IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Рост парка автотранспортных средств (АТС) в крупных городах приводит к повышенному выбросу вредных веществ (ВВ) не только отработавшими газами (ОГ) двигателей автомобилей (оксида углерода (СО), углеводородов (СН), оксидов азота (NO_х) и ТЧ), но и за счёт изнашивания шин, тормозных механизмов и дорожного полотна, что в последствии увеличивает загрязнение приземного слоя атмосферы в городах, приводя к повышенному образованию смога, негативно влияющего на здоровье населения [1]. На основании выполненного анализа зарубежных и отечественных публикаций [2, 3] установлено, что интервалы распределения общих выбросов ВВ от различных источников варьируют в пределах: 60-90 % – материал дорожного покрытия; 9-36 % – выбросы от изнашивания шин автотранспорта; 1-4 % – выбросы от изнашивания тормозных механизмов автомобилей. При этом несмотря на то, что общее количество вредных выбросов в Москве (динамика с 2002 по 2030 год) существенно снижается за счёт выбросов ВВ с ОГ (эффект от введения ограничения на АТС экологических классов ниже 3) выбросы от дорожного покрытия, шин и тормозных механизмов ежегодно увеличиваются [3] (рисунок 1).

Несмотря на то, что каждый из источников выбросов достаточно подробно исследован, нормы и методы для контроля концентраций ВВ в процессе изнашивания шин, тормозных механизмов и дорожного полотна отсутствуют.

Рисунок 1 – Изменение ежегодных общих выбросов с отработавшими газами, продуктов изнашивания шин, тормозных механизмов, дорожного полотна 2002-2030 год в Москве (в тоннах) [3]

Одним из основных источников выбросов взвешенных твёрдых частиц являются продукты изнашивания тормозных систем автомобилей. Технические требования к тормозным свойствам автомобилей непрерывно ужесточаются. Действующие национальные и международные стандарты четко регламентируют пределы тормозного пути и максимальные замедления для различных АТС. Фрикционный материал тормозной накладки является важнейшим составным элементом механической части тормоза. От её состава и процентного соотношения компонентов зависит эффективность торможения и тормозной системы в целом. В тоже время продукты изнашивания тормозных механизмов являются источником выброса мелкодисперсных частиц (менее 10 мкм), которые оказывают негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека. При их длительном вдыхании в легких и бронхах происходит оседание взвешенных частиц, что способствует развитию заболеваний органов дыхания [4]. Поэтому основные требования к фрикционным материалам условно можно разделить на требования безопасности – это наличие стабильного коэффициента трения, минимальный износ, стабильность фрикционных свойств, и экологические требования – снижение вредных для человека и окружающей среды паров и продуктов изнашивания.

Цель работы: анализ факторов, влияющих на выброс ВВ в продуктах изнашивания тормозных механизмов и современных направлений по снижению их негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека.

Основными факторами, влияющими на степень изнашивания тормозных механизмов и концентрации ВВ, являются состав фрикционных материалов и особенности конструкций тормозных систем.

Влияние состава фрикционных материаловна износ элементов тормозной системы

Фрикционные материалы – материалы, работающие в условиях трения скольжения в устройствах торможения, имеющие высокий показатель коэффициента трения. Каждый вид АТС комплектуется тормозными накладками разной толщины и формы. Вместе с тем заводы изготавливают тормозные накладки разных типов практически по одной и той же технологии и из одного и того же сырья с разным соотношением компонентов (в состав формовочной смеси входят фенольные смолы, каучуки и металлические включения в виде порошков и стружки). Обычно в качестве материала для контртела (тормозной диск или тормозной барабан) используют чугуны, в основном марки СЧ 24 ГОСТ 1412-85, твердостью 187-241 НВ [4].

Современный состав фрикциона тормозных накладок – это сложная смесь, в которую входят около 20 компонентов, каждый из которых усиливает или ослабляет те или иные характеристики. На тормозные качества фрикциона значительное влияние оказывает состав и процентное соотношение используемых компонентов. Тормозные фрикционные накладки обычно состоят из четырех основных частей – обвязки, волокна, уплотняющих прокладок и модификаторов трения – которые ведут себя стабильно при высоких температурах. В качестве обвязок используются различные модифицированные фенолформальдегидные смолы. Волокна могут быть подразделены на металлические, минеральные, керамические или арамидные (органические), и состоят из стали, меди, латуни, титаната калия, стекла, асбеста, органического материала и кевлара. Уплотняющие прокладки обычно изготавливают из бария и сернокислой сурьмы, каолинитовой глины, магния, оксидов хрома и металлических порошков. Состав модификаторов трения может быть неорганическим, органическим или металлическим. Основным модификатором трения является графит, но помимо него также используются порошок акажу, резиновая мука и технический углерод.

Правилами ЕЭК ООН R90 [5]установлены требования, которым должны соответствовать тормозные накладки, что предполагает целый ряд испытаний для контроля их эффективности и механических свойств. Для выполнения требований стандартов, предъявляемых к тормозным накладкам, разрабатываются и применяются все более новые и совершенные фрикционные материалы. Примером этому стал запрет на использования асбеста.

В таблице 1 представлены продукты разложения при изнашивании тормозных механизмов на различные элементы, ионы, элементарный и органический углерод. В целях определения этого видообразования было использовано несколько источников информации и поэтому приведены минимальные, максимальные и средние значения. В некоторых случаях диапазон значений достаточно велик. Совершенно очевидно, что причиной этого является разнообразие материалов и источников, которые используются для производства тормозных фрикционных накладок. При этом авторы [6] считают, что для адекватной оценки необходимо провести исследование большей выборки материалов.

Таблица 1 – Продукты (элементы) разложения при изнашивании тормозных механизмов (частей на миллион на конкретный вес) [6]

Элемент	Минимальное значение	Максимальное значение	Среднее значение
Al	330	3770	2050
As	10,0	130,0	67,5
Ba	2640	74400	38520
Ca	1100	14300	7700
Cd	1,5	57,0	22,4
Cr	115	8050	2311
Cu	370	142000	51112
Fe	115000	399000	209667
K	190	857	523,5
Mg2+	6140	83000	44570
Mn	1700	3220	2460
Na+	80,0	15400	7740
Ni	80	60	327
	120	20000	6072
Sr	81,4	740	520
Zn	270	21800	8676

Кроме этого, в процессе изнашивания тормозных механизмов выделются не только твёрдые частицы, но и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Так при износе одной тормозной накладки образуется бензо(а)пирена 0,74 частей на миллион на конкретный вес, бензо(b)флуорантена - 0,42, бензо(k)флуорантена - 0,62.

Влияние конструкции тормозной системы на износ её элементов

Конструкцию тормозной системы, тип тормозных дисков и механизмов, площадь контакта с тормозным диском, начальную и остаточную толщину колодки определяет изготовитель автомобилей.

В настоящее время используются две основные конфигурации тормозной системы: дисковые тормоза, в которых плоские тормозные накладки прижимаются к вращающемуся металлическому диску, и барабанные тормоза, в которых накладки с загнутыми концами прижимаются к внутренней поверхности вращающегося цилиндра. Дисковые тормоза в основном используются в малогабаритных АТС (легковых автомобилях и мотоциклах) и на передних колесах грузовиков малой грузоподъемности. В последнее время дисковые тормоза стали применяться более интенсивно и на АТС большой грузоподъемности, что, в первую очередь, обусловлено их высокой эксплуатационной стабильностью. В этих тормозных механизмах обеспечивается незначительное падение эффективности торможения при нагреве тормоза или попадании воды на поверхности трения. Однако из-за меньшей площади фрикционных накладок дискового тормоза давление на них больше в 3-4 раза, механизм открыт для попадания пыли и грязи. Поэтому интенсивность изнашивания накладок дискового тормозного механизма больше, чем у барабанного. При этом при движении АТС частицы изнашивания беспрепятственно выбрасываются в атмосферу[4].

В барабанном тормозе основная часть частиц изнашивания остается внутри барабана, закрытого тормозным щитом. Через вентиляционные отверстия барабана в воздух попадают продукты трения. Оборудование автомобиля антиблокировочной системой приводит к тому, что в случае экстренных торможений колеса не блокируются и относительное перемещение тормозных колодок и диска (барабана) сохраняется в течение всего процесса торможения. Это способствует увеличению пути трения фрикционных элементов тормоза и интенсивности их изнашивания на 10-30 %.

Взаимное расположение тормозов АТС также оказывает значительное влияние на их интенсивность изнашивания. На легковых автомобилях и мотоциклах усилие торможения обычно применяется к передним колесам, в то время как задние колеса в основном используются для поддержания устойчивости АТС. По данным Kolioussis и Pouftis (2000 г) это приводит к более частой замене тормозных накладок на переднем мосту автомобиля (30000 км) по сравнению с накладками на заднем мосту автомобиля (50000 км). В грузовых автомобилях большой грузоподъемности энергия торможения распределяется более равномерно между мостами, причиной чего являются более низкие показатели интенсивности торможения и большая нагрузка в задней части АТС. Показатели интенсивности изнашивания также зависят от механизма включения тормоза (пневматический, электрический), что усложняет оценку срока службы тормозных фрикционных накладок. Например, для грузовиков и туристических междугородних автобусов средний срок составляет около 60 000 км. Полученные расчетным путем величины суммарного изнашивания дисковых и барабанных тормозов легкового автомобиля (таблица 2) показали, что выбросы твердых частиц при износе тормозной системы легкового автомобиля превышают Нормы по Правилам № 83 ООН на выброс твердых частиц в отработавших газах легковыми автомобилями в 3,7 раза [7].

Таблица 2 – Величины суммарного изнашивания дисковых и барабанных тормозов легкового автомобиля [7]

Автомобиль, комплектация	Определяемые показатели	Значение единичного изнашивания, г/км	Суммарное значение, г/км
Передняя ось дисковые тормоза Задняя ось дисковые тормоза	1. Износ тормозных колодок 2. Износ дисков	0,0011 0,0026	0,0088 0,0104 Итого на автомобиль: 0,0192
Передняя ось дисковые тормоза Задняя ось барабанные тормоза	1. Износ тормозных колодок переднего моста 2. Износ дисков 3. Износ тормозных колодок заднего моста 4. Износ барабанов	0,0011 0,0026 0,0017 0,0012	0,0044 0,0052 0,0068 0,0024 Итого на автомобиль: 0,0188
Передняя ось барабанные тормоза Задняя ось барабанные тормоза	1. Износ тормозных колодок 2. Износ барабанов	0,0017 0,0012	0,0136 0,0048 Итого на автомобиль: 0,0184

Расчет интенсивности изнашивания тормозных накладок барабанных механизмов автобусов показал, что среднее изнашивание тормозной накладки барабанных тормозов при гамма-процентном ресурсе (90 % – 80000 км) составляет 1124,5 г при усредненной интенсивности изнашивания 0,014 г/км. Суммарная интенсивность изнашивания от тормозных накладок автомобильным городским сочлененным автобусом с тремя осями, на которых установлено 10 шин, составляет 0,168 г/км.

Выводы

1. Увеличение выбросов взвешенных твёрдых частиц и ПАУ от изнашивания тормозных механизмов автомобилей способствует интенсивному загрязнению приземного слоя атмосферы в крупных городах. В работах сотрудников кафедры метрологии, стандартизации и сертификации Оренбургского государственного университета обосновано, что в ближайшее время необходим пересмотр международной концепции экологического нормирования не только вредных выбросов с отработавшими газами, но и от других источников, в том числе и тормозных механизмов, подверженных значительному износу в процессе эксплуатации АТС.

2. Необходима реализация современных организационно-технических мероприятий, снижающих выброс твёрдых частиц и канцерогенных веществ в приземный слой атмосферы от изнашивания тормозных механизмов.

3. Анализ известных методов оценки изнашивания тормозных механизмов свидетельствует об отсутствии единого подхода к описанию и оценке процесса изнашивания пары «тормозной диск (барабан) – колодка» и не учитывает особенности работы современных антиблокировочных систем.

4. Разработка достоверных методов оценки концентраций вредных веществ в продуктах изнашивания тормозных механизмов позволит не только оценить их вклад в загрязнение приземного слоя атмосферы, но и комплексно оценить экологическую безопасность автотранспортных потоков.

Список использованных источников

1 Третьяк, Л.Н. О системном подходе к оценке влияния автотранспортных средств в процессе эксплуатации на экологию городов / Л.Н. Третьяк, А.С. Вольнов // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2014. – №1. – С. 161–166.

2 Трофименко, Ю. В. Оценка загрязнения воздуха аэрозольными частицами менее 10 мкм от транспортных потоков на городских автомагистралях / Ю.В. Трофименко, В.С. Чижова // Экология и промышленность России. – 2012. – № 9. – С. 41-45.

3 Азаров, В. К. К вопросу об экологически чистом городском транспорте / В.К. Азаров, С.В. Гайсин, В.Ф. Кутенёв // Журнал автомобильных инженеров. – 2016 – № 2 (97) – С. 36-41.

4 Дугельный, В.Н. Основные тенденции развития фрикционных материалов тормозных накладок / В.Н. Дугельный, А.Ю. Логунов, Е.К. Ровный // Вестник Донецкой академии автомобильного транспорта. – 2013. – № 2– С. 30-31.

5 Экологичные и эффективные / Новости автобизнеса [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.remontauto.ru/rubric/pa/tekhnologii/305770/ – 22.02.2017.

6 Руководство ЕМЕП/ЕАОС по инвентаризации выбросов 2013. Общие руководящие указания по подготовке национальных инвентаризаций выбросов [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.eea.europa.eu/publications/emep-eea-guidebook-2013 – 12.02.2017.

7 Азаров, В.К. Разработка комплексной методики исследований и оценки экологической безопасности и энергоэффективности автомобилей: дисс. …кандидат техн. наук: 05.05.03. / В.К. Азаров. – Москва: НИИ автомоб. и автомотор. Ин-т «НАМИ», 2014. – С. 137.

 

7

 

Код для цитирования: Скопировать