123409 (717180), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Експериментальні дослідження міцнісних, теплофізичних і триботехнічних характеристик «чистих» і модифікованих С-С композитів було проведено на дослідних і натурних зразках з різним вмістом (% по масі) вуглецевих волокон, піровуглецю, сітки з мідного дроту та модифікаторів тертя, – різних за типом і фракційним складом.

Вдосконалення технологічних схем виготовлення і використання нових перспективних технічних рішень дозволили зменшити собівартість виробництва фрикційних С-С композитів до рівня, що не перевищує двократної вартості звичайних композиційних матеріалів.

У п'ятому розділі наведено результати експериментальних досліджень експлуатаційних характеристик і ефективності використання гальмівних колодок із С-С композитів. Попередні випробування проводилися на стандартній машині тертя моделі СМЦ-2, а доводочні з натурними колодками – на спеціальній стендовій установці, що реалізує схему «обертовий вал – гальмівні колодки». При створенні експериментальної установки використано нові технічні рішення, зокрема гальмівні колодки мали два ступеня рухомості – за напрямом дії нормального зусилля притиснення і разом з контртілом – у напрямі обертання останнього під впливом сили зчеплення.

Для реєстрації вихідних параметрів процесу гальмування розроблено вимірювальну систему на базі персональної ЕОМ з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) і керуюча програма (АDC) на мові програмування Delphi для роботи в операційних системах Windows.

Всі випробування проводилися як порівняльні за ідентичних умов і режимів навантаження. Для випробувань було прийнято: чавунні колодки виробництва «ХК «Луганськтепловоз»); ЕМ-2 (6КВ-10) за ГОСТ 15960-70; 6КХ-1Б за ТУ 38-5-560-69; ретинакс А і Б (ФК-16А і ФК-24А) за ГОСТ 10851-73; стрічка азбестова типу Б і полімерний композит ТР-9 тощо.

Після попередніх випробувань серійних матеріалів і модифікованих С-С композитів, що відрізняються типом вуглецевих волокон і структурою зміцнюючого каркаса, видом модифікатора тертя, кількісним і фракційним складом останнього, для доводочних випробувань було прийнято дев'ять типів найбільш перспективних композицій. Процес ущільнення піровуглецем проводився в потоці природного газу методом радіально рухомої зони піролізу, після чого заготовки піддавалися механічній обробці і шліфуванню робочої поверхні тертя алмазними дисками.

Основними показниками для порівняння ефективності гальмівних колодок були прийняті величина і характер зміни коефіцієнта тертя залежно від інтегрального фактора - температури на контактній поверхні тертя, що узгоджується з вимогами Бюро експлуатаційних випробувань Міжнародного союзу залізниць (БЕВ МСЗ). Для обробки результатів випробувань гальмівних колодок із С-С композитів використано методи математичної статистики і теорії ймовірностей (рис. 4).

Аналіз результатів випробувань показав, що математичне очікування величини коефіцієнта тертя за початкової температурі 20°С становить 0,451 і змінюється від 0,366 до 0,536 у межах , що становить 99,7% спостережуваних значень, а в межах змінюється від 0,395 до 0,507, що становить 95,4% отриманих експериментальних даних. Отже, модифіковані аморфним бором композити мають достатній початковий коефіцієнт тертя при температурі 20°С , однак особливо важливим є його стабілізація на рівні 0,45...0,55 у широкому діапазоні зміни температури поверхні тертя (20…500˚С – за умовами випробувань).

Фрикційна характеристика модифікованих аморфним бором С-С композитів (рис. 5), отримана методом математичного планування експерименту з урахуванням впливу питомого навантаження ( , МПа), швидкості ковзання на контакті ( , м/с) і температури ( , °C), має вид:

Аналіз результатів показав, що з ростом швидкості ковзання і питомого навантаження величина коефіцієнта тертя повільно зменшується, а з ростом температури контактної поверхні теж повільно, але збільшується.

Порівняння фрикційних властивостей модифікованих С-С композитів з металокерамічними (BM-41) і композиційними гальмівними колодками (929-1G) фірми «BECORIT» (рис. 6), сертифікованими МСЗ для використання на рухомому складі Європейських залізниць, свідчить про їхню відповідність існуючим вимогам.

Ресурсні випробування з визначення зносостійкості проводилися за єдиною і ідентичною програмою навантаження; величина зношення визначалася масовим методом з подальшим перерахунком на лінійне зношення, при цьому контактна поверхня тертя становила не менш 80% від площі колодки.

Особливо високою зносостійкістю відрізняються модифіковані С-С колодки, які мають зношування контактної поверхні в 6...9 разів менше звичайних фрикційних матеріалів і в 2,1...2,7 рази менше, ніж у існуючих композиційних колодок. Також встановлено, що найбільше руйнують матеріал контртіла (колісна сталь марки 2 - бандажі колісних пар) чавунні гальмівні колодки, при цьому зношування поверхні контртіла в 1,3...1,7 раза вище, ніж за модифікованих і «чистих» С-С колодок.

Розрахунки дійсного гальмівного шляху (S_Д) тепловоза ТЕП 150 (рис. 7, а) за методикою ПТР при екстреному гальмуванні на площадці з швидкості 160 км/год при послідовному використанні стандартних чавунних колодок (1*), з підвищеним вмістом фосфору (2*), композиційних (3*) і С-С колодок (4*) показали, що нові С-С колодки забезпечують зменшення гальмівного шляху в порівнянні із чавунними більш ніж у два рази, а з композиційними - на 8...10%.

Математичним моделюванням просторового руху локомотива з составом потяга (рис.7, б) по чистих і сухих рейках у режимі гальмування із чавунними і С-С колодками встановлено, що незалежно від фрикційних умов у контакті коліс із рейками для досягнення однієї й тієї ж величини гальмівного шляху необхідна величина натискання на С-С колодки є у два раза меншою. Отже, модернізація рухомого складу може бути виконана простою заміною серійних композиційних колодок на С-С колодки.

Пропоновані гальмівні С-С колодки за своїми технічними і трибологічними характеристиками не поступаються кращим зразкам сучасних фрикційних матеріалів, а здатністю витримувати високу температурну напруженість на контактній поверхні тертя і забезпечувати достатньо високий і стабільний рівень коефіцієнта тертя перевершують останні.

Розрахунки, експериментальні дослідження і пробні поїздки свідчать, що нові С-С колодки істотно підвищують ефективність процесу гальмування рейкового рухомого состава й одночасно справляють менш руйнівну механічну і термічну дію на поверхню катання коліс на гальмівних осях.

У шостому розділі наведено результати експериментальних досліджень теплофізичних параметрів гальмівних C-C колодок з різними схемами зміцнюючих каркасів для рейкового рухомого складу, визначено основні закономірності виділення теплоти і представлено постановку та результати чисельного вирішення нестаціонарної теплової задачі теплопровідності для системи “гальмівні колодки – колесо – рейка”.

У зв'язку зі складністю теоретичного опису механізму інтегральної теплової провідності в середовищі - композиті для визначення теплопровідності використовувалися емпіричні методи. На спеціальній стендовій установці випробуванням піддавалися дослідні зразки матеріалу С-С колодок, а в якості еталонного було використано чавунний зразок з відомою теплопровідністю.

Для оцінки впливу на теплопровідність С-С композитів різних наповнювачів всі дослідні зразки виготовлялися на основі вуглецевої тканини і піровуглецю, а як модифікатор до складу №1 було включено мідний дріт, до складу №2 - карбід бору, до складу №3 - бор аморфний.

Емпіричні залежності впливу якісного складу компонентів і їхнього процентного вмісту по масі на коефіцієнт теплопровідності С-С колодок отримано методом математичного планування експерименту. Характер зміни величини коефіцієнта теплопровідності від домінантних факторів (рис. 8) і емпіричні залежності мають вид:

Погрішність апроксимації становить не більше ± 6,5% при довірчій імовірності .

Встановлено, що для складу №1 коефіцієнт теплопровідності в досліджених діапазонах факторів впливу монотонно зростав від 34,3 до 45,6 Вт/(мМК).

Для складу №2 коефіцієнт теплопровідності менше і діапазон зміни становив 22...36 Вт/(мМК), що пояснюється відсутністю мідного компонента. Склад №3 характеризується найбільш складним механізмом теплової провідності, однак забезпечує високе середньотемпературне значення коефіцієнта теплопровідності – 34 Вт/(мМК).

Слід зазначити, що високу теплопровідність – 35...55 Вт/(мМК) мають серійні чавунні гальмові колодки, а з підвищеним вмістом фосфору і колодки типу Samson (P30) – 21...28 Вт/(мМК); композиційні колодки виробництва «ФРИТЕКС» типу ТIIР характеризуються величиною 0,8...3,3Вт/(мМК). Згідно із зарубіжними джерелами, композиційні і металокерамічні колодки мають цей показник на рівні 1,3 і 7,5 Вт/(мМК).

