close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Сучкова Диана Александровна. Исследование долговечности и эффективности тормозных устройств

код для вставки
3
4
5
Аннотация
Выпускная квалификационная работа содержит следующие разделы:
конструктивные особенности тормозных устройств, требования к тормозным
устройствам,
условия
работы
фрикционных
узлов,
пути
повышения
долговечности и эффективности тормозных устройств, обобщение результатов
исследования тормозных устройств.
Значение тормозных устройств возрастает в связи с интенсификацией
производства, увеличением движущихся масс, скоростей перемещения и частоты
торможений. В течение короткого периода времени тормозные устройства
должны
преобразовать
в
тепловую
энергию
значительное
количество
механической энергии и передать ее в окружающую среду без снижения
работоспособности как устройства, так и машины целом.
Разнообразие назначения тормозов, условий их использования и параметров
машин привело к появлению большого количества тормозных устройств
различных видов. Сведения по ним приведены в различных литературных
источниках, что затрудняет решение практических вопросов выбора наиболее
целесообразной конструкции, проектирования, изготовления и эксплуатации
тормозных устройств.
Выпускная квалификационная работа содержит 76 страниц расчетнопояснительной записки и 11 слайдов презентации.
6
Оглавление
Введение
7
1 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ
10
2 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТОРМОЗНЫМ
УСТРОЙСТВАМ
20
3 УСЛОВИЯ РАБОТЫ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ ТОРМОЗА И НАГРУЗКИ,
ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА НИХ
23
4 ТРЕБОВАНИЯ К ФРИКЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ
28
4.1 Краткий обзор исследования по фрикционным материалам ......................... 30
5 ОСНОВНЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И
ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
47
6 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОРМОЗНЫХ
УСТРОЙСТВ И ФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
50
7 ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ, ДОЛГОВЕЧНОСТИ И
ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ
56
Заключение
74
Список использованных источников
76
7
Введение
Актуальность темы. Тормозные устройства уменьшают скорость машины с
заданным замедлением или останавливают ее на определенном тормозном пути, а
в подъемно- транспортных машинах удерживают груз в подвешенном состоянии
при определенном коэффициенте запаса торможения.
Значение тормозных устройств возрастает в связи с интенсификацией
производства, увеличением движущихся масс, скоростей перемещения и частоты
торможений. В течение короткого периода времени тормозные устройства
должны
преобразовать
в
тепловую
энергию
значительное
количество
механической энергии и передать ее в окружающую среду без снижения
работоспособности как устройства, так и машины целом.
Основными направлениями повышения надежности и эффективности
использования тормозных устройств являются конструктивное усовершенствование механической части и привода существующих тормозов и создание
новых конструктивных разновидностей, разработка и применение новых
материалов с повышенными фрикционными свойствами. При этом широко
используются достижения трибоники (научного направления, изучающего
взаимодействие поверхностей, движущихся одна относительно другой и
испытывающих взаимное трение) создаются и применяются новые методы
расчета, исследования и испытания тормозных устройств и фрикционных
материалов.
Разнообразие назначения тормозов, условий их использования и параметров
машин привело к появлению большого количества тормозных устройств
различных видов. Сведения по ним приведены в различных литературных
источниках, что затрудняет решение практических вопросов выбора наиболее
целесообразной конструкции, проектирования, изготовления и эксплуатации
тормозных устройств.
Цель работы – повышение эффективности, надежности и долговечности
тормозных устройств. Поставленная цель достигается путем оптимизации
8
основных параметров тормозных устройств, применения новых материалов и
технологий.
Для достижения поставленной цели необходимо провести исследования, в
процессе которых решить следующие задачи:
– обосновать основные пути совершенствования ленточных тормозных
устройств;
– описать требования к фрикционным материалам тормозных устройств,
выявить неблагоприятные факторы и условия, влияющие на надежность и
долговечность тормозных устройств;
– выявить основные пути повышения долговечности тормозных устройств;
– обобщить результаты исследований тормозных устройств и фрикционных
материалов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются
ленточные тормозные устройства.
Предметом исследования являются процессы взаимодействия фрикционных
материалов тормозных устройств.
Методы
исследования:
обзор,
анализ
и
обобщение
результатов
выполненных исследований; теоретические и графоаналитические методы
исследования; математическое моделирование; вычислительный эксперимент численное решение уравнений.
Новизна результатов исследования

Определено влияние условий работы фрикционных материалов
тормозных устройств на их надежность и долговечность;

Выявлены основные пути повышения надежности и долговечности
тормозных устройств.
Практическая значимость работы
Обобщение материалов исследований фрикционных узлов и тормозным
устройствам
и обобщение соответствующих литературных данных позволяют
сделать вывод, что основными путями усовершенствования тормозных устройств
и повышения их надежности, долговечности и эффективности следует считать:
9
– продолжение и углубление исследований физико-химических процессов,
протекающих в различных типах материалов фрикционных узлов при работе
тормозов, с применением новейших методов микро- и субмикроанализа;
 дальнейшее
усовершенствование
конструкции
тормоза
и
его
фрикционных узлов;
 проведение широких исследований по созданию новых и улучшению
существующих фрикционных материалов;
 разработку новых и
усовершенствование
существующих методов
испытаний фрикционных материалов и испытательных машин; введение
унификации как методов, так и стендов, установок и другого лабораторного
оборудования; разработка методов ускоренных испытаний с применением теории
подобия;
 развитие исследований по моделированию трения и износа фрикционных
материалов с целью перенесения результатов исследования с модели на натуру;
 создание теории и инженерных методик предварительного расчета
деталей тормозов на трение и износ; соблюдение при эксплуатации машин
принятых или расчетных режимов работы тормозов (по частоте включения,
времени работы и другим эксплуатационным параметрам);
 улучшение работы систем управления и автоматики тормозных систем,
так называемых «антиюзовых» систем, имеющихся в некоторых машинах
(применение новых типов «антиюзовых» систем, двух- или трехступенчатых
клапанов растормаживания; различных типов агрегатов,
работающих по
определенной программе или настройке);
 разработка
и
применение
различных
систем
охлаждения
высоконагруженных тормозных устройств.
Структура и объем. Диссертация состоит из: введения, семи глав,
заключения, списка использованных источников из 67 наименований; содержит
70 страниц основного текста.
10
1 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ
Тормозные устройства создают сопротивление движению машины или ее
отдельных агрегатов, что необходимо для остановки, регулирования скорости или
удержания машины на месте. Особо важное значение для обеспечения
нормальной эксплуатации имеют тормоза транспортных и грузоподъемных
машин, так как они в значительной мере гарантируют их безопасную работу.
Проблема торможения действующих и проектируемых машин является
весьма сложной. К тормозам и их фрикционным узлам предъявляются
требования, которые не всегда могут быть полностью выполнены. В некоторых
случаях эти требования противоречивы. Например, фрикционные материалы, от
свойств которых зависят главным образом эксплуатационные характеристики
тормоза, при достаточно высоком коэффициенте трения должны обладать
возможно минимальным износом, т. е. тормоз должен располагать при малых
габаритах значительным тормозным моментом при сохранении достаточного
ресурса.
Из-за многообразия конструктивных форм машин, широкого диапазона
мощности, поглощаемой тормозами, нагруженность, и особенно тепловые
режимы тормозов различны. Это вызывает необходимость применения не только
тормозов различных конструкций, но и разных фрикционных материалов, иногда
даже для одного и того же типа машин. Встречаются тормозные устройства,
материалы которых должны иметь высокие эксплуатационные характеристики в
весьма
широких диапазонах изменения скорости, температуры и удельного
давления.
Сложные, резко отличные условия работы фрикционных узлов не
позволяют упрощенно подходить к проблеме конструирования тормозов. Во
многих случаях невозможно, например, переносить результаты испытаний
материала одного типа тормоза на другой, переносить без поправок результаты
лабораторных испытаний на натурный тормоз и, иногда, результаты натурных
11
стендовых испытаний на действующую машину, что связано в основном с
различными нагрузками, а также температурами и. температурными полями,
сильно влияющими на величины сил трения и износ деталей.
В наиболее тяжелых условиях находятся тормозные устройства колес шасси
современных самолетов с газотурбинными двигателями, нефтебуровых лебедок,
экскаваторов, некоторые фрикционные железнодорожные и автомобильные
тормоза, тормоза отдельных гусеничных машин и т. д.
Описания различных типов тормозных устройств машин, исследования их
долговечности, методы расчета, особенности конструирования и эксплуатации
содержатся в работах [3, 38, 41, 54, 74 и др.].
Конструкция и расчет различных типов тормозов, их преимущества и
недостатки, области применения изложены в работе [3]. В этой монографии автор
излагает вопросы проектирования, изготовления и эксплуатации тормозных
устройств;
приводит
четкую
классификацию
тормозных
устройств,
их
конструктивные и технологические особенности; методы расчета механической
части тормоза и .методы теплового расчета; особенности эксплуатации и другие
вопросы. Значительное место в работе отведено фрикционным материалам.
Результаты
исследовательских
работ
в
области
торможения
высокоскоростных пассажирских и тяжеловесных грузовых поездов изложены в
работе [41]. В ней приведены основные параметры тормозов железнодорожного
транспорта, тепловой расчет, а также методы прочностных и других расчетов
элементов тормозных устройств и систем управления ими.
Вопросы вибраций тормозных устройств с анализом причин и разработкой
рекомендаций по уменьшению колебаний тормозного момента для дисковых
тормозов Приведены в работе [44].
Результаты исследований температуры нагрева тормозного барабана и
других элементов колес при торможении с учетом различных факторов
изложены в работах [54, 92]. Быстрое нарастание температуры (через 6—10 с на
глубине 0,19 мм она достигает 1000° С) вызывает тепловой удар, значительно
изменяющий свойства фрикционных материалов.
12
Специальная методика расчета температуры на поверхности колеса
железнодорожных вагонов при торможении описана в работе (74]. Л. М.
Пылгевичем
изучены
вопросы
выбора
оптимальных
площадей
трения
колодочных тормозов с учетом нагрева поверхности трения, разработаны
конструктивные мероприятия для повышения срока службы и эффективности
колодочных
тормозов
на
железнодорожном
транспорте,
определены
фрикционно-тормозные свойства колодок, даны рекомендации по подбору пар
трения.
Характеристики пар трения фрикционных, муфт и тормозов гусеничных
машин приведены в работе [38]. В ней рассмотрены также различные типы муфт
и тормозов, работающих в условиях сухого трения и в масле; приведен расчет
тормозов и муфт, а также методы испытания их на стенде. Успешное
проектирование фрикционных тормозов и муфт возможно лишь при нал и чи и
данных о работе фрикционных узлов в эксплуатационных условиях; при наличии
соответствующих расчетных формул, и коэффициентов и полных данных о
свойствах фрикционных материалов [38], обеспечивающих необходимую
долговечность тормоза.
Тормозные устройства различных машин можно классифицировать [3]: по
конструктивной форме рабочих элементов, принципу действия, назначению,
характеру действия приводного усилия и другим признакам. На практике
наиболее часто применяется классификация первого типа, по которой тормоза
разделяют на колодочные, камерные, ленточные и дисковые.
Колодочные тормоза, широко применяющиеся в промышленности и на
транспорте, можно подразделить на двухколодочные и многоколодочные. В
авиации последние получили название камерных, так как они приводятся в
действие давлением жидкости или сжатого воздуха, подаваемого в резиновую
камеру. Рабочие элементы колодочных тормозов колодки соприкасаются при
включении тормоза с наружной или внутренней поверхностью тормозного шкива
или барабана.
13
Одноколодочные тормоза почти не находят применения, так как при их
работе появляются большие усилия, изгибающие ось тормозного колеса или вал
шкива.
Двухколодочные
тормоза
применяются
в
подъемно-транспортных
машинах, в механизмах передвижения тележек электроталей, автомобилях, на
железнодорожных машинах и т.д. (рисунок 1, 2).
Рисунок 1 Двухколодочный тормоз
Конструкции различных типов колодочных тормозов описаны в работах [3,
41,74 и др.].
Анализ конструкций, а также условий эксплуатации тормозных устройств
показывает, что в некоторых двухколодочных тормозах (особенно с наружным
расположением колодок), имеющих большое число шарнирных соединений,
быстрый износ шарниров резко снижает надежность тормоза, так как приводит к
запаздыванию торможения и появлению вибрационных нагрузок, действующих
на детали тормоза. При наличии больших зазоров между колодками и шкивами
(барабанами) при появлении упругих деформаций рычагов и тяг, а также при
износе деталей шарнирных соединений увеличивается время затормаживания и
14
растормаживания, что в некоторых случаях может привести к аварии при работе
машины.
Рисунок 2 Колодочный тормоз с короткоходовым электромагнитом
постоянного тока
В процессе эксплуатации колодочные тормоза осматривают, а также
выполняют определенные регламентные работы. Периодичность технического
обслуживания
колодочных
тормозов
для
одних машин
определяется
в
зависимости от количества торможений, для других количеством часов работы,
для третьих календарным временем. Для многих машин предусматриваются
оперативные
и
периодические
виды
технического
обслуживания.
При
выполнении оперативных видов технического обслуживания производят внешний
осмотр деталей колодочных тормозных устройств, проверяют их крепление,
герметичность тормозных цилиндров и трубопроводов (в случае гидравлического
управления тормозом) или крепление и ход якоря электромагнитов (при
электромагнитном управлении тормозом).
Кроме того, в доступных местах (без разборки тормоза) проверяют
состояние шкива (тормозного барабана), состояние фрикционных накладок, а
иногда и величину зазоров между колодками и барабанами (шкивами).
15
При
выполнении
периодических
форм
технического
обслуживания
контролируют и при необходимости регулируют зазоры между колодками и
барабаном,
проверяют
растормаживания
работу
тормоза
(затормаживания).
В
и
четкость
некоторых
действия
колодочных
пружин
тормозах
проверяют величину люфтов в соединениях тяг, рычагов; заменяют смазку в
шарнирных соединениях. Проверяют также состояние тормозных барабанов
(шкивов) и колодок. Для каждого типа тормоза имеются регламентированные
пределы допустимых рисок, задиров и трещин в биметаллических тормозных
барабанах. Колодки заменяют, как только износ достигнет допустимой величины.
Проверяют также правильность прилегания колодок к барабану (шкиву), время
затормаживания и растормаживания, а для некоторых тормозов и нагрев
отдельных деталей или агрегатов тормоза (тормозных барабанов, шкивов,
электромагнитов и др.).
