является актуальным.

Работа выполнялась в соответствии с приказом № 12 ОАО РЖД от 29.03.2004 г. «О мерах по обеспечению устойчивого взаимодействия в системе колесо-рельс» и «Стратегической программой развития ОАО РЖД на 2004 г.».

Цель и задачи исследования

Цель настоящего исследования - повышение долговечности трибосопряже-

ния пятник-подпятник грузового вагона путем применения металлополимерных-ных прокладок с покрытием из композиционных материалов (КМ).

Применение КМ позволит, с одной стороны, снизить коэффициент трения и количества выделяемой теплоты в трибосопряжении, а с другой — снизить теплоотдачу в окружающую среду, поэтому для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести статистический анализ характера износа пятника-подпятника грузового вагона;

- определить геометрические и динамические параметры движения вагона в кривых и коэффициент трения в узле пятник-подпятник;

- предложить метод расчета напряженно-деформированного состояния композита в условиях тяжелонагруженных опорных трибосопряжений;

- разработать методику расчета температуры металлополимерных прокладок в трибосопряжении пятник-подпятник грузового вагона;

- провести экспериментальные исследования трибологических характеристик прокладок с покрытиями из КМ;

- оптимизировать состав КМ, обеспечивающий требуемые значения коэффициента трения и минимальный износ сопряжения;

- провести стендовые и эксплуатационные испытания разработанных типов прокладок.

Научная новизна

1. Предложено для снижения износа поверхностей опорного подшипника грузового вагона установить в сопряжении металлополимерную прокладку с покрытием из композиционного материала, снижающего коэффициент трения до величины, исключающей «виляние» вагона в прямых.

2. На основе трехслойной модели напряженно-деформированного состояния композита установлено, что в диапазоне нормальных и касательных нагрузок, характерных для сопряжения пятник-подпятник грузового вагона, прочность покрытия повышается с ростом модуля сдвига и уменьшением модуля упругости.

3. Предложен безразмерный параметр для прогнозирования прочности и износостойкости покрытий из композиционных материалов в опорном подшипнике с учетом физико-механических свойств и геометрических параметров армирующих элементов.

4. Определены оптимальный состав компонентов и соотношение армирующих волокон стекловолокна различных размеров, обеспечивающие минимальный износ композита при заданной величине коэффициента трения.

Практическая ценность работы

Создан новый антифрикционный композиционный материал - «Препрег» (патент РФ №2002127861/04 (029425)) для тяжелонагруженных узлов трения, обладающий высокой износостойкостью и теплостойкостью.

Предложен оптимальный состав и разработана технология получения КМ для металлополимерной прокладки узла пятник-подпятник грузового вагона.

Разработан и изготовлен стенд на основе надрессорной балки грузового вагона для испытаний натурных образцов прокладок с целью получения значений коэффициентов трения и величин износов в трибосопряжениях деталей пятникового узла.

Результаты исследований внедрены в конструкцию подпятника тележки грузового вагона и прошли эксплуатационные испытания в Краснодарском вагонном и локомотивном депо. Установлено, что износ деталей узла пятник-подпятник уменьшился в 1,5-2 раза, а подрез гребней колес - на 15-25 %.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на шести международных научно-технических конференциях: «Композиционные материалы в промышленности», Ялта, 2002; «О природе трения твердых тел», «Белтриб - 2002», Гомель, 2002; «Полимерные композиты, покрытия, пленки», «Поликом - 2003», Гомель, 2003; «Механика и трибология транспортных систем -2003», Ростов-на-Дону, 2003; «Композиционные материалы в промышленности», Ялта, 2004; «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические», Ростов-на-Дону, 2004, а также на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005», Ростов-на-Дону, 2005.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения.

Диссертация изложена на 172 стр., содержит 66 рисунков, 28 таблиц, список литературных источников, включающий 170 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих работ по теме диссертации. Отечественными учеными сформулированы принципиальные положения и предложен ряд теорий, объясняющих фундаментальные явления трения, износостойкости деталей и узлов. Имена ученых широко известны - это A.C. Ахма-тов, В.А. Белый, В.Н. Виноградов, Д.Н. Гаркунов, Н.М. Демкин, Б.В. Дерягин, В.Н. Кащеев, В.И. Колесников, Б.И. Костецкий, В.А. Кислик, И.В. Крагельский, В.Н. Лозовский, Н.М. Михин, Г.А. Прейс, П.А Ребиндер, Г.М. Сорокин, Н.М. Тененбаум, М.М. Хрущов, И.Н. Черский и другие. Рассмотрено состояние вопроса повреждаемости узлов трения грузовых вагонов и их износов, проведен анализ условий эксплуатации и влияние технического состояния узлов опи-рания вагона на сопротивление повороту тележки. Это нашло отражение в работах В.М. Богданова, Ю.С. Романа, О.П. Ершкова, Г.И. Петрова, B.C. Лысюка, М.Ф. Вериго, М.Г. Зака, A.A. Камаева, А.Я. Когана, М.А. Левинзона и многих других.

Среди технических решений, направленных на уменьшение сил сопротивления и износа деталей пятникового узла, предлагаемых ведущими вагоностроительными фирмами, можно выделить два направления:

1. Изменение конструкции узла трения.

