Специальность 05.02.04 – Трение и износ в машинах (техн. наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2013
Работа выполнена на кафедре трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина»
Научный руководитель: Елагина Оксана Юрьевна доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой трибологии и технологий ремонта Н/Г оборудования ФГБОУ ВПО РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина.
Официальные оппоненты: Буяновский Илья Александрович доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией методов смазки машин ФГБУН ИМ имени А.А. Благонравова РАН Волков Николай Викторович кандидат технических наук, доцент кафедры физических проблем материаловедения ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Ведущая организация: Государственный научный центр РФ – Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения»
ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»
Защита диссертации состоится 28 мая 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.200.07 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина по адресу: 119991, ГСП – 1, Москва, Ленинский проспект, 65.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина.
Автореферат разослан «_» 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Гинзбург Э.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Тормозные устройства являются высокоответственными узлами в любом механизме, и от надежности их работы напрямую зависит безопасность эксплуатации механизма в целом. Они широко применятся в машинах и оборудовании различных отраслей промышленности, включая нефтяную и газовую отрасли. Основным фактором, определяющим эффективность 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 С и 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.
Демкин, Я.С. Подстригач, Д.В. Грилицкий, М.И. Петроковерц и другие. Значительный вклад 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 настоящее время 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 тормозных устройствах. Специфика нефтегазовой отрасли, характеризующейся присутствием абразивных частиц, дополнительно усложняет эту задачу за счет ограничения возможности применения ряда материалов и конструкций. Существующие методы, позволяющие увеличить теплоотвод из зоны трения отличаются значительным усложнением конструкции и применением дорогостоящих материалов. Таким образов разработка новых подходов в конструировании 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 тормозные устройства машин и технологического оборудования, работающие в условиях циклического нагружения.
Целью 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:
Провести экспериментальные исследования по определению величины составляющих энергетического баланса при торможении в зависимости от параметров и материалов тормозного устройства и разработать расчетный способ их определения.
Разработать методику и выполнить экспериментальные исследования по определению температуры нагрева зоны контакта тормозных дисков разной конструкции при трении для оценки эффективности теплоотвода.
Выполнить экспериментальные исследования по определению зависимости коэффициента трения тормозных устройств от температуры нагрева.
Разработать новый подход к конструкции тормозного диска, обеспечивающий повышение эффективности теплоотвода в зоне контакта при торможении и провести его экспериментальную апробацию.
Научная новизна работы 1. Выявлены параметры, определяющие соотношение тепловой и механической составляющей энергетического баланса при трении без смазочного материала и разработана расчетная модель изнашивания фрикционной колодки. Показано, что увеличение износа фрикционной 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, что эффект от применения биметаллических поверхностей зависит от соотношения толщины поверхностного слоя и теплоотводящей вставки и может снизить температуру разогрева тормозного диска от 36 до 50%.
3. Экспериментально показана возможность стабилизации коэффициента трения при использовании биметаллических поверхностей. Снижение температуры разогрева контактной биметаллической поверхности способствует сужению диапазона разброса значений коэффициента трения в 1,5 раза и более по сравнению с монолитной стальной поверхностью.
Практическая значимость проведенных исследований определяется возможностью увеличения срока эксплуатации и эффективности работы тормозных устройств.
1. Разработана конструкция биметаллического тормозного диска, обеспечивающая снижение температуры разогрева контактной поверхности и стабилизацию коэффициента трения.
2. Определены геометрические соотношения стальной и медной составляющих биметаллической поверхности, обеспечивающие наибольшую эффективность теплоотвода из 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 по составляющим 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 при различных режимах их работы.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального анализа процессов трения и изнашивания в дисковом тормозном устройстве;
2. Инженерная методика прогнозирования распределения энергии трения по составляющим энергетического баланса и оценки времени наработки до отказа фрикционной накладки;
3. Методическое обоснование нового подхода для снижения температуры нагрева тормозного диска за счет использования биметаллического поверхностного 4. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность предложенных конструктивных решений.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования, использованием современных математических методов моделирования физических процессов при трении и изнашивании, статистической обработкой результатов измерений, полученных в ходе выполнения настоящей работы и их сопоставления с литературными данными, практической реализацией разработанных научных и технических решений.
Апробация работы Результаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях: 62-й студенческой научной конференции «Нефть и газ – 2008» (Москва, 2008), 63-й студенческой научной конференции «Нефть и газ – 2009» (Москва, 2009), III Московской межвузовской научно-практической конференции «Студенческая наука» (Москва, 2009), 8-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2010), 12-й международной научнопрактической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, 2010), Девятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2011), 9-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012).
Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 4 опубликованы в рекомендованных ВАК РФ журналах, 1 патент на полезную модель.
Объем и структура работы Диссертационная работа изложена на 152 стр., включая 19 табл., 44 рис. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 47 наименований.
Благодарности Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научное руководство и помощь на всех этапах от постановки задачи до выполнения работы научному руководителю профессору, д.т.н. О.Ю. Елагиной.
Особая благодарность к.т.н., доценту, Гантимирову Б.М., а также коллективу кафедры трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования ФГБОУ РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина: проф. Пичугину В.Ф., доц. Бурякину А.В., доц. Гусеву В.М., инж.
Слободянникову Б.А., инж. Канунникову Н.Н., инж. Буклакову А.Г. за неоценимую помощь в ходе подготовки диссертации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований, определены цели и задачи работы, рассмотрены научная новизна и практическая ценность исследований и формулируются основные положения, выносимые на защиту.
Глава 1. АНАЛИЗ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ
В этой главе обобщены литературные и патентные сведения по изучаемой проблеме.
В первом параграфе рассмотрены эксплуатационные характеристики и виды конструкций тормозных устройств. Показано, что основной характеристикой тормозных устройств является преобразование кинетической энергии движения в тепловую энергию;
показано, что параметром, лимитирующим эксплуатационные характеристики тормозных устройств является температура разогрева контактных поверхностей, вызывающая изменение коэффициента трения и эффективности торможения.
Во втором параграфе проведен анализ материалов, используемых при конструировании тормозных устройств. Показано, что широко используемые материалы имеют существенные ограничения по температуре эксплуатации. В частности, чугун, один из наиболее широко используемых материалов при изготовлении тормозных дисков, имеет температурный предел эксплуатации 400 – 600 °С. Температурный предел эксплуатации наиболее распространенных и относительно недорогих углеродистых сталей также составляет около 300 – 400 °С. Повышение температуры эксплуатации за счет увеличения степени легирования не всегда является экономически выгодным. Остальные же материалы, способные работать при повышенных температурах, в настоящее время не нашли широкого применения в связи с их высокой стоимостью.
В третьем параграфе рассмотрен энергетический баланс при трении. Энергия выделяющаяся при трении преимущественно трансформируется в тепловую и механическую составляющие. Анализ литературных данных показывает, что в общем случае наибольшая часть работы внешнего трения превращается в теплоту, меньшая идет на изменение внутренней энергии поверхностных слоев металла. При использовании высокопрочных материалов и отсутствии заметных остаточных деформаций поверхностных слоев практически вся работа внешнего трения трансформируется в теплоту. Это определяет ведущее значение процессов тепловыделения и теплораспределения при работе тормозных устройств. В то же время на основе представленных исследований нельзя сделать окончательного вывода о влиянии на процесс преобразования кинетической энергии при трении характеристик материала контактных поверхностей, нормального давления, скорости относительного перемещения и пути трения.
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА В УСЛОВИЯХ
ТРЕНИЯ БЕЗ СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА
Данная глава посвящена исследованию распределения энергетического баланса при трении без смазочного материала. Проведены экспериментальные исследования по оценке влияния параметров трения на распределение энергии по тепловой и механической составляющим энергетического баланса; разработана методика расчета рациональных параметров тормозного устройства на основе сокращения величины энергии, идущей на деформацию фрикционной накладки тормозного устройства при торможении; проведена экспериментальная проверка полученных закономерностей.
Первый параграф этой главы посвящен методике проведения экспериментальных исследований энергетического баланса при трении контактных поверхностей в условиях трения скольжения без смазки. Для экспериментальной оценки долевого распределения энергии, выделяющейся в процессе трения скольжения без смазки, была использована опытная установка для возвратно – поступательного трения по высокотвердому фрикционному материалу, имитирующая основные особенности процесса торможения. Конструкция установки позволила аккумулировать и замерить величину энергии трения, выделяющуюся в виде теплоты в металлическом контртеле. Для имитации условий нагружения контактной поверхности тормозного диска в неподвижном штоке установки закреплялся образец цилиндрической формы с диаметром контактной поверхности 10 мм, который прижимался к поверхности монолитного абразива под фиксированной нагрузкой. Для оценки влияния механических свойств материалов контактирующих поверхностей на распределение энергии, выделяющейся при трении, образцы имели соотношение по твердости в диапазоне от 5 до 15 единиц. Методика проведения испытаний включала в себя этапа. На первом этапе проводилось определение общей мощности трения. На втором этапе определялась доля тепловой составляющей энергетического баланса.
Измерение мощности, потребляемой на преодоление трения, осуществлялось при четырех значениях контактных нагрузок. По общей мощности, затраченной установкой на трение образца под фиксированной нагрузкой определялась общая энергия процесса трения, а также рассчитывался коэффициент трения.
Второй этап исследований заключался в определении доли тепловой составляющей энергетического баланса. Общее количество теплоты, выделившееся в процессе трения, определялось методом калориметрирования испытываемого образца. Для замера выделившейся в процессе трения тепловой энергии, образец после остановки установки сразу помещался в водяной калориметр. На основе полученных данных по приросту температуры воды в калориметре, определялись значения тепловой энергии, накопленной образцом за время одного цикла испытаний. Из разницы полученных значений общей мощности трения и тепловой энергии рассчитывалась величина механической составляющей энергетического баланса и определялось их долевое соотношение в энергетическом балансе.
В результате реализации предложенной методики были найдены соотношения тепловой и механической составляющих в энергетическом балансе при разных условиях испытаний.
Во втором параграфе был проведен анализ результатов экспериментальных исследований энергетического баланса при трении контактных поверхностей в условиях трения без смазочного материала, определены энергетические затраты на механическое разрушение образца и найдено долевое соотношение механической и тепловой составляющих энергетического баланса при трении без смазочного материала (рисунок 1).
Рисунок 1 - Зависимость тепловой составляющей энергии трения от удельной нагрузки для сталей с разными значениями прочностных свойств Как видно из представленных данных параметрами, определяющими соотношение тепловой и механической составляющих в энергетическом балансе в условиях сухого трения, являются удельная нагрузка на контакте и механические свойства контактирующих поверхностей. С увеличением удельной нагрузки наблюдается рост доли механической составляющей с соответствующим снижением доли выделяющейся теплоты. Использование для контактирующих поверхностей тормозных устройств материалов с меньшей разницей в прочностных свойствах может существенно снизить долю механической составляющей в энергетическом балансе при трении, уменьшая за счет этого износ менее прочного контртела.
Третий параграф посвящен расчетному определению энергетического баланса в зависимости от параметров трения. Энергетический баланс процесса трения тормозного устройства в единицу времени можно представить следующим образом:
- общая мощность трения, Дж/с, W = трNv;
Wдеф - механическая составляющая, Дж/с;
Wтепл - тепловая составляющая, Дж/с;
- относительная скорость перемещения, м/с.
В данной главе, опираясь на теорию удельной энергии изменения формы и учитывая нормальные и тангенциальные напряжения, возникающие в поверхностном слое при трении была выведена формула для определения механической составляющей энергии трения:
Wуд - доля энергии трения, затраченная на деформацию металла в единице объема поверхностного слоя металла;
Vед - единичный объем деформируемого металла в единицу времени, м3/с;
В – ширина зоны контакта, м;
v – cкорость скольжения, м/с;
h – величина деформации в направлении, перпендикулярном поверхности нагружения, м;
tp - относительная площадь контакта.
С помощью данной методики был произведен расчет доли тепловой составляющей энергетического баланса для всего диапазона изменения нагрузок, использованных при проведении эксперимента. Анализ данных показывает, что средняя погрешность расчетных данных к экспериментальным не превышает 10 %, что позволяет использовать данную методику расчета для определения долевого соотношения составляющих энергетического баланса в условиях внешнего трения, а также для определения влияния параметров трения тормозных устройств на характеристики энергетического баланса при торможении.
Четвертый параграф посвящен определению рациональных параметров тормозного устройства. Использование предложенной методики расчета применительно к контактным поверхностям тормозных устройств позволяет оценить влияние основных конструктивных элементов на распределение энергии торможения по составляющим энергетического баланса. При этом следует учитывать, что механическая составляющая энергетического баланса будет преимущественно поглощаться материалом фрикционной накладки. В то же время тепловая составляющая будет распределяться в объеме тормозного диска вследствие значительной разницы в характеристиках теплопроводности металла и фрикционной колодки.
Если преобразовать зависимость для определения механической составляющей энергетического баланса с учетом особенностей внедрения тормозного диска в фрикционную накладку и физико-механических свойств фрикционной накладки, то механическая составляющая энергетического баланса примет следующий вид:
R – радиус микронеровности поверхности тормозного диска, м;
«