CC BY
33
УДК 62-597.3+678.8 https://doi.org/10.24412/2071-8268-2021-4-19-23
перспективный фрикционный материал для композиционных колодок железнодорожного транспорта повышенной морозостойкости
А.В. ПАВЛОВ, С.Г. КОШЕЛЬ, Н.В. ЛЕБЕДЕВА ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет»,
Ярославль, Россия E-mail:pavlovav@ystu.ru Для возможности реализации повышенных требований, предъявляемых к тормозным системам, работающим в условиях Севера, необходимы композиционные тормозные колодки с повышенной морозостойкостью. В статье приведены результаты повышения морозостойкости за счет введения во фрикционный материал семян борщевика Сосновского, содержащих различные классы природных органических веществ, включая сложные эфиры карбоновых кислот. Введение во фрикционный материал семян борщевика Сосновского в количестве 3,89% масс. не снижает технологичность при его изготовлении. Физико-механические характеристики перспективного композиционного фрикционного материала для производства морозостойких тормозных колодок железнодорожного транспорта соответствуют установленным стандартам на данную продукцию.
Ключевые слова: фрикционный композиционный материал, морозостойкость, семена борщевика Сосновского.
Для цитирования: Павлов А.В., Кошель С.Г., Лебедева Н.В. Перспективный фрикционный материал для композиционных колодок железнодорожного транспорта повышенной морозостойкости // Промышленное производство и использование эластомеров, 2021, №4, С. 19-23. DOI: 10.24412/20718268-2021-4-19-23.
a promising friction material for composite pads of railway transport with increased frost resistance
Pavlov A.V., Kochel S.G., LebedevaN.V.
Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl', Russia E-mail:pavlovav@ystu.ru Abstract. Composite brake pads with increased frost resistance are necessary for the possibility of implementing the increased requirements for brake systems operating in the conditions of the North. The increase in frost resistance is achieved by introducing into the friction material seeds of borscht Sosnowski, containing various classes of natural organic substances, including esters of carboxylic acids. The introduction of Sosnovsky hogweed seeds into the friction material in an amount of 3.89% by weight does not reduce the manufacturability in its manufacture. The physico-mechanical characteristics of a promising composite friction material for the production of frost-resistant brake pads of railway transport comply with the established standards for these products.
Key words: friction composite material, frost resistance, seeds of borscht of Sosnovsky. For citation: Pavlov A.V., Kochel S.G., Lebedeva N.V. A promising friction material for composite pads of railway transport with increased frost resistance. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2021, no. 4, pp. 19-23. DOI: 10.24412/2071-8268-2021-4-19-23. (In Russ.).
В настоящее время реализуются важные стратегические задачи по модернизации и расширению магистральной инфраструктуры России [1]. Развитие транспортных коридоров «Север-Юг» потребует безотказной техники, работающей в условиях Севера, при нарастающей интенсивности железнодорожных перевозок.
Режим эксплуатации в условиях Севера железнодорожных вагонов-контейнеровозов предъявляет повышенные требования к тормозным системам.
Основным элементом тормозной системы грузовых железнодорожных вагонов является композиционная тормозная колодка, при помощи которой кинетическая энергия движущего вагона превращается в тепловую, за счёт прямого контакта материала колодки с поверхностью катания колеса.
Одним из основных требований к тормозным колодкам является морозостойкость фрикционного материала.
В настоящей работе представлены результаты исследований, направленных на повышение
морозостойкости фрикционного материала колодок за счет использования в качестве пластификатора семян борщевика Сосновского, содержащих различные классы природных органических веществ, включая сложные эфиры карбоновых кислот.
Материал серийно выпускаемых тормозных колодок в основном содержит волокнистое теплостойкое волокно, фрикционный элемент, теплопроводные компоненты, усилители связующего, вулканизующую группу и связующее [2]. В качестве связующего в тормозных колодках используется бутадиеновый каучук, обладающий максимально высоким сопротивлением износу из всего перечня производимых отечественных каучуков.
В результате термической обработки под давлением материал тормозной колодки превращается в теплопроводный фрикционный полуэбонит, армированный теплостойким волокном. Однако, ввиду ужесточения режимов эксплуатации железнодорожного транспорта в условиях Севера, в рецептуру композиционных тормозных колодок необходимо вводить пластификатор [3].
