CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GUỐC PHANH TÀU HỎA BẰNG VẬT LIỆU COMPOSIT

LỜI GIỚI THIỆUSự phát triển của nhân loại gắn liền với qúa trình tìm tòi và sáng tạo.phátminh những cái mới để thay thế những cái cũ ,cái lạc hậu…và vật liệuComposit là một trong những t

II. Các loại vật liệu có khả năng giảm ma sát 11

Chương III NGHIÊN CỨU SƠ LƯỢC GUỐC PHANH XE LỬA CHẾ TẠO

2. Thành phần chủ yếu của gang đúc guốc phanh 12

Chương IVCHẾ TẠO MÁ PHANH BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE

II Lựa chọn chất độn cho vật liệu ma sát 15III.Các phương pháp xác định tính chất cơ lý của vật liệu 15

IV Công nghệ ép guốc phanh tàu hoả bằng Vật liệu omposite 204.1 Đặc điểm, cấu tạo má phanh Composite 204.2Thành phần tổ hợp vật liệu Composite.Sử dụng ép guốc phanh 22

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến cô đã tận tình hướng dẫn cho emhoàn thành đề tài này.Xin chúc cô dồi dào sức khỏe & thành công trong sựnghiệp !

Xin cảm ơn các tác giả của các cuốn sách ,tài liệu bài giảng mà em đã thamkhảo và sử dụng trong bài tiểu luận này

Trong khả năng có hạn và mặc dù đã rất cố gắng,nhưng chắc chắn không thểtránh thiếu sót,rất mong nhận được góp ý ,chỉ dẫn của cô để em hoàn thànhtốt các bài tiểu luận tiếp theo

Xin chân thành cảm ơn !

LỜI GIỚI THIỆU

Sự phát triển của nhân loại gắn liền với qúa trình tìm tòi và sáng tạo.phátminh những cái mới để thay thế những cái cũ ,cái lạc hậu…và vật liệuComposit là một trong những thành quả của quá trình tìm tòi và sáng taọđó.Vật liệu Composit có những tính chất và đặc điểm mà các vật liệu kháckhông có được,đó là : có độ bền cơ học cao,khả năng chịu nhiệt ,chịu đượcmôi trường hóa học tốt,khả năng kháng nước ,chịu nén,chịu va đập tốt…Vật liệu Composit được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp,dân dụng,hàng không vũ trụ…ở tập tài liệu này em xin trình bày một sản phẩm củaComposit ,đó là Guốc phanh (má phanh) tàu hỏa trên cơ sở nhựa Phenol –Formandehyt

Cuốn tài liệu này gồm 4 chương

Chương I: Tổng quan về vật liệu Composit

Chương II:Lý thuyết về ma sát – mài mòn

Chương III Nghiên cứu sơ lược guốc phanh xe lửa chế tạo bằng gang

Chương IV Chế tạo má phanh bằng vật liệu composite trên cơ sở nhựaphenol formandehyt

Xin trân trọng giới thiệu !

Chương I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

I.Khái niệm

1.Khái niệm

Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vậtliệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việthơn hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu Composite được cấu tạo từ các thành phầncốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết vàvật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên kết, làm việchài hoà với nhau

2.Lịch sử hình thành và phát triển:

Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000năm trước Công nguyênsự phát triển của vật liệu composite đó được khẳngđịnh và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat

đó nghiên cứu, ứng dụng thành cụng sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dựng giacường cho Polyeste không no Năm 1950 bước đột phá quan trọng trongngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi giacường như Polyeste, Nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nềnchất dẻo đó được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp vàdân dụng,y tế, thể thao, quân sự vv…

3 Ưu điểm:Vật liệu Composit tùy theo thành phần phối trộn ,tùy vào chấtđộn sử dụng mà có các tính chất ,ưu điểm khác nhau Ưu điểm chung củaVật liệu Composit là Khối lượng riêng nhẹ, có độ bền cơ học cao,khả năngchịu nhiệt ,chịu được môi trường hóa học tốt,khả năng kháng nước ,chịunén,chịu va đập tốt…

