Báo cáo khoa học: "ĐáNH GIá ĐặC TíNH Kỹ THUậT MA SáT VậT LIệU COMPORIT CHế TạO GUốC HãM KHI TRƯợT ở TốC Độ THấP" pot

ĐáNH GIá ĐặC TíNH Kỹ THUậT MA SáT VậT LIệU
COMPORIT CHế TạO GUốC HM KHI TRƯợT ở TốC Độ THấP


PGS. TS. vũ duy lộc
KS. vũ thị hoài thu
Bộ môn Đầu máy - Toa xe - Trờng ĐH GTVT

Tóm tắt: Bi báo giới thiệu cơ sở lý luận lựa chọn vật liệu comporit chế tạo guốc hãm đảm
bảo giảm mi mòn mặt lăn bánh xe, độ cứng chống mi mòn guốc hãm lớn v ổn định hệ số
ma sát trong quá trình hãm.
Summary: This article presents the basic study of using composite materials to
manufacture brake shoes, which can reduce wheel - tread wear, stabilize the friction coefficient
and enhance significantly the brake performance.


I. Đặt vấn đề
Sau nhiều năm nghiên cứu thực nghiệm
đã ghi nhận hệ số ma sát của một số guốc
hãm comporit không phù hợp với giá trị lý
thuyết và giá trị xác định theo đờng hãm thực
tế, đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Vì vậy, bài báo
giới thiệu những đặc tính ma sát của guốc
hãm khi đoàn tầu chuyển động với tốc độ nhỏ
trớc lúc đoàn tầu dừng.
II. Nội dung
Những guốc hãm chế tạo từ vật liệu
comporit TP - 300 đa vào thí nghiệm sử
dụng cho toa xe hàng, loại TP - 303 sử
dụng cho toa xe khách. Thành phần hóa học
những guốc hãm chế tạo từ vật liệu comporit

TP - 300 đợc tính theo tỷ lệ % khối lợng:
amiăng 15%; cao su 20%; barit 47,5%; muội
bồ hóng 15%; lu huỳnh 2,5%. Vật liệu
comporit chế tạo loại TP - 303 trong thành
phần có butadien, cao su lập thể thay đổi,
CKD, lu hóa, than chì, bột điện phân và
amiăng guốc hãm comporit
Sự khác nhau cơ bản trong vật liệu chế
tạo guốc hãm comporit cho toa xe hàng và
khách là tăng tính dẫn nhiệt, thay barit bằng
graphit và chất điện phân [1, 2].
Những chi tiết thực hiện trên thiết bị ma
sát (trục quay và guốc hãm):
- Guốc hãm có tiết diện hình tròn chế tạo
từ vật liệu comporit TP - 300; TP - 303.
Phôi cắt từ thanh có đờng kính ngoài 60mm,
đờng kính trong 40mm, chiều dầy 10mm,
chiều dài cung của bề mặt ma sát là 20mm.
- Trục ma sát chế tạo từ thép bánh xe có
đờng kính 40mm. Độ nhám ban đầu bề mặt
ma sát guốc hãm có giá trị thay đổi theo chiều
trục ma sát.
Ra = 1 ữ 1,2 MKm;
Thành phần vật liệu guốc hãm khi thử
nghiệm không đợc hiệu chỉnh. Trớc khi thử
nghiệm tiến hành gia công cặp ma sát để đạt
đợc bề mặt tiếp xúc guốc hãm 90% diện
tích tiếp xúc định mức.

Tốc độ trợt thay đổi trong dải từ

0,3 ữ 1,5 m/giây, áp lực tác dụng tiêu chuẩn từ
0,1 ữ 1,1MPa. Liên tục cho guốc hãm chịu tải
sau khoảng 30 phút tiến hành đo nhiệt độ sinh
ra do ma sát bằng thiết bị chuyên dùng đặt
trong lỗ cách 0,5 mm từ bề mặt ma sát. Sau
120 phút xác định cờng độ mài mòn theo tiêu
hao khối lợng mẫu thử bằng phơng pháp
cân. Thí nghiệm thực hiện khi ma sát không
có bôi trơn.

Quan hệ hệ số ma sát vật liệu
TP - 300 với tốc độ trợt v đợc mô tả trên
đờng cong 1, 2 của hình 1.
Những thí nghiệm đã chứng minh hệ số
ma sát vật liệu guốc hãm loại TP - 303 ở
tốc độ trợt nhỏ thấp hơn 12 ữ 25% so với vật
liệu guốc hãm loại TP - 300, điều đó có
nghĩa rằng: việc nâng cao hàm lợng graphit
trong vật liệu guốc hãm comporit loại
TP - 303 hình thành trên bề mặt lăn bánh
xe một lớp mỏng có khả năng cản trợt thấp,
hệ số ma sát ổn định. Hệ số ma sát (t) ảnh
hởng nhỏ với sự thay đổi độ nhám bề mặt
tiếp xúc của vật thể. Nh vậy, khi sinh
nhiệt ma sát những lớp bề mặt comporit
đóng vai trò cơ bản, lợng nhiệt ma sát
sinh ra ở gần sát bề mặt ma sát đạt
300

Tăng tốc độ, nâng cao nhiệt độ lớp bề

mặt các đỉnh tiếp xúc làm giảm sự cản trợt
của cặp ma sát, làm thay đổi tính chất của vật
liệu comporit (tính đàn hồi, tính biến dạng dẻo,
độ dai) vì vậy giảm chiều sâu xâm nhập
những phần lồi rất nhỏ của thép bề mặt băng
đa trong bề mặt vật liệu comporit [5]. Kết quả
hệ số ma sát giảm.
o
C khi tốc độ và tải trọng lớn. Theo
mức tăng nhiệt và mềm hóa lớp bề mặt
comporit tăng chiều sâu h xâm nhập
vào những đỉnh gợn sóng bề mặt thép
trục và tăng trị số kích thớc những vệt
tiếp xúc thực tế.
Khi kéo dài thời gian ma sát
t = 30 phút với tốc độ không lớn thì có sự sai
khác giữa giá trị hệ số ban đầu và cuối của
vật liệu TP - 300 cao hơn hệ số ma sát của
vật liệu TP - 303. Điều đó hoàn toàn khẳng
định đợc vì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
TP - 300 là = 0,8 còn của vật liệu
TP - 303 là = 3,3 nhiệt độ sinh ra ở vùng
ma sát vật liệu TP - 300 với thép tăng lên
đáng kể so với khi ma sát vật liệu
TP - 303.


Nâng cao hàm lợng graphit trong vật
liệu comporit loại TP - 303 thì hệ số ma sát
(

Nâng cao hệ số ma sát
K
: khi tốc độ đạt
0,3 ữ 0,7 m/giây, theo quan sát ta nhận thấy
có quan hệ với xung phát nhiệt ở những đỉnh
của phần lồi tiếp xúc (tại các đỉnh gợn sóng)
và làm tăng tác dụng tơng hỗ giữa các phần
tử [4]. Khi v = 0,7m/giây có trị số hệ số ma sát
thấp hơn so với hế số ma sát tính theo lý
thuyết.
Hệ số ma sát vật liệu comporit loại
TP - 300 phụ thuộc tốc độ trợt đợc mô tả
trên đờng cong 3, 4 của hình 1.
1
2
34

K
0,6
0,5
0,4
0,3
0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 V
(
m/
g
iâ
y)
Hình 1. ảnh hởng tốc độ trợt nhỏ với hệ số ma sát
Vật liệu comporit Thép bánh xe

Đờng cong 1,2: vật liệu TP-300;
Đờng cong 3,4: vật liệu TP-303.
Đờng cong 1,3: áp lực Po = 0,3MPa;
Đờng cong 2,4: áp lực Po = 0,5MPa;
K
= 0,48 ữ 0,56) thấp hơn so với vật liệu
comporit loại TP-300 (
K
= 0,46 ữ 0,56)
khi hãm đoàn tầu theo nguyên tắc tốc độ
đoàn tầu từ từ giảm cho đến dừng. Trong

những trờng hợp riêng, khả năng hãm trong
một vài phút tốc độ đoàn tầu không đổi.
Thí dụ hãm đoàn tầu khi xuống dốc dài
đảm bảo tốc độ cho phép không đổi, điều đó
có thể hy vọng rằng giá trị hệ số ma sát khi
tốc độ nhỏ thực hiện trong thử nghiệm sẽ khác
với tính toán lý thuyết.
Trong miền áp lực nhỏ (0,3 MPa hoặc lực
tác dụng lên guốc hãm từ 800 ữ 900KG) thì hệ
số ma sát vật liệu comporit loại TP - 300
với thép bánh xe tăng lên một vài lần. Xem
hình 2, đờng cong 1, 3. Thêm vào đó ta thấy
những điểm trên đờng cong biểu thị hệ số
ma sát không phụ thuộc vào tốc độ trợt.
Nâng cao áp lực trong giới hạn nhỏ làm
tăng nhanh diện tích tiếp xúc ban đầu của
những chấm nhỏ (những đỉnh nhấp nhô bề
mặt), làm cho hệ số ma sát tăng. Tiếp tục

tăng tải trọng tác dụng lên guốc hãm làm tăng
chậm diện tích tiếp xúc thực tế. Theo nguyên
nhân này sẽ làm tăng lực ma sát liên kết giữa
các phần tử, làm giảm hệ số
K
. Khi P
o
> 1 hệ
số ma sát thay đổi rất nhỏ.
Đờng cong 1,2,3: loại vật liệu TP-300;
Đờng cong 4,5: loại vật liệu TP-303.
Đờng cong 1,4: khi v = 0,3m/giây;
Đờng cong 2,5: khi v = 0,6m/giây;
Đờng cong 3: khi v = 1,5m/giây.
ổn định hệ số ma sát trong điều kiện cho
trớc phụ thuộc hai yếu tố:
- Hệ số
K
giảm do những nguyên nhân
mô tả ở trên.
- Hệ số
K
tăng lên do tăng áp lực trong
một dải lớn sẽ làm tăng nhiệt độ và diện tích
tiếp xúc thực tế.
Hệ số ma sát vật liệu comporit loại
TP - 303 phụ thuộc áp lực P
o
đợc mô tả
bởi đờng cong 4,5 (xem hình 2) ở tốc độ lớn

nhất, độ dốc đờng cong nhỏ. Điều đó chứng
tỏ lực cản ma sát thấp đóng vai trò đáng kể
quan hệ với trợt. Cũng nh cờng độ tích lũy
năng lợng nhiệt ma sát sinh ra ở lớp bề mặt
nhỏ hơn, giả thiết rằng hệ số dẫn nhiệt của
vật liệu TP - 303 lớn hơn.
Đờng cong cờng độ mài mòn J
h
của
guốc hãm chế tạo từ vật liệu TP - 300 phụ
thuộc áp lực tiếp xúc P
o
đợc biểu diễn ở hình
3. Khi tốc độ trợt thấp v = 0,3m/giây tăng giá
trị P
o
lên 10 lần thì cờng độ mài mòn J
h
tăng
4 lần. Tiếp tục tăng tải trọng tác dụng trong
thời gian dài thì lớp bề mặt comporit dầy bị
phá hủy mỏi. Điều đó chứng tỏ cờng độ mài
mòn J
h
tăng.

Tăng tốc độ trợt quan hệ với tốc
độ mài mòn J
h
(P

o
), đặc biệt khi áp lực
P
o
> 0,5MPa. Đối với chế độ tải trọng
lớn, nhiệt độ ở vùng ma sát tăng, diện
tích những vệt tiếp xúc thực tế tăng và
phá hủy mỏi bề mặt ma sát chậm, bắt
đầu hình thành mài mòn bám dính. Khi
P
0
> 0,3MPa vật liệu comporit không
có khả năng làm việc sau 10 ữ 15 phút
ma sát. Trong quá trình thực nghiệm
cho thấy, thời gian hãm xẩy ra nhỏ nên
trong những tốc độ trợt có vị trí ở thời gian
bắt đầu hãm đoàn tầu, khoảng thời gian biến
dạng dẻo xuất hiện rất sớm.
K
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 P
o
Vật liệu comporit TP - 303 có khả
năng chịu mài mòn cao (xem hình 4). Giá trị
cờng độ mài mòn của vật liệu TP - 303:
Khi tốc độ trợt v = 0,3m/giây thấp hơn

(
MPa
)
1 2
4
3
5
Hình 2. Quan hệ giữa hệ số ma sát vật liệu comporit với thép
chế tạo bánh xe chịu áp lực tiêu chuẩn trên bề mặt tiếp xúc

1,1 ữ 1,15lần.
Khi v = 0,6 m/giây thấp hơn 1,2 ữ 1,5 lần;
Khi v = 1,5 m/giây thấp hơn đến 3 lần so
với vật liệu comporit loại TP - 300.
Sự thay đổi giá trị J
h
của vật liệu
TP - 300 và TP - 303 sinh ra ở tốc độ
v = 1,5MPa làm giảm biến dạng dẻo vật liệu.
Nguyên nhân cơ bản là khả năng bôi trơn và
dẫn nhiệt của TP - 303 lớn hơn
TP - 300, đảm bảo tỏa nhiệt ở vùng ma
sát. Điều đó trực tiếp ảnh hởng đến mài mòn
Lựa chọn



g vệt nhẵn bóng chứng minh rằng:
tăng tốc độ trợt dẫn đến tăng cờng độ mài
mòn của thép. Nguyên nhân cơ bản là do

nâng cao nhiệt độ những lớp bề mặt của vật
thể tiếp xúc, thúc đẩy quá trình ôxy hóa thép
chế tạo bánh xe làm tăng xác suất hình thành
liên kết bám dính.
Giả th
cặp bánh xe.
ệu chế
tạo g
ã chứng minh
cờn
Bề mặt ma sát lăn sau khi mài mòn là
nhữn
iết rằng khi tốc độ trợt thấp hơn
1m/g
nh 5
phù
độ
trợt làm tăng d
0 0,2 0,4 0,6 0,8
vật liệu má sát guốc hãm
khôn
g chỉ xuất phát từ điều kiện, khả năng
chống mài mòn cao, đảm bảo hệ số ma sát
cho trớc, tính ổn định của hệ số ma sát trong
quá trình hãm, mối quan hệ giữa tải trọng và
tốc độ mà còn khả năng giảm sự phục thuộc
vào trạng thái môi trờng xung quanh.
Yêu cầu quan trọng nhất là vật li
uốc hãm có khả năng giảm mài mòn mặt
lăn bánh xe. Rõ ràng rằng nhiệt độ cao, ứng

suất kéo lớn ở vùng phía ngoài từ bề mặt
tiếp xúc guốc hãm với mặt lăn bánh xe có
thể gây rạn nứt nhỏ mặt lăn bánh xe theo
hớng vuông góc, là nguyên nhân phá hủy
mỏi lớp bề mặt băng đa khi bánh xe lăn
trên đờng ray.
Những thí nghiệm đ
J
h
.10
-8
6
4
2
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1 P
o
g độ mài mòn thép bánh xe thấp hơn
đáng kể so với vật liệu comporit. Xem hình
5.
(
MPa
)
2
1
3
Hình 3. Quan hệ cờng độ mi mòn vật liệu comporit
TP-300 phụ thuộc P
o
Đờng cong 1: khi v = 0,3m/giây;

Đờng cong 2: khi v = 0,6m/giây;
Đờng cong 3: khi v = 1,5m/giây.
iây, nhiệt độ bề mặt trung
bình ở vị trí tiếp xúc giữa thép
bánh xe và vật liệu comporit là
300
o
C, tiếp tục tăng đến nhiệt độ
bốc lửa trên những vệt tiếp xúc thi
thực tế có thể không chỉ làm biến
đổi pha mà nhiệt độ đó còn gần
với nhiệt độ nóng chảy.
Đờng cong 1 trên hì
1
2
3
1
P
o
(
MPa
J
h
.10
-8
6
4
2
Hình 4. Quan hệ cờng độ mi mòn vật liệu comporit
TP-300 phụ thuộc áp lực P

o
Đờng cong 1: khi v = 0,3m/giây;
Đờng cong 2: khi v = 0,6m/giây;
Đờng cong 3: khi v = 1,5m/giây.
)
hợp với cờng độ mài mòn
của thép chế tạo bánh xe với vật
liệu comporit loại TP - 300.
Nâng cao tải trọng, tốc
iện tích tiếp xúc thực tế. Khi
nhiệt độ tăng trên những vệt tiếp xúc sẽ phá
hủy cục bộ vật liệu comporit và hình thành
những điểm mài mòn và làm giảm lực ép tiếp
xúc.

Nhiệt độ ở vùng tiếp xúc guốc hãm chế
tạo từ vật liệu TP-303 với bánh xe không
vợt quá 200
o
C.
III. Kết luận
Những thí nghiệm guốc hãm comporit
loại TP-300 và loại TP-303 đã rút ra kết
luận:
Nó phù hợp với chu kỳ hãm dừng tầu. Hệ
số ma sát vật liệu TP-303 với thép chế tạo
bánh xe nhỏ hơn hệ số ma sát vật liệu TP-
300 từ 15 ữ 25%.
Khi giảm tốc độ hệ số ma sát vật liệu
comporit loại TP-303 luôn luôn tăng, còn

đối với vật liệu TP-300 quan hệ không
tuyến tính. Tăng áp lực P
o
đến 0,4MPa kéo
theo tăng chậm hệ số ma sát, tiếp tục tăng P
o

hệ số ma sát giảm.
Cờng độ mài mòn guốc hãm comporit
và thép bánh xe tăng khi nâng cao áp lực P
o
,
đặc biệt là khi tăng tốc độ ma sát. Cờng độ
mài mòn thành phần cặp ma sát bánh xe thép
với vật liệu comporit loại TP-303 giảm
đáng kể so với cặp ma sát bánh xe thép với
vật liệu comporit loại TP-300.
Guốc hãm chế tạo từ vật liệu comporit
loại TP-303 gây nên mài mòn bánh xe
nhỏ, độ cứng chống mài mòn lớn, ổn định hệ
số ma sát trong quá trình hãm.
0
0,3 0,6 0,9 1,2 1,5
V
(
m
/
g
iâ
y)

1
J
h
.10
-8
4
3
2
5
2
1
Hình 5. Cờng độ mi mòn của thép phụ thuộc tốc độ trợt
v dới áp lực P
0
= 0,3MPa
Đờng cong 1: Mi mòn của thép với vật liệu TP 300
Đờng cong 2: Mi mòn của thép với vật liệu TP 303

Tài liệu tham khảo
[1]. ..; ...
//
2003.N
o
_4.
[2]. ..


.
.629.1980

[3]. ..; ...
. : ,
1999 - 376
[4]. ..
--, 1977.528
[5]. ..
.:
1985 240Ă