Повышение эффективности работы и износостойкости тормозных устройств путем применения биметаллических материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат технических наук Томский, Кирилл Олегович

• Томский, Кирилл Олегович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Томский, Кирилл Олегович

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ триботехнических параметров тормозных устройств

1.1. Эксплуатационные характеристики и виды конструкций тормозных устройств

1.2. Анализ материалов, используемых при конструировании тормозных устройств

1.3. Анализ энергетического баланса при трении

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

Выводы по главе 1

Глава 2. Исследование энергетического баланса в условиях трения

без смазочного материала

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

в условиях трения скольжения без смазочного материала

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

в условиях трения без смазочного материала

2.3. Расчетное определение энергетического баланса в зависимости

от параметров трения

2.4. Определение рациональных параметров тормозного устройства

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

Выводы по главе 2

Глава 3. Разработка подхода к использованию биметаллических

поверхностей в узлах трения без смазочного материала

(

V

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

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

3.3. Экспериментальное определение температуры нагрева и коэффициента трения тормозных устройств

Выводы по главе 3

Глава 4. Стендовые эксперименты по исследованию температуры

нагрева тормозных устройств

4.1. Разработка конструкции тормозного устройства с биметаллическим поверхностным слоем

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

4.3 Экспериментальное определение температуры нагрева

тормозных устройств на установке для стендовых испытаний

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы и износостойкости тормозных устройств путем применения биметаллических материалов»

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

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

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

тормозных дисков разной конструкции при трении для оценки эффективности теплоотвода.

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

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

Научная новизна работы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Томский, Кирилл Олегович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

•Выявлены факторы, влияющие на соотношение тепловой и механической составляющих энергетического баланса при трении без смазочного материала. Определяющими параметрами являются удельная нагрузка на контакте и механические свойства контактирующих поверхностей. С увеличением удельной нагрузки наблюдается рост доли механической составляющей с соответствующим снижением доли выделяющейся теплоты;

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Томский, Кирилл Олегович, 2013 год

Литература.

1. А. Г. Гинзбург. Расчет объемных температур при торможении при переменных теплофизических характеристиках материалов пары трения. — В кн.: Решение задач тепловой динамики и моделирования трения и износа. М.: Наука, 1980, с. 18 - 22.

2. Балакин В.А. Основы прочности поверхностного слоя. Гомель: Изд-во Гомельского госуниверситета, 1974, 242 с.

3. Балакин В.А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения. М.: Машиностроение, 1980, 136 с.

4. Балакин В.А., Балакина H.A. Оплавление твердого тела при высокоскоростном трении. - В кн.: Среда и трение в механизмах. Таганрог: Изд. Таганрогского радиотехнического института, 1976, вып.2, с 16-26.

5. Болдырев Д.А. Повышение работоспособности и ресурса пары трения "тормозной диск - колодка". — В журнале: Автомобильная промышленность, 2006, №5.

6. Быков Б. К., Браун Э. Д., Бесценная О. В. Натурные испытания фрикционного материала для магниторельсового тормоза. - Тр. МИИТ, 1969, вып. 315, с. 135-143.

7. Вольченко А.И., Сочавский З.А., Вольченко Д.А., Балаболин C.B. Расчет и конструирование тормозных устройств. Ташкент, Мехнат, 1990 г. 287 с.

8. Горюнов В.М. Исследование трения при нестационарном высокоскоростном режиме. - В кн.: Новое в теории трения. М.: Наука, 1966, с. 91-97.

9. Елагина О.Ю., Коновалов A.B., Зинченко К.А. Исследование влияния тепловых процессов на взаимодействие абразивной частицы с поверхностью металла при трении // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2007 г. - № 9.- с. 3-6.

148

Ю.Кащеев В. Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. М.: Машиностроение, 1978. 213с.

И.Кащеев В. Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. М.: Машиностроение, 1978, 213с.

12.Киселев Г. И. Абразивный износ металлов при различных температурах и скоростях // Докл. АН СССР. 1952. Т. 87. № 5. С. 735— 737.

13.Коновалов А. В. Исследование характеристик зоны контакта абразив -деталь при абразивном изнашивании. «Трение и смазка в машинах и механизмах». №1.2006. с. 6 - 10.

14.Коновалов А. В. Моделирование и анализ силовых процессов на поверхностях трения оборудования нефтегазовой отрасли, работающего в условиях скольжения по закрепленному абразиву // Технологии нефти и газа. - 2005 г.- № 2. - с. 62 - 68.

