Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет»

Кафедра метрологии, стандартизации и сертификации

Транспортный факультет, Оренбург, Россия

Анализ негативного влияния вредных веществ в продуктах изнашивания тормозных механизмов на приземный слой атмосферы

Зуботыгин Ю.Ю., Сырчин К.В.

Работа выполнена под руководством доцента кафедры метрологии, стандартизации и сертификации - члена-корреспондента РАЕ, д.т.н., доцента Третьяк Л.Н. и ассистента кафедры метрологии, стандартизации и сертификации Вольнова А.С.

Рост парка автотранспортных средств (АТС) в крупных городах приводит к повышенному выбросу вредных веществ (ВВ) не только отработавшими газами (ОГ) двигателей автомобилей (оксида углерода (СО), углеводородов (СН), оксидов азота (NOх) и ТЧ), но и за счёт изнашивания шин, тормозных механизмов и дорожного полотна, что в последствии увеличивает загрязнение приземного слоя атмосферы в городах, приводя к повышенному образованию смога, негативно влияющего на здоровье населения [1]. На основании выполненного анализа зарубежных и отечественных публикаций [2, 3] установлено, что интервалы распределения общих выбросов ВВ от различных источников варьируют в пределах: 60-90 % - материал дорожного покрытия; 9-36 % - выбросы от изнашивания шин автотранспорта; 1-4 % - выбросы от изнашивания тормозных механизмов автомобилей. При этом несмотря на то, что общее количество вредных выбросов в Москве (динамика с 2002 по 2030 год) существенно снижается за счёт выбросов ВВ с ОГ (эффект от введения ограничения на АТС экологических классов ниже 3) выбросы от дорожного покрытия, шин и тормозных механизмов ежегодно увеличиваются [3] (рисунок 1).

Несмотря на то, что каждый из источников выбросов достаточно подробно исследован, нормы и методы для контроля концентраций ВВ в процессе изнашивания шин, тормозных механизмов и дорожного полотна отсутствуют.

выброс газ тормозной фрикционный

Рисунок 1 - Изменение ежегодных общих выбросов с отработавшими газами, продуктов изнашивания шин, тормозных механизмов, дорожного полотна 2002-2030 год в Москве (в тоннах) [3]

Одним из основных источников выбросов взвешенных твёрдых частиц являются продукты изнашивания тормозных систем автомобилей. Технические требования к тормозным свойствам автомобилей непрерывно ужесточаются. Действующие национальные и международные стандарты четко регламентируют пределы тормозного пути и максимальные замедления для различных АТС. Фрикционный материал тормозной накладки является важнейшим составным элементом механической части тормоза. От её состава и процентного соотношения компонентов зависит эффективность торможения и тормозной системы в целом. В тоже время продукты изнашивания тормозных механизмов являются источником выброса мелкодисперсных частиц (менее 10 мкм), которые оказывают негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека. При их длительном вдыхании в легких и бронхах происходит оседание взвешенных частиц, что способствует развитию заболеваний органов дыхания [4]. Поэтому основные требования к фрикционным материалам условно можно разделить на требования безопасности - это наличие стабильного коэффициента трения, минимальный износ, стабильность фрикционных свойств, и экологические требования - снижение вредных для человека и окружающей среды паров и продуктов изнашивания.

Цель работы: анализ факторов, влияющих на выброс ВВ в продуктах изнашивания тормозных механизмов и современных направлений по снижению их негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека.

Основными факторами, влияющими на степень изнашивания тормозных механизмов и концентрации ВВ, являются состав фрикционных материалов и особенности конструкций тормозных систем.

Влияние состава фрикционных материалов на износ элементов тормозной системы

Фрикционные материалы - материалы, работающие в условиях трения скольжения в устройствах торможения, имеющие высокий показатель коэффициента трения. Каждый вид АТС комплектуется тормозными накладками разной толщины и формы. Вместе с тем заводы изготавливают тормозные накладки разных типов практически по одной и той же технологии и из одного и того же сырья с разным соотношением компонентов (в состав формовочной смеси входят фенольные смолы, каучуки и металлические включения в виде порошков и стружки). Обычно в качестве материала для контртела (тормозной диск или тормозной барабан) используют чугуны, в основном марки СЧ 24 ГОСТ 1412-85, твердостью 187-241 НВ [4].

