CC BY
7
УДК 629.4.077:629.4.087
Влияние коэффициента взаимного перекрытия на интенсивность изнашивания тормозных накладок дискового тормоза
Ю. В. Кривошея
Донецкий институт железнодорожного транспорта, Донецкая Народная Республика, 283018, Донецк, ул. Горная, 6
Для цитирования: Кривошея Ю. В. Влияние коэффициента взаимного перекрытия на интенсивность изнашивания тормозных накладок дискового тормоза // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 3. - С. 16-25. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-3-16-25
Аннотация
Цель: Исследование влияния коэффициента взаимного перекрытия на интегральную линейную и массовую интенсивности изнашивания поверхности тормозных накладок железнодорожного дискового тормоза, которые работают в паре со стальным диском 35 СГ, в условиях реальных нагрузочно-скоростных характеристик, воспроизводимых натурным стендом. Методы: Использовались методы подготовки и проведения экспериментов, а также методы статистической обработки и графического отображения результатов. Эксперименты выполнены на натурном стенде, который воспроизводит силовое взаимодействие рабочих элементов дискового тормоза по критериям массо-габаритных и нагрузочно-скоростных характеристик. Инновационной особенностью стенда является возможность изменения коэффициента взаимного перекрытия дискового тормоза в широких пределах. Результаты: Приведены зависимости линейной и массовой интегральных интенсивностей изнашивания тормозных накладок железнодорожных дисковых тормозов от коэффициента взаимного перекрытия. Установлено, что с его ростом линейная интегральная интенсивность изнашивания имеет тенденцию к снижению, а интегральная массовая интенсивность изнашивания остается примерно равной для воспроизводимых коэффициентов взаимного перекрытия. При коэффициенте взаимного перекрытия, близком к единице, интенсивность изнашивания минимальная. Практическая значимость: Выявлено, что коэффициент взаимного перекрытия является одним из главных факторов, влияющих на ресурс тормозных накладок дискового тормоза в условиях эксплуатации, который целесообразно учитывать при разработке перспективных конструкций дисковых тормозов. Сделан вывод о перспективности создания фрикционных тормозов, у которых коэффициент взаимного перекрытия имеет значение, близкое к единице, что позволит снизить интенсивность изнашивания тормозных накладок и соответственно повысить ресурс их использования.
Ключевые слова: Фрикционный железнодорожный тормоз, дисковый тормоз, интенсивность изнашивания, коэффициент взаимного перекрытия, натурный стенд.
Введение
Железнодорожному транспорту требуется большое количество фрикционных тормозных накладок, которые рассматриваются как расходный
материал. Ежегодно в мире расходуется сотни тысяч тонн тормозных накладок, что приводит к значительным финансовым расходам, связанным с изготовлением, транспортировкой, установкой и заменой их на подвижном составе, а также с последующей утилизацией [1, 2].
Развитие высокоскоростного движения поездов сопровождается созданием все более дорогостоящих фрикционных материалов и изготовлением из них тормозных накладок. Тем не менее в настоящее время отсутствуют фрикционные материалы, которые имеют приемлемые технические характеристики по критерию интенсивности изнашивания рабочих поверхностей элементов дискового тормоза. Это предполагает необходимость изучения влияния на интенсивность изнашивания тормозных накладок смежных факторов, одними из которых являются параметры конструкции дискового тормоза.
В связи с этим особую актуальность приобретает проблема понижения интенсивности изнашивания тормозных накладок не только за счет создания новых фрикционных материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами, но и с учетом влияния параметров конструкции дискового тормоза [3]. Снижение интенсивности изнашивания тормозных накладок позволит увеличить ресурс их использования и, как следствие, уменьшить эксплуатационные и другие расходы.
К конструктивным факторам, оказывающим комплексное воздействие на рабочую температуру, механические давления, работу сил трения, характер деформирования поверхностных слоев тормозных накладок и тормозного диска, относится коэффициент взаимного перекрытия Квп [4-6], влияние которого на интенсивность изнашивания железнодорожных тормозных накладок в настоящее время недостаточно изучено.
