Принципы выбора композиционных материалов для фрикционных узлов трения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципы выбора композиционных материалов для фрикционных узлов трения

В.П. Тихомиров, А.Г. Стриженок, А.В. Кондратович

Рассмотрены принципы подбора композиционного материала для фрикционных узлов. Приведены результаты исследования трибологических показателей пары трения для предохранительной муфты с предложенным композиционным материалом.

Ключевые слова: композиционные материалы, пара трения, предохранительная муфта, фрикционные узлы трения, нейрокомпьютерное моделирование.

Разработка материалов с заданными свойствами представляет собой сложную задачу [1 - 3]. Выбор того или иного фрикционного материала для узла трения зависит от условий эксплуатации и требований, предъявляемых к материалу. Применительно к предохранительной фрикционной муфте среди основных требований к материалам пары трения отметим следующие: реализация в условиях эксплуатации высокого коэффициента трения покоя и сравнительно низкого коэффициента трения скольжения (при длительном, порядка 1…2 мин, буксовании) при высокой износостойкости. При этом необходимо учесть, что при значительной разнице коэффициентов трения покоя и скольжения наблюдаются автоколебания, отрицательно сказывающиеся на работе муфты. Для обеспечения стабильного коэффициента трения и необходимой износостойкости в процессе трения на поверхностях должен образовываться пластичный и стойкий к передеформированию рабочий слой. В полной мере этим требованиям отвечают спеченные порошковые фрикционные материалы.

Основная группа фрикционных спеченных порошковых материалов, применяемых в машиностроении, разрабатывалась для тормозных устройств, которые по условиям эксплуатации и температурному режиму существенно отличаются от предохранительных муфт. При создании фрикционных материалов используют компоненты, служащие твердой смазкой, а также компоненты, увеличивающие коэффициент трения. При проектировании спеченного металлокерамического материала следует учесть размеры частиц порошков, определяющие основные триботехнические показатели, включая общую прочность. Компоненты, входящие в состав, несмотря на недостаточную растворимость друг в друге и большую разницу в температуре плавления, позволяют удовлетворить требования, предъявляемые к металлокерамическим материалам. Из известных технологических методов получения материалов, состоящих из таких разных компонентов, наибольшее распространение получил метод порошковой металлургии.

Рассмотрим общие требования к материалам пары трения предохранительной муфты.

1. Сдвиговая прочность поверхностного слоя должна быть меньше прочности нижележащих слоев (правило положительного градиента И.В. Крагельского).

2. Рабочий слой, состоящий из вторичных структур, должен хорошо противостоять многократному деформированию.

3. Коэффициент трения покоя должен быть большим (больше 0,3).

4. Изменение коэффициента трения в процессе буксования, а также в промежутке между включениями должно быть минимальным.

5. Темп износа фрикционной пары не должен превышать регламентируемого техническими требованиями уровня.

Перечисленным требованиям в наилучшей степени отвечают композиционные металлокерамические порошковые материалы. Поверхностные слои таких материалов, формируемые трением, должны обеспечивать требуемые триботехнические характеристики узла трения.Рассмотрим влияние состава на триботехнические характеристики металлокерамического материала. Анализ результатов исследований фрикционных свойств металлокерамических материалов на железной основе показал:

1.Количество вводимых в состав металлокерамической композиции включений может достигать 25 %.

2. Присутствие в составе барита приводит к некоторому повышению износа, при этом стабильность коэффициента трения несколько повышается.

3. Присутствие меди приводит к существенному снижению коэффициента трения после некоторого перерыва в работе (в период между включениями стрелочного перевода).

4. Введение в состав дисульфида молибдена повышает износостойкость, при этом незначительно уменьшается коэффициент трения.

5. Уменьшение количества графита с 4 до 2 вес. % приводит к некоторому увеличению коэффициента трения и износостойкости.

6. Наличие в составе олова и свинца способствует повышению износостойкости.

