Підвищення ефективності гальмування піднімально-транспортних машин застосуванням нових фрикційних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська інженерно-педагогічна академія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05. 05. 05 - Піднімально-транспортні машини

Підвищення ефективності гальмування піднімально-транспортних машин застосуванням нових фрикційних матеріалів

Полупан Євген Вікторович

Харків-2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Старченко Валерій Миколайович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри “Автомобілі”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Самуся Володимир Ілліч, Національний гірничий університет, завідувач кафедри “Гірнича механіка”

кандидат технічних наук, доцент кафедри “Будівельні та дорожні машини” Бондаренко Леонід Миколайович Придніпровська державна академія будівництва та архітектури

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Н.М. Фідровська

Анотація

Полупан Є.В. Підвищення ефективності гальмування піднімально-транспортних машин застосуванням нових фрикційних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.05 - Піднімально-транспортні машини. Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків, 2007 р.

У дисертації досліджено підвищення ефективності гальмування піднімально-транспортних машин застосуванням нових фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю.

З цією метою запропоновано математичну модель для розрахунку об'ємного температурного стану фрикційного матеріалу гальмівного пристрою. Модель базується на процесах теплообміну тертьових поверхонь, що виникають при повторно-короткочасному режимі роботи гальма і загальній теоремі теплопровідності про перемножування рішень і вирішена завдяки розробленим програмним продуктам на базі ПЕВМ. Адекватність математичної моделі і результати аналітичного розрахунку підтверджуються результатами стендових випробувань.

Для досягнення поставлених цілей було розроблено математичну модель об'ємного температурного стану фрикційного матеріалу гальмівного пристрою, що працює у повторно-короткочасному режимі, визначено раціональні теплофізичні показники фрикційних матеріалів, що розробляються, проведено порівняльний аналіз фрикційних матеріалів, застосовуваних у сучасних гальмівних пристроях, у тому числі і розроблених фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю, проведено експериментальні дослідження з метою перевірки адекватності моделі і визначення закономірностей зміни коефіцієнта тертя запропонованих фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю.

Рекомендації і технічні рішення, запропоновані в роботі, упроваджені і використовуються в навчальному процесі Східноукраїнського національного університету імені В. Даля, у дослідній практиці експертно-діагностичної науково-дослідної лабораторії вантажопідйомних машин Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, а так само в практиці проектування і експлуатації гальмівних пристроїв холдингової компанії “Луганськтепловоз”.

Ключові слова: гальмівне обладнання, фрикційний матеріал, тепловий баланс, математичне моделювання, накладка, композитний матеріал, вуглець-вуглець, температура, методи, засоби, тепловий стан.

Аннотация

Полупан Е.В. Повышение эффективности торможения подъемно-транспортных машин применением новых фрикционных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.05 - Подъемно-транспортные машины. Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков, 2007 г.

Диссертация посвящена повышению эффективности торможения подъемно-транспортных машин применением новых фрикционных материалов на основе углерод-углерода.

Для этой цели применена математическая модель для расчёта объемного температурного состояния фрикционного материала тормозного устройства. Модель базируется на процессах теплообмена трущихся поверхностей, возникающих при повторно-кратковременном режиме работы тормоза и общей теореме теплопроводности о перемножении решений и решена за счет разработанных программных продуктов на базе ПЭВМ.

Адекватность математической модели и результаты аналитического расчета подтверждаются результатами стендовых испытаний.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи: анализ и оценка работоспособности тормозных устройств транспортных машин и выявлены пути повышения эффективности их работы; проанализированы существующие математические модели расчета теплового состояния фрикционных поверхностей тормозных устройств; исследовано влияние тепловой нагруженности фрикционного сопряжения тормозного устройства на изменение коэффициента трения; разработана математическая модель объемного температурного состояния фрикционного материала тормозного устройства, работающего в повторно-кратковременном режиме; определены рациональные теплофизические показатели разрабатываемых фрикционных материалов; проведен сравнительный анализ фрикционных материалов, применяемых в современных тормозных устройствах, в том числе и предлагаемых фрикционных материалов на основе углерод-углерода; проведены экспериментальные исследования с целью проверки адекватности модели и определения закономерностей изменения коэффициента трения предлагаемых фрикционных материалов на основе углерод-углерода.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что получены аналитические зависимости для моделирования объемного температурного состояния фрикционной накладки, с помощью которых впервые установлен характер изменения температурных полей по объему фрикционного материала при повторно-кратковременном режиме работы тормозного устройства подъемно-транспортных машин с учетом потерь тепла с боковых поверхностей фрикционной накладки и отличия теплофизических параметров фрикционного материала по различным направлениям. Уточнена аналитическая зависимость расчета теплового состояния фрикционного материала при торможении путем введения дополнительного количества показателей работы тормоза, что позволяет с большей точностью оценивать тепловую нагруженность тормозной накладки при разных условиях эксплуатации тормозов подъемно-транспортных машин. На основе разработанной математической модели объемного температурного состояния поверхностей трения подобраны рациональные теплофизические показатели нового фрикционного материала, которые снизили тепловую нагруженность тормозных устройств подъемно-транспортных машин в среднем на 15%. Впервые установлено влияние скорости относительного скольжения трущихся поверхностей температуры и силы прижатия фрикционной накладки тормозных устройств подъемно-транспортных машин на изменение коэффициента трения углерод-углеродного фрикционного материала.