Методика проведения экспериментов
Экспериментальное исследование выполнялось на натурном стенде, который воспроизводил реальные нагрузочно-скоростные и массо-габаритные условия работы элементов дискового тормоза в режиме торможения [7, 8]. Определялось влияние коэффициента Квп на интегральную линейную и массовую интенсивности изнашивания поверхности тормозных накладок дискового тормоза, которые работают в паре со стальным диском 35 СГ в условиях реальных нагрузочно-скоростных характеристик, воспроизводимых натурным стендом.
Изменение коэффициента Квп при проведении экспериментов обеспечивала тормозная колодка круглой формы, по периферии которой размещались тормозные накладки с необходимым коэффициентом Квп (рис. 1).
Рис. 1. Натурный стенд для проведения экспериментов по износостойкости тормозных накладок дискового тормоза (красным выделена тормозная колодка круглой формы и рычаг для ее нагружения)
В качестве фрикционных материалов, которые испытывались в паре с тормозным диском (35 СГ), выбраны два фрикционные материала, для одного из них (ТЮ19) при повышении температуры коэффициент трения снижался, а для второго, на основе углеродной матрицы упрочненной углеродными волокнами (УТ22-В), коэффициент трения с ростом температуры повышался. Такой подход позволил минимизировать количество используемых фрикционных материалов и время проведения экспериментов на натурном стенде.
Исходные параметры проведения экспериментов приведены в таблице.
Исходные параметры проведения экспериментов
Параметр Значение
Коэффициент взаимного перекрытия, Квп 0,33; 0,66; 0,98
Сила прижатия тормозных накладок, ¥, кН 2,5
Частота оборотов тормозного диска, и, об/мин 1007
Материал тормозных накладок УТ22-В; ТК119
Материал тормозного диска Сталь 35 СГ
Чистота поверхности тормозного диска (ГОСТ 2389-73) 6-й класс
Эксперименты были выполнены в соответствии со следующим алгоритмом:
- поверхности тормозных накладок и тормозного диска очищались спиртом;
- тормозные накладки взвешивались;
- тормозные накладки с заданным коэффициентом Квп крепились на тормозную колодку;
- тормозная колодка помещалась на стенд;
- устанавливалось число оборотов тормозного диска;
- включался в работу электродвигатель;
- создавалось заданное нормальное усилие F прижатия тормозных накладок к тормозному диску;
- после наработки 15 ч тормозные накладки демонтировались;
- поверхности тормозных накладок очищались спиртом;
- тормозные накладки взвешивались и измерялась их толщина.
Характеристикой изнашивания тормозной накладки, лимитирующей
ее ресурс, является ее толщина. В связи с этим в качестве контрольных характеристик процесса изнашивания тормозных накладок при проведении экспериментов приняты интегральные линейная и массовая интенсивности изнашивания [6]:
¡и = И / Ь = V / (Ь Ла\
¡а = АР / (Ла Ь),
где ¡И - интегральная линейная интенсивность изнашивания; ¡а - интегральная массовая интенсивность изнашивания; И - толщина изношенного слоя; Ь - путь трения; V - объем материала, удаленный в процессе изнашивания; Ла - номинальная площадь касания; АР - уменьшение массы тормозной колодки вследствие изнашивания.
Интегральная линейная интенсивность изнашивания иллюстрировала процесс изнашивания, обусловленный практической целесообразностью использования тормозных накладок, а интегральная массовая интенсивность изнашивания в большей степени отражала физику процесса.
Эксперименты выполнялись на натурном стенде в условиях «тяжелого» режима его работы, обусловленного конструктивными особенностями и нагрузочно-скоростными характеристиками работы стенда. При проведении экспериментов контролировались следующие характеристики:
- коэффициент взаимного перекрытия - Квп;
- нормальная сила прижатия тормозных накладок к тормозному диску - ^
- частота оборотов тормозного диска - п;
- температура в области контакта тормозных накладок и тормозного диска;
- масса тормозных накладок;
- толщина тормозных накладок.
Взвешивание тормозных накладок производилось с помощью аналитических весов ВЛА-200-М, обеспечивающих точность измерений до ±Ы0-7 кг с набором эталонных мер веса Г-2-210 2-го класса точности (ГОСТ 7328-65) и микрометра МКЦ 50-75 0,001. Температура поверхности измерялась бесконтактным способом с помощью инфракрасного пирометра вМ 550.
Обсуждение результатов экспериментов
По результатам обработки экспериментальных данных получены зависимости линейной и массовой интенсивностей изнашивания от коэффициента Квп, равного 0,33, 0,66 и 0,98 (рис. 2).
