Báo cáo khoa học: "ĐáNH GIá ĐặC TíNH Kỹ THUậT MA SáT VậT LIệU COMPORIT CHế TạO GUốC HãM KHI TRƯợT ở TốC Độ THấP" pot

ĐáNH GIá ĐặC TíNH Kỹ THUậT MA SáT VậT LIệU COMPORIT CHế TạO GUốC HM KHI TRƯợT ở TốC Độ THấP PGS. TS. vũ duy lộc KS. vũ thị hoài thu Bộ môn Đầu máy - Toa xe - Trờng ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo giới thiệu cơ sở lý luận lựa chọn vật liệu comporit chế tạo guốc hãm đảm bảo giảm mi mòn mặt lăn bánh xe, độ cứng chống mi mòn guốc hãm lớn v ổn định hệ số ma sát trong quá trình hãm. Summary: This article presents the basic study of using composite materials to manufacture brake shoes, which can reduce wheel - tread wear, stabilize the friction coefficient and enhance significantly the brake performance. I. Đặt vấn đề Sau nhiều năm nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận hệ số ma sát của một số guốc hãm comporit không phù hợp với giá trị lý thuyết và giá trị xác định theo đờng hãm thực tế, đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Vì vậy, bài báo giới thiệu những đặc tính ma sát của guốc hãm khi đoàn tầu chuyển động với tốc độ nhỏ trớc lúc đoàn tầu dừng. II. Nội dung Những guốc hãm chế tạo từ vật liệu comporit TP - 300 đa vào thí nghiệm sử dụng cho toa xe hàng, loại TP - 303 sử dụng cho toa xe khách. Thành phần hóa học những guốc hãm chế tạo từ vật liệu comporit TP - 300 đợc tính theo tỷ lệ % khối lợng: amiăng 15%; cao su 20%; barit 47,5%; muội bồ hóng 15%; lu huỳnh 2,5%. Vật liệu comporit chế tạo loại TP - 303 trong thành phần có butadien, cao su lập thể thay đổi, CKD, lu hóa, than chì, bột điện phân và amiăng guốc hãm comporit Sự khác nhau cơ bản trong vật liệu chế tạo guốc hãm comporit cho toa xe hàng và khách là tăng tính dẫn nhiệt, thay barit bằng graphit và chất điện phân [1, 2]. Những chi tiết thực hiện trên thiết bị ma sát (trục quay và guốc hãm): - Guốc hãm có tiết diện hình tròn chế tạo từ vật liệu comporit TP - 300; TP - 303. Phôi cắt từ thanh có đờng kính ngoài 60mm, đờng kính trong 40mm, chiều dầy 10mm, chiều dài cung của bề mặt ma sát là 20mm. - Trục ma sát chế tạo từ thép bánh xe có đờng kính 40mm. Độ nhám ban đầu bề mặt ma sát guốc hãm có giá trị thay đổi theo chiều trục ma sát. Ra = 1 ữ 1,2 MKm; Thành phần vật liệu guốc hãm khi thử nghiệm không đợc hiệu chỉnh. Trớc khi thử nghiệm tiến hành gia công cặp ma sát để đạt đợc bề mặt tiếp xúc guốc hãm 90% diện tích tiếp xúc định mức. Tốc độ trợt thay đổi trong dải từ 0,3 ữ 1,5 m/giây, áp lực tác dụng tiêu chuẩn từ 0,1 ữ 1,1MPa. Liên tục cho guốc hãm chịu tải sau khoảng 30 phút tiến hành đo nhiệt độ sinh ra do ma sát bằng thiết bị chuyên dùng đặt trong lỗ cách 0,5 mm từ bề mặt ma sát. Sau 120 phút xác định cờng độ mài mòn theo tiêu hao khối lợng mẫu thử bằng phơng pháp cân. Thí nghiệm thực hiện khi ma sát không có bôi trơn. Quan hệ hệ số ma sát vật liệu TP - 300 với tốc độ trợt v đợc mô tả trên đờng cong 1, 2 của hình 1. Những thí nghiệm đã chứng minh hệ số ma sát vật liệu guốc hãm loại TP - 303 ở tốc độ trợt nhỏ thấp hơn 12 ữ 25% so với vật liệu guốc hãm loại TP - 300, điều đó có nghĩa rằng: việc nâng cao hàm lợng graphit trong vật liệu guốc hãm comporit loại TP - 303 hình thành trên bề mặt lăn bánh xe một lớp mỏng có khả năng cản trợt thấp, hệ số ma sát ổn định. Hệ số