Problemy hamowania maszyn wyciągowych : studium ważniejszych zjawisk tribologicznych w parze ciernej tworzywo hamulcowe-stal

Z E S Z Y T Y . N A U K O W E

P O L I T E C H N I K I Ś L Ą S K I E J

Haga

J o

G Ó R N IC T W O

Z . 7 5

G L I W I C E

1 9 7 6

SPIS TREŚCI

1. W s t ę p ... 3 2. Ogólna charakterystyka warunków trlbologicznych w hamulcach

maszyn w ycią g o w y c h ... . ...6 2.1. Przegląd stanu wiedzy na temat zjawisk tribologicznych

w h am u lcach ... 6 2.2. Charakterystyka techniczna i badania eksploatacyjne hamul­

ców maszyn w y c ią g o w y c h ... •...8 2.3. Termiczne warunki pracy hamulców maszyn wyciągowych . 13 2.4. Hamulcowe tworzywa c i e r n e ...15 2.5. P o d s u m o w a n i e ...19 3. Badania własności tribologicznych pary tworzywo cierne — stal . 20 3.1. Cel i zakres b a d a ń ... 20 3.2. Problemy modelowania w badaniach tribologicznych . . . 21 3.3. Warunki b a d a ń ...22 3.4. Badania zależności charakterystycznych dla węzłów tarcia na

modelu ikonicznym hamulca tarczowego w warunkach stabil­

nej p ręd k o ści... 28 3.4.1, Wyniki b a d a ń ... 28 3.4.2. Dyskusja i podsumowanie wyników badań . . . . 35 3.5. Badania zależności charakterystycznych dla węzłów tarcia

przy pomocy symulacji ikonicznej pracy hamulca tarczowego maszyny w y c ią g o w e j...39 3.5.1. Badania zu życia ... 39 3.5.2. Symulacja ikoniczna kinetycznych charakterystyk tarcia 41 3.5.3. Podsumowanie wyników b a d a ń ... 45 4. Studium zjawisk tribologicznych w parze tworzywo cierne — stal 46

4.1. Analiza uszkodzeń elementów ciernych w hamulcach i ich k l a s y f i k a c j a ... 46 4.2. Metodyka badań tribologicznych... 47 4.3. Fizykalna identyfikacja zjawisk tribologicznych . . . . 48 4.3.1. Przeciwpróbka sta low a ... 48 4.3.2. Próbki z tworzyw c i e r n y c h ...53 4.3.3. Stałe produkty zu ży cia ... 58 4.4. Dyskusja wyników badań fizykalnych . . . . 60 4.5. Modele zjawisk tribologicznych w ham ulcach... 64 4.6. Struktura warstwy wierzchniej tworzyw ciernych . . . . 68 5. Wnioski o gó ln e...7 1 6. L it e r a t u r a ...74 7. S t r e s z c z e n i a ...81 Str.

Z E S Z Y T Y N A U K O W E

N r 4 8 4 _ . j . ~

9 , 3 3 ^ / / ^

S T A N IS Ł A W F. SCIESZKA

PROBLEMY HAMOWANIA MASZYN WYCIĄGOWYCH

STUDIUM W AŻNIEJSZYCH ZJAWISK TRIBOLOGICZNYCH W PARZE CIERNEJ T W O R Z Y W O HAM ULCOW E-STAL

. G L I W I C E

19 7 6

RED AK TO R N A C Z E LN Y W YD A W N IC TW U C ZELN IAN YC H PO LITE C H N IK I ŚLĄSKIEJ

Jan Bandrow ski

REDAKTOR DZIAŁU M irosław Chudek

SEKRETARZ REDAKCJI Jan Znam irow ski

W y d a n o za zgodą Rektora Politechniki Śląskiej

Dział Wydawnictw Politechniki Śląskiej Gliwice, ul. Kujawska 2

N a k ł. 80+140 A r k . w y d . 5,52 A r k . d ru k . 5,25 P a p ie r o f f s e t o w y k l. I I I , 70x!00, 80 g O d d a n o d o d ru k u 13.7 1976 P o d p is , d o d ru k u 7 9.1976 D ru k u k o ń c z , w e w r z e ś n iu 1976

Z a m ó w ie n ie 880 76 N*25 C en a z ł 14,—

Skład, fotokopie, druk i oprawę

wykonano w Zakładzie Graficznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach

f i - ^{3 3} } ^{h ę}

Przewidywana d a lsza koncen tracja wydobycia, w zrost g łę b o k o śc i w ybiera­

n ia i nowe tech n o lo gie tra n sp o rtu kopalnianego, n a rz u c a ją konieczność bu­

dowy urządzeń wyciągowych, dających dobową przelotow ość szybu rzędu 30.000 Mg z g łę b o k o śc i do 1500 m, s p e łn ia ją c y c h jednocześnie wysokie k r y t e r ia sprawności energetycznej i niezawodności d z ia ła n ia . K ierunki rozwoju ma­

szyn wyciągowych [ 7 , 15, 37, 76, 86, 101], naczyń wyciągowych [4, 6 7] i napędów elektrycznych [36, 80] w skazują, że będą to u rządzen ia wyciągowe z wielolinow ym i maszynami wyciągowymi. Wzrost udźwigów naczyń oraz zwięk­

szenie k ro tn o śc i ic h zaw ieszenia stw a rz a ją przed hamulcem konieczność r o * - w ija n ia większego momentu hamującego [8 1 ]. Ten kierunek rozw oju powoduje coraz większe o bciążen ie elementów hamulca, przy czym w elementach tych mogą występować nowe jakościow o, tech n iczn ie n iekorzystne zjaw isk a t r ib o — lo g ic zn e [1 2 3 ]. Wzrost momentu hamującego d la o k reślo n ej średnicy bębna napędowego można uzyskać p rzez zwiększenie współczynnika t a r c i a , nacisku jednostkowego, współczynnika wzajemnego przykrycia elementów hamulca lub lic z b y b ie ż n i hamulcowych. Zmiany te są ograniczone geometrycznymi,przede wszystkim materiałowymi cechami konstrukcyjnymi hamulca. Ze względu na kry­

t e r i a d z ia ła n ia i trw a ło ś c i hamulca podstawowe znaczenie mają w łasn ości t rib o lo g ic z n e m ateriałów ciernych. Wynika stąd potrzeba przebadania tych w łasn o ści d la tworzyw ciernych na modelach symulujących przemysłowe warun­

k i pracy hamulca maszyny wyciągowej. W celu prawidłowego o k re ś le n ia warur^

ków badań i k ryteriów oceny n ależy przeprowadzić a n a liz ę rozw iązań hamul­

ców w prognozowanej p o p u la c ji maszyn wyciągowych, które będą budowane w Polsce do około 1990 roku, ze szczególnym uwzględnieniem warunków t a r c ia .

Jednym z elementów procesu konstruowania węzłów t a r c ia maszyn roboczych je s t ocena trw a ło ś c i i niezawodności tych węzłów, d la k tó re j ważna je s t umiejętność prognozowania, ja k te ż ilo śc io w eg o zapisu z ja w isk cierno zu—

życiowych w o k re sie ic h e k s p lo a t a c ji [1 1 7 , 123]. Podejmowano próby powią­

zania w łasn o ści użytkowych różnych tworzyw ciern ych z parametrami t a r c ia [9 2 , 93, 102, 103] oraz z charakterystycznym i własnościam i mechanicznymi tych tworzyw [7 0 , 72, 118].

Wszystkie prace z tego zakresu można uznać jed yn ie za wstępne i d a le ­ k ie od ro zw iązan ia zagadn ienia p re d y k c ji zja w isk towarzyszących t a r c iu .

W p ro c e s ie t a r c i a , pod wpływem różnych w a rto śc i p o la tem peratur,oddzia­

ływań mechanicznych i oddziaływ ania środow iska, zachodzą różne istotne zala­

ny w łasn o ści warstwy w ie rzc h n ie j m a te ria łu , j e j defon aacje oraz inne z ja ­ wiska t r ib o lo g ic z n e . W arto ści maksymalnych temperatur powierzchni t a r c i a

determ inują warunki w spółpracy m ateriałów ciernych, a w szc ze g ó ln o śc i ma­

te ria łó w azbestowych z lepiszczem organicznym, ze względu na ich stru ktu­

rę wewnętrzną [61] . Podwyższonym temperaturom towarzyszy d e stru k c ja l e p i -

4

sz c za , obniżenie w a rto śc i współczynnika t a r c ia , m etalizowanie powierzchni t a r c ia tworzyw, is k rz e n ie oraz inne zjaw iska zak łócające prawidłową pracę hamulca.