Практическую значимость полученных результатов составляют: математическая модель объемного температурного состояния фрикционного материала тормозного устройства, работающего в повторно-кратковременном режиме, позволяющая оценить тепловую нагруженность фрикционного узла тормозного устройства; фрикционный материал с улучшенными триботехническими показателями на основе углерод-углерода; сравнительный анализ фрикционных материалов, применяемых в современных тормозных устройствах, в том числе и предлагаемых фрикционных материалов на основе углерод-углерода, позволяющий рекомендовать эти материалы к применению в высоконагруженных тормозных устройствах; разработанная недорогая технология получения фрикционных материалов на основе углерод-углерода.

Основные рекомендации и технические решения, предложенные в работе, внедрены и используются в учебном процессе Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля, в исследовательской практике экспертно-диагностической, научно-исследовательской лаборатории грузоподъёмных машин ВНУ им. В. Даля и в практике проектирования и эксплуатации тормозных устройств ХК “Лугансктепловоз”.

Ключевые слова: тормозное оборудование, фрикционный материал, тепловой баланс, математическое моделирование, накладка, композитный материал, углерод-углерод, температура, методы, средства, математическое моделирование, тепловое состояние.

Annotation

Polupan E.V. The increasing of the efficiency of lifting and transport machines' braking by applying the new frictional materials. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree on speciality 05.05.05. - Lifting and transport machines. - The Ukrainian Engineering-Pedagogical Academy, Kharkov, 2007.

Thesis is deals with the increasing of efficiency of lifting and transport machines' braking by applying the new frictional materials on the basis of carbon-carbon.

For this purpose the mathematical model is suggested for the calculation of the volume temperature state of the frictional material of braking device. Model is based on the processes of heat exchange of the rubbing surfaces that appear during recurrent and short-term regime of brake's work and on the general theorem of heat conductivity about multiplying of decisions and was decided due to the developed software products on the base of PECM. Adequacy of mathematical model and results of analytic calculation is confirmed by the results of standing tests.

To achieve stated purposes the mathematical model of volume temperature state of frictional material of braking device, that works in the recurrent and sport-term regime was developed, rational thermal and physical exponents of frictional materials were defined, comparative analysis of frictional materials that use in modern braking device and ones that were developed on the base of carbon-carbon was carried out, experimental investigations were carried out to control model's adequacy, to determine regularities of changes of friction's coefficient of frictional materials on the basis of carbon-carbon.

Recommendations and technical decisions, proposed in the thesis have been introduced into the educational process of the East-Ukrainian National University named after Vladimir Dahl, into research practice of expertly and diagnostic scientific research laboratory of lifting and transport machines of the East-Ukrainian National University named by Vladimir Dahl and in the practice of projecting and exploitation of brake devices of holding company “Luhanskteplovoz”.

Key words: braking equipment, frictional material, thermal balance, mathematical design, bracket, composite material, carbon-carbon, temperature, methods, facilities, thermal state.

1. Загальна характеристика роботи

гальмівний пристрій машина транспортний

Актуальність теми. З аналізу практики експлуатації вантажопідйомних і транспортних машин можна зробити висновок, що одним з найбільш слабких місць серед механізмів є гальмівні пристрої. Робота гальмівних пристроїв відрізняється великою різноманітністю умов та факторів, які впливають на спрацювання та довгочасність їх фрикційних елементів.

Велика кількість вмикань, чималі робочі швидкості механізмів, ударні навантаження, присутність абразивних часток, високі робочі температури в зоні тертя та інші фактори призводять до нестабільної роботи головних робочих органів гальм, фрикційних пар, а також до швидкого їх спрацювання.

Питанням енергонавантаженості та теплового розрахунку гальмівних пристроїв присвячені роботи: М.П. Александрова, В.І. Білоброва, Л.Н. Бондаренко, А.І. Вольченка, В.Ф. Гайдамаки, Ф.К. Германчука, Г.С. Гудзя, В.А. Дем'янюка, Л.Є. Іванова, В.Г. Іноземцева, Ю.І. Костеріна, І.В. Крагельского, Н.А. Ламбаряна, Л.М. Пижевича, С.І. Плясунова, А.М. Ромашко, В.І. Самусі, К.І. Тарасова, В.М. Федосєєва, Ф.М. Четирбока, М.Г. Чиковані, А.В. Чичинадзе. Створені на основі даних моделей сучасні розрахункові та експериментальні методи дають достатньо повну картину теплової навантаженості гальмівних пристроїв.

На підставі фундаментальних досліджень гальмівних пристроїв механізмів і машин, проведених багатьма вченими аж до нашого часу, можна зробити висновок, що вирішення проблеми створення надійної фрикційної пари сучасних високонавантажених гальм механізмів і машин можливе тільки при застосуванні більш теплостійких матеріалів і при одночасній розробці конструкцій гальм, що забезпечують утворення найменших температур нагріву поверхонь тертя.

Проте, до сьогодні не досягнуто задовільних практичних результатів з поліпшення стабільності роботи і довговічності фрикційних елементів гальмівних пристроїв шляхом створення нових високоефективних фрикційних матеріалів, а також відсутні методи розрахунку теплової навантаженості гальмівних пристроїв, що працюють у повторно-короткочасному режимі роботи.

Таким чином, актуальні завдання розробки нових фрикційних матеріалів, що забезпечують стабільні показники роботи гальмівного пристрою і достатньо невисокі температури поверхонь тертя. Використання нових фрикційних матеріалів створює реальні можливості підвищення ефективності і надійності роботи і відкриває резерви підвищення енергоємності гальмівних пристроїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до теми: T-133-05 “Наукове обґрунтування, виготовлення і випробування дослідних вузлів і деталей, виготовлених з композиційних матеріалів на основі вуглецю, для опорних і гальмівних пристроїв тепловоза ТЕП 150 та рухомого складу”, номер державної реєстрації 0105U006925.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності гальмування піднімально-транспортних машин застосуванням нових фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю з піровуглецевою матрицею.