В качестве пластификатора использовали семена борщевика Сосновского — инвазионного растения, который год за годом захватывает все новые и новые территории не только в России, но и в Европе. В семенах этого агрессивного растения содержатся природные сложные эфиры карбоновых кислот, которые повышают морозостойкость полимерных композиций на основе многих натуральных и синтетических каучуков [4]. Семена борщевика Сосновского представляют собой колонковые вислоплодники, распадающиеся на два мерикарпия, то есть плотную волокнистую кожуру, внутри которой содержатся эфирные и жирные масла, кумарины и дубильные вещества [5]. Использование их экономически оправдано в качестве пластификаторов вместо дорогостоящих синтетических пластификаторов — дибутилфталата (ДБФ) и дибутил-себацината (ДБС). Переработка семян этого растения позволит контролировать распространение этого агрессивного захватчика пахотных земель России.
Анализ химического состава различных классов природных органических веществ, включая эфирные масла, проводили с использованием газового хроматографа, снабженного пламенно-ионизационным детектором, электронным интегрирующим устройством «Кристаллюкс 4000М». Идентификацию компонентов проводили по времени их удерживания. Количественное содержание компонентов определяли методом внутренней нормировки.
Изготовление фрикционных смесей осуществлялось на лабораторном резиносмесителе 4,5140 производства Ленинградского опытного машиностроительного завода «Металлист».
Физико-механические свойства формовочных смесей определялись в соответствие с ASTM-D-569 и ГОСТ 5382-91 в диапазоне температур от 160 до 200С.
Физико-механические свойства фрикционных материалов, изготовленных из формовочных смесей, определялись по Методике НИИАТИ № 17.70Ф-91 «Определение предела прочности при сжатии фрикционных полимерных изделий», по Методике НИИАТИ 17.86Ф-91 «Определение твердости фрикционных полимерных изделий на приставке ПТШ-1», по инструкции № 20.62Ф-90 «Методика выполнения измерений коэффициента трения и линейного износа фрикционных изделий на лабораторной машине трения Н-32, Н-47, Н-86, Н-93». Морозостойкость фрикционного материала при температуре от минус 60°С до минус 58°С методом изгиба определялась по ГОСТ 33421-2015 «Колодки тормозные композиционные и металлокерамические для железнодорожного подвижного состава. Общие технические требования».
Из формовочных смесей были изготовлены тормозные колодки для вагонов железнодорожного транспорта дет. 25610-Н по серийной технологии ОАО «Фритекс» (г. Ярославль).
Хроматограмма химического состава продуктов, полученных из воздушно-сухих семян борщевика Сосновского совместной экстракцией бензолом-ацетоном (1:1 по объёму), изопропи-ловым спиртом и легким петролейным эфиром в равнообъёмных количествах в аппарате Сок-слета, приведена на рис. 1.
В экстракте содержится жирное масло, в состав которого входят капроновая, пальмитиновая, пальмитодениновая, петрозелиновая, олеиновая, линолевая, и стеариновая кислоты, ку-марины, смолы и эфирные масла, обеспечивающие морозостойкость фрикционного материала.
На рис. 2 представлена хроматограмма, принадлежащая эфирному маслу, выделенному из семян борщевика Сосновского. Общее количество идентифицированных эфиров карбоновых кислот, полученных из воздушно-сухих семян борщевика Сосновского методом экстракции легким петролейным эфиром в аппарате Сок-слета, составило 57,5% от полученного эфирного масла, из которых 27,6% приходится на октилацетат. Выход эфирного масла составил 3,4% от массы семян [3].
Для сравнения характеристик фрикционной массы с введением 3,89% масс. семян борщеви-
Рис . 1. Хроматограмма химического состава продуктов, полученных из семян борщевика Сосновского
Рис . 2. Хроматограмма эфирного масла, полученного из семян борщевика Сосновского
ка Сосновского и базовой ТИИР-300 на лабора- ны две смеси при идентичных условиях изго-торном резиносмесителе 4,5-140 были получе- товления. Указанный массовый процент семян
изучаемого растения обеспечивает технологичность изготовления формовочной смеси и необходимое количество эфирных масел для повышения морозостойкости. В табл. 1 представлены изучаемые рецептуры фрикционных смесей.
Таблица 1
Рецептура фрикционных смесей
В результате интенсивного перемешивания в резиносмесителе плотная волокнистая кожура семян разрушилась и равномерно вместе с эфирным маслом распределена по всему объему формовочной массы. В табл. 2 показаны физико-механические свойства изучаемых формовочных смесей. Таблица2
Физико-механические свойства формовочных смесей
Из данных табл. 2 следует, что текучесть смеси по Рашигу во всем изучаемом диапазоне температур для формовочной смеси варианта 2 выше, чем у варианта 1. Это можно объяснить присутствием дополнительного количества органических веществ, поступивших в формовоч-
ную смесь из семян борщевика Сосновского и, соответственно, наличием пластификаторов, представленных сложными эфирами карбоновых кислот.
