Диссертация (Повышение эффективности работы и износостойкости тормозных устройств путем применения биметаллических материалов)

На правах рукописиТОМСКИЙ КИРИЛЛ ОЛЕГОВИЧПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯБИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВСпециальность 05.02.04 – Трение и износ в машинах (техн. науки)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имениИ.М.Губкина»Научный руководитель:Елагина Оксана Юрьевнадоктор технических наук, профессор,зав.

кафедрой трибологии и технологий ремонта Н/Гоборудования ФГБОУ ВПОРГУ нефти и газа им. И.М.Губкина.Официальные оппоненты:Буяновский Илья Александровичдоктор технических наук, профессор, заведующийлабораторией методов смазки машинФГБУН ИМ имени А.А. Благонравова РАНВолков Николай Викторовичкандидат технических наук, доцент кафедрыфизических проблем материаловеденияФГАОУ ВПО Национальный исследовательскийядерный университет «МИФИ»Ведущая организация:Государственный научный центр РФ –Открытое акционерное обществоНаучно-производственное объединение«Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения»ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»Защита диссертации состоится 28 мая 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.200.07 при Российском государственном университете нефти и газа имениИ.М.Губкина по адресу: 119991, ГСП – 1, Москва, Ленинский проспект, 65.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке РГУ нефти и газаимени И.М.Губкина.Автореферат разослан «___» ________ 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наукГинзбург Э.С.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыТормозные устройства являются высокоответственными узлами в любом механизме, и от надежности их работы напрямую зависит безопасность эксплуатации механизма вцелом.

Они широко применятся в машинах и оборудовании различных отраслей промышленности, включая нефтяную и газовую отрасли. Основным фактором, определяющимэффективность и долговечность тормозного устройства, является сила трения, возникающая между колодкой и диском, и представляющая собой источник интенсивного теплообразования. Процесс торможения характеризуется активным преимущественным разогревом контактной поверхности металлического контртела. Температура поверхности тормозного диска за короткий интервал времени от 10 до 300 секунд может достигать 700 ºСи выше.

Интенсивный разогрев приводит к снижению прочностных свойств металла поверхностного слоя диска и фрикционного материала, изменяет коэффициент трения, интенсифицирует процесс изнашивания контактирующих элементов.Вопросами тепловых процессов, возникающих при трении, занимались такие известные отечественные и зарубежные ученые как А.В. Чичинадзе, И.А. Буяновский, Э.Д.Браун, Н.М.

Михин, В.А. Балакин, А.Г. Гинзбург, М.Н. Добычин, Б.В. Протасов, В.М.Александров, Ю.Н. Дроздов, З.В. Игнатьева, М.В. Коровчинский, И.Г. Горячева, Н.Б.Демкин, Я.С. Подстригач, Д.В. Грилицкий, М.И. Петроковерц и другие. Значительныйвклад в развитие вопросов повышения износостойкости деталей машин внесли И.В.

Крагельский, Б.И. Костецкий, Г.М Сорокин, В.Н. Виноградов,. Ими были разработаны и опробованы целый ряд методик по расчету тепловых и эксплуатационных характеристик узлов трения и, в частности тормозных устройств. На основе этих исследований в настоящеевремя разработано и широко применяется целый ряд технических и конструктивных решений для тормозных устройств, позволяющих снизить температуру в зоне трения.Увеличение удельных нагрузок и скоростей относительного перемещения в машинах и механизмах, приводит к интенсификации процессов тепловыделения в тормозныхустройствах. Специфика нефтегазовой отрасли, характеризующейся присутствием абразивных частиц, дополнительно усложняет эту задачу за счет ограничения возможностиприменения ряда материалов и конструкций. Существующие методы, позволяющие увеличить теплоотвод из зоны трения отличаются значительным усложнением конструкции иприменением дорогостоящих материалов.