Złożoność procesu t a r c ia i zużycia stanowi główną trudność zbudowania ogólnego modelu fizyczn ego zjaw iska oraz jeg o matematycznego zapisu. Przed­

stawione obecnie w lit e r a t u r z e z a leżn o śc i mają charakter hipotez będących fu nkcją k ilk u czynników uznanych za dominujące.

A n a liz ę krytyczną hipotez t a r c ia suchego dokonało w ie lu autorów [5 1 , 60, 7 0 ]. Dowodzą oni szeregu isto tn y ch n ie d o c iągn ięć is tn ie ją c y c h hipotez.

Hipotezy te (z wyjątkiem hipotezy en erge ty czn ej) bazu ją tylk o na z ja w i­

skach nietypowych d la realn ych czę śc i maszyn i oparte są eksperymentalnie przede wszystkim na t a rc iu m eta li [6o] . Hipotezy t a r c ia n ie uw zględniają związku między poszczególnymi parametrami t a r c ia oraz procesami t a r c ia i zużycia. S zczególn ie słabo w y ja ś n ia ją proces t a r c ia tworzyw sztucznych w sk o ja rze n iu z metalami. W tym zak resie dużą r o lę n ależy p rzyp isać pracom teoretyczno-eksperymentalnym, które na drodze w ie lu doświadczeń i s ta ty ­ stycznego opracowania wyników mogą przynieść uogólnione z a le ż n o śc i, cha­

rakterysty czn e d la węzłów t a r c ia w maszynach. Celowe j e s t , w tym przypad­

ku, stosowanie maszyn matematycznych, które um ożliwiają wielowariantowe opracowanie danych eksperymentalnych, ja k też ich p ó źn iejsze wykorzysta- a i e w pracach konstrukcyjnych, o blic ze n ia c h trw ałości,n iezaw od n ości i in ­ nych.

W oparciu o aktualny stan wiedzy o t a rc iu suchym w hamulcach w n i n i e j­

sze j pracy postawiono sobie za c e l :

- id e n t y fik a c ję zjaw isk trib o lo g ic z n y c h w hamulcach maszyn wyciągowych przy pomocy sym ulacji ikon iczn ej d la wybranej grupy tworzyw ciernych, - opracowanie fizycznego modelu zjaw isk trib o lo g ic z n y c h w hamulcach ma­

szyn wyciągowych, a w szc ze gó ln o ści opracowanie mechanizmu m etalizo­

wania Inażelazow an ia) s i ę wybranej grupy tworzyw ciernych przy współ­

pracy ze s t a lą ,

- opracowanie metody teoretyczno-eksperym entalnych badań t r ib o lo g ic z ­ nych hamulcowych tworzyw ciernych oraz zebranie otrzymanych z badań ilo ścio w y ch faktów empirycznych w formie a n a lity c z n e j (matematyczne­

go m odelu).

Schemat programu pracy przedstaw ia ry s . 1.

R o z e z n a n i e w s t ę p n e

Badania eksploatacyjne, ocena warunków pracy hamulców maszyn w y c ią ­ gowych

Analiza konstrukcyjno-eks­

ploatacyjna hamulców do ma­

szyn w yciągowych dużej mo­

c y . Badania prognostyczne.

Ocena warunków pracy hamul-

Studium stanu wiedzy na ' temat zjaw isk trib ologicz- nych w hamulcach

D ecyzja w drożeniow a, badania eksploatacyjne, w eryfikacja

Matematyczny i fizyczn y model zjaw isk tribologicznych w hamulcach

Rys. 1. Program pracy

6

2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA WARUNKÓW TRIBOLOGICZNYCH W HAMULCACH MASZYN WYCIĄGOWYCH

2 .1 . Przegląd, stanu wiedzy na temat zjaw isk trib o lo g ic z n y c h w hamulcach

Prace z zakresu id e n t y fik a c ji zja w isk trib o lo g ie z n y c h w hamulcach ma­

szyn wyciągowych [9 2 , 93, 123] są n ie lic z n e . Ponieważ zachodzi jednak du­

że podobieństwo charakteru pracy między hamulcami ciernymi różnych maszyn roboczych, pomimo ic h oczyw istej s p e c y f ik i, n ależy uwzględnić wyniki ba­

dań z w ie lu innych opracowań.

Pracę hamulca ciern ego możemy w se n sie tribologiczn ym traktować jako proces t a r c i a tech n iczn ie suchego pary tworzywo c ie rn e -m e ta l, którego wa­

ru n k i o k re ś la duża li c z b a czynników [5 3 , 73, 123]. Do n ajw ażniejszych czyn­

ników o k re śla ją c y c h trib o lo g ic z n e warunki pracy hamulców n ależąt - ch arak ter zmiany obciążen ia i wartość nacisków jednostkowych, - ch arak ter ruchu i wartość prędkości w zględ n ej,

- czas hamowania,

- stan pow ierzchni i warstwy w ierzch n iej m ateriałów ciernych, - tem peratura warstwy w ie rzch n ie j i powierzchni t a r c i a , - współczynnik wzajemnego p rzy k ry cia.

Zgodnie z mechaniczno-molekularną t e o r ią t a r c ia , opór t a r c ia i zużycie elementów rozpatryw anej pary, z a le ż ą od dwóch składowych oddziaływań« me­

chanicznego Ideform acyjnego) i molekularnego (adh ezyjn ego) [4 9 , 72, 7 3 ].

Składowa mechaniczna wynika z wzajemnego oddziaływ ania powierzchni elemen­

tów p ary , powodującego w ielokrotn e deformowanie tych powierzchni.O pór taJ>- c ia pochodzący z defo rm a cji zależy głównie od w łasn o ści mechanicznych war­

stwy w ie rzc h n ie j i j e j stru k tu ry geom etrycznej, a le zależy także od s k ła ­ du chemicznego, m ikrostruktury wewnętrznej i stopn ia j e j zdefektowania o - r a z stanu naprężeń. W łasności mechaniczne u le g a ją zmianie wraz ze zmianą parametrów t a r c i a , temperatury powierzchni i grad ien tu temperatury w war­

stw ie w ie rz c h n ie j [32] .

Charakter zja w isk a d h e z ji z ale ży od ro d z a ju współpracujących c i a ł.t z n . ic h stru k tu ry , powinowactwa chemicznego, w ła sn o śc i mechanicznych, a zwła­

szcza wytrzym ałości na ścin a n ie oraz od stanu ic h pow ierzchni, t j . m ikro- g e o m e trii, g ru b o śc i warstw adaorbowanych i błon dyfuzyjnych, ja k również od parametrów t a r c ia [ i 10 ] . W c za sie wzajemnego oddziaływ ania elementów pow ierzchni może n a s tą p ić przerw anie błon adsorbcyjnych i jednoczesne ad- hezyjne p o łącz en ie fiz y c z n ie czystych powierzchni m ateriałów par ciernych.

Przy łącznym d z ia ła n iu s i ł , normalnych i stycznych w tra k c ie t a r c i a , na­

prężen ia w w arstw ie w ie rzc h n ie j mogą przekroczyć w a rto śc i krytyczne i po­

wodować intensywne ubytki m ateriałów .

Nowe badania [23, 48, 49, 53, 59, 63] dowodzą, że na powierzchniach t a r c i a elementów t m ateriałów kompozytowych, występują złożone procesy u -

tle n ie n ia , r e d u k c ji, to p n ien ia , odparowania oraz s u b lim a c ji. Tworzy s ię przy tym warstwa w ierzch n ia o innych od rd zen ia w łasn ościach .

W tworzywach ciernych o le p is z c z u organicznym n astęp u je w wysokich ten>- peraturach p i r o l i z a [1 7 , 63, 130, 134]. Z le p is z c z a w y d z ie la ją s ię lic z n e c ie k łe i gazowe produkty, a na powierzchni p o z o sta ją twarde koksopochodne c z ą ste c z k i.

