Научная статья на тему 'Многофакторный анализ закономерности изменения динамического коэффициента трения в трибосистеме и трибосопряжениях в лабораторных условиях'

Многофакторный анализ закономерности изменения динамического коэффициента трения в трибосистеме и трибосопряжениях в лабораторных условиях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
264
78
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРИБОСИСТЕМА / ТРИБОСОПРЯЖЕНИЕ / ПАРА ТРЕНИЯ / ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНЫЙ ТОРМОЗ / ДИНАМИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ / МЕТОД ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ / TRIBOSYSTEM / TRIBOUNITS / FRICTION PAIR / BAND-BLOCK BRAKE / DYNAMIC FRICTION COEFFICIENT / METHOD OF MATHEMATICAL PLANNING OF EXTREME EXPERIMENTS

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Красин Петр Сергеевич

Рассмотрен вопрос многофакторного анализа закономерности изменения динамического коэффициента трения в трибосистеме и трибосопряжениях в лабораторных условиях. В качестве трибосистемы выступает модельный ленточно-колодочный тормоз с режимными параметрами усилия на рукоятке управления тормозом и работы торможения. С применением метода математического планирования экстремальных экспериментов получены функциональные зависимости динамического коэффициента трения от варьируемых параметров в виде полиномов второго порядка, адекватно описывающие исследуемые процессы. На микрои наноуровнях рассмотрено эталонное изменение динамического коэффициента трения пары «Ретинакс ФК-24А-сталь 35ХНЛ» в функции от поверхностной температуры, величина которой отвечает определенным законам с учетом возрастающей и ниспадающей характеристик динамического коэффициента трения. Оценка последнего произведена по принципу суперпозиции с использованием многофакторного анализа параметров следующих процессов: вынужденного охлаждения и нагревания; поляризационных и деполяризационных на пятнах контактов микровыступов пары трения; формирования типа контактов микровыступов в зависимости от работы выхода электронов и ионов из их материалов; образования первичных и вторичных структур на поверхностях фрикционного взаимодействия; разрушения и восстановления пленок на поверхностях и т.д. Проанализированы результаты исследований на макро-, микрои наноуровнях изменения динамического коэффициента трения и выделены основные факторы, влияющие на его величины

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Красин Петр Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MULTIPLE FACTOR ANALYSIS OF DYNAMIC FRICTION COEFFICIENT OF FRICTION UNITS IN TRIBOSYSTEM AND TRIBOUNITS UNDER LABORATORY CONDITIONS

We have illustrated multiple factor analysis of the dynamic friction coefficient of the friction units in tribosystem and tribounits under laboratory conditions. As the tribosystem we had a model band-block brake with regime parameters of the control handle tension of the brake and brake work. By using the method of the mathematical planning of the extreme experiments, we have obtained functional dependence of the dynamic friction coefficient of the variable parameters in the form of a second-order polynomial, which adequately describe the processes under study. As tribounit at the microand nanoscale there was the reference change of the dynamic friction coefficient of the pair "Retinax FC-24A – Steel 35HNL" as a function of surface temperature, the values of which correspond to certain laws, based on the rise and fall of the characteristics of the dynamic friction coefficient. We have made the evaluation of the dynamic friction coefficient on the principle of the superposition with the multiple factor analysis of the following parameters: the process of forced cooling and heating; the processes of the polarization and depolarization in the contact patch of the micropoints of friction pairs; the type of the contacts of the micropoints depending on the work function of the electrons and ions from materials; the formation of primary and secondary structures on the surfaces of frictional contact; the destruction and restoration of the pellicles on surfaces, etc. We have analyzed the results of the studies of changes of the dynamic friction coefficient on the macro-, microand nanoscale and we have found the basic factors affecting its value.

Текст научной работы на тему «Многофакторный анализ закономерности изменения динамического коэффициента трения в трибосистеме и трибосопряжениях в лабораторных условиях»

УДК 621.891

05.00.00. Технические науки

МНОГОФАКТОРНЫЙ АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ В ТРИБОСИСТЕМЕ И ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Красин Петр Сергеевич аспирант

Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар, Россия

Рассмотрен вопрос многофакторного анализа закономерности изменения динамического коэффициента трения в трибосистеме и трибосопряжениях в лабораторных условиях. В качестве трибосистемы выступает модельный ленточно-колодочный тормоз с режимными параметрами усилия на рукоятке управления тормозом и работы торможения. С применением метода математического планирования экстремальных экспериментов получены функциональные зависимости динамического коэффициента трения от варьируемых параметров в виде полиномов второго порядка, адекватно описывающие исследуемые процессы. На микро- и наноуровнях рассмотрено эталонное изменение динамического коэффициента трения пары «Ретинакс ФК-24А-сталь 35ХНЛ» в функции от поверхностной температуры, величина которой отвечает определенным законам с учетом возрастающей и ниспадающей характеристик динамического коэффициента трения. Оценка последнего произведена по принципу суперпозиции с использованием многофакторного анализа параметров следующих процессов: вынужденного охлаждения и нагревания; поляризационных и деполяризационных на пятнах контактов микровыступов пары трения; формирования типа контактов микровыступов в зависимости от работы выхода электронов и ионов из их материалов; образования первичных и вторичных структур на поверхностях фрикционного взаимодействия; разрушения и восстановления пленок на поверхностях и т.д. Проанализированы результаты исследований на макро-, микро- и наноуровнях изменения динамического коэффициента трения и выделены основные факторы, влияющие на его величины

Ключевые слова: ТРИБОСИСТЕМА, ТРИБОСОПРЯЖЕНИЕ, ПАРА ТРЕНИЯ, ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНЫЙ ТОРМОЗ, ДИНАМИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ, МЕТОД ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

UDC 621.891

Technical Sciences and Engineering

MULTIPLE FACTOR ANALYSIS OF DYNAMIC FRICTION COEFFICIENT OF FRICTION UNITS IN TRIBOSYSTEM AND TRIBOUNITS UNDER LABORATORY CONDITIONS

Krasin Petr Sergeevich postgraduate student

Kuban State Technological University, Krasnodar, Russia

We have illustrated multiple factor analysis of the dynamic friction coefficient of the friction units in tribosystem and tribounits under laboratory conditions. As the tribosystem we had a model band-block brake with regime parameters of the control handle tension of the brake and brake work. By using the method of the mathematical planning of the extreme experiments, we have obtained functional dependence of the dynamic friction coefficient of the variable parameters in the form of a second-order polynomial, which adequately describe the processes under study. As tribounit at the micro- and nanoscale there was the reference change of the dynamic friction coefficient of the pair "Retinax FC-24A - Steel 35HNL" as a function of surface temperature, the values of which correspond to certain laws, based on the rise and fall of the characteristics of the dynamic friction coefficient. We have made the evaluation of the dynamic friction coefficient on the principle of the superposition with the multiple factor analysis of the following parameters: the process of forced cooling and heating; the processes of the polarization and depolarization in the contact patch of the micropoints of friction pairs; the type of the contacts of the micropoints depending on the work function of the electrons and ions from materials; the formation of primary and secondary structures on the surfaces of frictional contact; the destruction and restoration of the pellicles on surfaces, etc. We have analyzed the results of the studies of changes of the dynamic friction coefficient on the macro-, micro- and nanoscale and we have found the basic factors affecting its value

Keywords: TRIBOSYSTEM, TRIBOUNITS, FRICTION PAIR, BAND-BLOCK BRAKE, DYNAMIC FRICTION COEFFICIENT, METHOD OF MATHEMATICAL PLANNING OF EXTREME EXPERIMENTS

Введение. Фрикционные свойства пары трения зависят в равной мере от природы ее материалов, от конструкции узла трения и режима его работы. Наличие большого количества факторов, возникающих при электротермомеханическом трении в едином поле взаимодействия, приводит к необходимости проведения многочисленных экспериментов применительно к парам трения ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки. Это обстоятельство послужило причиной поиска путей получения надежной информации о ресурсе узлов трения за более короткие сроки и, по возможности, на меньшем количестве испытуемых образцов. В этом смысле теория планирования экстремальных экспериментов занимает важное место [1].

Состояние проблемы. Величина динамического коэффициента трения в трибосопряжениях фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза при электротермомеханическом трении носит импульсный характер. Это связано с импульсным подводом нормальных усилий к пятнам контактов микровыступов пар трения тормоза и возникновением на их номинальных сопряженных поверхностях импульсных сил трения.