Современный состав фрикциона тормозных накладок - это сложная смесь, в которую входят около 20 компонентов, каждый из которых усиливает или ослабляет те или иные характеристики. На тормозные качества фрикциона значительное влияние оказывает состав и процентное соотношение используемых компонентов. Тормозные фрикционные накладки обычно состоят из четырех основных частей - обвязки, волокна, уплотняющих прокладок и модификаторов трения - которые ведут себя стабильно при высоких температурах. В качестве обвязок используются различные модифицированные фенолформальдегидные смолы. Волокна могут быть подразделены на металлические, минеральные, керамические или арамидные (органические), и состоят из стали, меди, латуни, титаната калия, стекла, асбеста, органического материала и кевлара. Уплотняющие прокладки обычно изготавливают из бария и сернокислой сурьмы, каолинитовой глины, магния, оксидов хрома и металлических порошков. Состав модификаторов трения может быть неорганическим, органическим или металлическим. Основным модификатором трения является графит, но помимо него также используются порошок акажу, резиновая мука и технический углерод.

Правилами ЕЭК ООН R90 [5] установлены требования, которым должны соответствовать тормозные накладки, что предполагает целый ряд испытаний для контроля их эффективности и механических свойств. Для выполнения требований стандартов, предъявляемых к тормозным накладкам, разрабатываются и применяются все более новые и совершенные фрикционные материалы. Примером этому стал запрет на использования асбеста.

В таблице 1 представлены продукты разложения при изнашивании тормозных механизмов на различные элементы, ионы, элементарный и органический углерод. В целях определения этого видообразования было использовано несколько источников информации и поэтому приведены минимальные, максимальные и средние значения. В некоторых случаях диапазон значений достаточно велик. Совершенно очевидно, что причиной этого является разнообразие материалов и источников, которые используются для производства тормозных фрикционных накладок. При этом авторы [6] считают, что для адекватной оценки необходимо провести исследование большей выборки материалов.

Таблица 1 - Продукты (элементы) разложения при изнашивании тормозных механизмов (частей на миллион на конкретный вес) [6]

Кроме этого, в процессе изнашивания тормозных механизмов выделются не только твёрдые частицы, но и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Так при износе одной тормозной накладки образуется бензо(а)пирена 0,74 частей на миллион на конкретный вес, бензо(b)флуорантена - 0,42, бензо(k)флуорантена - 0,62.

Влияние конструкции тормозной системы на износ её элементов

Конструкцию тормозной системы, тип тормозных дисков и механизмов, площадь контакта с тормозным диском, начальную и остаточную толщину колодки определяет изготовитель автомобилей.

В настоящее время используются две основные конфигурации тормозной системы:

дисковые тормоза, в которых плоские тормозные накладки прижимаются к вращающемуся металлическому диску, и барабанные тормоза, в которых накладки с загнутыми концами прижимаются к внутренней поверхности вращающегося цилиндра. Дисковые тормоза в основном используются в малогабаритных АТС (легковых автомобилях и мотоциклах) и на передних колесах грузовиков малой грузоподъемности. В последнее время дисковые тормоза стали применяться более интенсивно и на АТС большой грузоподъемности, что, в первую очередь, обусловлено их высокой эксплуатационной стабильностью. В этих тормозных механизмах обеспечивается незначительное падение эффективности торможения при нагреве тормоза или попадании воды на поверхности трения. Однако из-за меньшей площади фрикционных накладок дискового тормоза давление на них больше в 3-4 раза, механизм открыт для попадания пыли и грязи. Поэтому интенсивность изнашивания накладок дискового тормозного механизма больше, чем у барабанного. При этом при движении АТС частицы изнашивания беспрепятственно выбрасываются в атмосферу [4].

В барабанном тормозе основная часть частиц изнашивания остается внутри барабана, закрытого тормозным щитом. Через вентиляционные отверстия барабана в воздух попадают продукты трения. Оборудование автомобиля антиблокировочной системой приводит к тому, что в случае экстренных торможений колеса не блокируются и относительное перемещение тормозных колодок и диска (барабана) сохраняется в течение всего процесса торможения. Это способствует увеличению пути трения фрикционных элементов тормоза и интенсивности их изнашивания на 10-30 %.