Рис. 2. Изменение массовой (1) и линейной (2) интегральных интенсивностей изнашивания в зависимости от коэффициента Квп: материал тормозных накладок: а - УТ22-В; б - ТЯ119
Из приведенных результатов следует, что коэффициент Квп способствует понижению интегральной линейной интенсивности изнашивания тормозных колодок из фрикционного материала УТ22-В (рис. 2, а). При этом наибольшее уменьшение интегральной линейной интенсивности изнашивания обнаружено для Квп = 0,98 по сравнению с Квп = 0,33 и 0,66; при Квп = 0,66 снижение менее выражено по сравнению с Квп = 0,33.
Аналогичная тенденция изменения интегральной линейной интенсивности изнашивания наблюдалась для тормозных накладок из фрикционного материала ТЯ119 (рис. 2, б).
Коэффициент Квп = 0,33 и 0,66 практически не влиял на интегральную массовую интенсивность изнашивания. Такая закономерность установлена для фрикционного материала как УТ22-В, так и ТЯ119. Но при коэффициенте Квп = 0,98 имело место некоторое снижение интегральной массовой интенсивности изнашивания.
Процесс изнашивания протекал в постоянном температурном режиме, для УТ22-В - 265 °С, для ТЯ119 - 180 °С.
На основе анализа механизма взаимодействия тормозных накладок и тормозного диска можно объяснить влияние коэффициента взаимного перекрытия Квп на интегральные линейную и массовую интенсивности изнашивания, которое заключается в: 1) понижении механических давлений в области контакта; 2) изменении вида деформирования микронеровностей шероховатого слоя тормозного диска в поверхностном слое, примыкающем к основному контакту тел трения при Квп = 0,98.
Как следует из работ [9, 10], в поверхностном слое тормозного диска на входе в основной контакт с тормозной колодкой реализуются напряжения сжатия, а на выходе - напряжения растяжения. Другими словами, поверхность тормозного диска при вращении вокруг своей оси подвергается циклическим знакопеременным деформациям, которые, согласно [5, 6], являются мощным фактором, стимулирующим усталостное изнашивание поверхности тормозного диска.
Кроме этого, циклические деформации поверхности тормозного диска приводят к усиленному влиянию на повышение интенсивности изнашивания тормозных накладок. Это связано с тем, что на участках тормозного диска, где действуют деформации сжатия, наблюдается увеличение высотных параметров шероховатости [9, 10], способствующих повышенному механическому изнашиванию тормозных накладок. Такой механизм изнашивания свойствен для коэффициентов Квп = 0,33 и 0,66.
При коэффициенте Квп = 0,98 характер деформирования поверхности тормозного диска и механизма изнашивания тормозных накладок существенно отличается. Так как тормозные накладки занимают всю площадь
тормозного диска, следовательно, полностью устраняются зоны деформаций сжатия и растяжения поверхности тормозного диска. Поверхность тормозного диска при торможении находится в напряженно-деформированном состоянии, которое характеризуется постоянными одновременными деформациями «сжатия-растяжения». При этом эффект увеличения высотных параметров шероховатости поверхности тормозного диска не наблюдается. В результате усиленное воздействие шероховатости на интенсивность изнашивания поверхности тормозной накладки отсутствует, чем и объясняется снижение интенсивности изнашивания поверхности тормозной накладки.
Из результатов проведенных экспериментов следует, что коэффициент Квп является одним из факторов, который оказывает влияние на ресурс тормозных накладок дискового тормоза и его влияние целесообразно учитывать при разработке перспективных конструкций дискового тормоза.
Заключение
1. Коэффициент взаимного перекрытия Квп рабочих элементов дискового тормоза оказывает влияние на интегральную линейную интенсивность изнашивания тормозных колодок из фрикционного материала УТ22-В и ТЯ119 и способствует ее снижению. Наиболее сильное снижение интегральной линейной интенсивности изнашивания наблюдается для коэффициента Квп = 0,98 по сравнению с коэффициентами Квп = 0,33 и 0,66.
2. Коэффициент взаимного перекрытия при значениях 0,33 и 0,66 практически не влияет на интегральную массовую интенсивность изнашивания тормозных колодок из фрикционных материалов УТ22-В и ТЯ119. При коэффициенте Квп = 0,98 имеет место некоторое снижение интегральной массовой интенсивности изнашивания.
