CC BY
46
Машины и оборудование
DOI: 10.12737/11279 УДК 631*372.01
ИССЛЕДОВАНИЕ ФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК С РАЗЛИЧНЫМ РЕЛЬЕФОМ МАСЛЯНЫХ КАНАВОК
кандидат технических наук, доцент Н. В. Поляков
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», Воронеж, Российская Федерация
Некоторые технологические операции - корчевка пней, подготовка лесовозных дорог выполняются машинами на базе мощных гусеничных тракторов. Одним из проблемных узлов гусеничных тракторов являются ленточные тормоза «сухого» трения. Обычно фрикционную ленту приходится менять через два ТО-3. Более высокой долговечностью (не менее чем на порядок) обладают ленточно-кладочные тормоза, работающие в масле. Кроме выбора специального фрикционного материала для такого тормоза должна быть обеспечена система подачи масла и специальные масляные канавки на рабочих поверхностях колодок. Из литературы известны несколько принципиальных конфигураций канавок. Нами совместно со специалистами Чебоксарского завода промышленных тракторов была выбрана крестообразная форма нарезки канавок. Из-за множества факторов и сложности, проходящих на смазочно-фрикционном контакте явлений, аналитический метод подбора геометрии канавок затруднителен. В работе использовался натурный эксперимент с ранее выбранным фрикционным асбополимерным материалом № 410-120. Испытания проводились на комбинированном стенде. Для упрощения данного вида испытаний использовалась не целая лента из четырех колодок, а только одна колодка. Для этого конструкция стенда была доработана, изменено тензозвено для записи тормозного момента. Испытания проводились в режиме остановочных торможений. исследовались различные варианты геометрии масляных канавок на различных режимах работы. Варьировались следующие параметры: густота нарезки; ширина канавок; глубина канавок; угол наклона канавок к оси. Оценивались фрикционные свойства и температура на поверхности трения. В результате испытаний были выбраны наилучшие показатели нарезки канавок. a = 20 мм ; b = 3 мм; h = 4мм;^ = 600. Результаты работы внедрены в производство.
Ключевые слова: трение, масляная пленка, оборудование, оптимизация.
Лесотехнический журнал 1/2015
215
Машины и оборудование
STUDY OF THE FRICTIONAL PROPERTIES OF BRAKE PADS WITH DIFFERENT
RELIEF OF OIL DUCTS
PhD in Engineering, Associate Professor N. V. Polyakov Federal State Budget Education Institution of Higher Education "Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov", Voronezh, Russian Federation
Abstract
Some technological operations - stump extraction, preparation of forest roads are made by machines based on powerful caterpillar tractors. One of the problematic units of caterpillar tractors is band brakes of "dry" friction. Typically, friction tape must be changed after two ТО-3. Belt shoe brakes, working in oil, have higher durability (at least one order of magnitude). Apart from the choice of a special friction material for such a brake oil supply system must be ensured and special oil ducts on the working surfaces of the pads. In the literature several fundamental configurations of ducts are known. We, together with specialists from Cheboksary Industrial Tractor Plant have selected cruciform shape of cutting ducts. Due to a variety of factors and difficulties passing on the cutting-friction contact of phenomena analytical method for the selection of the geometry of ducts is difficult. We used full-scale experiment with the previously selected friction asbestos polymer material no. 410-120. Tests were conducted on a combined stand. To simplify this type of test we used not the whole belt of the four pads, but only one pad. To do this, stand design was modified; strain-gage chain was changed to record braking torque. The tests were carried out under braking stops. Different geometries of oil ducts on the different modes of operation were explored. The following parameters were varied: the density of cutting; the width of the ducts; depth of the ducts; angle to the axis of the ducts. Frictional properties and the temperature at the friction surface were evaluated. The best performances of ducts cutting were chosen after tests. a = 20 mm; b = 3 mm; h = 4 mm ; ф = 600. The results of the work are introduced in production.
Keywords: friction, oil film, equipment, optimization.
В лесной промышленности мощные гусеничные тракторы нашли применение в качестве шасси для машин-корчевателей, бульдозеров и др. Фрикционы и тормоза гусеничных тракторов входят в список узлов с наименьшей долговечностью. Одним из путей повышения долговечности названных трибоузлов является замена в них «сухого» трения на граничное трение. При этом коэффициент трения уменьшается с десятых долей до сотых, но существенно на порядок, а в некоторых случаях в 15-20 раз увеличивается дол-
говечность пары трения [1, 2, 3, 4].
