60 Експериментальні дослідження металополімерних пар тертя з врахуванням трибоелектричних процесів Криштопа С.І., Криштопа Л.І., Прунько І.Б., Мельник В.М., Гнип М.М. Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, Україна е-mail: retes@mail.ru ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТАЛОПОЛІМЕРНИХ ПАР ТЕРТЯ З ВРАХУВАННЯМ ТРИБОЕЛЕКТРИЧНИХ ПРОЦЕСІВ УДК 621.891 Проілюстровані експериментальні дослідження знософрикційних властивостей контактів мікровиступів металополімерних пар тертя барабанно - колодкових гальм автотранспортних засобів з врахуванням трибоелектрич- них явищ. Ключові слова: металополімерні пари тертя, барабанно-колодкове гальмо, трибосистема, трибоелектрика. Вступ Теоретичні дослідження щодо знософрикційних властивостей металополімерних пар тертя бара- банно-колодкових гальм з врахуванням трибоелектричних процесів вимагають проведення експеримен- тальної перевірки. Виконання достатньої кількості випробувань металополімерних пар тертя гальмівних пристроїв в стендових умовах дозволяє об'єктивно судити про знософрикційні властивості їхніх поверх- невих шарів для оцінки поляризаційних і деполяризаційних процесів залежно від електричних струмів, що генеруються. Це, у свою чергу, дозволить реалізувати процеси термостимульованої деполяризації електричними струмами поверхонь металополімерних пар тертя гальмівних пристроїв та знизити зношу- вання поверхонь. Мета роботи – отримання експериментальних даних зі знософрикційних властивостей метало- полімерних пар тертя гальм автотранспортних засобів з врахуванням трибоелектричних процесів. Стан проблеми Специфіка металополімерних матеріалів полягає в тому, що їх робота в трибоспряженнях супро- воджується процесами трибоелектризації [1, 2], а також деструкції з утворенням різних фаз, які поверта-ючись в первинний стан мають інші енергетичні рівні поверхневих шарів. Одержані таким чином хімічно активні продукти взаємодіють з шорсткими плямами контактів мікровиступів металевого елементу [3]. Відомо, що пара тертя «полімер-метал» має різну енергонавантаженість під час фрикційної взаємодії трибоспряження [4]. Поверхневий і підповерхневий шари полімерної накладки є накопичувачами заря-дів, об'єм і властивості яких змінюються залежно від їхньої енергонавантаженості. Останнє в значній мірі впливає на електричне і теплове поля. Крім того, мікровиступи контактів металевого елементу беруть ак-тивну участь у формуванні трибоелектроланцюгів [5]. Під час тертя спостерігається локальний контакт мікровиступів, при цьому під час контакту електрони та іони переміщуються з одного тіла до другого. Контактна різниця потенціалів двох тіл виникає внаслідок переходу електронів через контакт від тіла з меншою енергією виходу електронів до тіла з більшою енергією. При цьому електрони та іони можуть переходити як від діелектрика до металу, так і навпаки, заряджаючи поверхню діелектрика як позитивно, так і негативно відносно поверхні металу. Виходячи з вищевикладеного є актуальними експериментальні дослідження знософрикційних властивостей металополімерних пар тертя трибосистем. Постановка задачі У даній публікації розглянуті експериментальні дослідження містять наступні задачі: встанов- лення закономірностей характеристик електричних і теплових струмів в трибосистемах; оцінка поляри- заційно-деполяризаційних процесів під час електротермомеханічного тертя дво- і тришарових структур; оцінка енергонавантаженості і енергоємності вдосконалених пар тертя гальм в лабораторних і експлуа- таційних умовах; оцінка довговічності фрикційних накладок в різних типах вузлів тертя гальм. Вибір об'єктів для випробувань, необхідного устаткування, вимірювальних приладів і апаратури Мета і задачі експериментальних досліджень із знософрикційних властивостей металополімер- них пар тертя барабанно-колодкових гальм транспортних засобів визначили вибір об'єктів для випробу- Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 61 Експериментальні дослідження металополімерних пар тертя з врахуванням трибоелектричних