Несмотря
распространение
на
в
то,
что
разных
колодочные
отраслях
тормоза
получили
промышленности
ввиду
широкое
простоты
конструкции, надежности в работе, в последние годы на многих машинах их
заменяют тормозными устройствами других типов.
Такая замена связана с резким увеличением нагрузки на тормоза многих
машин (самолетов, автомобилей; железнодорожного подвижного состава и др.).
Конструкция колодочного тормоза не позволяет обеспечить интенсивный отвод
тепла от поверхности трения деталей. Поэтому коэффициент трения фрикционных
элементов в таком тормозе из-за его нагрева изменяется в процессе эксплуатации.
Эффективность торможения резко снижается также при замасливании тормозных
колодок. Колодочные тормоза весьма чувствительны к деформации (усадке,
короблению) каркаса колодок и тормозного
вследствие
барабана,
происходящей
большого и неравномерного их нагрева. Кроме того, они имеют
малую энергоемкость и небольшой срок службы. Работа колодочного тормоза,
особенно с сервомеханизмом, нарушается даже при незначительных отклонениях
и установке колеса или тормоза на оси. Это вызывает необходимость частых
проверок и регулировок зазоров в колодочных тормозах при эксплуатации
16
машин. Объем работ по техническому обслуживанию таких тормозов больше, чем
по обслуживанию тормозов других типов. Кроме частых регулировок, требуется
тщательный осмотр рабочих поверхностей тормозных колодок и барабанов.
Неправильная регулировка зазоров тормоза с сервомеханизмом
неравномерной
колодок,
приводит
к
нагрузке на колодки и преждевременной замене одной из
па
которую передается усилие от приводного цилиндра. При
правильной регулировке зазор между этой колодкой и тормозным барабаном
должен быть больше зазора между второй колодкой и барабаном. В
двухколодочных
тормозах
неравномерно даже
отрицательное
исследования
всех
при
влияние на
типов
колодки
часто
отсутствии неисправностей,
изнашиваются
что
оказывает
работу и срок службы тормоза.
неравномерности
нагружения
и
износа
Подробные
колодок
тормозов,
например, железнодорожного подвижного состава и рекомендации по улучшению
их работы изломы в работах [70, 74].
Тормозные устройства камерного типа (многоколодочные тормоза, рис. 3)
менее подвержены влияниям деформаций вследствие нагрева деталей, так как в
этих тормозах отсутствует склонный к большим деформациям металлический
каркас колодок и сами тормозные колодки меньшего размера. Нагружение, нагрев
и износ колодок в многоколодочном тормозе происходят несколько равномернее,
чем в двухколодочном тормозе.
Применение камерных тормозных устройств обусловлено стремлением
увеличить энергоемкость при сохран е н и и заданного строительного объема
тормоза. Однако и в камерных тормозах при эксплуатации появляются
неисправности,
хотя
объем
выполняемых
работ
при
их
техническом
обслуживании несколько меньше, чем при обслуживании двухколодочного
тормоза. К таким неисправностям относятся: трещины на тормозных барабанах и
колодках, неравномерный износ колодок и барабанов вдоль образующей,
трещины и потеря герметичности тормозных камер и другие неисправности.
При техническом обслуживании камерных тормозов проверяют надежность
крепления отдельных деталей, герметичность гидро- (или газовой) системы
17
управления торможением, герметичность и состояние тормозных камер.
Осматривают также тормозные колодки и тормозные барабаны. При достижении
максимально допустимой выработки тормозных колодок, а также при наличии
недопустимых по размерам трещин колодки заменяют.
На биметаллических тормозных барабанах допускается мелкая сетка
трещин в чугунном слое. Как правило, не допускаются трещины, проходящие по
всей длине образующей тормозного барабана. В некоторых камерных тормозах
замеряют зазоры между колодками и тормозным барабаном для предотвращения
самоторможения, особенно после замены колодок или тормозных барабанов.
Интересны
результаты
исследований
характера
износа
тормозных
барабанов вдоль образующей, интенсивности износа в зависимости от числа
торможений, влияния количества торможений на образование недопустимых
трещин тормозных барабанов в камерном тормозе, а также других причин
наиболее интенсивного образования этих трещин [17].Авторами проведены
наблюдения за работой пятидесяти тормозных устройств камерного типа в
эксплуатационных условиях с замерами выработки тормозных барабанов в
зависимости от количества торможений. Кроме того, проанализированы
статистические данные появления недопустимых трещин в большом количестве
тормозных барабанов, находящихся в эксплуатации.
Для
исследования
характера
износа
тормозных
барабанов
вдоль
образующей в зависимости от количества торможений замеряли величину износа.
Вся длина образующей была разделена на семь поясов (рисунок 3):
Рисунок 3 Сечение биметаллического тормозного барабана после
195 торможений
18
I – внешний торец тормозного барабана; II – на расстоянии 15 мм от
внешнего торца; III – 35 мм от внешнего торца; IV – 65 мм от внешнего торца
(средний участок образующей тормозного барабана); V – 95 мм от внешнего
торца; VI – 115 мм от внешнего торца и VII – у внутреннего торца образующей
барабана
Выработку тормозных барабанов по семи поясам замеряли нутромером с
индикатором. Для точной установки нутромера по поясам был изготовлен шаблон
с отверстиями, который устанавливали в тормозной барабан. В отверстия
шаблона вводили фиксаторы нутромера. По результатам замеров построены
соответствующие графики.
Средний суммарный износ (I) тормозных барабанов по длине образующей
(L) в зависимости от количества торможений показан на рис. 5.
Средний суммарный износ в каждой точке определяли по формуле
=
1 +2 +3 +⋯+

(1)
где I – средний суммарный износ тормозных барабанов в определенном поясе за
100, 150, 200 … торможений;
I1, I2, …; Ii – суммарный износ первого, второго, …, i-го барабана за 100, 150, …,
300 торможений (в определенном поясе);
I – количество замеренных тормозных барабанов, имевших 100, 150, …, 300
торможений.
Как показано на рисунке 4, суммарный износ тормозных барабанов вдоль
образующей неравномерный.
19
Рисунок 4 Изменение среднего суммарного износа (I) различных тормозных
барабанов по длине образующей (Д):
1 – за 100 торможений; 2 – за 150; 3 – за 200; 4 – за 250;
5 – за 300 торможений
Неравномерность резко возрастает с увеличением количества торможений.
Наибольший суммарный износ наблюдается в III и V поясах при любом
количестве торможений. Эти данные согласуются с данными работы [50].
Для
исследования
интенсивности
износа
тормозных
барабанов
в
зависимости от количества торможений были посчитаны средние его величины за
одно торможение по поясам (I) в периоды от 0 до 100 торможений, от 100 до 150
торможений и т.д.
Средний износ вдоль образующей за одно торможение по поясам в
различные периоды имеет тот же характер, что и суммарный износ за весь период.
Однако средний износ за одно торможение на протяжении всего ресурса тормоза
не постоянный: с увеличением количества торможений до 200 износ за одно
торможение сначала уменьшается, а затем резко возрастает. Это увеличение
интенсивности износа тормозных барабанов можно, вероятно, объяснить тем, что
примерно через 200 торможений заменяют тормозные колодки вследствие
достижения максимально допустимой выработки. Новые колодки не полностью
прилегают к тормозному барабану, имеющему неравномерный износ. Неполное
20
прилегание тормозных колодок вызывает повышение удельного давления, а
следовательно, и температуры в местах контакта колодок и барабана. При этом
наблюдается
появление
дополнительных
напряжений,
резкое
увеличение
интенсивности износа тормозных барабанов и более интенсивное образование
трещин в их поверхностном слое. Повышенный износ после замены имеют и
тормозные колодки, срок службы которых из-за неравномерного износа резко
снижается.
Как показано на графике, наибольшее количество замен тормозных
барабанов производится через 200 – 250 торможений. Из общего количества
замененных тормозных барабанов более 30% барабанов были заменены после
выполнения более двухсот торможений и более 24% - после двухсот пятидесяти
торможений. Наибольшее количество замен тормозных барабанов после 200 – 250
торможений, по всей вероятности, можно объяснить предшествующей заменой
тормозных колодок и теми последствиями, которые вызывает неравномерный
износ барабанов.
2 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТОРМОЗНЫМ
УСТРОЙСТВАМ
Опыт эксплуатации различных тормозных устройств, а также анализ
неисправностей и отказов показывает, что большинство их появляется в
фрикционных узлах. Следовательно, при проектировании и эксплуатации
тормозного устройства необходимо правильно устанавливать режим его работы;
регламентировать и выдерживать в эксплуатации определенную длительность
работы тормоза, частоту его включения для получения оптимальной нагрузки на
фрикционные узлы. Необходимо следить за соблюдением температурного
режима тормоза, так как перегрев фрикционных элементов тормоза увеличивает
их износ и снижает коэффициент трения.
Снижение коэффициента трения из-за перегрева приводит к тому, что
правильно
спроектированный
и
изготовленный
тормоз
не
обеспечивает
21
необходимого тормозного пути машины, а это может привести к аварийной
ситуации. Кроме того, перегрев тормоза приводит к изменению зазоров в
соединениях,
резкому
изменению
свойств
фрикционных
материалов.
Естественно, что даже правильно выбранный конструктором фрикционный
материал при этом не обеспечит необходимого тормозного момента, а также
работоспособности тормоза. К тормозным устройствам машин предъявляют
следующие основные требования [3, 54, 55, 70, 90 и др.]: соответствие тормозного
момента заданной величине для определенных условий работы тормоза;
достаточная
прочность
конструктивных
элементов
тормоза;
простота
конструкции, обеспечивающая возможно меньшую стоимость изготовления.
Тормоз должен иметь малое время затормаживания и растормаживания; работать
достаточно плавно, без рывков, т. е. колебания тормозного момента не должны
превышать допустимых величин.
Одним из основных требований является правильный подбор фрикционных
материалов, что обеспечит при соблюдении других требований необходимую
эффективность, а также долговечность и надежность тормоза. При длительной
эксплуатации тормозов не должно наблюдаться снижения эффективности
торможения.
Для
оценки работоспособности фрикционных
пар введены специальные
коэффициенты, позволяющие оценить характер торможения [54, 90].
Коэффициент стабильности тормозного момента
ст =
Мт ср
;
Мт 
коэффициент колебания тормозного момента
=
 
 
коэффициент эффективности торможения
эф =
приведенная эффективность тормоза
ст
т2
;
22
эф.т =
эф.п
ℎ
=
ст 
ℎт2
,
где Мт ср – средний тормозной момент; Мт  - максимальный тормозной
момент;   – минимальный тормозной момент; т - продолжительность
торможения; h – линейный износ за единичное торможение (или за один цикл
одинаковых торможений); п – число одинаковых торможений.
Приведенная
эффективность
тормоза
является
комплексной
характеристикой, так как она позволяет оценить конструкцию и материал не
только по изменению тормозного момента, но и по долговечности тормоза.
Тормозные устройства должны соответствовать требованиям технологичности и
эксплуатационной технологичности. Эксплуатационная технологичность характеризуется удобством доступа к объектам обслуживания, легкосъемностью
элементов и изделий, степенью их взаимозаменяемости, приспособленностью к
автоматическому контролю технического состояния, степенью унификации
агрегатов, крепежных и других деталей, а также преемственностью оборудования
для
технического
обслуживания
[73].
Преемственность
оборудования
предусматривает возможность применения существующих средств механизации и
оборудования для технического обслуживания новых типов машин. Для
некоторых машин (например, летательных аппаратов) этот фактор оказывает
большое влияние на сроки и себестоимость технического обслуживания. Детали и
агрегаты изделий, обладающие невысокой надежностью и требующие частого
осмотра
или
замены,
должны
иметь
наилучшую
эксплуатационную
технологичность. Необходимо также учесть, что с улучшением эксплуатационной
технологичности изделия повышается его надежность, так как при хорошем,
например, доступе к агрегату его техническое обслуживание будет более
качественным.
Кроме того, трудоемкость и частота регулировок тормоза в эксплуатации
должны быть минимальными. Желательно регулировать тормоза только при их
сборке. После регулировки тормоз должен работать надежно длительное время.
При
эксплуатации
тормозных
устройств
нельзя
допускать
превышения
23
установленных режимов работы тормоза по всем показателям и, особенно, по
температуре.
Поверхности фрикционных элементов тормоза должны иметь высокий
коэффициент
теплоотдачи.
При
этом
количество
тепла,
рассеиваемого
излучением, увеличивается, что весьма важно при частых включениях тормоза.
Тормоз
современной
машины
должен
обладать
возможно
большей
энергоемкостью при минимальном весе и габаритах. Например, для самолетов,
где требование минимального веса и габаритов имеет особо важное значение,
применяется
показатель
удельная
энергоемкость
тормозного
колеса,
представляющая отношение величины поглощаемой кинетической энергии к
фактическому строительному объему колеса [70].
Выполнение перечисленных требований позволит обеспечить безотказную работу
тормозов в течение длительного времени.
3 УСЛОВИЯ РАБОТЫ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ ТОРМОЗА И
НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА НИХ
Интенсивное развитие техники, рост веса и скоростей машин (особенно
транспортных) вызвали необходимость применения особо форсированных
режимов работы тормозных устройств.
К наиболее нагруженным, относятся тормоза колес самолетов (табл.) [54,
55, 70, 74, 90, 92]. Например, на современных самолетах торможение происходит
в течение 15—40 с, а начальные скорости скольжения фрикционной пары могут
превышать 30 м/с. В этих условиях некоторые тормозные устройства самолетов
должны поглотить кинетическую энергию, равную 2—3 млн. кгс м.
В дальнейшем с увеличением посадочной скорости и веса самолетов, при
учете требований уменьшения габаритов тормоза значительно возрастет
начальная скорость скольжения трущихся деталей тормоза, что потребует
увеличения удельных давлений до 35 – 50 кгс/см2.
24
Для сокращения длины пробега самолетов наряду с фрикционными
тормозами колес применяют аэродинамические тормоза, реверсирование тяги и
другие способы торможения [79]. Однако основными являются тормоза
авиаколес, которые наиболее эффективны, особенно во второй половине пробега
(рис. ). Такие тормоза необходимы также при рулении и проверке работы
двигателей перед стартом.
25
Таблица 1 Основные данные, характеризующие нагруженность тормозов машин
Машина
Тормоз
Фрикционные
материалы
Кинетическа
я энергия,
поглощаема
я одним
тормозом, в
кгс·м
Асбокаучуковая
композиция –
1·104 – 3·105
металл
Самолет
Камерный
Асбосмоляная
5·104 –
композиция –
1,5·106
чугун
Дисковый Металлокерамик 105 – 2,5·106
а – чугун
Подвижной
Колодочны
Чугун – сталь
состав
й
железнодорожног Дисковый
5·105
Асбосмоляная
о транспорта
композиция –
сталь
Колодочны Асбокаучуковая
й
композиция –
металл
1·105
Автомобиль
Асбосмоляная
(грузовой и
композиция –
легковой)
металл
Дисковый Металлокерамик
5·105
а – металл
Ленточный Асбокаучуковая
Буровые лебедки
(асбосмоляная)
4·108
композиция –
металл
Шагающий
Ленточный Асбокаучуковая
экскаватор
композиция –
3·105
чугун
Ленточный Асбокаучуковая
Гусеничный
композиция –
трактор
металл
1·104
Дисковый Металлокерамик
а – сталь
Температура
(поверхностна
я) в
фрикционной
паре в C
Колодочны
й
Максимальная
мощность,
развиваемая
тормозами
До 900 – 1200
колес
До 800
150 – 400
800
600
400
300
одного
из
пассажирских самолетов с турбореактивными двигателями, приблизительно
26
12500 л.с. При этом за одну посадку тормоза этого самолета выделяют до 16250
ккал тепла, а температура в зоне трения достигает 1000 – 1200 С. В некоторых
тормозах объемная температура может повышаться до 200 – 600 С.
Рисунок 5 Влияние различных средств на торможение самолета при пробеге
Во
многих
машинах
энергонагруженность
тормозных
устройств
определяется величиной кинетической энергии, приходящейся на единицу массы
тормозного узла. Иногда для характеристики эффективности использования
строительного объема применяют термин удельная энергоемкость колеса, т. е.
отношение величины кинетической энергии к фактическому строительному
объему тормозного колеса. Для самолетов, например, энергонагруженность
может достигать 20 000 кгс·м/кг, а удельная энергоемкость превышать 30
кгс·м/см3 [70].
Применение и совершенствование систем автоматического торможения [70]
(двухсигнальные
системы,
системы
с
программным
регулированием)
значительно повышают эффективность торможения и в связи с этим вызывают
дополнительную тепловую нагрузку на тормоза.
В дисковом тормозе с фрикционной парой сталь 65Г и металлокерамика,
работающем в среде смазки, скорость скольжения изменяется от 75 м/с до нуля, а
удельное давление достигает 50 кгс/см2 и более.
27
Длительное или частое интенсивное включение тормозов автомобиля
повышает температуру в них до 300 – 600° С. Температура обода лебедки при
спуске бурового инструмента (через 2—3 ч после начала спуска) достигает 600° С
[13]. На поверхности трения фрикционного материала тормозных устройств
лебедок шагающего экскаватора температура повышается до 320—400° С.
Данные, приведенные в табл., показывают, что для каждого типа машины
часто применяют тормоза, резко отличающиеся один от другого величиной
поглощаемой кинетической энергии и температурой. Это связано с тем, что
машины одного и того же типа (например транспортные машины) могут иметь
различную грузоподъемность, скорость включения тормозов и другие параметры.
Естественно, что и нагруженность, а также тепловой режим таких тормозов для
одного и того же типа машины могут быть резко отличными. Поэтому
целесообразно
проводить
разграничение
тормозных
устройств
по
их
нагруженности и, особенно, температурным условиям работы. Фрикционные
узлы тормозных устройств разделяют [55; 90] на три группы по нагруженности и
величине
объемной
температуры:
первая
–
легкие
условия
работы
(кратковременная объемная температура до 200° С; длительная – до 120°С;
давление – до 8 кгс/см2); вторая – средние условия работы (кратковременная
объемная температура до 400° С; длительная – до 250° С; давление до 15 кгс/см2)
и третья – тяжелые условия работы (кратковременная объемная температура до
600° С; длительная – до 450 С; давление – до 60 кгс/см2).
По величине температуры рабочих поверхностных слоев фрикционных
элементов тормозные устройства можно разделить на пять групп: с весьма
легким режимом работы – до 100° С; с легким – до 250° С; со средним – до 600—
700° С; с тяжелым – до 1000° С и со сверхтяжелым – более 1000° С.
Приведенную
классификацию
целесообразно
применять,
при
проектировании новых тормозов и подборе материалов для них, причем эту
классификацию
следует
применять
в
каждой
отрасли
машиностроения.
Например, требования к фрикционным узлам и тормозу в целом для
автотранспорта не могут быть едиными, так как имеются автомобили, где
28
поверхностная температура деталей тормоза не превышает 100—150° С. В
других же она достигает 900—1000° С. Для упомянутых машин применяют
различные типы фрикционных материалов; кроме того, может быть разной и
методика испытаний этих материалов.
4 ТРЕБОВАНИЯ К ФРИКЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ
Сложность подбора фрикционных материалов для тормозных устройств
заключается в противоречивости, как указывалось ранее, главных требований,
предъявляемых к этим материалам: необходимость получения больших и
стабильных коэффициентов трения в процессе эксплуатации при сохранении
достаточно высокой износостойкости деталей тормоза. Способность пары трения
сохранять стабильное значение коэффициента трения и малый износ в широком
диапазоне температур называется фрикционной теплостойкостью.
Основными теплофизическими характеристиками фрикционных материалов
[54, 55, 96 и др.] являются: высокие теплопроводность, удельная и объемная
теплоемкость, низкий
коэффициент теплового расширения и высокая точка
плавления или размягчения. Фрикционные материалы должны
иметь также
малый модуль упругости, при котором температурные напряжения, вызванные
градиентом
температуры, будут минимальными. Минимальный удельный вес
материалов позволит снизить вес конструкции тормозного устройства, что особо
важно для самолетов.
Высокая теплопроводность необходима для предотвращения возникновения
в тонком поверхностном
слое температуры плавления материала. Если
поверхностный слой размягчится, то возможно наволакивание металла на другой
материал фрикционной пары и прихватывание тормозов. В связи с этим материал
должен обладать и высокой точкой плавления или размягчения.
29
Низкий коэффициент теплового расширения фрикционного материала
уменьшает
тепловые напряжения между внутренней и внешней поверхностью
элемента пары трения(например, тормозного барабана, диска).
Высокая удельная теплоемкость позволяет материалу поглощать большее
количество тепла при минимальном повышении температуры, а большая
объемная теплоемкость позволяет иметь минимальные габариты барабана (диска)
при определенном удельном весе материала.
Кроме этого, к фрикционным материалам предъявляются требования по
быстрой
прирабатываемости
коррозионной
стойкости
при
изменениях
температуры от – 60 до +150 С, огнебезопасности, а также технологические
требования (возможность обработки на станочном оборудовании, крепления к
стальному каркасу)
и эксплуатационные требования (бесшумность,
масло- и
водостойкость и др.).
К
материалам
предъявляются
прочность,
тормозных
также
пар,
работающих
в
тяжелых
условиях
дополнительные требования – высокая механическая
стойкость против
тепловой усталости, отсутствие тенденции
царапать поверхность трения сопряженной детали,
отсутствие явлений
схватывания при работе, обеспечение плавного торможения [13, 54].
Как показали проведенные автором исследования (см. гл. IV и V), одним из
основных
требований,
предъявляемых
к
фрикционным
материалам,
для
высоконагруженных тормозных устройств, следует считать относительную
стабильность и равномерность изменения химического и фазового состава,
структуры и, следовательно, свойств поверхностного слоя материалов в процессе
эксплуатации.
Ни один чистый металл или какой-либо другой материал не удовлетворяет
всем перечисленным требованиям. Поэтому задача подбора и создания новых
фрикционных материалов является сложной и требует проведения
комплекса исследований.
широкого
30
4.1 Краткий обзор исследования по фрикционным материалам
Общие положения, характерные для сухого трения (трения без смазки),
изложены в работах [55, 56, 93 и др.]. Одно из главных положений состоит в том,
что из-за наличия шероховатости и волнистости поверхностей контактирование
двух тел происходит в отдельных пятнах, т. е. дискретно. Такой характер контакта
при трении двух твердых тел обусловливает постоянную смену отдельных
элементарных пятен касания, в которых происходят значительные деформации,
генерируется тепло, протекают химические процессы, изменяющие свойства
материалов. В связи с этим рассматриваются три этапа трения и износа:
взаимодействие поверхностей; изменения, происходящие на соприкасающихся
поверхностях, и разрушение поверхностей. Время существования элементарного
контакта зависит от скорости подвижного элемента пары трения, от состояния
поверхностей, от физико-механических свойств соприкасающихся материалов.
При этом наиболее высокие выступы получают пластическую деформацию, так
как напряжение, действующее на них, может значительно превосходить предел
текучести материала даже при небольших нагрузках из-за малой фактической
площади контакта.
Вследствие
наличия
пластического
деформирования
сближение
поверхностей зависит от продолжительности действия нормальной нагрузки и
поэтому при трении наблюдается связь между силой трения и реологическими
свойствами
соприкасающихся
материалов.
упругих системах трения исследованы
Релаксационные колебания в
работы [46], в которой указано, что
механические релаксационные колебания возникают в упругих системах тогда,
когда коэффициент трения покоя зависит от продолжительности неподвижного
контакта
и превышает коэффициент трения
зависимость коэффициента трения скольжения
скольжения,
и,
кроме того
от скорости имеет падающий
характер.
Решающими в трении скольжения являются два процесса [55]: колебания
контактирующих неровностей и размягчения поверхностного слоя под действием
31
температуры трения. Последняя переводит внешнее трение во внутреннее в
тонком, размягченном поверхностном слое.
Молекулярно-механическая
взаимодействия
трущихся
теория
трения
рассматривает два вида
поверхностей: механическое
(внедрение)
и
молекулярное (притяжение и схватывание). Одним из общих положений этой
теории является принцип суммирования
элементарных сил трения. При этом
возникает необходимость определения площадей касания двух твердых
удельных сил трения,
т.
е.
сопротивления,
возникающего на
тел и
единице
фактической площади касания.
Вопросами определения фактической площади касания поверхностей
занимались
многие
экспериментальных
исследователи [32, 34, 55 и др.].
и теоретических исследований
В результате
автор
работы
[32]
приходит к выводу, что фактическая площадь касания образуется в результате
одновременного
деформирования
как
(шероховатость),
так и полупространства,
отдельных
на
микровыступов
котором они
расположены
(волнистость).
При этом часть микровыступов деформируются пластически, другая часть
— упруго. Волны, на которых расположены микровыступы, деформируются
преимущественно упруго. Н.. Б. Демкиным [32] исследованы также вопросы
влияния свойств материала и геометрии поверхности на фактическую площадь
касания.
Для правильного решения проблемы повышения износостойкости деталей
машин большое значение имеет классификация видов изнашивания. В настоящее
время нет единой классификации, а в предложенных имеются спорные вопросы,
что
объясняется
различными
подходами
к
построению
той
или
иной
классификационной схемы. Так, например, в работах [87, 88] рассматриваются
три группы износа:
1. Механический износ, включающий три вида: абразивный, вследствие
пластического деформирования и при хрупком разрушении.
2. Молекулярно-механический – износ при схватывании.
32
3. Коррозионно-механический – коррозионный и окислительный износ.
Большое внимание в этой классификации уделяется условиям трения,
вызывающим тот или иной вид износа.
Классификация видов износа деталей машин, предложенная в работах [93,
95], предусматривает несколько видов разрушения фрикционных связей:
при механическом взаимодействии в зависимости от глубины внедрения:
микрорезание, пластическое оттеснение или упругое деформирование;
при молекулярном взаимодействии в зависимости о соотношения между
силами адгезии и когезии:
разрушение по адгезионным связям или глубинные
вырывания — когезионное разрушение.
В работе [47] предложена классификация видов износа деталей машин,
которая изменена и дополнена и работе [51] и изложена как классификация видов
износа и повреждаемости. Автор рассматривает два вид разрушений при трении:
допустимый (его автор называет износом) и недопустимый (повреждаемость) К
первому виду разрушений при трении автор относит механохимический
нормальный окислительный износ износ пленок некислородного происхождения
и механо-химическую форму абразивного износа. Ко второму виду —
схватывание первого и второго рода, фреттинг процесс, механическую форму
абразивного износа, уста лость при качении и другие виды повреждений
(коррозия, кавитация, эрозия, смятие и т. п.).
Процесс износа в работах П. А. Ребиндера и других авторов [76, 77 и др.]
рассматривается как поверхност ное разрушение трущихся тел под влиянием
тангенциальных усилий трения, вызывающих в отдельных слоя (вблизи участков
контакта) напряжения, превышающие предел текучести или прочности. Усилия
трения вызывают скалывание,
вырывание из поверхностного слоя твердого
тела мельчайших частиц с пластическим течением материала в наружном слое
или, для хрупких тел, без него. Таким образом, износ рассматривается как
явление
поверхностного
диспергирования
в
результате
многократной
пластической деформации, упрочнения и усталостного разрушения под влиянием
работы трения.
33
Внешняя среда оказывает значительное влияние на указанные явления и
величину износа. Адсорбционное или адсорбционно-химическое воздействие
окружающей среды интенсифицируют процесс,
облегчая
пластическое
деформирование
разрушение
металлов
и
последовательное
хрупкое
в
поверхностном слое.
Сухое трение окисленных металлических поверхностей (с точки зрения
физического существа этого процесса) [6] следует рассматривать как граничное
трение при смазке слоями
окислов. Граничное трение происходит во всех
случаях, когда твердые поверхности разделены тонкими адсорбционными слоями
любого происхождения.
Многие работы посвящены изучению природы схватывания вызывающего
интенсивное изнашивание металлов, появление отказов, а иногда и разрушение
деталей. Энергетическая гипотеза схватывания
выдвинута в работе [81].
Согласно этой теории условием для наступления схватывания является такое
состояние кристаллической решетки, при котором энергия ее атомов (ионов)
превосходит величину уровня энергии для данного металла,
который
автор
называет энергетическим порогом схватывания. По мнению автора для сцепления
двух кристаллов необходимо совпадение их кристаллических решеток. Чтобы
такое совпадение не было случайным, необходимо перевести металл в аморфное
состояние, когда сцепление возможно в любом направлении. Для приведения
металла в такое состояние необходимо затратить некоторую энергию.
Под
схватыванием
следует
понимать
возникновение
на
трущихся
поверхностях микроскопических узлов сцепления [1], которое сопровождается
разрушением поверхностей трения и обычно резким увеличением сил трения.
Возможность возникновения схватывания определяется комплексом физикомеханических свойств поверхностных пленок, материалов трущейся пары и их
взаимодействием.
Большое внимание уделено физической сущности процесса схватывания,
изучению природы схватывания чистых металлов, т. е. природы образования
связей, и изучению схватывания при наличии на поверхности различных
34
адсорбированных пленок в работах [22—24 и др.]. Н. Л. Голего изучены
закономерности развития процессов схватывания в зависимости от различных
факторов. Эти исследования показали, что от 10 до 40% деталей различных типов
современных машин интенсивно изнашиваются в связи с возникновением
процессов схватывания. Проведенные исследования позволили сделать вывод, что
сущность процессов схватывания состоит в образовании металлических связей
между
контактирующими
поверхностями
металлов.
Условиями
для
возникновения металлических связей являются: контакт чистых металлов и
сближение их поверхностей на расстояние межатомного притяжения. В этих
работах предложены также мероприятия для устранения явлений схватывания в
деталях машин.
Обширные работы по изучению сущности процессов трения и изнашивания
в деталях авиационных и других машин проведены Н. И. Богомоловым, Н. Н.
Голего В. А. Кисликом, Д. В. Конвисаровым, П. В. Назаренко С. Л. Наумовым, П.
К. Топеха, А. Ф. Челноковым И. К. Филипчуком и др. Ими изучены различные
виды износа и приведены рекомендации по повышению долговечности машин.
Чрезвычайно важными являются исследования путей повышения сроков
службы деталей агрегатов, работающих в топливной среде. Изучено влияние типа
среды
материала
и
других
факторов
на
износостойкость
деталей
[2].
Исследования характеристик износа трущихся деталей самолетов изложены в
работе [10]. Для повышения износостойкости деталей предлагается учитывать
соотношения площадей трения и твердостей контактируемых деталей. Более
мягкая поверхность должна иметь меньшую площадь и перемещаться по более
твердой поверхности (метод обратной пары).
Для уменьшения износа, вызванного взаимным внедрением, предлагают
твердые пары и пары трения с высокой однородностью свойств поверхностного
слоя. При молекулярном взаимодействии предлагают создать условия трения,
приводящие к взаимному атомарному переносу активных слоев пары трения;
применять окисленные пленки и мягкие покрытия, обеспечивающие нарушение
35
молекулярных связей
по
поверхности
трения и большую способность к
повторной пластической деформации, а также другие методы [11].
Результаты исследований пар трения металл — полимер при сухом,
граничном трении и в различных жидких и газовых средах приведены в работах
[13, 27, 51, 60 и др.]. Исследованиям по теории трения и выяснению механизма
трения металлополимерных пар в различных условиях, а также изучению
фрикционных свойств пластмасс посвящены работы [12, 13 и др.].
При работе многих машин и в частности дисковых тормозов возникают
вибрации.
Поэтому
исследования процессов трения при наличии вибраций,
вибросмещений в различных условиях (газовая среда, вакуум) и при изменении
амплитуд, частот, а также нагрузок представляют значительный интерес. В
настоящее время обоснована теория процессов при наличии вибраций [23, 24, 26,
37, 44, и др.] и разработаны практические рекомендации по повышению
долговечности деталей. Особое место при работе сопряженных деталей в
условиях относительного колебательного движения занимает так называемая
фреттинг-коррозия [4, 25 и др.].
В этих работах изучена природа фреттинг-коррозии, дается ее структурноэнергетическое описание, систематизированы методы защиты от фреттингкоррозии и предложены новые пути предотвращения поверхностного разрушения
металлов.
В последние годы успехи физики и химии твердого тела, физического
металловедения [51, 61, 84, 85 и др.] позволили значительно углубить
теоретические
исследования
внешнего
трения.
Теория
несовершенств
кристаллического строения (теория дислокаций) описывает реальное состояние
твердых
тел.
Согласно
этой
теории
кристаллическое
тело
можно
характеризовать определенным типом дислокаций и их плотностью. Применение
теории дислокаций [51] позволило изучить явление текстурирования при трении и
формирование вторичных защитных пленок, изучить причины окисления и
схватывания при трении и т. д. При трении двух поверхностей происходит
активизация
поверхностных
слоев
металла,
обусловленная
развитием
36
несовершенств кристаллического строения при пластической деформации.
Дислокационная теория позволяет осуществить переход от теоретических
представлений физики твердого тела к решению практических задач внешнего
трения.
На основе использования современных представлений о природе трения в
работах
[30,
55]
излагается
теория
трения
фрикционных
материалов.
Взаимодействие поверхностей рассматривается на основании молекулярномеханической теории трения. При совместном действии нормальных и
тангенциальных сил при трении образуются и исчезают пятна касания, которые
называют [55] фрикционными связями. Фрикционная связь в местах контакта
условно рассматривается как третье тело, образованное двумя трущимися
материалами. Третье тело включает в себя материалы обоих элементов пары
трения и имеет свой специфический состав, напряженное состояние, структуру и
свойства.
Одной из важнейших характеристик износостойкости фрикционного
материала принята способность его поверхностных слоев противостоять
многократным
повторным
деформациям.
Для
наименьшего
повреждения
поверхности трения необходимо, чтобы во фрикционной связи прочность по мере
удаления от поверхности взаимодействия возрастала. В этом случае разрушением
всегда будет происходить в зоне взаимодействия, т. е. в пластичном, вязком
теплопроводном
слое,
вырабатываемом
из
основных
материалов.
Такое
положение формулируется как правило положительного градиента-механических
свойств. Упомянутое положение, по мнению авторов, является одним из методов
повышения износостойкости фрикционных материалов.
Второе
основное
свойство,
которым
должен
воспроизводящийся поверхностный рабочий слой
химических
процессов
(неоднородности)
влиянием
непрерывно
физико-
при торможении, заключается в гетерогенности
его структуры. Наилучшей формой гетерогенности авторы
считают сетчатую ячеистую гетерогенность. Такая
пластичной
под
обладать
структура,
состоящая
из
основы с микро- и субмикроскопическими твердыми частицами,
37
способствует повышению сопротивления пластической деформации. Кроме того,
силы трения повышаются за; счет образования тонких мостиков схватывания или
сваривания,
разрушение которых не вызывает глубинного вырывания. Таким
образом, гетерогенность способствует достаточному взаимному внедрению,
сопровождающемуся
многократным
передеформированием,
и
приводит
к
повышению коэффициента трения.
Основными причинами износа деталей машин — отделение материала в
результате многократного нарушения фрикционных связей — являются [55]
усталость поверхностных слоев при упругом
деформировании и охрупчивание
при повторной пластической деформации.
Результаты исследований по созданию новых металлокерамических и
пластмассовых фрикционных материалов, а также исследования процессов в этих
материалах содержатся во многих работах. Например, в работе [30] изложены
результаты исследований пластмасс, а также металлокерамики при работе их по
чугуну. Фрикционные материалы испытывались на машине и в камерных
тормозах. Исследования показали, что на поверхности трения фрикционных
материалов
при
их
работе
происходят
сложные
процессы:
окисление,
восстановление, плавление и т. д. Исследования подтвердили образование
поверхностного слоя, отличающегося по структуре от исходных материалов. При
небольших температурах происходит взаимное внедрение поверхностей трения
испытываемых пластмасс и чугуна. При высокой
температуре происходит
выгорание связующего (каучука или фенолформальдегидной смолы).
Лучшие качества одной из пластмасс авторы объясняют присутствием в ней
латунной проволоки. На поверхности трения чугуна образуется промежуточный
слой из гетерогенного сплава на медной основе, создающий положительный
перепад механических свойств по глубине, а также хорошо
противостоящий
передеформированию.
Металлокерамика, поверхностный слой которой после работы имеет
гетерогенную структуру с мелкими включениями окиси кремния и графита, легко
38
размягчающуюся
при
повышении
температуры,
обладает
лучшей
износостойкостью.
В статье авторов В. М. Гудченко, А. М. Петрунина [70] изложены
результаты исследований влияния свойств чугуна на трение его по пластмассе.
Исследовались сернистые, фосфористые,
высокопрочные, изотермически
закаленные чугуны с различной твердостью. Исследования показали, что
твердость и структура чугуна влияют главным образом на снижение величины
коэффициента трения при определенной температуре. При твердости 145—156
кгс/мм2 в структуре чугуна присутствуют феррит, окружающий прожилки
графита, и перлит. Наличие феррита способствует снижению коэффициента
трения при температуре 300—400°С. При твердости 224—242 кгс/мм2 в
неоднородной структуре чугуна, кроме перлита, цементита и фосфидной
эвтектики, имеется гнездообразная графитная эвтетика. Коэффициент трения
такого чугуна снижается меньше и наибольшее его снижение происходит при
температуре
500—600°С.
Хорошие
результаты при
испытании показали
фосфористый перлитный чугун и высокопрочный изотермически закаленный
чугун.
Для ускорения и облегчения создания теплопроводного и теплоемкого
рабочего
слоя,
обеспечивающего
лучшую
приработку,
рекомендуется
искусственно наносить на поверхность трения тормозного барабана слой
пластичного металла методом металлизации или гальваническим способом. Такой
слой в несколько микрон обеспечит, по мнению авторов [70], равномерное
распределение давлений, отсутствие местных температурных вспышек, повысит
стабильность
коэффициента
трения,
уменьшит
склонность
к
для
в
трещинообразованию.
При
создании
новых
фрикционных
материалов
работы
тяжелонагруженном тормозе недостаточно, как указывается в работе [31], иметь
только высокую его жаропрочность. Практикой установлено, что. не все
жаростойкие материалы хорошо работают при трении. Материалы аустенитного
класса вследствие большой вязкости имеют высокий коэффициент трения. При
39
трении этих материалов появляется интенсивное схватывание поверхностей и их
разрушение.
Карбидные жаропрочные материалы не склонны к схватыванию, но имеют
низкий коэффициент трения, так как из-за малой фактической площади контакта
возникают очень высокие удельные давления и контактные напряжения. Это
приводит к выкрашиванию карбидных составляющих поверхности трения и
затрудняется переход к внутреннему трению.
По
мнению
автора,
фрикционный
материал
должен
состоять
из
жаропрочного сетчатого скелета, наполненного вязким, пластичным материалом с
фрикционными частицами. Жаропрочный сетчатый скелет должен обеспечить
прочность материала при всех условиях работы и малые площади фактического
контакта, чтобы предотвратить глубинные вырывания при образовании мостков
схватывания. Материал такого типа может быть получен при введении в
металлокерамику соответствующих составляющих.
Вопросам исследования износостойкости различных чугунов и сплавов при
разных условиях трения посвящена работа [28]. В этой работе изложены также
результаты исследований механических и физических свойств чугунов и сплавов
при высоких температурах. Исследования влияния различных ингредиентов на
фрикционные свойства пластмасс приведены в работах [12, 13, 64, 70]. Было
исследовано большое количество ингредиентов: сурик железный, барит, асбест,
графит аморфный, порошок свинца, латунная проволока и т. д. В качестве
связующего применялись фенолформальдегидные смолы.
По предварительным испытаниям при определенном цельном давлении,
скорости скольжения и. температуре были составлены два ряда, в которые
ингредиенты размещали в порядке убывания коэффициента трения фрикционный
ряд) и возрастания линейного износа (ряд износостойкости). По этим данным
автор
рекомендует
теплопроводности
выбирать
и
влияния
фрикционные
на
износ
ингредиенты
контртела.
с
Затем
учетом
их
подбиралось
теплостойкое связующее с хорошими упругими свойствами при высокой
40
температуре и обладающее способностью образовывать коксообразные продукты
с высокими механическими свойствами.
Кроме того, в этих работах даются рекомендации по повышению и
стабилизации коэффициента трения за счет дополнительной термической
обработки фрикционного материала при температуре 400—600°С.
Значительное место в работах [12, 13] отводится исследованиям процессов
распада
органических
связующих
пластмасс
с
выделением
жидких
и
газообразных продуктов. Наиболее интенсивное разложение смолы ингредиентов
наблюдалось при температуре 300— 400°С (без доступа кислорода). В
присутствии кислорода воздуха при температуре 300—400°С выделялись только
жидкие продукты, а при более высокой температуре увеличивался процент
выхода газообразных веществ (С02, СН4, СО и др.). Для изменения характера
разложения
связующего
в
сторону
уменьшения
выделения
жидких
и
газообразных продуктов, уменьшающих коэффициент трения, к смоле ФФК*30
добавлялись химические ингредиенты, продукты разложения которых обладают
окислительными свойствами (СиS04-5Н20) или восстановительными свойствами
(NН4Сl).
Исследования показали, что ингредиенты первого типа уменьшают выход
жидких веществ при всех температурах испытания, увеличивают выход СО и С0 2
и уменьшают выделение органических газообразных продуктов. Это объясняется
более глубоким расщеплением молекул связующего.
Ингредиенты второго типа (хлористый аммоний) мало влияют на
расщепление молекул связующего. Коэффициент трения при испытании образцов
с добавлением хлористого аммония имеет такие же характеристики, как и без
него. А введение в формовочную массу, из которой изготовлялись образцы,
веществ,
обладающих
окислительными
свойствами,
позволило
получить
коэффициент трения, не имеющий резкого падения при температурах 300—
500°С. При добавлении более сильных окислителей (КМn04, NaNO3) в области тех
же температур можно получить даже максимальный коэффициент трения.
41
Таким образом, регулируя состав и количество вводимых ингредиентов,
обладающих
окислительными
свойствами,
можно
добиться
повышения
коэффициента трения и ликвидировать воспламеняемость неметаллических
материалов, так как эти ингредиенты уменьшают количество выделяемых
газообразных органических продуктов.
Основные
принципы
металлокерамических
создания
материалов,
а
и
также
производства
отдельных
их
фрикционных
составляющих
приводятся в работах [39, 68, 70, 75, 83 и др.]. Излагаются технологические
процессы
изготовления
изделий
из
фрикционной
металлокерамики
и
легированного чугуна [39]. Рассматриваются результаты исследований влияния
отдельных компонентов, входящих в состав металлокерамики, на фрикционные
характеристики и износостойкость.
Современные фрикционные материалы состоят из компонентов трех видов:
основы материала; компонентов, способствующих увеличению коэффициента
трения; компонентов, обеспечивающих высокую износостойкость. В качестве
основы для сухого трения применяется железо. Для повышения коэффициента
трения вводятся асбест, окись кремния, окислы и карбиды некоторых металлов, а
для повышения износостойкости — медь, графит, нитрид бора и др.
Исследования
структурных
изменений
в
металлокерамическом
фрикционном материале на железной основе с добавлением некоторых карбидов
и окислов при трении описаны в работе [68]. Новый материал испытывали по
чугуну ЧНМХ; испытания показали, что в поверхностных слоях обоих элементов
фрикционной пары обнаруживаются новые структуры на глубине до 60—70 мкм.
Структурные изменения на фрикционных материалах при торможении
исследовались [40] в двух направлениях: изучались изменения структуры при
единичном торможении в зависимости от его продолжительности и нагрузки и
структурные изменения, в зависимости от числа торможений. Эти исследования
показали, что при нестационарном тепловом режиме (на установке ИМ-58) в
структуре
фрикционных
материалов
происходят
в
скачкообразные изменения, носящие необратимый характер.
процессе
работы
42
Фрикционные свойства сталей различного химического состава описаны в
работе [70]. Кроме того, в этой же работе приведены результаты исследований
влияния
среды
фрикционных
и
дополнительного
свойств
и
охлаждения
износостойкости
на
стали.
характер
изменения
Исследования
трения
металлокерамики по чугуну показали, что износ, а также коэффициент трения в
нейтральной среде больше, чем в среде кислорода и воздуха. Дополнительное
охлаждение снижает температуру и уменьшает износ, но практически не
повышает фрикционных свойств пары трения чугун — металлокерамика.
Различные химические элементы оказывают разное воздействие на
фрикционные характеристики сталей. Алюминий, хром, молибден, марганец
повышают фрикционные свойства; медь, титан, кремний — не влияют на эти
свойства.
Легирующие
элементы,
добавляемые
в
сталь,
оказывают
незначительное влияние на износ стали и работавшей по ней металлокерамики.
Исключением является алюминий, который увеличивает износ металлокерамики
в 1,5 раза.
Для снижения температуры поверхности трения фрикционных материалов
при торможении [70] предлагается заливать слой хромистой бронзы толщиной до
4 мм на внутреннюю поверхность чугунного тормозного барабана (хромистая
бронза имеет теплопроводность в 4 раз большую, чем чугун).
Зависимости коэффициента трения и интенсивности изнашивания от
скорости скольжения и удельных нагрузок для некоторых фрикционных
материалов приведены в работе [54]. Как указывают авторы, при увеличении
скорости скольжения коэффициент трения переходит через максимум. При
увеличении удельных нагрузок максимум смещается к началу координат и в
некоторых случаях имеется только падающая ветвь кривой. Для некоторых
материалов при больших скоростях скольжения возможно также возрастание
коэффициента трения. При постоянной температуре с увеличением удельных
давлений, как правило, коэффициент трения снижается, а интенсивность
изнашивания возрастает в связи с увеличением числа контактирующих участков.
Интенсивность изнашивания при постоянном давлении и температуре (в объеме
43
фрикционного материала) при возрастании скорости уменьшается. Интенсивность
изнашивания
обычно
резко
возрастает
с
повышением
температуры,
а
коэффициент трения при этом снижается. Большое влияние па фрикционные
свойства пары трения оказывает температурный градиент, который изменяется в
зависимости от условий теплоотдачи. Для полной характеристики температурного
поля рекомендуется учитывать температуру поверхности трения и объемную
температуру, а также градиент температуры по глубине материалов.
В связи с тем,, что трение в фрикционных узлах представляет весьма
сложный комплекс одновременно протекающих различных процессов, достаточно
простая количественная зависимость для определения коэффициента трения и
износа с учетом всех этих процессов пока не получена. Для инженерных расчетов
часто пользуются эмпирическими зависимостями. Предпринята попытка [80]
установить зависимость для определения коэффициента трения на основании
статистических данных, полученных в результате стендовых испытаний натурных
дисковых тормозов. В тормозах испытывались материалы ФМК-П — ЧНМХ.
После обработки результатов всех испытаний было получено уравнение для
коэффициента трения. По этому уравнению коэффициент трения, как указывают
авторы, определяется с точностью приемлемой для практических целей.
Значительное внимание влиянию коэффициента взаимного перекрытия
(термин и понятие установлены А. В. Чичинадзе) на характер процесса трения и
износа уделяется в работах [70, 90 и др.]. Применительно к дисковым тормозам, в
которых оба элемента пары трения выполнены из отдельных секторов с
разрывами на номинальной поверхности трения, коэффициент взаимного
перекрытия определяется по формуле
вз =
1 2
2усл
,
(2)
где Aa1 – номинальная поверхность трения первого элемента;
Аа2 – то же второго элемента;
Аусл – условная контурная поверхность трения, полученная вращением элементов
пары трения вокруг центров вращения.
44
Экспериментальные исследования [70, 90, 95] показали, что при прочих
равных условиях увеличение Квз приводит к росту объемной температуры,
снижению температурного градиента и коэффициента трения и к увеличению
износа.
Влияние коэффициента взаимного перекрытия на коэффициент трения,
возникающую при этом температуру и интенсивность изнашивания фрикционных
пластмасс с различными ингредиентами представлено также в работах [12, 13].
Анализ многочисленных исследований показывает, что одним из главных
факторов, вызывающих изменение коэффициента трения, а также износа,
является интенсивность нарастания и величина температуры, которая влияет на
процессы, протекающие в поверхностных слоях фрикционных материалов.
В связи с этим в последние годы проведены обширные исследования по
изучению температуры в трущихся деталях и температурных полей, по
исследованию влияния температуры и температурного градиента на работу
трущихся деталей.
Вопросы влияния теплоты па процессы, происходящие в поверхностных
слоях трущихся металлов, изложены в работах [47, 51]. Большое внимание
тепловым явлениям при изучении сущности и механизма процесса схватывания
уделено в работах [23, 24].
Тепловая
задача
трения
относится
не
к
классической
теории
теплопроводности, а к науке о трении и изнашивании трущихся поверхностей [94,
95]. Решению тепловой задачи при трении посвящены аналитические и
экспериментальные исследования многих авторов [54, 55, 64, 89, 90, 92, 94, 95 и
др.].
В указанных работах приводятся результаты исследований температурных
полей узлов сухого трения; показано влияние температурного поля фрикционной
пары на коэффициент трения и износ материалов; приводится аналитическое
решение тепловой задачи при трении; рассмотрены вопросы влияния различных
факторов на температуру поверхности трения и температурный градиент и др.
45
Тепловая задача трения в инженерном смысле сводится к решению
дифференциальных уравнений в частных производных. Но сложность ее состоит
и в том, что граничные условия содержат трудноопределимые величины:
коэффициент теплообмена с внешней средой, интенсивность теплового источника
трения и др. Не менее сложна задача о температурных напряжениях в материалах
трущейся пары, которая также не решена полностью.
Основные вопросы инженерного расчета характеристик внешнего трения
при торможении, данные по новым испытательным установкам и методам
испытаний
фрикционных
материалов
приведены
в
монографии
[90].
Значительное место в работе отведено тепловой динамике трения и решению
температурной задачи. На основании
аналитических
и
экспериментальных
исследований [90, 95] сформулированы общие условия подобия применительно к
различным тепловым задачам трения.
В нашей стране разработаны и внедрены в эксплуатацию новые
фрикционные
материалы.
Например,
создан
теплостойкий
фрикционный
материал ФК-16л, который имеет значительно лучшие показатели по коэффициенту трения и износостойкости по сравнению с применяемыми ранее
фрикционными пластмассами. Созданы и широко применяются: легированный
чугун ЧНМХ, металлокерамика на железной и медной основе различных марок
(ФМК-П, ФМК-8, МКВ-50 и др.). Спроектированы и установлены на многих
машинах более совершенные по конструкции дисковые тормоза, системы
управления тормозами и другие узлы.
На основании анализа многих исследований по фрикционным материалам и
тормозным устройствам можно сделать следующие выводы:
1. Наиболее полное объяснение механизма трения и изнашивания
фрикционных материалов дает молекулярно-механическая теория.
2. Во многих исследованиях отмечается, что при трении происходят
физико-химические процессы, но сущность их не всегда в полной мере раскрыта.
Как показали работы П. А. Ребиндера, Б. И. Костецкого, Н. Л. Голего и других
авторов, характер деформирования при трении твердых тел резко изменяется под
46
влиянием протекающих физико-химических процессов. Поэтому для разработки
научно обоснованных методов повышения долговечности тормозных устройств
необходимо проводить исследования в этой области для изучения всех физикохимико-механических явлений и процессов, возникающих в поверхностных слоях
фрикционных узлов при работе тормоза, с применением современных приборов, а
также методов физического и химического анализа, позволяющих изучить микрои субмикроскопические явления.
47
5 ОСНОВНЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И
ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ. ОБЩИЕ
ТРЕБОВАНИЯ
Проблема повышения долговечности и надежности машин, приборов и
оборудования является одной из важнейших в настоящее время. Она приобретает
особое значение для узлов и деталей машин, работающих в агрессивных средах, в
вакууме, при высоких температурах и т. п. К таким деталям относятся и
фрикционные узлы современных высоконагруженных тормозных устройств.
Надежность и долговечность этих деталей можно повысить, используя
общепринятые конструктивные технологические и эксплуатационные способы и
методы, применяемые в
машиностроении, а также некоторые специфические
пути, учитывающие особенности работы тормозных устройств [10, 23, 35, 45, 51,
71 и др.],
Как известно, все работы, направленные на повышение долговечности и
надежности машин, должны привести к снижению количества отказов и
неисправностей машин, уменьшению аварийности, улучшению использования
машин. Однако затраты на изготовление более надежных узлов или агрегатов
большие,
поэтому
необходимо
производить
анализ
экономической
эффективности мероприятий, повышающих надежность и долговечность машин.
При этом необходимо производить комплексную оценку экономической
эффективности машины с заданной надежностью и ресурсом.
При проектировании изделий следует правильно определять их техникоэкономические показатели. Они должны соответствовать современному уровню.
Изделия должны иметь возможно больший межремонтный срок службы с
минимальными затратами на ремонт.
Новые изделия необходимо создавать с учетом не только опыта
эксплуатации прототипов, а и с учетом результатов научно-исследовательских
работ в данной области. Детали и узлы, определяющие надежную работу изделия,
следует создавать с наибольшей долговечностью или, если это невозможно, их
48
ремонт или замена должны производиться в короткий срок, а заменяемые узлы не
должны быть дорогостоящими.
При проектировании нового изделия необходимо также учитывать
основные причины, вызывающие отказы и неисправности изделия – прототипа;
предусматривать конструктивные и другие мероприятия, устраняющие или
снижающие их вредное влияние.
Значительное внимание при проектировании следует уделять вопросам
технологичности изготовления изделия.
Применение унифицированных и стандартных деталей или узлов, что
снижает
затраты
на
техническое
обслуживание
и
ремонт;
применение
малогабаритных готовых изделий; разработка и применение новых типов
материалов; наименьший объем механической обработки металлов – все эти
факторы способствуют созданию более надежного изделия. Применение
оборудования, приспособлений, инструмента, материалов возможно меньшей
номенклатуры также влияет на экономичность изделия, его качество и показатели
надежности. Особо важное значение имеет правильный выбор материала как по
прочностным
характеристикам,
так
и
по
износостойкости;
правильное
определение форм и размеров рабочих поверхностей деталей; рациональное
сочетание различных материалов.
Технологические мероприятия при изготовлении изделий направлены на
повышение их качества при стремлении снизить удельные затраты на единицу
продукции. Следует применять целесообразные для каждой детали способы
изготовления (горячая штамповка, прессование, сварка и др.).
Наибольшее
внимание
должно
уделяться
правильному
выбору
технологического процесса: применению освоенной или типовой технологии;
внедрению оптимального для данного узла или детали метода механической,
химико-термической, термической или другой обработки поверхностных слоев
деталей.
49
Большое внимание необходимо уделять контролю за изготовлением
изделий и их элементов, а затем проверке их на специальных стендах или в
натурных условиях.
На качество изделий влияет также уровень организации производства, к
которому относятся правильное планирование, наличие потока на производстве,
внедрение
бездефектной
системы
изготовления
деталей,
механизация
и
автоматизация работ и т. д.
Технологически правильное и качественное изготовление запасных частей
также влияет на экономические характеристики изделия, а также его надежность.
При эксплуатации необходимо стремиться к снижению затрат средств на
техническое
обслуживание
и
производительное
использование
соответствующие
правила
ремонт
изделий,
техники.
эксплуатации:
При
организовать
этом
правильный
надо
наиболее
соблюдать
выбор
режимов
эксплуатации, своевременный и качественный их контроль с целью снижения
нагрузок на детали и агрегаты, а также улучшения экономических показателей.
Снизить затраты на техническое обслуживание можно за счет уменьшения
количества регулировок, уменьшения количества точек смазки деталей и
увеличения периодичности замены в них смазки; улучшения эксплуатационной
технологичности, увязывая ее с надежностью и долговечностью агрегатов. Для
агрегатов, имеющих малый срок службы, должна быть обеспечена наилучшая
эксплуатационная технологичность.
К эксплуатационным средствам повышения надежности машин, улучшения
их
экономических
показателей
относится
разработка
и
применение
прогрессивных систем ремонта и технического обслуживания машин. К ним,
например, относится система технического обслуживания и замены агрегатов по
фактическому состоянию. Сюда же следует отнести и разработку прогрессивных
методов восстановления машин.
В значительной мере надежность и долговечность машин в эксплуатации
может быть повышена при создании совершенной системы статистического учета
отказов, неисправностей, поломок и аварий машин с изучением физики и
50
природы
отказов
и
разработкой
мероприятий
по
повышению
качества
технического обслуживания и ремонта, а также надежности и долговечности
машин в целом. Это позволит также полностью учитывать влияние внешних
механических воздействии, среды, а также температуры на характеристики
изделии при их эксплуатации.
6 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОРМОЗНЫХ
УСТРОЙСТВ И ФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Анализ эксплуатации тормозов и результаты исследований состояния
реальных деталей их фрикционных узлов с применением современных методов
исследований
позволили
выявить
основные
процессы,
протекающие
в
фрикционных материалах при эксплуатации высоконагруженных тормозных
устройств машин.
Обработка результатов исследований показала, что:
а)
работа сил трения вызывает текущие изменения в поверхностном
слое фрикционных материалов. Эти изменения не стабильны даже в процессе
одного торможения и охлаждения тормоза. Если учесть дискретную природу
контакта твердых тел, а также малую продолжительность существования каждого
пятна касания, то можно сказать, что эти изменения неравномерны как по
поверхности, так и по глубине материалов;
б)
работа сил трения вызывает остаточные явления в материалах,
которые при очередном торможении претерпевают новые изменения.
В связи с этим воздействие работы трения на фрикционные материалы
можно представить [50] в виде структурной схемы (рис. 63). Приведенная
структурная схема обобщает анализ процессов, происходящих в фрикционных
материалах тормозных устройств при их работе, позволяет исследовать их в
различных типах материалов и разрабатывать научно обоснованные мероприятия
по улучшению работы тормозных устройств.
51
На основании структурной схемы можно сформулировать новые общие
требования к фрикционным материалам:
1. Анализ текущих явлений при торможении позволяет судить о наличии
критических или предельных состояний зоны трения. Поэтому при управлении
этими явлениями не следует превышать значения критических предельных
величин в каждом из превращений и изменений (например, по фазовым,
структурным изменениям, диффузионным процессам и др.).
2. В текущих явлениях, которые вызывают остаточные явления, должны
преобладать процессы упрочнения, улучшения поверхности трения и создания
стабильного рабочего слоя за счет комплекса физико-химико-механических
свойств материалов, условий работы, среды и т. д.
Рисунок 6 Структурная схема воздействия работы трения
на фрикционные материалы
52
3. Одним из основных требований, не учитываемых ранее, которые
необходимо
предъявлять
к
фрикционным
материалам,
следует
считать
относительную стабильность и равномерность изменений химического, фазового
состава, структуры и, следовательно, свойств поверхностного слоя в процессе
эксплуатации.
Приведенная
структурная
схема
может
быть
применена
как
к
металлическим, так и к другим фрикционным материалам с учетом специфики их
свойств, структуры и других параметров.
Исследованиями установлено, что процессы при трении фрикционных
материалов тормозов протекают НС равномерно. Если в деталях некоторых
машин неравномерное
прилегание
поверхностей трения; малая
площадь
фактического контакта приводит только к неравномерному износу, изменению
зазоров, то в высоконагруженных тормозных устройствах это приводит и к
неравномерному протеканию физико-химических процессов. В результате
создаются благоприятные условия для возникновения сложного напряженного
состояния, появления трещин, коробления деталей и усадки. А эти явления
снижают долговечность тормозных устройств.
Как известно, тормоза дискового типа имеют ряд преимуществ перед
другими типами тормозов. Как показали исследования, они имеют некоторые
преимущества и по равномерности протекания физико-химических процессов.
Однако в отдельных тормозах дискового типа контурная площадь контакта,
образованная деформацией локальных поверхностных объемов дисков, и
фактическая
площадь
контакта
весьма
малы,
что
также
вызывает
неравномерность протекания процессов.
Были исследованы также основные причины появления трещин, усадки и
коробления деталей из фрикционных материалов. Этими причинами являются:
термическая усталость, вызванная циклическими быстрыми и неравномерными
нагревами и охлаждениями всего объема деталей тормоза; фазовые превращения
с образованием остаточного аустенита; структурные и химико-диффузионные
превращения с интенсивным окислением металла (особенно по границам зерен).
53
Исследования позволили объяснить природу и причины повышенного
износа фрикционных узлов ряда тормозов. Окисление углерода в виде графита
между зернами и зерен чугуна практически приводит к появлению микротрещин,
которые являются концентраторами напряжений, способствующими появлению и
развитию трещин. По границам зерен металла и развиваются сначала микро-, а
затем макротрещины, которые влияют и на долговечность фрикционных узлов
тормоза. Тонкий слой поверхности трения тормозного барабана (сектора диска)
после торможений имеет повышенную твердость. Образующиеся трещины
приводят к разрушению и срыву этого слоя, который в размельченном виде
действует как абразив и повышает износ тормозных колодок, тормозных
барабанов и секторов дисков. Острые кромки места раскрытия трещины на
поверхности трения повышают износ сопряженной детали (сектора, колодки),
увеличивают
неравномерность
теплового
поля
фрикционных
узлов
и,
следовательно, величину температурных напряжений.
Лабораторные исследования показали, что физико-химические процессы,
обнаруженные при работе материалов ФМК-11 И ФК-16л на испытательноймашине, аналогичны процессам в фрикционных узлах натурного тормоза.
При проведении лабораторных исследований было изучено влияние
скорости, нагрузки и температуры, на процессы, происходящие при трении
фрикционных материалов. Наряду с этим исследовано влияние этих факторов на
изменение коэффициента трения, силы трения, износа при испытании различных
материалов.
Располагая
такими
зависимостями,
можно
ориентировочно
подбирать тот или иной материал для узла трения с заранее известными
условиями работы (скорость скольжения, удельная нагрузка и, особенно,
температура).
Как указано в трудах ИМАШа [64], при испытании фрикционных
материалов на машине типа И-47 данные по коэффициенту трения получаются
заниженными, а по износу – завышенными, что гарантирует большую
износостойкость испытуемой пары при эксплуатации тормозного устройства. В
связи с тем, что испытания на машине типа И-47 проводятся при стационарном
54
тепловом режиме, авторы называют полученные данные по коэффициентам
трения и износу предельными, а не абсолютными.
Для
реальных деталей
необходимо
также
учитывать
коэффициент
взаимного перекрытия, масштабный фактор, градиент изменения температуры по
глубине материалов и другие факторы. Уточнения могут быть внесены после
стендовых и эксплуатационных испытаний.
Проведенные лабораторные исследования показали, что пара трения
материал ФК-16л – чугун ЧНМХ может удовлетворительно работать при  =
0,1…6,28 м/с и  = 5…20 кгс/см2, а также до  = 18,84 м/с и  = 5 кгс/см2
(коэффициент трения при этом изменяется от 0,5 до 0,1; максимальная
температура достигает величины 1000–1100° С). Причем при малых скоростях от
0,125 до 6,28 м/с при больших удельных нагрузках (25–100 кгс/см2)
износостойкость пары трения лимитируется материалом ФК-16л, а при больших
скоростях обоими элементами пары трения.
Пара трения материал ФМК-11 – чугун ЧНМХ имеет достаточно высокую
износостойкость при  = 0,1…12,56 м/с и  = 5…25 кгс/см2, а также до  = 18,84
м/с и  = 5 кгс/см2 (коэффициент трения изменяется от 0,85 до 0,15; максимальная
температура достигает величины 1100°С). Дальнейшее повышение скорости и
удельной нагрузки вызывает резкое увеличение износа обоих элементов пары
трения. При скорости 0,125–6,28 м/с и удельных нагрузках 60–100 кгс/см2
(температура 650—850° С) материал ФМК-11 имеет большой износ, а чугун –
незначительный.
При испытании пары трения материал ФМК-8 – чугун ЧНМХ малые
приведенные износы материалов наблюдаются при  = 0,1…6,28 м/с и  = 5…25
кгс/см2, а также при  = 12,56 м/с и  = 5 кгс/см2 (коэффициент трения изменяется
в пределах от 1,0 до 0,17; максимальная температура достигает величины 1100°С).
При малой скорости (особенно  = 0,628 м/с, температура 600–950° С) и
увеличении удельной нагрузки износ обоих элементов пары трения значительно
увеличивается. Характерно, что износ чугуна становится больше износа
55
материала ФМК-8. При скорости более 6,28 м/с и увеличении удельной нагрузки
снижалась износостойкость обоих элементов пары трения (износ чугуна более
чем в 3 раза превышал износ материала ФМК-8). При испытании материала
ФМК-8 обнаруживается большая склонность его к схватыванию, а также
повышенный износ чугуна. Характерным является перенос не только материала
ФМК-8 на чугун, а и чугуна на металлокерамику.
Интенсивным развитием процессов схватывания особенно в диапазоне
температур 600–950° С, очевидно, можно объяснить увеличение тормозного
момента в конце торможения при применении материала ФМК-8, о чем указано в
работе [64] и др.
Лабораторными испытаниями установлено, что увеличение скорости
скольжения до 12,56 м/с (температура не превышает 1000° С) оказывает
значительно большее влияние на повышение температуры, чем рост в такой же
степени удельного давления. Так, увеличение скорости в 10 раз (в принятом при
испытаниях диапазоне) увеличивает температуру при испытании различных
материалов в 3–4,5 раза (при постоянном давлении, равном 5 кгс/см 2), а
увеличение удельных давлений в
12 раз увеличивает температуру только в 2–
3,5 раза (при постоянной скорости  = 0,628 м/с). При скорости скольжения более
18–20 м/с даже малые удельные нагрузки (порядка 3–5 кгс/см2) вызывают при
трении температуру более 1000° С.
Испытания показали, что характер изменения приведенного массового и
линейного износа для одной и той же пары трения в большинстве случаев
совпадает. Однако для оценки износостойкости фрикционных материалов,
отличающихся по удельному весу, следует рекомендовать вести сравнения по
приведенному линейному износу.
Металлографический, фазовый рентгеноструктурный, спектральный и
другие виды анализов образцов после их испытания на различных режимах в
диапазоне температур от 100 до 1150° С позволили изучить основные процессы,
протекающие в фрикционных материалах при лабораторных испытаниях.
Установлено, что диффузионные и химические процессы в поверхностных слоях
56
материалов при трении протекают наиболее интенсивно при температуре 900—
1000° С.
Фазовые превращения в чугуне с образованием остаточного аустенита
начинают
развиваться
при
объемной
температуре
500—600°
С,
что
свидетельствует о возникновении в пятнах контакта при трении более высоких
температур.
Окислительные процессы протекают наиболее интенсивно при трении
чугуна по материалу ФМК-11. Исследования позволили также определить
химический и фазовый состав образующегося при трении фрикционных
материалов рабочего слоя.
В поверхностном слое материала ФК-16л при температуре более 300°С
начинает
обнаруживаться
-фаза
железа,
а
при
высоких температурах
обнаружены -фаза, -фаза, а также незначительное количество фаз FеО, Fе30.4 и
Fе203.
Таким образом, выполненные исследования характеризуют основные
физико-химические процессы в фрикционных узлах, что позволяет наметить пути
их усовершенствования, т. е. улучшения фрикционных характеристик и
износостойкости
7 ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ, ДОЛГОВЕЧНОСТИ И
ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ
Комплексное решение проблемы повышения долговечности, надежности и
эффективности тормозных устройств необходимо осуществлять с применением
всех возможных направлений, т. е. выполнением общих положений, относящихся
ко всем типам изделий и тех специфичных требований, которые присущи только
тормозным устройствам.
Выполненные
исследования
по
материалам
фрикционных
узлов
и
тормозным устройствам и обобщение соответствующих литературных данных
позволяют сделать вывод, что основными путями усовершенствования тормозных
57
устройств и повышения их надежности, долговечности и эффективности следует
считать:
– продолжение и углубление исследований физико-химических процессов,
протекающих в различных типах материалов фрикционных узлов при работе
тормозов, с применением новейших методов микро- и субмикроанализа;
 дальнейшее
усовершенствование
конструкции
тормоза
и
его
фрикционных узлов;
 проведение широких исследований по созданию новых и улучшению
существующих фрикционных материалов;
 разработку новых и
усовершенствование
существующих методов
испытаний фрикционных материалов и испытательных машин; введение
унификации как методов, так и стендов, установок и другого лабораторного
оборудования; разработка методов ускоренных испытаний с применением теории
подобия;
 развитие исследований по моделированию трения и износа фрикционных
материалов с целью перенесения результатов исследования с модели на натуру (с
применением ЭЦВМ и АВМ);
 создание теории и инженерных методик предварительного расчета
деталей тормозов на трение и износ; соблюдение при эксплуатации машин
принятых или расчетных режимов работы тормозов (по частоте включения,
времени работы и другим эксплуатационным параметрам);
 улучшение работы систем управления и автоматики тормозных систем,
так называемых «антиюзовых» систем, имеющихся в некоторых машинах
(применение новых типов «антиюзовых» систем, двух- или трехступенчатых
клапанов растормаживания; различных типов агрегатов,
работающих по
определенной программе или настройке);
 разработка
и
применение
высоконагруженных тормозных устройств;
различных
систем
охлаждения
58
 управление физико-химическими процессами в зоне трения фрикционных
узлов для улучшения характеристик их работы с применением различных
внешних сред (жидкие или газообразные) или других способов.
Как показали выполненные исследования, изучение условий эксплуатации и
физико-химических процессов, протекающих в деталях тормозных устройств,
позволяет познать физическую природу отказов, неисправностей и ограниченного
срока службы некоторых высоконагруженных тормозных устройств. Такое знание
процессов
позволяет
разрабатывать
мероприятия
по
улучшению
работы
тормозных устройств, по созданию новых типов фрикционных материалов, по
разработке более точных методов испытаний, рекомендаций для эксплуатации
тормозов и т. п. Следовательно, характер протекания физико-химических
процессов следует изучать во всех типах тормозных устройств, применяя
современную новейшую аппаратуру для проведения различных, анализов и
исследований.
К числу конструктивных мероприятий, улучшающих работу дискового
тормоза, можно отнести рациональное уменьшение размеров секторов дисков.
Исследования показали, что в тормозе, имеющем наименьшие размеры секторов,
происходит более равномерный износ, равномернее протекают химические,
диффузионные и другие процессы как по поверхности, так и по глубине
материалов. Такое мероприятие позволит снизить также неравномерность
распределения напряжений и уменьшит коробление дисков. Конструктивными и
другими мероприятиями следует стремиться получить максимально возможную
площадь фактического контакта секторов дисков, тормозных колодок, которая,
как показали исследования, во многих случаях значительно меньше номинальной
площади контакта, ограниченной размерами секторов дисков (тормозных
колодок).
В высоконагруженных тормозах, работающих при наличии смазки,
необходимо
конструктивно
предусматривать
комплекс
мероприятий,
устраняющих коробление дисков, которое возникает вследствие наличия
температурных напряжений. Такими мероприятиями могут быть: секторное
59
шарнирное сочленение дисков; радиальные разрезы каркаса дисков; обеспечение
подвижности секторов на стальном каркасе диска и т. п. Кроме того улучшить
работу таких тормозов можно хорошим охлаждением, а также тщательным
подбором материалов для заданных условий работы или выбором режима их
работы (по скорости начала торможения, удельной нагрузке и, особенно,
возникающей при этом температуре в поверхностном слое материалов).
Заслуживает внимания также разработка и применение однодисковых
тормозов с малым коэффициентом взаимного перекрытия, в которых создаются
лучшие условия работы дисков за счет высокого коэффициента теплоотдачи
поверхности трения при торможении, так как поверхность дисков открытая.
Для улучшения работы тормозных устройств камерного типа кроме
рационального уменьшения фрикционных элементов можно рекомендовать
расточку тормозных барабанов при очередной замене тормозных колодок в
эксплуатационных
условиях
для
устранения
неравномерного
их
износа.
Необходимо также предусматривать специальные конструктивные мероприятия
(за счет улучшения теплоотвода или др.), обеспечивающие равномерное
протекание
диффузионных;
химических
и
других
процессов,
а
также
равномерный износ тормозных колодок и барабанов, секторов дисков.