Для реализации необходимого граничного режима трения в таких конструкциях тормозов применяют масляные канавки. Из анализа литературы и собственных исследований автором совместно со специалистами Чебоксарского завода промышленных тракторов была принята крестообразная конфигурация масляных канавок. Оптимально выбранная геометрия масляных канавок позволяет получить наиболее высокие значения коэффициента трения и значительно снизить
216
Лесотехнический журнал 1/2015
Машины и оборудование
теплонагруженность тормозного узла [6, 7]. Она предотвращает появление гидродинамического режима трения, обеспечивает восстановление граничной масляной пленки, отводит продукты износа из зоны трения, в конечном итоге стабилизируя и улучшая работу узла. Исследования масляных канавок, проведенные нами на дисках трения [9], показали, что выбор оптимальной геометрии нарезки целесообразно проводить экспериментально. Испытания проводились на комбинированном стенде с натурными колодками. Стенд состоит из трёхфазного двигателя 1, маховой массы 2, автомобильной шести ступенчатой коробки передач 3, коробки с тормозным механизмом 4, эластичных соединительных муфт 5, рамы 6, систем управления и смазки. Коробка с тормозным механизмом включает в себя барабан 7, колодку 8, тензометрическую тягу 9 (рис. 1).
Блок управления выполнен в виде отдельного узла с автономным электродвигате-
Рис. 1. Комбинированный тормозной стенд
лем, он состоит из корпуса 10, в котором установлены двухсекционный насос, фильтр, редукционные клапана, золотник 11. Гидравлическая система обеспечивает необходимые величины давлений в бустере 12 и в магистрали смазки. Смазка подаётся по внутреннему каналу вала к отверстиям в ступице барабана и далее разбрызгивается по всему объему тормозной коробки, попадая к трущимся поверхностям через специальные отверстия в обечайке барабана и непосредственно на не закрытые лентой участки рабочей поверхности.
Управление стендом состоит в управлении работой золотника 11. Золотник может выключаться вручную рукояткой или автоматически с помощью программного устройства. Конструкция программного устройства основана на принципе мультивибратора.
Высокая стабилизация напряжения в схеме позволяет получать импульсы электрических сигналов и паузы между ними заданной продолжительности. Перемещение штока золотника осуществляется якорем электромагнита. Во время работы стенда в автоматическом режиме программное устройство подаёт электрические импульсы в обмотку электромагнита, тем самым управляя работой тормоза.
Фрикционные накладки перед началом испытаний прирабатывается к барабану до полного прилегания. Для сокращения времени приработки работа стенда проходит в режиме пульсирующего трения. При повышении температуры, контролируемой по скользящей термопаре, более 150 °С или при появлении дыма из режима коробки тормоза торможения пре-
Лесотехнический журнал 1/2015
217
Машины и оборудование
кращаются, тормоз интенсивно охлаждается маслом до 70-80 °С и только после этого приработка продолжается.
Строгий математический подход к определению оптимального профиля и рельефа масляных канавок затруднителен из-за сложности явлений, происходящих на смазанном контакте, а также многообразия факторов, посредством которых канавки влияют на поведение масляного слоя. Поэтому эмпирические пути в решении данной задачи являются основными. Крестообразную нарезку (рис. 2) можно характеризовать сечением профиля канавок b х h, углом наклона канавок к оси вращения барабана р и частотой нарезки a. Крестообразная форма нарезки позволяет маслу циркулировать по всей сети канавок при прямом и реверсивном вращении тормозного барабана. Объем канавок выполняет также роль аккумулятора масла. При очередном торможении масло из канавок попадает в зону трения, возобновляя израсходованную граничную пленку. По изложенным причинам следует добиваться увеличения профиля канавок, но эти действия одновременно уменьшают номинальную площадь колодки.
Рис. 2. Параметры масляных канавок
Г лубина канавки задавалась с учетом толщины фрикционной накладки и составляет примерно величину допустимого износа - 4 мм.
Для полноты эксперимента исследовался профиль с глубиной канавки - 2 мм. Влияние масляных канавок на процесс трения проявляется в изменении фрикционных свойств и температурного режима. Сила трения F определяется из разности (So — S3) . Параметры S0 — общее усилие в
тензозвене и S3 — усилие затяжки, определяются тензометрированием. Коэффициент трения f определяется из выражения:
f
So — S P
(1)
где Р — нормальная нагрузка также определяется тензометрированием.
Средняя температура поверхности трения оценивается по сигналу малоинерционной термопары, расположенной на поверхности колодки.
В связи с тем, что процесс торможения кратковременный, искомые величины фиксируются на ленту шлейфового осцил-лгрофа. Результаты опытов выражаются зависимостями измерения фрикционных свойств и теплонагруженности по каждому варианту нарезки масляных канавок.