II Phân loại Composite

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vậtliệu thành phần

1.Phân loại theo hình dạng

• Vật liệu composite độn dạng sợi

• Vật liệu composite độn dạng hạt

2.Phân loại theo bản chất, thành phần

• Composite nền hữu cơ

• Composite nền kim loại

• Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng

III Cấu tạo của vật liệu composite

Đúng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lýcao hơn nhựa Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:

• Tính gia cường cơ học

• Tính kháng hóa chất,môi trường, nhiệt độ

• phân tán vào nhựa tốt

• Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

• Thuận lợi cho quá trình gai công

Cốt sợi cũng có thể là sợi tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre,

…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải)

Ngoài thành phần nền và cốt còn có chất pha loãng,chất tách khuônchất làmkín ,xúc tác ,xúc tiến và các phụ gia khác

IV Ứng dụng

Do có những tính chất ưu việt nên Composite được ứng dụng rộng rãi trongnhiều ngành ,nhiều lĩnh vực

1. Trong giao thông vận tải:

Chế tạo nhiều chi tiết ,linh kiên chochế tạo ô tô

Sản xuất máy bay ,tàu chiến …

Trong thể thao : vợt tennis,gậy đánh golt

Ngành y tế làm rang giả,tay chân giả,ghép sọ…

Sản phẩm trang trí nội thất: Khung hình Bàn ghế, tủ, khay, thùng, bồn…

Chương II: LÝ THUYẾT VỀ MA SÁT – MÀI MÒN

I.Lý thuyết về ma sát – mài mòn

Trong quá trình cọ sát, sẽ xảy ra tương tác cục bộ của các lớp bề mặt vật liệutrên diện tích rất nhỏ Sự tương tác này làm thay đổi cấu trúc và tính chất vậtliệu trên bề mặt cọ sát Đối với các chất dẻo thay đổi này rất mạnh và chúngxảy ra chuỗi tác dụng của nhiệt, tác động cơ học, các chất hoạt động bề mặt,điện tích xuất hiện Hệ số ma sát phụ thuộc rất lớn vào tải trọng vuông góc,tốc độ trượt, nhiệt độ và các yếu tố khác

Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào tải trọng thay đổi theo nhiệt độ Ở nhiệt

độ thử nghiệm cố định hệ số ma sát giảm khi tăng tải trọng còn nếu tải trọng

cố định, hệ số ma sát tăng khi nhiệt độ tăng

Khi thay đổi nhiệt độ thì cả vận tộc trượt của chất dẻo cũng có thể có cácđặc tính khác nhau như một vật thuỷ tinh, vật mềm hoặc vật dẻo

Khi đánh giá độ chịu mài mòn của chất dẻo nên chọn một đặc trưng khôngthay đổi theo lực ma sát Ví dụ : chọn tỷ số giữa độ mài mòn và lực ma sát

Sự đánh giá chịu mài mòn theo tỷ số trên có tính chất gần đúng do sự phụthuộc của sự mài mòn không chỉ vào tính chất vật liệu mà cả vào điều kiệnthử nghiệm

Cường độ mài mòn có thể đánh giá định lượng theo một đại lượng thông số

A : Diện tích chuẩn của bề mặt

Độ mài mòn có thể đánh giá bằng chỉ tiêu năng lượng :

V I

W

∆

=

Trong đó : W - năng lượng cọ sát

Theo lý thuyết hiện đại thì lực ma sát không chỉ là hàm của lực pháp tuyến

mà còn phụ thuộc vào tổ hợp các yếu tố : tốc độ trượt, vật liệu, điều kiện môi trường

Sự phụ thuộc này có thể biểu diễn bằng công thức tổng quát sau :

T(n) =f(n,V,C)

Trong đó : T(n) : Lực ma sát ứng với tải pháp tuyến n

V : Tốc độ trượt

C : Các thông số như môi trường, vật liệu

Các khái niệm về ma sát này do Suh và Sin đề xướng (1981) Theo các tác giả thì tính chất về cơ học có ảnh hưởng lớn hơn so với các tính chất hoá họcđối với lực ma sát nếu trong quá trình chuyển động không có hiện tượng tăng nhiệt độ Theo quan điểm này có thể phân chia lực ma sát ra làm 3 phần