Кроме этого, конструктивные усовершенствования следует проводить по
тормозным цилиндрам, узлам растормаживания и другим конструктивным
элементам тормоза.
Качество
фрикционных
материалов
во
многом
определяет
работоспособность и долговечность тормоза. Поэтому следует уделять большое
внимание улучшению существующих и созданию новых типов фрикционных
материалов. В настоящее время проводятся исследования по созданию новых
фрикционных материалов типа пластмасс, металлокерамики и металлопластмасс.
При сочетании металлокерамики и пластмасс можно обеспечить высокий и
стабильный коэффициент трения, а также малый износ в широком диапазоне
температур. Поэтому исследования материалов типа металлопластмасс (с
заполнением
пор
металлокерамических
материалов
пластмассой)
могут
60
представлять интерес с точки зрения применения их в нагруженных тормозных
устройствах [31].
На железнодорожном транспорте чугунные тормозные колодки заменяют
пластмассовыми, что позволяет перейти к скоростному движению поездов и
получить значительную экономию чугуна для народного хозяйства страны.
Представляют интерес также исследования по созданию керамикометаллических фрикционных материалов (керметов), которые состоят из
керамических (окисных или минеральных) и металлических фаз. К ним также
относят композиции, состоящие из металлических фаз и металлоподобных
соединений типа силицидов, карбидов, боридов, нитридов и др.
Одним из главных требований следует считать стабильность фазового,
химического состава, структуры и твердости, а следовательно, и свойств
поверхностного
слоя
деталей
из
фрикционных
материалов
в
процессе
эксплуатации. Такая стабильность может быть заложена в материале отдельными
его структурными составляющими. Возможно также создание и постоянная
генерация (восстановление) рабочего слоя с неизменяющимися свойствами на
поверхности трения деталей тормоза за счет тепла, выделяющегося при
торможении, и его воздействия на отдельные структурные составляющие
фрикционного материала.
В принципе для тормозных устройств любого типа необходимо создать
фрикционные материалы с наперед заданными свойствами, поверхностные слои
которых при контактировании могли бы генерировать стабильный рабочий слой,
обеспечивающий необходимые фрикционные и износные характеристики. Это
становится возможным только после глубокого познания природы происходящих
в деталях тормозов процессов при их эксплуатации.
Для работы в условиях высоких температур (более1000–1100° С) в
фрикционные материалы следует вводить составляющие, обеспечивающие
высокую термическую стабильность рабочего слоя и сопротивляемость к
схватыванию в широком диапазоне температур без снижения износостойкости и
61
фрикционных свойств. Необходимо также создавать материалы, имеющие
лучшие теплофизические свойства.
Одним из изученных физико-химических процессов является процесс
изменения
содержания
легирующих
элементов
в
поверхностных
слоях
материалов после эксплуатации или испытания тормоза. Следовательно, при
моделировании процессов трения при переходе от лабораторных испытаний
(тормозной стан) к действующей машине так же, как и при переходе от
модельных (образцы) к натурным лабораторным испытаниям следует наряду с
другими факторами учитывать и протекание физико-химических процессов и
вызываемых ими изменений в материалах. Физико-химические процессы можно
учитывать
введением
дополнительных
параметров
для
определения
соответствующих зависимостей при моделировании [20].
Например, химико-диффузионные процессы в поверхностных слоях
фрикционных материалов при проведении сравнительных испытаний можно
учитывать введением коэффициента изменения химического состава:
 =    …  ;
где
(1)
Кхим – общий коэффициент изменения химического состава;
 ,  ,  - коэффициент изменения содержания каждого легирующего элемента
фрикционного материала.
Коэффициент изменения каждого легирующего элемента можно определить
по формуле
 =
где
1 
∑

 =1 
0
,
(2)
 – содержание легирующего элемента в отдельных точках поверхностного
слоя фрикционного материала (после определенного количества торможений в
%);
т – количество определений спектральным анализом (в отдельных точках)
легирующей примеси;
А0 — содержание легирующего элемента в новом материале в %.
62
Обработка результатов спектрального анализа [49, 50], проведенного на
различных участках поверхности трения тормозных барабанов после 195
торможений
в
условиях
эксплуатации,
позволила
получить
следующие
коэффициенты изменения углерода, хрома и марганца: Kc = 0,50; KCr = 0,76; KMn =
0,52. При этом общий коэффициент изменения химического состава по
указанным легирующим элементам Kхим=0,197.
Установление
экспериментальных
и
теоретических
зависимостей
коэффициента трения и износа от содержания легирующих элементов позволит
выработать рекомендации допустимых диапазонов изменения коэффициента
химического состава в поверхностных слоях при проведении различных видов
испытаний материалов. Аналогичные коэффициенты можно получить и для учета
фазовых, структурных и других изменений в поверхностных слоях материалов.
Эти коэффициенты могут найти применение при составлении дефектных
ведомостей деталей при ремонте тормозных устройств и деталей других машин,
работающих в условиях высоких температур, для оценки их пригодности к
дальнейшей эксплуатации.
Необходимость учета характера протекания физико-химических процессов
при проведении сравнительных, модельных и натурных испытаний материалов на
установках
типа
ИМ-58,
тормозных
станах
и
действующих
машинах
подтверждают проведенные лабораторные исследования образцов.
Весьма важно при эксплуатации отдельных типов тормозов (например,
высоконагруженных, на самолетах) не превышать установленных режимов
работы тормоза особенно по величине скорости начала торможения, величине
посадочного веса, по частоте включения, времени торможения, количеству
торможений без охлаждения и т. п. Превышение режимов может вызвать
недопустимое повышение температуры и интенсивное протекание нежелательных
процессов. Для контроля температурного режима высоконагруженного тормоза
рекомендуется
применять
объективный
фрикционных узлов при эксплуатации машин.
метод
контроля
температуры
63
Для предотвращения появления трещин, коробления и усадки секторов
дисков, тормозных барабанов и колодок в процессе эксплуатации необходимо
строго выдерживать величины рекомендуемого веса машины (например,
посадочного веса самолета) и особенно скорости начала торможения (скорости
включения тормозов). Кроме того, при проведении последовательных взлетпосадок на самолетах, например, при выполнении учебно-тренировочных полетов
после каждого торможения следует принимать меры по охлаждению тормоза для
предотвращения интенсивного протекания нежелательных процессов. В связи с
неравномерным нагревом деталей тормозов по всему объему и неравномерно протекающими
физико-химическими
превращениями
в
материалах
как
по
поверхности, так и по глубине деталей не следует резко охлаждать детали после
торможения (например, водой). Это может привести к значительному увеличению
поверхностных напряжений и к более быстрому выходу из строя деталей
тормозов. Иногда такое охлаждение применяют для поддержания в исправном
состоянии других деталей, но для тормозного устройства оно нежелательно.
Одним из основных путей повышения эффективности, надежности и
долговечности высоконагруженных тормозных устройств является снижение
температурного режима тормоза с применением систем охлаждения.
Для большинства фрикционных материалов коэффициент трения с
увеличением температуры имеет падающую характеристику, т. е. снижается с
ростом температуры. Применение систем охлаждения позволяет снизить
температуру и повысить коэффициент трения. Кроме того, повышается также
износостойкость фрикционных материалов, так как при снижении температуры
уменьшается интенсивность протекания физико-химических процессов.
В
меньшей степени снижаются также прочностные свойства материалов.
Существующие системы охлаждения тормозов [70, 92, 97, 98, 99] можно
классифицировать по двум признакам: газовые или жидкостные, а также –
циркуляционные или открытого типа. Большая часть тепла, выделяющегося при
торможении, при применении системы охлаждения сразу передается не в глубь
массы деталей, а рассеивается в окружающее пространство. Наилучшее
64
охлаждение дают жидкие охладители, имеющие большую скрытую теплоту
парообразования.
Принудительное воздушное охлаждение тормозных колес применяется в
авиации [99]. Принудительное воздушное охлаждение, как показали испытания, в
несколько
раз
сокращает
время
охлаждения
тормозного
колеса
после
торможения; снижает температуру жидкости в гидросистеме управления
тормозами, исключает опасность взрыва покрышек. Однако максимальная
температура
фрикционных элементов в процессе
торможения
в случае
применения воздушного охлаждения снижается незначительно.
Циркуляционная
жидкостная
система
предусматривает
прокачку
охлаждающей жидкости через полые диски или тормозные колодки. Нагретая
жидкость охлаждается в соответствующих теплообменниках.
Открытая система охлаждения включает в себя коллектор и систему
форсунок, подающих охлаждающую жидкость на поверхность трения секторов
дисков. Наиболее эффективно температура снижается при открытой системе
охлаждения или системе впрыска жидкости внутрь тормоза. Жидкости для этих
систем подбирают исходя из требований наилучшего охлаждения деталей
тормоза,
т.
е.
подбирают
жидкость
наилучшую
по
теплофизическим
характеристикам. Учитывают также то, что жидкость должна иметь низкую
температуру замерзания, так как тормозные устройства эксплуатируются в
широком диапазоне температуры наружного воздуха. Однако внешнюю среду, т.
е. охлаждающую жидкость, не использовали для управления процессами трения и
износа фрикционных материалов, для улучшения их характеристик. Современные
достижения науки о внешнем трении, а также полученные результаты
исследования процессов и явлений, протекающих в поверхностных слоях
фрикционных материалов, позволяют определить влияние каждого конкретного
фактора и явления на фрикционные характеристики и долговечность деталей
тормозов в эксплуатационных условиях.
Изучение
основных
физико-химических
процессов
в
фрикционных
материалах и влияния на них ряда эксплуатационных факторов [16, 19, 48, 49]
65
позволило провести исследования по изысканию путей управления этими
процессами
для
улучшения
эксплуатационных
характеристик
материалов
тормозов.
Трение двух тел нельзя рассматривать независимо от факторов внешней
среды,
которая
является
одним
из
определяющих
условий
повышения
фрикционности. Внешняя среда, воздействуя на поверхность твердых тел,
вызывает изменение прочностных и других свойств материалов. Жидкие и
газовые среды, влияя на поверхностные слои и вторичные структуры,
образующиеся в них при трении, могут смещать критические точки перехода от
одного процесса к другому. Применяя жидкую или газовую среды, можно
расширять, сужать или полностью устранять области существующих ведущих
физико-химических процессов,
характерных для определенных материалов и
условий их работы.
Результаты некоторых работ по выявлению влияния внешней среды
иногда носят противоречивый характер. Это можно объяснить тем, что
окружающая среда, взаимодействуя с поверхностью тел, образует пленки
окислов и других соединений, в зависимости от свойств которых изменяется
коэффициент трения, величина износа и другие характеристики материалов
[52].
Академик П. А. Ребиндер в своих работах [76, 77 и др.] доказал большое
влияние окружающей среды на развитие процессов трения и изнашивания,
прочностные и другие характеристики материалов.
Во многих случаях влияние внешней среды на эксплуатационные
характеристики материалов рассматривалось отдельными исследователями
только с точки зрения химического воздействия.
В последнее время выполнены работы по изучению влияния внешней
среды на процессы трения и изнашивания различных материалов, которые
показали, что внешняя среда играет большую роль в развитии этих процессов.
Однако особые условия работы и определенные характеристики фрикционных
66
материалов не позволяют непосредственно переносить результаты ранее
выполненных исследований [66, 77 и др.] на материалы тормозных устройств.
Характер изменения процессов при трении фрикционных материалов в
различных средах и механизм воздействия этих сред изучены недостаточно.
Некоторые данные в этой области опубликованы в работах [53, 70]. Одним из
направлений решения проблемы повышения долговечности и эффективности
тормозных устройств при их эксплуатации является изменение условий работы
фрикционных материалов с применением различных внешних сред.
Для изучения влияния внешней среды на физико-химические процессы,
протекающие в фрикционных материалах, и изменения характеристик этих
материалов были проведены исследования на лабораторной установке. Удельное
давление при испытании было принято равным 15 кгс/см 2.
Для подачи газовой или жидкой среды в специально оборудованную
герметическую камеру были созданы специальные системы. Коэффициент
взаимного перекрытия образцов для испытаний в газовых средах был равен
единице, что позволило воспроизводить более «жесткий» температурный режим
(при испытаниях в жидкой среде величина коэффициента взаимного перекрытия
была равна 0,75, т. е. близка к реальному значению в дисковых тормозах).
Были испытаны серийные фрикционные материалы типа ФК.-16л, ФМК11, ФМК-8 и другие при работе их по чугуну ЧНМХ в следующих средах:
воздух, аргон, азот, аммиак, вода, аммиачная вода и т. п.
Подробные исследования фрикционных материалов при их работе в
газовых средах выполнены Е. А. Банановым под руководством и с участием
автора [15, 19 и др.]. По результатам исследований в газовых средах получено
авторское свидетельство № 190735 от 17.06— 65 г.
В качестве примера на рисунке 2 показано изменение коэффициента трения
и температуры в зависимости от скорости скольжения при испытании материала
ФМК-11 по чугуну ЧНМХ в газовых средах. Как показано на рисунке,
коэффициент трения в аргоне, азоте, аммиаке несколько повышается в диапазоне
больших
скоростей
скольжения.
Это
можно
объяснить
образованием
67
специфических рабочих слоев на обоих элементах пары трения с уменьшением
количества окисных фаз, а при испытании в азоте и особенно в аммиаке – с
появлением
более
пластичных
рабочих
слоев,
имеющих
значительную
концентрацию фаз нитридов и карбидов.
На рисунке 3 и 4 показан характер изменения приведенного линейного
износа образцов из материала ФМК-11
и чугуна ЧНМХ в зависимости от
скорости скольжения в газовых средах. В диапазоне скоростей примерно от 2,0 до
9,0 м/с (температура в зоне трения 650—850° С) происходит интенсивный износ
металлокерамики при испытании материалов в воздухе. Значительный износ
материала ФМК-11 в этом диапазоне температур получен и другими авторами.
Рисунок 7 Зависимость изменения коэффициента трения (сплошные линии) и
температуры (штриховые) от скорости скольжения при испытании материала
ФМК – 11 по чугуну в газовых средах:
1 – воздух; 2 – аргон; 3 – азот; 4 – аммиак
Большой износ металлокерамики в указанном диапазоне температур
происходит в результате образования значительного количества окислов,
которые были обнаружены рентгеноструктурным анализом. Окисные пленки
небольшой толщины имеют плохую связь с основным материалом, срываются
при работе материала, что приводит к схватыванию, переносу металлокерамики
68
на чугун и резкому возрастанию износа металлокерамики. Кроме того,
повышается микротвердость тонкого поверхностного слоя материалов.
