Диффузионные и сегрегационные процессы в тяжелонагруженных узлах трения

Разрушение поверхностного слоя металла происходит как в результате его охрупчивания, так и при восстановительных реакциях с участием водорода.

При температурах в зоне трения 200-600 0С водород способен реагировать с углеродом стали и карбидом железа по реакции FeC+4H^CH4+Fe. Появляющийся на границах зерен и фаз метан дополнительно способствует возникновению микротрещин в объеме стали. Обезуглероживание сплава и появление новой фазы — чистого железа, снижают прочностные свойства стали.

Учитывая, что температура является решающим фактором в процессах диффузии термодеструкции полимеров, нами проведены исследования температурного поля в трибосистеме тормозной диск - тормозная накладка, а также колесо — тормозная колодка подвижного состава. Кроме этого, оценено влияние теплового и электрического полей на диффузионные процессы в зоне фрикционного металлополимерного контакта.

Задача данной работы. По причине сложной геометрии тормозного узла подвижного состава в задачах по определению температурного поля, а также необходимости описания сложного термомеханического поведения, аналитическое решение не представляется возможным. В таких случаях одним

Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (проект №14-29-00116)

из наиболее эффективных является метод конечного элемента, для определения температурного по-4].

Основная часть. В качестве модельной задачи рассмотрим нестационарную контактную связанную термоупругую задачу о вращении тормозного диска внешнего радиуса R 1 30 см и внутреннего радиуса R ₂ 20 см, содержащего воздушные каналы, с прижатыми к нему с некоторой заданной силой Р тормозными накладками. Схематичное изображение задачи можно видеть на рис. 1. Тормозной диск вращается против часовой стрелки со скоростью V на промежутке времени t- [0,7"]. В дополнении к декартовой системе координат с началом в центре тормозного диска будем рассматривать цилиндрическую систему (7? ,ф,7) относительно того же центра (ось Z перпендикулярна плоскости диска). Будем обозначать тормозной диск и накладки индексами сверху (пусть (1) — соответствует тормозному диску, а (2,3) — передней и задней тормозным накладкам соответственно). В области S_K0HT задан контакт накладки и диска с коэффициентом трения к , а также закон тепловыделения за

Рис. 1. Схематичное изображение исследуемой системы

.

S1

S2

Поведение системы описывается классическими уравнениями движения термоупругой среды (1) и граничными условиями (2). Определяющие соотношения для связанной термоупругости имеют вид (3)

(Х(/) + 2ц(/))УУ ■ u(/) - (Х(/) + ц(/))У х У х u(/) - y(/)V9(/) - p(/)u(,i = 0,

Л^(,)у.У9^(,) -С(^ -7Lv^(,) — V-u^(,) = 0, / = 1,3; ⁰

и (° ^у/) =0, xe 5₄,

U(2) =^2) =0, хе 5   52, рл!^'®^’ ^"'"^ "'

^TRZ - ^ ' °ZZ , x ^е ^ конт , 9 ⁽²⁾=Ж^₆,-6⁽¹⁾), хе5₊о5_ qKOHT=k_KOHT (9⁽¹⁾-9⁽²⁾), xeS^ _n⁽¹⁾ген _ к к F _{у Р} ЧКОНТ ~ ЭН’^р'-тр ’ x КОНТ ’ П⁽²⁾тен ₌ к П к х Р Чконт      эн ^{(± )}р)^итр’^{х е} КОНТ’

9(1) =9(2) = 0,f = 0, ^ 1)=/(7),fe[0,7"];

• V)       (О      (О (О  (П,_с(Пл  JAW   U)     (/)_с(')

СТ и - (2Ц   +АЛ11       (^22 + ^33 ) —    °  , ст12 - 2Ц

• (I)        (/)       и,^/)  ('^('Ь   .,('■) ('■)('■)

СТ22 - (2Ц  +*Л22      (£п + £33)_У  О  , СТ23 -2Ц£

• (/)        (/)        И,^/)   (')._С('Ъ   .,(/)(/)    (А       )₽(/).

СТ33 - (2Ц   +Л)£зз       (е11 +е22)-У  °  , СТ31-2Ц  £31, где х(/),ц(/) — соответствующие упругие модули материалов;  у(,) =(3Х(,) +2ц<'))^<, а^ — коэффи циенты теплового расширения; ам— коэффициенты теплоотдачи; §среды — температура окружа ющей среды; Л(,)— коэффициенты теплопроводности;С^ — теплоемкость тел; То— абсолютная температура начального состояния тел; pw— плотность тел; u(,)— вектора смещений среды; 6(,)

— температура каждого из тел.

Опишем более детально каждое из граничных условий (2). На поверхности S ₄ задано ограничение на перемещение тормозного диска в направлении R и z, что дает возможность совершать диску только вращательные перемещения. Аналогично на поверхностях S _t,5₂ задано ограничение на перемещение по направлениям R и ф, определяющее движение тормозных подошв только по перпендикуляру к тормозной поверхности диска. Силовые условия задачи заключаются в задании распределенной нагрузки на поверхностях S _и5₂, что обеспечивает прижимающее усилие тормозной системы величины Р. В области контакта касательные напряжения t_RZ пропорциональны нормальным <3_ZZ с коэффициентом трения к. Важным фактором при описании температурного поведения тормозных систем является конвективный теплообмен со средой, что связано с обдувом тормозного диска воздухом. Условия конвекции в представленной задаче выражаются в пропорциональности величины теплового потока q ⁽²⁾ на поверхностях тормозного диска 5₊,5_,5₃ , соответствующих правой и левой тормозной поверхности и внутренней поверхности вентиляционных каналов и разности температуры тормозного диска 9⁽¹⁾ и температуры окружающей среды 6_среды с коэффициентом а . Необходимым условием при решении контактных задач с учетом теплопроводности является условие контактной теплопроводности в зоне контакта. В случае описываемой задачи такое условие является необходимым для моделирования перехода тепла от одного тела к другому в контактной паре и выражается в пропорциональности теплового потока в контактной паре q_KOHT разности температур контактных поверхностей 9⁽¹⁾,9⁽²⁾ с коэффициентом контактной теплопроводности к_конт. Условие генерации тепла за счет трения выражается в задании дополнительных потоков тепла на границах контактирующих тел с интенсивностями, пропорциональными коэффициенту к_эн и величине энергии Е,„ , перешедшей из трения в тепло, и весовому коэффициенту к_р, обозначающему распределение тепла между двумя поверхностями. Так как рассматриваемая задача является нестационарной, то необходимо задать соответствующие начальные условия, которыми опишем начальную температуру тел 9<¹⁾,9<²⁾, равную нулю в нашем случае, а также начальную скорость вращения тормозного диска t>⁽¹⁾ = 1/(0).

Опишем материальные параметры, используемые в задаче. В качестве материала для всех E 2.0 e ¹¹

v = 0.3, плотность р = 7850 кг / м³ , коэффициент теплопроводности Л = 48Вт /(м К}, теплоемкость С_г = 452 Дж / (кгС), коэффициент температурного расширения у = 1.1е"⁵1 / С .

Сложность геометрии и связанное термоупругое поведение системы не позволяют получить решение аналитически. В таких случаях эффективным методом решения является использование со-

-

-

-

"[М] [оШШ J[C] [0]

\Ю) [К] [K^ut] |{t/}l ₌ №1 I о     [к¹] кЫ ш/

_   [0Щ{ЛП   [^ч где М — матрица масс; С — матрица демпфирования; К — матрица жесткости; и — вектор смещений; F — сумма узловых усилий и давлений на элементах; с1— удельная теплоемкость; К1— матрица диффузионной проводимости; Т — вектор температур; Kut — матрица термоупругой жесткости. - рамках первого этапа была решена статическая задача о вдавливании с силой ^тормозных накладок в диск. На следующем этапе решалась динамическая нестационарная задача, в рамках которой была задана скорость вращения тормозного диска.

Общий характер нагрева может быть выражен в трех возможных режимах: 1) в случае малой скорости вращения, небольшой прижимной силы, а также значительного теплообмена с окружающей средой температура точки на диске может принимать начальное значение после некоторого момента времени, что обусловлено тем фактом, что величина тепла, излучаемого в окружающую среду, больше величины тепла, генерируемого за счет трения в зоне контакта; 2) при высокой скорости вращения, но небольшой прижимной силе, температура точки может выйти на некоторый стационарный режим; 3) в случае высокой скорости вращения и значительной прижимной силе температура точки после некоторого момента растет линейно.

)

-

Важным результатом расчета является то, что максимум температур по толщине диска в сечениях в удалении от зоны контакта находится не на поверхности, а в глубине. В реальности глубина такого эффекта приблизительно 200-500 мкм.

r — расстояние от поверхности в толщину тормозного диска

На рис. 3 представлено распределение температуры в глубь диска, причем если увеличивать теплоотдачу, что может достигаться конструктивным путем, то эффект максимального поверхностного максимума становится значительным.

Расчет температурного поля для трибосистемы колесо — тормозная колодка подвижного состава проведен в классическом варианте с учетом смены граничных условий, т.е. под колодкой колесо нагревается, а вне колодки — охлаждается. Расчет проводился на основе теории регуляризации сингулярно возмущенных задач путем перехода в пространство безрезонансных решений. Такой подход позволил исследовать характер изменения температуры и температурного градиента в пограничной области фрикционного контакта в зависимости от режимов и характера работы узла трения с учетом изменений свойств материала в поверхностном слое и смены граничных условий. В результате получено, что максимальное значение температуры в колесе находится не на поверхности, а в подповерхностном слое.

Для определения влияния температурного градиента на профиль концентрации водорода в металлическом контртеле была разработана методика и изготовлена установка, позволяющая менять температурное поле по толщине металлического тела, изготовленного в виде наборных плотно прилегающих пластин.

Количественное определение газосодержания стальных образцов проводилось в процессе выделения газа из металла при его нагревании и дальнейшим хроматографированием, а также методом анодного растворения.

В результате получено, что максимум концентрации водорода совпадает с максимумом температуры.

Кроме того, нами проведены исследования сегрегационных явлений легирующих и примесных элементов в трибосистеме колесо — тормозная колодка. Разработаны методы наноструктурной диагностики элементов этих систем.

Атомы, растворённые в теле кристаллического зерна, со временем смещаются и накапливаются по границам зёрен на свободной поверхности или других поверхностях раздела [5, 6]. Величину связи между кристаллитами можно направленно изменять, формируя на границах зерен монослои из тех или иных элементов. При этом необходимо знать, какие элементы и в какой степени упрочняют или, наоборот, разупрочняют границы зерен в данном материале. Своевременное обнаружение элементов, способных охрупчивать границы зёрен металла, позволит разработать конкретные мероприятия и способы аттестации элементов трибосистемы, направленные на повышение безопасности движения и обеспечение эффективности действия трибосистемы колесо-рельс. Методом оже- спектроскопии нами были проведены исследования элементного состава на границах зерен стали железнодорожного колеса. Согласно полученным данным, верхние слои металла дефектов колеса содержат, кроме железа, серу, фосфор и цинк. В рабочем слое бандажа содержание таких элементов, как сера и фосфор, значительно меньше, и оно соответствует их объемному содержанию.

Содержание фосфора и серы на поверхности отделившегося фрагмента достигает 2,1 и 3,1 атомных % соответственно, что превышает объемное содержание этих элементов более чем в 30 и 300 раз. С глубиной этот эффект уменьшается, и на расстоянии 8 мм от поверхности фиксируемая концентрация серы и фосфора приблизительно в 10 раз больше, чем в объеме. В других дефектных местах поверхности катания колеса и на глубине методом оже-электронной спектроскопии обнаружены такие элементы, как барий, цинк и калий, входящие в состав композиционной тормозной колодки. Сера также входит в состав композиционной колодки. Появление линии кальция может быть отнесено на счет обмен но-диффузионных процессов с внешней средой [7, 8]. Все эти элементы, находящиеся на границах зерен, охрупчивают их.

Известно, что специфика полимерных материалов заключается не только в генерации при трении активных продуктов деструкции и в частности водорода, но и в их способности накапливать электрические заряды. В связи с этим мы изучили влияние величины и направления электрического поля в зоне фрикционного контакта на интенсивность его наводороживания и износостойкость. Испытания проводили на торцевой машине трения при частоте вращения /7=5... 15 Гц, удельной нагрузке 7^0,5... 10 МПа на следующих материалах: сталь (в основном закаленная и незакаленная Ст.45), титановый сплав ВТ-                                                   -6-60, 8-1-66, 328-303 и гетинакс.

Для создания в зоне трения электрического поля требуемого направления один из элементов метал-лополимерного узла изолировался от корпуса машины и на сопряженные элементы от внешнего источника питания подавалось постоянное напряжение известной полярности. Вследствие того, что электропроводности гетинакса и материалов 5-6-60, 8-1-66 значительно отличаются друг от друга, для исключения искрения в зоне трибоконтакта и электрического пробоя пластмассы на сопряженные элементы подавалось напряжение различной величины. Так, при трении материала 8-1-66 по металлу напряжение составляло ±30 В, при трении материала 5-6-60 — ±250, а при трении гетинакса — ±2500 В.

Результаты испытаний показали, что при подаче на пластмассу положительного потенциала от внешнего источника по отношению к сопряженному металлическому контртелу износ его в 2...3 раза выше, чем при отрицательном. Такое влияние знака и величины потенциала на износ стали объясняется усилием или торможением процесса наводороживания стального тела трения электрическим полем. Отличия же износов пластмассовых образцов при различном направлении электрического поля в зоне трения обусловлены более интенсивным окислением полимерного образца, подключенного к положительному полюсу источника питания, что приводит к усилению деструктивных процессов и, как следствие, к повышению износа [9, 10].

Заключение. При использовании метода конечных элементов решена термоупругая задача для фрикционного тормозного сопряжения. Расчеты показывают, что максимальная температура достигается не на поверхности, а внутри колеса. Это влияет на диффузионные и сегрегационные процессы в 130

металлополимерной трибосистеме. Наибольшее влияние на диффузионные преимущества оказывает не только температура, но и трибоэлектризация.