2. Применение сменных изнашиваемых прокладок, разделяющих гру-щиеся поверхности пятника и подпятника.

Однако их применение не дало ощутимого положительного результата, поэтому для повышения долговечности этого узла предложено установить ме-

таллополимерную прокладку, разделяющую пятник и подпятник и снижающую коэффициент трения до величины, исключающей виляние вагона в прямых.

Существующие методы создания КМ на основе волокон различной природы ставят перед исследователями проблемы совместимости компонентов волокна и связующей матрицы. Важным вопросом теории описания характеристик таких материалов является исследование напряжений и деформаций при воздействии внешних нагрузок, что нашло отражение в работах Ф. Блейха, В.И. Королева, П.М. Огибалова, Ю.М. Тарнопольского, В.В. Болотина, А.Л. Рабиновича, М.А. Колтунова и других.

В свою очередь, зависимость значений напряжений однонаправленных композитов от расстояния между волокнами и их размером оказывает большое влияние на характеристики прочности композита.

Для большинства волокнистых однонаправленных композитов положение волокон в объеме матрицы является случайным, однако в целом материал предполагается статистически однородным.

Расчет состояния такой системы при механических нагрузках достаточно сложен, поэтому его заменяют упрощенной моделью.

Учитывая чувствительность физико-механических характеристик КМ к температуре, необходимо провести расчет распределения температуры в метал-лополимерной прокладке.

Во второй главе приведены результаты исследования износа опорных поверхностей подпятника и определены геометрические и динамические параметры движения тележки грузового вагона в кривых.

Увеличение скорости движения вагона невозможно без снижения горизонтальных усилий, возникающих в контакте колесо-рельс на кривых участках пути. Решение этой проблемы позволит значительно повысить эксплуатационные качества вагона. Частью этой проблемы являются специальные вопросы вписывания в кривые участки пути.

Сопротивление повороту тележки относительно кузова является важной характеристикой с точки зрения устойчивости движения и предотвращения ви-

ляния трехэлементной тележки. Сопротивление повороту тележки зависит в основном от момента трения в центральной опоре. Высокий коэффициент трения в начальный момент разворота тележек вызывает, несмотря на наличие смазки в полости подпятника, интенсивный износ деталей пятникового узла.

Проведенные исследования показали, что износ опорной поверхности подпятников вагонов, поступающих в деповской ремонт, достигает 8 мм (рис. 1).

Г 20

X «

I«

, I -О

а) х

3.0-4.0 4,0-5.0 5,0-6.0 6,0-7.0 7.0-8 0 8,0-9,0 9,0-10.0 10,0-11,0 11,0-12,0 12.0-13.0 Величина износа, I, им

6)

2,0-3,0 3,0-4,0 4,0-5,0 5,0-6,0 6,0-7,0 7,0-8,0 8,0-9,0 9,0-10,0 10,0-11,0 [1,0-12,0 Величина износа, I, мм

в> г I 40

0-0,5 04-1,0 \t-\5 1.5-2.0 2,0-2,5 2,5-3,0 3,0-3,5 3,5-4,0 4,0-4,5 4,5-5,0 5,0-5,5 5,5-6,0 6,0-6,5 6,5-7.0 7,0-7,5 7,5-8,0 Величина износа, I, мм

Рис. 1. Характер износа трибосопряжения пятник-подпятник: а, б - износ внутренней цилиндрической поверхности подпятников по сечению вдоль и поперек оси тележки соответственно; в - износ опорной поверхности

подпятников

Средний износ цилиндрической поверхности упорного буртика в направлении продольной оси вагона составляет 7,1 мм, что значительно больше, чем в поперечном - 4 мм.

Очевидно, что большие величины износа обусловлены неоптимальным сочетанием материалов трущихся деталей (сталь-сталь), условиями трения, при которых пополнение смазочных материалов не представляется возможным.

Увеличение момента трения в подпятнике приводит к дополнительному короблению рамы тележки и повышению направляющих сил и угла набегания в кривых, а следовательно, и сил трения в контакте колесо-рельс (рис. 2).

Углы, град.

6,000

5,000

Рис. 2. Зависимость углов поворота тележек и углов набеганий от радиуса кривой

1 — угол поворота передней тележки; 2 - угол поворота задней тележки;

3 - угол набегания колеса на рельс первой колесной пары;

4 - угол набегания колеса на рельс второй колесной пары

В результате исследований по разработанной методике геометрического вписывания получена численная зависимость угла набегания гребня колеса на рельс и углов поворота тележек , <р, от радиуса Я кривой:

где Ь - половина базы вагона;

Я - радиус кривой, м;

Хп - полюсное расстояние передней тележки;

X, - полюсное расстояние задней тележки;

2а — расстояние между осями тележки.

В расчетах использованы характеристики 24 моделей вагонов с различными базами и базой тележки 18-100-1850 мм.

Для исследования процесса взаимодействия системы колесо-рельс разработана методика расчета динамических характеристик движения вагона в кривых, в которой рассматривается криволинейное движение одной тележки вагона относительно центра кривой.

