Моделювання теплового стану та енергоємності автомобільних барабанних гальм і визначення їхніх раціональних конструктивних параметрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання теплового стану та енергоємності автомобільних барабанних гальм і визначення їхніх раціональних конструктивних параметрів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Стале зростання інтенсивності руху та покращення динамічних властивостей автотранспортних засобів (АТЗ) загострюють проблему підвищення безпеки на дорозі за рахунок розробки нових та удосконалення існуючих систем, які її забезпечують. Це безпосередньо стосується гальмівної системи, оскільки більшість дорожньо-транспортних пригод відбувається під час гальмування.

Відомо, що однією з основних умов ефективної та надійної експлуатації пар тертя барабанно-колодкових гальм (БКГ) АТЗ є їх робота в інтервалі температур, нижчих допустимої для матеріалів накладки. Тому роботи направлені на оцінку теплового стану поверхонь тертя БКГ є особливо важливими. Донедавна тепловий розрахунок при проектуванні пар тертя гальм, в основному, базувався на емпіричних залежностях, які незадовільно описують температурне поле їх взаємодіючих поверхонь. Останнім часом, з метою оцінки нестаціонарних теплових процесів в парах тертя гальм шляхом комп'ютерного моделювання створено і активно використовується низка програмних комплексів (Nastran, Ansys). Недоліком згаданих програм є їх висока вартість, а також те, що вони є універсальними і не здатні в повному обсязі змоделювати конкретні теплові навантаження, що виникають у фрикційному вузлі (ФВ) гальма. Окремо слід відзначити теплові моделі дискових гальм, створені на базі програмного комплексу Фур'є -2. Однак, слід зазначити, що деякі суттєві чинники (як, наприклад, динаміка зміни впливу складових теплового балансу ФВ), які впливають на тепловий стан пар тертя гальма залишаються поза увагою дослідників.

Актуальним напрямком забезпечення умови ефективної та безпечної роботи пар тертя БКГ є визначення їх раціональних конструктивних параметрів. Відомими є методи визначення раціональних конструктивних параметрів стрічково-колодкового гальма. В той же час в сфері проектування ФВ БКГ відсутнє комплексне поєднання динамічного та теплового розрахунку для визначенням їх раціональних конструктивних параметрів, що дозволило би проектувати ФВ БКГ виходячи з мінімізації термічних напружень та обертових мас гальмівних барабанів (ГБ) за умови забезпечення необхідного гальмівного моменту та енергоємності.

Тому питання вдосконалення методів оцінювання теплового стану пар тертя БКГ та пошуку раціональних конструктивних параметрів їх ФВ є особливо актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з Розпорядженням Кабінету Міністрів України №452-р від 3 серпня 2006 року «Концепція розвитку автомобільної промисловості та регулювання ринку автомобілів у період до 2015 року» та плану науково-дослідних та конструкторських робіт Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (№GP/F27/0050 «Моделювання фрикційних вузлів стрічково-колодкових гальм бурових лебідок»).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є дослідження закономірностей температурного поля, кількості генерованої, акумульованої та розсіюваної теплоти у часі при різних режимах гальмування у ФВ БКГ АТЗ в поєднанні з визначенням їх раціональних конструктивних параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

- вдосконалити математичну модель пари тертя БКГ для кількісної оцінки теплових процесів в його робочих елементах під час гальмування;

- оцінити якісно й кількісно складові теплового балансу ГБ та фрикційних накладок (ФН) і закономірності їх впливу на розподілення теплоти в парах тертя та інтенсивність її розсіювання від їх поверхонь під час гальмування;

- вдосконалити метод розрахунку конструктивних параметрів ГБ АТЗ з урахуванням його динамічної та теплової навантаженості;

- провести аналіз адекватності теплової моделі пари тертя БКГ за результатами експериментальних досліджень;

- запропонувати удосконалені конструкції ФВ БКГ АТЗ для зниження та вирівнювання теплової навантаженості в них.

Об'єкт дослідження - процеси генерування, акумулювання та розсіювання теплоти у парах тертя БКГ вантажного АТЗ при гальмуванні у часі та метод визначення їх раціональних конструктивних параметрів.

Предмет дослідження - закономірності зміни теплового стану пар тертя БКГ вантажного АТЗ та зв'язки між їх конструктивними, фізичними та режимними параметрами.