Равномерное распределение плотной волокнистой кожуры семян и эфирного масла по всему объёму формовочной массы позволяет предположить, что прочностные характеристики формовочной смеси по варианту 2 должны быть не ниже чем у варианта 1, а морозостойкость — выше. В табл. 3 представлены физико-механические свойства фрикционных материалов, изготовленных по базовому рецепту ТИИР-300 (вариант 1) и с введением 3,89% семян борщевика Сосновского, обеспечивающих повышенную морозостойкость рецептуры ТИИР-300 (вариант 2).
Таблица 3
Физико-механические свойства фрикционных материалов
Показатели Материал ТИИР-300
Вариант 1 Вариант 2
Твердость по Бринеллю, ед. 1,92-1,83 1,89-1,77
Предел прочности при сжатии, МПа 35,5 35,4
Коэффициент трения 0,515 0,473
Линейный износ, мм 0,041 0,059
Морозостойкость при -60°С Без разрушения Без разрушения
Морозостойкость при -70°С Разрушен Без разрушения
Как видно из данных табл. 3, фрикционный материал, выполненный по варианту 2, выдерживает температуру минус 70°С при испытании морозостойкости по изгибу, тогда как материал, изготовленный по варианту 1, может эксплуатироваться только при температуре минус 60°С. По остальным физико-механическим свойствам изучаемые фрикционные материалы имеют практически равные характеристики, соответствующие требованиям ГОСТ 33421-2015.
Известно, что эфирные масла, полученные из семян различных видов борщевиков, согласно ГОСТ 31791-2017 «Эфирные масла и цветочно-травянистое эфиромасличное сырье» не могут предназначаться для применения в парфюмерно-косметической и пищевой промышленности, а также медицине. Однако, учитывая возможные значительные объёмы производства семян борщевика Сосновского, себестоимости производства, уровня удовлетворения потребности и конъюнктуры мирового рынка коммерческий интерес к эфирным маслам из плодов борщевика Сосновского несомненно существует. Компаунды эфирного масла из семян борщевика Сос-
Показатели Формовочная смесь
Вариант 1 Вариант 2
Содержание ингредиентов,
% масс.:
асбест 5 группы 15,20 14,60
каучук СКД исходный 20,26 19,47
семена борщевика Сосновского 3,89
концентрат баритовый 46,81 45,00
углерод технический 15,20 14,60
сера 2,03 1,95
2-меркаптобензтиазол 0,40 0,40
тиурам Д 0,10 0,10
Итого: 100,00 100,00
Норма Формовочная смесь
Показатели по регламенту Вариант 1 Вариант 2
Массовая доля потерь при прокаливании,% 38-43,5 39,4 42,2
Текучесть смеси по Рашигу при температуре 180°С и времени выдержки под давлением 2 мин, мм не менее 50 118 135
при температуре 160 °С _ 130 155
при температуре 200 °С 100 138
Содержание влаги, % — 0,2 0,3
новского и вазелинового масла начинают использовать в производстве уплотнительных материалов и морозостойких трубок на основе светлого крепа [3]. Однако более экономичным способом и полным использованием эфирного масла является переработка семян на смесительном оборудовании. Кроме экономической эффективности описанного выше процесса, достигается и социальная составляющая, связанная с переработкой растения, занесенного в «Черную книгу» [6]. Вместо борьбы с борщевиком Сосновского, которая осуществляется по мере необходимости, предлагается использование его продуктов в химической технологии.
Из практики известно применение диокти-лового эфира о-фталалевой кислоты в рецептурах некоторых морозостойких резин [7], однако в морозостойком фрикционном материале, как это следует данных из рис. 2, используется
комплекс сложных эфиров карбоновых кислот, включающих октилацетат, гексилацетат, гек-силбутират, гексилизобутират, гексилизовале-рат, октилизобутират, гексилкапронат, октил-изовалерат и октилкапронат.
Таким образом, повышение морозостойкости фрикционного материала для композиционных колодок железнодорожного транспорта обусловлено использованием семян борщевика Сосновского, содержащих сложные эфиры кар-боновых кислот, что дает возможность эксплуатировать тормозные колодки в условиях Севера. Введение во фрикционный материал семян борщевика Сосновского в количестве 3,89% масс., не снижает технологичность при изготовлении и практически не влияет на физико-механические свойства композиционного фрикционного материала для производства морозостойких тормозных колодок железнодорожного транспорта.
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры на период до 2024 года. Распоряжение Правительства РФ от 30 сентября 2018 г. № 2101-р URL: https://mintrans.gov.rU/documents/2/9742 (дата обращения 12.10.21). [Comprehensive plan for modernization and expansion of the backbone infrastructure for the period up to 2024. Decree of the Government of the Russian Federation No. 2101-r dated September 30, 2018. URL: //https://mintrans. gov.ru/documents/2/9742. (12/10/21)].