Нейрокомпьютерное моделирование. Рассмотрим решение задачи выбора оптимального состава металлокерамического материала для предохранительной муфты электромеханического привода стрелочного перевода. В ходе решения на первом этапеопределяется набор векторов типа «вход - известный выход». Результаты исследований характеристик трения для различных составов металлокерамических сплавов служат задачником, на котором проводится обучение нейронной сети. Данные о химическом составе композиционных материалов являются входами нейросети, а технические характеристики материалов - выходами. Основной задачей, решаемой с помощью обученной нейронной сети, будет прогнозирование характеристик трения материалов в зависимости от их состава. При этом от количества примеров, которыми в данном случае являются результаты исследований характеристик металлокерамических материалов, будет зависеть точность прогнозирования. При выполнении второго этапа данные испытаний были подготовлены для ввода в нейросеть (таблица).

Химический состав и трибологические свойства металлокерамических материалов

Результаты компьютерного эксперимента приведены в таблице. Здесь указаны составы материалов (входные данные) и триботехнические характеристики (выходные параметры). Эти данные использовались для создания нейросети с 6 входами и 2 выходами. В качестве входа был взят химический состав спеченных порошковых материалов на железной основе. Выходные параметры - удельный (отнесенный к поглощенной энергии) объемный износ И (мм3 /кДж) и коэффициент трения покоя fпок.

На основании данных физического эксперимента была сформирована нейросеть. Затем, изменяя химический состав (в примере материалыобозначеныV) и используя сформированнуюнейросеть, получаем выходные данные.При этом становится возможным проведение большого количества мысленных экспериментов, что позволяет в конечном счете выбрать наилучший по своим показателям материал.

При обучении нейронной сети в наборе примеров выделялась выборка, по которой проводилось обучение, и выборка для тестирования результатов.

Следует отметить, что точность прогнозирования параметров материала прямо пропорционально зависит от количества примеров (опытов), по которым проводилось обучение нейронной сети, а также от представительности конкретных входов (количество разных значений параметров по конкретному входу нейронной сети). Точность прогнозирования по различным выборкам тестирования колебалась от 15 до 400%. Обученная нейронная сеть, поставляемая в виде программы, может быть дообучена при получении новых данных.

Предлагаемые материалы, содержащие порошок алмаза, были подвергнуты лабораторным исследованиям. Целью этих исследований был выбор материала, наилучшим образом отвечающего требованиям, предъявляемым к стрелочному переводу сортировочных горок.

Рис. 1. Микроструктура поверхности спеченного порошкового материала: 1 - железо; 2 - медь; 3- оксид кремния (справа структура показана в увеличенном масштабе)

Приведем некоторые триботехнические показатели[4], позволяющие в достаточной мере характеризовать и прогнозировать эксплуатационные свойства натурного объекта (муфты сцепления) после проведения лабораторных исследований. Так, лабораторные испытания можно проводить по схеме «палец-диск» (pin-on-disc). При этом давление может быть таким же, как и у натурной пары трения. Перед и после испытания проводился анализ микроструктурных особенностей поверхности трения (рис. 1).Разработанная методика испытаний предполагает выявление зависимости коэффициента трения от времени (или пути трения) при разных давлениях (рис. 2).

Рис. 2. Изменение частоты вращения, давления и коэффициента трения в зависимости от времени включения муфты сцепления

Интерес представляют зависимости энергии диссипации и износа (весового в граммах ? ) от пути трения. Энергия диссипации E, Нм, равна произведению силы трения на путь трения S, м:

Указанные зависимости, как показывают испытания, проведенные в нашей стране и за рубежом, являются линейными. Угловые коэффициенты уравнений регрессии:

где потеря массы, отнесенная к отрезку пути трения dS.

Очевидно, что данные, отнесенные к одному и тому же пути трения, могут быть связаны соотношением

Число включений, определяющее ресурс стрелочного перевода, вычисляется по формуле

Здесь ? номинальная площадь контакта, мм2; ? предельная толщина износа, мм;- удельный вес, г/мм3;? коэффициент трения; - сила прижатия дисков, кН;? путь трения, соответствующий одному включению, м.