Суммарная сила, действующая на шкворень тележки (рис. 3)

Уравнение равновесия сил экипажа, из которого определяется направляющее усилие

Расчет проводился для грузовых вагонов при движении в кривых радиусом 150-950 м (диапазон 50 м).

Проведенные расчеты для 19 моделей четырехосного вагона показали, что величина направляющего усилия колеблется в пределах 19,6 - 49,3 кН.

Установлено, что у четырехосного вагона величина направляющего усилия достигает максимума при движении по радиусу 150 м при предельном значении скорости движения - 57,6 км/час.

Из вышеизложенного следует, что уменьшение нагрузки на рельс можно достичь снижением момента трения в опорном подшипнике вагона.

торм'

(2)

2Ht + 2Н2 + Нбр + У = 0.

бР

(3)

Рис. 3. Схема сил, действующих на шкворень тележки вагона в кривой

Эта задача осложняется тем, что при очень низком коэффициенте трения увеличивается «виляние» вагона, что может привести к сходу колесной пары тележки с рельса. Поэтому оптимальный диапазон значений коэффициента трения (0,1-0,2) в пятниковом узле был рассчитан по результатам исследований ВНИИЖТа.

Одним из наиболее эффективных способов стабилизации силы трения и износа является использование в трибосопряжении композиционных материалов.

В третьей главе предложены методики теоретических расчетов прочностных параметров армированных композитов и температуры металлополимерной прокладки.

В процессе работы композита, согласно теории монолитности, внешние нагрузки воспринимаются только частью армирующих элементов, а передача возникающих напряжений соседним волокнам происходит через связующее. Из

этого следует, что при работе в тяжелонагруженных узлах трения необходимо выбирать такие компоненты армированной системы, физико-механические свойства которых должны обеспечивать повышенную жесткость, монолитность и прочность композита, а также требуемые антифрикционные свойства.

Учитывая сложность поставленных задач, в теоретических исследованиях, с учетом сделанных допущений, была выбрана трехслойная модель (рис.4), включающая два прямолинейных армирующих упругих элемента, жестких и тонких, к которым применима гипотеза прямых нормалей, и прослойку полимерного связующего.

T,+dT,

Рис. 4. Трехслойная модель Математическая задача сводится к решению системы дифференциальных уравнений в частных производных:

dTl2(x,t) ^ d2U2 ———1 = + Р—, + т: дх 3 И dt2 ар

2 а2 д.х Ъ w де3 _ 1 дтг _

где Т -погонное усилие на единицу длины модели; г3 -касательное напряжение в полимерном слое; £з —деформация в связующем; р -плотность стекловолокна;

U -смещение точек поперечного сечения внешних слоев вдоль оси X; G3 —модуль сдвига связующего; Ь -толщина;

(4)

(5)

Р=Р(1) - равнодействующая внешних усилий на каком-либо конце системы;

а2 и Р - параметры, выраженные через упругие константы системы; ттр - касательное напряжение от действия силы трения. При решении системы относительно нормального осевого усилия Тг в волокне было получено уравнение в частных производных гиперболического типа:

где

dt Эх2 1 W

а-2=Мз.; = а\Е2. c=E1h1a2p Р Р ръ

(6)

(7)

Считаем начальное состояние системы ненапряженным, тогда начальные условия однородны, то есть

Эг dt

, (т = const).

граничные условия:

С' с

где 7} - некоторый числовой коэффициент;

Fmp(t) - сила трения.

Интегрируя (6) с учетом (7), получим

_ 4F.t-£, 1 sinv-í . (2п + 1) _ / \ х

Т =—¡->---2—sin -Ых + FAt)--,

яг tí2n + l v„ I / ) 2W /'

где

= , Г +

я-{2п + \)-а

1

При п=О

0 vg I 41

(8)

(9)

(10)

Так как первый член подкоренного выражения мал по сравнению со вторым, то им можно пренебречь. В результате, после несложных преобразований, получим:

v = A-I-Q-, (11)

где А = 0,38 ■ 7г • -J4- • S - динамический коэффициент.

К

h -высота армирующего слоя;

Е -модуль упругости стекловолокна;

d - диаметр элементарного стекловолокна;

S -толщина прослойки связующего.

Установлено, что функции Г, г и £ характеризующие напряженно-деформированное состояние модели, зависят от одного и того же безразмерного параметра v (рис. 5), характеризующего совокупность упруго-прочностных и геометрических характеристик элементов композита.

400 --------------- ---- -

4

С 350 -I 300

<D

I 250

S

я 200

.о

У 150

х

О. 100 ---------

с 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4

V-10-*

Рис. 5. Зависимость прочности связующих от параметра v при d = 10 мкм и типе связующего: 1 -ЭТД-10; 2-ЭД-20; З-ЭД-16; 4-ЭХД

Использование зависимости (рис. 5) позволит прогнозировать прочностные свойства при создании новых КМ с учетом упруго-прочностных и геометрических характеристик элементов композита.

Сформулирована начально -краевая задача для расчета температуры метал-лополимерной прокладки (рис. 6), что позволило установить работоспособность соединения металл-полимер в условиях высоких температур, достигающих максимальных значений при поворотах тележки в кривых.