2. Манцев С.В., Пешкова А.Ф., Зайцева Н.Н. // Каучук и резина, 1979, №9, с.35-37. [Mantsev S.V. Peshkova A.F., Zait-sev N.N. Kauchuk i rezina, 1979, no. 9, pp. 35-37. (In Russ.)].
3. Павлов А.В., Соловьев В.В. Особенности экстракции плодов борщевика Сосновского // От химии к технологии шаг за шагом, научно-технический журнал, том 2, выпуск 2, с. 8188. // DOI: 10.52957/27821900_2021_02_81. [Pavlov A.V., Solov'ev V.V. Osobennosti ekstraktsii plodov borshchevika Sosnovskogo. Ot khimii k tekhnologii shag za shagom, vol. 2, issue 2, pp. 81-88. DOI: 10.52957/27821900_2021_02_81. (In Russ.)].
4. Чайкун А.М., Елисеев ОА, Наумов И.С., Венедиктов МА. Особенности построения рецептуры для морозостойких резин. // Авиационные материалы и технологии. — 2013. — № 3. — С. 53-55. [Chaikun A.M., Eliseev O.A., Naumov I.S., Venedik-tov M.A. Aviatsionnyye materialy i tekhnologii. 2013, no. 3, pp. 53-55. (InRuss.)].
5. Кондратьев М.Н., Ларикова Ю.С., Бударин С.Н., Клеч-ковская Ю.Б., Паштанова Е.С. Аллелопатический эффект heracleum sosnowskyi manden, сорных и лекарственных растений на культурные виды // Физиология растений — теоретическая основа инновационных агро- и фитобиотехнологий, Калининград, 19-25 мая 2014 года. Материалы Годичного собрания ОФР. Калининград. — 2014. — Ч. II. — С. 234-236. [Kondratiev M.N., Larikova Yu.S., Budarin S.N., Klechkovska-ya Yu.B., Pashtanova E.S. Allelopaticheskiy effekt heracleum sosnowskyi manden, sornykh i lekarstvennykh rasteniy na kul'turnyye vidy. Fiziologiya rasteniy — teoreticheskaya osnova innovatsionnykh agro- i fitobiotekhnologiy (Plant physiology-theoretical basis of innovative agro- and phytobiotechnologies), Kaliningrad, May 19-25, 2014. Materials of the Annual Meeting of the OFR. Kaliningrad. — 2014. — Part II. — 234-236 pp. (In Russ.)].
6. Черная книга растений. Растения, занесенные в черную книгу. URL: https://cadiogorod.ru/chernaya-kniga-rastenij-rasteniya-zanesyonnye-v-chyornuyu-knigu/#Borsevik_Sos-novskogo. (дата обращения 12.10.2021). [The Black Book of Plants. Plants listed in the black book. URL: https:// cadiogorod.ru/chernaya-kniga-rastenij-rasteniya-zanesyonnye-v-chyornuyu-knigu/#Borsevik_Sosnovskogo (12.12.2021)].
7. Гавриленко Л.Н., Панина Л.Г., Романенко Б.Г. Резиновая смесь для изготовления прокладок-амортизаторов рельсовых скреплений железнодорожного пути. Патент РФ № 2386650, 2010. [Gavrilenko L.N., Panina L.G., Romanenko B.G. Rubber compound for the manufacture of gaskets-shock absorbers of rail fasteners of a railway track. Patent RF, no. 2386650, 2010].
информация об abtopax/information about the authors
Павлов Александр Владиславович, канд. техн. наук доцент кафедры «Химическая технологии органических покрытий», ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет», Ярославль, Россия.
E-mail.: pavlovav@ystu.ru
Кошель Сергей Георгиевич, д-р хим. наук, профессор кафедры «Охрана труда и природы» ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет», Ярославль, Россия.
E-mail: koshel_sergei_62@mail.ru
Лебедева Нина Валентиновна, кандидат химических наук, доцент кафедры «Общая и физическая химия», ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет», Ярославль, Россия.
E-mail: lebedevanv@ystu.ru
Pavlov Aleksandr V., Cand.Sci. (Eng.), Docent, Department Chemical technology of organic coatings, Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl, Russia.
E-mail.: pavlovav@ystu.ru
Kochel Sergey G., Dr Sci (Chem), Prof., Department of Labor and Nature Protection Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl, Russia.
E-mail.: koshel_sergei_62@mail.ru
Lebedeva Nina V., Cand.Sci. (Chem.), Docent, Department General and Physical Chemistry, Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl, Russia.
E-mail: lebedevanv@ystu.ru
