ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНЫЙ ТОРМОЗ С УСТРОЙСТВОМ ЭЛЕКТРОТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ УЧАСТКОВ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ПАР ТРЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F16D49/08 F16D65/82 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах различных типов лебедок.

Известна тормозная лента с равномерным шагом размещения на ней фрикционных накладок. Равномерное расположение накладок на дуге обхвата при неравномерном распределении усилий натяжения тормозной ленты ведет к неравномерному распределению нормальной нагрузки на рабочие поверхности накладок и, как следствие, удельных нагрузок при взаимодействии фрикционных узлов тормоза. Все вышеуказанное и вызывает неравномерный износ фрикционных накладок. При этом на набегающей ветви они изнашиваются быстрее, чем на сбегающей [1, аналог, Александров М.П., Лысяков А.Г., Федосеев В.Н. и др. Тормозные устройства (справочник). - М.: Машиностроение, 1985. - 308 с. (рис. 3.18. - стр. 121)].

В данном фрикционном узле не достигается выравнивания удельных нагрузок в его парах трения на уровне динамики процесса торможения и не решается на уровне генерирования электрических токов на поверхностях металлополимерных пар трения снижение их энергонагруженности, поскольку имеет место трибоэлектрический эффект. Наличие трибоэлектрического эффекта в металлополимерных парах трения ленточно-колодочного тормоза ухудшает антифрикционные свойства применяемых материалов, увеличивая силу трения на 15,0-50,0%. Последняя в ленточно-колодочном тормозе определяется по зависимости вида $$F_T=S_{Н}-S_{С}$$ (где $$S_{Н},S_{С}$$ - натяжения набегающей и сбегающей ветви ленты). Сила трения в ленточно-колодочном тормозе напрямую связана с динамическим коэффициентом трения и нормальной силой, действующей на пару трения. Косвенно сила трения связана с удельными нагрузками в металлополимерных парах трения и, как следствие, в них увеличивается износ рабочих поверхностей фрикционных накладок в 2,0-2,5 раза.

Эффективным способом подавления трибоэлектрических явлений является применение биполярных фрикционных элементов, имеющих в своей структуре одновременно положительные и отрицательные заряды, которые способны вызвать в них внутренние электрические поля, влияющие на деполяризацию взаимодействующих участков металлополимерных пар трения тормозов [2, прототип, Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Караулов А.К. и др. Поверхностная прочность материалов при трении. Киев: Техника, 1976. - 296 с. (стр. 227-228)].

Известен двухступенчатый ленточно-колодочный тормоз с термоэлектрическим охлаждением, в котором охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, составленных из пластинчатых термопар, изготовленных из разных материалов, и цилиндрических стержней, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями, которые установлены в тело дополнительных и основных накладок, составляющих первый и второй контуры при последовательном соединении в каждом из них между собой термобатарей, подключенных через стабилизационное устройство к генераторам, а нерабочие поверхности термоэлементов батарей соединены между собой теплопроводными пластинами-перемычками. При этом термобатареи первого и второго контуров работают раздельно в режимах термоэлектрогенератора и термоэлектрохолодильника [3, прототип, патент России №2352832 С2, МПК F16D 49/08 - F16D 65/813 от 20.04.2009 г.].

В данном двухступенчатом ленточно-колодочном тормозе достигается снижение энергонагруженности его пар трения и тем самым уменьшается трибоэлектрический эффект. Однако конструкция узлов охлаждения является сложной, а ее сборка - трудоемкой.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие преимущества:

- кольцо-каркас с выступами из биполярного полимерного материала, полностью охватывает нерабочие поверхности металлических секторов;

- биполярные фрикционные элементы за счет своего внутреннего электрического поля ослабляют действие связанных электрических зарядов рабочих поверхностей фрикционных накладок, способствуя тем самым электротермостимулированной деполяризации взаимодействующих участков металлополимерных пар трения тормоза;

- при достаточной напряженности электрического поля происходит пробой (искровой) слоя материалов фрикционной накладки, связанный с высвобождением электронов или ионов с металлических и биполярных полимерных элементов за счет свободных носителей, при этом слой полимерного материала перестает быть диэлектриком и в нем возникает и течет электрический ток;

- на участках взаимодействующих пар «полимер - металл» и «полимер - полимер» формируются металлические, полупроводниковые и полимерные пленочные структуры, способные выполнить функции термоэлектрической пары; пленочные полимерные материалы поддаются электризации, ибо лишь в них заряды остаются в тех местах, куда они перебрались от одной пленочной структуры к другой;

- биполярные фрикционные элементы в металлополимерных парах трения ленточно-колодочного тормоза не только обеспечивают подавление трибоэлектрического эффекта, но и снижают их энергонагруженность, что позволяет материалам фрикционных накладок работать в интервале температур ниже допустимой, обеспечивающей стабильные износофрикционные характеристики его фрикционных узлов.