Динамический коэффициент трения в трибосистеме и в трибосопряжении необходимо оценивать на макро- микро- и наноуровнях. На макроуровне необходимо поэтапно определить влияние основных режимных факторов (нагрузку на рукоятке управления тормозом и работу торможения (Ж)). На микро- и наноуровнях необходимо установить тип контакта, работу выхода электронов и ионов из материалов трущихся деталей, оценить: поляризационные и деполяризационные процессы, генерируемую и аккумулируемую энергии, соответственно, электрических и тепловых токов, а также влияние тепловой нагруженности номинальных площадей контакта на динамический коэффициент трения в трибосопряжении. Для детального исследования на макроуровне закономерностей изменения динамического коэффициента трения в

трибосистеме предлагается его рассмотрение на четырех этапах (подблоках).

Постановка задачи. В данной публикации рассмотрены следующие вопросы освещаемой проблемы:

- конструкция и работа модельного ленточно-колодочного тормоза;

- проверка адекватности модели трибосистемы;

- оценка энергонагруженности дискретных контактов металлополимерных пар трения трибосопряжения.

Цель работы. Оценить закономерности изменения динамических коэффициентов трения под воздействием внешних и внутренних факторов в трибосистеме и трибосопряжении в лабораторных условиях.

Конструкция и работа модельного ленточно-колодочного тормоза. Основные узлы тормозного стенда смонтированы на двух двутавровых балках 4 (рис. 1 а, б, в), которые, в свою очередь, анкерными болтами прикреплены к бетонному основанию. Модельный тормоз имеет тормозную ленту 2. При этом один конец тормозной ленты 2 закреплен неподвижно, а на втором ее конце находится нагрузочное устройство 11. С нерабочими поверхностями полимерных накладок 3 взаимодействует внутренняя поверхность ленты 2. Накладки 3 крепятся к ленте 2. Тормозной шкив 4 установлен на валу 5 с подшипниками, находящихся в опорах 6. Вал 5 через упругую пальцевую муфту 10 связан с валом 12 двигателя 7 постоянного тока. При этом использован двигатель постоянного тока марки 2ПН225МУ4 мощностью 15,0 кВт. Применение двигателя этой марки позволило плавно регулировать вращательный момент на приводном валу 12 и поддерживать его стабильным при изменении частоты вращения вала 5. Усилие прижатия нерабочих и рабочих поверхностей фрикционных накладок 3, соответственно, к внутренней поверхности тормозной ленты 2 и рабочей поверхности тормозного шкива 4 регулировалось нагрузочным устройством 11.

Рисунок 1 а, б, в, г - Общий вид стенда с модельным ленточно-колодочным тормозом (а), нагрузочным устройством (б), двигателем постоянного и переменного тока (в) и тормозной лентой с фрикционными накладками (г)

Тяговый двигатель 7 тормозного шкива 4 питается постоянным током с номинальным напряжением обмотки якоря 110 В. В качестве источника ее питания был использован аналогичный двигатель постоянного тока 8, который работал в генераторном режиме. Вал 10 генератора вращался асинхронным трехфазным двигателем переменного тока 9. На обмотки возбуждения генератора и двигателя подавались постоянные токи, которые предварительно выпрямлялись на диодных мостах, составленных из диодов У01...У04 и У05...У08, и регулировались лабораторными автотрансформаторами ЛАТР-1М и ЛАТР-2М.

По дуге обхвата тормозной лентой шкива устанавлены фрикционные накладки с постоянным и переменным шагом. При монтаже на ленте накладок с постоянным шагом их количество всегда четное (12; 16; 18; 20; 22; 26) (см. рис. 1 г). При переменном шаге это число может быть и нечетным.

Общее количество фрикционных накладок на тормозной ленте зависит от их геометрических параметров, а также от угла охвата тормозной лентой рабочей поверхности тормозного шкива.

В табл. 1 приведены основные конструктивные параметры пар трения модельного ленточно-колодочного тормоза.

Задачи исследования, условия проведения испытаний и реальные возможности определили объект испытаний - физическую модель ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки с масштабом:

- геометрического подобия для ее основного размерного параметра -радиуса тормозного шкива

1н ч~1.

т,

т1=2,0, 2,45 i 2,9 для Rш=500,0, 612,5 i 725,0 мм, соответственно,

где 1н и 1м - радиусы тормозного шкива натуры и модели (1н =Rш , 1м=250,0 мм);

Таблица 1 - Конструктивные параметры и теплофизические свойства материалов основных элементов модельного ленточно-

колодочного тормоза

Тормозная лента

материал......................... ..сталь 50 2105 .......0,30

модуль упругости, МПа...................................................... коэффициент Пуассона, V....................................................