При испытаниях в аргоне и азоте интенсивность окисления поверхностных
слоев уменьшается, а в аммиаке, кроме торможения процессов окисления, еще
образуются новые фазы в поверхностных слоях. При высоких температурах
происходит
диссоциация
аммиака
с
выделением
азота
и
водорода
и
взаимодействием их с испытываемыми материалами с образованием нитридных и
карбидных фаз. Кроме того, при этом образуется мелкодисперсный рабочий слой,
имеющий хорошую связь с основным материалом на обоих образцах.
Рисунок 8 Зависимость изменения приведенного линейного износа (1 в мкм/см2
на 1000 м пути) образцов из материала ФМК – 11 от скорости скольжения при
испытаниях по чугуну в газовых средах:
1 – воздух; 2 – аргон; 3 – азот; 4 – аммиак
69
Рисунок 9 Зависимость приведенного массового износа (1 в мкм/см 2 на 1000 м
пути) образцов из чугуна ЧНМХ от скорости скольжения при испытаниях по
материалу ФМК – 11 в газовых средах
1 – воздух; 2 – аргон; 3 – азот; 4 – аммиак
При испытании в среде аммиака, как показал анализ микротвердости,
создается положительный перепад микротвердости по глубине материалов.
Такой перепад способствует предохранению поверхности от схватывания и
глубинного вырывания, что повышает долговечность фрикционных материалов,
уменьшая износ металлокерамики в среде аммиака.
Начало интенсивного износа чугуна в среде аммиака (рис. 4) смещается в
сторону больших скоростей скольжения (с 9,0 до 12,5 м/с) по сравнению с
испытаниями тех же материалов в воздухе.
Сравнение микрофотографий поверхностей образцов, испытанных в
газовых средах, и микроструктур их поверхностных слоев показало, что в среде
аммиака свойства поверхностных слоев улучшаются из-за фазовых изменений и
других превращений. После испытаний образцов в среде аммиака уже на малых
скоростях скольжения происходит заметное изменение состояния поверхностей
трения материалов. На поверхности образцов образуется мелкодисперсный
темно-серый слой с малой микротвердостыо (порядка 100—140 кгс/см2).
70
Толщина слоя с увеличением скорости и температуры возрастает. На
поверхности трения образцов при больших скоростях появляется равномерно
распределенный рабочий слой с микротвердостью 390 – 400 кгс/см2. В глубине
материалов на расстоянии 0,05— 0,10 мм от поверхности трения при высоких
температурах обнаружена зона мелкоигольчатого мартенсита, микротвердость
которого находится в пределах от 1000 до 1300 кгс/см2.
Был испытан также материал ФК-16л по чугуну ЧНМХ в газовых и жидких
средах [19]. При испытаниях в аммиаке коэффициент трения на малых скоростях
несколько больше, чем при испытаниях в воздухе, затем, он резко уменьшается, а
при скорости более 5 м/с становится большим, чем при испытаниях в воздухе.
При исследованиях с подачей воды коэффициент трения на малых
скоростях скольжения несколько меньше по величине, чем в воздухе, затем
увеличивается до скорости 2,5—3,0 м/с, а при дальнейшем возрастании скорости
– снижается, но значение его больше, чем при испытании в воздухе. Примерно
аналогичные изменения происходят и при испытаниях в аммиачной воде (отличия
только на малых скоростях скольжения).
Анализ изменения температуры в зависимости от скорости скольжения при
испытании материала ФК-16л в газовых и жидких средах показал, что
температура поверхностных слоев образцов при скоростях более 7,5 м/с в разных
средах примерно одинакова (несколько ниже температура только в среде
аммиака).
При
скоростях
0,1—5,0
м/с
характер
изменения
температур
поверхностных слоев образцов имеет существенное отличие. При испытаниях в
аммиаке и аммиачной воде температура несколько уменьшается. Наибольшее
снижение температуры наблюдается при подаче воды.
Приведенный линейный износ материала ФК-16л в воздухе незначительный
до скорости 5 м/с. В среде аммиака, воды и аммиачной воды малый износ
материала ФК-16л наблюдается и при больших скоростях (до 10,0—15,0 м/с).
Зависимости износа чугуна от скорости скольжения при испытаниях его в
различных средах имеют примерно аналогичный характер. При больших
71
скоростях скольжения во время испытаний как в воздухе, так и с подачей воды
происходит перенос чугуна на материал ФК-16л.
Были проведены также модельные (на установке ИМ-58) и натурные
испытания фрикционных материалов в различных газовых средах. Испытания
подтвердили
эффективность
воздействия
различных
газовых
сред
на
фрикционные характеристики и износостойкость материалов.
В проведении модельных и натурных испытаний принимали участие кроме
автора С. С. Коконин, Е. А. Коржов, М. В. Малютин, Я. Н. Пейко, Т. Г. Сапронов.
Результаты испытаний представлены в таблице 1 и 2. Как показано в таблицах,
при испытаниях на установке ИМ-58 коэффициент трения изменялся мало и
несколько снижалась его стабильность. Суммарный износ за одно торможение
металлокерамики ФМК-11 и чугуна ЧНМХ при испытании в среде аммиака, а
металлокерамики МКВ-50А и чугуна при испытании в среде азота уменьшается
по сравнению с воздушной средой в 7—9 раз.
72
Таблица 2 Результаты модельных испытаний фрикционных материалов в
газовых средах на установке ИМ-58
Режимы испытаний: J=6,15 кгс см с2, Ауд=810кгс м/см2, n=6000 об/мин
Пары трения
Среда
fср
ст
Средний линейный износ в мкм
ФМК-11+ЧММХ
МКВ-50А+ЧММХ
Суммарный
Чугуна
и
Металлокерамик
за одно торможение
Воздух
0,28
0,60
47,5
1,0
48,5
Аммиак
0,25
0,55
5,2
0
5,2
Воздух
0,38
0,76
10,4
10,1
20,5
Азот
0,34
0,61
0,9
1,8
2,7
Таблица 3 Результаты испытания натурного тормоза в газовых средах
(скорость начала торможения =27,8 м/с)
Режимы
Средний
испытаний
линейный износ в
Пара трения
ФМК-11+ЧММХ
МКВ-50А+ЧММХ
Суммарный
торможение
мики
Чугуна
ст
Металлокера
fср
кгсм/с см2
Ауд
узла
Nуд.ср в
Среда
в кгсм/см2
фрикционного
мкм за одно
Воздух
446
27,7
0,20
0,68
26,5
8,0
34,5
Аммиак
443
27,2
0,19
0,60
7,2
10,9
18,1
Воздух
443
25,0
0,25
0,62
13,5
5,0
18,5
Азот
442
25,0
0,23
0,47
+3,9
8,2
4,3
73
Износ
металлокерамики
ФМК-П
в
среде
аммиака
в
9
раз,
а
металлокерамики МКВ-50А в среде азота более чем в 11 раз меньше, чем в
воздухе. При этом износ чугуна либо отсутствует (при испытаниях по
металлокерамике ФМК-11), либо уменьшается более чем в 5 раз (при испытаниях
по металлокерамике МКВ-50А).
Величина коэффициента трения и его стабильность при испытаниях
натурного тормоза в газовых средах имеют аналогичный характер, как и при
испытаниях на установке ИМ-58. В натурном тормозе (табл. 2) суммарный износ
за одно торможение деталей фрикционных узлов, изготовленных из материалов
ФМК-11 и чугуна, а также МКВ-50А и чугуна уменьшается в соответствующих
газовых средах в 1,9 и 4,3 раза. Износ секторов дисков из металлокерамики ФМК11
в среде аммиака за одно торможение меньше в 3,6 раза по сравнению с
износом в воздушной среде. При испытаниях секторов дисков из материала МКВ50А в среде азота обнаружено увеличение размеров секторов.
Лабораторные испытания материалов ФК-16Л, ФМК-11 с подачей жидких
сред различной химической активности, например аммиачной воды, также
указали на возможность улучшения работы фрикционных материалов по
сравнению с испытаниями их в воздухе или с подачей дистиллированной воды.
Следовательно, газовая и жидкая среды оказывают весьма значительное, и в
ряде случаев решающее влияние на возникновение и развитие физикохимических процессов в фрикционных материалах. Рабочий слой, образующийся
в процессе трения при подаче внешней среды (слой вторичных структур),
существенно влияет на коэффициент трения и износостойкость фрикционных
материалов.
74
Заключение
Установлено,
устройств
можно
что
надежность
повысить,
и
долговечность
используя
деталей
общепринятые
тормозных
конструктивные
технологические и эксплуатационные способы и методы, применяемые в
машиностроении, а также некоторые специфические пути, учитывающие
особенности работы тормозных устройств:
1. При проектировании изделий следует правильно определять их техникоэкономические показатели. Они должны соответствовать современному уровню.
Изделия должны иметь возможно больший межремонтный срок службы с
минимальными затратами на ремонт.
2. Новые изделия необходимо создавать с учетом не только опыта
эксплуатации прототипов, а и с учетом результатов научно-исследовательских
работ в данной области.
3. При проектировании нового изделия необходимо также учитывать
основные причины, вызывающие отказы и неисправности изделия – прототипа;
предусматривать конструктивные и другие мероприятия, устраняющие или
снижающие их вредное влияние.
4. Применение унифицированных и стандартных деталей или узлов, что
снижает
затраты
на
техническое
обслуживание
и
ремонт;
применение
малогабаритных готовых изделий; разработка и применение новых типов
материалов; наименьший объем механической обработки металлов – все эти
факторы способствуют созданию более надежного изделия.
5. Технологические мероприятия при изготовлении изделий направлены на
повышение их качества при стремлении снизить удельные затраты на единицу
продукции.
6. Наибольшее
внимание
должно
уделяться
правильному
выбору
технологического процесса: применению освоенной или типовой технологии;
внедрению оптимального для данного узла или детали метода механической,
75
химико-термической, термической или другой обработки поверхностных слоев
деталей.
7. К
эксплуатационным
средствам
повышения
надежности
машин,
улучшения их экономических показателей относится разработка и применение
прогрессивных систем ремонта и технического обслуживания машин. К ним,
например, относится система технического обслуживания и замены агрегатов по
фактическому состоянию. Сюда же следует отнести и разработку прогрессивных
методов восстановления машин.
76
Список использованных источников
1. Александров М. П. Тормоза подъемно-транспортных машин / М.П.
Александров. М.: Машиностроение, 1976. – 383 с.
2. Анохнн
В.
И. Отечественные
автомобили
/
В.И.
Анохин.
М.:
Машиностроение, 1977. – 592 с.
3. Базанов А. Ф. Самоходные погрузчики / А.Ф. Базанов, Г.В. Забегалов. М.:
Машиностроение. 1979. – 406 с.
4. Беркович Ф. М. Применение гидрозамков в гидроприводах строительных
и дорожных машин / Ф.М. Беркович, Ф.Н. Жуков. – Строительные и дорожные
машины, 1976. – № 3. – с 27–28.
5. Борисов С.М. Повышение долговечности фрикционных муфт механизмов
реверса строительных машин / С.М. Борисов. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1970. – 60
с.
6. Борисов С. М. Фрикционные муфты и тормоза строительных н дорожных
машин / С.М. Борисов. М.: Машиностроение, 1973. – 168 с.
7. Власов В.И., Расчет и проектирование тормозов с шарнирно-колодочными лентами / В.И. Власов, В.Е. Свистунов. – Кузнечно-штамповочное
производство. – 1968. – № 2. – с. 21–24.
8. Вольчеико А. И. Барабанно-колодочные тормозные устройства / А.И.
Вольченко, Ю.С. Замора. Львов: Вища школа, 1980. – 108 с.
9. Гавриленко Б. А. Гидравлические тормоза / Б.А. Гавриленко, В.А. Минин,
Л.С. Оловяников. М.: Машгиз. 1961. – 244 с.
10. Генбом Б.Б. К вопросу об оценке свойств по перспективности
колодочных барабанных тормозных механизмов / Б.Б. Генбом, А.И. Гута. –
Автомобильная промышленность, 1972. – № 6. – с. 16–22.
11. Гуревич Л. А. Тормозное управление автомобиля / Л.А. Гуревич, Р.А.
Меламуд. М.: Транспорт, 1978. – 152 с.
12. Дьячков Н. К. Гидродинамические тормоза-замедлители самоходных
скреперов / Н.К. Дьячков. – Строительные и дорожные машины, 1973. – № 6. – с.
77
25–26.
13. Ермишкин В. Г. Техническое обслуживание лифтов / В.Г. Ермишкин.
М.: Недра, 1977. – 326 с.
14. Ерофеев Н.И. Предохранительные и сигнализационные устройства
кранов / Н.И. Ерофеев. М.: Машиностроение, 1980. – 152 с.
15. Зверев И.И. Проектирование авиационных колес и тормозных систем /
И.И. Зверев, С.С. Коконин. М.: Машиностроение, 1973. – 222 с.
16. Зиновьев Е. В. Физико-химическая механика трения и оценка асбофрикционных материалов / Е.В. Зиновьев, А.В. Чичинадзе. М.: Наука, 1978. – 204
с.
17. Каледин Н. В. Тормозные устройства шахтных подъемных машин /
Н.В. Каледин, С.Л. Кравцов, К.В. Гребенников. Киев: Техника, 1982. – 110 с.
18. Карпышев Н. С. Тормозные устройства шахтных подъемных машин /
Н.С. Карпышев. М.: Недра, 1968. – 248 с.
19. Кожевников С.И. Механизмы: Справочное пособие / С.И. Кожевников,
Я.И. Есипенко, Я.М. Раскин. М.: Машиностроение. 1976. – 784 с.
20. Коконин
С.С.
Исследование
эксплуатационных
характеристик
многодисковых нагруженных тормозов / С.С. Коконин, Ф.К. Германчук. – В кн.:
Расчет и испытания фрикционных пар. М.: Машиностроение, 1974, с. 135–145.
21. Крылов В. И. Автоматические тормоза / В.И. Крылов, Е.В. Клыков,
В.Ф. Ясенцев. М.: Транспорт, 1973. – 256 с.
22. Ломакин Ю.А. Мембранные пневмоприводы / Ю.А. Ломакин. –
Строительные и дорожные машины, 1976. – № 5. – с. 21–23.
23. Мащенко А.Ф. Методика расчета колодочных тормозов / А.Ф.
Мащенко. – Автомобильная промышленность, 1968. – № 2. – с. 13–15.
78
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа