СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ В ПАРАХ ТРЕНИЯ "ПОЛИМЕР-МЕТАЛЛ" БАРАБАННО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА ПРИ ИХ НАГРЕВАНИИ В СТЕНДОВЫХ УСЛОВИЯХ
METHOD TO DETECT DIRECTIONS OF ELECTRIC CURRENT COMPONENTS IN FRICTION PAIRS "POLYMER-METAL" OF DRUM-BLOCK BRAKE DURING THEIR HEATING IN BENCH CONDITIONS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в тяжелонагруженных барабанно-колодочных тормозах, например, в автотранспортных средствах.
Известен метод Кельвина, заключающийся в измерении контактной разности потенциалов между исследуемой металлической поверхностью и относительно стабильной поверхностью металлического эталонного образца [1, аналог]. Структурная схема зонда Кельвина содержит цилиндрические образцы из фрикционного материала, вращающийся диск, эталонный металлический образец, расположенный на расстоянии 0,5 мм от поверхности вращающегося диска, модулятор, создающий вибрацию эталонного металлического образца. Последний подключен к измерителю, представляющему собой фазовую автокомпенсационную систему, которая постоянно отслеживает на выходе потенциал, равный контактной разности потенциалов между эталонным металлическим образцом и трущейся поверхностью диска. Разность потенциалов между указанными поверхностями фиксируется регистрирующим устройством.
Метод Кельвина имеет тот недостаток, что он определяет контактную разность потенциалов, т.е. одну из составляющих суммарного тока, возникающего за счет контакта макроповерхностей при взаимодействии.
Известен способ охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза, в котором охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, которые работают в режиме термоэлектрогенератора на набегающей ветви ленты, а в режиме термоэлектрохолодильника на сбегающей ветви ленты [2, аналог]. Данный способ имеет тот недостаток, что он не может раскрыть физику процесса возникновения микротоков на макроучастках поверхностей взаимодействия тормоза.
Известен способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях на основании расчетно-экспериментальных данных [3, прототип], который реализуется с помощью пяти этапов:
на первом - суммарный ток, возникающий за счет трения и контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей - ,
на втором - составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения взаимодействующих макроучастков поверхностей - ;
на третьем - долю составляющего суммарного тока, образованного движением заряженных частиц фрикционного массопереноса
;
на четвертом - суммарный ток, обусловленный сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностных слоях секторов накладок тормозных колодок - ;
на пятом - величины суммарных термических токов - .
В приведенных зависимостях использованы следующие обозначения:
1i
2i
1 сд
2 сд
i
i
1
2
1
2
Δφ, Δφ - разность потенциалов между: поверхностью диска обода барабана и эталонным металлическим образцом; термоэлектродами пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопар; Δφ, Δφ - разность потенциалов между внешней и внутренней поверхностями приповерхностного слоя секторов накладок;  - термическое сопротивление контакта;  - толщины (в числителе) и коэффициенты теплопроводности (в знаменателе): материалов основания тормозной колодки; фрикционной накладки и ее приповерхностного слоя; обода тормозного барабана; E - термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) термотока; E=К(t-t), К - коэффициент термоЭДС; t, t - поверхностная температура пар трения и окружающей среды.
Расчетно-экспериментальный способ определения составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза имеет тот недостаток, что в нем не приводятся общие закономерности возникновения микротоков на макроучастках поверхностей трения, а также не установлены направления слагаемых токов.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки:
- возможность моделировать на фрикционном и металлических дисках обода тормозного барабана различные поверхности макроучастков, а в паре из секторами фрикционных и металлической накладки - прямые и обратные пары трения с различной топографией динамического контактирования;
- представляется возможным точно оценить разности потенциалов между: металлической поверхностью диска обода барабана и эталонным металлическим образцом; фрикционной поверхностью диска обода барабана и эталонным фрикционным образцом; термоэлектродами пластинчатых и ступенчатой пластинчатой термопар, что позволяет раздельно рассматривать суммарные токи, возникающие за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучасков поверхностей, а также токи, вызванные движением полимерных и металлических заряженных частиц фрикционного массопереноса;
- введением новых понятий: «внешний двойной электрический слой», что позволило дать оценку явления обратного разряда, возникающего при разрушении фрикционного контакта (импульсный ток); «внутренний двойной электрический слой», который возникает в приповерхностном слое накладки при температуре выше допустимой для ее материалов;
- установлением общих закономерностей возникновения микротоков на макроучастках поверхностей трения за счет формирования множества микротермобатарей, работающих в режимах микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников;
- установлением закономерностей влияния теплового состояния обода и боковой стенки барабана на инверсию токов в парах трения тормоза;
- установлением закономерностей направлений слагаемых токов в интервале поверхностных температур ниже и выше допустимой для материалов фрикционной накладки в парах трения барабанно-колодочного тормоза.
Задача изобретения - определение направлений составляющих суммарных токов, генерируемых с помощью микротермоэлектрогенераторов и микроэлектрохолодильников на макроучастках прямых и обратных пар трения «полимер - металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях при преимущественном направлении вращения его тормозного барабана до и выше допустимой температуры материалов накладки, поверхности фрикционных узлов которых подвержены адсорбционно-десорбционному воздействию, а приповерхностный слой накладок деструкционным изменениям с учетом влияния боковой стенки барабана на тепловое состояние его обода для точной оценки генерируемого количества теплоты в процессе торможения.