Методи дослідження. При виконанні досліджень використано такі методи: теорії теплопровідності, теплообмінних та теплопередавальних процесів, теоретичної теплової динаміки в поєднанні з методом часової ітерації для побудови теплової моделі; планування експерименту для визначення поверхневих температур пар тертя гальма; математичної статистики та регресивного аналізу для обробки експериментальних даних; геометричного програмування для визначення раціональних конструктивних параметрів; теорії прийняття оптимальних рішень при конструюванні різних типів ФВ з вирівнюванням та зниженням їх динамічної та теплової навантаженості.

Наукова новизна отриманих результатів:

- удосконалено системний підхід з використанням методу ітерації у дослідженні швидкоплинних нестаціонарних теплових процесів, які відбуваються на різних режимах гальмування;

- набули подальшого розвитку методи дослідження теплової динаміки для оцінки розподілу теплових потоків у ФВ БКГ АТЗ;

- встановлено нові зв'язки між конструктивними, фізичними та режимними параметрами ФВ БКГ на основі виконаних досліджень з використанням геометричного програмування;

- набули подальшого розвитку концептуальні рішення для зниження та вирівнювання навантаженості у ФВ БКГ АТЗ.

Все це дозволило отримати нові теоретичні та практичні результати, які підтверджені експериментальними дослідженнями.

Практичне значення отриманих результатів. Результати проведених теоретичних й експериментальних досліджень доцільно використовувати у проектних організаціях і конструкторських бюро автомобільних заводів при удосконаленні існуючих і проектуванні нових типів ФВ БКГ. Одержані закономірності зміни температур у часі в ободі ГБ й тілі ФН дозволили окреслити зони усталеного теплового стану до досягнення допустимої температури матеріалом накладки. З'ясовано причини виникнення явища «квазістаціонарного» теплового стану ободів ГБ при роботі пар тертя гальма в зоні температур, що перевищують допустиму для матеріалів ФН. Все це необхідно враховувати при створенні сучасних фрикційних матеріалів, нових типів конструкцій ФВ БКГ АТЗ.

Основні результати досліджень БКГ використано в асоціації «Автобус» (м. Львів) та у навчальному процесі кафедри нафтогазового технологічного транспорту і теплотехніки Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу у дисциплінах: «Прогресивні системи в конструкціях АТЗ», «Робочі процеси і основи розрахунку АТЗ».

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи, отримані здобувачем самостійно. У спільних публікаціях автору належать: вдосконалення методу оцінки складових теплових втрат від елементів ФВ гальма [3, 5-6, 11]; встановлення закономірностей: впливу бокової стінки (БС) ГБ на теплонавантаженість його ободу [3]; зміни температур по товщині ободу та ФН [10]; експериментальні дослідження серійних та удосконалених ФВ з примусовим охолодженням [1, 4]; метод визначення раціональних конструктивних параметрів ГБ з урахуванням його динамічної та теплової навантаженості [2, 12]; розроблення засобів вирівнювання динамічної навантаженості пар тертя та зниження теплової навантаженості ГБ [7-9].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: конференції «Проблемы транспорта в горном производстве» (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); Міжнародній конференції «MOTAVTO-2002» (м. Русе, Болгарія, 2002 р.); 5 - му Міжнародному симпозіумі з фрикційних виробів і матеріалів ЯРОФРИ - 2003 (м. Ярославль, Росія, 2003 р.); 4-й Міжнародній конференції МТК -2006 (Безмехово, Польща, 2006 р.); 2-й Міжнародній конференції молодих вчених «Проблеми

нафтогазової промисловості» (м. Гурзуф, 2007 р.); Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених «Техніка і прогресивні технології у нафтогазовій інженерії» (м. Івано-Франківськ, 2008 р.); 12 -ій Міжнародній конференції у Севастопольському національному технічному університеті (м. Севастополь, 2009 р); розширеному науковому семінарі кафедри механіки машин Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (м. Івано-Франківськ, 2010 р.); розширеному науковому семінарі кафедри автомобілів Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (м. Харків, 2010 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових робіт, з яких 6 статей у фахових виданнях, 2 патенти Росії, 1 деклараційний патент на винахід України та 3 публікації у матеріалах праць конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи становить 216 сторінок, у тому числі 75 рисунків на 23 сторінках, 24 таблиці на 12 сторінках, 13 додатків на 40 сторінках і список використаних джерел з 132 найменувань на 13 сторінках.

Основний зміст роботи

гальмівний барабан автотранспортний

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі роботи, окреслено методи дослідження, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено перелік їх апробації.

В першому розділі описані конструктивні особливості та умови роботи ФВ БКГ АТЗ, наведено аналіз методів розрахунку їх теплового стану, встановлено вплив конструктивних параметрів пар тертя на їх теплонавантаженість та розподілення теплоти між ними, зазначені шляхи підвищення енергоємності їх пар тертя, проаналізовано методики визначення конструктивних параметрів пар тертя БКГ АТЗ та обґрунтовано доцільність пошуку їх раціональних конструктивних параметрів.

В області теорії, розрахунку та конструювання гальмівних пристроїв широко відомі праці М.П. Александрова, В.О. Богомолова, М.О. Бухаріна, В.П. Волкова, О.І. Вольченка, Б.Б. Генбома, Г.С. Гудза, В.А. Дем'янюка, І.В. Крагельського, В.І. Клименка, М.А. Подригала, Є.Б. Решетнікова, А.М. Туренка, О.С. Федосова, А.В. Чичинадзе, Є.А. Чудакова, R. Krauser, T. Newcomb, A. Sisson та інших вчених. Використання результатів їх досліджень дозволили значно покращити зносо-фрикційні характеристики вузлів тертя, зокрема енергоємність БКГ АТЗ. Однак, слід зауважити, що деякі суттєві аспекти динаміки теплових процесів під час різних режимів гальмування та пошуку раціональних конструктивних параметрів БКГ досліджені недостатньо.

Виходячи з аналізу теплового розрахунку та шляхів конструктивного вдосконалення ФВ БКГ обґрунтовано постановку задач досліджень даної роботи.

В другому розділі розглянуто математичне моделювання теплових процесів в парах тертя БКГ АТЗ.

Для моделювання теплових процесів в парах тертя гальма АТЗ наведена оцінка його енергетичного балансу, тобто кількості теплоти, яка генерується ГБ та приповерхневими шарами ФН колодок при різних режимах гальмування на рівнинних і гірських маршрутах. На основі рівняння теплового балансу при гальмуванні АТЗ наведені залежності для визначення кількості теплоти з використанням законів: Ньютона - Ріхмана (конвекції), Стефана - Больцмана (випромінювання); Фур'є (кондуктивності) та шляхом акумулювання. Після чого аналітичним методом визначалися середні температури робочих поверхонь ГБ та ФН колодок гальма.

Складність термодинамічних процесів, що відбуваються у парах тертя (рис. 1 а) під час генерування, акумулювання, розсіювання та кондуктивної передачі теплоти, а також, тісний взаємозв'язок між зазначеними процесами обмежують можливість широкого застосування аналітичних моделей для дослідження комплексного впливу різних факторів (конструктивних, фізичних, режимних) на температурне поле пар тертя. Тому актуальним є доповнення наближених аналітичних розв'язків математичним моделюванням із застосуванням числових методів та комп'ютерних технологій.

При побудові геометричної форми, що відображає математичну модель, достатньо розглянути поперечний переріз ФВ. Дві просторові координати (осьова z та поперечна у) та одна часова описують характер температурного поля тіла обертання, яким є ГБ. В результаті одержали дві плоскі геометричні форми (рис. 1 б), що є динамічно поєднаними між собою: ГБ разом з маточиною; гальмівна колодка разом з ФН. Першу форму розбили на 70 зон (28 в робочій частині, 32 в БС ГБ і 10 в маточині), другу - на 48 зон (28 у ФН, 20 у гальмівній колодці). Розбивка проведена виходячи з необхідності знаходження температури в різних частинах ГБ та його маточини, ФН та гальмівної колодки.

Шуканими параметрами математичної моделі є значення температури в різних зонах пар тертя БКГ в будь-який момент гальмування.

При цьому приймалися такі припущення та гіпотези: перепад температур у вертикальній площині по товщині елементів пар тертя завжди більший за приріст об'ємної температури в них; маточина ізольована від інших частин моста АТЗ; при дослідженні теплових та теплообмінних процесів у ФН необхідно враховувати їх приповерхневий шар як джерело теплової енергії; при невеликих значеннях часового ітераційного інтервалу вважаємо, що тепловий потік, який виник внаслідок генерування теплоти на робочих поверхнях

ФВ протягом даного інтервалу впливає виключно на приконтактні зони і не бере участі в інших видах теплопередачі.

Після чого розбили час гальмування ф на N-у кількість часових відрізків. Тривалість одного часового відрізка становила .

Для довільної зони k рівняння теплового балансу має такий вигляд

(1)

де - тепловий потік, що підводиться до зони ; - інтервал часу; - маса зони ; , - питома теплоємність та коефіцієнт теплопровідності матеріалу зони, відповідно; , - середня температура в момент часу зони та , відповідно; , , - площа перерізу зони , перпендикулярної до напрямку поширення теплоти в сусідню зону кондуктивним, конвективним та променевим теплообмінами, відповідно; , - геометричний розмір зон та , відповідно, в напрямку поширення теплоти;  - стала Стефана - Больцмана; , - коефіцієнт тепловіддачі, розсіювальна здатність поверхні в напрямку поширення теплоти конвекцією та випромінюванням, відповідно; , , - номер суміжної зони та напрямку поширення теплоти конвекцією та випромінюванням, відповідно; , , - максимальна кількість суміжних зон та напрямків поширення теплоти кондуктивним, конвективним та променевим теплообмінами, відповідно.

В подальшому маючи значення лівої частини рівняння (1) та значення всіх температур в попередній момент часу ф_i-1, нескладно визначити T_{(i, k)}.

Математична модель являє собою систему з 118-ти рівнянь типу (1), які з застосуванням часової ітерації описують тепловий баланс для кожної зони окремо в будь-який момент часу ф_i.

Для забезпечення високої точності розрахунку, очевидно, що величини та мають бути якомога меншими, але для них існує обмеження

, (2)

де - густина матеріалу ГБ; - частка теплоти, яка йде на збільшення об'ємної температури зони ().

На основі наведеного методу дискретизації параметрів математичної моделі з застосуванням часової ітерації була розроблена програма засобами Delphi та теплова модель Нeatmodel засобами Місrosoft Ехсel, які дозволили оцінити температурне поле елементів ФВ в будь-який момент часу при довготривалому та короткочасному режимах гальмування та дослідити вплив на нього різних факторів.

Для знаходження коефіцієнтів розподілу теплових потоків між елементами пар тертя БКГ запропоновано:

- залежність (3), яка використовується при короткочасному (одиничному) гальмуванні

, (3)

де , - ширина поясу тертя та внутрішній діаметр обода ГБ; - загальна кількість генерованої теплоти; - відстань поширення теплоти в тілі ФН;

- товщина ФН; - коефіцієнт взаємного перекриття поверхонь пар тертя; , - питома теплоємність та густина матеріалу ФН; - об'ємна температура на початку гальмування; , , - параметри, які знаходять після побудови температурної кривої за результатами експериментальних досліджень або моделювання;

- залежність (4), яка використовується під час довготривалого гальмування при встановленні «квазістаціонарного» теплового стану в парах тертя гальм

, (4)

де , - площа поверхонь, відповідно, ГБ та ФН в площині, перпендикулярній до напрямку теплових потоків; , - коефіцієнти теплопередачі в теплообмінному процесі, що відбувається через середовище «міжконтактна зона - металевий елемент тертя - повітря, що омиває» та «міжконтактна зона - приповерхневий шар ФН - тіло ФН - гальмівна колодка - повітря, що омиває», відповідно.

В третьому розділі наведені результати моделювання теплових процесів в парах тертя БКГ АТЗ.

Важливе значення для забезпечення безвідмовності та довговічності роботи ГБ відіграє оцінка динаміки впливу складових теплопередачі (випромінювання, конвекції, кондуктивності) на зміну його температури під час гальмування. Для цього скористалися результатами математичного моделювання.

Моделювався попередній етап випробувань типу ІІ тривалістю 720 с (рух АТЗ під схил 6%, довжиною 6 км зі швидкістю 30 км/г), при якому температура досягала найвищих значень (перевищувала допустиме для полімерного матеріалу ФН).

На рис. 2 а, б показано тепловий потік, що підводиться до робочих поверхонь пар тертя заднього БКГ вантажного АТЗ сімейства ЗИЛ класу 5 з повною масою 11 т та закономірності розподілу між ними за час гальмування.

Виділяються дві стадії: домінування теплового впливу ГБ - короткочасне гальмування; збільшення теплового впливу ФН - довготривале гальмування. Тепловий потік, що відводиться за допомогою конвекції (рис. 2 а) протягом гальмування збільшувався, що обумовлено сталим зростанням середньої температури полірованих і матових поверхонь ГБ. В кінці гальмування (рис. 3 а) його частка складала близько 60,5% (відсотки вказані від загальної кількості теплоти, що генерується в ГБ протягом гальмування). Сумарна частка теплоти, що розсіюється за допомогою конвекції від полірованих і матових поверхонь ГБ, протягом випробувань становить 42,5% (рис. 3 б).

Тепловий потік в БС ГБ внаслідок кондуктивності (рис. 2 а) протягом процесу гальмування спочатку зростає, що обумовлено збільшенням середньої температури його ободу. Інтенсивне зростання відбувається до моменту встановлення стабільного температурного перепаду між середніми температурами ободу ГБ та його БС. Сумарна частка теплоти, що відводиться за допомогою кондуктивності від ободу ГБ до його БС протягом попереднього етапу випробовувань типу II (рис. 3 б), становить близько 10%. Вплив маточини заднього моста є незначним в межах 1-2%.

Тепловий потік в обід ГБ за рахунок кондуктивності (рис. 2 а) за час гальмування стало знижується, що обумовлено зростанням його власної середньої температури. На початку етапу попереднього гальмування загальна частка теплового потоку ободу ГБ становить 100%, а наприкінці (рис. 2 а) - лише 27%. Сумарна частка теплоти, що акумулюється ободом ГБ протягом попереднього етапу випробовувань типу II, становить 47% (рис. 3 б). Вплив випромінювання склав частку в межах 1%.

Аналіз теплових потоків, які генеруються, акумулюються та розсіюються від поверхонь ФН колодок під час випробувань (рис. 2 б та 3 в, г), показав таке: сумарна частина теплоти, що відводиться за допомогою конвекції - 50-55% (відсотки вказані від загальної кількості теплоти, що генерується у ФН протягом гальмування); акумулюється у ФН - 31-35%; акумулюється у гальмівній колодці - 13-15%.

Характер теплового потоку, що підводиться до ГБ при використанні керамічних ФН зміниться. При цьому виділяються вже три стадії: домінування теплового впливу ГБ - короткочасне гальмування; збільшення теплового впливу накладки - довготривале гальмування; зростання теплового впливу неробочої поверхні ГБ. Перші дві стадії завершуються встановленням «квазістаціонарного» теплообміну у відповідних зонах пар тертя, які характеризуються сталими градієнтами температур. Остання стадія є незавершеною.

Аналізуючи зміну величин коефіцієнтів розподілу теплових потоків по ширині поверхні тертя (рис. 5 а, б), спостерігалися найвищі його значення зі сторони защемленого краю обода ГБ, що обумовлено впливом БС. Найнижчі значення зазначеного коефіцієнта спостерігалися з вільного боку ГБ та у випадку використання керамічної ФН в зоні 4, яка знаходиться напроти приливу гальмівних колодок. Номери зон на рис. 5 а, б відповідають зонам наведеним на рис. 1 б. Середній коефіцієнт розподілу теплових потоків для пар тертя БКГ більший на 22-28% у випадку застосування полімерних порівняно з керамічними.

Результати моделювання підтверджують теоретичні твердження про змінний характер коефіцієнта розподілу теплових потоків.

Перевірка адекватності запропонованої теплової моделі ФВ з керамічними ФН під час випробувань типу ІІ порівняно з дослідженнями методом кінцевих елементів (засобами MSC Nastran) показала високу збіжність одержаних даних - в межах 7%.

Отже, отриману модель доцільно використовувати в перевірних теплових розрахунках в системі автоматизованого проектування.

В четвертому розділі запропоновано метод визначення конструктивних параметрів гальмівних барабанів АТЗ.

На попередніх етапах визначалися: сумарний гальмівний момент, необхідний та реалізований, виходячи з умови регламентованих динамічних коефіцієнтів розподіл гальмівного моменту між передніми та задніми гальмами; гальмівний момент, що розвивався в БКГ; величина зусилля, що прикладалося до штоку гальмівної камери і передавалося до важеля розтискного кулака; середнє значення питомих навантажень на поверхнях взаємодіючих ФВ; розрахункова маса ГБ.

Основний етап розрахунку (табл. 1) передбачав визначення методом геометричного програмування при заданій цільовій функції (5), мінімізації термічних напружень (7) та обертових мас (6) БКГ та за умови забезпечення необхідного гальмівного моменту (8), раціональних конструктивних параметрів ГБ АТЗ (товщини ободу (9); внутрішнього діаметра (10); ширини ободу (11)).

В табл. 1 використано такі позначення: , - коефіцієнти мономів; , , , - показники степені мономів (перший індекс показує порядковий номер монома, другий - незалежної змінної); , - вагові коефіцієнти, що враховують мінімізацію маси ГБ та вплив термічних напружень, відповідно; , , - температурний коефіцієнт лінійного розширення, модуль Юнга та коефіцієнт Пуассона матеріалу обода ГБ, відповідно; , - частка БС у загальній масі ГБ та відношення довжини ободу ГБ до його товщини, відповідно; - коефіцієнт розподілу гальмівного зусилля між осями АТЗ; - кутова швидкість на початку гальмування; , , - допустиме навантаження та коефіцієнт тертя ковзання у ФВ БКГ; - інтервал часу гальмування; - кут охоплення ФН поверхні ГБ; - коефіцієнт безпеки; , , - сповільнення, повна маса та динамічний радіус колеса АТЗ, відповідно.

До перевірних розрахунків належить знаходження напружено-деформованого стану обода ГБ з визначеними раціональними конструктивними параметрами (, і ), як короткої так і довгої оболонки, у взаємозв'язку з його БС. Проводиться перевірка на відсутність самозаклинювання ФВ БКГ АТЗ.

Визначення раціональних конструктивних параметрів ГБ АТЗ

У випадку невідповідності отриманих значень регламентованим величинам за умови накладених обмежень на деформацію, напруження, питоме навантаження та поверхневу температуру для обода ГБ, розрахунки повторюють з етапу визначення раціональних конструктивних параметрів за інших обмежень.

До методу визначення конструктивних параметрів ГБ розроблені алгоритми та програма розрахунку. Останні свідчать, що при визначенні раціональних конструктивних параметрів обода ГБ досягається зниження металомісткості заднього ГБ АТЗ сімейства ЗИЛ (5-й клас, повна маса 11 т) до 14,7% при збереженні теплового стану на рівні допустимого для керамічної накладки.

У п'ятому розділі наведено обґрунтування вибору й сенс методики проведення та обробки результатів експериментального дослідження теплового стану пар тертя БКГ АТЗ з природним та примусовим охолодженням та перевірки адекватності теплової моделі.

Вирівнювання теплового стану та примусове охолодження пар тертя гальма здійснювалось за допомогою пристрою, який працював на ефектах «кондуктивності» та «теплової труби».

Пристрій складався з теплової труби 5, яка за допомогою штуцера 4 та фіксуючої гайки 3 прикріплена до внутрішньої сторони гальмівної колодки 2. Зона випаровування теплової труби 8 знаходиться в жорсткому зачепленні з теплопровідною вставкою, яка виконана під рівень робочої поверхні ФН 1. Теплоносій всередині теплової труби випаровувався в зоні 8, рухався транспортною зоною 9 та конденсувався в зоні 10, віддаючи теплоту в навколишнє середовище. При цьому робочі поверхні тертя додатково охолоджувалися. Теплоносій після конденсації повертався в зону випаровування 8 за допомогою гравітаційних та капілярних сил, які діяли в транспортній зоні 9.

В подальшому розкрито програму та умови проведення експериментальних досліджень; вимоги до технічного стану вузлів та агрегатів АТЗ при дорожніх випробуваннях та до стенда з його конструктивними особливостями.

Результати дослідження примусового охолодження пар тертя БКГ показали, що його ефективність на довготривалому режимі гальмування досягала 22,5%.

За допомогою методу математичного планування експерименту, одержано рівняння регресії для визначення поверхневих температур обода ГБ заднього гальма АТЗ

, (12)

де  - початкова температура робочої поверхні обода ГБ, С; М_Г - гальмівний момент, який реалізує БКГ АТЗ.

Параметри рівняння регресії (12) змінювалися залежно від типу випробувань гальм АТЗ в таких інтервалах: = 60…100 с; = 20…100 С;

М_Г = 850…1520 Нм (відповідає сповільненню = 0,6…1,07 м/с²).

З порівняння результатів експериментальних даних (показань термопар, розміщених на різній глибині матеріалу ФН) з даними теплової моделі (значеннями температури у відповідних зонах накладки) бачимо, що найбільше відхилення розрахункових даних від експериментальних склало 9,6%, що є допустимим.

Таким чином, математична модель є адекватною до теплових процесів, що відбуваються при гальмуванні в парах тертя БКГ.

Виконані теоретичні та експериментальні дослідження, моделювання теплонавантаженості ФВ БКГ АТЗ дозволили намітити шляхи підвищення ефективності їх пар тертя, реалізовані в експериментальних зразках та захищені патентами України та Росії. Такими рішеннями є: використання фрикційних матеріалів з високою енергоємністю; вирівнювання питомих навантажень в парах тертя та зниження їх теплонавантаженості.

Висновки

У дисертаційній роботі наведено теоретичне та експериментальне обґрунтування теплового стану (з точки зору складових теплового балансу) пар тертя барабанно-колодкових гальм (з раціональними конструктивними параметрами) для автотранспортних засобів. При цьому:

1. Вдосконалено математичну модель для кількісної оцінки теплових процесів в робочих елементах пари тертя барабанно-колодкових гальм протягом гальмування, яка дозволяє прогнозувати динаміку зміни теплового стану гальмівного барабана та фрикційних накладок по товщині з урахуванням всіх складових теплового балансу їх полірованих і матових поверхонь. Одержано залежності для визначення коефіцієнтів розподілу теплових потоків між парами тертя на різних стадіях гальмування з урахуванням досягнення «квазістаціонарного» теплового стану їх взаємодіючих поверхонь.

2. Оцінено якісно і кількісно складові теплового балансу гальмівного барабана та фрикційних накладок. В результаті моделювання пар тертя барабанно-колодкових гальм автотранспортних засобів встановлено, що:

- домінуючу роль в акумулюванні генерованої теплоти відіграє обід гальмівного барабана і для «холодних» пар тертя становить 48-52%, а для «гарячих» - 40-45% від загальної кількості генерованої теплоти;

- частки бокової стінки та конвективного теплообміну на матових поверхнях гальмівного барабана складають відповідно 12-17% і 20-25% для «холодних» та 8-10% і 35-40% - для «гарячих» пар тертя;

- частки фрикційних накладок, гальмівних колодок і конвективного теплообміну на матових поверхнях гальмівних колодок складають відповідно 5-9%, 1-2% і 1-2% для «холодних» та 2-5%, 1-2% і 4-7% для «гарячих» пар тертя;

- середній коефіцієнт розподілу теплових потоків для пар тертя барабанно-колодкового гальма більший на 22-28% у випадку застосування полімерних накладок порівняно з керамічними і на 5-10% - для випадку нерівномірного розподілу теплонавантаженості по ширині обода гальмівного барабана;

- теплообмінні процеси, які відбуваються в кінці випробувань типу ІІ «гарячих» пар тертя гальм за температур вищих 220 - 250°С, коли домінує конвективний та випромінювальний теплообмін, наближено вважаються «квазістаціонарними».

3. Вдосконалено метод визначення конструктивних параметрів гальмівних барабанів за допомогою геометричного програмування з використанням цільової функції мінімізації моменту інерції та теплових напружень в ободі гальмівного барабана за умови забезпечення необхідного гальмівного моменту та недосягнення допустимої температури матеріалом накладки. Для реалізації даного методу розроблені алгоритми та програма розрахунку. Остання показала, що металомісткість гальмівного барабана з одержаними конструктивними параметрами на 14,7% менша, ніж серійного.

4. Проведено аналіз адекватності теплової моделі фрикційного вузла за результатами експериментальних досліджень, який показав, що відхилення експериментальних значень температур пар тертя гальма не перевищувало 9,6% порівняно з їх розрахунковими величинами. Розроблено пристрій для примусового охолодження пар тертя барабанно-колодкових гальм, який працює на ефекті «теплової труби» з елементами кондуктивного відведення теплоти, здатний забезпечувати на довготривалому режимі гальмування зниження теплового стану на 22,5%.

5. Розроблено та запропоновано конструктивні рішення на рівні патентів на винаходи України та Росії, які дозволяють вирівняти питомі навантаження і забезпечити високоефективне охолодження барабанно-колодкових гальм, а також збільшувати гальмівний момент за рахунок використання двох пар тертя.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Вольченко А.И. Теплонагруженность фрикционных узлов барабанно-колодочных тормозов транспортных средств / А.И. Вольченко, В.В. Дячук, В.В. Волощук, М.А. Спяк // Науковий вісник національного гірничого університету: зб. наук. пр. - Дніпропетровськ, 2004. - №1. - C. 61 - 63.

2. Петрик А.А. К вопросу определения конструктивных параметров тормозных барабанов автотранспортных средств / А.А. Петрик, А.И. Вольченко, Н.А. Вольченко, В.В. Волощук // Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів: зб. наук. пр. - Львів: Асоціація «Автобус», 2006. - С. 99 - 108.

3. Волощук В.В. Моделювання теплових процесів в автомобільних барабанних гальмах / В.В. Волощук, Д.О. Вольченко // Автомобільний транспорт: зб. наук. пр. - Харків: ХНАДУ, 2009. - №24. - С. 20 - 26.

4. Волощук В.В. Експериментальні дослідження теплової навантаженості пар тертя барабанних гальм автотранспортних засобів / В.В. Волощук, М.О. Вольченко // Вестник национального технического ун-тета «ХПИ»:

сб. научн. тр. - Харьков, 2009. - №15. - С. 59 - 66.

5. Волощук В.В. Моделювання теплового стану механізмів з підвищеними робочими навантаженнями / В.В. Волощук // Науковий вісник ІФНТУНГ: зб. наук. пр. - Івано-Франківськ, 2009. - №1 (19). - С. 96 - 102.

6. Вольченко А.И. К вопросу термостабилизационного состояния элементов пар трения барабанно-колодочных тормозов автотранспортных средств / А.И. Вольченко, Н.А. Вольченко, В.В. Волощук, В.С. Скрипник // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля:

зб. наук. пр. - Луганськ, 2009. - №11 (141). - С. 58-62.

7. Декл. пат. на винахід №69274А Україна, МКИ F16D 65/74. Барабанно-колодкове гальмо / В.В. Дячук, В.В. Волощук; заявник та патентовласник дочірня компанія «Укргазвидобування» Український наук.-дослід. ін-т природних газів (філія). - Заявл. 24.12.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл. №8. - 2 с.

8. Пат. 2253054 С2 Российская Федерация, МПК⁷ F16D51/00. Тормозное устройство / А.И. Вольченко, В.В. Дячук, В.М. Павлиский, Н.А. Вольченко, В.В. Волощук: заявитель и патентообладатель дочерняя компания «Укргазвидобування» - №2002021020. Заявл. 10.08.2004; Опубл. 27.05.2005, Бюл.

№15. - 5 с.

9. Пат. 2357135 С2 Российская Федерация МПК⁷ F 16 D 65/833. Барабанно-колодочный тормоз с системой кондуктивно-жидкостного охлаждения фрикционных узлов и способ ее осуществления / А.И. Вольченко, Е.И. Крыжановский, Н.А. Вольченко, Д.А. Вольченко, В.В. Волощук; заявитель и патентообладатель Ивано-Франковский национ. технич. ун-т нефти и газа - №2005107271/11. Заявл. 15.03.2005; Опубл. 27.05.2009; Бюл. №15. - 7 с.

10. Вольченко А.И. К вопросу теплового расчета барабанно-колодочных тормозов транспортных средств / А.И. Вольченко, М.-П. Пургал, В.В. Дячук, В.В. Волощук // Труды 5-го международного симпозиума по фрикционным изделиям и материалам ЯРОФРИ-2003. - Ярославль, 2003. - С. 34 - 40.

11. Вольченко А.И. К вопросу электромоделирования процессов нагревания и охлаждения барабанно-колодочных тормозов транспортных средств / А.И. Вольченко, В.В. Дячук, Н.А. Вольченко, В.В. Волощук // Труды междунар. конф. «MOTAUTO 2002». - Руссе, 2002. - Т. 2. - С. 68 -74.

12. Волощук В.В. Проектный расчет тормозных барабанов с учетом критериев работоспособности / В.В. Волощук, Н.А. Вольченко, А.А. Петрик // Труды междунар. конф. «Модульные технологии и конструкции в технологии машиностроения МТК-2006». - Безмехово, 2006. - С. 111 - 120.

Размещено на Allbest.ru