УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ПАР ТРЕНИЯ БАРАБАННО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА ПРИ ИХ НАГРУЖЕНИИ В СТЕНДОВЫХ УСЛОВИЯХ
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINATION OF THERMAL CONDITIONS OF DRUM-SHOE BRAKE METAL-POLYMER FRICTION PAIRS AT LOADING UNDER TEST BENCH CONDITIONS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в барабанно-колодочных тормозах транспортных средств.
Известны устройство и способ для охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза. В устройстве охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в теле фрикционных накладок и проходящих через отверстия в тормозной ленте. Способ охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза состоит в том, что на набегающей ветви тормозной ленты термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемой термоэлектрогенераторами силы тока для термоэлектрохолодильников [1, аналог].
Данное устройство является громоздким, а реализуемый им способ охлаждения выполнен на макроуровне.
Известно, что в отношении процессов нагревания пар трения тормозов установлено три возможных режима их работы.
Кратковременный режим. В тормозах, работающих в этом режиме, температура поверхности трения не успевает достигнуть величин, допускаемых для фрикционных материалов, а пауза между торможениями настолько велика, что температура успевает снизиться до температуры окружающей среды, и каждое последующее торможение начинается при температуре поверхности трения, равной температуре окружающей среды. К этому режиму относятся тормоза некоторых строительных лебедок и транспортирующих машин, тормоза некоторых станков и т.п.
Длительный режим. В тормозах, работающих в этом режиме, период торможения настолько велик, что температура поверхности трения достигает некоторого значения установившейся температуры и длительное время удерживается на этом уровне.
В таком режиме работают некоторые спускные тормоза грузоподъемных машин, тормоза буровых и геологических лебедок, тормоза транспортных средств на длительных спусках и т.п.
Повторно-кратковременный режим. Этот режим характеризуется наличием периодически повторяемых процессов торможения и пауз в работе тормоза. Период охлаждения (пауза) относительно невелик, и температура поверхности трения не успевает снизиться до температуры окружающей среды, поэтому каждое последующее торможение начинается при температуре более высокой, чем начальная температура предыдущего торможения. По мере увеличения температурного перепада между температурой элементов тормоза и температурой окружающей среды увеличивается количество теплоты, отводимой в окружающую среду, и рост температуры поверхности трения замедляется. После некоторого числа торможений количество теплоты, отводимой в окружающую среду, становится равной количеству теплоты, образующейся при торможении, и создается некоторое условное тепловое равновесие, при котором температура, возникающая на поверхности трения, к концу каждого торможения будет иметь одно и то же значение (условная установившаяся температура). В этом режиме работают тормоза подъемно-транспортных машин, транспортных средств при движении в городских условиях и т.п. [2, прототип]. Такие режимы нагревания пар трения барабанно-колодочных тормозов транспортных средств используют при их испытаниях при оценке эффективности.
Указанные режимы являются систематизированными и в них не учитывается тот факт, что темп нагревания поверхностей трения тормоза на два порядка выше, чем темп их вынужденного охлаждения. Кроме того, в тепловых режимах не учитывается то обстоятельство, что приповерхностные слои пар трения являются источником теплоты и холода.
Целью изобретения является определение теплового режима металлополимерных пар трения барабанно-колодочного тормоза при их нагружении в стендовых условиях в результате оценки термоэлектрической электродвижущей силы, возникающей при работе микротермобатарей в режимах микроэлектрогенераторов и микроэлектрохолодильников.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенные устройства и способ определения теплового режима металлополимерных пар трения барабанно-колодочного тормоза при их нагружении в стендовых условиях имеют следующие преимущества:
- объясняют на микро- и наноуровнях генерирование электрической энергии с помощью микротермобатарей, образованных из пленок приповерхностных слоев пар трения;
- обеспечивают достаточную выходную мощность для работы множества микротермобатарей за счет прохождения через пленки, образовывающихся в приповерхностных слоях пар трения, основного количества аккумулируемой теплоты.