3. Коэффициент Квп является одним из факторов влияния на ресурс тормозных накладок дискового тормоза в условиях эксплуатации, который целесообразно учитывать при разработке перспективных конструкций дисковых тормозов.
Библиографический список
1. Асадченко В. Р. Расчет пневматических тормозов железнодорожного подвижного состава: учеб. пособие для вузов железнодорожного транспорта / В. Р. Асадченко. - М.: Маршрут, 2004. - 120 с.
2. Болдырев Д. А. Повышение работоспособности и ресурса пары трения «тормозной диск-колодка»: дис. канд. техн. наук, специальность: 05.16.01 / Д. А. Болдырев. - Тольятти: Тольяттинск. гос. ун-т, 2004. - 132 с.
3. Петрик А. А. Фрикционные узлы: монография (науч. изд.). Т. 1 / А. А. Петрик, Н. А. Вольченко, П. Ю. Пургал и др. - Краснодар: Кубанск. гос. технолог. ун-т, 2003. -220 с.
4. Зозуля В. Д. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / В. Д. Зозуля, Е. Л. Шведков, Д. Я. Ровинский, Э. Д. Браун; отв. ред. И. М. Федорченко // Ин-т проблем материаловедения АН СССР. - 2-е изд. - Киев: Наукова думка, 1990. -264 с.
5. Справочник по триботехнике: в 3 т. Т. 3. Триботехника антифрикционных, фрикционных и сцепных устройств. Методы и средства триботехнических испытаний / под ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1992. - 730 с.
6. Крагельский И. В. Узлы трения машин: справочник / И. В. Крагельский, Н. М. Михин. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.
7. Кривошея Ю. В. Стенд для исследования характеристик взаимодействия элементов трения дискового тормоза / Ю. В. Кривошея, В. В. Бугаенко, И. И. Соснов // Вестн. РГУПС. - 2020. - № 1 (77). - С. 83-89.
8. Кривошея Ю. В. Заявка на патент Украины на полезную модель № u 2019 10169. Стенд для исследования взаимодействия рабочих элементов дискового тормоза подвижного состава / Ю. В. Кривошея, В. В. Бугаенко, Ю. И. Осенин. - Заявл. 03.10.2019 г.
9. Михин Н. М. Влияние напряженного состояния области контакта твердых тел на параметры шероховатости и волнистости поверхностей / Н. М. Михин, Ю. И. Осе-нин // Республ. межведомств. науч.-технич. сб. «Проблемы трения и изнашивания». -Киев: Техника, 1988. - Т. 34. - С. 46-54.
10. Осенин Ю. И. Механизм возникновения шума при торможении подвижного состава дисковыми тормозами / Ю. И. Осенин, Ю. В. Кривошея, А. В. Чесноков // Трение и износ. - 2020. - Т. 41. - № 2. - С. 241-247.
Дата поступления: 08.06.2020 Решение о публикации: 15.06.2020
Контактная информация:
КРИВОШЕЯ Юрий Владимирович - канд. техн. наук, доцент; krivosheya.drti @yandex.ru
Influence of the coefficient of mutual overlap on the wear rate of disc brake pads
Yuri V. Krivosheya
Donetsk Railway Transport Institute, 6, Gornaya ul., Donetsk, 2830186, Donetsk People's Republic
For citation: Krivosheya Yu. V. Influence of the coefficient of mutual overlap on the wear rate of disc brake pads. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 3, pp. 16-25. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-3-16-25
Summary
Objective: To study the influence of the coefficient of mutual overlap on the integral linear and mass intensity of wear of the railway disc brake pad operating in tandem with a 35 SG steel disc, under real load-speed conditions reproduced on a full-scale test bench. Methods: The experiment preparation and conduct methods, as well as statistical processing and graphic display of results have been used. The experiments have been carried out on a full-scale test bench that reproduces the force interaction of the disc brake working elements according to the mass-dimensional and load-speed criteria. An innovative feature of the test bench is the capability allowing to adjust the disc brake coefficient of mutual overlap within a wide range of values. Results: The dependences of linear and mass integral intensities of wear of the railway disc brake pad on the coefficient of mutual overlap are given. It has been established that the linear integral wear rate tends to decrease with the increase of this coefficient, and the integral mass wear rate remains approximately equal for reproducible coefficients of mutual overlap. When the coefficient of mutual overlap is close to unity, the intensity of wear is minimal. Practical importance: It was found that the coefficient of mutual overlap is one of the main factors affecting the life of disc brake pads in operation, which is advisable to take into account when developing advanced disc brake designs. It is concluded that a promising friction brakes design would be the one providing for the coefficient of mutual overlap with a value close to unity, which would reduce the wear rate of disc brake pads and, accordingly, increase their service life.