Wielu autorów b adało przenoszenie (namazywanie, n a le p ia n ie ) m ateriału b ie żn i metalowej na powierzchnię tworzyw ciern ych. Wise i Lewis [133] uwa­

ż a ją , że s ą to wgniecione mechanicznie w tworzywo warstewki metalowe prze­

n iesio n e z obręczy zestawów kołowych, uformowane w wyniku procesu zmęcze­

n ia i deform acji p la sty c zn e j warstwy w ie r z c h n ie j. N ie p rz e d s t a w ili oni jed­

nak na to żadnego m ateria łu dowodowego. G e o rg ie rs k ij i O lin a [4 8 ] stw ie r­

d z i l i przenoszenie w parze żeliw o-tworzyw o c ie rn e , tłumacząc to zjaw isko tworzeniem s ię w w arstw ie w ie rzc h n ie j że liw a obszarów o złożonej warstwo­

wej budowie. Występujące w tych obszarach m ik ro o bjęto ści tworzywa,powsta­

ł e w wyniku jego w cześn iejszego n a n ie s ie n ia na powierzchnię że liw a i na­

stępn ie zawalcowania, powodują obniżenie w łasn o śc i mechanicznych warstwy w ie rzc h n ie j że liw a i okresowe przenoszenie j e j fragmentów. Mechanizm ten n ie potwierdzony przez innych badaczy n ależy traktować jako marginesowy i charakterystyczny tylk o d la początkowego okresu współpracy elementów pary o dużej wstępnej chropowatości pow ierzchni. Zjawisko przenoszenia s t a l i obserwował podczas badań Nowicki [ 8 8 - 9 0 ], tłumacząc je oddzielaniem s ię cząsteczek s t a l i w wyniku o dkształceń plastycznych, spowodowanych wysoką temperaturą i naciskam i. Autor ten n ie p rz e d sta w ił opisu mechanizmu tego zja w isk a , udokumentował jednak towarzyszące mu obn iżen ia w a rto śc i w spół­

czynnika t a r c ia [8 8 ]. Śoieszka we w cześn iejszych swoich pracach [117,123, 125] p rzypisyw ał p o jaw ien ie s i ę warstwy o dużej zaw artości ż e la z a na po­

w ierzchni t a r c ia tworzyw ciernych między innymi procesowi polegającemu na tworzeniu s ię ognisk o dużej zaw artości Fe, w wyniku zagęszczan ia wypeł­

niaczy zaw ierających Pe Iczerw ień żelazow a, a z b e s t ) w w arstw ie w ierzch­

n i e j tworzyw i n astęp n ie r e d u k c ji tlenków przez gazowe produkty rozpadu le p is z c z a (H2, CO) w w ysokiej tem peraturze.

Przenoszenie b a r d z ie j wytrzymałego mechanicznie m ateria łu na powierz­

chnię t a r c ia mniej wytrzymałego przeciw p artn era było stwierdzone praezwie­

l e innych badaczy [4 4 , 47, 7 2 ]. Zjawisko to tłumaczono głów nie wykrusza­

niem smęczeniowyffl twardego m a te ria łu lu b jego intensywnym utlenianiem i następnie wgniataniem oderwanych cząstek lub błon tlenkowych w warstwę w ierzch n ią m a te riału b a r d z ie j miękkiego Cnp. brązu , t e k s t o lit u i in n ych ).

W k ilk u opracowaniach [1 7 , 45] łączono przenoszenie m etali na powierzch­

n ię tworzyw ze znakiem i w a rto śc ią ładunków elektrycznyoh powstających na pow ierzchni t a r c ia w wyniku e le k t r y z a c ji. Zdaniem tych autorów tworzywa, k tóre e le k try z u ją s i ę dodatnio, nanoszą s ię na m etale, tworząc p a łę dern ą:

tworzywo-tworzywo, a tworzywa elektroujem ne intensywnie zużywają metal* po­

8

przez : ich nanoszenie na powierzchnię tworzyw i ukształtow anie pary:m etal- m etal. Opracowania te n ie podają jednak fiz y c z n e j natury i mechanizmu wp3y- wu znaku ładunku elektrycznego na przenoszenie m etali na d ie le k try k i.B o w - den i Tabor [20] uw ażają, że p o la elektro statyczn e w parach ciernych, ta ­ kich ja k hamulce, mają n ie is to tn y bezpośredni wpływ na s i ł ę t a r c i a , a l e od- działyw u ją pośrednio poprzezt wymuszanie ukierunkowanego ruchu zjonizowa­

nych cząstek gazów (np. wodoru, tlenku w ę g la ), p rzyciągan ie p y łó w ,w ilg o c i oraz cząstek zużycia p rzeciw p róbki. Przy z b liż e n iu naładowanego e le k tro ­ sta ty c z n ie tworzywa do metalu n astępu je iskrowe elektryczne rozładowanie i e le k tro e ro z ja elementów ciernych [4 5 , 113].

K r a g ie ls k i [7 2 J tłumaczy przenoszenie z jednego c ia ła na drugie r ó ż n i­

cami e n e rg ii pow ierzchniowej, uważa że c ia ło o m n iejszej e n e rg ii będzie s ię namazywało na c ie le o w iększej e n e rg ii powierzchniowej.

I s t n i e je także przypuszczenie [3, 2 9 ], że gdy powierzchnie współpracu­

ją c e n ie są geometrycznie jednakowe, występuje niesymetryczne przenosze­

n ie od w ięk szej powierzchni do m n ie jsz e j. Poglądy te mają jednak ograni­

czony zakres zastosow ania, gdyż kierunek przenoszenia zależy jeszcze np.

od ro d z a ju m ateriału i temperatury* J e ż e li temperatura m niejszej powierz­

chni je s t b lis k a temperaturze to p n ien ia m a te ria łu , u le g a ono rozmazywaniu na tarczy [1 0 9 ].

Obecność cząstek m a teriału przeciw próbki (n a jc z ę ś c ie j stopu ż e la z a ) na powierzchni tworzyw ciernych je s t zawsze n iekorzystn a z punktu widzenia tr w a ło ś c i i efektywności hamulca. Tworzeniu s ię jednoimiennej pary, np.

s t a l - s t a l , towarzyszy duży miejscowy wzrost temperatury, intensywne n i ­ szczenie stalowego p rz eeiw p artn era, obniżenie współczynnika t a r c ia oraz is k rz e n ie .

Dotychczasowe prace dały dużą i l o ś ć in fo rm a c ji o zjawisku przenoszenia w warunkacń t a r c ia technicznie suchego oraz lic z n e próby przedstaw ienia jego fiz y c z n e j n atury, n ie stw orzyły jednak pełnego fizycznego modelu me­

chanizmu przenoszenia m e tali (m ateriałów b ie ż n i hamulca) na hamulcowe two­

rzywa c ie rn e .

2 .2 . Charakterystyka techniczna i badania eksploatacyjne hamulców maszyn wyciągowych

Specyfika procesu hamowania we współczesnych maszynach wyciągowych'po­

le g a między innymi na programowanym przebiegu s i ł y norm alnej, d o cisk ają­

cej elementy c iern e w c za sie hamowania, k tó re j wartość n ie zależy od efek­

tu j e j d z ia ła n ia . Rodzi s i ę stąd duże znaczenie s t a b iln o ś c i t r i b o lo g ic z - nyeh w łasn o ści tworzyw ciernych przez e ały okres e k s p lo a ta c ji hamulca.

Wzrost lu b spadek intensywności hamowania w stosunku do j e j w artości spo­

dziewanej może wywołać skutk i awaryjne.

Inną sp eey fik ę stanowią geometryczne cechy konstrukcyjne oraz funkcyj­

ny p o d z ia ł d z ia ła n ia hamulca nat

- hamowanie manewrowe, którym kończy s ię każda część cyklu wydobywcze­

go. Praca hamulca ciernego ograniczona je s t w tym przypadku do za­

trzymania urządzenia z bardzo m ałej p ręd k o śc i„w lec zn e j,

- hamowanie bezpieczeństw a, którego w ystąp ien ie ma charakter losowy i może mieć m iejsce w każdej s y t u a c ji ruchowej urządzenia.

Cała en ergia kinetyczna urządzenia wyciągowego je s t w tym przypadku pochłaniana p rze s hamulec ciern y .

Obecnie stosowane są w Polsce głów nie pneumatyczne napędy hamulców i szczękowe zespoły rcbocze w u k ład zie walcowym [1 2 ].

Rozwiązania te będą jednak m iały coraz b a r d z ie j ograniczone zastosowa­

n ie w maszynach wyciągowych dużej mocy.