- объясняют роль приповерхностных слоев пар трения в микротермобатареях, работающих в режимах микротермоэлектрогенераторов и микроэлектрохолодильников;
- устанавливают соответствие генерируемой электрической энергии и аккумулируемой теплоты поверхностному тепловому состоянию пар трения барабанно-колодочного тормоза.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве в процессе торможения при термическом сопротивлении контакта металлополимерных пар трения барабанно-колодочного тормоза возникают простые и полупроводниковые пленки, обладающие тепло- и электропроводниковыми свойствами и являющиеся множеством микротермобатарей, на спаях которых создается перепад температур с помощью теплопроводов с горячими и холодными поверхностями, в качестве которых выступают приповерхностные слои металлополимерных пар трения, а непосредственное прохождение через пленки основного количества теплоты и обеспечивает достаточную выходную мощность для работы множества микротермобатарей. При реализации способа в качестве множества микротермобатарей, работающих в режимах микротермоэлектрогенераторов и микроэлектрохолодильников, выступают пластинчатые термопары, вмонтированные в независимые пары трения, и по их термической электродвижущей силе и определяют тепловой режим пар трения тормоза.
<mover accent="true"><mi>X</mi><mo>¯</mo></mover>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>></mo><msubsup><mi>t</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
1
2
1
2
3
4
3
4
2
1
На фиг.1 показан продольный разрез заднего барабанно-колодочного тормоза транспортных средства; на фиг.2 проиллюстрирован общий вид пластинчатой термопары, размещенной в предохранительном корпусе; на фиг.3 изображена схема установки термопар в тормозную колодку; на фиг.4 и 5 приведены схемы пропускного и запорного токов в электронных (
) и дырочных (⊕) полупроводниковых пленках фрикционных элементов; на фиг.6 и 7 проиллюстрированы схемы микротермобатарей с термоэлементами (1 и 2), работающие в режимах микротермоэлектрогенератора и микротермоэлектрохолодильника; на фиг.8, 9, 10 и 11 приведены термоэлектрические пары с замкнутой и незамкнутой цепью; условные обозначения: 1, 2- металлы; 3 - полимер; 4 - слабый электролит;
,
- температуры концов термоэлементов при условии, что
; t, t - поверхностные температуры пленок металлополимерных пар трения при условии, что t>t; t, t - поверхностные температуры верхнего и нижнего слоя электролита при условии, что t>t; на фиг.12 и 13 проиллюстрированы схемы построения внешнего и внутреннего двойного электрического слоя в металлополимерной паре трения и в приповерхностном слое фрикционной накладки; условные обозначения: М - металл; П - полимер; на фиг.14-17 показаны контактные явления в паре трения "металл (M) - полимер (П)" при работе накладки ниже (фиг.14) и выше (фиг.16) допустимой температуры для ее фрикционных материалов и в случае установления равновесия (фиг.15 и 17); на фиг.18 и 19 проиллюстрированы закономерности изменения тока электризации во времени (τ) прямой ("колодочка-диск") и обратной ("диск-колодочка") пары трения при разных скоростях скольжения (V) и удельных нагрузках (p): фиг.18 - V=0,3 м/с (1); V=0,8 м/с (2); V=1,5 м/с (3); при p=0,1 МПа; фиг.19 - V=0,5 м/с (1); V=1,0 м/с (2); V=1,5 м/с (3); V=2,0 м/с (4) при р=0,15 МПа; ↑ - обозначены моменты разрушения полимерных колодок.
Барабанно-колодочный тормоз содержит тормозной барабан 1, имеющего обод 2 с внутренней (рабочей) 3 и наружной 4 поверхностями. Внутренняя поверхность 3 обода 2 с помощью цилиндрических канавок 5 по его периметру разделена на одинаковые диски 6. На наружной поверхности 4 обода 2 со стороны его свободного края выполнен прилив в виде подкрепляющего кольца 7. С противоположной стороны обод 2 барабана 1 сопряжен с фланцем 8, в котором выполнены отверстия 9. С помощью последних тормозной барабан 1 прикреплен к фланцу ступицы 10 посредством болтов 11. В свою очередь, фланец ступицы 10 снизу через роликовый подшипник 12 опирается на полуось 13 заднего моста.
Внутри тормозного барабана 1 установлены тормозные колодки 14, к основанию 15 которых с помощью заклепок 16 прикреплены фрикционные накладки 17, имеющие рабочую поверхность 18. На последней по всему периметру накладок выполнены канавки 19, разделяющие их рабочие поверхности 18 на отдельные сектора 20. Наличие в ободе 2 барабана 1 четырех независимых дисков 6 и секторов 20 фрикционных накладок 17 колодок 14 тормоза позволяет моделировать на их макроучастках следующие виды контактов: «полимер-ювенильная поверхность металла»; «полимер-металл с перенесенной пленкой полимера»; «полимер с перенесенной пленкой металла-металл»; «приповерхностный слой полимера, находящийся в различном термодинамическом состоянии - металл».
