Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-дослідницької та науково-практичної задачі, яка полягає розробленні у вузлів тертя стрічково-колодкових гальм бурової лебідки.
За результатами теоретичних й експериментальних досліджень із застосуванням багатокритеріального методу оптимізовано конструктивні та експлуатаційні параметри вузлів тертя і доведено ефективність камерного нанорідинного охолодження шківа стрічково-колодкового гальма бурової лебідки при електротермомеханічній фрикційній взаємодії в єдиному динамічному і тепловому полі. Сформульовано енергетичні принципи перебігу процесів, явищ та ефектів у механічних, електричних, теплових, хімічних та електромагнітних полях фрикційної взаємодії пар тертя гальмівних пристроїв. З урахуванням результатів теоретичних досліджень стосовно ієрархічних енергетичних рівнів у трибоспряженнях запропоновано класифікацію, яка об’єднує всі процеси, а саме: інтенсивність і розподіл теплових потоків, види теплообміну, потенціали, струми омиваючого середовища, градієнти, темпи перебігу процесів. На основі теплової моделі пар тертя стрічково-колодкового гальма розроблено метод оцінки теплового балансу складеного шківа з повітряно-нанорідинною системою охолодження. При цьому враховано вплив подвійних електричних шарів, які виникають на границях фаз і супроводжуються адсорбційними і дифузійними процесами, що суттєво підсилюють трибоефект.
Змодельовано нанорідинне охолодження складеного шківа в лабораторних стендових умовах. За результатами досліджень установлено режими обтікання нанорідиною стінок камери, які залежать від енергонавантаженості пар тертя гальма і режиму гальмування. Установлено, що інтенсивність і схеми циркуляції нанорідини в камері зумовлені неоднорідністю полів швидкості та розподілу об’ємної температури. Від них залежать сили внутрішнього тертя, швидкість конвективного переміщення наночастинок і загальні сили інерції потоку, які відповідають його турбулентному режиму за Рейнольсом.
Доведено, що за наявності інтенсивного теплообміну і дифузії виникають тепловий і дифузійний пограничний шари. У першому температура зменшується у напрямку від стінки камери до внутрішнього потоку. У дифузійному пограничному шарі змінюється концентрація парорідинної суміші. Установлено, що динамічний, тепловий і дифузійний пограничні шари простягаються у радіальному напрямку.
Застосовано новий підхід у дослідженні ефективності нанорідинного охолодження ободу шківа. Його умовно перерізами ділили на п’ять ділянок у напрямку від защемленого краю до вільного. Дослідження показали, що у першому перерізі має місце однофазний конвективний теплообмін нанорідини з макроділянками внутрішньої поверхні ободу, які характеризуються тепловою і гідродинамічною стабілізацією. У другій зоні починається кипіння нанорідини, у третій спостерігається початок інтенсивного нанопароутворення, унаслідок чого ефективність тепловіддачі стрімко зростає. У четвертій зоні змикаються пристінкові двофазні шари, режим руху нанопарової суміші бульбашковий. У кільцевому потоці п’ятої зони рухається перегрітий пар, тут відбувається послідовна зміна режимів течії від бульбашкового до дисперсно-кільцевого, інтенсивність тепловіддачі зростає.
При комбінуванні теплоносіїв у камері складеного гальмового шківа досягнуто зниження енергонавантаженості його ободу на 21%, а також поверхневих і глибинних температурних градієнтів, що повністю виключає можливість виникнення міркотріщин на поверхні тертя. Ообґрунтовано вибір типу наночастинок з урахуванням їх фізико-хімічних властивостей. Установлено, що для досягнення максимального ефекту охолодження коефіцієнт теплопровідності наночастинок має бути значно більшим, ніж матеріалу ободу шківа та стінок камери. Покращено основні експлуатаційні параметри пар тертя гальма: динамічного коефіцієнта тертя на 16%, гальмового моменту на 15%. Довговічність металополімерних пар тертя стрічково-колодкового гальма зросла на 25-30%, величина зносу фрикційних накладок зменшилася на 12-14%.
Досліджено перебіг крекінг-процесу у шарах робочих поверхонь фрикційних накладок при високих температурах, що значно перевищують допустиму. Установлено, що на інтенсивність крекінг-процесу впливають температура, питомі навантаження, коефіцієнт взаємного перекриття, присутність інертних газів та хімічні властивості компонентів поверхневого шару полімерної накладки.
Запропоновано трибоелектричний метод підбору металів для пар тертя гальма на основі значень їх трибоЕРС, а також з урахуванням електронних властивостей і теплофізичних характеристик. Це дозволяє створювати пари тертя с високим трибоефектом.
