RU2531676C2 - Belt-drum brake with device of electrothermostimulated depolarisation of interacting sections of metallopolymeric friction pairs - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention refers to machine-building industry and can be used in belt-drum brakes of different types of winches. A belt-drum brake with a device of electrothermostimulated depolarisation of interacting sections of metallopolymeric friction pairs containing a brake belt with friction pads installed on an arc of contact with equal pitch, a combined pulley and a drive. The upper part of the pulley is made in the form of a frame ring from bipolar polymer material with a projection - a friction element of a dovetail type with pitch $$\frac{\pi }{2}$$

along its perimeter. Metal sectors with chamfers and flanges along their lateral sides between the projections.

EFFECT: achieving suppression of triboelectric effect and reducing energy load of metallopolymeric friction pairs of a belt-drum brake owing to using bipolar friction elements; reducing friction forces in friction assemblies, and as a result, reducing wear of working surfaces of friction pads.

23 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах различных типов лебедок.The invention relates to mechanical engineering and can be used in tape and shoe brakes of various types of winches.

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)].Known brake tape with a uniform pitch of the placement of friction linings on it. The uniform arrangement of the linings on the arc of the girth with an uneven distribution of the efforts of the tension of the brake tape leads to an uneven distribution of the normal load on the working surfaces of the linings and, as a result, the specific loads during the interaction of the friction brake assemblies. All of the above causes uneven wear of the friction linings. Moreover, on the oncoming branch, they wear out faster than on the oncoming branch [1, analogue, Alexandrov MP, Lysyakov AG, Fedoseev VN etc. Braking devices (reference book). - M.: Mechanical Engineering, 1985. - 308 p. (Fig. 3.18. - p. 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.In this friction unit, the specific loads in its friction pairs are not balanced at the level of the dynamics of the braking process and cannot be solved at the level of generating electric currents on the surfaces of metal-polymer friction pairs to reduce their energy loading, since there is a triboelectric effect. The presence of the triboelectric effect in the metal-polymer friction pairs of the tape-shoe brake worsens the antifriction properties of the materials used, increasing the friction force by 15.0-50.0%. The latter in the tape-shoe brake is determined by the type $$F_T=S_N-S_{\mathrm{FROM}}$$

(Where $$S_N,S_{\mathrm{FROM}}$$

- tension of the running and running branches of the tape). The friction force in the tape-brake brake is directly related to the dynamic coefficient of friction and the normal force acting on the friction pair. Indirectly, the friction force is associated with specific loads in metal-polymer friction pairs and, as a result, the wear of the working surfaces of friction linings increases by a factor of 2.0-2.5.

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)]. An effective way of suppressing triboelectric phenomena is the use of bipolar friction elements having both positive and negative charges in their structure, which can cause internal electric fields in them, affecting the depolarization of interacting sections of metal-polymer brake friction pairs [2, prototype, B. Kostetsky, Nosovsky I.G., Karaulov A.K. and others. The surface strength of materials under friction. Kiev: Technique, 1976. - 296 p. (p. 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.].Known two-stage tape-shoe brake with thermoelectric cooling, in which the cooling units are made in the form of thermopiles composed of plate thermocouples made of different materials, and cylindrical rods consisting of thermocouples with electronic and hole conductivity, which are installed in the body of additional and main pads constituting the first and second circuits with a series connection in each of them between each other thermal batteries connected via stabilization devices for power generators, and batteries outside surface thermoelements interconnected conductive plate-bridges. In this case, the thermopile of the first and second circuits operate separately in the modes of thermoelectric generator and thermoelectric refrigerator [3, prototype, Russian patent No. 2352832 C2, IPC F16D 49/08 - F16D 65/813 of 04/20/2009].

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.In this two-stage tape-block brake, a decrease in the energy load of its friction pairs is achieved and thereby the triboelectric effect is reduced. However, the design of the cooling units is complex, and its assembly is time-consuming.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие преимущества:Compared with analog and prototype, the proposed technical solution has the following advantages:

- кольцо-каркас с выступами из биполярного полимерного материала, полностью охватывает нерабочие поверхности металлических секторов;- a ring-frame with protrusions of bipolar polymeric material, completely covers the non-working surfaces of metal sectors;

- 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;- bipolar friction elements, due to their internal electric field, weaken the action of the associated electric charges of the working surfaces of the friction linings, thereby contributing to the electrothermally stimulated depolarization of the interacting sections of the metal-polymer brake friction pairs;

- 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;- with sufficient electric field strength, a breakdown of the (spark) layer of the friction lining materials occurs, associated with the release of electrons or ions from metal and bipolar polymer elements due to free carriers, while the layer of polymer material ceases to be an insulator and an electric current appears and flows in it;

- 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;- metal, semiconductor and polymer film structures capable of performing the functions of a thermoelectric pair are formed in the areas of the interacting polymer – metal and polymer – polymer pairs; film polymer materials can be electrified, because only in them charges remain in those places where they moved from one film structure to another;

- 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.- bipolar friction elements in metal-polymer friction pairs of the tape-brake block not only provide suppression of the triboelectric effect, but also reduce their energy load, which allows the materials of the friction linings to operate in the temperature range below the permissible level, ensuring stable wear characteristics of its friction units.

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.The objective of the present invention is to suppress the triboelectric effect and thereby reduce the energy load of the metal-polymer friction pairs of the band brake due to the use of bipolar friction elements mounted directly in the upper part of the brake pulley.

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.The problem is achieved in that in a tape-brake brake with a device for electrothermally stimulated depolarization of interacting sections of metal-polymer friction pairs, in which the upper part of the pulley is made in the form of a skeleton ring of bipolar material with protrusions (friction elements) of the dovetail type in increments $$\frac{\pi }{2}$$

along its perimeter, and between the protrusions there are metal sectors with bevels and with flanges on their lateral sides. During braking, bipolar friction elements, due to the internal electric field created in them, weaken the effect of the associated electric charges of the working surfaces of the friction linings, thereby contributing to the depolarization of their charges. In the process of braking, the polymer – metal and polymer – polymer friction pairs form metal, semiconductor, and polymer film structures on their surfaces that can perform the functions of thermoelectric pairs in which only film polymer materials are electrified, since only in them the charges remain those places where they moved from one film structure to another.

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.During braking, due to the formation of thermoelectric pairs, the electric field increases, causing a breakdown of the (spark) layer of friction lining materials associated with the appearance of free carriers (electrons and ions) from metal and bipolar polymer elements, and the layer of friction lining materials ceases to be an insulator and electric current arises and flows in it.

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.A tape brake with electrothermally stimulated depolarization of interacting sections of metal-polymer friction pairs in the form of kinematic schemes is shown in FIG. 1 and 2; in FIG. 3 illustrates a longitudinal section through the friction assembly along AA of FIG. 2; in FIG. 4 shows a longitudinal section of a brake pulley made in the form of a ring-frame with protrusions; in FIG. 5 and 7 show the models of friction contact “polymer (1) - metal (2)” and “polymer (1) - polymer (3)”; in FIG. 6 and 8 illustrate the density of electric charges (b) at the friction contacts “polymer (1) - metal (2)” and “polymer (1) - polymer (3)” along the length (l) of their macroregions; in FIG. 9 shows the electrical circuit of the friction contact “polymer - metal” and “polymer - polymer”; in FIG. 10 and 11 are diagrams of the construction of external double electric layers on the friction contacts “metal (M) - polymer (P ₁ )” and “polymer (P ₁ ) - polymer (P ₂ )”; in FIG. 12 and 13 show the contact phenomena in the pair of friction "metal (M) - polymer (P ₁ )"; in FIG. 14 and 15, the contact phenomena in the friction pair “polymer (P ₁ ) - polymer (P ₂ )” are illustrated; in FIG. 16 a, b, c show the dipoles that occur during adsorption on the metal surface, a, b - chemisorption: covalent; ionic; c - physical sorption; d is the distance between the centers of charges; in FIG. 17 a, b, c, d, d shows thermoelectric pairs with a closed (a, b, c, d) and open (d) circuit: 1, 2 - metals; 3 - polymers; 4 - weak electrolyte.

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.According to the kinematic scheme (see Fig. 1), the friction linings 3 are mounted on the brake belts 2, which are attached to the balancer 11 at one end (from the side of the runaway branch II of the belt 11) and the crank necks 6 and 9 crankshaft 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.Serial tape-shoe brakes of a drawworks operate as follows. By moving the handle 1, the crankshaft 10 is rotated, as a result of which the driller tightens the brake bands 2 with the friction linings 3, and they sit on the brake pulleys 4. The braking process with a tape-block brake (see Fig. 2) is characterized by the following stages: initial (first ), intermediate (second) and final (third). Let us dwell on each of the stages separately.

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.At the initial stage of braking, the friction linings 3 are located in the middle part of the brake band 2, interact with the working surface of the brake pulley 4. The front of interaction extends towards the friction linings 3 of the running branch (I) of the brake band 2.

Промежуточная стадия торможения характеризуется дальнейшим распространением фронта взаимодействия в сторону фрикционных накладок 3 сбегающей ветви (II) тормозной ленты 2.The intermediate stage of braking is characterized by the further spread of the interaction front towards the friction linings 3 of the runaway branch (II) of the brake belt 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.The final stage of braking is characterized by the fact that almost all the fixed pads 3 of the brake belt 2 interact with the working surface of the rotating pulley 4. During braking, the sequence of friction surfaces coming into contact is repeated. The full braking cycle is completed by stopping the brake pulleys 4 with the drum 5. The control of the winch brake is also carried out by supplying compressed air through the driller's valve 7 to the pneumatic cylinder 8, the rod of which is connected to one of the crank crankshaft necks 10 of the brake. The pressure value of the compressed air in the pneumatic cylinder 8 is regulated by turning the crane 7 of the driller.

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.When uneven wear of the friction linings 3 mounted on the belts 2, the balancer 11 at the time of braking slightly deviates from the horizontal position and evens the load on the runaway branch (II) of the brake belts 2, while ensuring uniform and simultaneous girth of the brake pulleys 4. Thanks to ball joints the implementation of the loads from the brake bands 2 to the balancer 11 is not changed.

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.A device with electrothermally-stimulated depolarization of metal-polymer friction pairs of a band brake contains the upper part of the pulley body 4, consisting of a skeleton ring 12 having protrusions (friction elements) 13 made in the form of a “dovetail”. The frame ring 12 together with the protrusions 13 is made of bipolar polymeric material with respect to the friction materials of the lining 3. The protrusions 13 located along the perimeter of the frame ring 12 in increments $$\frac{\pi }{}$$$$\frac{}{2}$$

. Between the protrusions 13, metal sectors 14 with slices are mounted, thus providing a dovetail connection. The upper part of the pulley body 4 is pressed onto its lower part, made in one piece with the mounting flange 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».The working surfaces of the friction protrusions 13 and the metal sectors 14, when interacting with the working surfaces of the serial friction linings 3, form friction pairs “polymer-metal” and “polymer-polymer”.

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:The metal-polymer friction pairs of the tape-shoe brake can be represented as a thermoelectric generator that generates current due to the occurrence of the Seebeck phenomenon. The appearance of an electric current in a closed circuit with heterogeneous materials "polymer - metal", "polymer - polymer", the surfaces of which should be at different contact temperatures. Contact potential difference - electric potential difference $$\Delta \varphi$$

, which occurs during microcontact of the interacting surfaces of the friction units of the tape-shoe brake. The contact potential difference depends on the output potential difference $${\varphi }_{\mathrm{one}}-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\phi "\; filenames="00000066.png,00000067.png"\; state="\{\{state\}\}">\varphi </figure-callout>}}_2$$

interacting materials, absolute temperature $$T$$

contact, which is different concentration $$n_{\mathrm{one}}$$

and $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="n"\; filenames="00000066.png,00000067.png"\; state="\{\{state\}\}">n</figure-callout>}}_2$$

electrons and ions in them:

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

(1) $$\Delta \varphi ={\varphi }_{\mathrm{one}}-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\phi "\; filenames="00000066.png,00000067.png"\; state="\{\{state\}\}">\varphi </figure-callout>}}_2+\frac{kT}{e}\ln \frac{n_{\mathrm{one}}}{n_2}$$

(one)

где $$k$$

- постоянная Больцмана; $$e$$

- электрический заряд.Where $$k$$

- Boltzmann constant; $$e$$

- electric charge.

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.Due to the fact that the contacting surfaces of the friction unit of the tape-shoe brake have different temperatures, a thermoelectromotive force arises in the circuit, the magnitude of which is widely proportional to the difference in surface temperatures $${\epsilon }_T=\alpha (T_{\mathrm{one}}-T_2)$$

. Constant $$\alpha$$

the larger, the greater the difference between the concentrations of electrons and ions in the contacting materials of the surfaces of the friction pairs of the brake.

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.We consider a metal-polymer friction pair of a tape-block brake as a source of tribo- and thermoEMF ( $$E_O$$

and $$E_T$$

) with corresponding internal resistances (Fig. 9). The internal resistance of the triboEMF source is the resistance of the actual contact, including the resistance of the macro-contact areas: “polymer - juvenile metal surface” ( $$R_{\mathrm{one}}$$

); “Polymer is an oxide film of metal” ( $$R_2$$

); “Polymer is a metal with a transferred polymer film” ( $$R_3$$

); "Polymer - metal with a transferred metal film - metal" ( $$R_{\mathrm{four}}$$

); "Polymer - polymer" ( $$R_5$$

); “A surface layer of polymers in a different metastable state - metal” ( $$R_6$$

), and the source of thermoEMF is the resistance of the actual contact, in series with the resistance of the volumes of polymers ( $$R_{P_{\mathrm{one}}}$$

) and ( $$R_{P_2}$$

) Capacity ( $$c$$

) connected in parallel with the resistance of the actual contact ( $$R_{P_{\mathrm{one}}}+R_{P_2}$$

), reflects the contribution of the uninterrupted zones of the interacting macroareas.

Первоначально рассмотрим пару трения «полимер - металл».Initially, we consider a polymer – metal friction pair.

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 (-).In accordance with the above diagram (Fig. 9) triboEMF ( $$E_F$$

) is the sum of the contact component due to the presence of the contact potential difference ( $$\Delta {\varphi }_{\mathrm{one}}$$

): external - due to the fact that the working surface of the metal friction element gives the electrons to the working surface of the polymer friction lining and it accumulates them on its surface, which leads to the appearance of an electric field with very short lines in the heated layer, which is called a double electric layer (Fig. . 10). When a double electric layer occurs over the entire conductive surface of the interaction, electric charges $$+q$$

and $$-q$$

are shifted relative to each other due to the slow rotation of the metal friction element during braking with a tape-block brake. In this case, macro-sections of the friction surfaces of friction linings having residual compressive stresses become anodes (+) - worn-out, and stressed (worn-out) - cathodes (-).

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.Consider the contact phenomenon in the case of a metal-polymer friction pair, separated by a thin gap, at a temperature of polymer friction materials below the permissible level (Fig. 12). Contact potential difference ( $$\varphi$$

) is defined as the difference between the electric potential (Fermi level) ( $$E_F$$

) metal ( $$M$$

) and polymeric material (P ₁ ). In FIG. 12, the surface potential barrier is shown by a dashed line, and the metal – polymer Fermi levels are solid horizontal lines. The presented scheme corresponds to the initial moment when the metal and polymer are located at a distance $$d_o$$

at which a possible effective exchange of electrons and ions.

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 According to FIG. 13, provided that $$\varphi >{\varphi }_{\mathrm{one}}$$

then $$j>j_{\mathrm{one}}$$

and electrons will be transferred from left to right. In this case, the metal surface is negatively charged, and the polymer is positively charged. An external electric field appears in the gap $$E_K^{(\mathrm{at}n)}$$

and corresponding potential difference $$U_K^{(\mathrm{at}n)}$$

. In this case, the equilibrium condition is the equality of the Fermi levels. In this case, the currents are equalized, i.e. $$j_{\mathrm{one}}=j$$

(see Fig. 13). Further, equality means that the potential barrier for electrons that move from left to right, i.e. $$\varphi +e{U}_K^{(\mathrm{at}n)}$$

, should be equal to the potential barrier for ions that move from right to left, i.e. $${\varphi }_{\mathrm{one}}$$

. In other words, equality holds.

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

. (2) $$\varphi +e{U}_K^{(\mathrm{at}n)}={\varphi }_{\mathrm{one}}$$

. (2)

Таким образом, после установления равновесия возникает контактная разность потенциаловThus, after equilibrium is established, the contact potential difference

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

. (3) $$U_K^{(\mathrm{at}n)}=\frac{\varphi -{\varphi }_{\mathrm{one}}}{e}$$

. (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 More complicated is the case when a polymer-polymer friction pair is considered, separated by a vacuum gap, at a temperature of the friction materials of the polymers below the permissible level (Fig. 14). In this case, the polymer ( $$P_{\text{2}}$$

) has the property of bipolarity, i.e. electric charges $$+q$$

and $$-q$$

, and the polymer ( $$P_{\text{one}}$$

) only by electric charge $$+q$$

. According to FIG. 15 provided that $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\phi "\; filenames="00000066.png,00000067.png"\; state="\{\{state\}\}">\varphi </figure-callout>}}_2>{\varphi }_{\mathrm{one}}$$

then $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="j"\; filenames="00000066.png,00000067.png"\; state="\{\{state\}\}">j</figure-callout>}}_2>j_{\mathrm{one}}$$

and electrons will be transferred from left to right. Moreover, in the polymer itself ( $$P_{\text{2}}$$

) an internal electric field arises $$E_K^{(\mathrm{at})}$$

, and in the gap between the polymers ( $$P_{\text{one}}$$

) and ( $$P_{\text{2}}$$

) an external electric field arises $$E_K^{(\mathrm{at}n)}$$

and corresponding potential difference $$U_K=E_K^{(\mathrm{at})}-E_K^{(\mathrm{at}n)}$$

. In this case, the Fermi level equilibrium condition is not observed. In this case, the currents do not equalize, i.e. $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="j"\; filenames="00000066.png,00000067.png"\; state="\{\{state\}\}">j</figure-callout>}}_2\ge j_{\mathrm{one}}$$

(see Fig. 15). This inequality means that the potential barrier for electrons that move from left to right, i.e. $${\varphi }_2+e{U}_K$$

is not equal to the potential barrier for ions that move from right to left, i.e. $${\varphi }_{\mathrm{one}}$$

. In other words, the inequality

$${\varphi }_2+e{U}_K\ge {\varphi }_1$$

. (4) $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\phi "\; filenames="00000066.png,00000067.png"\; state="\{\{state\}\}">\varphi </figure-callout>}}_2+e{U}_K\ge {\varphi }_{\mathrm{one}}$$

. (four)

В случае установления квазивыравнивания возникает контактная разность потенциаловIn the case of the establishment of quasi-equalization, a contact potential difference arises

$$U_K=\frac{{\varphi }_2-{\varphi }_1}{e}$$

. (5) $$U_K=\frac{{\varphi }_2-{\varphi }_{\mathrm{one}}}{e}$$

. (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.Thus, the formation of internal and external electric fields, respectively, in a bipolar polymer material ( $$P_{\text{2}}$$

) and in the gap between ( $$P_{\text{2}}$$

) and polymer material ( $$P_{\text{one}}$$

), causing such a contact potential difference, which acts as a factor in suppressing the triboelectric effect in metal-polymer friction pairs, thereby contributing to a decrease in their energy load.

Из разнообразия фрикционных материалов для накладок тормозных устройств, воспользуемся данными Д.А. Болдырева с исследовательского центра ВАТ «АВТОВАЗ» (г. Тольятти, Россия).From the variety of friction materials for brake linings, we use the data of D.A. Boldyreva from the research center BAT "AvtoVAZ" (Togliatti, Russia).

Остановимся на химическом составе полимерных фрикционных накладок, которые представлены в табл. 1.Let us dwell on the chemical composition of polymer friction linings, which are presented in table. one.

Таблица 1 - Химический состав материалов фрикционных накладокTable 1 - the Chemical composition of the materials of the friction linings

Фрикционная накладкаFriction pad Содержание элементов, %The content of elements,% С_своб With _freedom SS AlAl CuCu FeFe SiSi ZnZn PbPb NiNi GG 16,4016.40 3,703.70 3,333.33 7,667.66 3,693.69 0,640.64 2,782.78 3,103.10 0,2600.260 BB 24,2024.20 2,952.95 3,953.95 3,343.34 14,9014.90 1,081,08 2,232.23 0,080.08 0,0200,020 CC 18,1018.10 -- 0,840.84 11,8011.80 27,4027.40 -- 3,283.28 0,130.13 -- AA 22,7022.70 -- 1,971.97 5,845.84 14,3014.30 1,121.12 3,673.67 0,160.16 0,0230,023 HH 19,6019.60 -- 0,240.24 5,135.13 19,5019.50 0,340.34 1,101.10 0,010.01 0,0040.004 DD 19,1019.10 -- 0,130.13 11,7711.77 35,2035,20 0,290.29 3,523.52 0,050.05 0,0080.008 JJ 22,3022.30 -- 0,310.31 0,230.23 30,9030.90 0,210.21 0,070,07 2,082.08 0,0010.001 KK -- -- 0,500.50 9,509.50 32,7032.70 0,280.28 2,682.68 2,402.40 -- LL -- -- 0,360.36 10,5010.50 34,0034.00 0,290.29 2,972.97 2,662.66 -- EE 19,4019.40 19,4019.40 0,670.67 8,238.23 19,4019.40 0,110.11 2,412.41 0,090.09 0,0100.010 FF 19,0019.00 19,0019.00 0,820.82 9,859.85 19,6019.60 0,240.24 3,563.56 0,160.16 0,0500,050 Фрикционная накладкаFriction pad TiTi SbSb BaBa CaCa KK MnMn MgMg NaNa SrSr GG -- -- -- -- -- -- -- -- -- BB -- -- -- -- -- -- -- -- -- CC 0,1400.140 -- -- -- -- -- -- -- -- AA 0,1400.140 -- -- -- -- -- -- -- -- HH 0,0600,060 -- -- -- -- -- -- -- -- DD 0,0200,020 -- -- -- -- -- -- -- -- JJ 0,0600,060 -- -- -- -- -- -- -- -- KK 0,0400,040 4,504,50 0,840.84 -- -- -- -- -- -- LL 0,0400,040 4,904.90 0,580.58 -- -- -- -- -- -- EE 0,0020.002 -- 2,882.88 2,882.88 0,040.04 0,130.13 0,100.10 0,050.05 0,020.02 FF 0,0800,080 -- 2,872.87 0,360.36 0,210.21 0,170.17 0,300.30 0,050.05 0,030,03

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.The materials of the friction lining are a composite consisting of a fraction of varying degrees of dispersion and chemical composition. In the table. 1 illustrates materials of friction linings of domestic Dafmi, Tans, Master (Ukraine) and foreign QH, Lockheed Feredo (Great Britain); ATE, Bosch (Germany); Samko (Italy); Rouluds (Hungary) and Polyhedron, VATI, STS, TIIR, EZATI (Russia). All presented materials of friction linings differ in hardness, strength and elasticity, in chemical and composite compositions, in size and dispersion of structural components.

Таблица 2 - Термоэлектрические эдс в парах трения «металл-металл» и «полупроводниковые соединения (ПС) - металл»Table 2 - Thermoelectric emfs in friction pairs “metal-metal” and “semiconductor compounds (PS) - metal”

МеталлыMetals Интервал температур, t, ºСTemperature range, t, ºС Е, 10^-4 ВE, 10 ^-4 V первыйthe first второйsecond отfrom доbefore Ag⁺ Ag ⁺ Pb⁺ Pb ⁺ 00 200200 8,388.38 Cd^- Cd ^- 00 100one hundred 1,661,66 Cu⁺ Cu ⁺ 00 100one hundred 3,373.37 Fe^- Fe ^- -230-230 100one hundred 6,736.73 Pt⁺ Pt ⁺ 00 100one hundred -3,10-3.10 Sb⁺ Sb ⁺ 00 100one hundred 42,8542.85 Zn^- Zn ^- 00 250250 8,298.29 ПСPS металлmetal Интервал температур, t, ºСTemperature range, t, ºС Е, ВE, B Cr₂O₃ ^- Cr ₂ O ₃ ^- Pb⁺ Pb ⁺ 950950 12851285 -0,212-0.212 CuO^- CuO ^- 170170 850850 -0,304-0.304 PbO^- PbO ^- 250250 390390 -5,613-5.613 Si^- Si ^- -200-200 360360 -0,302-0.302 ZnO^- ZnO ^- 355355 18601860 -0,813-0.813

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).The binder of all materials of the friction linings is phenol-formaldehyde resin (table. 1). In all materials of friction linings, the main solid inclusions are steel die-cutting, aluminum and brass (in the lining material D - copper shavings, mica).

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.A comparative analysis of the components that make up the materials of brake discs and friction linings showed that most of them relate to semiconductor materials (Table 2). In addition, the interaction of friction pairs “metal - polymer” and “polymer - polymer” allows the formation of various types of films on their surfaces depending on the thermal state of metallic and non-metallic friction linings and elements.

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.Due to the fact that the materials of the friction lining and the element behave differently in the temperature range up to and above the permissible temperature, and their surface layers can be completely and partially in the solid state in the liquid and gaseous state. Based on this, we distinguish the following types of interfaces: "metal - polymer"; “Metal - polymer with liquid”; “Metal is a polymer with liquid and gas”; "Metal - gas - polymer"; "Polymer - polymer"; "Polymer - polymer with liquid"; "Polymer - polymer with liquid and gas"; "Polymer - gas - polymer." The impact on the separating layers in the friction pairs of brake devices are: volumetric and boundary viscosity, heat capacity; chemical activity and containing layers are the subject of special studies, since thanks to them processes of sorption, desorption and adsorption occur.

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. Electrification of two polymeric materials by friction during braking is not connected (in any case, directly) with the polarization of their surface layers. The polarization phenomenon is due to the formation of coupled electric charges, which are special because they cannot be “removed” from the surface layers of the working surfaces of the friction linings 3 and elements 13. However, the latter are made of bipolar polymeric materials, which, due to their internal electric field, can attenuate the effect of bound electric charges of the working surfaces of the friction linings 3, which contributes to electrothermally stimulated depolarization of the interacting sections of the metal of friction pairs of tape brake shoe.

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.Consider the case of the behavior of the molecule, which is a component of the friction materials of the linings 3 or elements 13, having a dipole moment (a dipole is characterized by the magnitude of the charge and the shoulder, ie the distance between the centers of charges (Fig. 16 a, b, c) in the absence of an electric field. " A dipole "molecule behaves like a system of two point charges (one point is the center of gravity of the negative, and the other is the center of gravity of the positive charges). In this case, both polarization mechanisms will take place: the rotation of the molecules and the displacement of electrons.

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:In the absence of an electric field, the molecules in the polymers are randomly arranged. For the volume of a polymer containing many molecules, the resulting dipole moment is zero, since they add geometrically. An electric field moves polymer molecules, forcing them to orient in one direction. Moreover, in the process of interaction of sections of metal-polymer brake friction pairs, two forces enter into the confrontation:

- тепловое движения, которое вносит беспорядок в расположение молекул;- thermal motion, which makes a mess in the arrangement of molecules;

- электрическое поле, упорядочивающее расположение молекул.- an electric field that orders the arrangement of molecules.

В связи с этим, чем выше поверхностная температура рабочих поверхностей фрикционных накладок 3 и элементов 13, тем труднее электрическому полю ориентировать молекулы.In this regard, the higher the surface temperature of the working surfaces of the friction linings 3 and the elements 13, the more difficult it is for the molecules to orient the electric field.

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.The work done by an electron located in the adsorbed layer near the surface of the metal friction element depends on how the dipole (Fig. 16 a, b, c) is located relative to the (imaginary) electronic plane. In this case, the electron does the work of overcoming only the full or half of the potential of the adsorbed layer. In this case, it is necessary to take into account the fact that in the surface layer of the friction lining, when the binder components of its materials burn out, when the acceptable temperature and above its molecules are reached, the molecules of the formed electrolyte are strongly oriented, as a result of which their effective dipole moment increases with respect to the dipole moment of the surface of the metal friction element . This circumstance is one of the main conditions for the inversion of many microcurrents from the working surface of the plates to the working surface of the metal friction element.

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.Let us evaluate what is happening with the components of polymeric materials (friction linings 3 and elements 13) with an increase in the electric field during the interaction of sections of the metropolitan polymer friction pairs of the tape-shoe brake. Obviously, the polarization of polymeric materials should increase, due to the extension of dipoles: in an atom, this is the shift of the electron cloud relative to the nucleus; in a molecule, the removal of two ions from each other. In this case, how long an electron drawn by an electric field far from the nucleus is still the atom’s electron, and two ions that are already far enough apart form the molecule as before. There is a limit even with sufficient tension $$E$$

electric field, since a breakdown of the (spark) layer of polymer material occurs. In any case, the breakdown is associated with the release of electrons or ions from metal and bipolar friction elements, i.e. creation of free media. The layer of polymer material ceases to be an insulator, an electric current flows through it.

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.The transition of electrons from one film structure to another, formed during friction in metal-polymer friction pairs of a tape-shoe brake, is possible for metals, semiconductors, and polymers. It is not possible to electrify only polymer materials, because only in them charges remain in those places where they moved from one film structure to another. At the same time, metal, semiconductor and polymer film structures are formed on the interaction surfaces of the polymer – metal and polymer – polymer pairs, which are capable of acting as thermoelectric pairs.

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.In addition to the macro thermal batteries illustrated in Russian Patent 2352832C, FIG. 17 a, b, c, d, e thermoelectric pairs with a closed (a, b, c, e) and an open (d) circuit are shown. A closed circuit (option c) is characteristic of the pad and the element when their friction materials reach a temperature above the permissible level.

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.The spontaneously depolarized state of the working surfaces of the friction linings 3 and the friction elements 13 can be stable when it is energetically favorable for the friction pairs of the brake than the polarized one. In this case, for a spontaneously depolarized state, it is necessary to take into account not only the energy of the surfaces of the friction linings 3 and elements 13, but also the energy of the external electric field, the currents of which are generated at the interacting sections of the metal-polymer brake friction pairs, as well as the energy of the electric field embedded in the structure of bipolar polymer materials, which are the friction elements 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.TriboEMF in friction pairs “metal - metal” and “semiconductor compound - metal” are given in table. 2. From the latter it follows that thermocouples composed of materials having a positive thermoelectric EMF will work in thermoelectric generators modes, and negative thermoelectric EMF in thermoelectric coolers modes. Of the specified in table. 2 components and bipolar friction elements 13 are manufactured.

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 элементамиIn accordance with the operation of microthermal batteries in the modes of a microthermoelectric generator (TG) and microthermoelectric refrigerators (TX) and the presented electrical circuit (Fig. 9), triboEMF ( $$E_F$$

) is the sum of the contact-sliding component due to the presence of the contact potential difference of the polymer – metal and polymer – polymer pairs, as well as to the component due to mass transfer in the friction zone of macroareas and sorption-desorption processes in the surface layers of contacting materials. Then the current generated in the circuit due to triboelectric power ( $$I_F$$

) will be the algebraic sum of the currents from which the depolarization current is subtracted ( $$I_{dP}$$

) created by bipolar friction elements

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

(6) $$I_F={І}_{\mathrm{FROM}\mathrm{TO}}+{І}_M+{І}_D+{І}_R-{І}_{dP}$$

(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).Where $${І}_{\mathrm{FROM}\mathrm{TO}}$$

, $${І}_M$$

, $${І}_D$$

, $${І}_R$$

- currents arising from the electrification of slip and contact; motion of charged particles of frictional mass transfer; sorption-desorption processes in the surface contact layers; thermal; reverse charge arising from the destruction of the frictional contact (pulse current).

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.The considered phenomena and processes occurring in metal-polymer friction pairs of a tape-shoe brake relate to the operation of a device with electrothermally stimulated depolarization in various modes of interacting sections of metal-polymer friction pairs. In this case, the generated current on the surfaces of metal-polymer friction pairs of the tape-shoe brake is accompanied by thermal processes without taking into account the chemical and magnetic effects on current and heat.

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.Reducing the energy load of metal-polymer friction pairs of the tape-shoe brake at different loading modes allows friction linings to work at surface temperatures below the allowable for their materials, which not only reduces the friction forces, but also stabilizes the wear characteristics of the brake friction assemblies. In this case, there is a decrease in wear of the working surfaces of the friction linings of the brake bands.

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.Thus, the use of a device with electrothermally stimulated depolarization of interacting sections of metal-polymer friction pairs of a tape-shoe brake using bipolar polymeric materials during braking can reduce the generated actual current due to the depolarization current and thereby reduce their energy load, which will lead to a decrease in the friction force in friction nodes and, as a result, reduce wear on the working surfaces of the friction linings.

Источники информацииInformation sources

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].1. Alexandrov M.P., Lysyakov A.G., Fedoseev V.N. etc. Braking devices (reference book). - M.: Mechanical Engineering, 1985. - 308s. (Fig. 3.18, p. 121) [analog].

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].2. Kostetsky B.I., Nosovsky I.G., Karaulov A.K. and others. The surface strength of materials under friction. - Kiev: Technique, 1976. - 296 p. (p. 227-228) [prototype].

3. Патент России №2352832 С2, МПК F16D 49/08; F16D 65/813 от 20.04.20009 г. [прототип].3. Russian patent No. 2352832 C2, IPC F16D 49/08; F16D 65/813 dated 04/20/20009 [prototype].

Claims (1)

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. Band brake with electrothermally stimulated depolarization of interacting sections of metal-polymer friction pairs containing a brake belt with friction linings mounted on a grasp arc with a uniform pitch, a combined pulley and drive, characterized in that the upper part of the pulley is made in the form of a skeleton ring made of bipolar polymeric material with a dovetail protrusion (friction element) in increments

along its perimeter, and between the protrusions there are metal sectors with bevels and with flanges on their lateral sides.

Images