Взаимное расположение тормозов АТС также оказывает значительное влияние на их интенсивность изнашивания. На легковых автомобилях и мотоциклах усилие торможения обычно применяется к передним колесам, в то время как задние колеса в основном используются для поддержания устойчивости АТС. По данным Kolioussis и Pouftis (2000 г) это приводит к более частой замене тормозных накладок на переднем мосту автомобиля (30000 км) по сравнению с накладками на заднем мосту автомобиля (50000 км). В грузовых автомобилях большой грузоподъемности энергия торможения распределяется более равномерно между мостами, причиной чего являются более низкие показатели интенсивности торможения и большая нагрузка в задней части АТС. Показатели интенсивности изнашивания также зависят от механизма включения тормоза (пневматический, электрический), что усложняет оценку срока службы тормозных фрикционных накладок. Например, для грузовиков и туристических междугородних автобусов средний срок составляет около 60 000 км. Полученные расчетным путем величины суммарного изнашивания дисковых и барабанных тормозов легкового автомобиля (таблица 2) показали, что выбросы твердых частиц при износе тормозной системы легкового автомобиля превышают Нормы по Правилам № 83 ООН на выброс твердых частиц в отработавших газах легковыми автомобилями в 3,7 раза [7].

Таблица 2 - Величины суммарного изнашивания дисковых и барабанных тормозов легкового автомобиля [7]

Расчет интенсивности изнашивания тормозных накладок барабанных механизмов автобусов показал, что среднее изнашивание тормозной накладки барабанных тормозов при гамма-процентном ресурсе (90 % - 80000 км) составляет 1124,5 г при усредненной интенсивности изнашивания 0,014 г/км. Суммарная интенсивность изнашивания от тормозных накладок автомобильным городским сочлененным автобусом с тремя осями, на которых установлено 10 шин, составляет 0,168 г/км.

Выводы

1. Увеличение выбросов взвешенных твёрдых частиц и ПАУ от изнашивания тормозных механизмов автомобилей способствует интенсивному загрязнению приземного слоя атмосферы в крупных городах. В работах сотрудников кафедры метрологии, стандартизации и сертификации Оренбургского государственного университета обосновано, что в ближайшее время необходим пересмотр международной концепции экологического нормирования не только вредных выбросов с отработавшими газами, но и от других источников, в том числе и тормозных механизмов, подверженных значительному износу в процессе эксплуатации АТС.

2. Необходима реализация современных организационно-технических мероприятий, снижающих выброс твёрдых частиц и канцерогенных веществ в приземный слой атмосферы от изнашивания тормозных механизмов.

3. Анализ известных методов оценки изнашивания тормозных механизмов свидетельствует об отсутствии единого подхода к описанию и оценке процесса изнашивания пары «тормозной диск (барабан) - колодка» и не учитывает особенности работы современных антиблокировочных систем.

4. Разработка достоверных методов оценки концентраций вредных веществ в продуктах изнашивания тормозных механизмов позволит не только оценить их вклад в загрязнение приземного слоя атмосферы, но и комплексно оценить экологическую безопасность автотранспортных потоков.

Список использованных источников

1 Третьяк, Л.Н. О системном подходе к оценке влияния автотранспортных средств в процессе эксплуатации на экологию городов / Л.Н. Третьяк, А.С. Вольнов // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2014. - №1. - С. 161-166.

2 Трофименко, Ю. В. Оценка загрязнения воздуха аэрозольными частицами менее 10 мкм от транспортных потоков на городских автомагистралях / Ю.В. Трофименко, В.С. Чижова // Экология и промышленность России. - 2012. - № 9. - С. 41-45.

3 Азаров, В. К. К вопросу об экологически чистом городском транспорте / В.К. Азаров, С.В. Гайсин, В.Ф. Кутенёв // Журнал автомобильных инженеров. - 2016 - № 2 (97) - С. 36-41.

4 Дугельный, В.Н. Основные тенденции развития фрикционных материалов тормозных накладок / В.Н. Дугельный, А.Ю. Логунов, Е.К. Ровный // Вестник Донецкой академии автомобильного транспорта. - 2013. - № 2- С. 30-31.

5 Экологичные и эффективные / Новости автобизнеса [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.remontauto.ru/rubric/pa/tekhnologii/305770/ - 22.02.2017.

6 Руководство ЕМЕП/ЕАОС по инвентаризации выбросов 2013. Общие руководящие указания по подготовке национальных инвентаризаций выбросов [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.eea.europa.eu/publications/emep-eea-guidebook-2013 - 12.02.2017.

7 Азаров, В.К. Разработка комплексной методики исследований и оценки экологической безопасности и энергоэффективности автомобилей: дисс. …кандидат техн. наук: 05.05.03. / В.К. Азаров. - Москва: НИИ автомоб. и автомотор. Ин-т «НАМИ», 2014. - С. 137.

Размещено на Allbest.ru