книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

смол могут быть применены в узлах сухого трения, но они также уступают композициям на основе ПТФЭ, а особенно удачно проявляют себя в условиях водяной смазки. При этом добавле­ ние небольшого количества абразивов (например, 0,1% частиц АЬОз диаметром 3 мкм) может повысить износостойкость до 400 раз путем истирания поверхности контртела.

7.Полиимид, являющийся относительно новым материалом, во многих случаях может успешно конкурировать с ПТФЭ (особенно в нагрузочной способности). Однако материалы на основе полиимида в настоящее время стоят очень дорого.

8.При использовании наполнителей необходимо комплексно

ния наполнителя в полимере и экономичности процесса в целом. Поэтому важно установить связь между концентрацией, а также геометрией наполнителя и реологическими свойствами компо­ зиций [114].

§2. ФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Кфрикционным материалам для тормозных устройств и муфт сцепления предъявляются следующие основные требова­ ния: высокие значения коэффициента трения и высокая изно­ состойкость при рабочих величинах давлений, температур и скоростей скольжения; высокая фрикционная теплостойкость; малая хрупкость, хорошая обрабатываемость и прирабатываемость к поверхности трения металлического элемента фрикцион­ ной пары; достаточная механическая прочность; отсутствие способности к намазыванию, прихватыванию и созданию задиров на поверхности трения металлического элемента; малая

гигроскопичность; отсутствие дефицитных составляющих и ма­ лая стоимость; возможность изготовления высокопроизводитель­ ными методами и др.

Кроме обычных требований к фрикционным материалам по коэффициенту трения и долговечности, существует ряд других требований, которым современный фрикционный материал на полимерной основе должен отвечать. Например, он не должен допускать наличие «писка» или запаха, а коэффициент трения/ должен быть независимым от давления и скорости скольжения. Требования такого рода зачастую очень сложно обеспечивать. Так, например, высокое значение f является всегда желаемым

для фрикционного материала, но чем выше /, тем больше веро­ ятность «писка». Полностью избавиться от такого неприятного явления с сохранением высокого f в настоящее время почти

невозможно. Существуют и другие зависимости, например чем выше значения коэффициента трения, тем больше возможностей интенсивного изнашивания и повышения температуры, что резко снижает стабильность /. Не надо забывать еще и о том, что

102

фрикционный материал — это лишь одна половина фрикцион­ ной системы и противостоящий металлический элемент также влияет на значения f и износа. И конечно же, из всех факторов,

влияющих на величины / износа фрикционного материала, самым важным является температура, которая может достиг­ нуть очень высоких значений (более 1000° С в тормозах авиа колес).

Правильно подобранные наполнители для работы в условиях высоких температур размягчаются и заменяют собой выгорев­ шее связующее. При этом наполнители поглощают значительное количество тепла и обволакивают при расплавлении новые очаги воспламенения, препятствуя тем самым дальнейшему увеличению температуры и выгоранию связующего. Размягчен­ ная и раскатанная по поверхности трения масса создает промежуточный рабочий слой, отделяющий фрикционный ма­ териал от металлического контрэлемента, и является своего ро­ да полутвердой смазкой. Этот слой при достаточной теплопро­ водности, пластичности и теплоемкости может способствовать стабилизации коэффициента трения, уменьшать поверхностную температуру и износ. При температурах более 1000° С этот слой, засоряясь окислами и другими продуктами износа, может спо­ собствовать повышению коэффициента трения. При недостаточ­ ном тепловыделении возможны случаи, когда рабочий слой — продукт механохимических процессов—не образуется, и тогда

по-своему влияет на свойства фрикционного материала. Так, добавление цинка приводит к стабилизации коэффициента тре­ ния в интервале определенных температур, добавление свинца повышает противозадирные свойства, однако при высоких тем­ пературах свинец начинает плавиться и становится как бы смаз­ кой, что приводит к существенному снижению коэффициента трения. Поэтому при использовании фрикционных материалов в тяжелых условиях, когда ожидается появление высоких тем­ ператур, добавлять свинец не рекомендуется.

Наиболее высокий коэффициент трения получается при на­ полнителях из железного сурика или барита. Увеличение про­ центного содержания наполнителя за счет уменьшения связую­ щего обычно приводит к увеличению коэффициента трения. Введение в состав фрикционных материалов компонентов (ас­ беста, шлаковой ваты и т. п.), имеющих низкий коэффициент теплопроводности, противодействует интенсивному проникнове­ нию тепла внутрь материала и прогреванию его, что предохра­ няет глубинные слои от механохимических явлений и структур­ ных изменений, но приводит к возникновению высоких темпера­ турных градиентов и высоким значениям температур на поверхности трения. Добавление в связующие азотного натрия

юз

устраняет «прихватывание» материалов к стальному металли­ ческому элементу при ржавлении поверхности трения металла во время длительных остановок.

Работая над проблемой создания теплостойких фрикционных материалов, ИМАШ АН СССР и ВНИИАТИ разработали фрик­ ционный материал «Ретииакс» марок ФК-24А и ФК-16Л, пред­ назначенный для использования в узлах с особо напряженным режимом эксплуатации [56]. Физико-механические характерис­ тики материала «Ретииакс» приведены в табл. 17. В состав «Ретинакса» входят модифицированная фенолформальдегидная смола (25%), барит (35%), асбест (40%)- Для предотвраще­ ния схватывания и налипания дополнительно введена противо­ задирная присадка. Для повышения теплостойкости материала в «Ретииакс» ФК-16Л добавляется латунь в виде кусочков про­ волоки диаметром 0,18—0,2 мм, длиной 20—30 мм. Размягчен­ ная при нагреве латунь совместно с продуктами разложения смолы и барита создает слой, состоящий из сернистых соедине­ ний, играющий роль противозадирной смазки, вырабатываемой самим материалом.