толщина, мм........................................................................ ..........5,0

ширина, мм......................................................................... ......220,0

дуга охвата тормозного шкива, град.......................................... ......270,0

Фрикционная накладка

материал................... ретинакс марки 3 3 удельный вес, 10- , кг/м ..................................................... теплоемкость, кДж/(кг°С).................................................... ФК-24А 2,3 .......1,02

теплопроводность, Вт/(м°С)................................................. температуропроводность, 10-6, м2/с........................................ твердость, Н/мм2............................................................... модуль упругости Ен, МПа................................................... коэффициент Пуассона, vн................................................... длина, мм......................... .......0,75

..0,32 470,0 6,910-3 0,37 ..120,0

ширина, мм.......................... ......230,0

толщина, мм......................... ..30,0

количество накладок на дуге охвата ленты ........... ... 8

угол охвата накладкой шкива, град.................. ......6,75

угол между накладками, град.................. .....2,207

Тормозной шкив

Радиус рабочей поверхности Яш, мм....................................... ......250,0

материал............................ 3 3 удельный вес, кг/м 10- ....................................................... теплоемкость, кДж/(кг°С).................................................... ..сталь 20 7,8 ..........0,5

теплопроводность, Вт/(м°С)................................................ температуропроводность, 10-6, м2/с....................................... твердость, Н/мм2............................................................... 45,4 10,3 .....4300,0

- динамического сходства

Ян 160

те ==-= 20,0,

5 5м 8

где 5Н и - силы натяжения набегающих участков тормозной ленты натуры и модели, кН.

Заметим, что масштабы сходства изменяются, если изменяются динамические параметры натуры или модели, например, натяжения ленты. Для проведения испытаний модель оснащалась:

220 ц

т3 =-= 1,1

- тормозными лентами из стали 50 шириной 200 мм ( 200 ), толщиной 5м =2,0, 3,0 и 3,7 мм (т^=2,0, 1,67 и 1,62 при толщине ленты натуры 4,0, 5,0 i 6,0 мм, соответственно), с длиной промежутка 2Ь участка ленты между накладками (^=30-90 мм, т=1,0);

- фрикционными накладками из ретинакса ФК-24А толщиной дн =

30 оп 230 тн = — = 2,0 т2 =-= 1,0

15,0 мм ( 15 ), шириной 2=230,0 мм ( 230 ) и длиной

120 1П

тТ =-= 1,0

1=120,0 мм ( 120 );

- тормозной шкив вращался с наибольшей частотой 200,0 мин-1, которая обеспечивала линейную скорость перемещения точек поверхности

т¥ = Ун = 3,82

у у

трения шкива относительно накладок Уш=5,236 м/с ( ш при

Ун=20,0 м/с; для каждого конкретного значения скорости тормозных шкивов натурных тормозов буровых лебедок ту уточняется).

Проверка адекватности модели трибосистемы. В практике машиностроения широко применяется проведение поэтапных испытаний [2]. Лабораторные испытания позволяют полностью выявить влияние конструктивных особенностей и ряда других характеристик узла трения на его износо-фрикционные свойства. В связи с этим проведены стендовые испытания пар трения модельного ленточно-колодочного тормоза,

отвечающего серийным фрикционным узлам. Приведем результаты исследований влияния основных режимных факторов (нагрузки на рукоятке управления тормоза (Рр) и работы торможения (Ж)) на динамический коэффициент трения (/). В качестве материалов пары трения были выбраны «ФК-24А - сталь 35ХНЛ». Значения натуральных и кодовых уровней факторов представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Натуральные значения уровней факторов

Кодовые Подблоки

Уровни значения 1-ый 11-ой III -ий IV -ый

факторов Рр, н Ж, кДж Рр, н Ж, кДж Рр, н Ж, кДж Рр, н Ж, кДж

Основной

уровень 0 0 250 7,355 350 20,775 450 41,775 550 70,275

Интервал варьирования 1 1 50 4,815 50 8,575 50 12,375 50 16,125

Верхний уровень +1 +1 300 12,150 400 29,400 500 54,150 600 86,400

Нижний

уровень -1 -1 200 2,520 300 12,150 400 29,400 500 54,150

«Звездные

точки» +Я +Я 300 12,150 400 29,400 500 54,150 600 86,400

«Звездные

точки» -Я -Я 200 2,520 300 12,150 400 29,400 500 54,150

Согласно принятому плану полного факторного эксперимента должно быть проведено 9 опытов, каждый из которых должен повторяться трижды в случайном порядке для исключения систематических ошибок. Для получения математической модели объекта был использован метод группового учета аргументов, основанный на некоторых принципах теории обучения и самоорганизации. Рассмотрены различные сочетания входных и промежуточных переменных, для каждого сочетания строится модель, причем при построении рядов селекции используются самые регулярные переменные.