На первом этапе испытаний исследовалась ширина канавок при h = 4 мм, a = 40 мм, р = 500 и глубина h = 2 ^ 4 мм. Результаты представлены в табл. 1.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что увеличение ширины канавок с 4 до 7 мм существенно не отразилось на коэффициенте трения и средней температуре поверхности трения испытуемых накладок. Повторение эксперимента на четырех ступенях расхода масла также не выявило никаких закономерностей. Тоже
218
Лесотехнический журнал 1/2015
Машины и оборудование
Таблица 1
Влияние ширины канавок на фрикционные свойства и теплонагруженность колодки в представленном диапазоне расходов масла
Ширина канавки, мм Изучаемые параметры Удельный расход масла X10-4 М / м2 • с
0.5 2.0 6.0 16.0
3 f 0.12 0.116 0.10 0.095
з*0 37.0 32.3 29.0 26.5
5 f 0.125 0.12 0.11 0.094
з*0 36.6 33.0 30.5 27.0
7 f 0.12 0.11 0.105 0.093
з*0 36.0 34.0 30.0 26.5
было зафиксировано и с варьированием глубины канавок.
Далее испытанию подлежали 16 вариантов крестообразной нарезки, а также накладка без нарезки - гладкая. Для удобства каждый вариант нарезки обозначается двухзначным числом согласно табл. 2.
Варьируются углы наклона канавок к оси вращения барабана
р = 400;500;600;700 и густота их нарезки a = 10;20;30;40 мм. Расчетная повторность для испытаний составляет 5 опытов. Результаты опытов представлены графически на рис. 3, а и рис. 3, б.
Из анализа представленных резуль-
татов следует; что угол наклона масляных каналов и густота сетки оказывают существенное влияние на параметры трения. С
увеличением угла наклона канавок с 400
до 600 на всех режимах испытаний прослеживаются тенденция к увеличению коэффициента трения. Более ярко это выражено у накладок с густотой нарезки a = 20 мм. Следует отметить, что для вариантов с величиной a = 10 мм и a = 20 мм стабильность коэффициента трения и температуры выше. Увеличение расхода масла ведет к снижению тепловой загруженности значительно в большей степени, чем фрикционных свойств.
Таблица 2
Условное обозначение вариантов нарезки масляных канавок
Обозначение вариантов нарезки
Г ладкая накладка Г Угол наклона, в градусах
40 50 60 70
10 11 12 13 14
Густота нарез- 20 21 22 23 24
ки, мм 30 31 32 33 34
40 41 42 43 44
Лесотехнический журнал 1/2015
219
Машины и оборудование
Рис. 3, а. Влияние угла наклона канавок к оси вращения барабана и густоты нарезки на параметры трения в процессе остановочных торможения. Числа по оси абсцисс характеризуют
испытуемые варианты нарезки. V = 48 м/с, w = 6.0 • 10-4 М / м2 • с.
Положительные свойства масляных канавок проявляются заметнее при расходе
масла w = 6.0 •Ш-4 М / м2 • с и
w = 16.0 •Ю-4 М / м2 • с. На графике буквой Г обозначена гладкая накладка. Ее основные показатели значительно хуже, чем любой другой накладки с масляными канавками. Наилучшие показатели при испытании показали накладки вариантов №
13 и № 23 ( a = 10 мм; ф = 600; a = 20 мм;
ф = 600). оптимального варианта. Фрик-
ционные свойства у этих накладок близки, но при выборе канавок в расчете следует принимать также технологичность нанесения нарезки. При механической обработке и методом формовки более технологична нарезка с крупным шагом. Таким образом, из 16 испытуемых вариантов нарезка оптимальными параметрами обладает колодка со следующими параметрами: b = 3 мм; h = 4 мм; a = 20 мм; ф = 600.
220
Лесотехнический журнал 1/2015
Машины и оборудование
Библиографический список
1. Сцепление транспортных и тяговых машин [Текст] / под ред. Ф.Р. Геккера, В.М. Шарипова, Г.М. Щеренкова. - М. : Машиностроение, 1989. - 344 с.
2. Справочник по триботехнике [Текст] / под ред. М. Хебды и А.В. Чичинадзе. - М. : Машиностроение, Варшава ВКЛ, 1992. - ТЗ. - 730 с.
3. Поляков, Н.В. Аналитический расчет тепловой интенсивности трения при повторнократковременных торможениях [Текст] / Н.В. Поляков, Д.А. Попов, Е.В. Снятков // Мир транспорта и технологических машин. - 2013. - № 2. - C. 46-54.
4. Колесников, В.И. Теплофизические процессы в металлополимерных системах [Текст] / В.И. Колесников. - М. : Наука, 2003. - 320 с.
5. Шишкарёв, М.П., Лущик А.А. Эксплуатационные характеристики адаптивной фрикционной муфты второго поколения с раздельным силовым замыканием [Текст] / М.П. Шишкарёв,
А.А. Лущик. - М. : Тракторы и сельхозмашины, 2013. - № 3. - C. 28-32.