Отже, нові С-С колодки з величини коефіцієнта теплопровідності незначно поступаються чавунним і мають більш високі показники в порівнянні з іншими фрикційними матеріалами.

В основі моделювання нестаціонарних теплових процесів у твердих тілах лежить рівняння нестаціонарної теплопровідності. Для сплощених тіл, а такими прийняті ходові колеса, відповідне рівняння має вид:

Гранична умова другого роду в зоні контакту колеса з рейкою, а також на поверхні контакту колеса з колодкою задавалася у виді густини нестаціонарного теплового потоку

Тепловий потік у плямі контакту визначався з умови пропорційності теплового потоку, що виділяється в плямі контакту, потужності сил деформації колеса та рейки: Q_к. = е∙Е_1N , а було прийнято рівним коефіцієнту дисипації механічної енергії при деформації. Роботу сил одиничної деформації Е₀₁ з урахуванням її нестаціонарності було знайдено у виді

У припущенні пропорційності потужності енерговиділення деформації на даному режимі руху обсягу деформованого матеріалу за одиницю часу було отримано розрахункову формулу

Зазначені у виразах (24) і (25) змінні визначені за результатами розв'язку рівнянь динамічної контактної задачі у виді апроксимаційних залежностей.

Тепловий потік при зміні швидкості руху в процесі гальмування визначався інтерполяцією значень функцій, отриманих при реперних значеннях швидкостей V = 40, 80, 120, 160 км/год (при убуванні швидкості до значень, менше 40 км/год відповідно екстраполяцією).

Тепловий потік Q_кк, що надходить від плями контакту в колесо, приймався рівним 0,5Q_к відповідно до рекомендацій проф. О.Л. Голубенка. Тепловий потік у зоні тертя колодки об колесо при гальмуванні задавався для кожної ої ділянки згідно з виразом

Розподіл потоків теплоти між колесом і колодкою визначався коефіцієнтом , запропонованим проф. В. Г. Іноземцевим.

Для розв'язку нелінійного диференціального рівняння 2-го порядку (22) використовувався метод кінцевих різниць, при цьому площина колеса у декартових координатах ХУ розбивалася квадратною сіткою (рис. 9). Рівняння (22) для довільної точки (x_i,y_j,ф_k) поверхні колеса (у момент часу ф_k), а також граничні умови (23) приводились до кінцево-різницевого виду. Результати вирішення теплової задачі (графіки та комп’ютерні екранограми) наведено на рис.10 - 12.

Згідно з результатами чисельного розв'язку рівняння (22) із граничними умовами (23) для випадку руху з постійною швидкістю = 160 км/год і при = 0 °С сталий перегрів поверхні катання коліс локомотива ТЕП 150 відносно атмосферного повітря склав 58 °С, при цьому максимальна температура в зоні контакту з рейкою не перевищувала 240 °С. Значення зазначених вище параметрів у режимі гальмування двома колодками із зусиллям натиснення 40 кН становило відповідно: для серійних композиційних колодок 462 °С і 563 °С; для стандартних чавунних та з фосфористого чавуну 235 °С і 345 °С та 249 °С і 363 °С, для дослідних С-С колодок 380 °С и 482 °С. При цьому температурна залежність для плями контакту має істотно нестаціонарний характер внаслідок нестаціонарності теплового потоку від гармонійних деформацій.

Найбільший перегрів при гальмуванні було зафіксовано на контактній поверхні тертя “колодка - колесо” (рис. 10 і 11). Цей показник становив для серійних композиційних колодок 796 °С; для стандартних чавунних - 325°С, для фосфористого чавуну - 345 °С; і для дослідних С-С колодок - 668°С.

Як випливає з аналізу результатів чисельних досліджень, дослідні гальмівні С-С колодки мають перевагу в порівнянні із серійними композиційними колодками з усіх термічних показників, що характеризують протікання теплових процесів у системі «гальмівна колодка-колесо-рейка» і можуть позитивно впливати на елементи вказаної системи (рис. 11, 12). Так, модифіковані С-С колодки дозволяють зменшити температурну напруженість контактного спряження пари тертя “колодка - колесо” на 20% у порівнянні із серійними композиційними гальмівними колодками.

Результати моделювання нестаціонарного теплового процесу підтверджено експериментальними дослідженнями на стендовій установці та добре узгоджуються з даними, наведеними в роботах проф. В.Г. Іноземцева для стандартних чавунних і серійних композиційних колодок.

Характеристики

Список файлов реферата