Ряды строятся до тех пор, пока снижается ошибка. Таким образом, из всей совокупности моделей выбирается та, которая является оптимальной

с точки зрения выбранного критерия [3].

Согласно плану эксперимента в каждом подблоке было проведено 9 опытов. Для уменьшения систематических погрешностей опыты повторены трижды в случайном порядке. На основании экспериментальных данных рассчитано среднее значение выходного параметра у (динамический коэффициент трения).

Матрицы плана и результаты опытов представлены в табл. 3. Таблица 3 - Матрица плана и результаты опытов

№ опыта Матрица плана Результаты опытов по подблокам, у

х1 х2 I II III IV

1 -1 -1 0,284 0,301 0,323 0,330

2 +1 -1 0,314 0,308 0,331 0,320

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3 -1 +1 0,277 0,279 0,307 0,304

4 +1 +1 0,323 0,332 0,326 0,280

5 +Я 0 0,252 0,309 0,308 0,345

6 -Я 0 0,280 0,323 0,307 0,335

7 0 +Я 0,282 0,267 0,298 0,314

8 0 -Я 0,285 0,284 0,290 0,300

9 0 0 0,258 0,286 0,272 0,340

После обработки результатов экспериментов, выполненных с помощью компьютерных технологий, получены следующие модели объекта для каждого подблока:

у1 = 0,65-2,627-10-3 • х -2,365-10-5 • х2 + 1,642-10-8 • х1 • х2 + 5,333-10-6 • х2 + +1,33-10-9

(2)

у2 = 1,823-8,707-10-3 • х1 -3,572-10-6 • х2 + 2,667-10-8 • х1 • х2 +1,187-10-5 • х? --1,456-10-10х2;

(3)

у3 = 2,973 - 0,011-х1 -1,136-10-5 • х2 + 4,444-10-9 • х1 • х2 +1,21310-5 • х^ + +1,099 -10-10 х2;

у4 = 0,884-1,958-10-3 • х1 -1,202-10-7 • х2 +1,446-10-8 • х1 • х2 + 8,023-10-7 • х2 -- 5,508-10-11х22. (5)

Полученные математические модели для наглядности дальнейшего анализа можно представить графически в виде поверхности отклика. Так

как число факторов равно двум, полученные математические модели представляются поверхностью в трехмерном пространстве. По координатным осям откладываем факторы Fp и W и выходную функцию f.

Анализ полученных математических моделей по I подблоку (рис. 2 а) показывает, что на начальных глубинах спуска бурильного инструмента в скважину динамический коэффициент трения при прирабатываемых рабочих поверхностях фрикционных накладок с плавным увеличением нагрузки на рычаг управления тормозом и работы торможения увеличивается и проходит через минимум. Это объясняется увеличением площади пятен контактов микровыступов пар трения, а также тем, что на начальных глубинах спуска температура на рабочих поверхностях тормозного шкива увеличивается, но еще не достигает допустимой температуры для материалов фрикционной накладки.

При оценке адекватности математической модели II подблока установлено, что характер нагрузки на рукоятке управления тормозом и работа торможения влияют на величину динамического коэффициента трения в пределах выбранного режима. Количественно больше влияет на выходной параметр нагрузка, прикладываемая бурильщиком. Сначала динамический коэффициент трения уменьшается, а затем возрастает, проходя через минимум (рис. 2 б). Поверхность отклика представляет собой эллиптический параболоид.

Характер влияния режимных параметров на динамический коэффициент трения по III подблоку представлен на рис. 2 в. Поверхность отклика имеет седлообразную форму. С увеличением нагрузки на рукоятке управления тормозом динамический коэффициент трения сначала уменьшается, затем возрастает. Работа торможения действует двояко. При меньших нагрузках с увеличением работы торможения выходная функции уменьшается, при больших нагрузках - увеличивается.

