29 января 2017г.
К элементам тормозных систем предъявляется достаточно большой перечень требований, которые в совокупности должны обеспечивать безопасность при торможении, выполнять постоянно возрастающие нормативные требования к величине тормозного пути, времени торможения и допускаемому замедлению. Кроме того, должны обеспечиваться долговременность срока эксплуатации, экономичность и технологичность процесса изготовления и ремонта, независимость трибологических характеристик от температурных и погодных условий, стабильность при длительных сроках эксплуатации тормозных систем, малошумность процесса торможения и т.д.
Все возрастающие требования по энергонагруженности тормозных устройств постоянно стимулируют исследования по созданию новых типов фрикционных материалов с более высокими эксплуатационными характеристиками. Следует отметить, что если энергия торможения 2000 кг автомобиля со скорости 128 км/час с ускорением - 0,8 м/с2 составляет порядка 20 кВт [3], то для современных скоростных поездов она превышает 800 кВт [1]. Это приводит к тому, что температура в зоне трения фрикционной пары может превышать 1273-1473 К, и различные конструктивные решения направленные на рассеивание тепловой энергии, например, вентиляция тормозных дисков, принципиально не решают эту проблему.
Наиболее перспективным для высоконагруженной транспортной техники представляется применение тормозных дисков из керамоматричных композиционных материалов (КМК). Современные керамические тормозные диски, как правило, изготавливаются из КМК на основе углеродных волокон и карбидокремниевой матрицы. К настоящему времени наибольшие практические успехи в применении таких тормозных дисков были достигнуты в автомобилестроении. Обладая высокими и стабильными триботехническими характеристиками, высокой тепло- и износостойкостью, они весят примерно на 50-75% меньше стальных [6], а срок эксплуатации оценивается не менее 300000 км пробега автомобиля [8], кроме того, экономия топлива для автомобилей при их установке оценивается до 20% [6].
Конструктивно тормозные диски из КМК могут быть монолитными или с внутренними вентиляционными каналами. Второй вариант предпочтительней, так как при наличии внутренних вентиляционных каналов обеспечивается ускоренное охлаждение тормозного диска после торможения, чтобы не допустить его перегрева из-за чего может происходить окисление армирующих углеродных волокон, и, соответственно, снижение его прочности.
Внутренние вентиляционные каналы могут быть получены механической обработкой (рис. 1 а), реакционным склеиванием двух предварительно отформованных и карбонизованных частей тормозного диска (рис. 1 б) [4] или одностадийным его формованием, когда каналы получаются после извлечения металлических профилирующих вкладышей на стадии получения углепластика с полимерной матрицей (рис. 1 в) [19]. Причем второй и третий вариант получения вентиляционных каналов более предпочтительны, так как дают возможность получения профилированных каналов, обеспечивающих отсутствие срыва в них воздушных потоков, и, соответственно, максимальный теплоотвод с внутренних поверхностей тормозных дисков.
Тормозные диски из КМК сейчас устанавливаются серийно или в виде дополнительных опций на автомобилях марок: Mersedes, Porshe, Hyundai, Ferrari, Volkswagen, Bugatti, Bentley, Aston Martin, Lamborghini, Nissan, Audi, Lotus, Corvette, Koenigsegg, Lexus и мотoциклах Yamaha YZF-R1, Suzuki, Ducati, MV Agusta и в других моделях.
На рис. 2 и 3 приведены фотографии некоторых типов тормозных дисков из КМК для различных моделей автомобилей и мотоциклов соответственно.
Основной тенденцией развития пассажирского железнодорожного подвижного состава является повышение его скоростных характеристик, которые на текущий момент времени практически достигли рубежа 600 км/час. Здесь также перспективными материалами для тормозных систем высокоскоростных подвижных составов
являются тормозные
диски из КМК. Фрикционные элементы из КМК либо прогнозируются, либо уже применяются в высокоскоростных поездах TVG (Франция), Talent (Германия), Pendolino (Италия), APT (Англия), AVE (Испания), HSR-350x (Корея), Shinkansen (Япония) и в ряде других. Следует отметить, что масса одного стального тормозного диска составляет более 100 кг и снижение его массы в 2 раза за счет использования композиционных материалов с керамической матрицей позволит снизить суммарную массу скоростного поезда более чем на 5 тонн [17]. На рис. 4 приведены фотографии некоторых типов тормозных дисков из КМК для высокоскоростных поездов различных фирм- производителей.
Энергия торможения для самолетов может достигать 37 МВт, что приводит к
нагреву фрикционных элементов системы торможения более 12000С. На текущий момент времени при изготовлении тормозных устройств для авиационной и авиакосмической техники нашли широкое применение композиционные углерод-углеродные материалы. Такие тормозные устройства изготавливаются из монодисков либо из дисков секционного типа, причем отмечается, что наиболее предпочтительными вариантами являются конструкции тормозов, состоящих из монодисков или имеющие хотя бы один монодиск в фрикционной паре. Тем не менее, крупнейшими мировыми фирмами ведутся активные работы по созданию ком- мерческого продукта в виде, как самого фрикционного КМК, так и конструкций тормозов на их основе для авиационной и авиакосмической техники. На рис. 5 приведен опытный вариант тормозного
устройства с дисками из КМК [9].
Имеется информация о широком применении композиционных материалов с керамической матрицей в конструкции нового космического челнока (space glider) Х-38, в том числе и в качестве фрикционных материалов в тормозных системах [7].
Во время обслуживания винтовых самолетов, пропеллеры двигателей должны надежно удерживаться от проворота. Кроме того, вращение пропеллера должно динамически останавливаться после выключения двигателя в наземных условиях при воздействии ветра. Для остановки вращающего пропеллера и его надежной фиксации при обслуживании двигателя, даже при сильном ветре, фирмой UMBRA Cuscinetti SpA (Италия) разработана специальная тормозная система на основе тормозных дисков из КМК. Эти диски диаметром 120 мм и толщиной 6 мм, изготовленные фирмой DLR (Германия), способны остановить пропеллеры диаметром 5,3 метра в течение нескольких секунд. На рис. 6 приведены схемы размещения тормозных
дисков из КМК в двигателе самолета и компоновка самой тормозной
системы, а на рис. 7 – фотография данной тормозной системы на основе тормозных
дисков из КМК для остановки вращающего пропеллера и его надежной фиксации при обслуживании двигателя самолета A400M.
Список литературы
1. Старченко В.Н. Фрикционные материалы на базе углерод-углеродных и углерод-асбестовых волокон для тормозных устройств / В.Н. Старченко, В.А. Гурин, В.П. Быкадоров, Е.Н. Шапран // Железные дороги мира, 2006. - №2. - с. 38-42.
2.
Heidenreich B. C/C-SiC materials based on melt infiltration – manufacturing methods and experiences from serial production /B. Heidenreich, S. Hofmann, M. Keck [et al.] – 34р. http://www.ceramic- composites.eu/sites/ceramic-composites.eu /files/ anhaenge/14/01/10 /2013_heidenreich_htcmc.pdf.
3. Kevorkijan V. Engineering wear-resistant surfaces in automotive aluminum // JOM, 2003. - Vol.53. - №2. - p.32-34.
4. Krenkel W. C/C-SiC composites for advanced friction systems / W. Krenkel, B. Heidenreich, R. Renz //Advanced engineering materials, 2002. – Vol.4 . - №7. – p.427-436.
5.
Schlosser W. Moderne Bremssysteme für Schienenfahrzeuge / W. Schlosser, S. Aurich // ZEV + DET Glasers Annalen, 2001. - № 8. - р. 273-277.
6. Starfire System to commercialize ceramic disk brake. www.compositesworld.com.
7. The new way into space: space transporters
of the next generation. www.dfg.de/ raumtransportsysteme
8.
Weiss R. Short-fiber reinforced CMCs: potential and problems / R. Weiss, M. Henrich // Ceramic engineering and science proceedings, 2005. - Vol.26. - Iss.2. - p. 351-362.
9.
www.afrl.af.mil
10.
www.audi.com.au/au/brand/en/service/audi_genuine_accessories0/ audi_genuin e_parts0/retrofittable_solutions/ceramic_brake_discs.html
11.
www.buykorea21.com/companyView.php?company_code= C20100730031104&product_code=P20100730031104&gu=product
12.
www.carbonceramicbrake.com/ferrari.html
13.
www.dlr.de/bt/en/desktopdefault.aspx/tabid-2499/6930_read-10079/
14.
www.dlr.de/dlr/en/desktopdefault.aspx/tabid-10661/1148_read-507/#gallery/6855
15.www.google.ru/search?q=Starfire+systems+brake+disk&newwindow=1&hl=ru&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=iWOEU7WwD/.../
16.
www.msproduction.com
17.
www.sglcarbon.com/sgl_t/brakedisk/products/train.html
18.
www.worldcarfans.com/104060910554/porsche-ceramic-composite-brake
19.
Zuber Ch. Development of a Net Shape Manufacturing Method for Ventilated
Brake Discs in Single Piece Design / Ch. Zuber, B. Heidenreich // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2006. - Vol.37. -№4. - p.301-308.