С нерабочей стороны основания 15 колодки 14 размещены их ребра жесткости 21, которые между собой соединены пальцем 22 с проточкой 23. В последнюю посажена оттяжная цилиндрическая пружина 24.
Со свободного края обода 2 тормозного барабана 1 установлен направляющий диск 25, к которому крепятся тормозные колодки 14.
В каждом из секторов 20 фрикционной накладки 17 монтируются пластинчатые термопары с термоэлектродами 26, изготовленными из хромеля (+) и копеля (-), между которыми расположен слой изоляции 27. Каждая из термопар размещена в корпусе 28. Устанавливаются пластинчатые термопары в отверстия 29 во фрикционной накладке 17, а в основании 15 колодки 14 выполнены отверстия 30, через которые пропущены выводы 31 и 32 термопар. Термоэлектроды 26 первой и второй термопары расположены заподлицо сектора 20 накладки 17, т.е. на ее рабочей поверхности 18.
Барабанно-колодочный тормоз на стенде работает следующим образом. Разгоняют маховые массы стенда до заданной скорости и выполняют торможение тормозом. В процессе торможения барабанно-колодочным тормозом разжимной кулак (на чертеже не показан) разводит тормозные колодки 14 с фрикционными накладками 17, которые своими рабочими поверхностями 18 взаимодействуют с рабочими поверхностями 3 обода 2 тормозного барабана 1. В результате единичных, длительных или циклических торможений достигается генерирование электрических токов на поверхностях трения тормоза. При этом токи нагревают приповерхностные слои рабочей поверхности 3 обода 2 барабана 1 и секторов 20 фрикционной накладки 17 и проникают в них вглубь. Таким образом, генерируемые на поверхности трения токи способствуют возникновению поверхностной температуры, а проникающая вглубь пар трения теплота способствует развитию объемной температуры. Возникающие при взаимодействии пар трения тормоза разрядные токи способствуют возникновению температур вспышки.
В процессе работы пар трения барабанно-колодочных тормозов транспортных средств (так и в других фрикционных системах) возможно одновременное взаимодействие рабочей поверхности фрикционной накладки с:
- ювенильной и неювенильной поверхностью обода барабана;
- окисными и неокисными пленками поверхности обода барабана;
- перенесенным на обод барабана слоем фрикционного материала.
Особое место отводится термическому сопротивлению контакта металлополимерных пар трения тормоза в проблеме создания полупроводниковых микротермоэлектробатарей, работающих в режиме микротермоэлектрогенераторов или микротермоэлектрохолодильников.
В классической схеме для получения перепада температур на спаях микротермоэлементов батарей необходимо подвести и отвести теплоту с помощью теплопроводов, имеющих горячие и холодные поверхности и контактирующих с коммутационной поверхностью микротермоэлектробатарей через электрическую микроизоляцию. В качестве теплопроводов с горячими и холодными поверхностями выступают приповерхностные слои металлического обода барабана и фрикционной накладки, имеющие различные коэффициенты теплопроводности материалов, отличающиеся для металлополимерных пар трения в среднем в 78,0-97,5 раза. В качестве микроизоляции во фрикционном контакте выступают пленки окислов (рабочая поверхность обода тормозного барабана) и пленки мягкой составляющей трения (рабочая поверхность фрикционной накладки). При этом как простые, так и полупроводниковые пленки должны обладать тепло- и электропроводными свойствами. Поэтому непосредственное прохождение через пленки основного количества теплоты и обеспечивает достаточную выходную мощность для работы множества микротермобатарей в режимах микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников.
В полупроводниковых пленках встречаются и такие примесные атомы, электроны которых слабо связаны и легче, чем электроны металлического обода барабана переходят в свободные возбужденные состояния, а сами атомы превращаются в отрицательные неподвижные ионы. Тогда в токе участвуют только отрицательные электроны, ток и называется «электронным».
Полупроводники с дырочным эффектом тока называют полупроводниками p - типа (положительными), а электронные n - типа (отрицательными).
При этом полупроводниковые пленки фрикционных элементов играют роль при эффекте электризации в передаче пропускного и запорного тока (фиг.4 и 5). При одном направлении тока дырки в полупроводниковой пленке и электроны в другой движутся навстречу друг другу и создают пропускной ток, при противоположном направлении тока они расходятся, увеличивая сопротивление непроводящего запорного слоя.
