ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приведем некоторые результаты сравнительного исследования четырех типов фрикционных материалов. Все материалы испытывались при трении по стали 35Г2, закаленной и отпущенной до НВ 280. Подобная сталь применяется для корпусов поглощающих аппаратов. Испытания показали, что лучше других удовлетворяют требованиям два фрикционных материала: металлокерамика типа ФМК-Н и пластмасса ретинакс ФК-16Л.
Металлокерамика типа ФМК-11 (на железной основе) содержит графит, барит, асбест и кремнезем. Ретинакс ФК-16Л представляет собой асбосмоляную композицию, в состав которой, кроме связующего — фенолформальдегидной смолы, входят также асбест, барит и латунь. Оба фрикционных материала в настоящее время применяются в тяжелонагруженных фрикционных узлах, например, в тормозах авиаколес. Подробнее свойства этих материалов описаны в работе И. В. Крагельского [12].
Испытаниями специальных материалов на приборе (см. фиг. 15) были получены их основные фрикционные характеристики. Так, на фиг. 63 представлены зависимости коэффициента трения от скорости скольжения при удельном давлении р = = 440 кГ/см2 и различных начальных скоростях удара и0. Из графиков видно, что коэффициент трения зависит от начальной скорости удара. Для пары сталь — ретинакс ФК-16Л (фиг. 63, а) .коэффициент трения монотонно уменьшается при увеличении скорости скольжения. Для пары сталь—металлокерамика ФКМ-11 (фиг. 63, б) кривая!=!(&) имеет в средней части минимум. Сопоставляя приведенные данные с соответствующими зависимостями для пары трения сталь—сталь (фиг. 63, в), заметим, что коэффициент трения у пар сталь—материалы ФКМ-11 и ФК-16Л изменяется в процессе удара в значительно меньшей степени. Кроме того, у этих пар коэффициент трения в конце
Удара при скоростях, близких к нулю, не возрастает резко, что свойственно работе пары сталь—сталь. Пиковый характер нарастания силы трения в конце удара, связанный обычно со схватыванием трущихся поверхностей, приводит к ухудшению силовой характеристики аппарата, т. е. росту максимальной силы удара, а также способствует появлению скачков силы, снижению стабильности работы амортизатора и поэтому является: весьма нежелательным.
При работе материалов типа ФМК-11 и ФК-16Л совершенна отсутствовало прилипание, характерное для стальных поверхностей и обусловленное значительным молекулярным схватыванием [35]. Это является важным преимуществом указанных материалов, так как позволяет устранить весьма опасное в эксплуатации явление заклинивания амортизатора.
Характерно, что далеко не все специальные фрикционные материалы обладают выгодными фрикционными свойствами; так, на фиг. 63, г представлен график зависимости коэффициента трения от скорости для сочетания стали с металлокерамическим материалом ФМК-8. В этом случае коэффициент трения в процессе удара изменяется в значительной степени, окончание скольжения сопровождается резким возрастанием фрикционного сопротивления. Поверхности трения при работе этого сочетания
Несут следы интенсивного разрушения: глубинное вырывание в местах контактного схватывания, образование наростов.
При оценке свойств фрикционных материалов целесообразно учитывать следующие показатели.
Важной характеристикой работы фрикционной пары при нестационарном режиме обычно является величина среднего коэффициента трения /с/7 [41]. Эта величина определяется из условия равенства фактической работы трения при ударе (при переменном коэффициенте трения) и работы трения на том же перемещении при условно постоянном коэффициенте трения, равном /ср. Величину /ср удобно использовать при приближенных расчетах амортизаторов, когда не учитывается изменение коэффициентов трения от скорости. Расчетный коэффициент трения /9 (табл. 5) по существу представляет собой коэффициент /Ср*
При оценке степени изменяемости коэффициента трения в процессе удара целесообразно использовать введенный впервые в работе [14] показатель стабильности коэффициента трения Я, представляющий собой отношение среднего коэффициента трения к максимальному, т. е.
Л = -£*-. (244)
/шах
Лучшим считается фрикционный материал, для которого величина коэффициента К — наибольшая (предельное значение
К — 1) 9 КОГДа УСр —Углах*
В качестве критерия износостойкости того или иного фрикционного материала может быть использована величина удельного весового износа <7, представляющая собой отношение общего весомого износа фрикционного материала / к суммарной энергии 5, введенной в процессе испытаний:
Я = ~Э мг/тм. (245)
В табл. 12 приведены значения параметров /сру к и 9 для различных фрикционных материалов и стальных образцов, полученные в результате испытаний.
Данные табл. 12 также указывают на существенные преимущества отмеченных выше сочетаний, в особенности сочетания
Стали с металлокерамикой ФМК-11, по сравнению с другими фрикционными парами. При хорошей износостойкости этот материал обеспечивает достаточный по величине и мало изменяющийся коэффициент трения.
