Строительные машины и оборудование, справочник






Краткий обзор исследований по фрикционным материалам


Категория:
   Долговечность и эффективность тормозных устройств


Краткий обзор исследований по фрикционным материалам

Общие положения, характерные для сухого трения (трения без смазки), изложены в работах. Одно из главных положений состоит в том, что из-за наличия шероховатости и волнистости поверхностей контактирование двух тел происходит в отдельных пятнах, т. е. дискретно. Такой характер контакта при трении двух твердых тел обусловливает постоянную смену отдельных элементарных пятен касания, в которых происходят значительные деформации, генерируется тепло, протекают химические процессы, изменяющие свойства материалов. В связи с этим рассматриваются три этапа трения и износа: взаимодействие поверхностей; изменения, происходящие на соприкасающихся поверхностях, и разрушение поверхностей. Время существования элементарного контакта зависит от скорости подвижного элемента пары трения, от состояния поверхностей, от физико-механических свойств соприкасающихся материалов. При этом наиболее высокие выступы получают пластическую деформацию, так как напряжение, действующее на них, может значительно превосходить предел текучести материала даже при небольших нагрузках из-за малой фактической площади контакта.

Вследствие наличия пластического деформирования сближение поверхностей зависит от продолжительности действия нормальной нагрузки и поэтому при трении наблюдается связь между силой трения и реологическими свойствами соприкасающихся материалов.

Молекулярно-механическая теория трения рассматривает два вида взаимодействия трущихся поверхностей: механическое (внедрение) и молекулярное (притяжение и схватывание). Одним из общих положений этой теории является принцип суммирования элементарных сил трения. При этом возникает необходимость определения площадей касания двух твердых тел и удельных сил трения, т. е. сопротивления, возникающего на единице фактической площади касания.



Вопросами определения фактической площади касания поверхностей занимались многие исследователи. В результате экспериментальных и теоретических исследований автор работы приходит к выводу, что фактическая площадь касания образуется в результате одновременного деформирования как отдельных микровыступов (шероховатость), так и полупространства, на котором они расположены (волнистость). При этом часть микровыступов деформируется пластически, другая часть — упруго.

1. Механический износ, включающий три вида: абразивный, вследствие пластического деформирования и при хрупком разрушении.
2. Молекулярно-механический — износ при схватывании.
3. Коррозионно-механический — коррозионный и окислитальный износ.

Большое внимание в этой классификации уделяется условиям трения, вызывающим тот или иной вид износа.

Классификация видов износа деталей машин, предложенная в работах, предусматривает несколько видов разрушения фрикционных связей:

при механическом взаимодействии в зависимости от глубины внедрения: микрорезание, пластическое оттеснение или упругое деформирование;

при молекулярном взаимодействии в зависимости от соотношения между силами адгезии и когезии: разрушение по адгезионным связям или глубинные вырывания — когезионное разрушение.

В работе предложена классификация видов износа деталей машин, которая изменена и дополнена в работе и изложена как классификация видов изно! са и повреждаемости. Автор рассматривает два вида разрушений при трении: допустимый (его автор называет износом) и недопустимый (повреждаемость). К первому виду разрушений при трении автор относит механохимический нормальный окислительный износ, износ пленок некислородного происхождения и механо! химическую форму абразивного износа. Ко второму виду — схватывание первого и второго рода, фреттинг-процесс, механическую форму абразивного износа, усталость при качении и другие виды повреждений (коррозия, кавитация, эрозия, смятие и т. п.).

Процесс износа в работах П. А. Ребиндера и других авторов рассматривается как поверхностное разрушение трущихся тел под влиянием тангенциальных усилий трения, вызывающих в отдельных слоях (вблизи участков контакта) напряжения, превышающие предел текучести или прочности. Усилия трения вызыют скалывание, вырывание из поверхностного слоя ва о Хела мельчайших частиц с пластическим течением материала в наружном слое или, для хрупких тел, без него. Таким образом, износ рассматривается как явление поверхностного диспергирования в результате многократной пластической деформации, упрочнения и усталостного разрушения под влиянием работы трения. Внешняя среда оказывает значительное влияние на указанные явления и величину износа. Адсорбционное или адсорбционно-химическое воздействие окружающей среды интенсифицируют процесс, облегчая пластическое деформирование и последовательное хрупкое разрушение металлов в поверхностном слое.

Сухое трение окисленных металлических поверхностей (с точки зрения физического существа этого процесса) следуем рассматривать как граничное трение при смазке слоями окислов. Граничное трение происходит во всех случаях, когда твердые поверхности разделены тонкими адсорбционными слоями любого происхождения.

Многие работы посвящены изучению природы схватывания, вызывающего интенсивное изнашивание металлов, появление отказов, а иногда и разрушение деталей. Энергетическая гипотеза схватывания выдвинута в работе. Согласно этой теории условием для наступления схватывания является такое состояние кристаллической решетки, при котором энергия ее атомов (ионов) превосходит величину уровня энергии для данного металла, который автор называет энергетическим порогом схватывания. По мнению автора для сцепления двух кристаллов необходимо совпадение их кристаллических решеток. Чтобы такое совпадение не было случайным, необходимо перевести металл в аморфное состояние, когда сцепление возможно в любом направлении. Для приведения металла в такое состояние необходимо затратить некоторую энергию.

Большое внимание уделено физической сущности процесса схватывания, изучению природы схватывания чистых металлов, т. е. природы образования связей, и изучению схватывания при наличии на поверхности различных адсорбированных пленок в работах. Н. Л. Голего изучены закономерности развития процессов схватывания в зависимости от различных факторов. Эти исследования показали, что от 10 до 40% деталей различных типов современных машин интенсивно изнашиваются в связи с возникновением процессов схватывания. Проведенные исследования позволили сделать вывод, что сущность процессов схватывания состоит в образовании металлических связей между контактирующими поверхностями металлов. Условиями для возникновения металлических связей являются: контакт чистых металлов и сближение их поверхностей на расстояние межатомного притяжения. В этих работах предложены также мероприятия для устранения явлений схватывания в деталях машин.

Обширные работы по изучению сущности процессов трения и изнашивания в деталях авиационных и других машин проведены Н. И. Богомоловым, Н. Н. Голего, B. А. Кисликом, Д. В. Конвисаровым, П. В. Назаренко, C. Л. Наумовым, П. К- Топеха, А. Ф. Челноковым, И. К- Филипчуком и др. Ими изучены различные виды износа и приведены рекомендации по повышению долговечности машин.

Чрезвычайно важными являются исследования путей повышения сроков службы деталей агрегатов, работающих в топливной среде. Изучено влияние типа среды, материала и других факторов на износостойкость деталей. Исследования характеристик износа трущихся деталей самолетов изложены в работе. Для повышения износостойкости деталей предлагается учитывать соотношения площадей трения и твердостей контакти-руемых деталей. Более мягкая поверхность должна иметь меньшую площадь и перемещаться по более твердой поверхности (метод обратной пары).

Для уменьшения износа, вызванного взаимным внедрением, предлагают твердые пары и пары трения с высокой однородностью свойств поверхностного слоя.

При работе многих машин и в частности дисковых тормозов возникают вибрации. Поэтому исследования процессов трения при наличии вибраций, вибросмещений в различных условиях (газовая среда, вакуум) и при изменении амплитуд, частот, а также нагрузок представляют значительный интерес. В настоящее время обоснована теория процессов при наличии вибраций и разработаны практические рекомендации по повышению долговечности деталей. Особое место при работе сопряженных деталей в условиях относительного колебательного движения занимает так называемая фреттинг-коррозия. В этих работах изучена природа фреттинг-коррозии, дается ее структурно-энергетическое описание, систематизированы методы защиты от фреттинг-коррозии и предложены новые пути предотвращения поверхностного разрушения металлов.

В последние годы успехи физики и химии твердого тела, физического металловедения позволили значительно углубить теоретические исследования внешнего трения. Теория несовершенств кристаллического строения (теория дислокаций) описывает реальное состояние твердых тел. Согласно этой теории кристаллическое тело можно характеризовать определенным типом дислокаций и их плотностью. Применение теории дислокаций позволило изучить явление текстурирования при трении и формирование вторичных защитных пленок, изучить причины окисления и хватывания при трении и т. д.

Взаимодействие поверхностей рассматривается на основании молекуляр. но-механической теории трения. При совместном действии нормальных и тангенциальных сил при трении образуются и исчезают пятна касания, которые называют фрикционными связями. Фрикционная связь jl местах контакта условно рассматривается как третье тело, образованное двумя трущимися материалами. Третье тело включает в себя материалы обоих элементов пары трения и имеет свой специфический состав, напряженное состояние’, структуру и свойства.

Одной из важнейших характеристик износостойкости фрикционного материала принята способность его поверхностных слоев противостоять многократным повторным деформациям. Для наименьшего повреждения поверхности трения необходимо, чтобы во фрикционной связи прочность по мере удаления от поверхности взаимодействия возрастала. В этом случае разрушение всегда будет происходить в зоне взаимодействия, т. е. в пластичном, вязком теплопроводном слое, вырабатываемом из основных материалов. Такое положение формулируется как правило положительного градиента механических свойств. Упомянутое положение, по мнению авторов, является одним из методов повышения износостойкости фрикционных материалов.

Второе основное свойство, которым должен обладать непрерывно воспроизводящийся поверхностный рабочий слой под влиянием физико-химических процессов при торможении, заключается в гетерогенности (неоднородности) его структуры. Наилучшей формой гетерогенности авторы считают сетчатую ячеистую гетерогенность. Такая структура, состоящая из пластичной основы с микро- и субмикроскопическими твердыми частицами, способствует повышению сопротивления пластической деформации. Кроме того, силы трения повышаются за счет образования тонких мостиков схватывания или сваривания, разрушение которых не вызывает глубинного вырывания.

Результаты исследований по созданию новых металлокерамических и пластмассовых фрикционных материалов, а также исследования процессов в этих материалах содержатся во многих работах. Например, в работе изложены результаты исследований пластмасс, а также металлокерамики при работе их по чугуну ЧНМХ. Фрикционные материалы испытывались на машине И-47 и в камерных тормозах. Исследования показали, что на поверхности трения фрикционных материалов при их работе происходят сложные процессы: окисление, восстановление, плавление и т. д. Исследования подтвердили образование поверхностного слоя, отличающегося по структуре от исходных материалов. При небольших температурах происходит взаимное внедрение поверхностей трения испытываемых пластмасс и чугуна. При высокой температуре происходит выгорание связующего (каучука или фенолформальдегидной смолы).

Лучшие качества одной из пластмасс авторы объясняют присутствием в ней латунной проволоки. На поверхности трения чугуна образуется промежуточный слой из гетерогенного сплава на медной основе, создающий положительный перепад механических свойств по глубине, а также хорошо противостоящий передеформированию.

Металлокерамика, поверхностный слой которой после работы имеет гетерогенную структуру с мелкими включениями окиси кремния и графита, легко размягчающуюся при повышении температуры, обладает лучшей износостойкостью.

При твердости 145—156 кгс/мм2 в структуре чугуна присутствуют феррит, окружающий прожилки графита, и перлит. Наличие феррита способствует снижению коэффициента трения при температуре 300—400 °С. При твердости 224—242 кгс/мм2 в неоднородной структуре чугуна, кроме перлита, цементита и фосфидной эвтектики, имеется гнездообразная графитная эвтетика. Коэффициент трения такого чугуна снижается меньше и наибольшее его снижение происходит при температуре 500—600 °С. Хорошие результаты при испытании показали фосфористый перлитный чугун и высокопрочный изотермически закаленный чугун.

Для ускорения и облегчения создания теплопроводного и теплоемкого рабочего слоя, обеспечивающего лучшую приработку, рекомендуется искусственно наносить на поверхность трения тормозного барабана слой пластичного металла методом металлизации или гальваническим способом. Такой слой в несколько микрон обеспечит, по мнению авторов, равномерное распределение давлений, отсутствие местных температурных вспышек, повысит стабильность коэффициента трения, уменьшит склонность к трещинообразованию.

При создании новых фрикционных материалов для работы в тяжелонагруженном тормозе недостаточно, как указывается в работе, иметь только высокую его жаропрочность. Практикой установлено, что не все жаростойкие материалы хорошо работают при трении. Материалы аустенитного класса вследствие большой вязкости имеют высокий коэффициент трения. При трении этих материалов появляется интенсивное схватывание поверхностей и их разрушение.

Карбидные жаропрочные материалы не склонны к схватыванию, но имеют низкий коэффициент трения, так как из-за малой фактической площади контакта возникают очень высокие удельные давления и контактные напряжения. Это приводит к выкрашиванию карбидных составляющих поверхности трения и затрудняется переход к внутреннему трению.

По мнению автора, фрикционный материал должен состоять из жаропрочного сетчатого скелета, наполненного вязким, пластичным материалом с фрикционными частицами.

Вопросам исследования износостойкости различных чугунов и сплавов при разных условиях трения посвящена работа. В этой работе изложены также результаты исследований механических и физических свойств чугунов и сплавов при высоких температурах.

Исследования влияния различных ингредиентов на фрикционные свойства пластмасс приведены в работах. Было исследовано большое количество ингредиентов: сурик железный, барит, асбест, графит аморфный, порошок свинца, латунная проволока и т. д. В качестве связующего применялись фенолформальдегидные смолы.

По предварительным испытаниям при определенном удельном давлении, скорости скольжения и температуре были составлены два ряда, в которые ингредиенты размещали в порядке убывания коэффициента трения (фрикционный ряд) и возрастания линейного износа (ряд износостойкости). По этим данным автор рекомендует выбирать фрикционные ингредиенты с учетом их теплопроводности и влияния на износ контртела. Затем подбиралось теплостойкое связующее с хорошими упругими свойствами при высокой температуре и обладающее способностью образовывать коксообразные продукты с высокими механическими свойствами.

Кроме того, в этих работах даются рекомендации по повышению и стабилизации коэффициента трения за счет дополнительной термической обработки фрикционного материала при температуре 400—600 °С.

Значительное место в работах отводится исследованиям процессов распада органических связующих пластмасс с выделением жидких и газообразных продуктов. Наиболее интенсивное разложение смолы 4Пп0гНГ’)еДИентов наблюдалось при температуре 300— U0 С (без доступа кислорода). В присутствии кислорода воздуха при температуре 300—400°С выделялись олько жидкие продукты, а при более высокой темпера->т,Ге увеличивался процент выхода газообразных ве-дП (С02, СН4, СО и др.).

Изменения характера разложения связующего в сторону уменьшения выделения жидких и газообразных продуктов, уменьшающих коэффициент трения, к смоле ФФК-30 добавлялись химические ингредиенты продукты разложения которых обладают окислительными свойствами (СиБОгБНгО) или восстановительными свойствами (NH4C1).

Исследования показали, что ингредиенты первого типа уменьшают выход жидких веществ при всех температурах испытания, увеличивают выход СО и С02 и уменьшают выделение органических газообразных продуктов. Это объясняется более глубоким расщеплением молекул связующего.

Ингредиенты второго типа (хлористый аммоний) мало влияют на расщепление молекул связующего. Коэффициент трения при испытании образцов с добавлением хлористого аммония имеет такие же характеристики, как и без него. А введение в формовочную массу, из которой изготовлялись образцы, веществ, обладающих окислительными свойствами, позволило получить коэффициент трения, не имеющий резкого падения при температурах 300—500 °С. При добавлении более сильных окислителей (КМГ1О4, NaN03) в области тех же температур можно получить даже максимальный коэффициент трения.

Таким образом, регулируя состав и количество вводимых ингредиентов, обладающих окислительными свойствами, можно добиться повышения коэффициента трения и ликвидировать воспламеняемость неметаллических материалов, так как эти ингредиенты уменьшают количество выделяемых газообразных органических продуктов.

Основные принципы создания и производства фрикционных металлокерамических материалов, а также отдельных их составляющих приводятся в работах. Излагаются технологические процессы изготовления изделий из фрикционной металлокерамики и легированного чугуна.

Рассматриваются результаты исследований влияния отдельных компонентов, входящих в состав металлокерамики, на фрикционные характеристики и износостойкость.

Исследования структурных изменении в металлоке-ическом фрикционном материале на железной осно-Ре с добавлением некоторых карбидов и окислов при тпении описаны в работе. Новый материал испытывали по чугуну ЧНМХ; испытания показали, что в поверхностных слоях обоих элементов фрикционной пары обнаруживаются новые структуры на глубине до 60—70 мкм.

Структурные изменения на фрикционных материалах при торможении исследовались в двух направлениях: изучались изменения структуры при единичном торможении в зависимости от его продолжительности и нагрузки и структурные изменения, в зависимости от числа торможений. Эти исследования показали, что при нестационарном тепловом режиме (на установке ИМ-58) в структуре фрикционных материалов происходят в процессе работы скачкообразные изменения, носящие необратимый характер.

Фрикционные свойства сталей различного химического состава описаны в работе. Кроме того, в этой же работе приведены результаты исследований влияния среды и дополнительного охлаждения на характер изменения фрикционных свойств и износостойкости стали. Исследования трения металлокерамики по чугуну показали, что износ, а также коэффициент трения в нейтральной среде больше, чем в среде кислорода и воздуха. Дополнительное охлаждение снижает температуру и уменьшает износ, но практически не повышает фрикционных свойств пары трения чугун — металлокерамика.

Различные химические элементы оказывают разное воздействие на фрикционные характеристики сталей. Алюминий, хром, молибден, марганец повышают фрикционные свойства; медь, титан, кремний — не влияют на эти свойства. Исключением является алюминий, который увеличивает износ металлокерамики в 1,5 раза.

Зависимости коэффициента трения и интенсивность изнашивания от скорости скольжения и удельных нагрузок для некоторых фрикционных материалов приве. дены в работе. Как указывают авторы, при увеличении скорости скольжения коэффициент трения пере-ходит через максимум. При увеличении удельных нагрузок максимум смещается к началу координат и в некоторых случаях имеется только падающая ветвь кривой. Для некоторых материалов при больших скоростях скольжения возможно также возрастание коэффициента трения. При постоянной температуре с увеличением удельных давлений, как правило, коэффициент трения снижается, а интенсивность изнашивания возрастает в связи с увеличением числа контактирующих участков. Интенсивность изнашивания при постоянном давлении и температуре (в объеме фрикционного материала) при возрастании скорости уменьшается. Интенсивность изнашивания обычно резко возрастает с по-вышением температуры, а коэффициент трения при этом снижается. Большое влияние на фрикционные свойства пары трения оказывает температурный градиент, который изменяется в зависимости от условий теплоотдачи. Для полной характеристики температурного поля рекомендуется учитывать температуру поверхности трения и объемную температуру, а также градиент температуры по глубине материалов.

В связи с тем, что трение в фрикционных узлах представляет весьма сложный комплекс одновременно протекающих различных процессов, достаточно простая количественная зависимость для определения коэффициента трения и износа с учетом всех этих процессов пока не получена. Для инженерных расчетов часто пользуются эмпирическими зависимостями. Предприняв та попытка установить зависимость для определения коэффициента трения на основании статистических данных, полученных в результате стендовых испытании натурных дисковых тормозов.

Экспериментальные исследования показали, что при прочих равных условиях увеличение Квз приводит к росту объемной температуры, снижению температурного градиента и коэффициента трения и к увеличению износа.

Влияние коэффициента взаимного перекрытия на коэффициент трения, возникающую при этом температуру и интенсивность изнашивания фрикционных пластмасс с различными ингредиентами представлено также в работах.

Анализ многочисленных исследований показывает, что одним из главных факторов, вызывающих изменение коэффициента трения, а также износа, является интенсивность нарастания и величина температуры, которая влияет на процессы, протекающие в поверхностных слоях фрикционных материалов.

В связи с этим в последние годы проведены обширные исследования по изучению температуры в трущихся Деталях и температурных полей, по исследованию влияния температуры и температурного градиента на работу трущихся деталей.

Большое внимание тепловым явлениям при изучении сущности и механизма процесса схватывания уделено в работах.

Тепловая задача трения относится не к классической теории теплопроводности, а к науке о трении и изнашивании трущихся поверхностей. Решению тепловой задачи при трении посвящены аналитические и экспериментальные исследования многих авторов.

В указанных работах приводятся результаты исследований температурных полей узлов сухого трения; показано влияние температурного поля фрикционной пары на коэффициент трения и износ материалов; приводится аналитическое решение тепловой задачи при трении; рассмотрены вопросы влияния различных факторов на температуру поверхности трения и температурный градиент и др.

Тепловая задача трения в инженерном смысле сводится к решению дифференциальных уравнений в частных производных. Но сложность ее состоит и в том, что граничные условия содержат трудно определимые величины: коэффициент теплообмена с внешней средой, интенсивность теплового источника трения и др. Не менее сложна задача о температурных напряжениях в материалах трущейся пары, которая также не решена полностью.

Основные вопросы инженерного расчета характеристик внешнего трения при торможении, данные по новым испытательным установкам и методам испытаний фрикционных материалов приведены в монографии. Значительное место в работе отведено тепловой динамике трения и решению температурной задачи. На основании аналитических и экспериментальных исследований сформулированы общие условия подобия применительно к различным тепловым задачам трения.

В нашей стране разработаны и внедрены в эксплуатацию новые фрикционные материалы. Например, создан теплостойкий фрикционный материал ФК-16л, который имеет значительно лучшие показатели по коэффициенту трения и износостойкости по сравнению с применяемыми ранее фрикционными пластмассами.

Во многих исследованиях отмечается, что при трении происходят физико-химические процессы, но сущность их не. всегда в полной мере раскрыта. Как показали работы П. А. Ребиндера, Б. И. Костецкого, Н. Л. Голего и других авторов, характер деформирования при трении твердых тел резко изменяется под влиянием протекающих физико-химических процессов. Поэтому для разработки научно обоснованных методов повышения долговечности тормозных устройств необходимо проводить исследования в этой области для изучения всех физико-химико-механических явлений и процессов, возникающих в поверхностных слоях фрикционных узлов при работе тормоза, с применением современных приборов, а также методов физического и химического анализа, позволяющих изучить микро- и субмикроскопические явления.

Читать далее:

Категория: - Долговечность и эффективность тормозных устройств

Главная → Справочник → Статьи → Форум



Разделы

Строительные машины и оборудование
Для специальных земляных работ
Дорожно-строительные машины
Строительное оборудование
Асфальтоукладчики и катки
Большегрузные машины
Строительные машины, часть 2,
Дорожные машины, часть 2
Ремонтные машины
Ковшовые машины
Автогрейдеры
Экскаваторы
Бульдозеры
Скреперы
Грейдеры Эксплуатация строительных машин
Эксплуатация средств механизации
Эксплуатация погрузочных машин
Эксплуатация паровых машин
Эксплуатация экскаваторов
Эксплуатация подъемников
Эксплуатация кранов перегружателей
Эксплуатация кузовов машин
Крановщикам и стропальщикам
Ремонт строительных машин
Ремонт дорожных машин
Ремонт лесозаготовительных машин
Ремонт автомобилей КАмаЗ
Техническое обслуживание автомобилей
Очистка автомобилей при ремонте
Материалы и шины

 

Поиск по сайту:


Статьи по теме::
Основные пути повышения долговечности и эффективности тормозных устройств
Износостойкость и физико-химические процессы при трении металлокерамики фмк-11 по чугуну
Износостойкость и физико-химические процессы при трении ретинакса фк-16л по чугуну чнмх
Исследования фрикционных материалов в лабораторных условиях коэффициент трения и температура
Детали тормозных устройств, работающие в условиях смазки
Детали тормозных устройств, работающие в условиях сухого трения
Методика исследования физико-химических процессов в материалах фрикционных узлов
Проведение исследований на испытательной машине
Испытательная машина
Требования к фрикционным материалам


Остались вопросы по теме:
"Краткий обзор исследований по фрикционным материалам"
— воспользуйтесь поиском.


Машины городского хозяйства
Естественная история машин
Транспортная психология
Пожарные автомобили
Автомобили-рефрижераторы
Монтаж и эксплуатация лифтов
Тракторы