- •Трибология
- •Физические основы,
- •Механика и технические
- •Приложения
- •Оглавление
- •Глава 1. Основные представления о контактировании и трении соприкасающихся поверхностей 10
- •Глава 2. Динамические процессы в узлах трения 37
- •Глава 4. Изнашивание 88
- •Глава 5. Триботехника 140
- •Введение
- •Глава 1 Основные представления о контактировании и трении соприкасающихся поверхностей
- •1.Анализ контактирования и оценка площади соприкосновения
- •2.Трение скольжения
- •3.Влияние скорости скольжения и температуры на свойства контакта и фрикционные колебания
- •4.Трение качения
- •5.Гидродинамическое трение
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Глава 2 динамические процессы в узлах трения
- •6.Общая характеристика динамических явлений в узлах трения
- •7.Узел трения как объект моделирования в динамике машин
- •8.Динамическая характеристика узлов трения Инерционные свойства узлов трения
- •Характеристика возбуждающих сил в узлах трения
- •Упругие свойства узлов трения
- •Диссипативные свойства узлов трения
- •Механизм рассеяния энергии при тангенциальных колебаниях
- •9.Общая схема оценки величины динамического нагружения в узлах трения
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Глава 3 Строение, физико-химические свойства и особенности состояния поверхностного слоя трущихся деталей
- •10.Строение, структура и дефекты материалов пар трения
- •11.Физические свойства поверхностных слоев
- •12.Влияние механической обработки на служебные свойства поверхностного слоя. Характеристики шероховатости поверхностей
- •13.Краткая характеристика некоторых вопросов теории строения, природы свойств и состояния материала поверхностных слоев
- •14.Обзор известных способов оценки активационных параметров разрушения материалов
- •15.Р азработка и теоретическое обоснование нового способа оценки активационных параметров материалов при склерометрировании
- •16.Применение склерометрии для оценки энергии активации термомеханической деструкции смазочных материалов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •17.Характеристика карбонофторидов
- •5.3.5. Требования к смазочным системам транспортных машин
- •18.5.4. Методы обеспечения высоких эксплуатационных свойств узлов трения
- •5.4.1. Специфика конструирования узлов трения
- •5.4.2. Основы расчетов при проектировании подшипников скольжения
- •5.4.3. Инженерные расчеты при использовании подшипников качения Классификация подшипников качения
- •Расчет подшипников качения при статическом нагружении
- •Нагрузки на тела качения
- •Оценка предельной быстроходности подшипников качения
- •Расчет потерь на трение в подшипниках качения
- •Гидродинамический режим смазки подшипника качения
- •5.4.4. Основные принципы конструирования подшипниковых узлов
- •5.4.5. Новое направление в обеспечении надежности и высокого ресурса опор роторных систем - магнитный подвес
- •5.4.6. Оценка долговечности узлов трения методами теории вероятности
- •19.5.5. Технологические методы обеспечения высокой износостойкости узлов трения
- •Химико-термическая обработка (хто)
- •Поверхностная закалка
- •Электрохимические покрытия
- •Химическая обработка
- •Механотермическое формирование износостойких покрытий
- •Наплавка износостойких слоев
- •Напыление покрытий из порошковых материалов
- •Ионно-плазменные методы
- •Плакирование
- •Механическое упрочнение поверхностей
- •Характеристика электролитического осталивания
- •Основные элементы ресурсоповышающих мероприятий:
- •20.5.6. Обеспечение надежности узлов трения транспортных машин в эксплуатации Система обеспечения надежности
- •Силовые платформенные стенды
- •Методы и средства диагностирования рулевого управления и элементов передней подвески.
- •21.5.7. Новая техника для промывки деталей узлов трения
- •23.Библиографический список.
- •Глава 5 триботехника
- •24.5.1. Характерные узлы трения транспортных машин
- •5.1.1. Основные узлы трения и изнашивание в двигателях внутреннего сгорания
- •5.1.2. Агрегаты шасси, трансмиссии и рулевого управления
- •5.1.3. Шины и проблемы движения колесных машин
- •25.5.2. Конструкционные материалы узлов трения
- •5.2.1. Металлические антифрикционные материалы
- •5.2.2. Антифрикционные материалы, получаемые из порошков и пластмасс
- •5.2.3. Фрикционные материалы
- •5.2.4. Полимерные материалы
- •Материалы на основе полиимидов
- •Материалы на основе поликарбоната
- •Материалы на основе полиэтилена
- •Материалы на основе полиарилатов
- •Материалы на основе эпоксидных смол
- •Материалы на основе фенолформальдегидных полимеров (ффп)
- •26.5.3. Смазывание и смазочные материалы
- •5.3.1. Назначение смазочных материалов
- •5.3.2. Смазочные масла, их физико-механические свойства и методики оценки характеристик
- •5.3.3. Состав масел и механизм смазочного действия. Роль функциональных присадок к смазочным маслам
- •28.Усталостное изнашивание
- •29.Абразивное изнашивание
- •30.Коррозионно-механическое изнашивание
- •31.Водородное изнашивание
- •32.4.2. Кинетическая интерпретация изнашивания
- •33.4.3. Термодинамическая интерпретация изнашивания
- •34.4.4. Физические методы изучения состояния поверхностных слоев
- •35.Фрактография износа
- •36.4.5. Применение рентгеновских методов исследования в трибологии
- •4.5.1. Пример исследования изнашивания шарниров шасси самолетов
- •4.5.2. Пример исследования изнашивания чугунных поверхностей
- •4.5.3. Пример комплексного исследования изнашивания при фреттинг-коррозии титановых сплавов
- •37.4.6. Общие сведения о проблеме моделирования изнашивания
- •4.6.2. Феноменологический подход
- •4.6.3. Концептуальный подход
- •4.6.4. Металлофизический подход
- •4.6.5. Термодинамический подход
- •4.6.6. Кинетический подход
- •4.6.7. Синергетический подход
- •4.6.8. Системе понятий использованных при разработке новой кинетической модели изнашивания
- •4.6.9. Процесс разработки и характеристика кинетической модели изнашивания
- •38.Заключение
- •39.Библиографический список
5.2.3. Фрикционные материалы
В отличие от антифрикционных фрикционные материалы должны обладать высоким и стабильным коэффициентом трения, достаточной износостойкостью, прочностью, устойчивостью к температурным скачкам, воздействию абразива и агрессивных сред. В частности, материалы тормозов и фрикционных муфт должны обеспечивать плавное срабатывание системы без автофрикционных колебаний, проявляющихся в форме скрипа при торможении, или пробуксовки и обеспечивать высокий срок службы. При торможении вся кинетическая энергия транспортного средства в тормозах рассеивается в тепло. Поэтому в момент торможения температура трущихся поверхностей, например в тормозе самолетов, достигает 1200С, а в объеме тормозной накладки до 600С. В тормозах автомобилей эти температуры соответственно могут достигать 400С и 200С.
Для изготовления ряда элементов наиболее нагруженных фрикционных устройств- тормозов и муфт сцепления - применяются материалы, получаемые методом порошковой металлургии. Наибольшее распространение получили материалы на основе железа и меди. Состав материалов на основе железа приведен в табл. 5.3.
Таблица 5.3.
Состав фрикционных порошковых материалов на железной основе
Марка материала |
Массовая доля, % |
Другие добавки, % |
|||||
Fe |
Cu |
Ni |
Графит |
SiO2 |
Асбест |
||
ФМК - 8 |
45 |
- |
25 |
7 |
- |
- |
10Cr; 6W; 7Cu2S |
ФМК - 11 |
64 |
15 |
- |
9 |
3 |
3 |
6BaSO4 |
МКВ - 50А |
64 |
10 |
- |
8 |
- |
3 |
5FeSO4 ; 5SiC; 5B4С |
СМК - 80 |
48 |
23 |
- |
- |
- |
- |
6,5Mn; 6,5BN; 10B4С; 3,5SiC; 2,5MoS2 |
Первые три материала разработаны для тяжелонагруженных тормозов и муфт самолетов и военной техники. Материал СМК-80 применяется в тормозах и муфтах сцепления большегрузных автомобилей - карьерных самосвалов грузоподъемностью более 65 т.
Спеченные материалы на основе меди также широко используются в тяжелых транспортных средствах. В табл. 5.4 приведены данные о составе фрикционных материалов на медной основе.
Таблица 5.4.
Состав фрикционных порошковых материалов на медной основе
Массовая доля, % |
Другие добавки, % |
||||||
Cu |
Sn |
Pb |
Fe |
Графит |
Асбест |
SiO2 |
|
6876 |
810 |
79 |
35 |
68 |
- |
- |
- |
6075 |
610 |
20 |
5 |
18 |
- |
- |
Ti, V, Si, 6MoS2, 210As |
18 |
2 |
3 |
3 |
3 |
30 |
- |
40 стеклянного волокна, 10 сульфида Al |
6886 |
510 |
515 |
2 |
48 |
3 |
3 |
до 2Ni |
75 |
8 |
5 |
4 |
120 |
- |
- |
0,75Si, 6Zn |
Наибольшее распространение получил материал МК5 (первая строка таблицы). В автомобильном и тракторостроении из этих материалов изготавливают тормозные диски, колодки и накладки для муфт сцепления.
Порошковая технология позволяет получать фрикционные материалы с заданными свойствами. Для автомобилей малой и средней грузоподъемности и для сельскохозяйственных и промышленных тракторов малой и средней мощности обычно используются фрикционные материалы на полимерной основе. Они применяются также в сельскохозяйственном и дорожно-строительном машиностроении, в буровой технике и т.д.
Как правило, в состав материалов входит 3 компонента:
теплостойкий армирующий материал с прочными волокнами, например асбест (1516%);
теплостойкие с высоким и стабильным коэффициентом трения порошкообразные наполнители неорганического происхождения (2060%);
полимерное связующее: натуральные и синтетические каучуки, синтетические смолы (1530%) с вулканизационными агентами или отвердителями, ускорителями и активаторами вулканизации или отверждения.
Наиболее распространенным армирующим элементом является уникальный природный минерал, добываемый открытым методом - асбест. Элементарные волокна асбеста имеют вид трубок с наружным диаметром около 32 нм и внутренним - 2,6 нм, т.е. в поперечном направлении волокно имеет размеры, характерные для коллоидно-дисперсных материалов. Элементарные волокна упакованы в пряди диаметром от нескольких десятков до сотен микрометров. В прядях волокна удерживаются силами межмолекулярного притяжения. Средняя длина волокна составляет 13 мм. По своей химической природе асбест является водным силикатом магния. Волокна асбеста обладают высокой прочностью на растяжение (до 3 гПа), много превышающей прочность стали. Полости волокон частично или полностью заполнены водой, которая образует на внутренней поверхности практически мономолекулярный слой, поэтому она проявляет свойства иные, чем обычная влага, удаляясь лишь при температуре выше 425С. Вид кристаллической решетки этого материала достоверно не установлен. Асбест обладает высоким коэффициентом трения (до 0,8), который слабо меняется в зависимости от температуры. То же можно сказать о прочности волокон, которая при нагревании до 400С снижается всего на 20%. Лишь при 800С наблюдается разрушение волокнистой структуры. Таким образом, асбест как будто специально создан как основа для фрикционного материала. Однако у асбеста имеется и существенный недостаток. Он считается экологически опасным материалом. Тончайшие моноволокна, попадая в воздух в виде пыли, образуют устойчивую взвесь, которая весьма медленно оседает. Попадая в легкие людей и животных, волокна поражают органы дыхания, вызывая заболевание "асбестоз". Пораженные участки легких могут стать центрами образования раковых клеток. Во многих странах уже запрещено использование асбеста в строительстве, электротехнике и других отраслях. Такие же тенденции наблюдаются и в производстве тормозных материалов, но найти эффективную замену асбесту пока не удалось. Имеются попытки заменить асбест волокнами из стекла, базальта, шлака, бора, углерода, но эти материалы еще не дали такого же эффекта, как асбест. В частности, нет такого материала, который так же, как асбест, очищал бы поверхность металлического контртела и при этом поглощал и связывал продукты изнашивания, не говоря о других качествах. Поэтому асбест пока сохраняет заслуженное лидерство среди компонентов фрикционных материалов.
Наполнителями асбестовых материалов служат железный сурик, баритовый концентрат, окислы хрома и других металлов. Добавляются также порошкообразный кокс, графит, технический углерод. Для повышения теплопроводности вводятся порошки и стружка из меди, латуни, цинка, алюминия, железа и т.д.
Связующими являются натуральные и искусственные каучуки и смолы, а также их комбинации. Используются бутадиеновые, бутадиен-тиррильные, бутадиенметилвинилпиридимовые, стирольные и другие синтетические каучуки. В качестве смол применяются фенол-формальдегидные, анилинфенолформальдегидные, кремнеорганические, эпоксидные компаунды и др. Одновременно вводятся вулканизаторы и отвердители.
Изделия на каучуковой основе обладают достаточно высоким коэффициентом трения и износостойкостью. Однако при повышении температуры выше 200 250 С коэффициент трения и износостойкость заметно снижаются.
Изделия на смоляной основе имеют большую теплостойкость, но обладают нестабильным коэффициентом трения, хрупкостью. Поэтому наилучший результат достигается при совместном использовании смол и каучуков. Неудачное сочетание связующих из-за нестабильности коэффициента трения приводит к возникновению автофрикционных колебаний (скрип и визг тормозов).
Фрикционные муфты и тормоза являются весьма ответственными узлами, поскольку определяют безопасность эксплуатации транспортных средств, поэтому при их разработке производится весьма точный и детальный расчет. Изготавливаются опытные образцы, которые проходят сначала лабораторные, затем стендовые и натурные испытания. Особо тщательно отрабатываются новые тормозные материалы, подвергающиеся длительным испытаниям по специальным методикам.
По способу изготовления фрикционные материалы на полимерной основе делятся на 4 группы: формованные (прессованные) материалы (колодки, накладки, секторы, пластины, вкладыши); вальцованные (ленты и накладки); тканные (ленты, накладки); картонно-латексные (накладки). Номенклатура и характеристики фрикционных и антифрикционных материалов очень обширна и содержится в справочной литературе.