С

Рис. 6. Схема антифрикционной прокладки

Предложенная модель позволяет описать нестационарный процесс теплопроводности в металлополимерной прокладке с учетом генерации тепла в зоне трения и оттока тепла в массивы пятника и подпятника.

Для определения теплового потока (), формирующегося при трении контактирующих поверхностей пятника и прокладки, была использована эмпирическая зависимость профессора И.В. Крагельского:

О = кгр-о-к, (12)

где А!)--коэффициент трения;

Р -среднее удельное давление в контакте; v -средняя скорость скольжения; К -коэффициент разделения тепловых потоков;

К = -

уА)Л>со

(13)

л1ЛгРгс2 +\Д>Росо '

Яо, Я2 - коэффициент теплопроводности;

Ро,Рг - плотность;

со, с2 - коэффициент удельной теплоемкости.

Задача рассматривается в осесимметричной постановке, при этом принято, что температуры пятника и подпятника, а также окружающей среды известны, и задан тепловой поток на границе прокладка-пятник. Уравнения теплопроводности имеют вид:

ЪО , л/. л л 1д0 В2в .. . „

Ас, —= АД0. Д0 = _ + —+—,(»= 1,2), от дг г дг дг

где /?,,с,Д - плотность, коэффициенты удельной теплоемкости и теплопроводности материалов прокладки соответственно; полимерному слою соответствует индекс 1, а металлическому - 2.

Уравнения теплопроводности при принятых граничных условиях решаются на основе явной конечно-разностной схемы.

Принимая, что в начальный момент времени (? = 0) распределение температуры в металлическом и полимерном слоях задано, получим

0(г,г,О) = 0о(г,*). (15)

В случае малых тепловых потоков можно принять, что на нижней поверхности композита (г = -6р ге[г,,г2]), которой он приклеен к подпятнику, поставлено условие первого рода, то есть задано распределение температуры, не меняющееся со временем:

0(г,-мМо(4 (16)

В противном случае заданием краевого условия будет постановка условия третьего рода:

где V! - тепловой поток в поперечном направлении (слой металла)

а, - коэффициент теплоотдачи;

вс - температура подпятника.

На боковых гранях ставим условия теплообмена

+*,+«„., (0-3,) = 0 (18) Поскольку вырабатываемый тепловой поток пропорционален скорости, то

величина Q будет линейной функцией радиуса.

Для оценки тепловых потоков, формирующихся при прохождении вагона в кривых, в качестве диапазона характерных скоростей рассмотрим и «10 -г 20 м/с. При этом величина радиуса закругления может меняться от Д = 125м до /? = 1 ООО м.

Следует отметить, что на величину температуры прокладки существенное влияние также оказывает площадь фактического контакта Аг: максимальные значения температуры получаются при значении Аг = 0,001 (рис. 7).

Рис. 7. Распределение температуры по толщине металлополимерной прокладки (г = г2 ):1 - Аг =0.01; 2-Аг=0.03; 3-Аг=0.1

По результатам расчетов температур металлополимерных прокладок с различными покрытиями следует, что наименьшая температура соответствует верхнему слою из углеродного волокна.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования антифрикционных и износостойких свойств КМ.

Фрикционные и износостойкие свойства КМ оценивали при отсутствии смазочного материала в контакте в условиях нагружения: контактное давление 0,5...20 МПа, скорость скольжения 0,05...0,5 м/с на различных машинах трения (СМТ-1, ИИ-5018, МТ-77).

Микроструктурные исследования проводили на металлографическом микроскопе с увеличением до х500.

Измерение микротвердости проводили на приборах ПМТ-3, ТШ-2.

Установлена корреляционная связь между интенсивностью изнашивания КМ и теоретически установленным безразмерным параметром к (рис. 8), характеризующим влияние совокупности прочностных и геометрических свойств компонентов на прочность композита. Это позволяет прогнозировать не только прочность, но и износостойкость создаваемых КМ.

По результатам испытаний установлено, что толщина покрытия оказывает существенное влияние на его долговечность: износ покрытий толщиной менее

0,25 мм после 3,0-106 циклов переходит в катастрофический, в то время как для покрытия толщиной более 0,5 мм сохраняется режим установившегося трения.

Рис. 8. Зависимость интенсивности изнашивания от параметра у : 1 - ЭТД-10, 2 - ЭД-20, 3 - ЭД-16, 4 - ЭХД

В качестве армирующего элемента композита для трибосопряжения пятник-подпятник использовались стекловолокно, углеткань и волокно ПТФЭ.

В работе методом математического планирования эксперимента было исследовано влияние давления и скорости скольжения на износостойкость композита при различном содержании стекловолокна (рис. 9).

У.м/е

Рис. 9. Зависимость весового износа прокладки от скорости скольжения и содержания стекловолокна (Р - 20 МПа)

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований был создан новый композиционный материал «Препрег», предназначенный для тяжелонагруженных узлов трения.

«Препрег» содержит: в качестве смоляной части - эпокси-хлор-диаминовую смолу с отвердителем - ароматическим амином, а в качестве наполнителя - угле- или стеклоткань различного переплетения или нетканый материал с параллельной укладкой волокон.