Рисунок 2 - Закономерности изменения динамического коэффициента трения от нагрузки на рычаге управления тормозом и работы торможения на различных этапах исследования (подблоках): а - 1-ый; б - 11-ой; в - Ш-ий; г - ^-ый

Зависимость функции отклика от режимных факторов (нагрузки на рукоятке и работы торможения) по IV подблоку представлена на рис. 2 г. Как видно из последнего получили криволинейную поверхность отклика. С резким изменением (уменьшением или увеличением) работы торможения динамический коэффициент трения стремительно уменьшается, проходя через минимум по краям экспериментов, в центре эксперимента он резко возрастает. Это свидетельствует о том, что рабочая поверхность фрикционной накладки попала в зону допустимой температуры для ее материала. На этом этапе необходимый тормозной момент создается за счет увеличения нагрузки на рукоятке управления тормозом. При этом динамический коэффициент трения незначительно увеличивается, что приводит к росту тормозного момента.

Полученные математические модели позволяют оценить влияние факторов на динамический коэффициент трения и их взаимодействие, адекватно воспроизводят исследуемый процесс трения при торможении. Их погрешность по данным исходной выборки находится в допустимых пределах 7,5 %, [4], поэтому они могут быть использованы при анализе и синтезе фрикционных узлов и подборе новых материалов трибосопряжения.

Оценка энергонагруженности дискретных контактов металлополимерных па трения трибосопряжения. Оценка внешних параметров трибосистемы позволила перейти к рассмотрению энергонагруженности дискретного контакта микровыступов металлополимерных пар трения трибосопряжения (табл. 4). За основу принято эталонное изменение динамического коэффициента трения материала «Ретинакс» ФК-24А в функции температуры поверхности трения при фрикционном взаимодействии (рис. 3). При этом учитывается процентное соотношение компонентов газовой смеси, образуемой в межконтактном пространстве при трении фрикционной пары (табл. 5) [5].

Таблица 4 - Энергонагруженность дискретного контакта микровыступов металлополимерных пар трения _ трибосистем_

Состояние Описание характеристик фрикционного взаимодействия;

поверхностно- Наличие двойных Циркуляция токов

го и Состояние межконтактной среды электрических электриче- тепловых омываю-

подповерх- слоев ских щей среды

ностного слоя накладки поверхностного и подповерхностного слоев металлополимерных пар трения

1 2 3 4 5 6 7

При электротермомеханическом трении микровыступов Возникает двойной Ток Генерируемая Микро-

металлополимерных пар трения под действием импульсных электрический слой, электриза- электри- выступы

и к нормальных усилий на поверхностях пятен контактов различных охватывающий ции ческая пар трения

да типов генерируются импульсные электрические токи, прошивающие выступы и впадины направлен энергия омы-

л ка н « о тончайшие окисные пленки и способствущие их разрушению. микронеровностей от пятен превращается ваются

Под действием возрастающих импульсных удельных нагрузок металлического контактов в тепловую, воздухом

происходит активная деформация микровыступов, т.е. элемента трения. При микровысту- тело метал- окружа-

н н о поверхностных слоев полимерных накладок, и упрочнение пятен этом пятна контактов пов лического ющей

£ и а контактов металлического элемента трения. На этой стадии микровыступов полимерной элемента среды

та р к и происходит подготовка поверхностных слоев к образованию выполняют функции накладки к трения и

е п р достаточного количества активных центров, определяющих их термоэлектрогенера- пятнам подповерхно-

£ е а л последующее развитие вследствие ползучести металла. При этом тора, а контактов стные слои

т н т а 8 имеет место инжектирующий контакт. При повышении температуры поверхностные и микровысту- полимерных

Л е т пятен контактов микровыступов металлополимерных пар трения приповерхностные пов метал- накладок

с о та Е трибосопряжения от 100 до 200 °С наблюдается увеличение слои полимерных лического нагреваются.

н х я л среднего динамического коэффициента трения (от 0,39 до 0,42) [рис. накладок - элемента

р е в д « о £ и т 3]. При этом электрические поля в трибосопряжении ослабевают, а термоэлектро- трения.

о с тепловые поля усиливаются. Характеристика фрикционной теплостойкости на этом участке определяется, в основном, холодильников. Боковые поверхности

с ^ о И" упругопластическими свойствами материала (переход от упругого к микровыступов и их

пластическому контакту). На участке от 200 до 350 °С динамический впадины являются

д е * и коэффициент трения зависит от интенсивности развития накопителями

пластических деформаций, возникает постепенное (по мере зарядов, т. е.