Приведем численный пример. Пусть K1=4 Нм/м; K2=10-5 г/м; =1166 мм2; =1 мм; г/мм3; кН; 3 м. Тогда число включений оценивается величиной, равной

1,68?106 циклов.

Для достижения ранее рассчитанного ресурса, равного 2,50…4,01 млн циклов, необходимо в первую очередьуменьшить угловой коэффициент K2, т.е. повысить износостойкость или понизить темп изнашивания.

На основании данных, полученных с помощью нейрокомпьютерного моделирования, дальнейшим исследованиям подвергались перспективные для внедрения и модернизации стрелочных переводов сортировочных горок спеченные порошковые материалы, условно обозначенныеV-17, V-18 и V-19.

Особенностью данных композиционных материалов было наличие в составе алмазного порошка, что должно способствовать снижению вероятности схватывания, как и при наличии оксида кремния, и повышению величины коэффициента трения и его стабильности. В целом это способствует увеличению быстродействия стрелочного перевода, которое особенно важно для сортировочных горок (в отличие от магистральных переводов).

Рис. 3. Поверхность металлокерамического материала

На рис. 3 показана поверхность опытного фрикционного материала V-17.

Анализ полученныхданных дает основание для моделирования контактного взаимодействия пар трения металлокерамика-металло-керамика и металлокерамика-сталь. При этом поверхность металлокерамического образца можно считать гладкой на макроуровне, а стальную поверхность ? шероховатой.

Лабораторные испытания разработанных порошковых композиций. Испытанию подверглись маркированные образцы (диск D=60 мм), на торцовую поверхность которых нанесен металлокерамический сплав, и цилиндрические контртела (D=10 мм, H=12 мм) с параметрами шероховатости Ra = 0,08; 0,32; 0,63; 1,25; 2,5 (по 2 шт). Материал контртел - сталь 65Г по ГОСТ 14959-79. Для сравнительного анализа использовались разные составы металлокерамического сплава (условные номера 17 и 19).

Результаты испытаний. Первая группа экспериментов посвящена определению коэффициента трения покоя fтп при различных сочетаниях давления на испытуемый образец № 17и параметра шероховатости контртела (рис. 4).

Вторая группа экспериментов посвящена определению коэффициента трения покоя fтп при различных сочетаниях давления на испытуемый образец № 19и параметра шероховатости контртела (рис 5).

Рис. 4. Изменение коэффициента трения покоя fтп в зависимости от давления на образец № 17 контртела со значениями Ra:

Третья группа экспериментов посвящена определению коэффициента трения скольжения fтск при различных сочетаниях давления на испытуемые образцы № 17 и 19 и параметра шероховатости контртела.

Рис. 5. Изменение коэффициента трения покоя fтп в зависимости от давления на образец № 19 контртела со значениямиRa:

Для образца № 17 при давлении 2,5 МПа использовались три контртела с Ra = 2,5; 1,25; 0,63 мкм, а при давлении 2 МПа - два контртела сRa = 0,32; 0,08 мкм. Для образца № 19 при давлении 2,5 МПа использовались два контртела сRa = 1,25; 0,63 мкм, а при давлении 2 МПа - два контртела с Ra = 0,32; 0,08 мкм. Первыми проводились исследования при давлении 2,5 МПа, а после - при давлении 2 МПа. Следует принять во внимание форму изношенных поверхностей. Износ диска с металлокерамикой во всех экспериментах составляет 4…10 мкм.

На рис. 6 представлены графики зависимости суммарного износа от пути трения пары трения «диск - контртело». Из рис. 4 и 5 видно, что коэффициент трения покоя увеличивается в зависимости от давления для всех сочетаний материалов и всего исследованного диапазона шероховатостей.Для сочетания материалов сталь-металлокерамика чем больше шероховатость, тем выше коэффициент трения покоя. Для сочетания материалов сталь-сталь изменение коэффициента трения покоя представлено на рис. 7. Наибольшие коэффициенты трения покоя характерны для сочетания материалов сталь-металлокерамика при больших давлениях.

Рис. 6. Суммарный износ пары трения «диск - контртело»:

На рис. 8 показано изменение коэффициента трения скольжения в зависимости от давления.

В целом коэффициент трения скольжения на 10-25% меньше коэффициента трения покоя, но картина его изменения в зависимости от давления, шероховатости и материала такая же, как и для коэффициента трения покоя. Обработка результатов позволила определить интенсивность изнашивания образцов в период нормального изнашивания.

Рис. 7. Изменение коэффициента трения покоя в зависимости от давления для сочетания материалов сталь 65Г-сталь 65Г:

Рис. 8. Изменение коэффициента трения скольжения в зависимости от давления для сочетания материалов сталь 65Г-сталь 65Г:

композиционный материал фрикционный трение

Таким образом, наименьший износ у сочетания материалов сталь-металлокерамика с пропиткой, что легко объясняется наличием смазки в контакте. Наибольший износ у сочетания материалов сталь 65Г-сталь 65Г. Лучшее соотношение коэффициента трения и износа у сочетания материалов сталь 65Г - металлокерамика. Чем больше шероховатость для этого сочетания, тем выше износ, но, с другой стороны, и выше коэффициент трения.

Интенсивность изнашивания (средние значения) при давлении р=2 МПа для пар трения сталь-металлокерамическая композиция №17 - 3,1•10-8, сталь-металлокерамическая композиция №19 - 3,5•10-8, сталь с шероховатостью Ra0,18 - сталь с шероховатостью Ra0,18 - 1,88•10-8.

Оптимальные сочетания коэффициентов трения и параметров износостойкости выявлены в результате испытаний у фрикционного порошкового металлокерамического материала под условным номером 17. Несмотря на то что интенсивность изнашивания у пары трения сталь-сталь (для определенной шероховатости) оказалась меньше, чем у рассматриваемых пар трения металлокерамика-сталь, такие триботехнические показатели, как коэффициенты трения покоя и скольжения, у них лучше, чем у пары сталь-сталь. Так, коэффициенты трения пары сталь-сталь лежат в пределах 0,17…0,25, в то время как для пары трения металлокерамика-сталь коэффициент трения равен 0,46…0,53 (при давлении 2 МПа). Пара трения сталь-сталь характеризуется недостаточными коэффициентами трения покоя и скольжения и не соответствует требованиям, предъявляемым к работе предохранительной муфты стрелочного перевода механизированной сортировочной горки. На состав перспективного фрикционного металлокерамического материала получено положительное решение о выдаче соответствующего патента на изобретение.

Таким образом, исследование трибологических свойств новых перспективных фрикционных материалов и инновационные действия должны проводиться в несколько этапов. Применительно к предохранительной муфте стрелочного перевода механизированной сортировочной горки с учетом особенностей эксплуатации сформированы требования к фрикционной паре и с помощью нейросетевого моделирования выбраны три варианта состава фрикционного материала.Разработаны основные положения методики проведения сравнительных лабораторных испытаний опытных образцов, позволяющие оценивать коэффициент трения и его стабильность, выявлять особенности процесса изнашивания и прогнозировать ресурс работы стрелочного перевода. Для проведения трибологических испытаний подходят торцовые пары трения «палец-диск» или «диск-диск».

Список литературы

1. Чичинадзе, А.В. Расчет, испытание и подбор фрикционных пар/А.В. Чичинадзе, А.Г. Гинзбург, З.В. Игнатьева. - М.: Наука, 1979. - 267 с.

2. Чичинадзе, А.В. Материалы в триботехнике нестационарных процессов/ А.В. Чичинадзе, Р.М. Матвеевский, Э.Д. Браун. - М.: Машиностроение, 1986. - 248 с.

3. Тихомиров, В.П. Разработка новых металлокерамических материалов для фрикционных пар и исследование их поведения в амортизаторах удара/В.П. Тихомиров, Г.Ф. Шитикова//Физика и химия обработки материалов. - 1990. - №1. - С. 108-114.

4. Vadiraj, A. Engagementcharacteristicsofafrictionpadforcommercialvehicleclutchsystem/A. Vadiraj//Sadhana. - 2010.-V. 35. -Part 5.- P.585-595.

Размещено на Allbest.ru