W najw iększych maszynach aą stosowane hydrauliczne hamulce tarczowe Ir y s . 2 ) [ 8 , 9, 15, 27, 81] . D la dokonania oceny warunków t a r c i a (k in e -

Rys. 2. Hamulce górniczych maszyn wyciągowych w ie lo lin io w y c h a - hamulec szczękowy walcowy z napędem pneumatycznym, b - hydrauliczny

hamulec tarczowy

tycznych, dynamicznych, geometrycznych i term icznych) w is t n ie ją c y c h i pro­

gnozowanych hamulcach maszyn wyciągowych wykonano szereg badań ek sploata­

cyjnych i an alityczn ych parametrów technicznych tych maszyn [1 0 ], Badania te b y ły n a jc z ę ś c ie j fragmentami kompleksowych badań urządzeń wyciągowych [5 , 6, 38, 9 2 ], obejmujących także pomiary w ie lk o ś o i mechanicznych w bę­

bnach pędnych, lin a c h i naczyniach.

Badania przeprowadzone między innymi na prototypowej maszynie wyciągo­

wej z hydraulicznym i hamulcami tąrczcfwymi [4 3 ] , i t a b l . 2, przykład I ) . P o ­ mierzono naprężen ia mechaniczne w niek tórych elementach hamulca, zmiany p rę d k ości, p rzy śp ie sz eń i c iś n ie n ia w c za sie hamowania manewrowego i beK- pieozeństwa oraz o b c ią ż e n ia termicznego elementów cierpych . Wyniki badań c iś n ie n ia i s i ł y normalnej w siłow n ikach hydraulicznych przedstaw ia " j b . 3.

iimiany prędkości i przyśp ieszeń chwilowych maszyny wyciągowej w e z a ? 4 « hamowania z a le ż ą od przyłożonego momentu hamującego i w ła śc iw a śe i dyna­

10

micznych całego urządzenia wyciągowego (sp rę ży sto ść i długość lin ,p o ło ż e ­ n ie i c ię ż a r naczyń i t d . ) .

- 40

1 * I :

*

2 0

* 80 S w 60 50 40 30 30

«

0

pr

o o? 0,1 0,6 oa w a s

Rys. 3. P rz e b ie g c iś n ie n ia i s i ł y normalnej w c z a s ie hamowania hamulcem bezpieczeństwa

a - hamulec odhamowany, b - wyzwolenie hamulca, spadek c iś n ie n ia , c - d o j ­ ś c ie szczęk i do ta rc z y , d - 270 ms, czas Jałowy hamulca przy lu z ie 1,5 mm, e - c iś n ie n ie pierwszego sto p n ia hamowania, f - koniec pierwszego stopnia hamowania, g - 700 ms, czas progowy, h - s i ł a normalna pierwszego stop­

n i a , i - s i ł a normalna końcowa (maksymalna)

fc

*

-ł

f c d : -

Rys. 4. Wyniki pomiarów w ie lk o ś c i kinematycznych maszyny wyciągowej a - wykres prędkości i opóźnień w c z a s ie hamowania bezp ieczeń stw a,jazd a w górę pełnym skipem I30 Mg), b - wykres prędkości i opóźnień w c z a sie ha­

mowania bezpieczeństw a, ja zd a w dół pełnym skipem (30 Mg) 1 - wykres p rę d k o ś c i; 2 - wykres opóźnień

Wykres p rędkości i opóźnień w c z a s ie hamowania przedstaw ia r y s . 4. Wi­

doczne p u ls a c je w a rto śc i opóźnienia aą wynikiem oddziaływ ania na bęben drga­

jących w zdłużnie l i n , nośnych, naczyń i urobku. Oniany w a rto śc i śre d n ie j temperatury pow ierzchni ta r c z y , m ierzonej termoparą ślizg o w ą w m iejscu na­

b iegan ia i z b ie g a n ia tarc zy w badanej maszynie [42] , w tra k c ie hamowania bezpieczeństwa przedstaw ia r y s . 5.

Rys. 5. Wykresy temperatury pow ierzchni tarczy w c z ą s ie dwóch kolejnych hamowań bezpieczeństwa z prędkości początkowej vp = 16 m/s

a, b - temperatura mierzdha w m iejscu n a b ie g a n ia ta rczy na szczękę, c ,d - temperatura mierzona w m iejscu zb ie g a n ia tarczy ze szczę k i

T a b lic a 1 Z JUANY ŚREDNIC BĘBNÓW WIE10LIN0WYCH

I LICZBY PAR SIŁOWNIKÓW HYDRAULICZNYCH W FUNKCJI UDŹWIGÓW, GŁĘBOKOŚCI CIĄGNIENIA I KROTNOŚCI ZAWIESZENIA Masa użyteczna

nosiwa w na­

czyniu Q, Mg

40 50 60

\ Głębokość

\ c ią g n ie n ia

\

L iczba l i n , wV

1200 1400 1600 1200 1400 1600 1200 1400 1600

6 3,6 4,0 4,5 4,0 4,5 5,0 4,5 5,0 5,6

8 3,2 3,6 5,6 3,6 4,0 4,0 4,0 4,5 4,5

10 2,8 3,2 3,2 3,2 3,6 3,6 3,6 4,0 4,0

12 2,5 2,8 3,2 3,2 3,2 3,6 3,2 3,6 3,6

Liczba par siłowników

i

20 24 28

Inne hamulce z prognozowanej p o p u la c ji dużych maszyn wyciągowych Ctabl, 1 ) ch arak teryzu ją s ię różną nominalną geom etrią styku. Z akład ając zastoso­

wanie tych samych siłowników [4 2 ] w oparciu o pracę [10, 137] , w yliczono średnicę bębnów w ielolin ow ych , geom etrię b ie ż n i oraz liczbę^ koniecznych siłowników d la zapewnienia 3 -k ro tn ej s taty c zn e j pewności hamowania [ s ] .

12

Znając geometryczne i m ateriałowe cechy konstrukcyjne hamulca oraz j e ­ go kinematyczne i dynamiczne warunki pracy można w yliczyć obciążenie t e r ­ miczne elementów dowolnego hamulca.

Hamulce maszyn wyciągowych typu walcowego ch arakteryzują s ię rozbudo­

wanymi układami szczękowymi. N ie s t a b iln a praca tych hamulców,wywołana diiga- niami samowzbudnymi elementów ciernych, powoduje także n iebezpieczne drga­

n ia maszyny oraz j e j fundamentu [5 7 ], a także prowadzi do skrócenia czasu pracy, a nawet do zn iszczen ia elementów w ęzła ciernego. Na jedn ej z ma­

szyn wyciągowych przeprowadzono pomiary w ce lu dokonania id e n t y fik a c ji drgań. Po wykonaniu sp ecjaln ego układu pomiarowego rejestrow ano w ie lk o ś c i przemieszczeń wybranych punktów i w ie lk o ś c i zmian naprężeń.Przykładowy wy­

cinek oscylogramu przedstaw ia r y s . 6. Drgania te m iały charakter drgań sa- mowzbudnych wywołanych tarciem .

TS { 6 ’ fmjmmt 15 ~ *

I v — " " A r ... I ....i * * ’

mm*ł | 'mmi

. - ł - f

» !

J Ł

f

k .. I : i ■—%■■■

, i ”*

Rys. 6. Wycinek z oscylogramu z zapisem zmian naprężeń w elementach ha­

mulca w c z a sie hamowania bezpieczeństwa z prędkojści początkowej vp =■ 6 m/s

Badania przeprowadzane na k ilk u wybranych losowo maszynach wyciągowych wykazały, że n iek tó re hamulce n ie s p e łn ia ją kryterium statyczn ej pewaości hamowania oraz ch arakteryzują s ię znacznie wydłużoną drogą hamowania bez­

pieczeństwa w stosunku do przewidywanych w a rts ś c i. Zjawisko to związane z okresowym obniżeniem s ię w a rto śc i współczynnika t a r c ia można nazwać f a ­ dingiem eksploatacyjnym [63] . Stwierdzono eksperymentalnie [127] ,że głów­

ną przyczyną tego zjaw iska b y ła obecność wody na powierzchni t a r c ia hamul­

ca (przypadki ta k ie obserwuje s ię w szybach, gd zie nośnikiem wody są l i ­ n y ) oraz m etalizowanie s i ę powierzchni tworzyw [8 8 ].

2 .3 . Termiczne warunki pracy hamulców maszyn wyciągowych

W ee lu uchronienia s ię przed m ożliw ością awaryjnego nagrzan ia okładzin, n ależy przy projektow aniu przeprowadzić o b lic z e n ie spraw dzające.