к повышения температуры) дымление связующего (смолы) полимерного материала. Микроконтакты по энергетическим характеристикам приближаются к нейтральным. микроконденсаторами. Интенсивно проходят на

Продолжение табл. 4

1 2 3 4 5 6 7

Количество поступившего на площадки пятен контактов пятнах контактов

микровыступов кислорода воздуха определяет интенсивность поляризационные

термоокислительных деструкционных процессов. Омывающий процессы.

воздух является окислительной средой, способствующей развитию

адсорбционного и щелевого эффектов в трибосопряжении.

Электротермомеханическое трение протекает при повышенных и Возникает и Преобла- На Микровы-

к и И пониженных импульсных удельных нагрузках на пятнах контактов развивается двойной дает поверхности ступы пар

микровыступов трибосопряжения. При этом проявляются законы электрический слой с инверсия полимерной трения

« неустановившейся ползучести в условиях постоянного изменения высоким электри- накладки омыва-

сЗ « (обычно уменьшения) термонапряжений в поверхностном слое потенциалом в ческих токов возникают ются

« О металлического элемента трения (см. рис. 3, стадия III). На участке приповерхностных от пятен островки воздухом

я а от 450 до 600 °С повышение динамического коэффициента трения слоях полимерных контакта жидкости, окружа-

объясняется образованием коксообразных продуктов деструкции накладок и слабый микровы- являющейся ющей

rt £ а <Ц К « о связующего, что обусловливает формирование рабочего слоя. двойной ступов электро- среды и

с Последний способствует возникновению блокирующих контактов электрический слой металличе- литом. При компо-

о микровыступов трибосопряжения. При температурах 600...800 °С на микровыступах ского этом нентами

С К динамический коэффициент трения вновь стабилизируется и металлического элемента начинается дестру-

<Ц н Л <ц достигает значения 0,32 (см. рис. 3). Интенсифицируются элемента трения из- трения в формиро- кционных

Й 5! деполяризационные процессы на пятнах контактов микровыступов за их нагревания. припо- вание процессов,

№ н о Ж трибосопряжения. Азот и углекислый газ (табл. 5) являются Приповерхностный верхностные сильного происхо-

о « О s нейтральными средами, в которых адсорбционный и щелевой слой накладки слои двойного дящих в

а <Ц и о S н о эффекты вырождаются. При этом наблюдается увеличение Н2 до выполняет функции полимерных электри- подпо-

Е^ 0,171 % в массовых долях и появление СО (0,43 % в массовых термоэлектрогенера- накладок. ческого слоя верхно-

С о ч долях). тора, а Слабая на рабочей стных

S S микровыступы инверсия поверхности слоях

к и металлического прямых накладки. накладки.

к элемента трения - токов

н о о термоэлектрохоло- обусловлена

ч дильника. зарожде-

нием

с обратных токов.

П Продолжение табл. 4

1 2 3 4 5 6 7

Электротермомеханическое трение пятен контактов микровыступов Присутствует Преоблада- Циркулирую Микро-

й трибосопряжения обусловлено ползучестью поверхностных слоев сильный двойной ет инверсия щие выступы

о н пары трения «полимер-металл». При этом с ростом температуры электрический слой, электри- тепловые трибо-

р е процесс развития физического контакта интенсифицируется и может сформированный в ческих токи в сопряже-

м и переходить на другие энергетические уровни, меняя тем самым тип приповерхностном токов от элементах ния

л о п контакта. Физический контакт омического типа способен вызвать слое полимерных рабочих фрикци- омыва-

а м процессы релаксации внутренних термонапряжений в накладок. Двойной поверхно- онного узла ются

рут о поверхностном слое металлического элемента трения за счет электрический слой стей поли- спосо- компо-

та аи р поверхностного пластического трения (см. рис. 3, стадия II). возле рабочей мерных бствуют нентами

р е п е та м Динамический коэффициент трения стабилизируется и имеет поверхности накладок в термоста- выго-

м е и к минимальное значение (0,18) (см. рис. 3); данная зона является металлического рабочую билиза- ревших

т н т й о да областью депрессии из-за протекающих в ней деполяризационных элемента трения поверхно- ционному веществ с

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Е и л ка процессов. В этой зоне фрикционные характеристики целиком слабый. При этом сть метал- состоянию поверхно-

с о т с у н определяются смазывающим действием жидких продуктов металлический лического обода. стных и

н х п о деструкции связующего компонента (смолы). элемент трения элемента под-

р е в д и Наблюдается резкое уменьшение содержания СО2 до 0,13 % в выполняет функции трения поверхно-

о П и н массовых долях и появление Н2 (0,13 % в массовых долях) [см. тер моэлектрогенера- (обратный стных

е ш табл. 5]. тора, а ток). В то слоев

ы в е р приповерхностные же время полиме-

слои накладок - наблюда- рных

п и термоэлектрохоло- ются накладок.

