vũ thị hoài thu Bộ môn Đầu máy - Toa xe - Trường ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu cơ sở lý luận lựa chọn vật liệu comporit chế tạo guốc hãm đảm bảo giảm mμi mòn mặt lăn bánh xe, độ
Trang 1ĐáNH GIá ĐặC TíNH Kỹ THUậT MA SáT VậT LIệU
COMPORIT CHế TạO GUốC H∙M KHI TRƯợT ở TốC Độ THấP
PGS TS vũ duy lộc
KS vũ thị hoài thu
Bộ môn Đầu máy - Toa xe - Trường ĐH GTVT
Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu cơ sở lý luận lựa chọn vật liệu comporit chế tạo guốc hãm đảm
bảo giảm mμi mòn mặt lăn bánh xe, độ cứng chống mμi mòn guốc hãm lớn vμ 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 đường 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
trước lúc đoàn tầu dừng
II Nội dung
Những guốc hãm chế tạo từ vật liệu
comporit TИИP - 300 đưa vào thí nghiệm sử
dụng cho toa xe hàng, loại TИИP - 303 sử
dụng cho toa xe khách Thành phần hóa học
những guốc hãm chế tạo từ vật liệu comporit
TИИP - 300 được tính theo tỷ lệ % khối lượng:
amiăng 15%; cao su 20%; barit 47,5%; muội
bồ hóng 15%; lưu huỳnh 2,5% Vật liệu
comporit chế tạo loại TИИP - 303 trong thành
phần có butadien, cao su lập thể thay đổi,
CKD, lưu 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 TИИP - 300; TИИP - 303 Phôi cắt từ thanh có đường kính ngoài 60mm,
đường 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
đường 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 được hiệu chỉnh Trước khi thử nghiệm tiến hành gia công cặp ma sát để đạt
được bề mặt tiếp xúc guốc hãm ≥ 90% diện tích tiếp xúc định mức
Trang 2Tốc độ trượt 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 cường độ mài mòn theo tiêu
hao khối lượng mẫu thử bằng phương pháp
cân Thí nghiệm thực hiện khi ma sát không
có bôi trơn
Quan hệ hệ số ma sát vật liệu
TИИP - 300 với tốc độ trượt v được mô tả trên
đường cong 1, 2 của hình 1
Những thí nghiệm đã chứng minh hệ số
ma sát vật liệu guốc hãm loại TИИP - 303 ở
tốc độ trượt nhỏ thấp hơn 12 ữ 25% so với vật
liệu guốc hãm loại TИИP - 300, điều đó có
nghĩa rằng: việc nâng cao hàm lượng graphit
trong vật liệu guốc hãm comporit loại
TИИP - 303 hình thành trên bề mặt lăn bánh
xe một lớp mỏng có khả năng cản trượt thấp,
hệ số ma sát ổn định Hệ số ma sát ϕ(t) ảnh
hưởng nhỏ với sự thay đổi độ nhám bề mặt
tiếp xúc của vật thể Như vậy, khi sinh
nhiệt ma sát những lớp bề mặt comporit
đóng vai trò cơ bản, lượng 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 trượt 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
oC 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 thước 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 TИИP - 300 cao hơn hệ số ma sát của
vật liệu TИИP - 303 Điều đó hoàn toàn khẳng
định được vì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
TИИP - 300 là λ = 0,8 còn của vật liệu
TИИP - 303 là λ = 3,3 nhiệt độ sinh ra ở vùng
ma sát vật liệu TИИP - 300 với thép tăng lên
đáng kể so với khi ma sát vật liệu
TИИP - 303
Nâng cao hàm lượng graphit trong vật liệu comporit loại TИИP - 303 thì hệ số ma sát (ϕ
Nâng cao hệ số ma sát ϕK: 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 tương 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 TИИP - 300 phụ thuộc tốc độ trượt được mô tả trên đường cong 3, 4 của hình 1
1
2
3 4
ϕK 0,6 0,5 0,4 0,3
Hình 1 ảnh hưởng tốc độ trượt nhỏ với hệ số ma sát
Vật liệu comporit – Thép bánh xe
Đường cong 1,2: vật liệu TИИP-300;
Đường cong 3,4: vật liệu TИИP-303
Đường cong 1,3: áp lực Po = 0,3MPa;
Đường cong 2,4: áp lực Po = 0,5MPa;
K = 0,48 ữ 0,56) thấp hơn so với vật liệu comporit loại TИИP-300 (ϕK = 0,46 ữ 0,56) khi hãm đoàn tầu theo nguyên tắc tốc độ
đoàn tầu từ từ giảm cho đến dừng Trong
Trang 3những trường 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 TИИP - 300
với thép bánh xe tăng lên một vài lần Xem
hình 2, đường cong 1, 3 Thêm vào đó ta thấy
những điểm trên đường cong biểu thị hệ số
ma sát không phụ thuộc vào tốc độ trượt
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 ϕK Khi Po > 1 hệ
số ma sát thay đổi rất nhỏ
Đường cong 1,2,3: loại vật liệu TИИP-300;
Đường cong 4,5: loại vật liệu TИИP-303
Đường cong 1,4: khi v = 0,3m/giây;
Đường cong 2,5: khi v = 0,6m/giây;
Đường cong 3: khi v = 1,5m/giây
ổn định hệ số ma sát trong điều kiện cho
trước phụ thuộc hai yếu tố:
- Hệ số ϕK giảm do những nguyên nhân mô tả ở trên