Z p rak tyk i wynika, że nadmierne nagrzanie elementów hamulca zmniejsza ich żywotność oraz obni£,a w artość współczynnika t a r c ia [7 3 , 8 7 ], a tarcza stanowiąca b ie ż n ię hamulca, j&oże zostać trw a le zdeformowana. Badania na obiektach przemysłowych dowodzą, że w cza sie normalnej pracy maszyny wy­

ciągo w ej, napędzanej siln ik ie m prądu s t a łe g o , p rzyrost temperatury elemen­

tów hamulca, wynikający z pracy hamulca manewrowego, je s t minimalny lu b całk ow icie n ie m ierzalny i może być pominięty [1 1 9 ]. Należy natomiast w ob­

lic z e n ia c h uwzględnić efekty term iczne, wynikające z pracy c ie rn e j hamul­

ca bezpieczeństwa.

Przy t a r c iu suchym dwóch powierzchni chropowatych rzeczyw isty styk na poszczególnych w ierzchołkach m ikronierówności tych c i a ł je s t bardzo krótko­

trw a ły , a temperatura jaka s ię w wyniku tego styku wywiązuje je s t maksy­

malną temperaturą powierzchni t a r c ia [3 2 , 35, 7 2 ]. Temperatura ta je s t jedną ze składowych opisujących p o le temperatur w trących s i ę ciałach.Zna- jomość tego p o la ma is to tn e znaczenia, gdyż ja k wykazały badania [32, 108]

naprężenia mechaniczne w warstwie w ie rz c h n ie j trących s ię elementów,w wie­

lu hamulcach pochodzą głównie od udarów cieplnych. Temperatura i grad ien t temperatury w dużym stopniu decydują o intensywności zużycia i zmęczenia m ateriałów .

Temperaturę elementów ciernych o k r e ś la ją następujące w ie lk o sc is ifj. - maksymalna temperatura powierzchni t a r c ia ,

- temperatura początkowa,

■f - średn ia temperatura obję to ścio w a,

^ — średn ia temperatura nominalnej pow ierzchni t a r c ia , - temperatura b łysku,

grad <P - g rad ien t temperatury w warstwie efektywnej,

gdzie«

Znajomość maksymalnej temperatury pow ierzchni t a r c ia iTt pozwala na po­

równanie o b ciąże n ia temperaturowego mikroobszarów m ateriałów ciernych ! dopuszczalną tem peraturą, k tó re j przekroczenie powoduje w przypadku two­

rzyw termoutwardzalnych np. d estru k cję le p is z c z a , m etalizowanie powierzchf n i t a r c ia [6 3 , 123, 133] a w przypadku m ateriału b ie ż n i stalow ej uplastycz­

n ie n ie , p ły n ię c ie i dekohezjg zmęczeniową warstwy w ie rzc h n ie j [4 9 , 73, 108].

14

CHARAKTffiYSTYKA TECHNICZNA WYBRANYCH MASZYN WYCIĄGOWYCH

T a b lic a 2

Charakterystyczne dane maszyn wyciągowych

W artości liczbow e Jeduost. P rzyk ł.

I

P rzyk ł.

I I

Przyk ł.

I I I Masa użyteczna nosiwa w naczy­

n iu , Q 30 40 60

Głębokość c ią g n ie n ia , H m 800 1600 1200

śred n ica bębna w ie lo lin o -

wego, Djj m 5,5 4,5 3,2

L iczba l i n nośnych, w 4 6 12

Prędkość maksymalna, vm m

s 16 20 20

Czas hamowania, t^ 8 5 5 4,6

Praca t a r c i a na jedną powierz­

chnię ta rc z y , L k j 5950 10213 11504

Powierzchnia efektywna tarczy,A^ m2 3,76 3,1 2,248

Powierzchnia szczęk, A? m2 0,504 0,63 0,882

&*ubość ta rc z y , b 1 m 0,03 0,03 ^0,03

Wymiary okładziny c ie r n e j, I ^ g g m 0,21x0,3 0,21x0,3 0,21x0,3

Rys. 7 . P r z e b ie g i zmian temperatury w c z a s ie hamowania bezpieczeństwa d la

^ p

a - p rzy k ład I , b - p rzy k ład U , e - p rzyk ład 111 ( t a b l i c a 2 )

D la trz e c h charakterystycznych rozw iązań maszyn wyciągowych, których dane przedstawiono w t a b l . 2 , wyliczono w a rto śc i zmian temperatur w hamul­

cach [120, 121, 130]. P rzyk ład I odpowiada maszynie wyciągowej typu

4^5500 p ro d u k cji ZUT "Zgod a". P o zo stałe maszyny n a le ż ą do prognozowanej s e r i i maszyn wyciągowych o bardzo dużych mocach ( t a b l . 1 ) . P rz e b ie g zmia n temperatury elementów hamulca w c z a sie hamowania bezpieczeństw a p rzed sta ­ wia ry s . 7. Uzyskane drogą o b lic z e ń temperatury in form acje u ś c i ś l a j ą wymar gania konstrukcyjno-m ateriałow e d la tych hamulców i są niezbędne d la w ła­

ściwego wyboru tworzyw ciernych.

Z .4. Hamulcowe tworzywa ciern e

Cechy konstrukcyjne i warunki pracy hamulców w maszynach roboczych są bardzo zróżnicowane [ i , 2 ], a współczesne ic h ro zw ią za n ia wskazują na co­

raz większe obciążen ie c ie p ln e elementów ciernych [61, 128]. Zróżnicowanie to zmusiło do opracowania bardzo szerokiego z e s t a w u tworzyw ciern ych p rz e ­ znaczonych do pracy w hamulcach [ 2 , 49» 65j 75, 135]. Do p o d z ia łu tw<rzyw ciernych można zastosować ró&ne k r y t e r ia £70, 72, 87». 88] ^ N a jb a r d z ie j o—

gólny p o d z ia ł wyróżnia c z te ry grupy tworzywi niem etalowe, metalowe, meta­

lowo—ceramiczne i metalowo—żywiczne.

a - niem etalowe, do których zaliczam y:

- organiczne (np. drewno, sk óra, f i l c i in n e ), - n ieorgan iczn e (np. p o rcela n a, beton i in n e ), - azbestowe z lepiszczem organicznym,

- impregnowane olejam i schnącymi, - o le p is z c z u kauczukowym,

- o le p is z c z u z żywicy term outwardzalnej, - o le p is z c z u mieszanym Ikauczukowo-żywicznym),

b - metalowe, do których zaliczam y: ż e liw a , s t a le n isk ow ęglow e,p roszk i spiekan e, n ie k tó re stopy m iedzi i inne,

c - metalowo-ceramiczne o bardzo zróżnicowanej budowie i t e c h n o lo g ii, k tó re ch arak te ry zu ją s i ę między innymi: wysoką odpornością c ie p ln ą , dużą tw ard o ścią, s t a b iln o ś c ią współczynnika t a r c i a , w szerokim za­

k r e s ie tem peratur, dużą ś c ie rn o ś c ią oraz wysokimi kosztami wytwa­

rz a n ia [ 2 , 63, 75, 132],

d - metal owo-żywiczne, których trz y zasadnicze s k ła d n ik i stan ow ią: ży­

w ic a , azbest oraz p ro sz k i m e ta li w i l o ś c i co najm niej 20# (wagowo).

Tworzywa te ch arak te ry zu ją s i ę korzystnymi w łasnościam i c ie r n o -z u - życiowymi [63, 134].

Na obecnym e ta p ie rozwoju k o n stru k c ji hamulców maszyn wyciągowych zna­

la z ły zastosowanie głów nie tworzywa azbestowe impregnowane o le ja m i schną­

cymi (T a n o le s, B in o le x ) oraz w sta rszy ch rozw iązan iach drewno topolowe.