Мета досягається теоретичними і експериментальними дослідженнями теплового стану поверхонь тертя гальмівного пристрою вантажопідйомної машини при повторно-короткочасному режимі роботи, розробкою математичної моделі теплового стану фрикційних матеріалів гальма, що дозволить прогнозувати необхідні теплофізичні параметри фрикційних матеріалів і геометричні параметри нових гальмівних пристроїв.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішуються теоретичні і практичні завдання.

Теоретичні завдання: аналіз і оцінка роботоздатності гальмівних пристроїв піднімально-транспортних машин і виявлення шляхів підвищення ефективності їхньої роботи; аналіз існуючих математичних моделей розрахунку теплового стану фрикційних поверхонь гальмівних пристроїв; дослідження впливу теплової навантаженості вузла тертя гальмівного пристрою на зміну коефіцієнта тертя; розробка математичної моделі об'ємного температурного стану фрикційного матеріалу гальмівного пристрою, що працює у повторно-короткочасному режимі роботи.

Практичні завдання: визначення раціональних теплофізичних показників фрикційних матеріалів що розробляються; розробка та виготовлення фрикційного матеріалу на основі вуглець-вуглецю; проведення експериментальних досліджень з метою перевірки адекватності моделі і визначення закономірностей зміни коефіцієнту тертя запропонованих фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю; проведення порівняльного аналізу фрикційних матеріалів, які застосовуються в сучасних гальмівних пристроях піднімально-транспортних машин, у тому числі і запропонованих фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю; проведення натурних експериментальних досліджень пропонованих фрикційних матеріалів з поліпшеними триботехнічними показниками; визначення впливу зміни коефіцієнта тертя запропонованих фрикційних матеріалів на динаміку роботи вантажопідйомних машин.

Об'єкт дослідження. Процеси теплообміну фрикційних поверхонь гальмівних пристроїв піднімально-транспортних машин, які виникають при повторно-короткочасному режимі роботи гальма.

Предмет дослідження. Взаємозв'язок теплового стану вуглець-вуглецевої фрикційної накладки гальмівного пристрою вантажопідйомних машин з її коефіцієнтом тертя.

Методи дослідження. У теоретичній частині використовуються методи математичної фізики, аналітичного розв'язання диференціальних рівнянь. У експериментальній частині використовуються методи вимірювання теплофізичних і триботехнічних параметрів гальмівного пристрою шляхом використання вимірювального модуля з цифровим зніманням і обробкою даних на базі ПЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Отримано аналітичні залежності для моделювання об'ємного температурного стану фрикційної накладки за допомогою яких вперше встановлено характер зміни температурних полів по об'єму фрикційного матеріалу при повторно-короткочасному режимі роботи гальмівних пристроїв піднімально-транспортних машин з урахуванням втрат тепла з бічних поверхонь фрикційної накладки і відмінності теплофізичних параметрів фрикційного матеріалу за різними напрямками.

2. Уточнена аналітична залежність розрахунку теплового стану фрикційного матеріалу при гальмуванні шляхом введення додаткової кількості показників роботи гальма, а саме щільності теплового потоку при дійсному розподілі питомого тиску в зоні контакту поверхонь і вектора приросту температури уздовж поверхонь тертя, що дозволяє з більшою точністю оцінювати теплову навантаженість гальмівної накладки при різних умовах експлуатації гальм піднімально-транспортних машин.

3. На основі розробленої математичної моделі об'ємного температурного стану поверхонь тертя виявлено раціональні теплофізичні показники нового фрикційного матеріалу, які знизили теплову навантаженість гальмівних пристроїв піднімально-транспортних машин у середньому на 15%.

4. Вперше встановлено вплив швидкості відносного ковзання тертьових поверхонь, температури і сили притискання фрикційної накладки гальмівних пристроїв піднімально-транспортних машин на зміну коефіцієнта тертя вуглець-вуглецевого фрикційного матеріалу.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення роботи становлять: математична модель об'ємного температурного стану фрикційного матеріалу гальмівних пристроїв піднімально-транспортних машин, що працюють у повторно-короткочасному режимі роботи, що дозволяє оцінити теплову навантаженість фрикційного вузла гальмівного пристрою; фрикційний матеріал з покращеними триботехнічними показниками на основі вуглець-вуглецю; порівняльний аналіз фрикційних матеріалів, застосовуваних в сучасних гальмівних пристроях піднімально-транспортних машин, у тому числі і розроблених фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю, що дозволяє рекомендувати новий матеріал до застосування у високонавантажених гальмівних пристроях; розроблено технологію отримання нових фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецевих волокон з піровуглецевою матрицею.

Особистий внесок здобувача:

- виконано аналіз кінематичної схеми гальмівного пристрою [1];

- за допомогою попередніх експериментальних досліджень виявлено вплив додаткового ступеня рухливості гальмівних колодок на характер розподілу питомого тиску між накладкою и контртілом [2];

- проведено аналіз впливу температури поверхонь тертя на основні триботехнічні показники роботи гальмівного пристрою [3];

- розглянуто спектр функцій зростання гальмівного моменту, та їхній вплив на динамічні навантаження механізмів машин при гальмуванні [4];

- проведено порівняльні випробування різних фрикційних матеріалів [5];

- проведено порівняльні експериментальні дослідження ряду найбільш поширених фрикційних матеріалів у тому числі і запропонованих фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю [6];

- розроблено математичну модель теплового стану фрикційного матеріалу гальмівного пристрою, що працює у повторно-короткочасному режимі роботи [8].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були повідомлені на п'яти науково-технічних конференціях: науковій конференції професорсько-викладацького складу і наукових співробітників “Університет i регіон”, Луганськ, 2002 р.; науковій конференції професорсько-викладацького складу і наукових співробітників “Університет i регіон”, Луганськ, 2003 р.; VII Міжнародній науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи”, Севастополь, 13-18 вересня 2004 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Науково-технічні проблеми розробки і виготовлення вітчизняних автотранспортних засобів”, Запоріжжя 5-6 листопада 2004 р.; міжрегіональній науково-технічній конференції “Проблеми і перспективи розвитку транспорту в промислових регіонах”, Дніпропетровськ 17-19 травня 2006 р.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано у восьми наукових виданнях. Вісім статей - в спеціалізованих виданнях, що входять до переліку ВАК України, одна з них особиста. Отримано п'ять деклараційних патентів України на винахід.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, повний об'єм дисертації становить 173 сторінки, зокрема, 78 рисунків на 57 сторінках, 13 таблиць на 13 сторінках. Список використаних джерел налічує 114 найменувань на 11 сторінках.

2. Основний зміст

У вступі дається обґрунтування обраної теми, її актуальність, формулюються мета і завдання дослідження, їхня наукова новизна і практичне значення, визначається об'єкт і предмет дослідження.

У першому розділі проведено огляд існуючих режимів і умов роботи гальмівних пристроїв, виявлено найбільш важкі умови роботи гальма, розглянуто основні напрями розвитку гальмівних пристроїв, визначено вплив температури поверхонь тертя на роботоздатність гальмівного пристрою, розглянуто існуючі методи теплового розрахунку фрикційних пар гальмівного пристрою, виявлено допущення і недоліки, наведено загальні відомості щодо існуючих найбільш поширених фрикційних матеріалів, розглянуто питання підвищення довговічності фрикційних елементів і загальний аналітичний опис нестаціонарних процесів нагріву і охолодження твердих тіл.

Транспортне і піднімально-транспортне устаткування є основним засобом механізації трудомістких транспортних і завантажувально-розвантажувальних операцій. Цим пояснюється широта і різноманітність галузей застосування і умов експлуатації гальмівних пристроїв. Проведений аналіз режимів і умов роботи гальмівних пристроїв показав, що працездатність гальма залежить від безлічі чинників детермінованого і випадкового характеру, до основних з них можна віднести: виробничий цикл роботи машини, склад і фізико-механічні властивості зовнішнього середовища, температуру навколишнього середовища і багато іншого. Виявлено, що повторно-короткочасний цикл роботи є найбільш складним і небезпечним режимом роботи гальмівного пристрою транспортних і піднімально-транспортних машин.

При аналізі робіт, спрямованих на підвищення роботоздатності гальма було виявлено, що підвищення надійності, довговічності і ефективності використання гальмівних пристроїв, транспортних і піднімально-транспортних машин проходить за такими основними напрямками: конструктивне удосконалення механічної частини і привода існуючих гальм, створення нових конструктивних різновидів, розробка і застосування нових матеріалів з підвищеними фрикційними властивостями.

Аналіз робіт, присвячених підвищенню роботоздатності гальмівних пристроїв і дослідженню теплової навантаженості фрикційних пар гальм, показав велику різноманітність методів розрахунку теплового стану поверхонь тертя. Проте, всі відомі методики мають ряд однакових недоліків в плані розрахунку температури фрикційного матеріалу при повторно-короткочасному режимі роботи гальмівного пристрою.

При розгляді і аналізі існуючих і найбільш поширених фрикційних матеріалів була виявлена тенденція до скорочення в плані застосування в даний час матеріалів на основі азбесту.

При аналізі аналітичного опису нестаціонарних процесів нагріву і охолодження твердих тіл виявлено методи і методики теоретичного дослідження.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню тривимірного температурного стану фрикційного матеріалу гальмівного пристрою, що працює у повторно-короткочасному режимі, залежно від теплофізичних параметрів фрикційного матеріалу і умов роботи гальма.

Розроблена математична модель дозволяє, знаючи основні геометричні і теплофізичні характеристики проектованого вузла тертя і фрикційного матеріалу, з достатньою точністю визначити характер розподілу температурних полів по всьому об'єму фрикційного матеріалу і температуру теплового балансу вузла тертя. Це, у свою чергу, дає можливість зробити висновки про придатність того або іншого фрикційного матеріалу для застосування в новому проектованому або у вже існуючому гальмівному пристрої і визначити раціональні теплофізичні параметри нових фрикційних матеріалів, що розробляються.

Робочий цикл гальма при повторно-короткочасному режимі, відповідно до робіт М.П. Александрова і М.Г. Чиковані, зображається у виді трьох окремих етапів. Теплові процеси, що протікають при повторно-короткочасному режимі роботи гальма, розглядаються у вигляді нестаціонарних процесів теплопровідності, за роботами В.Г. Іноземцева, при відповідному типі конвекційного охолоджування, що виникає на різних етапах роботи гальма. При розробці математичної моделі початок відліку лінійних параметрів накладки поміщений в точку перетину осей симетрії накладки на її поверхні тертя. Відповідно до прийнятих в роботі допущень, розподіл температурних полів за об'ємом фрикційного матеріалу, що виникає на різних етапах роботи гальма за один цикл при дії нерівномірно розподіленого питомого тиску між фрикційними поверхнями, вектора приросту температури уздовж поверхні тертя і з урахуванням приведеної на рис. 1 розрахункової схеми, матиме вигляд:

. (1)

Безрозмірна температура, що виникає при нагріві фрикційного матеріалу в процесі тертя з урахуванням нерівномірного розподілу питомого тиску між фрикційними поверхнями і вектора приросту температури уздовж поверхні тертя, має вигляд:

. (2)

Безрозмірна температура _b, _l, _r2, _r3 по ширині, довжині і глибині накладки, згідно з загальною теорією нестаціонарної теплопровідності при охолоджуванні або нагріванні твердих тіл, має вигляд:

; (3)

; (4)

; (5)

де _Н - початкова температура процесу; - коефіцієнт теплопровідності; - питома вага матеріалу, що нагрівається; с - питома теплоємність матеріалу; t - поточне значення часу процесу гальмування; t_Т - час гальмування; - коефіцієнт температуропровідності; - вектор приросту температури по довжині поверхні тертя; r₀ - радіус контртіла;

- щільність теплового потоку, що враховує нерівномірний розподіл питомого тиску по поверхні тертя; б_N - коефіцієнт розподілу теплового потоку для накладки; l - нескінченно мала довжина накладки; v₀ - початкова швидкість гальмування; А - термічний еквівалент роботи; f - нескінченно мала площа поверхні, на якій виділяється тепло; - кут обхвату колодкою контртіла; в - зміна кута обхвату контртіла; K - коефіцієнт пропорційності; h - зміна координати по глибині накладки; r - зміна координати по радіусу накладки; b - зміна координати по ширині накладки; l - зміна координати по довжині накладки; B_n - ширина накладки; L_n - довжина накладки; с - щільність матеріалу; H_n - товщина накладки; м_n - корні характеристичного рівняння; J₀, J₁ - функції Бесселя першого роду нульового і першого порядку.

Аналіз програмних продуктів, застосовуваних для розв'язання задач теплофізики з урахуванням контактних задач із статичним аналізом конструкцій, дозволив вибрати для реалізації математичної моделі ряд математичних програмних продуктів. Маючи зв'язок з різними типами аналізу, вони дають можливість розв'язати задачу розрахунку об'ємного температурного стану фрикційного матеріалу при повторно-короткочасному режимі роботи гальмівного пристрою. Результати розрахунку представлені на рис. 2 і 3.

Математична модель дозволяє, знаючи основні геометричні і теплофізичні характеристики проектованого вузла тертя, визначити температуру теплового балансу вузла тертя і характер розподілу температурних полів за всім об'ємом фрикційного матеріалу. На підставі розрахунків з використанням математичної моделі є можливість зробити висновки про придатність того або іншого фрикційного матеріалу для застосування в гальмівному пристрої для необхідного режиму роботи, а також визначити раціональні теплофізичні параметри нових фрикційних матеріалів, що розробляються.

Результати розрахунків підтвердили місце розташування зон максимальних температур, отримане експериментальним шляхом. Такі зони знаходяться біля краю накладки.

Максимальна температура в об'ємі фрикційного матеріалу виникає поблизу торців накладки і для азбофрикційного матеріалу ЕМ-2 при важкому повторно-короткочасному режимі роботи гальмівного пристрою з гальмівним моментом, що дорівнює 200 Нм, становить 300 С. При цьому максимальне відхилення теоретичних результатів від експериментальних становило не більше 8 %.

Аналізуючи результати розрахунків з використанням математичної моделі для різних фрикційних матеріалів, можна зробити висновки про те, що чим менша товщина фрикційної накладки, більша теплопровідність і коефіцієнт тепловіддачі за тих же умов охолоджування фрикційних поверхонь, тим в сприятливіших умовах працює фрикційна пара гальмівного пристрою. Так, для вуглець-вуглецевих фрикційних матеріалів, коефіцієнт теплопровідності яких прагне до коефіцієнта теплопровідності металів за тих самих умов роботи і охолоджування, максимальна температура, що виникає при тепловому балансі фрикційного вузла, становила не більше 250 С.

У третьому розділі наведено опис методів отримання нових фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю, які були розроблені за участю автора у Східноукраїнському національному університеті ім. В. Даля за допомогою Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” (ННЦ ХФТІ), методів ущільнення пористих середовищ піровуглецем, термоградієнтних газофазних установок, які є в ННЦ ХФТІ, а також розроблені методи поліпшення тріботехнічних показників нових фрикційних матеріалів.

Нові фрикційні матеріали розробляються як композитний матеріал на основі віскозних вуглецевих тканин, з використанням термоградієнтних газофазних методів і мають достатні характеристики міцності як уздовж волокон, так і упоперек.

Розглядається технологічне устаткування, за допомогою якого здійснюється просочення вуглецевого каркасу піровуглецем за найбільш швидким і ефективним газофазним методом.

Запропоновано і апробовано механізми регулювання коефіцієнта тертя вуглецевих композитних матеріалів. Для підвищення коефіцієнта тертя використовували абразивні добавки (B₄C, Al₂O₃), мідний дріт і аморфний бор. Використання таких добавок дозволяє підвищити коефіцієнт тертя матеріалів при низьких температурах, майже не змінюючи його при високих. Використання добавок аморфного бору дозволяє стабілізувати величину коефіцієнта тертя вуглецевих композитних матеріалів в широкому діапазоні температур.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню температурного стану фрикційних поверхонь гальмівного пристрою при використанні нових фрикційних матеріалів та їх триботехнічних показників, а також впливу цих показників на динаміку роботи вантажопідйомних машин. Представлено об'єкти випробування і методику експериментального дослідження. Розглянуто вимірювальне устаткування, застосовуване для експериментальних досліджень, вивчено вплив різних чинників, що збільшують теплообмін на тепловий режим роботи колодкового гальма, проведено дослідження впливу температури поверхонь тертя на зміну триботехнічних показників, розглянуто економічну доцільність застосування нового матеріалу та вплив його триботехнічних показників на динаміку роботи вантажопідйомних машин.

У сучасних конструкціях транспортних і піднімально-транспортних машин через підвищену надійність, широке застосування знайшли дво-колодкові нормально замкнуті гальмівні пристрої з пружинним замиканням і розмиканням від електромагніта або електрогідравлічного штовхача. Цим і пояснюється вибір гальм такого типу в якості об'єкта випробувань. В ході експерименту випробовувалось дво-колодкове гальмо.

Наведено опис експериментального оснащення, яке було застосоване для проведення натурних випробувань, а також методики їх проведення, виходячи з набору фізичних параметрів, необхідних для оцінки температурних і триботехнічних показників елементів гальма в процесі його експлуатації. Підібрано і використано такий склад експериментального оснащення: інерційний стенд для натурних випробувань гальмівних пристроїв і аналогово-цифровий перетворювач. Стенд дозволяє акумулювати кінетичну енергію за допомогою дисків, що обертаються. При проведенні випробувань реєструються: частота обертання, число вмикань, тривалість роботи привода, а також вихідні параметри гальма і привода; гальмівний момент, зусилля в тязі, час розмикання гальма і розгону привода, час спрацьовування і гальмування, температура поверхонь тертя.

Дослідження впливу різних матеріалів, що збільшують відведення теплоти із зони тертя, побудоване на порівняльному аналізі теплових режимів роботи гальмівних пристроїв з різними фрикційними матеріалами за ідентичних умов роботи гальмівного пристрою.

Найбільший практичний інтерес при вивченні теплового режиму роботи накладки гальма має значення температури при усталеному тепловому режимі роботи гальма.

Випробування проводилися при важкому режимі роботи гальма із зусиллям притискання однієї колодки, що дорівнювало 1580 Н, яке відповідає гальмівному моменту 200 Нм. Для зручності на наведених графіках показана зміна температури від часу для однієї термопари, що відображає максимальну температуру на поверхні тертя.

Коефіцієнт тертя є основним параметром стохастичного нестаціонарного процесу гальмування, що впливає на основний показник роботи гальмівного пристрою - величину гальмівного моменту. Тому залежності коефіцієнта тертя і гальмівного моменту від температури представлені у вигляді імовірнісних полів значень, наведених на рис. 5, 6, 7, 8, і які включають між верхніми і нижніми граничними кривими 99.9% фактичних даних за наслідками випробувань.

При цьому залежності середніх значень можуть бути прийняті як апроксимація за математичними очікуваннями часткових розподілів випадкової величини коефіцієнта тертя і гальмівного моменту при фіксованих значеннях температури у вузькому діапазоні значень (5-10 °С). Результати окремої серії дослідів свідчать, що розподіл значень коефіцієнта тертя і гальмівного моменту при фіксованій температурі слідують нормальному закону розподілу випадкової величини при задовільному значенні критерію згоди критерію згоди Пірсона Р(ч²)=0.68. Результати випробувань показані у вигляді фактичних експериментальних даних і апроксимуючих залежностей після обробки методами математичної статистики і теорії вірогідності.

Аналіз результатів випробувань показав, що випробувані в однакових умовах три накладки АО + РуС, які мають однакові параметри по щільності і пористості і вирізані з однієї і тієї ж заготовки, ведуть себе по-різному. При 15 °С всі три зразки мають близькі коефіцієнти тертя на рівні = 0,1-0,17. При підвищенні температури до 300-350 °С коефіцієнт тертя зразків АО+РуС-1 і АО+РуС-2 падає до 0,1. Коефіцієнт тертя зразка АО+РуС-3 при підвищенні температури росте і досягає максимуму при 220 °С - = 0,35, а потім різко падає до значення = 0,1 при 330°С. При 310-330°С всі три зразки отримали механічні пошкодження і були зруйновані. Отримані результати оцінюємо як невдалі, але не безнадійні. Після аналізу структури армуючого волокна, як показала подальша перевірка, було встановлено, що сучасні тканини АО-2 виготовляються з дрібнодисперсних азбестових часток, тому їхні нитки не придатні для армування азбесто-вуглецевих матеріалів.

Експериментальні порівняльні випробування на зносостійкість показали, що зносостійкість нових вуглець-вуглецевих матеріалів, порівняно з найбільш поширеними фрикційними матеріалами, у 8-12 разів вище.

Фрикційні властивості серійних і нових покращених вуглець-композитних гальмівних накладок істотно відрізняються. У більшості серійних матеріалів при нагріві спостерігається незначне зростання коефіцієнта тертя, а потім різке зниження, при цьому практично відсутній період стабілізації. У вуглець-композитних матеріалів (УТ22-В, Ут22-АО, УТ22-ВСL) спостерігається постійне значне зростання коефіцієнта тертя з 0,35-0,45 до 0,52-0,6 при нагріванні зони контакту. При цьому у матеріалі УТ22-В спостерігається досить великий період стабілізації коефіцієнта тертя в діапазоні температур 100-500 °С і потім можливе повільне зниження. Зміна гальмівного моменту від температури має аналогічний характер. З аналізу результатів досліджень видно, що нові матеріали значно перевищують серійні як за величиною коефіцієнта тертя, так і за термостійкістю і зносостійкістю. Висока стійкість нових матеріалів до дії температури в контактній зоні і збереження при цьому високого коефіцієнта тертя (0,5 в діапазоні температур 100 - 400°С) дозволяє рекомендувати їх до використання в машинах і механізмах з важкими режимами експлуатації. Особливо в піднімально-транспортній техніці, що працює в сталеливарних, ковальських і пресових цехах, яка схильна до дії підвищених температур навколишнього середовища. Крім того, використання нового матеріалу дозволяє підвищити безпеку руху у випадках екстреного (аварійного) гальмування.

Широке використання в різних гальмівних пристроях нових фрикційних матеріалів вимагає достовірної оцінки впливу на фрикційні характеристики як окремих чинників процесу гальмування, так і їх сукупностей. З цією метою була проведена робота з вивчення впливу тиску, швидкості ковзання і температури на процес тертя вуглець-вуглецевого композитного матеріалу (ВВКМ). Роботу виконували на лабораторному стенді, розміщеному на кафедрі піднімально-транспортних машин Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Дослідження проводилися для одного найбільш перспективного, на наш погляд, в плані величини і стабільності коефіцієнта тертя матеріалу УТ22-В.

Випробування полягали в проведенні серії гальмувань, в кожному досліді визначено величину коефіцієнта тертя матеріалу при різних поєднаннях основних чинників впливу процесу гальмування.

Для вирішення завдання про кількісний і якісний вплив досліджуваних чинників (температури t, початкової швидкості відносного ковзання v і питомого тиску P) на фрикційні властивості випробовуваного ВВКМ були використані методи математичного планування експерименту.

За наслідками експерименту встановлено залежність у вигляді рівняння другого порядку, яке адекватно описує вплив вказаних вище чинників на коефіцієнт тертя:

(6)

З аналізу отриманих результатів можна зробити висновок про те, що із зростанням швидкості ковзання і питомого тиску коефіцієнт тертя поволі знижується, а із зростанням температури - збільшується. Проте, при варіюванні основних чинників процесу гальмування (швидкості ковзання, питомого тиску і температури поверхонь тертя) зміна коефіцієнта тертя відбувається в досить незначних межах 0,4-0,58, що свідчить про його високу стабільність і незалежність від впливу питомого тиску і швидкості ковзання в широкому температурному діапазоні. Даний факт дозволяє рекомендувати новий фрикційний вуглець-вуглецевий композитний матеріал до застосування не тільки в піднімально-транспортній техніці, але і в інших галузях промисловості, таких як автомобільний і залізничний транспорт. Використання нових вуглець-вуглецевих композитних матеріалів дозволяє істотно підвищити ефективність гальмування і безпеку руху.

При дослідженні впливу триботехнічних характеристик нових матеріалів на динаміку роботи вантажопідйомних машин використовувалися три масові динамічні моделі крана при пересуванні і спуску вантажу. Застосування цих моделей пояснюється їх великим розповсюдженням при розрахунках динамічних навантажень і досить високою збіжністю результатів, отриманих теоретичним і експериментальними шляхами.

Розглянуті випадки зупинки мостового крана вантажопідйомністю 20/5 т механічним гальмом з початковою швидкістю пересування крана Vк = 1,33 м/с, з підвішеним на висоті 5 м вантажем масою 15 т, та зупинка вантажу масою 4 т механічним гальмом мостового крана з вантажопідйомністю 5 т з початковою швидкістю опускання вантажу V = 0,1 м/с, при довжині канатів 1 м.

Аналізуючи результати розрахунків можна зробити основні висновки, що при використанні серійного фрикційного матеріалу ЕМ-2 в гальмівних пристроях зупинки крана і вантажу збільшення температури поверхонь тертя приводить до збільшення часу гальмування крана на 15% і вантажу - 41%, до збільшення гальмівного шляху кінцевих балок крана на 17,6% і вантажу - 16%, до збільшення амплітуди розгойдування вантажу на 33 % і 16% відповідно.

Збільшення температури поверхонь тертя при використанні в тих же гальмівних пристроях нового вуглець-композитного фрикційного матеріалу УТ-22 В приводить до скорочення часу гальмування крана на 4,5% і вантажу - 4,8%, до скорочення гальмівного шляху кінцевих балок на 3,6 % і вантажу - 1,4%, до збільшення амплітуди розгойдування вантажу на 37 % і 0,2% відповідно.

Таким чином, виходячи з аналізу приведених результатів, можна зробити висновок, що застосування нових вуглець-композитних фрикційних матеріалів підвищує безпеку експлуатації піднімально-транспортної техніки, яка відображається у стабілізації основних показників процесу гальмування вантажопідйомної машини, таких як амплітуда розгойдування, час і шлях гальмування крана і вантажу.

Розрахунок економічної ефективності від впровадження нових фрикційних матеріалів проведено на основі розрахунку експлуатаційних витрат устаткування крана одного ковальсько-пресового цеху ХК “Луганськтепловоз”. Він показав економічну доцільність застосування нових вуглець-композитних фрикційних матеріалів, яка полягає в щорічній економії експлуатаційних витрат всього парку підйомно-транспортної техніки в середньому на 0,3%.

Висновки

1. В дисертаційній роботі вирішено науково-технічне завдання підвищення ефективності гальмування піднімально-транспортних машин застосуванням нових фрикційних композитних матеріалів на основі вуглець-вуглецю з піровуглецевою матрицею.

2. Розроблено математичну модель об'ємного теплового стану фрикційного матеріалу гальмівних пристроїв піднімально-транспортних машин, що враховує нерівномірність розподілу питомого тиску в зоні контакту поверхонь тертя і вектор приросту температури по довжині поверхні тертя, яка дозволила виявити раціональні теплофізичні параметри нових фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецю.

3. За допомогою розробленої математичної моделі температурного стану фрикційного матеріалу гальмівного пристрою, що працює в повторно-короткочасному режимі, встановлено температуру теплового балансу фрикційного вузла і нерівномірність розподілу температурних полів за об'ємом фрикційного матеріалу: максимальна температура виникає на поверхні тертя біля країв накладки, де відбувається вхід контртіла. Відмінність температур, що виникають на поверхні тертя, в найбільш гарячих і найбільш холодних точках досягає 70%.

4. На підставі проведених досліджень розроблено методи зміцнення і склад нових фрикційних матеріалів на основі вуглець-вуглецевих волокон з покращеними теплофізичними і триботехнічними показниками, що дозволили знизити теплову навантаженість в контактній зоні на 15 %. Наведено методи поліпшення нових ВВКМ з коефіцієнтом тертя, достатнім за величиною і стабільним в широкому діапазоні зміни температури контактної поверхні тертя.

5. Розроблено просту і прогресивну технологію виготовлення нових фрикційних матеріалів на основі вуглецевих волокон з абразивними наповнювачами і піровуглецевою матрицею.

6. Виконано експериментальне дослідження нових фрикційних матеріалів, в ході якого були встановлені основні закономірності зміни коефіцієнта тертя і гальмівного моменту від температури, питомого тиску і швидкості ковзання поверхонь тертя, що дозволяє рекомендувати їх використання в машинах і механізмах з важкими умовами експлуатації.

7. Проведене дослідження впливу триботехнічних характеристик нових фрикційних матеріалів на динаміку роботи вантажопідйомних машин показало високу стабільність основних показників процесу гальмування вантажопідйомних машин, таких як амплітуда розгойдування, час і шлях гальмування крана і вантажу, що суттєво підвищує безпеку експлуатації піднімально-транспортної техніки.

8. Розрахунок економічної ефективності показав, що застосування нового вуглець-композитного фрикційного матеріалу економічно виправдане в результаті скорочення експлуатаційних витрат всього парку піднімально-транспортної техніки підприємства.

9. Основні рекомендації і технічні рішення, запропоновані в роботі, упроваджені і використовуються в навчальному процесі у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля, у дослідній практиці експертно-діагностичної науково-дослідної лабораторії вантажно-підйомних машин СНУ ім. В. Даля, а також і в практиці проектування і експлуатації гальмівних пристроїв холдингової компанії “Луганськтепловоз”.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Старченко В.Н., Шевченко С.И., Полупан Е.В. Анализ кинематической схемы тормозного устройства для транспортных машин с дополнительной степенью подвижности тормозных колодок// Вісник СНУ ім. Володимира Даля. - 2002 р. - № 6(52). - Ч.1. - С. 132-136.

2. Старченко В.Н., Полупан Е.В., Шевченко С.И., Бондаренко А.Ф. Влияние дополнительной степени подвижности тормозной колодки на процесс торможения ГПМ// Вісник СНУ ім. Володимира Даля.-2002 р. - № 10 (56). - Ч. 1. - С. 243-246.

3. Старченко В.Н., Полупан Е.В. Анализ влияния температуры трения на надёжность и долговечность работы тормозного устройства// Підйомно-транспортна техніка.- 2004 р. - № 2. - С. 93-97.

4. Старченко В.Н., Шевченко С.И., Полупан Е.В. Исследование влияния характера нарастания тормозного момента на динамические нагрузки механизмов машин// Вісник СНУ ім. Володимира Даля. - 2004 р.- № 7(77). - Ч. 2. - С. 48-52.

5. Старченко В.Н., Полупан Е.В., Шевченко С.И. Повышение эффективности торможения использованием новых углерод-композиционных материалов// Вісник СНУ ім. Володимира Даля. - 2004 р. - № 7(77). - Ч. 1. - С. 137-142.

6. Старченко В.Н., Гурин В.А., Полупан Е.В., Гурин И.В. Триботехнические характеристики новых фрикционных материалов для тормозных механизмов транспортных машин// Вісник СНУ ім. Володимира Даля. - 2005 р. - № 8(90). - Ч. 1. - С. 327-332.

7. Полупан Е.В. Разработка математической модели расчёта объёмного температурного состояния фрикционного материала тормозного устройства, работающего в повторно-кратковременном режиме работы// Сб. науч. работ Национального горного университета. - Днепропетровск, 2006 р.- №24. - С. 150-155.

8. Старченко В.Н., Полупан Е.В. Исследование теплового состояния фрикционных накладок тормозных устройств транспортных машин// Вісник СНУ ім. Володимира Даля. - 2006 р. - № 7(101). - Ч. 1. - С. 56-61.

9. Колодкове гальмо: Деклараційний патент на корисну модель України 8057 МКИ В66D5/08/ С.І. Шевченко, В.М. Старченко, Є.В. Полупан - № u200500185; Заявл. 10.01.2005; Опубл. 15.07.2005; Бюл. № 7. - 2 с.

10. Колодкове гальмо: Деклараційний патент на корисну модель України 8059 МКИ В66D5/08/ С.І. Шевченко, В.М. Старченко, Є.В. Полупан - № u200500191; Заявл. 10.01.2005; Опубл. 15.07.2005; Бюл. № 7. - 2 с.

11. Фрикційний диск: Патент на корисну модель України 17934 МПК F16D65/12/ С.І. Шевченко, В.М. Старченко, Є.В. Полупан - № u200604587; Заявл. 25.04.2006; Опубл. 16.10.2006; Бюл. № 10. - 3 с.

Размещено на Allbest.ru

...