рП дильников. слабые прямые токи.

I I! III IV V

2

1

1С 0 2 30 I 0 400 500 а 0 1 оо а 30 900 10 00 11С 0 1

Рисунок 3 - Эталонное изменение динамического коэффициента трения материала «Ретинакс» ФК-24А в функции температуры поверхности трения по зонам: I - 200...250 0С; II - 250...400 0С; III - 400...550 0С; IV-550.800 0С; ^800.1000 0С

Таблица 5 - Процентное соотношение компонентов газовой смеси, образованной в межконтактном пространстве при трении фрикционной пары [5]

Номер пробы Фрикционный материал Температура, °С Содержание газа, мас. доля, %

Н2 О2 N2 С02 СО ИСпНп другие *** газы

1 ФК-24А 150 * 19,8 78,8 0,28 * *

2 - 215 * 19,8 78,8 0,23 * *

3 - 420 0,123 19,1 79,5 0,13 * * Осталь-

4 - 500 0,171 16,3 81,6 0,24 0,43 0,24 ное

5 - 730 0,308 9,8 81,2 0,08 6,51 1,06

Примечание:

* Наличие следов указанных газов.

**Отбор проб осуществлялся из четырех зон (точек) одновременно. ***Под другими газами подразумевается: Аг, №, Не, Кг, К20, Хе, 02, Яп

Выполнен анализ и синтез закономерностей изменения динамического коэффициента трения на макро-, микро- и наноуровнях в трибосистеме и в ее трибосопряжениях.

Выводы. Выполнен многофакторный анализ закономерностей изменения основной характеристики трибосопряжений - динамического коэффициента трения, влияющего на импульсные тормозные моменты, развивающиеся в трибосистеме, которой является ленточно-колодочный тормоз буровой лебедки.

Список литературы

1. Джанахмедов А.Х. Физико-стохастическое трибомоделирование / А.Х. Джанахмедов. - Баку: Элм. - 151 с.

2. Трибология (электротермомеханические основы, анализ и синтез на нано-, микро- и миллиуровнях и технические приложения): учебн. пособ. [А.И. Вольченко, М.В. Киндрачук, П.С. Красин и др.]. - Киев - Краснодар, 2015. - 371 с.

3. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / Под общ. редакцией А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 2003. - 575 с.

4. Джанахмедов А.Х. Синергетика и фракталы в трибологии / А.Х. Джанахмедов, О. А. Дышин, М.Я. Джавадов // Баку: Апостроф, 2014. - 504 с.

5. Чичинадзе А.В. Износостойкость фрикционных полимерных материалов / Чичинадзе А.В., Белоусов В.Я., Богатчук И.М. / Львов. - Высшая школа, 1989. - 114 с.

References

1. Dzhanahmedov A.H. Fiziko-stohasticheskoe tribomodelirovanie / A.H. Dzhanahmedov. - Baku: Jelm. - 151s.

2. Tribologija (jelektrotermomehanicheskie osnovy, analiz i sintez na nano-, mikro- i milliurovnjah i tehnicheskie prilozhenija): uchebn. posob. [A.I. Vol'chenko, M.V. Kindrachuk, P.S. Krasin i dr.]. - Kiev - Krasnodar, 2015. - 371 s.

3. Trenie, iznos i smazka (tribologija i tribotehnika) / Pod obshh. redakciej A.V. Chichinadze. - M.: Mashinostroenie, 2003. - 575s.

4. Dzhanahmedov A.H. Sinergetika i fraktaly v tribologii / A.H. Dzhanahmedov, O A. Dyshin, M.Ja. Dzhavadov // Baku: Apostrof, 2014. - 504s.

5. Chichinadze A.V. Iznosostojkost' frikcionnyh polimernyh materialov / Chichinadze A.V., Belousov V.Ja., Bogatchuk I.M. / L'vov. - Vysshaja shkola, 1989. - 114s.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.