6. Balakin, V.A. Optimize the design of ventilated brake cars [Text] / V.A. Balakin, V.P. Ser-gienko, Y. Lysenok. - M. : Friction and Wear, 2004. - Vol. 25. - № 5. - pp. 474-478.
7. Petrov, A.D. Choice, justification and application - tion of a new criterion for the thermal load of work in the oil industry tractor brakes [Text] / A.D. Petrov , A.V. Chichinadze // Proc. tr. 3rd Mosk. Scientific and Technical . Conf .: tribotechnology - Mechanical Engineering. - M., 1978. - 178 p.
8. Chichinadze, A.V. Heat dynamics of friction at high sliding speeds [Text] / A.V. Chichinadze, M.M.Maksimow, A.G. Ginzburg, V.M. Gorjunow, Ju.M. Piskunow. 9-12 Sept. «Eurotrib -85», Lyon, France, 1985. - Vol. 2. - pp. 5-18.
9. Chichinadze, A.V. Oberflachtemperatur und Stabilitat der Grenzchichten beim instationaren Reibugszustand/Schmierungstechnik [Text] / A.V. Chichinadze, A.G. Ginzburg, A.H. Cernysev, S.G. Jasvili. - Berlin, 17 (1986). - no. 12. - pp. 357-363.
10. Chichinadze, A.V. Probleme und Kriterien der Mischreibung [Text] / A.V. Chichinadze. -Untersuchungstechnik, 1982. - № 13. - pp. 366-368.
References
1. Gekker F.R., Sharipov V.M., Scherenkov G.M. Sceplenie transportnyh i tjagovyh mashin [Coupling of transport and traction machines]. Moscow, 1989, 344 p. (In Russian).
2. Khebda M. and Chichinadze A.V. Spravochnik po tribotehnike [Handbook on tribotechnology]. Moscow, 1992, Vol. З, 730 p. (In Russian).
3. Polyakov N.V., Popov D.A., Snyatkov E.V. Analiticheskij raschet teplovoj intensivnosti trenija pri povtorno-kratkovremennyh tormozhenijah [Analytical calculation of the heat intensity offriction with intermittent braking]. Mir transporta i tehnologicheskih mashin [World of transport and technological machines], 2013, no. 2, pp. 46-54. (In Russian).
4. Kolesnikov V.I. Teplofizicheskie processy v metallopolimernyh sistemah [Thermophysical processes in metal systems]. Moscow, 2003, 320 p. (In Russian).
5. Shishkaryov M.P., Lushchyk A.A. Jekspluatacionnye harakteristiki adaptivnoj frikci-onnoj
Лесотехнический журнал 1/2015
221
Машины и оборудование
mufty vtorogo pokolenija s razdel'nym silovym zamykaniem [Performance characteristics of the adaptive friction clutch of the second generation with a separate power circuit]. Moscow, 2013, no. 3, pp. 28-32. (In Russian).
6. Balakin V.A., Sergienko V.P., Lysenok Y. Optimize the design of ventilated brake cars. Moscow, Friction and Wear, September - October 2004, Vol. 25, no. 5, pp. 474-478 .
7. Petrov A.D., Chichinadze A.V. Choice, justification and application of a new criterion for the thermal load of work in the oil industry tractor brakes. Proc. tr. 3rd Mosk. Scientific and Technical . Conf .: tribotechnology. Mechanical Engineering. Moscow, 1978, 178 p.
8. Chichinadze A.V., Maksimow M. M., Ginzburg A.G., Gorjunow V. M., Piskunow Ju. M. Heat dynamics of friction at high sliding speeds. 9 - 12 Sept. «Eurotrib - 85», Lyon, France. 1985, Vol. 2, pp. 5-18.
9. Chichinadze A.V., Ginzburg A.G., Cernysev A.H., Jasvili S.G. Oberflachtemperatur und Sta-bilitat der Grenzchichten beim instationaren Reibugszustand/Schmierungstechnik. Berlin, 17 (1986). no. 12. pp. 357-363.
10. Chichinadze A.V. Probleme und Kriterien der Mischreibung. Untersuchungstechnik, 1982, no. 12, pp. 366-368.
Сведения об авторах
Поляков Николай Викторович - доцент кафедры производства эксплуатации и ремонта машин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кандидат технических наук, доцент, г. Воронеж, Российской Федерации; email: NVP2012@yandex.ru.
Information about authors
Polyakov Nikolay Viktorovich - Associate Professor of Production, Maintenance and Repair of Machines department, Federal State Budget Education Institution of Higher Education "Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov", Ph.D. in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: NVP2012@yandex.ru
222
Лесотехнический журнал 1/2015