- Hệ số ϕK 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 TИИP - 303 phụ thuộc áp lực Po được mô tả bởi đường cong 4,5 (xem hình 2) ở tốc độ lớn nhất, độ dốc đường cong nhỏ Điều đó chứng
tỏ lực cản ma sát thấp đóng vai trò đáng kể quan hệ với trượt Cũng như cường độ tích lũy năng lượng nhiệt ma sát sinh ra ở lớp bề mặt nhỏ hơn, giả thiết rằng hệ số dẫn nhiệt λ của vật liệu TИИP - 303 lớn hơn
Đường cong cường độ mài mòn Jh của guốc hãm chế tạo từ vật liệu TИИP - 300 phụ thuộc áp lực tiếp xúc Po được biểu diễn ở hình
3 Khi tốc độ trượt thấp v = 0,3m/giây tăng giá trị Po lên 10 lần thì cường độ mài mòn Jh 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 cường độ mài mòn Jh tăng
ϕ
Tăng tốc độ trượt quan hệ với tốc
độ mài mòn Jh (Po), đặc biệt khi áp lực
Po > 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
P0 > 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 trượt 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
Vật liệu comporit TИИP - 303 có khả năng chịu mài mòn cao (xem hình 4) Giá trị cường độ mài mòn của vật liệu TИИP - 303: Khi tốc độ trượt v = 0,3m/giây thấp hơn
(MPa)
4
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
Trang 41,1 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 TИИP - 300
Sự thay đổi giá trị Jh của vật liệu
TИИP - 300 và TИИP - 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 TИИP - 303 lớn hơn
TИИP - 300, đảm bảo tỏa nhiệt ở vùng ma
sát Điều đó trực tiếp ảnh hưởng đến mài mòn
Lựa chọn
g vệt nhẵn bóng chứng minh rằng: tăng tốc độ trượt dẫn đến tăng cường 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 cườn
Bề mặt ma sát lăn sau khi mài mòn là nhữn
iết rằng khi tốc độ trượt thấp hơn 1m/g
nh 5 phù
độ trượt làm tăng d
vật liệu má sát guốc hãm
không chỉ xuất phát từ điều kiện, khả năng
chống mài mòn cao, đảm bảo hệ số ma sát
cho trước, 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 trường 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 hướng vuông góc, là nguyên nhân phá hủy mỏi lớp bề mặt băng đa khi bánh xe lăn trên đường ray
Những thí nghiệm đ
Jh.10-8
6
4
2
đáng kể so với vật liệu comporit Xem hình
5
(MPa)
2
1
3
Hình 3 Quan hệ cường độ mμi mòn vật liệu comporit
TИИP-300 phụ thuộc P o
Đường cong 1: khi v = 0,3m/giây;
Đường cong 2: khi v = 0,6m/giây;
Đường 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
300oC, 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
Đường cong 1 trên hì 1
2
3
1 Po(MPa
Jh.10-8
6
4
2
Hình 4 Quan hệ cường độ mμi mòn vật liệu comporit
TИИP-300 phụ thuộc áp lực P o
Đường cong 1: khi v = 0,3m/giây;
Đường cong 2: khi v = 0,6m/giây;
Đường cong 3: khi v = 1,5m/giây
)
hợp với cường độ mài mòn của thép chế tạo bánh xe với vật liệu comporit loại TИИP - 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
Trang 5Nhiệt độ ở vùng tiếp xúc guốc hãm chế
tạo từ vật liệu TИИP-303 với bánh xe không
vượt quá 200oC
III Kết luận
Những thí nghiệm guốc hãm comporit
loại TИИP-300 và loại TИИP-303 đã rút ra kết
luận:
Nó phù hợp với chu kỳ hãm dừng tầu Hệ
số ma sát vật liệu TИИP-303 với thép chế tạo
bánh xe nhỏ hơn hệ số ma sát vật liệu
TИИP-300 từ 15 ữ 25%
Khi giảm tốc độ hệ số ma sát vật liệu
comporit loại TИИP-303 luôn luôn tăng, còn
đối với vật liệu TИИP-300 quan hệ không
tuyến tính Tăng áp lực Po đến 0,4MPa kéo
theo tăng chậm hệ số ma sát, tiếp tục tăng Po
hệ số ma sát giảm
Cường độ mài mòn guốc hãm comporit
và thép bánh xe tăng khi nâng cao áp lực Po,
đặc biệt là khi tăng tốc độ ma sát Cường độ
mài mòn thành phần cặp ma sát bánh xe thép
với vật liệu comporit loại TИИP-303 giảm
đáng kể so với cặp ma sát bánh xe thép với
vật liệu comporit loại TИИP-300
Guốc hãm chế tạo từ vật liệu comporit
loại TИИP-303 gây nên mài mòn bánh xe nhỏ, độ cứng chống mài mòn lớn, ổn định hệ
số ma sát trong quá trình hãm
1
Jh.10-8
4
3
2
5
2
1
Hình 5 Cường độ mμi mòn của thép phụ thuộc tốc độ trượt
vμ dưới áp lực P 0 = 0,3MPa
Đường cong 1: Mμi mòn của thép với vật liệu TИИP – 300
Đường cong 2: Mμi mòn của thép với vật liệu TИИP – 303
Tài liệu tham khảo [1]. ГАЛАИ.Э.И; РУДО.П.К Проплемы торможения пссажиркого состава //Локомотив 2003.N o _4
характеристистки композиционных тормозных колодок тввниижт “Вопросы зксплуатации
Вып.629.1980
[3] БОГДАНОВИЧ.П.М; ПРУЩАК.В.Я Трение и
изное в мащинах Минск: выщэищая школа,
1999 - 376С
[4] КРАГЕЛЬСКИИ И.В Основы расчетов на
рение и иэное-м-мащиностроение, 1977.528С
[5] СЫСОЕВ П.В… Деформациа и иэное
полимеров при трении.минск:наука и техника
1985 240сĂ