ma sát (t) ảnh hởng nhỏ với sự thay đổi độ nhám bề mặt tiếp xúc của vật thể. Nh vậy, khi sinh nhiệt ma sát những lớp bề mặt comporit đóng vai trò cơ bản, lợng nhiệt ma sát sinh ra ở gần sát bề mặt ma sát đạt 300 Tăng tốc độ, nâng cao nhiệt độ lớp bề mặt các đỉnh tiếp xúc làm giảm sự cản trợt của cặp ma sát, làm thay đổi tính chất của vật liệu comporit (tính đàn hồi, tính biến dạng dẻo, độ dai) vì vậy giảm chiều sâu xâm nhập những phần lồi rất nhỏ của thép bề mặt băng đa trong bề mặt vật liệu comporit [5]. Kết quả hệ số ma sát giảm. o C khi tốc độ và tải trọng lớn. Theo mức tăng nhiệt và mềm hóa lớp bề mặt comporit tăng chiều sâu h xâm nhập vào những đỉnh gợn sóng bề mặt thép trục và tăng trị số kích thớc những vệt tiếp xúc thực tế. Khi kéo dài thời gian ma sát t = 30 phút với tốc độ không lớn thì có sự sai khác giữa giá trị hệ số ban đầu và cuối của vật liệu TP - 300 cao hơn hệ số ma sát của vật liệu TP - 303. Điều đó hoàn toàn khẳng định đợc vì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu TP - 300 là = 0,8 còn của vật liệu TP - 303 là = 3,3 nhiệt độ sinh ra ở vùng ma sát vật liệu TP - 300 với thép tăng lên đáng kể so với khi ma sát vật liệu TP - 303. Nâng cao hàm lợng graphit trong vật liệu comporit loại TP - 303 thì hệ số ma sát ( Nâng cao hệ số ma sát K : khi tốc độ đạt 0,3 ữ 0,7 m/giây, theo quan sát ta nhận thấy có quan hệ với xung phát nhiệt ở những đỉnh của phần lồi tiếp xúc (tại các đỉnh gợn sóng) và làm tăng tác dụng tơng hỗ giữa các phần tử [4]. Khi v = 0,7m/giây có trị số hệ số ma sát thấp hơn so với hế số ma sát tính theo lý thuyết. Hệ số ma sát vật liệu comporit loại TP - 300 phụ thuộc tốc độ trợt đợc mô tả trên đờng cong 3, 4 của hình 1. 1 2 34 K 0,6 0,5 0,4 0,3 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 V ( m/ g iâ y) Hình 1. ảnh hởng tốc độ trợt nhỏ với hệ số ma sát Vật liệu comporit Thép bánh xe Đờng cong 1,2: vật liệu TP-300; Đờng cong 3,4: vật liệu TP-303. Đờng cong 1,3: áp lực Po = 0,3MPa; Đờng cong 2,4: áp lực Po = 0,5MPa; K = 0,48 ữ 0,56) thấp hơn so với vật liệu comporit loại TP-300 ( K = 0,46 ữ 0,56) khi hãm đoàn tầu theo nguyên tắc tốc độ đoàn tầu từ từ giảm cho đến dừng. Trong những trờng hợp riêng, khả năng hãm trong một vài phút tốc độ đoàn tầu không đổi. Thí dụ hãm đoàn tầu khi xuống dốc dài đảm bảo tốc độ cho phép không đổi, điều đó có thể hy vọng rằng giá trị hệ số ma sát khi tốc độ nhỏ thực hiện trong thử nghiệm sẽ khác với tính toán lý thuyết. Trong miền áp lực nhỏ (0,3 MPa hoặc lực tác dụng lên guốc hãm từ 800 ữ 900KG) thì hệ số ma sát vật liệu comporit loại TP - 300 với thép bánh xe tăng lên một vài lần. Xem hình 2, đờng cong 1, 3. Thêm vào đó ta thấy những điểm trên đờng cong biểu thị hệ số ma sát không phụ thuộc vào tốc độ trợt. Nâng cao áp lực trong giới hạn nhỏ làm tăng nhanh diện tích tiếp xúc ban đầu của những chấm nhỏ (những đỉnh nhấp nhô bề mặt), làm cho hệ số ma sát tăng. Tiếp tục tăng tải trọng tác dụng lên guốc hãm làm tăng chậm diện tích tiếp xúc thực tế. Theo nguyên nhân này sẽ làm tăng lực ma sát liên kết giữa các phần tử, làm giảm hệ số K . Khi P o > 1 hệ số ma sát thay đổi rất nhỏ. Đờng cong 1,2,3: loại vật liệu TP-300; Đờng cong 4,5: loại vật liệu TP-303. Đờng cong 1,4: khi v = 0,3m/giây; Đờng cong 2,5: khi v = 0,6m/giây; Đờng cong 3: khi v = 1,5m/giây. ổn định hệ số ma sát trong điều kiện cho trớc phụ thuộc hai yếu tố: - Hệ số K giảm do những nguyên nhân mô tả ở trên. - Hệ số K tăng lên do tăng áp lực trong một dải lớn sẽ làm tăng nhiệt độ và diện tích tiếp xúc thực tế. Hệ số ma sát vật liệu comporit loại TP - 303 phụ thuộc áp lực P o đợc mô tả bởi đờng cong 4,5 (xem hình 2) ở tốc độ lớn nhất, độ dốc đờng cong nhỏ. Điều đó chứng tỏ lực cản ma sát thấp đóng vai trò đáng kể quan hệ với trợt. Cũng nh cờng độ tích lũy năng lợng nhiệt ma sát sinh ra ở lớp bề mặt nhỏ hơn, giả thiết rằng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu TP - 303 lớn hơn. Đờng cong cờng độ mài mòn J h của guốc hãm chế tạo từ vật liệu TP - 300 phụ thuộc áp lực tiếp xúc P o đợc biểu diễn ở hình 3. Khi tốc độ trợt thấp v = 0,3m/giây tăng giá trị P o lên 10 lần thì cờng độ mài mòn J h tăng 4 lần. Tiếp tục tăng tải trọng tác dụng trong thời gian dài thì lớp bề mặt comporit dầy bị phá hủy mỏi. Điều đó chứng tỏ cờng độ mài mòn J h tăng. Tăng tốc độ trợt quan hệ với tốc độ mài mòn J h (P o ), đặc biệt khi áp lực P o > 0,5MPa. Đối với chế độ tải trọng lớn, nhiệt độ ở vùng ma sát tăng, diện tích những vệt tiếp xúc thực tế tăng và phá hủy mỏi bề mặt ma sát chậm, bắt đầu hình thành mài mòn bám dính. Khi P 0 > 0,3MPa vật liệu comporit không có khả năng làm việc sau 10 ữ 15 phút ma sát. Trong quá trình thực nghiệm cho thấy, thời gian hãm xẩy ra nhỏ nên trong những tốc độ trợt có vị trí ở thời gian bắt đầu hãm đoàn tầu, khoảng thời gian biến dạng dẻo xuất hiện rất sớm. K 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 P o Vật liệu comporit TP - 303 có khả năng chịu mài mòn cao (xem hình 4). Giá trị cờng độ mài mòn của vật liệu TP - 303: Khi tốc độ trợt v = 0,3m/giây thấp hơn ( MPa ) 1 2 4 3 5 Hình 2. Quan hệ giữa hệ số ma sát vật liệu comporit với thép chế tạo bánh xe chịu áp lực tiêu chuẩn trên bề mặt tiếp xúc 1,1 ữ 1,15lần. Khi v = 0,6 m/giây thấp hơn 1,2 ữ 1,5 lần; Khi v = 1,5 m/giây thấp hơn đến 3 lần so với vật liệu comporit loại TP - 300. Sự thay đổi giá trị J h của vật liệu TP - 300 và TP - 303 sinh ra ở tốc độ v = 1,5MPa làm giảm biến dạng dẻo vật liệu. Nguyên nhân cơ bản là khả năng bôi trơn và dẫn nhiệt của TP - 303 lớn hơn TP - 300, đảm bảo tỏa nhiệt ở vùng ma sát. Điều đó trực tiếp ảnh hởng đến mài mòn Lựa chọn g vệt nhẵn bóng chứng minh rằng: tăng tốc độ trợt dẫn đến tăng cờng độ mài mòn của thép. Nguyên nhân cơ bản là do nâng cao nhiệt độ những lớp bề mặt của vật thể tiếp xúc, thúc đẩy quá trình ôxy hóa thép chế tạo bánh xe làm tăng xác suất hình thành liên kết bám dính. Giả th cặp bánh xe. ệu chế tạo g ã chứng minh cờn Bề mặt ma sát lăn sau khi mài mòn là nhữn iết rằng khi tốc độ trợt thấp hơn 1m/g nh 5 phù độ trợt làm tăng d 0 0,2 0,4 0,6 0,8 vật liệu má sát guốc hãm khôn g chỉ xuất phát từ điều kiện, khả năng chống mài mòn cao, đảm bảo hệ số ma sát cho trớc, tính ổn định của hệ số ma sát trong quá trình hãm, mối quan hệ giữa tải trọng và tốc độ mà còn khả năng giảm sự phục thuộc vào trạng thái môi trờng xung quanh. Yêu cầu quan trọng nhất là vật li uốc hãm có khả năng giảm mài mòn mặt lăn bánh xe. Rõ ràng rằng nhiệt độ cao, ứng suất kéo lớn ở vùng phía ngoài từ bề mặt tiếp xúc guốc hãm với mặt lăn bánh xe có thể gây rạn nứt nhỏ mặt lăn bánh xe theo hớng vuông góc, là nguyên nhân phá hủy mỏi lớp bề mặt băng đa khi bánh xe lăn trên đờng ray. Những thí nghiệm đ J h .10 -8 6 4 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 P o g độ mài mòn thép bánh xe thấp hơn đáng kể so với vật liệu comporit. Xem hình 5. ( MPa ) 2 1 3 Hình 3. Quan hệ cờng độ mi mòn vật liệu comporit TP-300 phụ thuộc P o Đờng cong 1: khi v = 0,3m/giây; Đờng cong 2: khi v = 0,6m/giây; Đờng cong 3: khi v = 1,5m/giây. iây, nhiệt độ bề mặt trung bình ở vị trí tiếp xúc giữa thép bánh xe và vật liệu comporit là 300 o C, tiếp tục tăng đến nhiệt độ bốc lửa trên những vệt tiếp xúc thi thực tế có thể không chỉ làm biến đổi pha mà nhiệt độ đó còn gần với nhiệt độ nóng chảy. Đờng cong 1 trên hì 1 2 3 1 P o ( MPa J h .10 -8 6 4 2 Hình 4. Quan hệ cờng độ mi mòn vật liệu comporit TP-300 phụ thuộc áp lực P o Đờng cong 1: khi v = 0,3m/giây; Đờng cong 2: khi v = 0,6m/giây; Đờng cong 3: khi v = 1,5m/giây. ) hợp với cờng độ mài mòn của thép chế tạo bánh xe với vật liệu comporit loại TP - 300. Nâng cao tải trọng, tốc iện tích tiếp xúc thực tế. Khi nhiệt độ tăng trên những vệt tiếp xúc sẽ phá hủy cục bộ vật liệu comporit và hình thành những điểm mài mòn và làm giảm lực ép tiếp xúc. Nhiệt độ ở vùng tiếp xúc guốc hãm chế tạo từ vật liệu TP-303 với bánh xe không vợt quá 200 o C. III. Kết luận Những thí nghiệm guốc hãm comporit loại TP-300 và loại TP-303 đã rút ra kết luận: Nó phù hợp với chu kỳ hãm dừng tầu. Hệ số ma sát vật liệu TP-303 với thép chế tạo bánh xe nhỏ hơn hệ số ma sát vật liệu TP- 300 từ 15 ữ 25%. Khi giảm tốc độ hệ số ma sát vật liệu comporit loại TP-303 luôn luôn tăng, còn đối với vật liệu TP-300 quan hệ không tuyến tính. Tăng áp lực P o đến 0,4MPa kéo theo tăng chậm hệ số ma sát, tiếp tục tăng P o hệ số ma sát giảm. Cờng độ mài mòn guốc hãm comporit và thép bánh xe tăng khi nâng cao áp lực P o , đặc biệt là khi tăng tốc độ ma sát. Cờng độ mài mòn thành phần cặp ma sát bánh xe thép với vật liệu comporit loại TP-303 giảm đáng kể so với cặp ma sát bánh xe thép với vật liệu comporit loại TP-300. Guốc hãm chế tạo từ vật liệu comporit loại TP-303 gây nên mài mòn bánh xe nhỏ, độ cứng chống mài mòn lớn, ổn định hệ số ma sát trong quá trình hãm. 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 V ( m / g iâ y) 1 J h .10 -8 4 3 2 5 2 1 Hình 5. Cờng độ mi mòn của thép phụ thuộc tốc độ trợt v dới áp lực P 0 = 0,3MPa Đờng cong 1: Mi mòn của thép với vật liệu TP 300 Đờng cong 2: Mi mòn của thép với vật liệu TP 303 Tài liệu tham khảo [1]. ; . // 2003.N o _4. [2]. . .629.1980 [3]. ; . . : , 1999 - 376 [4]. --, 1977.528 [5]. .: 1985 240Ă . GIá ĐặC TíNH Kỹ THUậT MA SáT VậT LIệU COMPORIT CHế TạO GUốC HM KHI TRƯợT ở TốC Độ THấP PGS. TS. vũ duy lộc KS. vũ thị hoài thu Bộ môn Đầu máy - Toa xe - Trờng ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo. hợp với chu kỳ hãm dừng tầu. Hệ số ma sát vật liệu TP-303 với thép chế tạo bánh xe nhỏ hơn hệ số ma sát vật liệu TP- 300 từ 15 ữ 25%. Khi giảm tốc độ hệ số ma sát vật liệu comporit loại TP-303. số ma sát của một số guốc hãm comporit không phù hợp với giá trị lý thuyết và giá trị xác định theo đờng hãm thực tế, đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Vì vậy, bài báo giới thiệu những đặc tính ma