Frontier Materials & Technologies. 2022; : 18-29
Исследование структуры и свойств фрикционного композиционного материала на основе железной матрицы
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-4-18-29Аннотация
Непрерывный рост скорости движения и грузонапряженности железнодорожного транспорта, работающего в широком диапазоне климатических зон Российской Федерации, создает потребность в разработке новых фрикционных материалов, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами, способных обеспечить высокую надежность функционирования стрелочных электроприводов. В работе представлены результаты исследования микроструктуры, физико-механических и эксплуатационных свойств нового материала фрикционных вставок на основе железной матрицы для муфт стрелочного привода. В состав нового материала входят такие компоненты, как Fe, Cu, BaSO4, SiO2, C, Zn. Предложена методика выбора материалов с заданными эксплуатационными свойствами на основе результатов проведенных исследований с использованием факторного планирования эксперимента. С этой целью проведены исследования и установлена связь между значениями показателей микроструктуры, физико-механических и эксплуатационных свойств материалов с различным количественным составом компонентов. Был предложен параметр «плотность границ зерен» как показатель диссипативных свойств материала, обоснована возможность его использования в качестве структурного параметра оценки эксплуатационных свойств фрикционного материала. Для оценки эксплуатационных свойств фрикционного материала, определяющих возможность его применения в составе фрикционных муфт стрелочного электропривода, был также предложен новый параметр – период стойкости t. Еще одним эксплуатационным свойством являлась девиация значений коэффициента трения Dƒ в диапазоне значений прижимных усилий стрелочного электропривода. По результатам стендовых испытаний нового фрикционного материала в составе фрикционной муфты стрелочного электропривода выявлена большая стойкость материала к износу и возможность его использования в тяжелых климатических условиях. Предложенная методика испытаний позволяет выполнять прогнозирование эксплуатационных свойств новых материалов еще на стадии изучения микроструктуры на основании полученных зависимостей, что позволяет существенно сузить круг поиска.
Список литературы
1. Бернацкий В.В., Макаренко Н.Н. Современные фрикционные материалы и их применение в тормозных системах автотранспортных средств // Журнал автомобильных инженеров. 2019. № 4. С. 32–37. EDN: VHRZYP.
2. Шишкарев М.П. К вопросу о нагрузках в адаптивных фрикционных муфтах при срабатывании // Инновационные подходы в отраслях и сферах. 2021. Т. 6. № 2. С. 219–229. EDN: UTYVEG.
3. Нилов А.С., Кулик В.И., Гаршин А.П. Анализ фрикционных материалов и технологий изготовления тормозных колодок для высоконагруженных тормозных систем с дисками из керамического композиционного материала // Новые огнеупоры. 2015. № 7. С. 57–68. EDN: VILHQB.
4. Kryachek V.M. Friction composites: Traditions and new solutions (review). I. Powder materials // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2004. Vol. 43. № 11-12. P. 581–592. DOI: 10.1007/s11106-005-0025-2.
5. Густов Ю.А., Воронина И.В. Прогнозирование триботехнических показателей фрикционных дисковых предохранительных муфт по коэффициенту трения // Приводы и компоненты машин. 2019. № 3-4. С. 20–23. EDN: CCKPTZ.
6. Войтенко В.А. Моделирование тепловых процессов и процессов изнашивания фрикционной муфты нового типа для машиностроения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2021. Т. 23. № 4. С. 93–101. EDN: DGWSOC.
7. Шишкарев М.П. Нагрузочная способность адаптивных фрикционных муфт при повышенном значении коэффициента трения // Инновационные подходы в отраслях и сферах. 2020. Т. 5. № 8. С. 8–16. EDN: ROXNBU.
8. Лешок А.В., Ильющенко А.Ф., Роговой А.Н., Лазарчик М.В. Спечённый порошковый фрикционный материал для фрикционных дисков муфты редуктора стрелочного электропривода: патент на изобретение РФ № 2757880, 2021. 3 с. EDN: WJOLFM.
9. Елагина О.Ю., Комадынко А.С., Полещук Е.Д., Pejakovic V., Drangai L. Перспективы применения покрытия из нитрида титана для контактных поверхностей фрикционных муфт // Трение и износ. 2020. Т. 41. № 1. С. 36–42. EDN: UDJLLT.
10. Фадеев В.С., Штанов О.В., Паладин Н.М., Конаков А.В., Гайнаншин Н.Г., Афанасьев А.А. Диск фрикционной муфты стрелочного привода типа СП: патент на полезную модель РФ № 181227, 2018. 3 с. EDN: TKYAVV.
11. Башков О.В., Афанасьева А.А. Исследование структуры и фрикционных свойств нового композиционного фрикционного материала // Морские интеллектуальные технологии. 2021. Т. 1. № 4-1. С. 59–65. DOI: 10.37220/MIT.2021.54.4.032.
12. Ким В.А., Афанасьева А.А. Особенности структуры и свойств фрикционного композиционного материала // Технология машиностроения. 2019. № 11. С. 5–11. EDN: LYMUXK.
13. Фадеев В.С., Штанов О.В., Паладин Н.М., Конаков А.В., Афанасьева А.А. Фрикционный элемент для фрикционной муфты стрелочного электропривода: патент на полезную модель РФ № 176377, 2018. 3 с. EDN: KTZDSX.
14. Ильющенко А.Ф., Дмитрович А.А., Лешок А.В. Спечённые металлокерамические фрикционные композиционные материалы и изделия // Известия национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2011. № 2. С. 10–17. EDN: XVSSSB.
15. Kim V.A., Afanaseva A.A., Samar E.V., Belova I.V. Study of nonequilibrium structures by the method of multifractal parametrization // Lecture Notes in Networks and Systems. 2021. Vol. 200. P. 467–474. DOI: 10.1007/978-3-030-69421-0_50.
16. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Исследование изнашивания металлов. М.: Наука, 1960. 351 с.
17. Cherney O.T., Skachkova E.G., Permovskiy A.A., Smirnova Zh.V., Kutepova L.I. Factors affecting the tribotechnical properties of sintered materials // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1111. Article number 012015. DOI: 10.1088/1757-899X/1111/1/012015.
18. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001. 478 с.
19. Ким В.А., Фадеев В.С., Афанасьева А.А. Исследование состава, структуры и свойств нового композиционного фрикционного материала // Учёные записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2019. Т. 1. № 4. С. 62–68. EDN: YANQKR.
20. Гемуев Ш.И., Гемуев И.И. Технология производства и трибологические характеристики полученных фрикционных композиционных материалов // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т. 2. № 3. С. 76–78. EDN: WMQYSH.
21. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / под ред. В.Е. Панина. Новосибирск: СО РАН, 2006. 520 с.
22. Смирнов Н.И., Прожега М.В., Смирнов Н.Н. Исследование влияния работоспособности фрикционной муфты на эксплуатационные характеристики стрелочного электропривода // Трение и износ. 2016. Т. 37. № 4. С. 460–465. EDN: WMDXOP.
Frontier Materials & Technologies. 2022; : 18-29
The study of the structure and properties of a friction composite material based on an iron matrix
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-4-18-29Abstract
The continuous increase in the speed and load of railway transport operating in a wide range of climatic zones of the Russian Federation creates a need to develop new friction materials with the improved performance properties that can ensure high functioning reliability of the electric switch mechanisms. The paper presents the results of the study of the microstructure, physical, mechanical, and operational properties of a new material for friction inserts based on an iron matrix for the switch gear clutches. The new material composition includes such components as Fe, Cu, BaSO4, SiO2, C, and Zn. The authors propose a technique for selecting materials with the specified performance properties based on the results of the research carried out using the experiment factorial planning. For this purpose, the authors carried out the studies and established a relationship between the values of microstructure indicators, physical, mechanical and operational properties of the materials with different quantitative composition of components. The grain boundary density was proposed as an indicator of the dissipative properties of the material, and the possibility of its application as a structural parameter for evaluating the friction material performance characteristics. To assess the friction material performance characteristics, which determine the possibility of its application as a part of the friction clutches of the electric switch mechanism, the authors proposed a new parameter – the endurance period t. Another service property was the deviation of the friction coefficient Dƒ values in the range of values of the clamping force of the electric switch mechanism. According to the results of bench tests of a new friction material within the friction clutches of the electric switch mechanism, the authors identified a high wear resistance of the material and the possibility of its use in severe climatic conditions. The proposed testing technique allows predicting the performance properties of new materials at the stage of studying the microstructure based on the obtained dependences, which can significantly narrow the search range.
References
1. Bernatskii V.V., Makarenko N.N. Sovremennye friktsionnye materialy i ikh primenenie v tormoznykh sistemakh avtotransportnykh sredstv // Zhurnal avtomobil'nykh inzhenerov. 2019. № 4. S. 32–37. EDN: VHRZYP.
2. Shishkarev M.P. K voprosu o nagruzkakh v adaptivnykh friktsionnykh muftakh pri srabatyvanii // Innovatsionnye podkhody v otraslyakh i sferakh. 2021. T. 6. № 2. S. 219–229. EDN: UTYVEG.
3. Nilov A.S., Kulik V.I., Garshin A.P. Analiz friktsionnykh materialov i tekhnologii izgotovleniya tormoznykh kolodok dlya vysokonagruzhennykh tormoznykh sistem s diskami iz keramicheskogo kompozitsionnogo materiala // Novye ogneupory. 2015. № 7. S. 57–68. EDN: VILHQB.
4. Kryachek V.M. Friction composites: Traditions and new solutions (review). I. Powder materials // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2004. Vol. 43. № 11-12. P. 581–592. DOI: 10.1007/s11106-005-0025-2.
5. Gustov Yu.A., Voronina I.V. Prognozirovanie tribotekhnicheskikh pokazatelei friktsionnykh diskovykh predokhranitel'nykh muft po koeffitsientu treniya // Privody i komponenty mashin. 2019. № 3-4. S. 20–23. EDN: CCKPTZ.
6. Voitenko V.A. Modelirovanie teplovykh protsessov i protsessov iznashivaniya friktsionnoi mufty novogo tipa dlya mashinostroeniya // Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie. 2021. T. 23. № 4. S. 93–101. EDN: DGWSOC.
7. Shishkarev M.P. Nagruzochnaya sposobnost' adaptivnykh friktsionnykh muft pri povyshennom znachenii koeffitsienta treniya // Innovatsionnye podkhody v otraslyakh i sferakh. 2020. T. 5. № 8. S. 8–16. EDN: ROXNBU.
8. Leshok A.V., Il'yushchenko A.F., Rogovoi A.N., Lazarchik M.V. Spechennyi poroshkovyi friktsionnyi material dlya friktsionnykh diskov mufty reduktora strelochnogo elektroprivoda: patent na izobretenie RF № 2757880, 2021. 3 s. EDN: WJOLFM.
9. Elagina O.Yu., Komadynko A.S., Poleshchuk E.D., Pejakovic V., Drangai L. Perspektivy primeneniya pokrytiya iz nitrida titana dlya kontaktnykh poverkhnostei friktsionnykh muft // Trenie i iznos. 2020. T. 41. № 1. S. 36–42. EDN: UDJLLT.
10. Fadeev V.S., Shtanov O.V., Paladin N.M., Konakov A.V., Gainanshin N.G., Afanas'ev A.A. Disk friktsionnoi mufty strelochnogo privoda tipa SP: patent na poleznuyu model' RF № 181227, 2018. 3 s. EDN: TKYAVV.
11. Bashkov O.V., Afanas'eva A.A. Issledovanie struktury i friktsionnykh svoistv novogo kompozitsionnogo friktsionnogo materiala // Morskie intellektual'nye tekhnologii. 2021. T. 1. № 4-1. S. 59–65. DOI: 10.37220/MIT.2021.54.4.032.
12. Kim V.A., Afanas'eva A.A. Osobennosti struktury i svoistv friktsionnogo kompozitsionnogo materiala // Tekhnologiya mashinostroeniya. 2019. № 11. S. 5–11. EDN: LYMUXK.
13. Fadeev V.S., Shtanov O.V., Paladin N.M., Konakov A.V., Afanas'eva A.A. Friktsionnyi element dlya friktsionnoi mufty strelochnogo elektroprivoda: patent na poleznuyu model' RF № 176377, 2018. 3 s. EDN: KTZDSX.
14. Il'yushchenko A.F., Dmitrovich A.A., Leshok A.V. Spechennye metallokeramicheskie friktsionnye kompozitsionnye materialy i izdeliya // Izvestiya natsional'noi akademii nauk Belarusi. Seriya fiziko-tekhnicheskikh nauk. 2011. № 2. S. 10–17. EDN: XVSSSB.
15. Kim V.A., Afanaseva A.A., Samar E.V., Belova I.V. Study of nonequilibrium structures by the method of multifractal parametrization // Lecture Notes in Networks and Systems. 2021. Vol. 200. P. 467–474. DOI: 10.1007/978-3-030-69421-0_50.
16. Khrushchev M.M., Babichev M.A. Issledovanie iznashivaniya metallov. M.: Nauka, 1960. 351 s.
17. Cherney O.T., Skachkova E.G., Permovskiy A.A., Smirnova Zh.V., Kutepova L.I. Factors affecting the tribotechnical properties of sintered materials // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1111. Article number 012015. DOI: 10.1088/1757-899X/1111/1/012015.
18. Goryacheva I.G. Mekhanika friktsionnogo vzaimodeistviya. M.: Nauka, 2001. 478 s.
19. Kim V.A., Fadeev V.S., Afanas'eva A.A. Issledovanie sostava, struktury i svoistv novogo kompozitsionnogo friktsionnogo materiala // Uchenye zapiski Komsomol'skogo-na-Amure gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2019. T. 1. № 4. S. 62–68. EDN: YANQKR.
20. Gemuev Sh.I., Gemuev I.I. Tekhnologiya proizvodstva i tribologicheskie kharakteristiki poluchennykh friktsionnykh kompozitsionnykh materialov // Polimernye materialy i tekhnologii. 2016. T. 2. № 3. S. 76–78. EDN: WMQYSH.
21. Poverkhnostnye sloi i vnutrennie granitsy razdela v geterogennykh materialakh / pod red. V.E. Panina. Novosibirsk: SO RAN, 2006. 520 s.
22. Smirnov N.I., Prozhega M.V., Smirnov N.N. Issledovanie vliyaniya rabotosposobnosti friktsionnoi mufty na ekspluatatsionnye kharakteristiki strelochnogo elektroprivoda // Trenie i iznos. 2016. T. 37. № 4. S. 460–465. EDN: WMDXOP.