п
м
Ф
Поставленная задача достигается тем, что независимые прямые и обратную пары трения «металлические диски-сектора фрикционных накладок» и «полимерный диск-сектора металлических накладок» нагревают циклическими или длительными торможениями на тормозном стенде до температуры ниже допустимой для материалов фрикционной накладки, и при этом зоны динамического контактирования макроучастков поверхностей взаимодействия подвержены адсорбционно-десорбционному воздействию, и после чего устанавливают общую закономерность возникновения микротоков на макроучастках поверхностей трения за счет образования на них «жестких» и «мягких» окисных пленок, частично экранируемых взаимным массопереносом, и являющихся соединительными мостиками микротермоэлементов, в качестве которых выступают частицы продуктов износа, ионизированная газовая среда и компоненты десорбции влаги, которые способствуют возникновению множества микротермобатарей, создающих в зоне контакта двойной электрический слой, т.е. внешнее электрическое поле, и работающих в режиме микротермоэлектрогенераторов, а затем экспериментальным путем при условии, что работа выхода электронов из фрикционной накладки больше работы выхода электронов из обода тормозного барабана (W>W) при преимущественном направлении его вращения, определяют генерируемый в их цепях за счет трибоЭДС суммарный ток I электризации с учетом направлений его слагаемых по зависимости вида
Ф-
ск
м
д
т
р
ск
м
д
т
р
I=-I±I±I+I+I (где I, I, I, I и I - токи: электризации скольжения и контакта; движения полимерных и металлических заряженных частиц фрикционного массопереноса; возникающие за счет сорбционно-десорбционных процессов в приповерхностных слоях контакта пар трения тормоза; термические и обратных разрядов).
Ф
Пары трения барабанно-колодочного тормоза при преимущественном направлении вращения его барабана в стендовых условиях нагревают до и выше допустимой температуры материалов фрикционной накладки, и при этом их зоны динамического контактирования макроучастков поверхностей взаимодействия и приповерхностный слой накладки подвержены адсорбционно-десорбционному воздействию и деструкционным изменениям, и после чего устанавливают общую закономерность возникновения микротоков на макроучастках поверхностей трения за счет образования на них «жестких» и «мягких» окисных пленок, частично экранируемых взаимным массопереносом, и являющихся соединительными мостиками микротермоэлементов, в качестве которых выступают частицы продуктов износа, ионизированная газовая среда и компоненты десорбции влаги, зарождается тепловое равновесие между ободом барабана и его боковой стенкой из-за перераспределения теплоты между ними, которое поддерживается возникновением в элементарных объемах приповерхностных слоев металлического и полимерного элементов множества микротермобатарей, создающих внешнее и внутренние электрические поля с различными структурами двойных электрических слоев и работающих в режиме микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников, а при преобладании внешнего электрического поля происходит инверсия токов от приповерхностного слоя металлического фрикционного элемента в приповерхностные слои накладок, а затем экспериментальным путем определяют генерируемый в их цепях за счет трибоЭДС суммарный ток электризации I с учетом направлений его слагаемых по зависимостям вида
п
м
Ф-
ск
м
д
т
р
при W>W I=-I±I±I+I+I;
м
п
Ф+
ск
м
д
т
р
при W>W I=I±I±I+I-I.
На фиг.1а и 2а проиллюстрированы модели фрикционного контакта «полимер (2) - металл (1)», а также плотность электрических зарядов (σ) на их контактирующих макроучастках (фиг.1б и 2б) в диапазоне поверхностных температур до (фиг.1а, б) и выше (фиг.2а, б) допустимой температуры для материалов полимера. На фиг.3 приведена эквивалентная электрическая схема фрикционного контакта «полимер-металл»; на фиг.4 и 5 показаны схемы построения внешнего и внутреннего двойного электрического слоя в паре трения и в приповерхностном слое фрикционной накладки: М - металл; П - полимер; на фиг.5 - вид сверху на фрикционную накладку тормозной колодки; на фиг.6 и 7 показаны пропускной и запорный токи в электронных (+) и дырочных (-) полупроводниковых пленках фрикционных элементов; на фиг.8 и 9 изображены микротермобатареи с термоэлементами (1 и 2), работающими в режимах микротермоэлектрогенератора и микротермоэлектрохолодильника; на фиг.10 показан продольный разрез заднего барабанно-колодочного тормоза автотранспортного средства; на фиг.11 представлена измерительная схема оценки контактной разности потенциалов между рабочей поверхностью обода тормозного барабана и относительно стабильной поверхностью металлического эталонного образца; на фиг.12 показана схема оценки контактной разности потенциалов между рабочей поверхностью фрикционной накладки тормозного барабана и относительно стабильной поверхностью полимерного фрикционного эталонного образца; на фиг.13 проиллюстрирован общий вид пластинчатой термопары, размещенной в предохранительном корпусе; на фиг.14 и 15 изображены схемы установки различных типов ленточных термопар в полимерный и в металлические элементы тормозной колодки; на фиг.16 показаны темпы нагревания (до 720 с) и вынужденного охлаждения (от 720 до 1200 с) обода (1) и боковой стенки (2) заднего тормозного барабана автотранспортного средства ЗИЛ-130 в течение испытания типа II и после его завершения; на фиг.17 - темпы нагревания и вынужденного охлаждения рабочей (1) и нерабочей (2) зоны приповерхностного слоя фрикционной накладки задней тормозной колодки автотранспортного средства ЗИЛ-130 в течение испытания типа II и после его завершения; на фиг.17а, б проиллюстрированы схемы направлений составляющих электрических токов при температурах до (а) и выше (б) допустимой для материалов фрикционной накладки.
Модели пар трения «полимер-металл» показаны в зонах теплового состояния фрикционной накладки (2) до (фиг.1а) и выше (фиг.2а) допустимой температуры материалов накладки. Выгорание связующих компонентов фрикционных материалов накладок является причиной дымления их поверхностей и приводит к образованию на них жидких фракций (3) (см. фиг.2а). На фиг.1б и 2б проиллюстрированы закономерности изменения плотности зарядов (σ) в зоне динамического контактирования по ее длине (1). Во втором случае происходит выравнивание плотности зарядов из-за увеличения зоны взаимного динамического контактирования.