15.Коровчинский М.В. Основы теории термического контакта при локальном трении. - В кн.: Новое в теории трения. М.: Наука, 1966, с. 98-145.

16.Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении. Киев: Технша, 1976, 296 с.

17.Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техшка, 1970,396 с.

18.Костецкий Б.И., Линник Ю.И. Исследование энергетического баланса при внешнем трении металлов. ДАН СССР, 1968, Т 113, №5, с. 1052- 1055.

19.Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

20.Крагельский И.В., Алисин В.В. Трение, изнашивание и смазка.Справочник в 2 Кн., Кн. 2. М.: Машиностроение, 1979, 358 с.

21.Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: справочник. 1989, 280 с.

22.Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушений. М.: Машиностроение, 1999. 540 с.

23.0сновы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов.2-е изд. переработ, и доп. / А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др.; Под общ. Ред. А. В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 2001.-664 е., ил.

24. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Д.: Энергия, 1968, 304 с.

25.Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. - М.Машиностроение, 1989. - 496 с.

26.Серегин С. А., Люленков В. И. Температура контактной поверхности при трении металлов. — В кн.: Тепловая динамика трения. М.: Наука, 1970, с. 122-126.

27.Сорокин Г.М., Виноградов В.Н. Абразивное изнашивание. М.: Машиностроение, 1990, 224 с.

28.Сорокин Г.М., Виноградов В.Н. Износостойкость сталей и сплавов: учебное пособие для ВУЗов. М.: Нефть и газ, 1994, 415 с.

29.Сорокин Г.М., Виноградов В.Н. Механическое изнашивание сталей и сплавов. М.: Недра, 1996, 364 с.

30.Справочник по триботехнике. В 3-х т./ Под ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. Т. 1. М.: Машиностроение, 1989. 397 с.

31.Справочник по триботехнике. В 3-х т./ Под ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. Т.З. Триботехника антифрикционных, фрикционных, и сцепных устройств. М.: Машиностроение, 1992. 730 с

32. Теплотехнический справочник/Под ред. В.Н.Юренева, П.Д. Лебедева. М.: Энергия, 1975, 896 с.

33.Теплофизические свойства веществ и материалов. Вып.19/Гос. ком СССР по стандартам. М.: Изд-во стандартов, 1983, 161 с.

34.Трение, изнашивание и смазка. Т.2. Под редакцией И.В.Крагельского -М.: Машиностроение, 1979. 358 с.

35.Федорченко И. М., Ровинский Д.Я., Шведков E.JI. Исследование материалов для тормозных и передаточных устройств. Киев: Наукова думка, 1976, 198 с.

36. Чичинадзе A.B. Расчет и исследование внешнего трения при торможении. М.: Наука, 1967, 230 с.

37. Чичинадзе A.B., Горюнов В.М. Температурный режим работы опор скольжения при высоких скоростях. - В кн.: Тепловая динамика трения. М.: Наука, 1970, с. 70 - 77.

38.Чичинадзе A.B., Поляков Н.В. Расчетно-экспериментальное определение теплонагруженности остановочных тормозов трактора Т-330. - В кн.: Решение задач тепловой динамики и моделирования трения и износа. М.: Наука, 1980, с. 43 — 49.

39. Аракелян И.С. Повышение тормозных свойств спортивных автомобилей с учетом условий эксплуатации/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владимир, 2004.

40. Болдырев Д.А. Повышение работоспособности и ресурса пары трения "тормозной диск-колодка"/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тольятти, 2004.

41. Мирошников Л.В., Болдин А.П., Пал В.И. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортных предприятиях. - М.: Транспорт, 1997. - 263 с.

42. Носко А.П. Метод расчета температур в области контакта элементов пар трения тормозных устройств подъемно-транспортных машин/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2010.

43. Харламов П.В. Трибоспектральная идентификация и прогнозирование критического состояния подсистемы "тормозной диск

- колодка" автомобиля/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ростов-на-Дону, 2009.

44. Антропов А.Н. Совершенствование тормозных средств грузовых поездов постоянного формирования/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Екатеринбург, 2008.

45. Шарыпов A.B. Метод диагностирования неравномерности действия тормозов автомобиля/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тюмень, 2004.

46. Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А., Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.: Высш. Шк., 1988, 559 с.

47. Вершигора В.А., Игнатов А.П., Новокшонов К.В., Пятков К.Б. Автомобили Жигули ВАЗ - 2104,2105,2107. Устройство и ремонт. - 3-е изд., перераб. - М.:Транспорт, 1996. - 216 с.