Положительные свойства материалов ФМК-П и ФК-15Л можно объяснить с точки зрения современных представлений о трении следующими особенностями их работы. Как известно, поведение фрикционного материала определяется главным образом
151
Температурным режимом узла трения. Температурный режим фрикционного амортизатора, как показали исследования [26], характеризуется следующим. Весь процесс несит характер теплового удара; максимальные температуры, достигающие 500— 550° С, действуют в течение весьма короткого времени, поэтому тепло не успевает распространяться в глубь материала и поглощается тончайшим поверхностным слоем. Градиент температуры по глубине весьма большой— 1000— 1500 град/мм, а объемная температура практически неизменна.
Таблица 12
|
![]() |
В таких условиях устойчивое значение коэффициента трения при изменении внешних параметров — скорости и давления — может, очевидно, обеспечиваться лишь материалами, обладающими высокой сопротивляемостью тепловому удару и высокой теплостойкостью. Достаточная износостойкость при этом достигается обычно за счет образования в процессе трения пластичного и стойкого к передеформированию рабочего слоя со специальными свойствами [8] и [12]. В условиях весьма больших температурных градиентов особенно важно, чтобы все фрикционные процессы локализовались в этом рабочем слое, т. е. необходимо, чтобы прочность слоя была меньше прочности нижележащих слоев. При работе фрикционных материалов типа ФМК-11 и ФК-16Л на поверхностях трения постоянно наблюдалось образование такого рабочего слоя [26]. Кроме того, на поверхностях трения отсутствовали следы макроразрушений, наблюдался полировальный эффект. Образованием теплостойкого рабочего слоя, обеспечивающего также достаточную сопротивляемость материала тепловому удару, видимо, и объясняются: положительные свойства этих пар трения.
Исследования различных вариантов фрикционных пар в условиях ударного трения показали, что представляется возможным получить специальные фрикционные материалы для амортизатора удара с еще лучшими свойствами.
Особые физико-механические свойства фрикционных материалов предъявляют специфические требования к кон
Струкции амортизатора, из которых необходимо отметить следующие:
1) фрикционный материал, как правило, должен применяться в качестве накладок на стальные элементы;
2 ) поверхности трения должны быть возможно большими для уменьшения удельных давлений;
3) соприкасающиеся поверхности трения фрикционного материала и стали должны быть механически обработаны для уменьшения износа и срока приработки.
Исследование работы
Фрикционных материалов проводилось не только в лабораторных условиях, но и в натуре— в поглощающих аппаратах автосцепного устройства. Испытания на копровой установке и при соударении вагонов подтвердили основные выводы о возможности значительного повышения стабильности работы и улучшения других — свойств поглощающих аппаратов.
На фиг. 64 приведены опытные силовые характеристики поглощающего аппарата с металл окерамическими накладками из материала ФМК-11, полученные при испытаниях на копровой установке с падающим грузом весом 4 т. У опытных аппаратов практически отсутствовало скачкообразное изменение силы при ударе, поэтому силовые характеристики стабильны и монотонны. Система кривых указывает на некоторую зависимость коэффициента трения от скорости скольжения, что отмечалось и при лабораторных испытаниях.
Обработка результатов опытов дала следующие значения коэффициентов трения /&, определенных по энергии, поглощенной аппаратом при ударе: для металлокерамики ФМК-11 /*=0,38-^- — т-0,40; для ретинакса ФК-16Л =0,30-^0,31. В обоих случаях ка вспомогательных (стальных) поверхностях трения коэффициент трения принимался постоянным и равным [всп=0,20.
Высокая стабильность работы аппарата проявлялась в малом разбросе величины максимальной силы при повторных одинаковых ударах. Так, по результатам специальных испытаний ударами с энергией *9 = 3400 кем была получена величина вариационного коэффициента по силе =0,026%, что намного
Меньше, чем у поглощающих аппаратов Ш-1-Т. Кроме того, при
Работе рассматриваемых аппаратов полностью отсутствовало явление заклинивания, свойственное аппаратам с обычными стальными поверхностями трения.
Фрикционные вставки из металлокерамики обладают необходимой прочностью и износостойкостью. Металлокерамика типа ФМК-П с некоторыми изменениями по своему составу может быть рекомендована для поглощающих аппаратов автосцеп — ного устройства [26]: Прочность пластмассы ретинакс ФК-16Л, как показали натурные испытания, является недостаточной. По — видимому, применение этого материала в поглощающих аппаратах будет возможно в случае, если удастся значительно снизить величины рабочих удельных давлений. Необходимо и в дальнейшем исследовать возможность применения специальных фрикционных материалов для амортизаторов.