Keywords: Friction railway brake, disc brake, wear intensity, coefficient of mutual overlap, full-scale test bench.
References
1. Asadchenko V. R. Raschet pnevmaticheskikh tormozov zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava. Uchebnoye posobiye dlya vuzov zheleznodorozhnogo transporta [Calculation of pneumatic brakes for railway rolling stock. A training manual for universities of railway transport]. Moscow, Marshrut Publ., 2004, 120 p. (In Russian)
2. Boldyrev D. A. Povysheniye rabotosposobnosti i resursa pary treniya "tormoznoy disk-kolodka" [Improving the "brake disc-pad" friction couple performance and life]. Thesis of PhD in Engineering, specialty: 05.16.01. Togliatti, Togliatti State University Publ., 2004, 132 p. (In Russian)
3. Petrik A. A., Vol'chenko N. A., Purgal P. Yu. et al. Friktsionnyye uzly [Friction units]. Monograph. Vol. 1. Krasnodar, Kuban State Technological University Publ., 2003, 220 p. (In Russian)
4. Zozulya V. D., Shvedkov E. L., Rovinskiy D. Ya. & Brown E. D. Slovar'-spravoch-nik po treniyu, iznosu i smazke detaley mashin [Dictionary and reference book on friction, wear and lubrication of machine parts]. Chief editor I. M. Fedorchenko. Institute for Problems in Materials Science Academy of Sciences of the USSR. Ed. 2. Kiev, Naukova dumka Publ., 1990, 264 p. (In Russian)
5. Spravochnik po tribotekhnike. V 3 t. T. 3. Tribotekhnika antifriktsionnykh, friktsion-nykh i stsepnykh ustroystv. Metody i sredstva tribotekhnicheskikh ispytaniy [Handbook on tri-botechnics. In 3 vol. Vol. 3. Tribotechnics of antifriction, friction and coupling devices. Methods and means for tribotechnical testing]. Edited by M. Khebda, A. V. Chichinadze. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1992, 730 p. (In Russian)
6. Kragel'skiy I. V. & Mikhin N. M. Uzly treniya mashin. Spravochnik [Friction units of machines. Reference book]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1984, 280 p. (In Russian)
7. Krivosheya Yu. V., Bugayenko V. V. & Sosnov I. I. Stend dlya issledovaniya kha-rakteristik vzaimodeystviya elementov treniya diskovogo tormoza [Test bench for studying the disc brake friction elements interaction]. Bulletin of the Rostov State Transport University, 2020, no. 1, pp. 83-89. (In Russian)
8. Krivosheya Yu. V., Bugayenko V. V. & Osenin Yu. I. Application for a Ukrainian utility model patent No. u 2019 10169. Test bench for studying the interaction of rolling stock disc brake working elements. Appl. October 03, 2019. (In Russian)
9. Mikhin N. M. & Osenin Yu. I. Vliyaniye napryazhennogo sostoyaniya oblasti kon-takta tverdykh tel na parametry sherokhovatosti i volnistosti poverkhnostey [Effect of the stress state of the contact area of solids on the surface roughness and waviness]. Republican Interdepartmental Collection of Research and Technical Papers "Problems of Friction and Wear." Kiev, Tekhnika Publ., 1988, pp. 46-54. (In Russian)
10. Osenin Yu. I., Krivosheya Yu. V. & Chesnokov A. V. Mekhanizm vozniknoveniya shuma pri tormozhenii podvizhnogo sostava diskovymi tormozami [Mechanism of noise generation when braking rolling stock with disc brakes]. Journal of Friction and Wear, 2020, vol. 41, no. 2, pp. 241-247. (In Russian)
Received: June 08, 2020 Accepted: June 15, 2020
Author's information:
Yuri V. KRIVOSHEYA - PhD in Engineering, Associate Professor; krivosheya.drti @yandex.ru