В пятой главе отражены результаты стендовых испытаний рабочих образцов прокладок (рис. 10).

Рис. 10 - Металлополимерные прокладки Для проведения испытаний был изготовлен стенд, в котором размещалась надрессорная балка тележки 18-100 (рис. 11).

Рис. 11. Общий вид испытательного стенда

Гидравлическая система стенда обеспечивала усилие нагружения опоры величиной до 400 кН и угол поворота в пределах 6°.

Испытаниям подвергались по пять антифрикционных прокладок из различных материалов, взятые из партий, подготовленных для установки в пятниковые узлы тележек вагонов для проведения эксплуатационных испытаний (таблица).

Результаты испытаний КМ прокладок при нагрузке 350 кН

Частота горизонтальных виляний о = 0,5 Гц Частота горизонтальных виляний о = 2 Гц

Материал прокладки Коэффициент трения, / Температура, Т,°С Износ, дь, мм Коэффициент трения,/ Температура, Т,°С Износ, ДЬ, мм

Полиуретан (5-10% графита) 0,17 24 0,31 0,16 25 0,34

Тордон 0,25 24 0,18 0,23 25 0,19

Полиамид 0,18 26 0,19 0,15 26 0,20

КМ на основе угле-волокон 0,07-0,14 27 0,12 0,09-0,17 28 0,14

КМ на основе ПТФЭ волокон 0,11-0,16 25 0,11 0,12-0,16 27 0,13

КМ на основе волокон арсело-на 0,18-0,25 28 0,11 0,18-0,24 28 0,15

Испытания проводились в течение 300 часов с промежуточными остановками стенда через каждые 100 часов для проведения замеров износов прокладок в контрольных сечениях и переналадки стенда на работу с другими нагру-зочно-скоростными параметрами и углом поворота.

Из таблицы следует, что наиболее удовлетворяет заданным требованиям прокладка с покрытием из КМ на основе ПТФЭ волокон и углеволокна.

Установлено также, что коэффициент трения рекомендованных КМ практически не зависит от скорости скольжения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Определены геометрические и динамические параметры движения вагона в кривых и коэффициент трения в узле пятник-подпятник.

2. Предложено для снижения износа поверхностей опорного подшипника грузового вагона установить в сопряжении металлополимерную прокладку с покрытием из композиционного материала, снижающего коэффициент трения до величины, исключающей «виляние» вагона в прямых.

3. На основе трехслойной модели разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния композиционного покрытия металлопо-лимерных прокладок и предложен безразмерный комплексный параметр, учитывающий физико-механические свойства компонентов КМ и характеризующий прочностные и износостойкие свойства покрытия.

4. Предложена расчетная зависимость для определения температуры кольцевой металлополимерной прокладки, учитывающая особенности ее строения и условия охлаждения узла пятник-подпятник.

5. Проведены трибологические испытания антифрикционных прокладок из различных материалов и установлен тип полимерного покрытия - «Препрег», обеспечивающий оптимальную величину момента трения в узле пятник-подпятник вагона и высокую износостойкость сопряжения.

6. Установлено, что минимальный износ и оптимальный коэффициент трения в трибосопряжении, разделенном металлополимерной прокладкой из материала «Препрег», достигается при содержании стекловолокна в композите в пределах 9... 11 %.

7. Результаты работы реализованы в конструкции узла трения: пятник-металлополимерная прокладка-подпятник грузового вагона (патент № 2002127861/04 (029425)), эксплуатационные испытания которой показали, что износ деталей трибосопряжения уменьшился в 1,5-2 раза, а износ гребней колес снизился на 15-25 %.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Колесников В.И., Сычев А.П., Досов Л.Г., Кравченко Ю.В. Повышение долговечности сопряжения пятникового узла вагонов / Сборник научных трудов «Трибология на железнодорожном транспорте: современное состояние и перспектива». - Ростов-на-Дону: РГУПС, 2001. - С. 74-80.

2. Колесников В.И., Сычев А.П., Нахимович И.А., Досов Л.Г. Полимерные композиционные материалы в трибоузлах железнодорожного подвижного состава // Тезисы докл. междунар. науч.-практ. конф. «Композиционные материалы в промышленности». - Ялта, 2002. - С. 54-55.

3. Колесников В.И., Сычев А.П., Досов Л.Г., Кармазин П.А. Препрег // Тезисы докладов междунар. науч.-практ. конф. «О природе трения твердых тел». «Белтриб - 2002». Гомель, 2002. - С. 74.

4. Колесников В.И., Сычев А.П., Досов Л.Г. Анализ условий работы пятникового узла грузовых вагонов // Вестник РГУПС. Ростов-на-Дону. - 2003. -№1.-С. 12-16.

5. Колесников В.И., Сычев А.П., Досов Л.Г. Материалы для узлов трения, работающих при больших нагрузках и повышенной температуре // Тезисы докл. IV междунар. конф. «Полимерные композиты, покрытия, пленки». «Поликом - 2003». Гомель, 2003. - С. 201-202.