Иногда достаточно 1% примесных атомов в материале фрикционных накладок (в приповерхностных слоях), чтобы повысить концентрацию свободных электронов или дырок в миллион раз. Во сколько же раз возрастет при этом и электропроводность полупроводниковой пленки.
3
2
2
2
3
2
2
2
3
2
2
2
Введение тех или иных примесей в состав полупроводниковых пленок, которые формируются при взаимодействии пар трения, позволит управлять в широких пределах электропроводностью и изменять знак носителей тока. Кроме того, разнообразие полупроводящих материалов, охватывающих ряд элементов (В, С, Si, Ge, S, Se, Те, Р, As), сплавов (MgSb, ZnSb, MgSn, CdSb, AlSb, InSb, GeSb), окислов (AlO, CuO, ZnO, TiO, UO, WO, MoO), сульфидов (CuS, AgS, ZnS, CdS, HgS), соленидов и теллуридов и множество более сложных соединений, позволяет подобрать для каждой конкретной пары трения тормозных устройств наиболее подходящие материалы.
При этом необходимо учитывать тот факт, что система "металл-полимер" при интенсивном трении находится в неуравновешенном термодинамическом состоянии. В то же время взаимодействие частиц внутри микроскопически малых объемов, которыми являются термоэлементы микротермобатарей, гораздо сильнее, чем с элементами других частиц системы. В результате этого каждый такой объем можно считать находящимся в равновесии, а между отдельными объектами системы и в ней равновесие отсутствует.
Рассмотрим принцип работы микротермобатарей, состоящих из двух электропроводных материалов с разными проводимостями (фиг.6), при таких температурах поверхности трения, когда в приповерхностном слое накладок деструктивные изменения еще не начались.
Концы термоэлементов 1 и 2 соединены металлическим мостиком с сопротивлением R, являющимся окисной пленкой. Она обладает полупроводниковыми свойствами, находится в элементарном объеме приповерхностного слоя обода тормозного барабана и выполняет функции горячего спая микротермобатареи. Электронная проводимость термоэлемента 1 обусловлена массопереносом фрикционных материалов накладки на рабочую поверхность обода барабана. В элементарном объеме приповерхностного слоя фрикционной накладки находится мягкая окислительная пленка с полупроводниковыми свойствами, которая соединяет вторые концы термоэлементов электрической цепью. При трении температура соединительного мостика увеличивается по сравнению с температурой То холодных концов термоэлементов (T>To), тепловая энергия атомов горячего конца термоэлементов возрастает. Она выполняет работу перехода электронов в свободное состояние. В связи с этим в термоэлементе 1 на горячем конце появляется большее количество свободных электронов и с более высокой тепловой энергией, чем на холодном конце, вследствие чего он заряжается отрицательно. В связи с тепловым движением атомов в термоэлементе 2 некоторая часть электронов выносится из рабочей зоны. На их месте появляются свободные электроны, которые имеют положительный заряд. Направление перемещения положительных зарядов совпадает с направлением электрического поля, вследствие чего они ускоряются. В то же время электроны, движущиеся против электрического поля, замедляются и переходят в зону меньших скоростей. При этом за счет адсорбции кислорода часть поверхности окисной пленки в элементарном объеме приповерхностного слоя накладки заряжается отрицательно, являясь холодным концом термоэлемента 1. При замыкании цепи в ней наблюдается электрический ток, обусловленный разностью температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а микротермобатарея является микротермоэлектрогенератором.
Рассмотрим работу микротермобатареи при условии, что температура поверхности фрикционной накладки превысила допустимую. Как видно из фиг.7, полярность термоэлементов 1 и 2 при условии T=To стала противоположной фиг.6. При этом приповерхностный слой фрикционной накладки претерпевает деструктивные изменения, а поверхности трения подвергаются адсорбционно-десорбционному воздействию.
Если по внутренней цепи, все элементы которой находятся в одинаковых температурных условиях (T=To), протекает электрический ток в направлении, указанном на фиг.7, то свободные электроны, находящиеся в термоэлементе 1, приобретают направленное движение от спая (а) к спаю (в). Их движение является замедленным, поскольку они тормозятся электрическим током. Движение электронов от спая (а) к спаю (в) сопровождается переносом энергии. На спае (а) электроны, отбирая энергию атомов, приобретают прирост кинетической энергии. На конце (в), сталкиваясь с атомами кристаллической решетки окисленной пленки приповерхностного слоя обода барабана, они отдают энергию указанному спаю. В связи с этим спай (а) охлаждается, а спай (в) нагревается. Скопление электронов на спае (в) способствует тому, что этот спай заряжается отрицательно, а спай (а) - положительно.
В термоэлементе 2, который соединен с термоэлементом 1 мостиком с сопротивлением R, состоящим из электролита, направление электрического тока совпадает с направлением движения ионов: от спая (а') к спаю (в'). В результате этого они ускоряются. Наиболее интенсивное движение электронов наблюдается около спая (в'). Образование электронов в элементарном объеме приповерхностного слоя обода барабана связано с ионизацией газовой смеси возле него, а также десорбцией влаги в нем. В самом же элементарном объеме приповерхностного слоя обода движение свободных электронов происходит против направления электрического тока. При этом электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, которая тратится на нагревание этого спая. По мере передвижения от спая (в') к спаю (а') вдоль ветви термоэлемента 1 энергия электронов уменьшается, в результате чего спай (а') охлаждается. Скопление ионов на этом спае обусловливает его отрицательный заряд, в общем спай (а') заряжен положительно.
Движение тока инверсии через микротермобатарею приводит к перепаду температур на ее спаях. На спае (а') теплота поглощается, на спае (в') - выделяется. В этом случае микротермобатарея работает в режиме микротермоэлектрохолодильника. Микротермобатареи могут быть расположены относительно поверхности трения барабанно-колодочного тормоза в поперечном и продольном направлении.
Пары трения тормоза взаимодействуют в гиротропной среде и подвержены гальвано- и термомагнитным эффектам. Различают следующие эффекты: поперечный и продольный гальваномагнитные и поперечный и продольный термомагнитные. Перечисленные эффекты зависят от напряженности магнитного поля, вызываемой электрическим полем. Закономерности для поперечных и продольных эффектов носят характер линейных и квадратичных зависимостей с учетом того, что в парах трения тормоза наводятся слабые магнитные поля.
В дополнении к микротермобатареям, представленным на фиг.6 и 7, проиллюстрируем термоэлектрические пары с замкнутой (фиг.8, 9, 10) и незамкнутой (фиг.11) цепью. Замкнутая цепь (фиг.10) свойственна накладке, когда ее фрикционные материалы приповерхностного слоя достигают температуры выше допустимой.
1
2
1
2
3
2
Вследствие теплового движения электронов проводимости могут выходить из металлического обода барабана в процессе торможения в межконтактный зазор между металлополимерными парами трения тормоза. В результате вылета электронов из обода барабана в межконтактном зазоре образуется внешний двойной электрический слой в несколько межатомных расстояний. Приповерхностный слой обода оказывается заряженным положительно, а рабочая поверхность накладки - отрицательно (см. фиг.12). Между металлом обода, точнее плоскостью X и плоскостью Х фрикционной накладки, возникает разность потенциалов ∆φ, способствующая возникновению внешней электрической цепи. При достижении приповерхностными слоями материалов накладки допустимой температуры и выше ее образуются островки жидкости (электролита) в результате адсорбционно-десорбционных и деструктивных изменений в них (фиг.13). Между плоскостями Х и Х находится внутренний двойной электрический слой, способствующий возникновению разности потенциалов ∆φ, и как следствие, внутренней электрической цепи.
ф
2
1
o
Рассмотрим контактное явление в случае пары трения "металл-полимер", разделенных тонким вакуумным зазором, при температуре фрикционных материалов полимера ниже допустимой (фиг.14). Контактная разность потенциалов (φ) определяется как разность между электрическим потенциалом (уровнем Ферми) Е металла (М) и полимерным материалом (П). На фиг.14 поверхностный потенциальный барьер показан пунктирной линией, а уровни Ферми «металл-полимер» сплошными горизонтальными линиями. Представленная схема отвечает начальному моменту, когда металл и полимер расположены на расстоянии d, при котором возможный эффективный обмен электронами ионами.
2
1
2
1
1
2
1
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>e</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Согласно фиг.14 при условии, если φ>φ, то j>j, и будет совершаться перенос электронов слева направо. При этом поверхность металла заряжена положительно, а полимера - отрицательно. В зазоре возникает внешнее электрическое поле
и соответствующая разность потенциалов
. В этом случае условием равновесия является равенство уровней Ферми. При этом токи выравниваются, т.e. j=j (см. фиг.15). Данное равенство означает, что потенциальный барьер для электронов, которые движутся слева направо, т.е.
, должны быть равным потенциальному барьеру для ионов, которые движутся справа налево, т.е. φ. Другими словами справедливо равенство
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>e</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, после установления равновесия возникает контактная разность потенциалов.
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>e</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
1
Более сложным является случай, когда рассматривается пара трения «металл-полимер», разделенная тонким вакуумным зазором, при температуре фрикционных материалов полимера выше допустимой (фиг.16). В этом случае поверхностный потенциальный барьер (показан пунктирной линией) является одинаковым (j=j) в связи с тем, что фрикционные материалы полимера достигают допустимой температуры и происходят деструктивные процессы в его приповерхностных слоях. Последние и привели к образованию в них жидкостных островков.
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>E</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>k</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
2
1
2
Последние являются слабыми электролитами, которые разрешают водороду или металлу стать положительными зарядами (катионами), а кислотный радикал жидкостей получает отрицательный заряд, образуя таким образом анионы. Толщины жидкости, которые находятся в приповерхностных слоях насыщены катионами и анионами, образуя между собой внутреннее электрическое поле
с соответствующей разностью потенциалов
. При этом
становится намного большим
. Исходя из равенства j=j (фиг.17) получаем, что потенциальный барьер для катионов, которые движутся справа налево, т.е.
, должен быть равным потенциальному барьеру для электронов, которые движутся слева направо, т.е. φ. Выходит, что имеет место равенство
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>e</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
После установления равновесия возникает контактная разница потенциалов
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>K</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>Т</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mi>k</mi></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Рассмотрим на нанотрибологическом уровне процессы нагревания, которые происходят в парах трения различных типов.
Диаграмма изменения в прямой ("колодочка - диск") паре трения (фиг.12), полученной на машине трения и износа СМЦ-2 в лабораторных условиях, показала, что токи являются нестабильными (кривые 1 и 2). Указанные кривые берут начало при одинаковом отрицательном направлении токов, а потом кривая 2 при нагрузке в 2,0 Н переходит в зону положительного направления токов. Вид кривой 3 существенно отличается от кривых 1 и 2. Даная кривая начинается при максимальном значении отрицательного направления тока (-9,7 нА), пересекает ось абсцисс при нагрузке 1,35 Н и подымается до максимального значения положительного направления тока (5,2 нА). В интервале нагрузки от 4,5 Н до 7,3 Н имеет место почти одинаковое апериодическое изменение направления токов. При 7,3 Н величина с положительного направления тока (4,5 нА) изменяется на отрицательную (-11,75 нА). Изменение направления тока (кривая 3) происходит при скорости скольжения V=l,5 м/с.
С диаграммы кинетики тока в обратной паре трения (диск изготовлен из фрикционного материала, а колодочка из металла) (фиг.13) видно, что при низких скоростях трения (кривая 1) величина тока электризации в начальный момент трения увеличивается, а потом остается практически постоянной. Можно считать, что система находится в нестабильном состоянии. С увеличением скорости скольжения (кривые 2-4) происходит изменение направления (инверсия) тока электризации (соответственно, при силе F, которая равнялась 10,5; 3,0 и 2,0 Н). При этом инверсия токов имела характер множества. С увеличением скорости скольжения число инверсий также увеличивается и при этом наблюдается рост абсолютной величины тока электризации в начальный период работы.
Анализ токовых диаграмм для прямой и обратной пар трения (см. фиг.12 и 13) показал, что в обеих случаях имели место как положительные так и отрицательные величины токов электризации в зависимости от режима торможения. Кроме того, это подтверждает истину о том, что в металлополимерных парах трения образуется множество микротермобатарей, работающих в режимах микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников.
В зависимости от того какое суммарное количество микротермобатарей за процесс торможения металлополимерными парами трения тормоза работает в режиме микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников и определяют тепловые режимы их нагревания. Последние по своей природе являются нестационарными и переменными.
Термоэлектрические э.д.с. в парах трения "металл-металл" и "полупроводниковые соединения - металл" приведены в табл.1. Из последней следует, что в режимах термоэлектрогенераторов будут работать термопары, составленные из материалов, имеющих положительную термоэлектрическую э.д.с., а в режимах термоэлектрохолодильников - отрицательную термоэлектрическую э.д.с.
Количество термопар, вмонтированных в сектора 20 фрикционных накладок 17 колодок 14, работающих в режимах термоэлектрогенераторов и термоэлектрохолодильников, и определяет тепловой режим пар трения барабанно-колодочного тормоза.
Характеристики тепловых режимов металлополимерных пар трения барабанно-колодочных тормозов проиллюстрированы в табл.2. Рассмотрены единичный, повторно-кратковременный и длительный режим торможения барабанно-колодочным тормозом в стендовых условиях, исходя из генерируемых токов в металлополимерных парах трения термоэлектрогенераторами и термоэлектрохолодильниками.
Увеличение и уменьшение теплового состояния металлополимерных пар трения обусловлено количеством термопар, работающих в том или ином режиме. Установившейся тепловой режим пар трения достигается одинаковым количеством термопар, работающих в режиме термоэлектрохолодильника и термоэлектрогенератора. Стабилизационное тепловое состояние обода тормозного барабана наступает при повторно-кратковременном или длительном режимах торможения когда приповерхностные слои фрикционных накладок достигнут допустимой температуры для их материалов или выше ее и в них будут происходить адсорбционно-десорбционные процессы и деструктивные изменения, а также при выравнивании объемных температур обода барабана и его фланца. В этом случае большинство термопар работает в режиме термоэлектрохолодильников.
Таким образом, на основании электродинамики в металлополимерных парах трения тормоза в зависимости от реализуемых в нем тормозных режимов оценено тепловое состояние их узлов трения при работе термобатарей в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника.
Источники информации
1. Патент России №2134368, кл. F16D 65/813 за 1999 [аналог].
2. Александров М.П. Тормозные устройства в машиностроении / М.П. Александров. - М.: Машиностроение, 1965. - С.591-592 [прототип].
Таблица 1
Термоэлектрические э.д.с. в парах трения "металл-металл" и "полупроводниковые соединения (ПС) - металл"
Металлы
Интервал температур, t, ºC
Е, 10<sup>-4</sup> В
первый
второй
От
До
Ag<sup>+</sup>
0
200
8,38
Cd<sup>-</sup>
0
200
1,66
Cu<sup>+</sup>
0
100
3,37
Fe<sup>-</sup>
Pb<sup>+</sup>
-230
100
6,73
Pt<sup>+</sup>
0
100
-3,1
Sb<sup>+</sup>
0
100
42,85
Zn<sup>-</sup>
0
250
8,29
ПС
Металл
Интервал температур, t, ºC
Е, В
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> <sup>-</sup>
950
1285
-0,212
CuO<sup>-</sup>
170
850
-0,304
PbO<sup>-</sup>
Pb<sup>+</sup>
250
390
-5,613
Si<sup>-</sup>
-200
360
-0,302
Zn0<sup>-</sup>
355
I860
-0,813
Таблица 2
Характеристики тепловых режимов барабанно-колодочных тормозов
Режим торможения
Тепловой режим
Условия возникновения
Единичный
<maths num="17"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mi>П</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>ш</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi></mrow><mrow><mi>П</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi></mrow></mfrac><mi>t</mi><mo>,</mo><msup><mtext> </mtext><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></math><img file="00000017.tif" he="12" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
I<sub>Г</sub>>I<sub>X</sub>;
I<sub>X</sub>>I<sub>Г</sub>;
Установившейся
I<sub>Г</sub>=I<sub>X</sub>
Повторно-кратковременный
<maths num="18"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mi>П</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>ш</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi></mrow><mrow><mi>П</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi></mrow></mfrac><mi>t</mi><mo>,</mo><msup><mtext> </mtext><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></math><img file="00000018.tif" he="12" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
I<sub>Г</sub>>I<sub>X</sub>;
Установившейся
I<sub>Г</sub>=I<sub>X</sub>;
Стабилизационный
I<sub>X</sub>≥I<sub>Г</sub>
Длительный
<maths num="19"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mi>П</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>ш</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi></mrow><mrow><mi>П</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi></mrow></mfrac><mi>t</mi><mo>,</mo><msup><mtext> </mtext><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></math><img file="00000018.tif" he="12" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
I<sub>Г</sub>>I<sub>X</sub>;
Установившейся
I<sub>Г</sub>=I<sub>X</sub>;
Стабилизационный
I<sub>X</sub>≥I<sub>Г</sub>