процесів вань, необхідного устаткування, вимірювальних приладів і апаратури. Схема випробовувань металополі- мерних пар гальмівних пристроїв під час трибоелектричної взаємодії наведена на рис. 1. Як об'єкти ви- пробувань були прийняті фрикційні вузли модельного барабанно-колодкового гальма автотранспортного засобу КрАЗ-250 (табл. 1). Для дослідження фрикційних вузлів барабанно-колодкових гальм транспорт- них засобів використовувався діагностичний стенд гальмівних систем КІ-8964. Стенд моделі КІ-8964 призна-чений для визначення технічного стану гальмівних систем автомобілів шляхом вимірювання гальмівної сили, а також вимірювання часу спрацювання приводу і сили натискання на педаль гальм. Загальний ви-гляд стенду та проведення експериментальних досліджень барабанно-колодкових гальм транспортних засобів проілюстровано на рис. 2. Рис. 1 – Схема триботехнічних випробовувань металополімерних пар барабанно-колодкових гальм під час трибоелектричної взаємодії: 1 – полімерна накладка; 2 – металевий елемент; 3 – мікровиступи пари тертя Таблиця 1 Геометричні характеристики елементів тертя фрикційного вузла заднього гальмівного механізму автотранспортного засобу КрАЗ-250 Основні елементи тертя Параметри і матеріали Гальмівний барабан: внутрішній діаметр, мм 420,0 ширина обода, мм 200,0 товщина обода, мм 15,0 площа робочої поверхні гальмівного барабана, м 2 0,52752 матеріал гальмівного барабана СЧ-20 маса гальмівного барабана, кг 48,6 Фрикційна накладка: товщина, мм 16,0 робоча товщина, мм 10,0 кут обхвату накладкою робочої поверхні барабана, град. 60 кількість накладок 4 сумарна площа робочих поверхонь накладок, м 2 0,10615 коефіцієнт взаємного перекриття 0,577 матеріал фрикційної накладки 131-02-83 маса фрикційної накладки, кг 5,2 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 62 Експериментальні дослідження металополімерних пар тертя з врахуванням трибоелектричних процесів а б в Рис. 2 – Загальний вигляд стенду КИ-8964 ГОСНИТИ: а – блок барабанів; б – пульта управління; в – проведення експериментальних досліджень барабанно-колодкових гальм транспортних засобів; 1 – бігові барабани стенда; 2 – вимірювальний блок; 3 – пульт дистанційного керування; 4 – транспортний засіб; 5 – барабанно-колодкове гальмо Для дослідження фрикційних вузлів барабанно-колодкових гальм транспортних засобів викорис- товувався стенд з модельним гальмом (рис. 3). Стенд призначений для встановлення закономірностей змі-ни характеристик електричних і теплових струмів, поляризаційних і деполяризаційних процесів під час електротермомеханічного тертя, оцінки енергоємності гальма та довговічності фрикційних накладок. а б Рис. 3 – Загальний вигляд стенду з модельним барабанно-колодковим гальмом: а – барабанно-колодкове гальмо з електроприводом; б – пульт управління з електросиловою частиною. Для фіксації даних зміни контактної різниці потенціалів пар тертя на персональний комп’ютер, контактні поверхні підключалися до ноутбука через аналого-цифровий перетворювач комп’ютерного ос- цилографа USB Oscilloscope (рис. 4, а). Одержані значення контактної різниці потенціалів пар тертя об- роблялись за допомогою програмного забезпечення комп’ютерного осцилографа USB Oscilloscope (рис. 4 б). У табл. 2 наведені його основні характеристики. а б Рис. 4 – Комп’ютерний осцилограф USB Oscilloscope (а) та його програмне забезпечення (б) Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 63 Експериментальні дослідження металополімерних пар тертя з врахуванням трибоелектричних процесів Таблиця 2 Основні характеристики аналого-цифрового перетворювача комп’ютерного осцилографа USB Oscilloscope Найменування характеристики Показники Вид роботи аналоговий осцилограф; цифровий аналізатор Режими роботи реальний час; запис; відтворення Кількість паралельних каналів 8 Діапазони вимірювань потенціалу, мВ 0,1 - 15000 Діапазони вимірювань частоти, кГц 0 - 500 Результати експериментальних досліджень знософрикційних властивостей пар тертя га- льмівних пристроїв в лабораторних і експлуатаційних умовах Встановлено, що контактна різниця потенціалів складається з постійної та імпульсної (або змін- ної) складової. Постійна складова залежить, в основному, від матеріалів контактуючих поверхонь та по- верхневих температур, а імпульсна, переважно, залежить від флуктуацій електротермічного опору в кон- такті та коливань енергії поверхонь тертя. Імпульсна складова істотно більше впливає на знософрикційні властивості пар тертя фрикційних вузлів, ніж величина постійної складової контактної різниці потенціа- лів. На рис. 5, а, б проілюстровані залежності імпульсної контактної різниці потенціалів пар тертя „сталь 34 Л – ретинакс ФК-24А” модельного гальма в хвильовому та спектральному режимах при темпе-ратурі 320 о С, зафіксовані за допомогою цифрового комп’ютерного осцилографа USB Oscilloscope. Рис. 5 – Залежності контактної різниці потенціалів пар тертя „сірий чавун СЧ 20 – шифр 1-43-60А” модельного барабанно- колодкового гальма в хвильовому (а) та спектральному (б) режимах при температурі 320 о С На контактну різницю потенціалів суттєво впливає поверхнева температур контактуючих тіл. Якщо одне з тіл нагрівається більше, то з нього в друге тіло спрямовуються електронні або іонні термос- труми. Різниця потенціалу зростає також при збільшенні площі контактуючих тіл. Заряди контактуючих тіл мають різні знаки, але однакову величину. На рис. 6 проілюстровані залежності постійної складової контактної різниці потенціалів пар тертя гальм від поверхневої температури накладок при різних пито- мих навантаженнях. Як видно з рис. 6, а для фрикційної пари сірий чавун СЧ 20 – полімер шифру 2141 гальма маємо ситуацію, коли металевий фрикційний елемент заряджається позитивно відносно фрикційних накладок. Збільшення потенціалу на контакті при збільшенні температури накладок поясню- ється тим, що при нагрівання збільшується енергетичний рівень електронів матеріалу металевого фрик- ційного елементу, що, в свою чергу, призводить до зростання різниці потенціалів на контакті. Необхідно зазначити, що в діапазоні 380 - 400 о С спостерігається істотне зростання потенціалу на контакті. Це по- яснюється початком переходу фенолформальдегідної смоли в рідку фазу та зменшення електричного опору в контакті. При температурах 550 - 600 о С інтенсивність зростання потенціалу на контакті падає. Це пов’язано з зменшенням рідкої фази в контакті, а при температурах приблизно 700 о С і вище рідка фа- за зникає зовсім (вигорає). Це призводить до збільшення електричного опору в контакті та зниження емі- сії електронів. Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 64 Експериментальні дослідження металополімерних пар тертя з врахуванням трибоелектричних процесів а) U, мВ х х 20 х х х о 1 х х о о х о 15 о о х х о о 2 х 10 о х х х х о 5 о о о о 0 200 300 400 500 600 700 t, о C Рис. 6 – Залежності електричного потенціалу фрикційних пар „сірий чавун СЧ 20 – полімер шифру 2141” (а) та „сірий чавун СЧ 20 – шифр 1-43-60А” (б) від поверхневої температури накладок: 1 – при питомому навантаженні р=0,5 МПа; 2 – при питомому навантаженні р=0,7 МПа Як випливає з рис. 6 б для фрикційної пари сірий чавун СЧ 20 – шифр 1-43-60А барабанно- колодкового гальма автомобіля КрАЗ також маємо ситуацію, коли гальмівний барабан заряджається по- зитивно відносно фрикційних накладок. Деяке локальне зниження потенціалу на контакті в діапазонах до 330 та вище 400 о С при збільшенні температури накладок пояснюється тим, що для матеріалу шифру 1- 43-60А накладки при нагрівання зменшується енергетичний рівень електронів, що, в свою чергу, призво- дить до зниження різниці потенціалів на контакті. При цьому, зростання потенціалу на контакті в діапа- зоні 330-400 о С пояснюється, як і в попередньому випадку, різким падінням електричного опору. Рис. 7 – Залежності трибострумів від часу (τ) фрикційної взаємодії пари „сталь 60 Г – полімер шифру 2141” за різних швидкостей ковзання (ν): 1 – v = 0,8 м/с; 2 – v = 1,2 м/с; 3 – v = 2,0 м/с; 4 – v = 2,5 м/с В лабораторних умовах на машині тертя УМТ 2168 для фрикційної пари сталь 60 Г – полімер шифру 2141 була отримана залежність струмів електризації від швидкості ковзання та часу при питомих навантаженнях р=0,2 МПа (рис. 7). Отримана діаграма зміни струму у парі тертя «колодочка-диск» пока- зала, що струми є достатньо нестабільними. Причому амплітуди струмів збільшуються зі зростання шви- дкості ковзання. При зростання швидкості ковзання інверсія струму також збільшується, при цьому ве- личина струму зростає при збільшенні часу взаємодії фрикційної пари. Напрямки і величини згенерова- них на поверхнях фрикційних пар струмів залежать від роботи виходів електронів та іонів з поверхонь пар тертя. Зупинимося на розгляді температурних залежностей електричного струму, що протікає через тришарові металополімерні структури. Важливою зоною температурних залежностей є діапазон фазово- го переходу при переході фенолформальдегідної смоли з твердої в рідку фазу. При цьому за рахунок зменшення електричного опору контакту фіксується різке збільшення струму. Приклад реєстрації фазо- вого переходу за величиною струму, що протікає через тришарову структуру „метал – полімер - метал” барабанно-колодкового гальма показано на рис. 8. Рис. 8 – Температурна залежність струму, що протікає через тришарову структуру „метал (М1)-полімер-метал (М2)”: 1 – сірий чавун СЧ 20 - полімерний матеріал шифр 1-43-60А - сталь 55; 2 – сталь 34 Л - шифр 6КФ-59- сталь 50 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 65 Експериментальні дослідження металополімерних пар тертя з врахуванням трибоелектричних процесів Швидкість ковзання при питомих навантаженнях р = 0,2 МПа складала ν = 0,8 м/с, темп нагрі- вання фрикційної пари – 5,0 о С/с. Вертикальні ділянки експериментальних кривих в відповідають темпе- ратурам плавлення фенолформальдегідної смоли фрикційної накладки. Можна констатувати наскільки велика зміна вимірюваного параметра – величини електричного струму, що протікає через тришарову структуру. При температурах, менших за температури фазового переходу, видні наростаючі із збільшен- ням температури флуктуації струму – так звані предпереходні флуктуації, які пояснюються в деяких ро- ботах пошаровим моноатомним плавленням поверхні, що передує об'ємному фазовому переходу. Зупи- нимося на залежності термостимульованого розряду двошарової структури (рис. 9), що складається з двох шарів з діелектричними проникностями 1 і ; провідностями g1 , g та товщинами s , s . 1 І, нА 50 о о о 40 о о о 30 о 20 о о о о о о о 10 о о о о о о 0 240 250 260 270 280 о t, C290 Рис. 9 – Графічна залежність розрядного струму, що генерується в контакті двошарових структур, від поверхневої температури при питомих навантаженнях 0,4 МПа в парі „сірий чавун СЧ 20 – полімер шифру 2141” Залежність досліджувалась на машині тертя УМТ 2168 для фрикційної пари сірий чавун СЧ 20 - шифр 2141. Спочатку під час тертя відбувається процес електризації на даній міжфазній границі і при цьому утворюється поверхневий заряд з густиною . Оскільки для даної пари струми провідності у вер- хньому і нижньому шарах рухаються назустріч один одному, то вони значною мірою нейтралізують за- ряд . Залежно від того, яке з відношень більше: / 1 або g / g1 , струм розряду може бути додатні або від’ємним. Висновки Таким чином, у результаті проведених експериментальних досліджень знософрикційних власти- востей металополімерних пар тертя гальмівних пристроїв в лабораторних і експлуатаційних умовах під час трибоелектричної взаємодії встановлені наступні закономірності зміни: - контактної різниці потенціалів металополімерних пар тертя барабанно-колодкового гальма в хвильовому та спектральному режимах; - електричного потенціалу металополімерних фрикційних пар від поверхневої температури на- кладок; - циркулюючих трибострумів від часу фрикційної взаємодії пари за різних швидкостей ковзання; - циркулюючих трибострумів через тришарову структуру „метал-полімер-метал” від поверхневої температури; - генерованих трибострумів в контакті двошарових структур від поверхневої температури. Литература 1. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе, Э.Д. Берлиндер, Э.Д. Браун и др. Под. общ. ред. А.В. Чичинадзе. – М.: Машиностроение, 2003. – 576 с. 2. Мамедов Р.К. Контакты металл-полупроводник с электрическим полем пятен / Р.К. Мамедов. – Баку: Госуниверситет, 2013. – 231 с. 3. Криштопа С. И. Поведение материалов при контактно-импульсном фрикционном взаимодей- ствии в электрическом и тепловом поле / С. И. Криштопа // Проблеми тертя та зношування: наук.-техн. зб. – К.: НАУ, 2014. – Вип. 62. – С. 46-53. 4. Криштопа С. И. Оценка энергонагруженности металлополимерных пар трения ленточно- колодочного тормоза / С. И. Криштопа // Проблеми тертя та зношування: наук.-техн. зб. – К.: НАУ, 2014. – Вип. 63. – С. 61-70. 5. Криштопа С. И. Контактно-импульсное взаимодействие различных типов контактов в метал- лополимерных парах трения ленточно-колодочного тормоза буровой лебедки / С. И. Криштопа // Вест- ник Азербайджанской инженерной академии. – Баку, 2013. – Том 5, № 3. – С. 38-49. Поступила в редакцію 10.12.2016 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4 66 Експериментальні дослідження металополімерних пар тертя з врахуванням трибоелектричних процесів Kryshtopa S.І., Kryshtopa L.I., Prunko I.B., Melnyk V.M., Hnyp M.M. Steam experimental researches of metal polymer friction taking into account triboelectric processes. Specific of metal polymer materials consists on their work in tribopairs is accompanied by the processes of tribo- electrization and also destructions with formation of different phases which going back into initial stance have other power levels of superficial and subsuperficial layers. Active products being get thus chemically co-operate with the rough spots of contacts of microledges of metallic element. It is known that friction pair «polymer-metal» has a different energy loading in friction co-operation of tribopairs. Superficial and subsuperficial layers of polymeric protective strap are the stores of charges volume and properties of which change depending on their energy loading. The last one makes huge affects on mechanical, electric and thermal the fields. In addition, microledges of contacts of metallic element participate actively in forming of tri- boelectrochain. During friction process there is the local contact of microledges here during the contact the electrons and ions move from one body to second one. The contact difference of potentials of two bodies arises up as a result of transition of electrons through the contact from a body with less energy of electron output to the body with greater energy. Thus electrons and ions can pass both from a dielectric to the metal and vice versa charging surface of dielectric both positively and nega- tively in relation to the surface of metal. Coming foregoing from there are actual experimental researches of wearing proper- ties of metal polymer pairs of friction of tribosystem. Keywords: metal polymer friction pairs, drum-block brake, tribosystem, triboelectricity. References 1. Chichinadze A.V. Friction, Wearing out & Greasing (Tribology and Tribotechnic). A.V. Chichi- nadze, Е.D. Berlinder, Е.D. Braoun ect. By general edition of A.V. Chichinadze. M.: Mashinostroenie, 2003. 576 p. 2. Mamedov R.C. Contacts of Metal-Conduction with Electric Field of Spots. Baku: Gas university, 2013. 231 p. 3. Kryshtopa S. I. Materials Behaving at Contact-Impulsive Friction Co-operation in Electric and Ther- mal Field. Problems of Friction and Wearing: sciences.-tech. coll. Kyiv: NAU, 2014. Vol. 62. pp. 46–53. 4. Kryshtopa S. I. Energy Loading Mark of Metal Polymer Friction Pairs of Band-Block Brake Units. Problems of Friction and Wearing: sciences.-tech. coll. Kyiv: NAU, 2014. Vol. 63. pp. 61–70. 5. Kryshtopa S. I. Contact-Impulse Co-operation of Different Types of Contacts in Metal Polymer Fric- tion Pairs of Band-Block Brake Units of drilling hoist. Announcer of Azerbaijanian engineering academy. Baku, 2013. Vol. 5 № 3. pp. 38–49. Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 4