- Biến dạng của các nhấp nhô trên bề mặt

- Sự bám dính của các diện tích tiếp xúc

- Sự tróc bề mặt

Đối với vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa Phenol - Formandehyt, tác giả

S.K.Rhee và các cộng sự (1971) đã đi sâu nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố như áp lực, vận tốc và thời gian tới lượng mài mòn của vật liệu ma sáttrên cơ sở nhựa Phenol - Formandehyt độn sợi amiăng và đưa ra công thức sau : (Áp dụng cho nhiệt độ bề mặt nhỏ hơn 2200C)

W = K.Pa.Vb.Tc

Trong đó : W : Lượng vật liệu bị mất đi

P : Tải trọng

II Các loại vật liệu có khả năng giảm ma sát.

Giảm ma sát - mòn có ý nghĩa quan trọng đối với nền kinh tế quốc dân Cácnhà nghiên cứu đã đưa ra 3 loại vật liệu chính có khả năng làm giảm masat -mòn : gốm, hợp kim và Polymer

So với kim loại và Polymer, gốm có ưu điểm là hệ số ma sát thấp, độ cứng

bề mặt tương đối cao, ít bị mài mòn và không bị ôxy hoá trong quá trình làmviệc Tuy nhiên, gốm lại bị ảnh hưởng của nhiệt, dao động và đặc biệt dễ bị

vỡ khi va đập

Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực vật liệuchống ma sát do những ưu điểm nổi bật như : có độ cứng bề mặt cao, có khảnăng làm việc ở nhiệt độ cao Nhược điểm của chúng là khó gia công, cógiá thành cao và không bền hoá chất

Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu Polymer cho các kết cấu ma sát đã cho kếtquả bất ngờ So với kim loại, Polymer có hệ số ma sát nhỏ hơn, ít mòn hơn,

ít bị ảnh hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ, tính công nghệ caohơn trong việc chế tạo chi tiết, có khả năng làm việc trong môi trường nước -hoá chất

Tuy nhiên sự thay thế kim loại bằng Polymer không phải lúc nào cũng cólợi Đối với kết cấu chống ma sát, hướng nghiên cứu có nhiều triển vọngnhất là kết hợp giữa Polymer và các vật liệu khác

Chương III NGHIÊN CỨU SƠ LƯỢC GUỐC

PHANH XE LỬA CHẾ TẠO BẰNG GANG

I Tính chất chủ yếu của gang

- Nhiệt độ nóng chảy thấp(1100-13000C) Tính lưu động tốt, ít co ngót rấtthuận lợi cho quá trình chế tạo bằng phương pháp đúc

- Chịu nén tốt, khả năng dập tắt rung động nhanh

- Độ cứng tương đối cao trong khoảng từ 150 ÷250 HB.Dễ dàng gia côngtrên các máy cắt gọt

- Gang có độ bền kéo thấp thường chỉ bằng 1/3 ÷ 1/5 giới hạn bền nén, khảnăng chịu uốn - xoắn hoặc va đập kém

II.Thành phần chủ yếu của gang đúc guốc phanh

- Cacbon : Với hàm lượng từ 2,8 - 3,5% Cacbon là một nguyên tố có tácdụng graphit hoá gang.Hàm lượng cacbon càng cao khả năng graphit càngmạnh, nhiệt độ chảy càng thấp, tính đúc tốt, nhưng cơ tính kém

- Silic : là nguyên tố thúc đẩy quá trình Graphit hoá rất quan trọng trong tổchức gang Hàm lượng Silic thay đổi từ 1,5÷ 3%

- Mangan : Là nguyên tố cản trở sự Graphit hoá Nó có tác dụng làm tăng độbền, cứng của vật liệu Hàm lượng Mn thường từ 0,5÷ 1%

- Phôtpho : Là nguyên tố không có ảnh hưởng gì đến quá trình graphit hoánhưng có tác dụng làm tăng độ chảy loãng của vật liệu

*Đặc biệt làm tăng khả năng chống mài mòn : thường làm hàm lượng có từ0,1 ÷ 0,2% Khi cần tăng khả năng chống mài mòn có thể tăng P lên đến0,5% Cũng cần lưu ý nếu tăng quá nhiều thì vật liệu trở nên giòn và cứng

* Lưu huỳnh : là nguyên tố cản trở rất mạnh việc graphit hoá, làm xấu tínhđúc của vật liệu, làm giảm độ chảy loãng, cần hạn chế hàm lượng S từ 0,08 0,12%.

Bảng 1 Bảng Tham khảo guốc hãm một số nước hiện dùng (nguồn Internet)

Các

nước

Kích thước guốc hãm

Diện tích

ma sát danh nghĩa

Thành phần gang đúc guốcc hãm

Độ cứng

Chương IV CHẾ TẠO MÁ PHANH BẰNG VẬT

I.Nhựa Phenol Formandehyt

nhựa Phenol - Formandehyt là loại Polymer được phát hiện đầu tiên có nhiều

ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành Nhựa có nhiều đặctính tốt như: độ cách điệm cao (điện áp đánh thủng 8 ÷ 12 KV/mm), khôngchịu tác động của vi khuẩn, bền với hoá chất và các môi trường hoạt hoákhác Tổ hợp nhựa Phenol - Formandehyt với sợi Amiăng bền với axit, kiềm

ở nồng độ nhỏ hơn 40%, bền với Axeton ở nhiệt độ 500C cũng như bền vớiaxit axetic ở bất kỳ nồng độ nào Đồng thời nhựa có độ bền nhiệt cao, nhiệt

độ làm việc 150 ÷ 2000C Dựa vào đặc tính này khi cho trộn chất độn nhưsợi thuỷ tinh, sợi amiăng thì khả năng làm việc còn được nâng cao hơn tới2500C hoặc trong điều kiện phạm vi thay đổi nhiệt độ rộng và không làmảnh hưởng đến kích thước

Khả năng chịu mài mòn của tấm phẳng từ nhựa Phenol - Formandehyt

có thể so sánh với nhôm, đồng Tuy nhiên khả năng này bị suy giảm khi độ

ẩm của môi trường tăng do nước có thể thẩm thấu qua bề mặt phân chia giữanhựa và bột độn Hệ số ma sát nhựa nằm trong khoảng 0,2÷ 0,3

II Lựa chọn chất độn cho vật liệu ma sát

Việc sử dụng chất độn nhằm giải quyết các yếu tố sau:

– Cải thiên, tăng cường cơ tính của vật liệu ma sát, giảm sự biến dạng dướitác dụng của ngoại lực, tăng độ bền va đập Điều này có thể thấy rõ khinghiên cứu bảng sau:

– Tăng độ bền nhiệt, khả năng dẫn nhiệt của sản phẩm

Ổn định các tính chất cơ lý khác nhau khi nhiệt độ của bề mặt và toàn

bộ vật liệu tăng lên trong quá trình sử dụng

–Thay đổi độ mài mòn ổn định các đặc tính về ma sát của vật liệu

Ngoài ra việc sử dụng chất độn còn là một yếu tố giảm được giá thành sảnphẩm

Chất độn được sử dụng để sản xuất vật liệu ma sát Polymer Composite trên

cơ sở nhựa Phenol - Formandehyt thường được phân loại theo bản chất hoáhọc của chúng và được chia làm 2 loại chính:

* Các chất độn hữu cơ: bột gỗ, sợi bông Grafit than đen…

* Các chất độn dạng khoáng: Amiăng, Mica, sợi thuỷ tinh, Oxyt kimloại

.Sau đây ta khảo sát cụ thể một số loại chất độn thông dụng trong quátrình chế tạo vật liệu ma sát trên cơ sở nhựa Phenol - Formandehyt

2.1Amiăng

Là chất độn có nguồn gốc khoáng chất, cấu trúc tự nhiên ở dạng sợi.Amiangcũng có nhiều loại nhưng thường được dùng chủ yếu là Crysolit, đó làHyđrat Magie Silicat (3MgO.2SiO2.2H2O).Amiăng dễ dàng được thấm ướtbởi các loại nhựa, kể cả những loại nhựa có độ nhớt cao.Trở về mặt hoá học,trong môi trường kiềm amiăng có thể chịu được 1000C với thời gian dài

Ưu điểm lớn nhất mà nhờ đó nó được sử dụng nhiều trong tổ hợp vật liệu masát là khả năng không cháy và tuỳ thuộc vào các thành phần có thể bị phânhuỷ ở những nhiệt độ khác nhau từ 1170 ÷ 14500C Đáp ứng được yêu cầu

về độ bền nhiệt độ cao trong quá trình làm việc của vật liệu ma sát

Cũng cần lưu ý rằng bột gỗ là một tác nhân làm tăng độ hút ẩm và khả nănghấp thụ các hoá chất khác do các nhóm chức như –OH, =CO, –NH2… cótrong gỗ Do vậy cần được sấy khô (độ ẩm dưới 8%) và chiếm khoảng 50%trọng lượng so với toàn bộ hỗn hợp ép

2.4 Silicat

Công thức hoá học: MgO.2SiO2.2H2O thường được dùng với cỡ hạt

0,015 mm Silicat có tác dụng tăng độ ổn định kích thước bền nhiệt, bền hoá,tăng độ cứng và tính cách điện của sản phẩm.

2.5 Bột kim loại

Thường sử dụng các loại bột Oxyt kẽm, Oxyt Magiê, bột đồng, nhôm… Cácbột kim loại này cho vào có tác dụng làm tăng một số cơ tính của sản phẩmnhư: giảm độ mài mòn, tăng khả năng dẫn nhiệt… Trong một số trường hợplàm tăng hệ số ma sát của vật liệu

2.6 Bột cao su

Thường được sản xuất từ các loại cao su tổng hợp đã lưu hoá với các cỡ hạt

từ vài trục đến vài trăm m Bột cao su làm tăng độ bền va đập, độ bền uốncủa vật liệu

III Các phương pháp xác định tính chất cơ lý của vật liệu

Với Pn: Tải trọng phá huỷ mẫu (Kg)

F : Diện tích tiết diện ngang mẫu (cm2)3.2.Độ bền va đập

Độ bền va đập được tính theo tiêu chuẩn ASTM O256 - 56 trên máy BKL

Trong đó: Av : công cần thiết để phá huỷ mẫu (KJ)

F : Diện tích ngang của mẫu (m2)Khoảng cách giữa 2 gối đỡ bằng 10 - 16 cm

3.3 Độ cứng Brinel

Độ cứng Brinel được xác định theo tiêu chuẩn ĐIN 57302 Độ dầy của mẫukhông nhỏ hơn 6 mm

Môi trường đo: Không khí- nhiệt đọ 25oC - Độ ẩm 50 ± 2%

Độ cứng Brinel (H) được xác định theo công thức:

HB D

h

P

×

Tốc độ quay của máy 72 vòng/phút

Môi trường đo không khí - nhiệt độ 25oC - độ ẩm 50 ±2%

- Chuẩn bị mẫu thử:

Mẫu thử độ mài mòn hình chữ nhật kích thước 100 x 1000 mm Khoan lỗ

15 ở giữa

Mẫu được mài nhẵn, làm sạch và để ổn định ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ

- Tiến hành thử : mẫu được cân trên cân phân tích có độ chính xác 10-4g.Sau khi chịu 1000 vòng quay lấy ra lau sạch rồi cân lại Độ mài mòn (M)được tính theo lượng hao hụt khối lượng mẫu gam sau 1000 vòng quay

M = W1 - W2 (g/1000 vòng)

Trong đó: W1 : Trọng lượng mẫu trước khi thử mài mòn (gam)

W2 : Trọng lượng mẫu sau khi thử mài mòn (gam)3.5 Hệ số ma sát

Được xác định theo tiêu chuẩn ASTM Đ1894- 93 trên máy đo Usurrometre(Pháp)

Môi trường đo: không khí- nhiệt độ 25oC - Độ ẩm 50 ± 2%

Chế độ đo : áp lực 1,5N - vận tốc đo 0,5m/s

Mẫu có dạng hình khôí chữ nhật kích thước 14 x 10 x 7 mmMẫu được lau sạch, để ở nhiệt độ phòng trong 24h Mẫu được chạy rà trong