6. Сычев А.П., Сычева М.А., Досов Л.Г. Материалы для узлов трения, работающих при больших нагрузках и повышенной температуре // Тезисы докладов междунар. конгр. «Механика и трибология транспортных систем -2003». Ростов-на-Дону: РГУПС, 2003. - С. 295-296.

7. Рубан В.М., Сычев А.П., Досов Л.Г. Исследования влияния радиуса кривой на угловое смещение контактирующих поверхностей элементов опоры вагона // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003, Приложение №5. — С. 118-123.

8. Сычев А.П., Досов Л.Г., Сычев A.A., Флек Б.М. Антифрикционные композиционные материалы для тяжелонагруженных узлов трения подвижного состава // Тезисы докладов 24 междунар. конф. «Композиционные материалы в промышленности». Ялта, 2004. - С. 307.

9. Сычев А.П., Досов Л.Г., Сычев A.A., Флек Б.М. Влияние давления и скорости на износ композиционных материалов в зависимости от содержания наполнителя // Труды междунар. конф. «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические». Ростов-на-Дону: РГУПС, 2004. - С. 240-244.

10. Колесников В.И., Лапицкий В.А., Сычев А.П., Досов Л.Г. Препрег // Патент по заявке № 2002127861/04 (029425), заявлено 17.10.02 г, решение о выдаче 17.09.03 г.

11. Колесников В.И., Сычев А.П., Досов Л.Г. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ по «Физике трения» (учебно-методическая разработка) // Ростов-на-Дону: РГУПС, 2000. - 16 с.

12. Досов Л.Г. Повышение долговечности сопряжения пятник-подпятник грузового вагона // Тезисы докл. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы развития транспорта Черноморского побережья России», Туапсе, 2004. -Ростов-на-Дону: РГУПС. 2004,-С. 133-135.

13. Рубан В.М., Сычев А.П., Бардушкин В.В. Определение динамической реакции экипажа на путь в кривых // Вестник РГУПС. Ростов-на-Дону. - 2004. -№4.-С. 10-16.

14. Досов Л.Г. Исследование зависимости износа полимерной прокладки от толщины слоя композиционного материала // Тезисы докл. профессорско-преподавательской конф. РГУПС- Ростов-на-Дону: РГУПС, 2005. -С. 296-297.

15. Колесников В.И., Сычев А.П., Цибулин В.Г., Досов Л.Г. Расчет температурного поля фрикционного металлополимерного кольцевого диска // Вестник РГУПС,- Ростов-на-Дону. - 2005. - № 2.- С. 9-17.

»25200

/

V

Досов Леонид Геннадиевич

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ОПОРНЫХ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Подписано к печати 22.11.05г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказа

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Адрес университета: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Народного Ополчения, 2

Ризография РГУПСа.

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1 Обзор теоретических подходов к созданию высокопрочных композиционных материалов для тяжелонагруженных узлов трения.

1.2 Анализ условий эксплуатации тяжелонагруженных трибо-сопряжений (на примере сопряжения пятник-подпятник).

1.2.1 Зависимость углов поворота тележек от радиуса кривой и радиального смещения элементов опоры вагона.

1.2.2 Динамическая реакции экипажа на путь в кривых.

1.3 Обзор существующих композиционных материалов для тяжелонагруженных узлов трения подвижного состава.

Глава 2 Исследование износа тяжелонагруженных трибосопряжений и движения подвижного состава в сложном плане пути.

2.1 Исследование износа и его характера в тяжелонагруженных трибосопряжениях подвижного состава.

2.2 Исследование зависимости углов поворота тележек от радиуса кривой и радиального смещения элементов опоры вагона.

2.3 Определение динамической реакции экипажа на путь в кривых.

2.4 Трение в узле пятник-подпятникк грузового вагона.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния полимерной матрицы и расчет температурного поля металлополимерного диска.

3.1 Расчет напряженно-деформированного состояния модели при сдвиге композита.

3.2 Расчет температурного поля фрикционного металлополимерного кольцевого диска.

3.2.1 Постановка задачи.

3.2.2 Математическая модель.

3.2.3 Расчетная схема.

3.2.4 Результаты численного исследования.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Трибологические исследования факторов, влияющих на износостойкость тяжелонагруженных трибосопряжений.

4.1 Метод оценки триботехнических свойств материалов.

4.2 Физико-математическое моделирование взаимодействия узла трения пятник-подпятник.

4.2.1 Расчет масштабных коэффициентов перехода от объекта пятникподпятник к модели «параллелепипед — пластина».

4.3 Приборы и материалы.

4.3.1 Машина трения возвратно-поступательного движения.

4.3.2 Машина трения СМТ-1.

4.3.3 Машина трения ИИ-5018.

4.4 Материалы трущихся пар. Приготовление образцов.

4.5 Результаты трибологических испытаний материалов.

4.5.1 Анализ поверхностей трения.

4.5.2 Качественный элементный анализ материалов по рентгеновским флуоресцентным спектрам.

4.6 Влияние различных факторов на интенсивность изнашивания композиционных материалов.

Выводы по главе 4.

Глава 5 Стендовые испытания материалов и деталей пятникового узла грузовых вагонов.

5.1 О постановке испытаний на трение и износ.

5.2 Испытательный стенд.

5.3 Методика проведения стендовых испытаний.

5.4 Результаты стендовых испытаний полимерных прокладок.

Выводы по главе 5.

Развитие науки и техники в последние десятилетия показало, что надежные и долговечные машины, оборудование, приборы могут быть созданы только при совместном решении теоретических и прикладных задач трения, износа и смазки, т.е. задач трибологии и триботехники.

Наиболее распространенной причиной (85%-90%) выхода деталей и узлов современных машин из строя является их износ. Недостаточный ресурс машин и механизмов приводит к огромным непроизводительным затратам материалов, энергии и рабочей силы, в том числе и на железнодорожном транспорте, который является энергоемкой, материалоемкой и трудоемкой системой. Основная доля всех отказов железнодорожной техники вызвана процессами трения и изнашивания в тяжелонагруженных трибосистемах. Таким образом, прогресс на транспорте связан с проблемой повышения износостойкости узлов трения, в решении которой важную роль играет создание новых полимерных композитов и смазочных материалов с заданными свойствами. Однако диапазон использования этих материалов сравнительно невелик и не отвечает требованиям производства. Одна из причин - отсутствие научно обоснованных методов определения фрикционных и адгезионных характеристик металлополимерных трибосопряжений, максимально учитывающих специфические свойства полимерных композитов, прежде всего их способность накапливать электрические заряды, генерировать активные продукты деструкции и образовывать в узле трения самосмазывающие пленки.

Проблема повышения износостойкости особенно остро ощущается в металлополимерных сопряжениях. Это обусловлено температурой, физико-механическими, физико-химическими процессами в сопряжениях, которые еще до конца не выяснены. При решении этих вопросов значительное место занимает разработка мероприятий по повышению износостойкости тяжелонагруженных узлов трения.

Современной тенденцией машиностроения является управление процессами получения структур и свойств материалов, которые адаптированы к условиям эксплуатации конструкций машин. Для этого используются разнообразные физические явления: импульсное воздействие электромагнитными и температурными полями, плазменная и ионная обработка поверхностного слоя изделий, процессы диффузии и осаждение твердых, жидких и газообразных сред в поры материала. Однако генеральной линией управления свойствами материалов является создание смесевых структур. Это связано с тем, что традиционные конструкционные материалы - металлы, полимеры и керамики - не обладают набором свойств, необходимых для экстремальных условий эксплуатации современной техники.

Актуальной задачей триботехники является выяснение особенностей поведения поверхностных слоев металлополимерного трибоконтакта. Для исследования процессов, происходящих в объеме и в пограничном слое необходимо разработать как методы диагностики, так и теоретические модели, специфическое назначение которых с одной стороны учитывать изменения в пограничном слое, а с другой — приводить к простым инженерным расчетам.

Научно-теоретические исследования в триботехнике позволяют утверждать, что в нашей стране достигнуты значительные успехи в создании композиционных материалов для узлов трения машин и механизмов. Отечественными учеными сформулированы принципиальные положения и предложен ряд теорий, объясняющих фундаментальные явления трения, износостойкости деталей и узлов. Имена ученых широко известны - это: A.C. Ахматов, В.А. Белый, В.Н. Виноградов, Д.Н. Гаркунов, Н.М. Демкин, Б.В. Дерягин, В.Н. Каще-ев, В.И. Колесников, Б.И. Костецкий, В.А. Кислик, И.В. Крагельский, В.Н. Лозовский, Н.М. Михин, Г.А. Прейс, П.А. Ребиндер, Г.М. Сорокин, Н.М. Тенен-баум, М.М. Хрущов, И.Н. Черский и другие.

Исследования трения полимерных материалов отражены в работах Г.М. Бартенева, Ф. Боудена, В.А. Белого, Г.А. Гороховского, Ю.А. Евдокимова, Д. Ланкастера, A.A. Кутькова, В.И. Колесникова, А.И. Свириденка, Д. Плея, Р. Штейна, A.B. Чичинадзе и многих других.

Однако проблема управления фрикционно-контактным взаимодействием металлополимерных соединений остается нерешенной. Такое положение обусловлено отставанием теории и экспериментальных методов исследования, а также возникновением множества новых задач, обусловленных специфическими свойствами этих материалов. Специфика полимерных материалов обусловлена их чувствительностью к различным факторам трения, внешней среды и 'Ф еще тем, что их работа в узлах трения сопровождается процессами трибоэлектризации, диффузии [83,18,33,92,29], а также деструкции с образованием химических активных продуктов, которые могут взаимодействовать с металлической поверхностью [155].

Важным преимуществом композиционных полимерных материалов с высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения является эффект пленкообразования — способность полимера, образовывать на поверхности трения пленку переноса. В последнее время ведущие специалисты в области трения как у нас, так и за рубежом к основным требованиям, предъявляемым к антифрикционным материалам относят и способность образовывать на поверхности трения пленку переноса, обладающую смазочными свойствами [155,32,53]. Именно это согласуется с одним из непременных условий осуществления ^ внешнего трения - положительным градиентом механических свойств [85].