Stosowane ro d z a je tworzyw ciern ych oraz z a le c a n ie d la konstruktorów o - g ra n ic z a ły maksymalne n a c is k i Jednostkowe do w a rto śc i 0 ,3 -0 ,7 - 5 i dawa­

ły podstawę do projektow ania hamulców typu walcowego, o bardzo dużych P®”

SKŁADY CHEMICZNE WYBRANYCH MATERIAŁÓW CIERNYCH

T a b lic a

3

Lp. S k ł a d n i k i

Tworzywo ' W-12

Tworzywo

AKF Tworzywo

M-31

Tworzywo Z K -Y I-1 9

Tworzywo TEXTAR V-1431

Tworzywo Polofen FA-3

' ' Zawartość składników w procentach wagowo

1 Kauczuk syntetyczny 17 12,5 - - - -

2 Żywice lN ovolak, Rezomel,

R e z o lit i in n e ) - 12,5 21 22 17 33

3 Azbest (włókna a in e ra ln e

żużlowe i azbestow e) 37 46,0 22 32 21 47

4 Granulat i p ro sz k i m etali

kolorowych 21 - 29 20 31 15

5 Baryt mielony - - - 13 10 -

6 G ra fit - - - 0,3 5 -

7 Czerwień żelazowa 8 25 - 5 5 -

8 Środki wulkanizacyjne 5 - - - - -

9 Wypełniacz krzemionkowy 4 - 28 5 5 -

10 Inne 8 4 - 2,7 6 5

WŁASNOŚCI FIZYKOMECHANICZNO I CIERNE WYBRANYCH MATERIAŁÓW CIERNYCH

Lp. Parametr Jednostka

Tworzywo W-12

Tworzywo AKF

Tworzywo M-31

Tworzywo ZK-VI-19

Tworzywo TEST AR V -1 431

Tworzywo GALFEL

Tworzywo COSID

Tworzywo Po l o f en FA-3

1 Gęstość, J- 2220 1970 2650 2410 2240 2140 2240 1780

2 Twardość, HK MN 204,1 171,5 669,8 171,0 144,0 28,4 429 301

3 Udarność, U kJ

7

3,9 7,7 5,1 18,0 3,7 22,1

4 Średni w spół­

czynnik t a r ­ c i a , f l

0,440 0,444 0,390 0,351 0,388 0,504 0,305 0,280

5 Średnia inten­

sywna zu ży cia,

?

35,0 61,5 23,1

6 Średnia efek­

tywna inten­

sywność zuży­

c i a , eg

5 S

18

w ierzchniach t a r c i a szczęk. Warunki pracy hamulców tarczowych ( p . 2 . 3 ) e li ­ minują natom iast te ro d z a je tworzyw. Dla prognozowanej p o p u la c ji dużych maszyn wyciągowych ( t a b l . 1) znajdą zastosowanie [9 4 , 123] tworzywa meta- lowo-żywiczne oraz n ie k tó re tworzywa azbestowe, c le p is z c z u żywicznym i kauczukowo-żywicznym (s k ła d i w łasn ości wybranych do dalszych badań two­

rzyw p rz e d s ta w ia ją t a b li c e 3 1 4 ) . Te ro d z a je tworzyw z o sta ły dobrze zba­

dane od strony procesu w ytwarzania. Wyniki prac [2 4 , 61, 62, 63, 107, m , 112, 130, 134] um ożliw iają stosunkowo swobodną zmianę ic h w łasn ości t r ib o - lo giczn y ch , chociaż n ie d ają je sz c z e um iejętności ic h dowolnego k s z t a łt o ­ wania. Skład tworzyw ciern ych je s t bardzo różny. Można jednak wyszczegól­

n ić n astęp u jące grupy składników i ic h wagowy u d z ia ł [11 1 ]«

le p is z c z e 20-30#, azbest 20-40J6,

w ypełniacze n ieorgan iczn e 15-40%, w ypełniacze organiczne 5-15%.

Podstawowym składnikiem tworzyw, od którego w znacznym stopniu z a le ż ą odporność term iczna i c ie rn o ść , je s t le p is z c z e . Obecnie coraz częściej sto ­ su je s ię tworzywa oparte na modyfikowanych żywicach termoutwardzalnych [134] . Dodanie do le p is z c z a różnego ro d z a ju w ypełniaczy zmienia zasadn i­

czo je g o w łasn o ści mechaniczne i tarciow e. Odpowiednio dobrane wypełniacze podnoszą c ie rn o ść (korund, t le n k i ż e la z a , dodatki o rg a n ic z n e ), współczyn­

n ik przewodzenia c ie p ła (m etale, t le n k i m e ta li, kauczuk syn tetyczn y), od­

porność na zużycie (b a r y t , t r ó js ia r c z e k m olibden u), s ta b iln o ś ć cieplną (az­

b e s t , włókna żużlowe, m ik a ), p r z e c iw d z ia ła ją z a c ie ra n iu ( g r a f i t , b a ry t, s a d z a ), u ła t w ia ją w u lk an izację kauczuku lub siec io w a n ie żywicy (tlenek wai>*

n i a , tlen ek b a ru , tlen ek magnezu), smarują w wysokich temperaturach (ołów, sia rc z e k o ło w iu , sia rc z e k antymonu). D z ia ła n ie różnych składników n ie jest jednokierunkowe, d la te g o dobór optymalnej stru k tu ry wewnętrznej je s t skom­

plikowany. Każdy w ypełniacz wywiera skomplikowany wpływ na le p is z c z e i po­

z o s ta łe s k ła d n ik i. Kad doskonaleniem tworzyw ciernych i wyspecjalizowanym przeznaczeniu p ra c u je w dalszym ciągu w ie le labo ra to rió w na całym św iec ie.

Materiałom przeznaczonym na elementy cie rn e w hamulcach można p osta­

wić ogólne wymagania, k tóre w w ie lu przypadkach są przeciwstawne.

U trud n ia to wybór i zmusza do kompromisu uzależnionego od charaktery­

s ty k i przypadku ic h zastosowania. Podstawowe wymagania stawiane m ateria­

łom ciernym wg danych zawartych w pracach [32, 49, 53, 54, 7 2 ], to i - s t a b i ln a i wysoka w artość współczynnika t a r c ia ,

- duża odporność na zużycie w szerokim za k re sie zmian parametrów tarcia, - brak sk łon n o ści do sczepień adhezyjnych,

- duża s t a b iln o ś ć mechaniczna, chemiczna i termochemiczna,

- s t a b iln o ś ć i równomierność zmian chemicznego i fazowego składu oraz s tru k tu ry i innych w łasn o ści warstwy w ie rzc h n ie j w p ro c e sie eksplo­

a t a c j i ,

- odporność na k o ro z ję , odporność na d z ia ła n ie wody, o le je i inne sub­

s ta n c je ,

- wysoki punkt to p ie n ia ,

- wysoki współczynnik przewodzenia c ie p ła , - n is k i współczynnik r o z s z e rz a ln o ś c i c ie p ln e j, - duża w artość c ie p ła w łaściw ego,

- dobra technologiosność (np. o b ra b ia ln o ś ć , mała kruchość i in n e ).

Dla uzyskania spodziewanej t r w a ło ś c i elementów ciernych hamulca ważne j e s t , aby w c zasie hamowania konstytuował s ię w warstwie w ie rzc h n ie j do­

datni gradient w łasn o ści mechanicznych [32, 123]. Powoduje to lo k a liz a c ję deform acji plastycznych i zn iszczeń m a teriału w bardzo c ie n k ie j s t r e f i e przypowierzchniowej i uniem ożliw ia g łę b o k ie wyrywanie j e j cząstek. W pro­

c e sie t a r c ia n ie powinny następować n iek o rzy stn e, z punktu w idzenia w łas­

n ości użytkowych, objętościow e zmiany w tworzywie.

2 .5 . Podsumowanie

Przeprowadzona a n a liz a lite ra tu ro w a i wstępne badania hamulców dowodzą ak tu aln o ści i ważności podjętego w pracy zadania. Występujące w praktyce e k sp lo atacy jn ej okresowe lu b trw a łe obniżenie sprawności hamulców stanowi duże zagrożen ie d la prawidłowego funkcjonowania urządzenia wyciągowego.Ob­

n iż e n ie w a rto śc i współczynnika t a r c ia w warunkach hamowania bezpieczeństwa może doprowadzić do bardzo poważnego stanu awaryjnego, stąd duże znacze­

n ie id e n t y f ik a c ji tech n iczn ie niekorzystnych zjaw isk trib o lo g ic z n y c h na po­

w ierzchniach t a r c ia w hamulcach.