Коэффициент трения «Ретинакса», уже обгоревшего в про­ цессе трения, значительно выше, чем у нового «сырого» материа­ ла. Срок службы материала «Ретииакс» в наиболее тяжелонагруженных фрикционных узлах трения может оказаться в четы­ ре-семь раз выше, чем у других асбофрикционных композиций. Однако при работе в более легких условиях (при нагреве не более 300° С, скорости скольжения до 5 м/сек и нагрузке 8 кгс/см2) некоторые другие виды асбофрикционных материалов имеют в отношении износостойкости и стабильности коэффици­ ента трения более высокие показатели. Физико-механические свойства новых типов асбофрикционных материалов приведены

втабл. 18 [24].

Сцелью оптимизации выбора фрикционных пар трения, определения' устойчивости характеристик теплостойкости и

104

Та бл иц а 18

"

выявления различных факторов на надежность и долговечность узлов проводились исследования [35] ряда асбофрикционных ма­ териалов (АГ-1Б; 8-45-62; 1-43-60А; 6КХ-1Б; 42-773-67), которые чрезвычайно широко применяются в тормозах автомобилей же­ лезнодорожного подвижного состава и вагонов метрополитена, тормозах самолетов, подъемно-транспортных машин, муфтах сцепления и во многих других фрикционных устройствах.

Для предварительной оценки указанных характеристик пар трения в настоящее время все шире применяются сравнительные лабораторные методы испытания на малогабаритных образцах при значительно малых затратах времени, средств и материалов. В этом отношении хорошо себя зарекомендовал метод определе­ ния фрикционной теплостойкости материалов на машинах тре­ ния: И-32; СИАМ-1; СМЦ-2 и ИМ-58, а также метод испытания материалов теплоимпульсным трением на машинах: МФТ-1; ИМ-58; ИММ-66; МПП-1; СТН. Данные по фрикционной тепло­ стойкости материалов пары трения используются при расчете рабочих характеристик узлов трения на стадии проектирования с помощью системы уравнений тепловой динамики трения [61]. Приборы и методы лабораторных испытаний асбофрикционных материалов на трение и износ, применяемые у нас в стране и за рубежом, рассмотрены в работе [24].

Экспериментальные исследования показали [62], что измене­ ние твердости и прочности асбопластмасс в рабочем интервале

где а » — прочность (твердость) при температуре -б-; аго — проч­ ность (твердость) при температуре 20° С; р — безразмерная по­ стоянная, характеризующая зависимость прочности (твердости) материала от температуры. Значения параметра р, например, для материала 6К.Х-1Б при испытании на твердость и растяже­ ние 870 и 700 [62].

Температурные вспышки, средняя поверхностная температу­ ра и распределение тепловых потоков при трении асбофрикцион­ ных пластмасс в паре с металлическим элементом рассчитыва­ ются согласно [23, 61].

С целью изучения влияния свойств контактирующих материа­ лов, микро- и макрогеометрии контакта, окружающей среды и других определяющих факторов на процессы трения и изнаши­ вания асбофрикционных пластмасс, а также механики физико­ химических явлений нами принята модельная схема типа «не­ подвижная колодка — вращающийся цилиндр» (рис. 41)..,

Поверхностная температура в паре трения между вращаю­ щимся цилиндром и неподвижным клином при стационарном

106

Рнс. 41. Схематическое представление аналитической модели

режиме трения в соответствии с [98] определяется следующим образом:

Бесселя нулевого и первого порядка; N[ — ЯМм; k\ — коэффи­

циент теплопередачи.

В некоторых механизмах и приводах вместо специального тормозного шкива используется какой-либо вал или отдельный его участок. Это может привести к заметному изменению тепло­ вого сопротивления шкива-вала и, следовательно, к росту тем­ пературы на поверхности торможения. Рассмотрим поле темпе­ ратур внутри цилиндра конечной длины при длительном воздей­ ствии на него центрально расположенного колодочного тормоза (см. рис. 41).

Предполагая, что секторную дискретность колодок при достаточно большой угловой скорости вращения можно заме-

107

нить некоторым эквивалентным круговым тормозом той же ширины, рекомендуются следующие расчетные зависимости температура в произвольной точке шкива-вала

вала; рп — характеристические числа; Вь — постоянная; v > О—

мости могут быть применены для оценки температурных полей

1 Расчетные зависимости получены совместно с Н. А. Ламбаряном и В. И. Васильевым.

108

в различных колодочных тормозах, широко используемых в технике. Они могут быть пригодны также для расчетов темпе­ ратурных полей в парах трения уплотнений, шарниров и т. п.

На основании принятой модельной схемы сконструирована

иизготовлена новая инерционная машина трения ИМТ-74 [46].

Сцелью изучения влияния теплофизических характеристик и поверхностного состояния (шероховатость, твердость и др.) на тепловой режим трения вращающийся цилиндр изготовлен из различных материалов (сталь 45, СЧ15-32, Л-62, ЛС-59, БрАМц9-2) с разной начальной чистотой поверхности трения. Во всех случаях для стационарного режима трения коэффициент взаимного перекрытия /Свз = 0,3, а для нестационарного фрикци­

онного нагружения Квз = 0,6 при удельной средней нагрузке

/7Ср = 11,5 кгс/см2.

В табл. 19 приведены физико-механические показатели ис­ следуемых асбофрикционных материалов. Как видно из рис. 42, поверхностная топография оказывает некоторое влияние на тепловой режим трения для всех пар из-за изменения фактиче­

5 А. К. Погосян