Таким образов разработка новых подходов вконструировании тормозных устройств, обеспечивающих наряду с усилением теплоотвода, повышенную стойкость к изнашиванию и простоту конструктивного исполнения является актуальной задачей.Объектом исследований в настоящей работе являются колодочные тормозныеустройства машин и технологического оборудования, работающие в условиях циклического нагружения.3Целью диссертационной работы являлось повышение теплоотдачи и износостойкости тормозного устройства и разработка методики определения рациональных геометрических параметров входящих в него элементов, способствующих снижению температуры разогрева контактных поверхностей при торможении.Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:1.Провести экспериментальные исследования по определению величинысоставляющих энергетического баланса при торможении в зависимости от параметров иматериалов тормозного устройства и разработать расчетный способ их определения.2.Разработать методику и выполнить экспериментальные исследования поопределению температуры нагрева зоны контакта тормозных дисков разной конструкциипри трении для оценки эффективности теплоотвода.3.Выполнить экспериментальные исследования по определению зависимости коэффициента трения тормозных устройств от температуры нагрева.4.Разработать новый подход к конструкции тормозного диска, обеспечивающий повышение эффективности теплоотвода в зоне контакта при торможении и провести его экспериментальную апробацию.Научная новизна работы1.

Выявлены параметры, определяющие соотношение тепловой и механической составляющей энергетического баланса при трении без смазочного материала и разработанарасчетная модель изнашивания фрикционной колодки. Показано, что увеличение износафрикционной накладки в зависимости от удельной нагрузка характеризуется квадратичной зависимостью, а от скорости торможения линейной с коэффициентом пропорциональности, равным единице. Также показано, что увеличение площади фрикционной накладки способствует квадратичному увеличению срока ее наработки на отказ, а увеличение длины фрикционной накладки и уменьшение шероховатости тормозного диска пропорционально увеличивает время ее работы,2. Предложен новый подход к снижению температуры нагрева поверхности тормозного диска при сохранении его износостойкости, основанный на применении теплоотводящей вставки из металла с высокими показателями теплопроводности.

Показано, чтоэффект от применения биметаллических поверхностей зависит от соотношения толщиныповерхностного слоя и теплоотводящей вставки и может снизить температуру разогреватормозного диска от 36 до 50%.3. Экспериментально показана возможность стабилизации коэффициента тренияпри использовании биметаллических поверхностей. Снижение температуры разогреваконтактной биметаллической поверхности способствует сужению диапазона разброса4значений коэффициента трения в 1,5 раза и более по сравнению с монолитной стальнойповерхностью.Практическая значимость проведенных исследований определяется возможностью увеличения срока эксплуатации и эффективности работы тормозных устройств.1. Разработана конструкция биметаллического тормозного диска, обеспечивающаяснижение температуры разогрева контактной поверхности и стабилизацию коэффициентатрения.2.

Определены геометрические соотношения стальной и медной составляющих биметаллической поверхности, обеспечивающие наибольшую эффективность теплоотводаиз зоны трения.3. Найдены рациональные геометрические соотношения длины и ширины фрикционной накладки, обеспечивающие снижение ее износа в 1,6 - 1,8 раза.4. Разработаны расчетные методики для оценки распределения энергии трения посоставляющим энергетического баланса, определения времени наработки до отказа фрикционной накладки и расчета тепловых полей в биметаллическом поверхностном слое, позволяющие моделировать процессы, протекающие в дисковых тормозных устройствах приразличных режимах их работы.Научные положения, выносимые на защиту:1. Результаты экспериментального анализа процессов трения и изнашивания вдисковом тормозном устройстве;2.

Инженерная методика прогнозирования распределения энергии трения по составляющим энергетического баланса и оценки времени наработки до отказафрикционной накладки;3. Методическое обоснование нового подхода для снижения температуры нагреватормозного диска за счет использования биметаллического поверхностногослоя.4. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность предложенных конструктивных решений.Достоверность полученных результатов обеспечена применением современныхконтрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования, использованиемсовременных математических методов моделирования физических процессов при трениии изнашивании, статистической обработкой результатов измерений, полученных в ходевыполнения настоящей работы и их сопоставления с литературными данными, практической реализацией разработанных научных и технических решений.Апробация работыРезультаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях: 62-й студенческой научной конференции «Нефть и газ – 2008» (Москва, 2008), 63-йстуденческой научной конференции «Нефть и газ – 2009» (Москва, 2009), III Московскоймежвузовской научно-практической конференции «Студенческая наука» (Москва, 2009),58-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развитиянефтегазового комплекса России» (Москва, 2010), 12-й международной научнопрактической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления иупрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологическойоснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, 2010), Девятой Всероссийскойконференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовойпромышленности» (Москва, 2011), 9-й Всероссийской научно-технической конференции«Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012).ПубликацииПо результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, изних 4 опубликованы в рекомендованных ВАК РФ журналах, 1 патент на полезную модель.Объем и структура работыДиссертационная работа изложена на 152 стр., включая 19 табл., 44 рис.