Badania eksplo atacy jn e i an a lity c z n e p o tw ierd zają coraz większe o bcią­

żenie fry k cy jn e elementów hamulca, k tóre d la maksymalnych parametrów pra­

cy wywołują a a powierzchni t a r c ia temperatury p rzek raczające temperaturę d e s t ru k c ji kauczuku i żywicy. Porównanie otrzymanego z o b lic z e ń obciąże­

n ia ciepln ego hamulców maszyn wyciągowych z wynikami, badań termograwime- trycznych wykazuje, że na okładziny tych hamulców niekorzystne w łasn ości mająs m ate ria ły o rgan iczn e, tworzywa cie rn e o le p isz c z u kauczukowym oraz azbestowe impregnowane o le ja m i schnącymi, W tworzywach tych destru k cja c ie p ln a rozpoczyna s ię n a jw c z e ś n ie j, kauczuk w temperaturze powyżej 570 K zamienia si? w c ie c z i odparowuje. Tworzywa azbestowe impregnowane o l e j a ­ mi sehnąeymi wykazały w temperaturze 5 7 0 K ubytek masy równy 4,9%, a w temperaturze 77 0 K b y ł on równy 24 A ,

W tworzywach o le p is z c z u kauczukowym zanotowano d la temperatury 570 K odpowiednio 4,8% i 1,9% ubytku masy, a d is temperatury 7 7 0 K w yn osił on 19# i 1^%. Zechodsąee w tych temperaturach przemiany termochemio zne w war­

stw ie w ierzch n iej powodują także isto ta ® B a n ie jsse n ie odporności twe na zu tycie [1 1 6 ], W oparciu o znajomość warunków pracy elementów eieray oh hamulców maszyn wyciągowych do badań głównych w yselekejenowe.no osiem turo-

20

rzyw z grup, które n a j le p i e j odpowiadają funkcjonalnym i trwałościowym wy­

maganiom stawianym tym hamulcom.

Dla uzyskania p ełn ej oceny w łasn o ści trib o lo g ic z n y c h hamulcowych two­

rzyw ciernych trzeba wykonać dużą lic z b ę badań, w których poszczególne eta­

py symulują ich przemysłowe warunki pracy.

Specyfika cech konstrukcyjnych i e k s p lo a ta c ji hamulców maszyn wyciągo­

wych stwarza konieczność przeprowadzenia w iększości badań w warunkach l a ­ boratoryjnych i pozwala tylko na końcową w e ry fik a c ję wyników w warunkach przemysłowych.

Do programu laboratoryjnych badań trib o lo g ic z n y c h n ale żą ! - badania w warunkach s t a b iln e j prędkości p o ś liz g u ,

- badania w warunkach dynamicznie zmiennej prędkości p o śliz g u (symula­

c ja ikoniczna pracy hamulca),

- badania w warunkach ruchu przerywanego Iruch s t i c k - s l i p ) [12 6, 129].

Wyżej wymieniony program powinien obejmować warunki symulujące najwięk­

sze obciążen ie przypowierzchniowej s t r e fy warstwy w ierzch n iej elementów hamulca tarczowego, które ch arakteryzują« prędkość początkowa hamowania 1)" = 20 —, n a c is k i jednostkowe p > 1,0 S , maksymalna temperatura po-

P 3 m

w ierzchni t a r c ia tT ^ > 800 K. Ze względu na ró ż n ą nominalną geometrię sty­

ku w poszczególnych rozw iązaniach wielosegmentowych hamulców tarczowych [9, 81, 115], n ależy uwzględnić ta k że w badaniach współczynnik wzajemnego przy­

k ry cia [114] . Współczynnik ten można rozpatrywać ja k o czynnik wpływający na w ielkość oddziaływania oto czen ia, c z y li lepszy lub gorszy dostęp atmos­

fe ry otoczenia do obszaru styku ciernego [74] oraz ja k o K o n stru k cyjn y wskaź­

n ik dy sy p acji e n e rg ii c ie p ln e j.

3. BADANIA WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNYCH PARY:TWORZYWO CIERNE-STAL

3 .1 . Cel i zakres badań

Ważnym czynnikiem w p ro ce sie konstruowania hamulców w maszynach robo­

czych je s t prawidłowa ocena fiz y c z n e j trw a ło ś c i ich elementów [40] . Inten­

sywność s ta rze n ia elementów je s t wypadkową wymuszeń sta rz e n ia (mechanicz­

nych, ciep ln ych , chemicznych, elektryczn ych ) i odporności m ateriałów e le ­ mentów na ic h d z ia ła n ie . Zależy ona od ro d za ju procesów niszczących,wywo­

łanych np. tarciem [55] . A nalityczn e powiązanie w łasn ości użytkowych mate­

ria łó w ciernych z parametrami t a r c ia , charakterystykam i materiałowymi i geometrycznymi cechami konstrukcyjnymi w ęzła t a r c ia , pozw oliłoby na r o z ­ wiązanie szeregu ważnych zagadnień, a m ianowicie:

- trib o lo g ic z n y c h - ocena w łasn ości ciernozużyciowych tworzyw w funk­

c j i widma wymuszeń i mikroklimatu otoczenia (tem peratura,w ilgotn ość, zanieczyszczenia p o w ie trz a ),

- eksploatacyjnych - prognozowanie zużycia elementów jako część szerzej p o ję t e j p re d y k c ji trw a ło ś c i i niezawodności maszyn

(systemów) [131] ,

- konstrukcyjnych - podstawa do o p ty m a liza c ji węzłów t a r c ia ze w zglę­

du na wybrane k r y t e r ia £69] .

W o statn ich k ilk u la ta c h wykonano szereg p rac, które pozw alają progno­

zować wartość współczynnika t a r c i a i zużycie przy zawężonych w artościach parametrów [14, 31, 69, 95-97, 103-105, 117, 123]. D alsze prace w tym za­

k re s ie wzbogacają z b ió r faktów empirycznych i aproksymują uogólnione ro z ­ w iązanie w p o sta c i z a le żn o śc i analitycznych.

Celem t e j c z ę ś c i pracy było zbadanie trib o lo g ic z n y c h charakterystyk two­

rzyw na modelach ikonioznych oraz zbudowanie modelu matematycznego,w któ­

rym będą uwzględnione zależn o ści między! odpornością tworzyw na zużycie, współczynnikiem t a r c ia a naciskami jednostkowymi, prędkością względną ru ­ chu, charakterystycznym i cechami materiałowymi (HK, U ) oraz współczynni­

kiem wzajemnego przy k ry cia.

Stanowisko badawcze i warunki badań zapewniały, że fizyczn y model eks­

perymentów odwzorowywał hamulce tarczowe maszyn wyciągowych.

3.2 . Problemy modelowania w badaniach trib o lo g ic z n y c h

W badaniach trib o lo g ic z n y c h przyjmujemy p o d z ia ł metod modelowania na fizy c zn e i matematyczne. W modelowaniu matematycznym posługujemy s ię mode­

lem symbolicznym (symbolami matematycznymi). W badaniach trib o lo g ic z n y c h używamy m odeli fizyczn y ch , ikonicznych, c z y li że la b o ra to ry jn e badania pro­

wadzimy na stosowanych trójwymiarowych układach fizyczn ych , które mają odwzorowywać układ rz ecz y w isty (o r y g i n a ł). Eksperymenty na modelach iko—

nicznych nazywamy sym ulacją ikoniczną. Symulacja ikoniczna w zagadnieniach trib o lo g ic z n y c h p olega na odwzorowaniu w warunkach labo rato ry jn y ch charak­

teru zjaw isk trib o lo g ic z n y c h , odpowiadających rzeczywistym węzłom t a r c ia (o ry gin ało m ). Trudność modelowania procesu t a r c i a i zużycia polega na tym, że p r z y ję c ie tych samych m ateriałów oraz parametrów t a r c ia je szc ze n ie od­

wzorowuje w ystarczająco p recy zy jn ie wszystkich zjaw isk trib o lo g ic z n y c h [21, 72, 9 8 ], M a te ria ły par ciernych zm ien iają w c za sie t a r c ia swoje w łasności [4 9, 5 8 ], w z a le żn o śc i od różnych czynników, np. s temperatury i gradientu temperatury w w arstw ie w ie rz c h n ie j, makrogeometrii powierzchni t a r c ia e le ­ mentów ciernych, parametrów t a r c i a , oddziaływ ania środowiska i innych [25,

33, 34, 52, 98, 136].

Uzyskane drogą a n a liz y wymiarowej [8 4 ] k r y t e r ia podobieństwa [2 2 , 32, 5 6 ], oparte na odwzorywaniu z ja w isk i ciepln ofizyczn ych ,fizyczn om ech an icz- nych, dynamicznych oraz makro- i m ikrogeom etrii powierzchni t a r c i a ,n i e da­

ją pełnych m ożliwości modelowania wpływu w szystkich czynników, przez co zmuszają do eksperymentalnej oceny kryterió w podobieństwa i wyznaczania zakresu ic h zastosowania [3 3 ]. W przypadku m ateriałów termoutwardzalnych,

22

w skład których wchodzą zw iązki organiczne, dużą r o l ę odgrywają proce­

sy tribochem iczne zależne od tem peratury, c iś n ie n ia i składu chemicznego środowiska. W badaniach uwzględnia s ię je dodatkowymi k ryteriam i [3 3 ].

Modelowanie t a r c i a i zużycia można traktować tylko jako p rzy b liżo n e , a o dokładności odzworowania rzeczyw istych warunków pracy decydują między innymi k r y t e r ia p rz y ję te za n a jw a ż n ie jsz e . Modelowanie pracy hamulców ma­

szyn wyciągowych [2 2 ] oparto na założen iach równości jednostkowej mocy tar­

c i a , współczynników przewodności i oddawania c ie p ła d la modelu i orygina­

łu . Równość tych współczynników u ła tw ia użycie tych samych m ateriałów o - ra z współczynnika wzajemnego p rzyk rycia. P rz y ję te za ło ż e n ia o p ie r a ją a ię na badaniach [22, 9 2 ], które wykazują is t o t n ą k o re la c je między mocą t a r ­ c ia a temperaturą powierzchni. W wykonywanych w n i n i e js z e j pracy badaniach modelowych na laboratoryjnym stanowisku badawczym (r y s . 10) założono d la o ry gin ału i modelu równości następujących parametrówt

- początkowej w a rto śc i prędkości względnej ruchu, - śre d n ie j w arto ści nacisków jednostkowych, - współczynnika wzajemnego p rzy k ry cia.

Czas hamowania d la modelu w yliczon o, zak ładając równość temperatury po­

w ierzchni t a r c ia d la o ry g in a łu i modelu.

3 .3 . Warunki badań

Badania ciern e wykonano na s p e c ja ln ie do tego c e lu skonstruowanym s t a ­ nowisku (modelu ikonicznym hamulca tarczow ego) r y s . 8-10 [9 1 , 1 2 5 ].Ogólną charakterystykę modelu przedstaw ia t a b li c a 5.

Rys. 8. Ogólny widok stanowiska badawczego oraz aparatury pomiarowej

Rys. 9. Stanowisko badawcze, sposób mocowania i docisku próbek do tarczy

^ oraz pomiaru momentu t a r c ia

i - ta rc z a , 2 - próbka i uchwyt p ró b k i, 3 - c zu jn ik s i ł y norm alnej, 4 czu jn ik s i ł y t a r c ia

K tJz/nocooa

UM-W

Oscylograf

&SL~ 1

Rys. 10. Schemat stanowiska badawczego

1 « l l n i k nradu s t a łe g o , 2-5 - układ z a s ila ją c y , 6 - p rze k ła d n ia pasowe,

1 5 ‘ S S U n l » i J J S j f p r S b k l , P r fb k ., 17 - czu jn ik tensometryczny s i ł y t a r c i a , 18 - rama łą c zą c a

Wyposażenie stanowiska w c z a s ie badań sta n o w ił zesp ó ł aparatury do cią­

głe g o pomiaru s i ł y t a r c i a , o b c ią że n ia normalnego próbek, temperatury po­

w ierzch n i t a r c ia oraz k o n t r o li prędkości obrotowej i d ro g i t a r c ia .

CHARAKTERYSTYKA STANOWISKA BADAWCZEGO

T a b lic a 5

Cechy charakterystyczne

Prędkość względna t a r c ia

Nacisk jednostkowy

Powierzchnia t a r c ia próbek

Wymiary przeciw próbki

Układ o b c iążający « hydrauliczn y Pomiar docisku p ró b k i« tensometryczny Pomiar momentu t a r c ia « tensometryczny Pomiar prędkości« stroboskopem

Pomiar d ro gi t a r c ia « lic z n ik mechaniczny Pomiar temperatury« mikrotermopara stykowa Ichrom el-alu m el)

Jednostki miary

m/s

MN

7

Wartość

0,2-40

do 7

1 x i i - h . . . 1 2 )

0 240

U w a g i

r e g u la c ja płynna

r e g u la c ja płynna

r e g u la c ja płynna r e j e s t r a c j a r e j e s t r a c j a

r e j e s t r a c j a

Zespół teii s k ła d a ł s ię zt

- o sc y lo grafu ośm iopętlicowego R F T, typu 8LS-1, - m iernika w ie lk o ś c i dynamicznych I I typ RF-01 T, - stroboskopu Dawf, typ 1203 B,

- czujników kabłąkowych tenaometrycznych do pomiaru a i ł y normalnej i s i ł y t a r c i a Iry s . 9 ),

- mikrotermopar stykowych chromel—alumel 0 0,2 mm.

Przedmiotem badań b y ły próbki wykonane z hamulcowych tworzyw ciernych reprezentujących grupy, które z n a la z ły zastosowanie w najnowszych kon­

strukcjach hamulców tarczowych maszyn wyciągowych, c z y li tworzywa nieme­

talowe i metalowo-żywiczne.

Wybrano osiem tworzyw produkowanych w k ra ju i za g ra n ic ą o ró ż n e j struk­

turze wewnętrznej [5 0 , 62, 63, 111, 112, 134], t a b l . 3«

- kauczukowe, tworzywo W-12,

- kauczukowo-fenolowo-formaldehydowe, tworzywo AKP, - fenolowo-form aldehydowe, tworzywo M-31,

- melaminowo-fenolowo-formaldehydowe, tworzywo ZK -VI-19, - żywiczne, tworzywo T extar V-1431 (RFN),

- kauczukowe, tworzywo G a lf e l lW łochy), - żywiczne, tworzywo Cosid (HRD),

- fenolowo-formaldehydowe, tworzywo Polofen FA-3.

Wybrane tworzywa n ie re p re z e n tu ją c a łe j p o p u la c ji hamulcowych tworzyw ciernych, c z y li uzyskane drogą badań i a n a liz y w nioski będą reprezentatyw ­ ne ty lk o d la dwóch ww. grup tworzyw.

Przeciwprćbka, w form ie tarczy jako część maszyny badaw czej, wykonana b y ła ze s t a l i St5, z zachowaniem tych samych warunków, w ja k ic h wykonuje s ię b ie ż n ie hamulców maszyn wyciągowych.

Badania w warunkach s t a b iln e j prędkości przeprowadzono przy naciskach jednostkowych o w arto ściach :

n c ® „ 1 9 m „ _ i « a s P1 = ° * 6 ~ Z ' p2 " 1» 2 2* P3 * 7 '

m m

Prędkość ruchu względnego w ynosiłat - 1 m/s, Vg “ 10 m/s, = 20 m/s, a współczynnik wzajemnego p rzy k ry cia kw^ ■ 0,01 ( i para s z c z ę k ), kw2 =«

= 0,02 (2 pary sz c z ę k ), kw^ = 0,04 U pary sz c z ę k ).

Drogę t a r c i a u stalon o d la w szystkich par na 5 km. Każdy pomiar przepro­

wadzono z powtórzeniami na oddzielnych próbkach, przy w szystkich kombina­

cjach zmiennych n iezale żn y ch (ro d z a j tworzywa, p, v , kw). Dawało to około 1500 pomiarów współczynnika t a r c i a zużycia próbek i temperatury powierzch­

n i t a r c i a przeciw p ró bk i.

26

/“

0,6

as

04 as оя

Г 0,6

0,5 0.4

Щ 0,1

h 06 ÛJ

ал

о,i

t*1f

\

²

0.6

< • » ¥

я*

Ofi t2 < * A «

i/

-

A -

k >

«5 04 аз V

N.

1

06 12 li* Я &

Qi

/*

Qfi

os м

01 02

< w f r 4

■ Ł

- ; r "

р 2э * * " ее^

.. .

Об 13 *А&

« ł- . » ^ a

*

06 12 18д «Й

Ч - f f -

Л

'ж

>*

' \ *

Р

0.6

OS 0.4

ць

02

ч - e f

«•

4^*

pp^rtfi

Об a tl'« 5

<W O ? i

R r ?

он а

Р

ч *

«

а<

аз 02

iTj-aD-f-

- ^ r - *

а« «

И Ofi

O.S

0.4

Oi Q

2

15-2D Ï

■>

-ев»

a« 4Is _<>a&

Ą -

20

Nfь

--- -^j: