Содержание к диссертации
Введение
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 Методика расчета распределения температур в биметаллическом поверхностном слое при трении 92
Методика проведения экспериментальных исследований по определению температуры поверхностного слоя и коэффициента трения 100
Экспериментальное определение температуры нагрева и коэффициента трения тормозных устройств 103
Выводы по главе 3 125
Стендовые эксперименты по исследованию температуры нагрева тормозных устройств 126
Разработка конструкции тормозного устройства с биметаллическим поверхностным слоем 126
Методика проведения стендовых исследований по определению температуры нагрева поверхностного слоя тормозного диска 136
Экспериментальное определение температуры нагрева тормозных устройств на установке для стендовых испытаний... 140
Основные результаты и выводы 146
Литература
- Анализ энергетического баланса при трении
- Анализ результатов экспериментальных исследований энергетического баланса при трении контактных поверхностей в условиях трения без смазочного материала
- Определение рациональных параметров тормозного устройства
- Экспериментальное определение температуры нагрева и коэффициента трения тормозных устройств
Введение к работе
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 тор-
мозного 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 А.В. 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.
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:
-
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.
-
Разработать методику и выполнить экспериментальные исследования по определению температуры нагрева зоны контакта тормозных дисков разной конструкции при трении для оценки эффективности теплоотвода.
-
Выполнить экспериментальные исследования по определению зависимости коэффициента трения тормозных устройств от температуры нагрева.
-
Разработать новый подход к конструкции тормозного диска, обеспечивающий повышение эффективности теплоотвода в зоне контакта при торможении и провести его экспериментальную апробацию.
Научная новизна работы
-
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,
-
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%.
-
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.
-
Разработана конструкция биметаллического тормозного диска, обеспечивающая снижение температуры разогрева контактной поверхности и стабилизацию коэффициента трения.
-
Определены геометрические соотношения стальной и медной составляющих биметаллической поверхности, обеспечивающие наибольшую эффективность теплоотвода из зоны трения.
-
Найдены рациональные геометрические соотношения длины и ширины фрикционной накладки, обеспечивающие снижение ее износа в 1,6 - 1,8 раза.
-
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:
-
Результаты экспериментального анализа процессов трения и изнашивания в дисковом тормозном устройстве;
-
Инженерная методика прогнозирования распределения энергии трения по составляющим энергетического баланса и оценки времени наработки до отказа фрикционной накладки;
-
Методическое обоснование нового подхода для снижения температуры нагрева тормозного диска за счет использования биметаллического поверхностного слоя.
-
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.
Апробация 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.
Объем и структура работы
Анализ энергетического баланса при трении
Различают фрикционные материалы для весьма легких (температура на поверхности трения ниже 100 С и температура в объеме тела не выше 50 С), легких (соответственно 250 и 150 С), средних (600 и 350 С), тяжелых (1000 и 600 С) и сверхтяжелых (более 1000 и более 600 С) условий эксплуатации (рисунок 1.2); работают в условиях трения без смазочного материала и в присутствии смазочных жидкостей.
К металлическим фрикционным материалам относят чугуны и стали различных марок. Их используют главным образом в незаменяемых или редко заменяемых элементах тормозных и фрикционных устройств в качестве так называемых контртел (силовые диски, барабаны, шайбы и т. п.), срок службы которых соизмерим со сроком службы всего тормозного механизма. При легких условиях эксплуатации металлические фрикционные материалы применяют также в качестве ответных деталей (тел); наиболее распространены такие сочетания материалов, как сталь - сталь, чугун - сталь, бронза - сталь. Для железнодорожных тормозных колодок широко используется серый чугун. Чугуны не склонны к короблению, но при температурах свыше 400—600С их коэффициент трения резко снижается (это ограничивает температурные условия использования чугунов). Основные недостатки этих фрикционных материалов - нестабильность коэффициента трения при резком изменении температуры, склонность к схватыванию трущихся поверхностей; они постепенно заменяются неметаллическими фрикционными материалами.
Неметаллические фрикционные материалы изготовляют главным образом с использованием базальтовых, углеродных, кевларовых, реже асбестовых и других высокомодульных волокон; связующее - каучуки, смолы и их сочетания; наполнители - кремнезем, сурик, барит, медная, латунная, бронзовая проволока или стружка, M0S2 и другие. Из-за применения полимерного связующего такие фрикционные материалы часто называют полимерными. Пластмассовые материалы на каучуковом связующем имеют относительно высокий и устойчивый коэффициент трения до 220—250С; они применяются для накладок автомобильных тормозов и колец сцеплений. Пластмассовые материалы на смоляном связующем имеют более высокую износоустойчивость, но несколько меньший коэффициент трения. Один из лучших материалов этой группы — ретинакс, в состав которого входят фенолоформальдегидная смола, барит, асбест и другие компоненты; он предназначен для использования в тормозных узлах с тяжёлым режимом эксплуатации, где температура на поверхности трения может достигать 1000С (авиационные тормоза).
Спечённые фрикционные материалы получили распространение в тяжелонагруженных тормозных устройствах и фрикционных муфтах, что определяется их высокими износоустойчивостью, коэффициентом трения, теплостойкостью, теплопроводностью и некоторыми другими свойствами. Проявлению хороших эксплуатационных свойств спечённых материалов в тяжёлых условиях работы способствуют входящие в их состав компоненты, одни из которых обеспечивают высокие износостойкость и коэффициент трения (карбиды и окислы металлов и т.д.), а другие — стабильность фрикционных свойств и отсутствие схватывания (графит, асбест барит, дисульфид молибдена и т.д.). Эти материалы служат для изготовления дисков, секторов, колодок методом спекания предварительно спрессованных заготовок из порошковых смесей. Для повышения прочности спечённых фрикционных материалов их изготовляют на стальной основе, соединение (сварка) с которой обычно достигается в процессе спекания. Наиболее широко применяются спечённые материалы на медной и железной основе. Фрикционные материалы на медной основе, содержащие олово, графит, свинец и другие компоненты, при работе в масле имеют коэффициент трения от 0,08 до 0,12; а при сухом трении — от 0,17 до 0,25. Температурный предел их применения 300С. Фрикционные материалы на железной основе обладают по сравнению с материалами на медной основе большей прочностью, выдерживают большие удельные нагрузки и значительно более высокую температуру. Коэффициент трения для условий работы тормозов в зависимости от состава материала 0,2—0,4. В состав материала обычно входят медь, никель, хром, барит, асбест, графит, карбиды металлов и другие компоненты. Такие материалы допускают повышение температуры на поверхности трения до 1200С, что особенно важно в тормозных устройствах.
Наиболее тепло- и износостойкими фрикционными материалами для тяжелых и сверхтяжелых условий являются композиционные фрикционные материалы на основе термостойких смол с применением графита и различных волокон, главным образом углеродных. Отличительная особенность таких фрикционных материалов - способность работать в паре как с металлическими контртелами, так и в одноименном сочетании.
Наибольшее применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. Волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другими свойствам. Так, армирование сплавов А1 волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Сг, Со, Ті и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350 С.
Наиболее известными фирмами, занимающимися изготовлением фрикционных материалов и, в частности, материалов для тормозных колодок, являются: ATE (Германия), QH (Великобритания), Lucas (Великобритания), Samko (Италия), Dafmi (Украина), Полиэдр (Россия), Roulunds (Дания), ВАТИ (Россия), STS (Россия), АР Lockheed (Великобритания), Bosch (Германия), Rona (Венгрия), ТИИР (Россия), ЕЗАТИ (Россия), Trans Master (Украина), Ferodo (Великобритания).
Таким образом, проведенный анализ фрикционных материалов показывает, что их основной эксплуатационной характеристикой является создание и сохранение на высоком уровне коэффициента трения. Наибольшую проблему при их эксплуатации представляет собой температура разогрева зоны трения, которая может изменяться со 100 до 1200С. Теплоотвод выделяющейся теплоты из зоны трения должен осуществляться материалом контртела (тормозного диска). Из-за разницы в теплофизических свойствах материалов тормозных устройств температура преимущественно поглощается контртелом, т.е. тормозным диском.
Анализ результатов экспериментальных исследований энергетического баланса при трении контактных поверхностей в условиях трения без смазочного материала
Условия испытания стали У8 характеризовались меньшей разницей в механических свойствах контактирующих поверхностей, что существенно снижает долю механической составляющей в энергетическом балансе при трении (таблица 2.1). Увеличение этой разницы при испытании стали 110Г13Л и увеличение соотношения твердостей до 15 вызвало резкий рост механической составляющей. Пропорционально изменению доли механической составляющей энергетического баланса происходит перераспределение тепловыделения в зоне трения с 50% для стали 110Г13Л при удельной нагрузке 0,72 Н/мм2 до 90% для стали У8 при тех же условиях нагружения. Полученные значения показывают, что за счет изменения соотношения прочностных свойств контактирующих поверхностей, работающих в условиях трения без смазочного материала можно существенно изменять распределение энергии трения по составляющим энергетического баланса. При обеспечении условий для интенсивного отвода теплоты с контактной поверхности более прочного контртела можно свести к минимуму долю энергии, идущей на механическое разрушение путем подбора соответствующего соотношения прочностных свойств контактирующих тел.
Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы; - 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.
Трение и изнашивание рабочих поверхностей тормозных устройств помимо силовых факторов во многом зависит от тепловых процессов, протекающих в зоне контакта [10, 12, 17, 19, 22, 23]. С одной стороны изнашивание контактных поверхностей возникает в результате режущего или царапающего действия со стороны более твердых выступов на поверхностный слой контактирующей детали. И в этом случае по данным работ Хрущева М.М., Вахала А. и Хебды М. происходит микрорезание поверхности, а количество теплоты, выделяющееся в зоне трения, невелико, потому что почти вся энергия трения расходуется на образование новых поверхностей [30]. Но с другой стороны, согласно работам Крагельского И.В., изнашивание под действием твердых частиц может сопровождаться деформированием и передеформированием поверхностного слоя материала, тогда нагрев образцов в пятнах фактического контакта в результате процессов трения носит характер температурных вспышек, где температура достигает и даже превышает значения температур высокого отпуска сталей [19].
Особенностью процесса трения в тормозных устройствах является преимущественное распределение тепловой энергии в объемах металлического тормозного диска, причем нагрев фрикционного элемента пары трения значительно меньше вследствие разницы теплопроводящих свойств материалов, из которых она изготовлена.
Если пренебречь затратами энергии на окисление поверхности тормозного диска и разрушение окисных пленок, то энергетический баланс процесса трения тормозного устройства в единицу времени можно представить следующим образом: W = f -N-v = W +W (27) тр J тр мех тепл где: Wmp - общая мощность трения, Дж/с, W = /TP N#V; Щеф механическая составляющая, Дж/с; Wmem - тепловая составляющая, Дж/с; /тр - коэффициент трения; N - нагрузка на контакте, Н; v - относительная скорость перемещения, м/с. Механическая составляющая процесса трения зависит от напряженного состояния, формируемого в менее прочном контртеле при контакте с высокотвердой поверхностью. Исходя из уровня удельных нагрузок, фиксируемых в тормозных устройствах в процессе торможения, можно выделить два диапазона номинальных напряжений (Рс), возникающих в зонах контакта микронеровностей: Ретинакс А 48 25,1 0,3-0,35 1,01-ю- 1,44-Ю- 2,69-10" + 3,89-Ю- Ретинакс Б 47 21,8 0,3-0,35 0,99-Ю + 1,41-Ю- 2,63-Ю- 3,81-Ю- ЭМ-2 3,5 11,9 0,4-0,45 0,07-Ю- одою 0,20-10" + 0,28-Ю- ЭМ-1 2 10,8 0,4 - 0,45 0,04-Ю- -0,06-Ю о,цю-3 0,16-Ю АГ-1Б 27 39,7 0,4 - 0,45 0,57-Ю- 0,81-Ю- 1,51 "Ю-3 + 2,19-Ю- Анализ полученных значений напряженного состояния, вызывающего появление в фрикционных материалах упругих и пластических деформаций показывает, что уровень напряжений, характеризующих появление пластических деформаций для большинства фрикционных материалов лежит ниже диапазона прижимных удельных нагрузок, характерных для их эксплуатации (0,1 - 6,0 МПа) (рисунок 2.6).
Определение рациональных параметров тормозного устройства
Изменение температуры в стальной пластине на разном расстоянии х от ее контактной поверхности в течение времени трения можно рассчитать следующим образом [46]: FX при этом: 4=—[1-Ф(«О] У]я -и (46) 2 4 о а „ и и и и Ф(и) = -=і/(1 + + ...) (47) 4п 1!3 2!5 3!7 4!9 V } їх2 и = (48) Aat где: о X - коэффициент теплопроводности, Дж/мм с С; F - площадь контактной поверхности, мм2; а — коэффициент температуропроводности, мм /с; t - время, с. Повышение температуры стальной пластины в процессе трения вызывает снижение мощности теплового потока в каждом ее сечении. Количество теплоты {Q1), затраченное на ее нагрев за некий промежуток времени t, приближенно можно определить следующим образом: Qx=c.p-F-z- -), (49) где: с - удельная теплоемкость; р — плотность стали; F— площадь поперечного сечения; z - толщина стальной пластины, Ті и Т2 - изменение температуры нагрева стальной пластины на поверхности трения и поверхности контактирующей с теплоотводящеи вставкой за время t соответственно. Средние потери мощности теплового потока qi, затраченные на нагрев стальной пластины, за рассматриваемый промежуток времени t составят соответственно: bqx=9L (50) Учитывая тепловые потери на нагрев стальной пластины мощность источника теплоты, действующего на контактной поверхности теплоотводящеи вставки можно определить следующим образом: q2 = qi-Aqh (51) Распределение температур по толщине теплоотводящеи вставки может быть определено также как и для стальной пластины с учетом изменения мощности теплового потока и теплофизических коэффициентов, характеризующих материал вставки по формулам (46) - (49).
Из-за разницы в теплофизических свойствах стальной пластины и теплоотводящеи вставки на границе их контакта температурное поле изменяется скачкообразно, за счет того, что количество теплоты Q], поступившее к внутренней поверхности стальной пластины, контактирующей с теплоотводящеи вставкой за время трения t меньше, чем количество теплоты Q2, прошедшее через поверхность теплоотводящеи вставки за тот же интервал времени t. В результате температура нагрева двух контактирующих поверхностей Тг и Тз различна, что обеспечивает формирование дополнительного теплового потока, который вызывает перераспределение теплоты между двумя разнородными частями поверхностного слоя. Этот дополнительный тепловой поток можно представить, как фиктивный плоский источник теплоты (дфикт), действующий в зазоре между стальной пластиной и теплоотводящеи вставкой и обеспечивающий выравнивание температур между контактирующими поверхностями стальной пластины и теплоотводящеи вставки. гр грфикт гр грфикт /со\ где: Тстфикт и Тмфикт - температура от фиктивного источника в медной и стальной пластинах. Т2 - температура на поверхности стальной пластины, контактирующей с теплоотводящеи вставкой. Т3 - температура на поверхности теплоотводящеи вставки, контактирующей со стальной пластиной. Для определения удельной тепловой мощности фиктивного источника (Яфикш) в представленное выше равенство необходимо подставить выражения для расчета температуры от фиктивного источника, согласно выражения (46): euJ г. ,, J X Є "2 ЧфиКт=(Т2-тз)/( FKm -f—[і-ф(о] vf—11 фм] ) (53) где: х - расстояние от плоскости контакта стальной и медной пластин, принятое в расчетах равным шероховатости поверхностей; Аст и Хл - коэффициенты теплопроводности стали и меди соответственно. Для стальной пластины фиктивный источник выполняет роль стока теплоты и способствует снижению температур по ее толщине. Вычитая полученные на основании выражения (44) и величины Цфикт значения температуры от фиктивного источника в стальной пластине из исходных температур ее нагрева получаем результирующее тепловое поле, формирующееся в поверхности биметаллического тормозного диска. С использованием представленной методики был проведен расчет изменения температуры нагрева по толщине биметаллического диска за 300 секунд, поверхность которого контактирует с фрикционным материалом с коэффициентом трения равным 0,5 при контактной нагрузке 0,15 МПа и скорости относительного перемещения 15 м/с. Теплофизические характеристики материала детали принимались равными: для низкоуглеродистой низколегированной стали: коэффициент теплопроводности: )L=0,038 Дж/(мм с С); коэффициент температуропроводности: а=\Ъ мм /с; для медного сплава: о коэффициент теплопроводности: Л,=0,16 Дж/(мм с С); коэффициент температуропроводности: а=36 мм /с; Толщина стальной пластины принималась равной 1 мм, а высота выступов шероховатости контактирующих поверхностей 0,01 мм. Результаты расчета представлены на рисунке 3.2.
Экспериментальное определение температуры нагрева и коэффициента трения тормозных устройств
Применение смазочных сред в тормозных устройствах имеет ограниченное применение из-за необходимости сохранения на требуемом уровне коэффициента трения и эксплуатационных характеристик. Повышение теплопроводности тормозного диска за счет применения материалов с высокой теплопроводностью является серьезным резервом в снижении температуры в зоне трения. Однако использование цветных металлов для изготовления тормозных дисков и барабанов имеет существенное ограничение, связанное с низкой прочностью таких сплавов.
Наиболее часто можно встретить тормозные барабаны и диски из чугуна. Мотоциклетные тормозные диски изготавливают из нержавеющей стали для защиты от коррозии. Но чугун обладает лучшими фрикционными качествами. Рост скоростей и увеличение требований к тормозам приводят к появлению новых материалов для создания тормозных дисков. В автоспорте используются диски на основе углеволокна (carbon fiber composite). Такие тормоза значительно легче чугунных и работают очень эффективно. Однако карбоновые тормоза работают лишь при очень высоких температурах. То, что для обычных стальных или чугунных дисков может считаться экстремально высокой температурой, для карбоновых дисков — нормальное рабочее состояние. То есть на обычных автомобилях в обычных условиях эксплуатации такие тормоза не будут работать - не успеют разогреться. По этой причине применение углепластиковых композитов в тормозах ограничивается болидами Формулы-1 и автомобилями, участвующими в других подобных гонках.
Российская авиакосмическая промышленность предложила иную технологию. На ее основе созданы тормозные диски из силициума, то есть кремния. Такие диски использует, в частности, Ducati на своих мотоциклах. Кремниевые тормозные диски сочетают коэффициент трения чугуна и легкость углепластика. По подобной схеме производит диски для мотоциклов компания SICOM. Их диски из композита кремний-карбид-углерод по твердости сравнимы с алмазом и способны работать при температурах до +1400 С (температура плавления чугуна - около 1200 С, а чистого железа -более 1500 С).
Применение этих материалов тормозного диска сопровождается значительным разогревом фрикционной накладки. Одним из вариантов обеспечения высокого уровня прочностных свойств контактной поверхности в сочетании с повышенной теплопроводностью по объему детали может стать использование биметаллических конструкций. Применение для рассматриваемых деталей вставок из сплавов на основе цветных металлов, расположенных под стальной контактной поверхностью трения, является одним из вариантов интенсификации теплоотвода и повышения их износостойкости.
На основе предложенного способа повышения износостойкости тормозных устройств, была разработана новая конструкция дискового тормозного механизма, на которую был получен патент на полезную модель "Дисковый тормозной механизм", который представлен на рисунке 4.3.
Патентообладатель(ли): Федеральное агентство по образованию государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский Государственный Университет нефти и газа им. ИМ. Губкина (RV) я Автор(ы); см. на обороте Заявка №2008131032 Приоритет полезной модели 28 июля 2008 г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 ноября 2008 г. Срок действия патента истекает 28 июля 2018 г.
Данное изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в тяжелонагруженных тормозных устройствах подъемно-транспортных, дорожных, строительных машин и транспортных средствах.
Снижение температуры контактной поверхности тормозного диска за счет увеличения теплоотвода использовалось неоднократно.
Известны тормозные диски для транспортного машиностроения (патент RU 2165040С1 и патент RU 2212572С1 МПК 7F16D65\847). В первом случае (RU 2165040С1) тормозной диск представляет собой монолитный ротор со ступицей, жестко установленной на оси, и имеет поперечные, расположенные с обеих сторон вентиляционные ребра, расположенные по касательной к наружной образующей его ступицы. Ребра образуют вентиляционные каналы. Во втором случае (RU 2212572С1) в диске равномерно по окружности от ступицы до обода диска выполнены сквозные вентиляционные каналы, образованные поперечными перегородками в виде лопаток. Лопатки одинаково наклонены назад относительно направления вращения диска. При этом каждая вторая лопатка короче первой длинной и не достигает ступицы на отрезок, отсекаемый перпендикуляром, опущенным из точки пересечения средней линии лопатки с наружной образующей ступицы первой длинной лопатки на среднюю линию последующей длинной лопатки.
К недостаткам таких тормозных дисков следует отнести: - сложное конструктивное исполнение с большим количеством теплоотводящих элементов, охлаждение за счет конвективного теплообмена, эффективность которого требует увеличения площади теплоотдающих поверхностей. Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому решению является дисковая колодка с жидкостным охлаждением (патент RU 2253058 СІ МІЖ F16D65/853). Она содержит корпус с выступами, имеющий поверхность трения, тыльную сторону и рубашку охлаждения. Рубашка охлаждения выполнена в виде, по меньшей мере, одной металлической трубки, установленной внутри колодки концентрично ее оси с тыльной стороны таким образом, что между металлической трубкой и корпусом колодки отсутствует зазор. Концы трубки выступают над тыльной поверхностью дисковой колодки. Металлическая трубка установлена заподлицо с тыльной стороны колодки и имеет овальное сечение, большая ось которого параллельна поверхности трения.