Задачей настоящего изобретения является подавление трибоэлектрического эффекта и тем самым обеспечить снижение энергонагруженности металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза за счет применения биполярных фрикционных элементов, вмонтированных непосредственно в верхнюю часть тормозного шкива.

Поставленная задача достигается тем, что в ленточно-колодочном тормозе с устройством электротермостимулированной деполяризации взаимодействующих участков металлополимерных пар трения, в котором верхняя часть шкива выполнена в виде кольца-каркаса из биполярного материала с выступами (фрикционными элементами) типа «ласточкин хвост» с шагом $$\frac{\pi }{2}$$ по его периметру, а между выступами расположены металлические сектора со скосами и с ребордами по их боковым сторонам. В процессе торможения биполярные фрикционные элементы за счет создаваемого в них внутреннего электрического поля ослабляют действие связанных электрических зарядов рабочих поверхностей фрикционных накладок, способствуя тем самым деполяризации их зарядов. В процессе торможения пары трения «полимер - металл» и «полимер-полимер» формируют на своих поверхностях металлические, полупроводниковые и полимерные пленочные структуры, способные выполнять функции термоэлектрических пар, в которых только пленочные полимерные материалы подаются электризации, ибо лишь в них заряды остаются в тех местах, куда они перебрались от одной пленочной структуры к другой.

В процессе торможения за счет формирования термоэлектрических пар увеличивается напряженность электрического поля, вызывающая пробой (искровой) слоя материалов фрикционной накладки, связанной с появлением свободных носителей (электронов и ионов) с металлических и биполярных полимерных элементов и при этом слой фрикционных материалов накладок перестает быть диэлектриком и в нем возникает и течет электрический ток.

Ленточно-колодочный тормоз с электротермостимулированной деполяризацией взаимодействующих участков металлополимерных пар трения в виде кинематических схем показан на фиг. 1 и 2; на фиг. 3 проиллюстрирован продольный разрез фрикционного узла по А-А фиг. 2; на фиг. 4 показан продольный разрез тормозного шкива, выполненного в виде каркаса-кольца с выступами; на фиг. 5 и 7 показаны модели фрикционного контакта «полимер (1) - металл (2)» и «полимер (1) - полимер (3)»; на фиг. 6 и 8 проиллюстрированы плотности электрических зарядов (б) на фрикционных контактах «полимер (1) - металл (2)» и «полимер (1) - полимер (3)» по длине (l) их макроучастков; на фиг. 9 показана электрическая схема фрикционного контакта «полимер - металл» и «полимер - полимер»; на фиг. 10 и 11 приведены схемы построения внешних двойных электрических слоев на фрикционных контактах «металл (М) - полимер (П₁)» и «полимер (П₁) - полимер (П₂)»; на фиг. 12 и 13 показаны контактные явления в паре трения «металл (М) - полимер (П₁)»; на фиг. 14 и 15 проиллюстрированы контактные явления в паре трения «полимер (П₁) - полимер (П₂)»; на фиг. 16 а, б, в показаны диполи, которые возникают при адсорбции на поверхности металла, а, б - хемосорбция: ковалентная; ионная; в - физическая сорбция; d - расстояние между центрами зарядов; на фиг. 17 а, б, в, г, д показаны термоэлектрические пары с замкнутой (а, б, в, д) и незамкнутой (г) цепью: 1, 2 - металлы; 3 - полимеры; 4 - слабый электролит.

Согласно кинематической схеме (см. фиг. 1) фрикционные накладки 3 установлены на тормозных лентах 2, которые одним концом (со стороны сбегающей ветви II ленты) прикреплены к балансиру 11, а другим (со стороны набегающей ее ветви I) - мотылевым шейкам 6 и 9 коленчатого вала 10.

Серийные ленточно-колодочные тормоза буровой лебедки работают следующим образом. Перемещением рукоятки 1 осуществляется поворот коленчатого вала 10, в результате которого бурильщик затягивает тормозные ленты 2 с фрикционными накладками 3, и они садятся на тормозные шкивы 4. Процесс торможения ленточно-колодочным тормозом (см. фиг. 2) характеризуется следующими стадиями: начальной (первой), промежуточной (второй) и заключительной (третьей). Остановимся на каждой из стадий в отдельности.

На начальной стадии торможения фрикционные накладки 3 размещены в средней части тормозной ленты 2, взаимодействуют с рабочей поверхностью тормозного шкива 4. Фронт взаимодействия расширяется в сторону фрикционных накладок 3 набегающей ветви (I) тормозной ленты 2.

Промежуточная стадия торможения характеризуется дальнейшим распространением фронта взаимодействия в сторону фрикционных накладок 3 сбегающей ветви (II) тормозной ленты 2.

Конечная стадия торможения характеризуется тем, что почти все неподвижные накладки 3 тормозной ленты 2 взаимодействуют с рабочей поверхностью вращающегося шкива 4. Во время притормаживания последовательность вхождения поверхностей трения в контакт повторяется. Полный цикл торможения завершается остановкой тормозных шкивов 4 с барабаном 5. Управление тормозом буровой лебедки осуществляют также подачей сжатого воздуха через кран 7 бурильщика в пневматический цилиндр 8, шток которого соединен с одной из мотылевых шеек коленчатого вала 10 тормоза. Величину давления сжатого воздуха в пневмоцилиндре 8 регулируют поворотом крана 7 бурильщика.

При неравномерном изнашивании фрикционных накладок 3, установленных на лентах 2, балансир 11 в момент торможения несколько отклоняется от горизонтального положения и выравнивает нагрузки на сбегающей ветви (II) тормозных лент 2, обеспечивая при этом равномерный и одновременный обхват ими тормозных шкивов 4. Благодаря шаровым шарнирам реализация нагрузок от тормозных лент 2 к балансиру 11 при этом не изменяется.

Устройство с электротермостимулированной деполяризацией металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза содержит верхнюю часть тела шкива 4, состоящую из кольца-каркаса 12, имеющего выступы (фрикционные элементы) 13, выполненные в виде «ласточкиного хвоста». Кольцо-каркас 12 вместе с выступами 13 выполнено из биполярного полимерного материала по отношению к фрикционным материалам накладки 3. Выступы 13 расположенные по периметру кольца-каркаса 12 с шагом $$\frac{\pi }{2}$$ . Между выступами 13 установлены металлические сектора 14 со срезами, обеспечивая таким образом соединение «ласточкин хвост». Верхняя часть тела шкива 4 напрессовывается на его нижнюю часть, выполненную за одно целое с крепежным фланцем 15.

Рабочие поверхности фрикционных выступов 13 и металлических секторов 14 при взаимодействии с рабочими поверхностями серийных фрикционных накладок 3 и формируют пары трения «полимер - металл» и «полимер - полимер».

Металлополимерные пары трения ленточно-колодочного тормоза можно представить как термоэлектрогенератор, который генерирует ток благодаря возникновению явления Зеебека. Возникновение электрического тока в замкнутой цепи с разнородными материалами «полимер - металл», «полимер - полимер», поверхности которых должны находиться при различных контактных температурах. Контактная разность потенциалов - разность электрических потенциалов $$\Delta \varphi$$ , которая возникает при микроконтакте взаимодействующих поверхностей фрикционных узлов ленточно-колодочного тормоза. Контактная разность потенциалов зависит от разности потенциалов выхода $${\varphi }_1-{\varphi }_2$$ взаимодействующих материалов, абсолютной температуры $$T$$ контакта, который отличается концентрацией $$n_1$$ и $$n_2$$ электронов и ионов в них:

$$\Delta \varphi ={\varphi }_1-{\varphi }_2+\frac{kT}{e}\ln \frac{n_1}{n_2}$$ (1)

где $$k$$ - постоянная Больцмана; $$e$$ - электрический заряд.

В связи с тем, что контактирующие поверхности фрикционного узла ленточно-колодочного тормоза имеют различные температуры, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, величина которой в широких пределах пропорциональна разности температур поверхностей $${\epsilon }_T=\alpha (T_1-T_2)$$ . Постоянная $$\alpha$$ тем больше, чем больше разность между концентрациями электронов и ионов в контактирующих материалах поверхностей пар трения тормоза.

Металлополимерную пару трения ленточно-колодочного тормоза рассматриваем как источник трибо- и термоЭДС ( $$E_O$$ и $$E_T$$ ) с соответствующими внутренними сопротивлениями (фиг. 9). Внутренним сопротивлением источника трибоЭДС является сопротивление фактического контакта, включающее сопротивление макроучастков контакта: «полимер - ювенильная поверхность металла» ( $$R_1$$ ); «полимер - окисная пленка металла» ( $$R_2$$ ); «полимер - металл с перенесенной пленкой полимера» ( $$R_3$$ ); «полимер - металл с перенесенной пленкой металла - металл» ( $$R_4$$ ); «полимер - полимер» ( $$R_5$$ ); «приповерхностный слой полимеров, находящийся в различном метастабильном состоянии - металл» ( $$R_6$$ ), а источника термоЭДС - сопротивление фактического контакта, последовательно с сопротивлением объемов полимеров ( $$R_{{П}_1}$$ ) и ( $$R_{{П}_2}$$ ). Емкость ( $$c$$ ), параллельно подключенная с сопротивлением фактического контакта ( $$R_{{П}_1}+R_{{П}_2}$$ ), отражает вклад неперерываемых зон взаимодействующих макроучастков.

Первоначально рассмотрим пару трения «полимер - металл».

В соответствии с приведенной схемой (фиг. 9) трибоЭДС ( $${Е}_{Ф}$$ ) представляет собой сумму контактной составляющей, обусловленной наличием контактной разности потенциалов ( $$\Delta {\varphi }_1$$ ): внешней - за счет того, что рабочая поверхность металлического фрикционного элемента отдает электроны рабочей поверхности полимерной фрикционной накладке и она накапливает их на своей поверхности, что ведет к возникновению в нагретом слое электрического поля с очень короткими линиями, который называется двойным электрическим слоем (фиг. 10). При возникновении двойного электрического слоя по всей проводящей поверхности взаимодействия электрические заряды $$+q$$ и $$-q$$ смещаются относительно друг друга за счет замедленного вращения металлического фрикционного элемента при торможении ленточно-колодочным тормозом. При этом макроучастки поверхностей трения фрикционных накладок, имеющие остаточные сжимающие напряжения, становятся анодами (+) - неизношенные, а напряженные (изношенные) - катодами (-).

Рассмотрим контактное явление в случае пары трения «металл - полимер», разделенных тонким зазором, при температуре фрикционных материалов полимера ниже допустимой (фиг. 12). Контактная разность потенциалов ( $$\varphi$$ ) определяется как разность между электрическим потенциалом (уровнем Ферми) ( $${Е}_{Ф}$$ ) металла ( $$M$$ ) и полимерным материалом (П₁). На фиг. 12 поверхностный потенциальный барьер показан пунктирной линией, а уровни Ферми «металл - полимер» сплошными горизонтальными линиями. Представленная схема отвечает начальному моменту, когда металл и полимер расположены на расстоянии $$d_o$$ , при котором возможный эффективный обмен электронами и ионами.

Согласно фиг. 13, при условии если $$\varphi >{\varphi }_1$$ , то $$j>j_1$$ и будет совершаться перенос электронов слева направо. При этом поверхность металла заряжена отрицательно, а полимера - положительно. В зазоре возникает внешнее электрическое поле $${Е}_K^{(вн)}$$ и соответствующая разность потенциалов $$U_K^{(вн)}$$ . В этом случае условием равновесия является равенство уровней Ферми. При этом токи выравниваются, т.е. $$j_1=j$$ (см. фиг. 13). Далее равенство означает, что потенциальный барьер для электронов, которые движутся слева направо, т.е. $$\varphi +e{U}_K^{(вн)}$$ , должны быть равными потенциальному барьеру для ионов, которые движутся справа налево, т.е. $${\varphi }_1$$ . Другими словами справедливо равенство

$$\varphi +e{U}_K^{(вн)}={\varphi }_1$$ . (2)

Таким образом, после установления равновесия возникает контактная разность потенциалов

$$U_K^{(вн)}=\frac{\varphi -{\varphi }_1}{e}$$ . (3)

Более сложным является случай, когда рассматривается пара трения «полимер - полимер», разделенная вакуумным зазором, при температуре фрикционных материалов полимеров ниже допустимой (фиг. 14). В этом случае полимер ( $${П}_{\text{2}}$$ ) обладает свойством биполярности, т.е. электрическими зарядами $$+q$$ и $$-q$$ , а полимер ( $${П}_{\text{1}}$$ ) только электрическим зарядом $$+q$$ . Согласно фиг. 15 при условии если $${\varphi }_2>{\varphi }_1$$ , то $$j_2>j_1$$ и будет совершаться перенос электронов слева направо. При этом в самом полимере ( $${П}_{\text{2}}$$ ) возникает внутренне электрическое поле $${Е}_K^{(в)}$$ , а в зазоре между полимерами ( $${П}_{\text{1}}$$ ) и ( $${П}_{\text{2}}$$ ) возникает внешнее электрическое поле $${Е}_K^{(вн)}$$ и соответствующая разность потенциалов $$U_K={Е}_K^{(в)}-E_K^{(вн)}$$ . В этом случае наблюдается несоблюдение условия равновесия уровней Ферми. При этом токи не выравниваются, т.е. $$j_2\ge j_1$$ (см. фиг. 15). Данное неравенство означает, что потенциальный барьер для электронов, которые движутся слева направо, т.е. $${\varphi }_2+e{U}_K$$ , является не равным потенциальному барьеру для ионов, которые движутся справа налево, т.е. $${\varphi }_1$$ . Другими словами справедливо неравенство

$${\varphi }_2+e{U}_K\ge {\varphi }_1$$ . (4)

В случае установления квазивыравнивания возникает контактная разность потенциалов

$$U_K=\frac{{\varphi }_2-{\varphi }_1}{e}$$ . (5)

Таким образом, образование внутреннего и внешнего электрических полей, соответственно в биполярном полимерном материале ( $${П}_{\text{2}}$$ ) и в зазоре между ( $${П}_{\text{2}}$$ ) и полимерным материалом ( $${П}_{\text{1}}$$ ), вызывающих такую контактную разность потенциалов, которая и выступает фактором подавления трибоэлектрического эффекта в металлополимерных парах трения, способствуя тем самым снижению их энергонагруженности.

Из разнообразия фрикционных материалов для накладок тормозных устройств, воспользуемся данными Д.А. Болдырева с исследовательского центра ВАТ «АВТОВАЗ» (г. Тольятти, Россия).

Остановимся на химическом составе полимерных фрикционных накладок, которые представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Химический состав материалов фрикционных накладок

Фрикционная накладка Содержание элементов, % С_своб S Al Cu Fe Si Zn Pb Ni G 16,40 3,70 3,33 7,66 3,69 0,64 2,78 3,10 0,260 B 24,20 2,95 3,95 3,34 14,90 1,08 2,23 0,08 0,020 C 18,10 - 0,84 11,80 27,40 - 3,28 0,13 - A 22,70 - 1,97 5,84 14,30 1,12 3,67 0,16 0,023 H 19,60 - 0,24 5,13 19,50 0,34 1,10 0,01 0,004 D 19,10 - 0,13 11,77 35,20 0,29 3,52 0,05 0,008 J 22,30 - 0,31 0,23 30,90 0,21 0,07 2,08 0,001 K - - 0,50 9,50 32,70 0,28 2,68 2,40 - L - - 0,36 10,50 34,00 0,29 2,97 2,66 - E 19,40 19,40 0,67 8,23 19,40 0,11 2,41 0,09 0,010 F 19,00 19,00 0,82 9,85 19,60 0,24 3,56 0,16 0,050 Фрикционная накладка Ti Sb Ba Ca K Mn Mg Na Sr G - - - - - - - - - B - - - - - - - - - C 0,140 - - - - - - - - A 0,140 - - - - - - - - H 0,060 - - - - - - - - D 0,020 - - - - - - - - J 0,060 - - - - - - - - K 0,040 4,50 0,84 - - - - - - L 0,040 4,90 0,58 - - - - - - E 0,002 - 2,88 2,88 0,04 0,13 0,10 0,05 0,02 F 0,080 - 2,87 0,36 0,21 0,17 0,30 0,05 0,03

Материалы фрикционной накладки представляют собой композит, состоящий из фракции, различной степени дисперсности и химического состава. В табл. 1 проиллюстрированы материалы фрикционных накладок отечественных Dafmi, Tans, Master (Украина) и зарубежных QH, Lockheed Feredo (Великобритания); ATE, Bosch (Германия); Samko (Италия); Rouluds (Венгрия) и Полиэдр, ВАТИ, STS, ТИИР, ЕЗАТИ (Россия). Все представленные материалы фрикционных накладок отличаются по твердости, прочности и упругости, по химическому и композитному составам, размеру и дисперсностью структурных составляющих.

Таблица 2 - Термоэлектрические эдс в парах трения «металл-металл» и «полупроводниковые соединения (ПС) - металл»

Металлы Интервал температур, t, ºС Е, 10^-4 В первый второй от до Ag⁺ Pb⁺ 0 200 8,38 Cd^- 0 100 1,66 Cu⁺ 0 100 3,37 Fe^- -230 100 6,73 Pt⁺ 0 100 -3,10 Sb⁺ 0 100 42,85 Zn^- 0 250 8,29 ПС металл Интервал температур, t, ºС Е, В Cr₂O₃ ^- Pb⁺ 950 1285 -0,212 CuO^- 170 850 -0,304 PbO^- 250 390 -5,613 Si^- -200 360 -0,302 ZnO^- 355 1860 -0,813

Связующим всех материалов фрикционных накладок является фенолформальдегидная смола (табл. 1). Во всех материалах фрикционных накладок основными твердыми включениями являются стальная высечка, алюминиевая и латунная (в материале накладки D - медная стружка, слюда).

Сопоставительный анализ компонентов, входящих в состав материалов тормозных дисков и фрикционных накладок, показали, что большинство из них относится к полупроводниковым материалам (табл. 2). Кроме того, взаимодействие пар трения «металл - полимер» и «полимер - полимер» позволяет формировать на их поверхностях различных видов пленки в зависимости от теплового состояния металлического и неметаллического фрикционных накладок и элементов.

В связи с тем, что материалы фрикционной накладки и элемента ведут себя по-разному в интервале температур до допустимой и выше нее, и при этом их приповерхностные слои могут находиться в твердом состоянии полностью и частично в жидком и газообразном состоянии. Исходя из этого, выделим следующие типы поверхностей раздела: «металл - полимер»; «метал - полимер с жидкостью»; «металл - полимер с жидкостью и с газом»; «метал - газ - полимер»; «полимер - полимер»; «полимер - полимер с жидкостью»; «полимер - полимер с жидкостью и с газом»; «полимер - газ - полимер». Воздействием на разделяющие слои в парах трения тормозных устройств являются: объемная и граничная вязкости, теплоемкость; химическая активность и содержащие слои являются предметом особых исследований, так как благодаря им происходят процессы сорбции, десорбции и адсорбции.

Электризация двух полимерных материалов путем трения в процессе торможения не связана (во всяком случае, непосредственно) с поляризацией их поверхностных слоев. Явление поляризации обусловлено образованием связанных электрических зарядов, которые тем и особенные, что их нельзя «отвести» от поверхностных слоев рабочих поверхностей фрикционных накладок 3 и элементов 13. Однако последние выполнены из биполярных полимерных материалов, которые способны за счет своего внутреннего электрического поля ослаблять действие связанных электрических зарядов рабочих поверхностей фрикционных накладок 3, что способствует электротермостимулированной деполяризации взаимодействующих участков металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза.

Рассмотрим случай поведения молекулы, являющейся составляющей фрикционных материалов накладок 3 или элементов 13, обладающих дипольным моментом (диполь характеризуется величиной заряда и плечом, т.е. расстоянием между центрами зарядов (фиг. 16 а, б, в) при отсутствии электрического поля. «Дипольная» молекула ведет себя как система двух точечных зарядов (одна точка - центр тяжести отрицательных, а другая - центр тяжести положительных зарядов). При этом будут иметь месть оба механизма поляризации: поворот молекул и смещение электронов.

В отсутствие электрического поля молекулы в полимерах расположены хаотично. Для объема полимера, содержащего много молекул, результирующий дипольный момент равен нулю, так как они складываются геометрически. Электрическое поле перемещает молекулы полимера, заставляя их ориентироваться в одну сторону. При этом в процессе взаимодействия участков металлополимерных пар трения тормоза в противоборство вступают две силы:

- тепловое движения, которое вносит беспорядок в расположение молекул;

- электрическое поле, упорядочивающее расположение молекул.

В связи с этим, чем выше поверхностная температура рабочих поверхностей фрикционных накладок 3 и элементов 13, тем труднее электрическому полю ориентировать молекулы.

Работа, совершаемая электроном, находящимся в адсорбированном слое у поверхности металлического фрикционного элемента, зависит от того, как диполь (фиг. 16 а, б, в) расположен относительно (воображаемой) электронной плоскости. При этом электрон совершает работу по преодолению только полного или половины потенциала адсорбированного слоя. При этом необходимо учитывать тот факт, что в поверхностном слое фрикционной накладки, при выгорании связующих компонентов ее материалов при достижении допустимой температуры и выше ее молекулы образовавшегося электролита сильно ориентированы, в результате чего их эффективный дипольный момент увеличивается по отношению к дипольному моменту поверхности металлического фрикционного элемента. Это обстоятельство и является одним из основных условий инверсии множества микротоков от рабочей поверхности накладок в рабочую поверхность металлического фрикционного элемента.

Дадим оценку происходящего с компонентами полимерных материалов (фрикционных накладок 3 и элементов 13) при увеличении электрического поля при взаимодействии участков метоллополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза. Очевидно, что должна увеличиваться поляризация полимерных материалов, происходящая за счет растяжения диполей: в атоме это сдвиг электронного облака относительно ядра; в молекуле - удаление друг от друга двух ионов. При этом, до каких пор электрон, оттянутый электрическим полем далеко от ядра, является по-прежнему электроном атома, а два иона, находящиеся уже достаточно далеко друг от друга, образуют по-прежнему молекулу. Предел существует и при достаточной напряженности $$E$$ электрического поля, так как происходит пробой (искровой) слоя полимерного материала. В любом случае пробой связан с высвобождением электронов или ионов, с металлических и биполярных фрикционных элементов, т.е. создание свободных носителей. Слой полимерного материала перестает быть диэлектриком, по нему течет электрический ток.

Переход электронов от одной пленочной структуры к другой, образующихся при трении в металлополимерных парах трения ленточно-колодочного тормоза, возможен как для металлов, полупроводников, так и для полимеров. Наэлектризовать не удается только полимерные материалы, ибо лишь в них заряды остаются в тех местах, куда они перебрались от одной пленочной структуры к другой. При этом на поверхностях взаимодействия пар «полимер - металл» и «полимер - полимер» формируются металлические, полупроводниковые и полимерные пленочные структуры, которые способны выполнять функции термоэлектрической пары.

В дополнение к макротермобатареям, проиллюстрированным в патенте России 2352832С, на фиг. 17 а, б, в, г, д показаны термоэлектрические пары с замкнутой (а, б, в, д) и незамкнутой (г) цепью. Замкнутая цепь (вариант в) свойственна накладке и элементу, когда их фрикционные материалы достигают температуры выше допустимой.

Спонтанно деполяризованное состояние рабочих поверхностей фрикционных накладок 3 и фрикционных элементов 13 может быть устойчивым в том случае, когда оно энергетически выгодно для пар трения тормоза, чем поляризованное. При этом для спонтанно деполяризованного состояния нужно учитывать не только энергию поверхностей фрикционных накладок 3 и элементов 13, но и энергию внешнего электрического поля, токи которого генерируются на взаимодействующих участках металлополимерных пар трения тормоза, а также энергию электрического поля, заложенного в структуру биполярных полимерных материалов, которыми являются фрикционные элементы 13.

ТрибоЭДС в парах трения «металл - металл» и «полупроводниковое соединение - металл» приведены в табл. 2. Из последней следует, что в режимах термоэлектрогенераторов будут работать термопары, составленные из материалов, имеющих положительную термоэлектрическую ЭДС, а в режимах термоэлектрохолодильников - отрицательную термоэлектрическую ЭДС. Из указанных в табл. 2 компонентов и изготавливаются биполярные фрикционные элементы 13.

В соответствии с работой микротермобатарей в режимах микротермоэлектрогенератора (ТГ) и микротермоэлектрохолодильников (ТХ) и представленной электрической схемой (фиг. 9), трибоЭДС ( $${Е}_{Ф}$$ ) является суммой контактно-скользящей составляющей, обусловленной наличием контактной разности потенциалов пар «полимер - металл» и «полимер - полимер», а также составляющей, обусловленной массопереносом в зоне трения макроучастков и сорбционно-десорбционным процессами в приповерхностных слоях контактирующих материалов. Тогда генерируемый в цепи за счет трибоЭДС ток ( $$I_{Ф}$$ ) будет алгебраической суммой токов, из которых вычитается ток деполяризации ( $$I_{дп}$$ ), созданный биполярными фрикционными элементами

$$I_{Ф}={І}_{СК}+{І}_{М}+{І}_{Д}+{І}_{Р}-{І}_{дп}$$ (6)

где $${І}_{СК}$$ , $${І}_{М}$$ , $${І}_{Д}$$ , $${І}_{Р}$$ - токи, возникающие за счет электризации скольжения и контакта; движения заряженных частиц фрикционного массопереноса; сорбционно-десорбционных процессов в приповерхностных слоях контакта; термический; обратного заряда, возникающего при разрушении фрикционного контакта (импульсный ток).

Рассмотренные явления и процессы, происходящие в металлополимерных парах трения ленточно-колодочного тормоза, относятся к работе устройства с электротермостимулированной деполяризацией на различных режимах взаимодействующих участков металлополимерных пар трения. При этом генерируемый ток на поверхностях металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза сопровождается тепловыми процессами без учета химических и магнитных воздействий на ток и теплоту.

Снижение энергонагруженности металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза на различных режимах их нагружения позволяет работать фрикционным накладкам при поверхностных температурах, ниже допустимых для их материалов, что позволяет не только уменьшить силы трения, но и стабилизировать износофрикционные характеристики фрикционных узлов тормоза. При этом имеет место уменьшение износа рабочих поверхностей фрикционных накладок тормозных лент.

Таким образом, применение устройства с электротермостимулированной деполяризацией взаимодействующих участков металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза с помощью биполярных полимерных материалов в процессе торможения позволяет уменьшить генерируемую фактическую силу тока за счет тока деполяризации и тем самым снизить их энергонагруженность, что приведет к уменьшению силы трения во фрикционных узлах и, как следствие, уменьшит износ рабочих поверхностей фрикционных накладок.

Источники информации

1. Александров М.П., Лысяков А.Г., Федосеев В.Н. и др. Тормозные устройства (справочник). - М.: Машиностроение, 1985. - 308с. (рис. 3.18, стр.121) [аналог].

2. Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Караулов А.К. и др. Поверхностная прочность материалов при трении. - Киев: Техника, 1976. - 296 с. (стр. 227-228) [прототип].

3. Патент России №2352832 С2, МПК F16D 49/08; F16D 65/813 от 20.04.20009 г. [прототип].

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах различных типов лебедок. Ленточно-колодочный тормоз с устройством электротермостимулированной деполяризации взаимодействующих участков металлополимерных пар трения, содержащих тормозную ленту с установленными на дуге обхвата с равномерным шагом фрикционными накладками, комбинированный шкив и привод. Верхняя часть шкива выполнена в виде кольца-каркаса из биполярного полимерного материала с выступом - фрикционным элементом типа «ласточкин хвост» с шагом $$\frac{\pi }{2}$$ по его периметру. Между выступами расположены металлические сектора со скосами и с ребордами по их боковым сторонам. Достигается подавление трибоэлектрического эффекта и тем самым снижение энергонагруженности металлополимерных пар трения ленточно-колодочного тормоза за счет применения биполярных фрикционных элементов, уменьшение сил трения во фрикционных узлах и, как следствие, уменьшение износа рабочих поверхностей фрикционных накладок. 23 ил., 2 табл.

Ленточно-колодочный тормоз с устройством электротермостимулированной деполяризации взаимодействующих участков металлополимерных пар трения, содержащих тормозную ленту с установленными на дуге обхвата с равномерным шагом фрикционными накладками, комбинированный шкив и привод, отличающийся тем, что верхняя часть шкива выполнена в виде кольца-каркаса из биполярного полимерного материала с выступом (фрикционным элементом) типа «ласточкин хвост» с шагом по его периметру, а между выступами расположены металлические сектора со скосами и с ребордами по их боковым сторонам.