Ф
T
1
2
3
4
5
П
П
Ф
1
Металлополимерную фрикционную пару барабанно-колодочного тормоза рассматриваем как источник трибо- и термоЭДС (Е и E) с соответствующими внутренними сопротивлениями (фиг.3). Внутренним сопротивлением источника трибоЭДС является сопротивление фактического контакта, включающее сопротивление макроучастков контакта: «полимер - ювенильная поверхность металла» (R); «полимер - окисная пленка металла» (R), «полимер - металл с перенесенной пленкой полимера» (R); «полимер с перенесенной пленкой металла - металл» (R); «приповерхностный слой полимера, находящийся в различном термодинамическом состоянии - металл» (R), а источника термоЭДС - сопротивление фактического контакта, последовательно соединенное с сопротивлением объема полимера (R). Емкость (С), параллельно подключенная с сопротивлением фактического контакта (R), отражает вклад неперекрываемых поверхностей взаимодействующих макроучастков. В соответствии с приведенной схемой (фиг.3) трибоЭДС (Е) представляет собой сумму контактной составляющей, обусловленной наличием контактной разности потенциалов (Δφ): внешней - за счет того, что рабочая поверхность металлического фрикционного элемента отдает электроны рабочей поверхности полимерной фрикционной накладке и она накапливает их на своей поверхности, что ведет к возникновению в нагретом слое электрического поля с очень короткими линиями, который называется двойным электрическим слоем (фиг.4). При возникновении двойного электрического слоя по всей проводящей поверхности взаимодействия электрические заряды +q и -q смещаются относительно друг друга за счет замедленного вращения металлического фрикционного элемента при торможении барабанно-колодочным тормозом. При этом макроучастки поверхностей трения фрикционных накладок, имеющие остаточные сжимающие напряжения, становятся анодами (+) неизнощенные, а напряженные (изношенные) - катодами (-) (см. фиг.5).
2
2
3
3
Внутренняя контактная разность потенциалов (Δφ) между рабочей поверхностью фрикционной накладки (уровень х) и нижней отметкой ее приповерхностного слоя (уровень х) обусловлена возникновением двойного электрического слоя по всей проводящей его глубине взаимодействия электрических зарядов +q и -q, смещающихся относительно друг друга благодаря наличию плоскости смещения х (фиг.6).
Таким образом, образование внешнего и внутреннего двойных электрических слоев, вызывающих контактную разность потенциалов, происходит на межфазной границе двух сред с различными характеристиками проводимости: электронной (металлический фрикционный элемент) и ионной (поверхностный и приповерхностные слои накладки, находящиеся в различных термодинамических состояниях). Поверхностный и приповерхностный слои фрикционных элементов и накладок являются многокомпонентными, т.е. гетерогенной системой, в которой рассмотрение их моделей (фиг.1а и 2а) ведется, как для твердого и пластично-жидкого вещества, соответственно, ниже и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки.
-4
-7
Различают быстрые и медленные состояния поверхностей пар трения барабанно-колодочного тормоза в связи с тем, что они отличаются временами захвата носителей заряда. Время жизни быстрых состояний составляет 10-10 с; они часто возникают на чистой неокислившейся поверхности и отличаются слабым реагированием на конкретный вид дефектов.
-2
10
15
2
10
2
A
Медленные поверхностные состояния обычно связывают с наличием окисных пленок на рабочей поверхности обода тормозного барабана (жестких) и фрикционных накладок (мягких), которые чаще всего обусловлены процессами адсорбции (происходит на границе раздела «твердое тело - газ», «твердое тело - жидкость» и «жидкость - газ») - десорбции (обратный адсорбции). Время жизни медленных их состояний колеблется от 10 до нескольких часов и суток. Плотность медленных состояний составляет 10-10 см. Последняя зависит от внешних факторов и электрических свойств пар трения барабанно-колодочного тормоза. Плотность поверхностных состояний для полимеров составляет D=10 см.
Особенно существенно влияние поверхностных состояний пар трения барабанно-колодочного тормоза на структуру двойного электрического слоя, возникающего при контакте «металл-полимер». В этом случае при большой плотности поверхностных состояний реализуется эффект металлизации поверхности полимера, при котором заряд двойного слоя образуется за счет ионизации поверхностных состояний и по порядку величины сравним с зарядами слоев, возникающих при контакте металлов.
При этом необходимо учитывать тот факт, что система «металл - полимер» в контакте находится в неуравновешенном термодинамическом состоянии. В то же время взаимодействие частиц внутри микроскопического объема, которыми являются термоэлементы микротермобатарей, гораздо сильнее, чем с элементами других частей системы, в результате чего каждый такой объем считается находящимся в равновесии, а между отдельными объектами, т.е. во всей системе, равновесие отсутствует.
Сначала рассмотрим полупроводниковые пленки фрикционных элементов при эффекте их электризации в передаче пропускного и запорного тока (фиг.7 и 8).
При одном направлении тока дырки (-) в полупроводниковой пленке и электроны (+) в другой движутся навстречу друг другу и создают пропускной ток (фиг.7), при противоположном направлении тока они расходятся, увеличивая сопротивление непроводящего запорного слоя (фиг.8).
Рассмотрим принцип работы микротермобатарей, состоящих из двух электропроводных материалов, которые имеют разные проводимости (фиг.9), обусловленные работой пар трения барабанно-колодочного тормоза в диапазоне температур ниже и выше допустимой для материала фрикционной накладки, т.е. при различных температурах поверхности, и при этом приповерхностный слой не претерпевает деструктивных изменений.
0
0
Концы термоэлементов 1 и 2 соединены металлическим мостиком с сопротивлением R, являющимся окислительной пленкой с полупроводниковыми свойствами, находящейся в элементарном объеме приповерхностного обода тормозного барабана, и выполняющим функции горячего спая микротермобатареи. Электронная проводимость термоэлемента 1 образована массопереносом материала накладки на рабочую поверхность обода тормозного барабана. В элементарном объеме ее приповерхностного слоя находится мягкая окислительная пленка с полупроводниковыми свойствами, которая и соединяет вторые концы термоэлементов электрической цепью. При трении температура соединительного мостика увеличивается в сравнении с температурой Т холодных концов микротермоэлементов (Т>Т), тепловая энергия атомов горячего конца микротермоэлементов растет. Эта энергия выполняет работу перехода электронов в свободное состояние. В связи с этим в микротермоэлементе 1 на горячем конце появляется большее количество свободных электронов и с высшей тепловой энергией, чем на холодном. Поэтому они переходят к холодному концу, заряжая его отрицательно. В связи с тепловым движением атомов в микротермоэлементе 2 некоторая часть электронов выносится из горячей зоны. На их месте появляются свободные электроны, которые имеют положительный заряд. Направление перемещения положительных зарядов совпадает с направлением электрического поля, поэтому их движение ускоряется.
В то же время электроны, которые двигаются 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 микротермоэлемента 1. При замыкании цепи в ней наблюдается электрический ток, предопределенный разницей температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а сама макротермобатарея является микротермоэлектрогенератором.
0
Рассмотрим работу микротермобатареи при условии, что температура поверхности фрикционной накладки превысила допустимую для ее материалов. Как видно из фиг.10, полярности микротермоэлементов 1 и 2 при условии Т=Т стали противоположными фиг.9. При этом приповерхностный слой фрикционной накладки претерпевает деструкционные изменения, а поверхности трения тормоза подвергаются адсорбционно-десорбционному воздействию.
0
Если по внутренней цепи, все элементы которой находятся при одинаковых условиях (Т=Т), протекает электрический ток в направлении, указанном на фиг.10, то свободные электроны, которые находятся в микротермоэлементе 1, приобретают направленное движение от спая (а) к спаю (в), причем их движение является замедленным, поскольку электроны 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 поверхности обода тормозного барабана, они отдают энергию указанному спаю. В связи с этим спай (а) охлаждается, а спай (в) нагревается. Причем скопление электронов на спае (в) способствует тому, что этот спай заряжается отрицательно, а спай (а) - положительно.
e
В микротермоэлементе 2, который соединен с микротермоэлементом 1 с помощью мостика с сопротивлением R, состоящего из жидкости (своего рода электролита), направление электрического тока совпадает с направлением движения ионов: от спая (а') к спаю (в'). В результате чего движение ионов ускоряется. Поэтому наиболее интенсивное движение электронов наблюдается около спая (в'). Образование электронов в элементарном объеме приповерхностного слоя обода тормозного 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 движения электрического тока, т.е. против его поля. 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 микротермоэлемента 1 энергия электронов уменьшается, в результате чего спай (а') охлаждается. Скопление ионов на этом спае предопределяет его отрицательный заряд, а в общем, спай (а') заряжен положительно.
Таким образом, движение тока инверсии через микротермобатарею приводит к перепаду температур на ее спаях. На спае (а') поглощается теплота, а на спае (в') - выделяется в результате контактного взаимодействия пар трения тормоза. В этом случае микротермобатарея работает в режиме микротермоэлектрохолодильника.
Термобатареи, выполняя роль термоэлектрогенератора или термоэлектрохолодильника, могут менять направление тока на прямой и обратный и при этом усиливать, уменьшать и стабилизировать его значение.
Микротермобатареи располагаются на поверхности трения барабанно-колодочного тормоза в поперечном и в продольном направлении. Пары трения тормоза взаимодействуют в гиротропной среде и подвержены гальвано- и термомагнитным эффектам. Различают следующие эффекты: поперечный и продольной гальваномагнитные, поперечный и продольный - термомагнитные. Перечисленные эффекты зависят от напряженности магнитного поля, вызываемого электрическим полем. Закономерности для поперечных и продольных эффектов носят характер линейных и квадратных зависимостей с учетом того, что в парах трения тормоза наводятся слабые магнитные поля.
ф
ф
В соответствии с работой микротермобатарей в режимах микротермоэлектрогенератора (ТГ) (фиг.9) и микротермоэлектрохолодильников и представленной электрической схемой (фиг.3) трибоЭДС (Е) является суммой контактно-скользящей составляющей, обусловленной наличием контактной разности потенциалов пары «полимер-металл» и «поверхности полимера-нижний уровень приповерхностного слоя полимера», и составляющей, обусловленной массопереносом в зоне трения макроучастков и сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностных слоях контактирующих материалов. Тогда генерируемый в цепи за счет трибоЭДС ток I будет алгебраической суммой токов
CK
M
Д
Т
Р
где I, I, I, I, I - токи, возникающие за счет: электризации скольжения и контакта; движения заряженных частиц фрикционного массопереноса; сорбционно-десорбционных процессов в приповерхностных слоях контакта; термический; обратного заряда, возникающего при разрушении фрикционного контакта (импульсный ток).
Барабанно-колодочный тормоз (фиг.11) содержит тормозной барабан 1, имеющий 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, выполненные из полимерного материала и из материала, из которого изготовлен обод 2 барабана 1. Металлический фрикционный элемент расположен со стороны обода 2 барабана 1, сопряженного с фланцем 8. На рабочей поверхности 18 фрикционной накладки 17 по всему ее периметру выполнены канавки 19, разделяющие их рабочие поверхности 18 на отдельные сектора 20. Наличие в ободе 2 барабана 1 четырех независимых дисков 6, один из которых изготовлен из фрикционного материала, 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». Кроме того, моделировать на их микроучастках следующие типы пар трения: прямую - «металлическая поверхность - полимерная поверхность» и обратную - «полимерная поверхность - металлическая поверхность». Под каждым пазом 19 по ширине в одной из накладок 17 выполнено сквозное окно 21 в ее теле в основании 15 колодки 14.
С нерабочей стороны основания 15 колодки 14 размещены их ребра жесткости 22, которые между собой соединены пальцем 23 с проточкой 24. В последнюю посажена оттяжная цилиндрическая пружина 25.
Со свободного края обода 2 тормозного барабана 1 уставлен направляющий диск 26, к которому крепятся тормозные колодки 14.
В окна 21 одной из тормозных колодок 14 установлены эталонные металлический и полимерный образцы 27 (см. фиг.12 и 13) в виде пластин, изготовленных из того же материала, что и обод 2 барабана 1 и фрикционная накладка 17. Образцы 27 связаны напрямую с модуляторами 28, а также через измерительные устройства 29 с регистрирующим устройством 30.
В дальнейшем, после завершения торможения барабанно-колодочным тормозом на стенде, начиная со стороны защемления обода 2 с фланцем 8, поочередно в окна 21 набегающей тормозной колодки 14 по ширине основания 15 производят перестановки эталонного металлического и полимерного образцов 27.
Рядом с эталонным металлическим и полимерным образцами 27 монтируют, соответственно, две и одну пластинчатые термопары (фиг.14), каждая из которых имеет термоэлектроды 31, изготовленные из хромеля (+) и копеля (-), между которыми расположен слой изоляции 32. Каждая из термопар размещена в корпусе 33. Устанавливаются пластинчатые термопары в отверстия 34 во фрикционной и металлической накладке 17, первая из которых имеет приповерхностный слой 38 в средней части колодки 14, а в ее основании 15 выполнены отверстия 35, через которые пропущены выводы 36 и 37 термопар. Термоэлектроды 36 первой и третьей термопар расположены заподлицо сектора 20 накладок 17, т.е. на их рабочей поверхности 18. Термоэлектроды 37 второй термопары выполнены различной высоты и расположены в приповерхностном слое 38 сектора 20 накладки 17 и поэтому она названа ступенчатой пластинчатой термопарой (см. фиг.15 и 16).
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, фрикционные и металлические накладки 17, которые своими рабочими поверхностями 18 взаимодействуют с рабочими металлическими и фрикционной поверхностями 3 обода 2 тормозного барабана 1. В результате длительных или циклических торможений достигается нагревание пар трения тормоза до заданного состояния и при этом возникают тепловые потоки, направленные в тело обода 2 барабана 1 и в приповерхностный слой 38 накладки 17, собственно в тело накладки 17 и в основание 15 тормозной колодки 14. Для моделирования торможения автотранспортного средства в дорожных условиях пары трения барабанно-колодочного тормоза принудительно обдувают окружающим воздухом.
Для оценки теплового потока, генерируемого в парах трения, представим закон Фурье в форме, аналогичной закону Ома в электротехнике, оперируя понятием о термическом сопротивлении неоднородной многослойной стенки () с температурами поверхностей деталей фрикционного узла барабанно-колодочного тормоза. Получили следующую зависимость для величины теплового потока
δ1
где t - температура наружной поверхности обода тормозного барабана;
k
t - температура внутренней поверхности основания тормозной колодки;
;
1
2
3
4
к
k1
н
1
н1
c
δ
δ1
R+R+R+R - термическое сопротивление: основания колодки с температурами t и t, фрикционной накладки с температурами t и t; приповерхностного слоя накладки с температурами t и t, обода тормозного барабана с температурами t и t.
Зависимость для определения термического сопротивления пар трения барабанно-колодочного тормоза имеет вид ,
1
2
3
4
1
2
3
4
где δ, δ, δ, δ и λ λ λ λ - толщины и коэффициенты теплопроводности материалов: основания тормозной колодки; фрикционной накладки и ее приповерхностного слоя; обода тормозного барабана.
Способ определения направлений составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза при их нагревании в стендовых условиях реализуют в пять этапов.
Первый этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, до и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки и одновременным включением в цепь модулятора эталонного металлического образца определяют составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей.
При включении модулятора 28 в цепь, создающего вибрацию эталонного металлического образца 27, и измерительного устройства 29, являющегося фазовой автокомпенсационной системой, постоянно отслеживающей на выходе потенциал, равный на регистрирующем устройстве 30 контактной разности потенциалов между исследуемыми объектами, а с помощью термоэлектродов 36 и 37 пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопар регистрируют разность потенциалов между внешним и внутренним уровнями приповерхностного слоя 38 сектора 20 накладки 17 по его длине.
Составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков, определяют по зависимости вида,
1i
2i
где Δφ - разность потенциалов между поверхностью диска 6 обода 2 барабана 1 и эталонным металлическим образцом 27, подключенным к модулятору 28; Δφ - разность потенциалов между термоэлектродами 36 и 37 пластинчатой и ступенчатой пластинчатой термопар.
CK
Модифицируем известную формулу Круппа для определения величины плотности контактно-скользящего заряда и определяем величину Iприменительно к случаю наличия пяти видов макроучастков контакта
R
A
М
П
0
ПМ
МП
д
где t - время торможения; σ - плотность заряда; A - соответствующие площадки макроучастков скользящего контакта и отвечающие им термические сопротивления; e - заряд электрона; D - плотность поверхностного состояния фрикционной накладки; W, W, W, W, W, W - работа выхода электрона из: металла; полимера, окисной пленки металла; перенесенной пленки полимера на металл; перенесенной пленки металла на полимер; приповерхностного слоя полимера при сорбционно-десорбционных процессах.
0
П
R2
R1
П
ПМ
Анализ приведенного выражения показывает, что поскольку в большинстве случаев значения W>W, А>A (при t=0), W≈W,
M
МП
, ; W≈W, , .
CK
М
П
R1
М
МП
R4
0
П
R2
ПМ
П
R3
В случае термоактивированного эффекта растворения поверхностного слоя металла полимером и восстановления металла из окисла  (для кислородосодержащих полимеров возможно ), то величина тока I будет определяться в начальный период трения вторым слагаемым, а в дальнейшем при достижении трибосистемой состояния, удовлетворяющего равенству (W-W)A+(W-W)A=(W-W)A+(W-W)A - первым слагаемым.
К
СК
Определение составляющей I (тока контактного взаимодействия), являющейся компонентой I производится в лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения ниже и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки барабанно-колодочного тормоза и при замкнутых парах трения при остановленном тормозе, и одновременном включением в цепь модулятора 28 эталонного металлического образца 27 определяют составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения взаимодействующих макроучастком поверхностей. Составляющую суммарного тока, возникающего за счет трения скольжения взаимодействующих макроучастков поверхностей, определяют как разность
,
ск
к
где I, I - составляющие суммарных токов, вызванных скольжением и контактным взаимодействием и собственно контактным взаимодействием. Поэтому для режима нагревания макроучастков взаимодействующих пар трения через каждые 50°С и остановки тормоза при включенном эталонном металлическом образце 27 к модулятору 28 определяют разность потенциалов для неработающего тормоза с раздвинутыми колодками 14 и находят составляющую суммарного тока, возникающего за счет контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей, по зависимости вида , составляющую суммарных токов, вызванных скольжением и контактным взаимодействием макроучастков, определяют согласно данным этапа.
CK
СК
С
К
СК
СК
Направление тока I в парах трения барабанно-колодочного тормоза в процессе торможения автотранспортного средства определяется преимущественным направлением вращения тормозного барабана (см. фиг.19а). Ток I состоит из двух составляющих, т.е. скольжения (I) и контактного взаимодействия (I). Первая направлена по касательной к поверхностям трения, а вторая - перпендикулярно. Результирующий ток Iявляется гипотенузой прямоугольника, построенного на его катетах. При этом полярность суммарного тока скользящей контактной электризации Iне является квазистабильной в динамике процесса трения вследствие непостоянства параметров скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков пары трения.
Второй этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, до и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки и одновременным включением в цепь модуляторов эталонных металлического и полимерного образцов определяют составляющую суммарного тока, образованного движением заряженных частиц фрикционного массопереноса.
По соотношению максимальных к минимальным суммарным токам, возникающим за счет трения скольжения и контакта взаимодействующих макроучастков поверхностей трения, моделирующих прямую и обратную пары трения, определяют долю составляющего суммарного тока, образованного движением заряженных частиц фрикционного массопереноса
для полимерной составляющей
для металлической составляющей
M
Кроме того, величина тока массопереноса I в общем случае определяется алгебраической суммой токов
i
i
i
где q, n, v - заряд, количество и средняя скорость i-ой частицы массопереноса.
В связи с тем, что вибрирующий под действием модулятора 28 металлический эталонный образец 27 расположен на расстоянии 0,5 мм под вращающейся дорожкой трения металлического диска 6 обода 2 барабана 1, то образуется с ней цилиндрический конденсатор емкостью С. Однако из-за незначительной площади поверхности металлического эталонного образца 27, и представив дорожку трения металлического диска 6 в виде бесконечной пластины, указанный конденсатор представляем как плоский и имеющий заряд , вследствие разности работы выхода электрона (е) металлического эталонного образца 27 и вращающегося диска 6 обода 2 барабана 1. Аналогичные расхождения справедливы и для полимерной пары, т.е. полимерного эталонного образца 29 и фрикционного диска 6, расположенного на ободе 2 барабана 1.
Полагая, что перенос осуществляется двумя видами заряженных частиц, выражение для тока массопереноса записывается в виде
П
М
м1
К
СК
м2
К
СК
М
П
м1
м2
Из анализа зависимости (7) очевидна коррекция между количеством частиц n и интенсивностью изнашивания. Экспериментальным путем установлено, что износ полимера в 8-10 раз происходит быстрее, чем металлического фрикционного элемента. В случае, если W>W, то сила тока I увеличивает составляющую I, в результате чего суммарный ток I растет. В то же время I уменьшает составляющую I, в результате чего суммарный ток I будет незначительно уменьшаться. В случае, если W>W, наблюдается противоположная картина. На фиг.19б показаны направления токов I и I.
Третий этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, до и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки и одновременным включением в цепь модулятора эталонного металлического образца с фиксацией времени торможения определяют составляющую суммарного тока, называемую разрядным током (импульсным током).
Разрядный ток вызван пробоем внешнего электрического поля, и поэтому его приводим к движению электрических зарядов между микроучастками взаимодействующих поверхностей пар трения тормоза. Для точного определения количества зарядов эталонный металлический образец 27 устанавливается заподлицо сектора 20 фрикционной накладки 17 напротив независимого диска 6 обода 2 тормозного барабана 1. При включении модулятора 28 в цепь, создающего вибрацию эталонного металлического образца 27, следят за реакцией зарядов, так называемым баллистическим отклонением: стрелка регистрирующего устройства 29 отклоняется, затем идет в обратную сторону и возвращается к исходному положению. Для измерения импульса зарядов достаточно одного отсчета положения стрелки на регистрирующем устройстве 29. При этом фиксируется продолжительность времени (τ) данного процесса. После чего по зависимости вида  (где q - количество зарядов, необходимых для пробоя внешнего электрического поля).
М
П
П
М
р
При W>W направление тока является отрицательным, а при W>W - положительным. На фиг.19в проиллюстрированы направления токов I.
Четвертый этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, т.е. ниже и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки определяют суммарный ток, обусловленный сорбционно-десорбционными процессами в межконтактной зоне макроучастков поверхностей взаимодействия и деструкционными изменениями в приповерхностных слоях секторов фрикционных накладок тормозных колодок.
Работа приповерхностных слоев 38 сектора 20 накладки 17 в зоне и выше допустимой температуры для их материалов характеризуется процессами дымления, образованием жидких фракций и их превращением в парообразное состояние. Поэтому в приповерхностных слоях 38 сектора 20 накладки 17 установляется как минимум две пластинчатые термопары с термоэлектродами 36 и 37, расположенными на трех уровнях. Последнее обстоятельство по разностям потенциалов, зарегистрированных пластинчатыми термопарами в приповерхностном слое 38 сектора 20 накладки 17, и находят по зависимости вида
1сд
2сд
3
где Δφ, Δφ - разность потенциалов внешней и внутренней поверхности приповерхностного слоя 38 секторов 20 накладки 17; R - термическое сопротивление приповерхностного слоя 38 секторов 20 накладки 17) суммарный ток, обусловленный сорбционно-десорбционными процессами в приповерхностном слое 38 сектора 20 накладок 17 тормозных колодок 14.
д
д
СК
К
М
П
М
П
д
Ток I обусловлен сорбционно-десорбционными процессами, как в межконтактной зоне, так и в приповерхностном слое фрикционной накладки, определяется суммой зарядов медленных состояний взаимодействующих поверхностей. Знак поверхностного заряда зависит от состава газового окружения, т.е. от адсорбционных процессов. Установлено, что при малых количествах поглощенного водорода поверхность адсорбента заряжается положительно, а при достаточном поглощении - отрицательно. Аналогичная картина наблюдается при адсорбции или десорбции воды. Поскольку группа ОН обладает электронодонорными свойствами, то адсорбция воды приведет к увеличению исходного положительного заряда или к уменьшению исходного отрицательного заряда, а в пределе - к инверсии знака заряда. Следовательно, при определенных условиях в процессе фрикционного взаимодействия направления токов I и составляющей токов I слагаемого Iпри условиях W>W и W>W будут либо совпадать, либо противоположны. На фиг.19г показаны направления тока I.
Пятый этап. В лабораторных условиях на тормозном стенде путем нагревания макроучастков пар трения барабанно-колодочного тормоза в зависимости от степени их нагретости, до и выше допустимой температуры для материалов фрикционной накладки определяют суммарный термический ток.
Т
П
1
2
П
1
2
Для эффективной реализации способа рабочие поверхности 3 обода 2 и фрикционных накладок 17 разделены продольными канавками 5 и 19 различной ширины и поэтому одни края их совмещены в вертикальной плоскости, образуя таким образом независимые пары трения «металлические диски 6 - сектора накладок 20». Рабочие поверхности последних нагреваются на тормозном стенде путем выполнения барабанно-колодочным тормозом циклических или длительных торможений. С помощью термоэлектродов 36 пластинчатой термопары, расположенной заподлицо приповерхностного слоя 38 сектора 20 фрикционной накладки 17 по ее длине, регистрируют разность термоэлектродвижущихся сил (термоЭДС), отвечающих поверхностным температурам на тарировочных графиках, зарегистрированных термоэлектродами 36 пластинчатой термопарой, а затем определяют ЭДС термотока по зависимости вида E=К(t-t), где К - коэффициент термоЭДС, мкВ/°С; t и t - поверхностная температура пар трения и окружающей среды, °С; после чего по зависимости вида ; ;
1
2
3
4
1
2
3
4
где δ, δ, δ, δ и λ λ λ λ - толщины и коэффициенты теплопроводности материалов: основания тормозной колодки: фрикционной накладки и ее приповерхностного слоя; обода тормозного барабана) находят величины суммарных термических токов.
П
T
T
В горячем контакте термоток всегда идет из фрикционного элемента с меньшим значением K во фрикционный элемент с большим значением K. Следовательно, при К>0 термоток I будет направлен от полимера к металлу (отрицательное направление). На фиг.19д проиллюстрированы направления тока I.
Таким образом, экспериментально регистрируемый суммарный ток электризации с учетом направлений слагаемых токов имеет вид
П
M
при W>W
M
П
при W>W
Однако на величины составляющих суммарного тока электризации в парах трения барабанно-колодочного тормоза существенно влияет тепловое состояние обода и боковой стенки барабана, а также фрикционных накладок колодок.
