Test bench for full-scale specimens of sintered polymer friction disks and metallic counterbodies

Abstract

Test bench for friction disks has been developed. It allows to investigate tribotechnical properties of material of full-scale specimens and to estimate the effect of friction material components on tribotechnical properties.

Full Text

Для фрикционных узлов автотракторной техники возможно применение различных фрикционных материалов: на полимерной, металлической, целлюлозно-бумажной и керамической основах. Условия эксплуатации каждого материала определяются совокупностью физико-механических, эксплуатационных и триботехнических характеристик, правильное определение которых характеризует надежность узла трения. Эксплуатационные требования, предъявляемые рынком к фрикционным дискам, используемым в узлах трения автотракторной техники: крутящий момент не менее 3000 Н·м; удельная тепловая нагрузка до 4×106 МВт/м2 (4 Вт/мм2); ресурс работы не менее 9000 ч. В последнее время наметилось серьезное изменение эксплуатационных требований к фрикционным материалам. Например, в дисковых тормозах большегрузных карьерных самосвалов БелАЗ максимальная работа трения достигает 9·103 Дж/см2 при скорости скольжения 80 м/с и давлении 5 МПа; сцепления новых тракторов МТЗ должны обеспечивать наработку не менее 10 000 ч; торможение современного пассажирского самолета в течение 30 с приводит к выделению около 450 000 кВт энергии, что эквивалентно энергии, затрачиваемой на нагрев 800 кг железа до 1500 °С, - поглощение фрикционным устройством такого количества энергии за небольшой промежуток времени приводит к резкому повышению температуры на поверхности трения (до 1200 °С) и в объеме фрикционного материала (до 500-600 °С). Анализ мирового рынка фрикционной продукции для узлов трения автотракторной техники (таких производителей, как Miba (Австрия), Hoerbiger (Германия), Wellman (США), Golden (Индия), F.P. Distribution (ЮАР), FCC (Япония)) показывает, что производство фрикционных изделий из металлокерамического материала занимает доминирующее положение (70-80%), при этом в общем объеме около 80% производимой продукции составляют изделия фрикционного назначения на основе меди (рис. 1). Столь широкое распространение металлокерамического материала объясняется высоким комплексом эксплуатационных и триботехнических свойств: хорошей теплопроводностью, высоким и стабильным коэффициентом трения и износостойкостью, возможностью эксплуатации при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения. Любой вид транспортной техники имеет передаточные и тормозные узлы, основные элементы которых - фрикционные диски, изготавливаемые в большинстве случаев в виде стальной несущей основы с нанесенным с двух сторон сплошным (или отдельными накладками) пористым порошковым фрикционным слоем с поверхностной системой маслоотводящих каналов и пазов. Как показывает мировая практика, применение того или иного фрикционного материала и моделирование его состава для конкретных условий эксплуатации начинаются с проведения стендовых испытаний. В большинстве случаев существующее испытательное оборудование позволяет исследовать триботехнические свойства материала натурных образцов, которые могут существенно отличаться от свойств, полученных в процессе эксплуатации фрикционного диска в узле. Кроме того, испытание натурных образцов фрикционных дисков позволяет объективно оценить влияние компонентов фрикционного материала на триботехнические свойства. В Институте порошковой металлургии (ИПМ) спроектирован и изготовлен стенд для испытаний фрикционных дисков «Улис» [1-3]. Схема и внешний вид стенда представлены на рис. 2. Стенд позволяет проводить испытания фрикционных дисков с внутренним зацеплением в условиях масляной среды в режиме тормоза по заданным исходным параметрам: осевому усилию сжатия, моменту инерции, расходу масла, скорости скольжения, количеству циклов торможения. В процессе испытаний непрерывно регистрируются: момент трения, температура поверхности трения, температура масла в узле трения, количество оборотов до полной остановки, время до остановки, давление в гидросистеме нагружения, вибрационные и акустические колебания. В процессе испытаний проводится контроль следующих параметров: - износ диска за количество задаваемых циклов торможения; - средний износ за одно торможение; - зависимость износа от продолжительности работы (количества циклов); - коробление (неплоскостность); - среднее значение коэффициента трения за торможение; - зависимость коэффициента трения от скорости скольжения; - зависимость коэффициента трения от продолжительности работы (количества циклов); - усадка дисков (размер по роликам). Основные технические характеристики стенда «Улис»: Частота вращения n, мин-1 ………………………………………... 500-5400 Момент инерции J, кг·м2 ………………………………………..….. 0,64-16 Размеры испытываемых дисков, мм ………………………………... 75-497 Максимальная осевая нагрузка, кН ………….…………………………. 120 Крутящий момент на валу, Н∙м ………………………………….…. 10-5000 Измерение температуры масла в узле трения стенда, °С ……….…. 10-300 Измерение температуры в узле трения стенда, °С ………………….. 10-800 Стенд для испытания фрикционных дисков состоит из регулируемого электропривода, связанного с валом блока инерционных масс в виде тела вращения, закрепленного на двух опорах. Вал узла инерционных масс через датчик крутящего момента, совмещенный с датчиком скорости, соединен с валом испытательного узла. Система контроля и управления позволяет осуществлять ввод параметров испытаний по заданному циклу, автоматически посредством исполнительного блока управлять работой основного электропривода, всех гидросистем стенда, регулировать давление и подачу смазки, управлять основным гидроцилиндром. Кроме того, система контроля и управления осуществляет постоянный контроль и анализ состояния узлов и механизмов стенда: температуры в подшипниковых узлах, температуры в узле трения, наличия давления масла в гидросистемах, контроль момента и скорости. При отклонении контролируемых параметров от заданных значений система отрабатывает алгоритмы устранения ошибок или прекращает выполнение программы испытаний. Система контроля и управления позволяет организовать испытания фрикционных дисков в автоматическом режиме по заданной циклограмме: запуск привода и разгон инерционных масс до заданной частоты вращения, выдержка на заданной частоте вращения, отключение привода и одновременное торможение фрикциона до полной остановки стенда, пауза перед новым циклом. Для проведения испытаний фрикционной пары трения используется комплект из одного фрикционного диска и двух металлических контртел. Стенд оснащен дополнительной системой регистрации результатов испытаний, осуществляемой с помощью компьютера со встроенной платой сбора данных. Регистрируются момент трения, скорость вращения, температура поверхности трения, давление в гидросистеме нагружения, акустические и вибрационные колебания. На рис. 3 представлены графики зависимости коэффициента трения от линейной скорости скольжения для реальных фрикционных дисков, выпускаемых ИПМ [4]. Перспективно использование стенда для испытаний фрикционных дисков с бумажным и полимерным фрикционными слоями. Уже проводились аналогичные работы для предприятий, выпускающих гидромеханические трансмиссии. Следует отметить возможность использования стенда для испытаний стальных дисков (контртел).