Среди материалов, используемых в узлах трения современной техники, все более заметную роль играют полимеры и композиционные материалы (КМ) на основе полимеров. За последнее время почти четверть всех публикаций по трибологии посвящены изучению процесса трения и механизма изнашивания композиционных материалов на основе полимеров. Из композиционных материалов, используемых в тяжелонагруженных узлах трения современных машин и механизмов, выделяются антифрикционные самосмазывающиеся композиционные материалы. Один лишь перечень антифрикционных самосмазывающихся композиционных материалов насчитывает множество наименований [83,18,33,92,29,155,32,63,60]. Среди них выделяются своими высокими трибо-логическими характеристиками такие, которые содержат в своем составе волокна ПТФЭ и углерода [43,87,85,84,86,82,81,19,53].

Повышенное внимание ученых к изучению тяжелонагруженных трибосистем железнодорожного транспорта вызвано специфическими условиями эксплуатации подвижного состава, ростом скоростей движения в сочетании с высокими требованиями к оборудованию. Для снижения потерь на трение и изнашивание необходимо выявить причины выхода из строя трибосопряжений и разработать методы управления трибомеханическими, трибоэлектрическими, трибохимическими и т.п. процессами, протекающими на фрикционном контакте.

Одной из областей применения КМ являются тяжелонагруженные узлы трения подвижного состава, наиболее многочисленными из которых являются трибосопряжения грузовых вагонов. Сопряжение кузов-тележка грузового вагона, оказывающее существенное влияние на горизонтальную динамику подвижного состава, реализуется в виде скользящих опор, которые имеют наиболее простое конструктивное исполнение. Эксплуатация подвижного состава со скользящими опорами показала, что при движении на участках со сложным планом пути (кривые малого радиуса, наличие двойных и тройных сопряжений и т.д.) из-за возникающих в опорах значительных сил трения появляются моменты, затрудняющие поворот тележки. Это приводит к увеличению расхода топлива, боковому износу рельсов, расстройству верхнего строения пути и снижению скорости движения. Все это является особенно актуальным для подвижного состава, эксплуатирующегося на тракционных и подъездных путях промышленных предприятий, для которых характерно наличие значительного количества участков со сложным планом пути.

7. Результаты работы реализованы в конструкции узла трения: пятник — ме-таллополимерная прокладка - подпятник грузового вагона (патент №2002127861/04 (029425)), эксплуатационные испытания которой показали, что износ деталей трибосопряжения уменьшился в 1,5-2 раза, а износ гребней колес снизился на 15-25%.

1. Ampep J.F. X-l an improved bearing materials. 1.dustrial lubrication and Tribology. 1970, 27, #2, p.54-56.

2. Armstrong J.H. The hardware that supports, guides and cushions freight cars.without a nut, fait or rivet. Treins, 1983 #4 p.3.

3. Bockmenn G., Schulz W. Modellierung des Tropfenschlagverschleises in der instationaren Phase // Schmierungstechnik. 1984. Jg. 15. № 8. S. 246 -250.

4. Center plates get added attention.- Railway Locomotives and Cars, 1965,№1,9.

5. Coland M., Ressner E. The stress in cemented joints, J. Appl. Mech., 1944, #1, p. 41-52.

6. Cyr W.H. CN measures center plate friction. Railway Locomotives and Cars, 1961, №12, 24-25.

7. Cyr W.H. Measurements of center plate friction on freight cars. Paper. Amer. Soc. Mech. Engrs., 1961, N-WA-239,5 pp.

8. German John G. Amerikanische Praxis bei Lokomotiven und Güterwagen Glasers Annalen, 1983, #819, p. 237-249.

9. Kereszty P. Role of the center plate and side bearing in the safe riding of rail vehicles. "Actatechn. Acad. sei. hung.", 1974, №1-2, 129-152.

10. Koffman J.L. Rotational resistance of modern bogies. "Rail Eng. Int.", 1973, №7,306-310.

11. Lorenz A. Modellbetrachtungen zum Schadigunsprozess in Maschinen und Geraten // Schmierungstechnik. 1984. Jg. 15. № 8. S. 250 253.

12. Outwater J.O./ASME Papers, 1956, Vol. 56A, p. 201.

13. A.C. 1691447 СССР, МКИ 5 E 01 В 35/04. Способ определения кривизны круговых кривых в плане железнодорожной колеи / В.Н. Кашников , В.М. Рубан и др. Заяв. № 4721167 / 11, 16.05. 89. Опубл. 15.11.91. Бюл. № 42. С 135.

14. A.C. СССР №590383 БИОТЗ 1978, 4

15. Алыииц И .Я. Новые направления в применении пластмасс для подшипников скольжения. Сб. Применение материалов на основе пластмасс для опор скольжения и уплотнений в машинах. Наука, М., 1960.

16. Алыииц И.Я., Вержбицкий Н.Р., Зоммер Э.Ф. Опоры скольжения. Машгиз, Киев-Москва, 1958.

17. Амбарцумян С.А. Теория анизотропных пластин. М.: Наука, 1967. 205 с.

18. Антифрикционные самосмазывающиеся пластмассы и их применение в промышленности. М.: МДНТП, 1984. - 143 с.19,20,21,22,23,24,25,2627,28,29,30,31,3233,34,35,36