Характер изменения доли теплоты обода барабана и его боковой стенки в аккумулировании генерируемой теплоты наглядно иллюстрируется с помощью изменения прироста их средних температур в течение предварительного этапа испытания типа II заднего барабанно-колодочного тормоза автомобиля ЗИЛ-130 при скорости V=30 км/ч (фиг.17а, до 720 с). Согласно фиг.17а интервал времени темпов нагревания обода тормозного барабана и его боковой стенки составлял 0-720 с. Темпы нагревания обода барабана и его боковой стенки определялись по полиноминальным регрессиям вида
Согласно фиг.17б интервал времени темпов охлаждения обода тормозного барабана и его боковой стенки составлял (720-1200) с, т.е. 480 с. Темпы охлаждения обода барабана и его боковой стенки определялись по полиноминальным регрессиям вида
Резкое изменение удельных долей теплоты указанных элементов барабана в аккумулировании теплоты прослеживается в течение первой половины данного испытания. Квазистабильный температурный перепад наблюдается ближе до завершения предварительного этапа торможения. При переходе к основному этапу испытаний типа II и после 720 с видно, что прирост температуры обода барабана мгновенно приобретает отрицательные значения, а прирост температуры боковой стенки барабана резко уменьшается, но до 1000 с сохраняет знак «+». Это объясняется тем, что от 720 к 1000 с боковая стенка аккумулирует теплоту, которая ведет к выравниванию их средней температуры с температурой обода барабана и в конечном результате к термостабилизационному состоянию тормозного барабана.
Последнее обстоятельство способствует стабильной работе микротермоэлектрогенераторов и микротермоэлектрохолодильников во внешнем электрическом поле и, как следствие, квазистабильному состоянию величин и направлений составляющих электрических токов в парах трения тормоза.
Согласно рис.18а интервал времени темпов нагревания рабочей и нерабочей зоны фрикционной накладки составлял 0-720 с. Темпы нагревания рабочей и нерабочей зон накладки определялись по полиноминальным регрессиям вида
Согласно фиг.18б интервал времени темпов охлаждения рабочей и нерабочей зоны накладки составлял (720-1200) с, т.е. 480 с. Темпы охлаждения рабочей и нерабочей зон накладки определялись по полиноминальным регрессиям вида
Резкое изменение удельных долей теплоты рабочей зоны фрикционной накладки, которая идет на аккумулирование теплоты ее приповерхностным слоем, прослеживается до 300 с испытаний, после чего темп нагревания стабилизируется и становится равным нижнему уровню приповерхностного слоя накладки. Объясняется это тем, что в приповерхностном слое накладки начинается взаимодействие компонентов фрикционных материалов, носящих характер эндотермических химических реакций. Кроме того, в дальнейшем после 300 с нагревания возможны также инверсии тока электризации, вызванные ионизированной газовой смесью, так и десорбцией компонентов влаги из приповерхностных слоев накладки при положительном квазистабильном темпе их нагревания.
Что касается темпов охлаждения рабочей зоны приповерхностного слоя и его нижнего уровня фрикционной накладки, то к 240 с (после завершения испытаний) они стабилизируются при отрицательных темпах.
Знание закономерностей изменения темпов нагревания и вынужденного охлаждения тормозного барабана и фрикционной накладки позволяет судить об их тепловом состоянии как в процессе длительных и циклических торможений, так и перед началом их выполнения.
М
П
П
М
П
М
М
П
Рассмотрим закон изменения суммарного тока электризации по зонам теплового состояния металлического элемента трения тормозного устройства при двух условиях: W>W и W>W. В зоне до стабилизационного теплового состояния металлического элемента трения тормозного устройства суммарный ток электризации будет наибольшим в случае приближения пары трения к указанной зоне при условии, что W>W. При этом суммарные токи  и  будут большими, чем при условии W>W.
М
П
П
М
М
П
Это обстоятельство указывает на то, что при торможениях происходит интенсивное накопление тепловой энергии в металлическом элементе трения, а конвективный теплообмен с его матовых поверхностей и радиационный теплообмен весьма незначительны. Наиболее интересное явление происходит в зоне стабилизационного теплового состояния металлического фрикционного элемента в случае интенсификации сорбционно-десорбционных процессов, происходящих в приповерхностных слоях материала накладок при условии W>W. В этом случае суммарные токи  и  будут большими, чем при условии W>W. Выгорание связующих компонентов фрикционных материалов является причиной дымления их поверхностей и приводит к образованию на них жидких фракций, что является причиной инверсии теплового потока от матовых поверхностей металлического элемента трения к полированной (рабочей) его поверхности. Это обстоятельство способствует возникновению стабилизационного теплового состояния металлического элемента трения несмотря на интенсивный радиационный теплообмен с его полированной поверхности. Продолжительность стабилизационного теплового состояния в значительной мере зависит от времени и температуры завершения сорбционно-десорбционных процессов в приповерхностных слоях фрикционной накладки, а также от величины суммарного тока электризации. Значение последнего в зоне с температурой, превышающей стабилизационное тепловое состояние металлического элемента трения, будет минимальным при условии W>W.
у
у
Исходя из вышеизложенного условием возникновения термостабилизации металлического элемента трения тормозных устройств является критерий устойчивости трибосистемы К=dW/dT<0, К<0 (где dW - изменение остаточной энергии; dW>0 в том случае, если дополнительная энергия термохимической реакции деструкции связующих компонентов материала поверхностных слоев накладки и радиационного теплообмена между взаимодействующими поверхностями трения тормоза будет расти интенсивнее, чем энергия нагружения трибосистемы, определяемая величиной работы сил трения; dT - изменение поверхностной температуры пар трения тормоза).
Таким образом, определены направления составляющих электрических токов в парах трения «полимер-металл» барабанно-колодочного тормоза при преимущественном направлении вращения его барабана при их нагревании в стендовых условиях до и выше допустимой температуры материалов фрикционной накладки для точной оценки генерируемого количества теплоты в процессе длительных или циклических торможений.
Источники информации
1. Применение зонда Кельвина в трибологии / Шипица Н.А., Жарин А.Л., Сорока Д.И. - Материалы международн. конгресса «Механика и трибология транспортных систем». - Ростов на Дону, т.2, 2003. - с.398-402.
2. Патент России 2134368 C1, кл. F16D 65/813, 10.08.1999.
3. Заявка на предполагаемое изобретение на патент России за №2010138203 с приоритетом от 19.02.2010 г.