CC BY
58
Л. В. ДАШКО, научный сотрудник, Научно-исследовательская лаборатория Экспертно-криминалистического центра МВД России (Россия, 125130, г. Москва, ул. Зои и Александра Космодемьянских, 5)
A. В. ДОВБНЯ, старший эксперт отдела взрыво- и пожарно-технических экспертиз, Управление технических экспертиз Экспертно-криминалистического центра
МВД России (Россия, 125130, г. Москва, ул. Зои и Александра Космодемьянских, 5)
B. Ю. КЛЮЧНИКОВ, заместитель начальника отдела взрыво- и пожарно-технических экспертиз, Управление технических экспертиз Экспертно-криминалистического центра МВД России (Россия, 125130, г. Москва, ул. Зои и Александра Космодемьянских, 5)
Г. В. ПЛОТНИКОВА, канд. хим. наук, доцент, доцент кафедры пожарно-технической экспертизы, ФГКОУ ВПО Восточно-Сибирский институт МВД России (Россия, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 110; e-mail: [email protected])
УДК 614.841.2
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФРИКЦИОННУЮ ОСНОВУ ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК АВТОМОБИЛЯ
Приведены результаты исследований методом термического анализа фрикционной основы тормозных колодок фирмы "Ferodo", подвергшихся и не подвергавшихся тепловому воздействию при различных температурах, с целью получения данных для использования при производстве пожарно-технической экспертизы для установления причин пожаров на автотранспортных средствах.
Ключевые слова: пожар; пожарно-техническая экспертиза; автотранспортные средства; тормозные колодки; фрикционная основа; термический анализ.
В последние годы в России проблемы расследования и исследования пожаров на автотранспортных средствах (АТС) становятся все более актуальными. При этом представляется важным установление истинных причин пожаров и их виновников.
Во многих случаях возникновение пожара на автотранспортном средстве происходит в условиях неочевидности, поэтому для выяснения технических причин возникновения и развития пожаров необходимо проведение экспертиз и исследований различного профиля. Обширность применяемых технических знаний, которые базируются на фундаментальных законах физики и теплофизики, химии и химии горения, электротехники, материаловедения; использование научно-технических разработок в области пожарной тактики и пожарной безопасности, а также применение новых технологий объясняется тем, что в автомобиле конструктивно объединены элементы и системы, которые могут эксплуатироваться в экстремальном режиме, поэтому они могут быть опасны с точки зрения возникновения возгорания.
Исследование пожара на АТС имеет значение не только в уголовно-правовом аспекте, но и при решении вопросов, связанных с выплатой страхово-
го возмещения, поскольку автомобиль, как и любой другой объект собственности, может быть застрахован владельцем, в том числе и от пожаров, по различным причинам.
Пожары на автотранспортных средствах по количеству находятся на втором месте после пожаров в жилом секторе.
Несмотря на сравнительно небольшие размеры, современный автомобиль является сложным техническим устройством, совмещающим в себе передовые разработки, позволяющие его усложнять и совершенствовать. Однако это не исключает возможности возникновения пожаров на АТС по различным причинам, что наносит материальный ущерб, а иногда приводит к гибели людей. Пожары происходят не только в результате злоумышленных действий, но и нередко вследствие образования в работающих системах автомобиля горючей среды и появления в ней источников зажигания.
Исследование пожаров на автотранспортных средствах направлено на определение механизма возгорания, его дифференциацию как событие, обусловившее пожар, или как одно из последствий развития начавшегося ранее пожара. Исследование возгорания АТС представляет большие трудности ввиду ком-
© Дашко Л. В., Довбня А. В., Ключников В. Ю., Плотникова Г. В., 2013
пактности узлов и агрегатов, быстротечности процесса, а также потому, что из-за сильного теплового и пламенного воздействия уничтожается или сильно повреждается следовая картина на объектах-носителях.
Из материалов экспертной практики известно, что при пожаре на АТС основное влияние на характер процесса горения и формирование следовой картины термических поражений оказывает конструктивное исполнение различных отсеков автомобиля, их взаимное расположение и изолированность друг от друга и от окружающей среды.
Для пожарно-технического исследования важен следующий факт: все современные автотранспортные средства, несмотря на их разнообразие и назначение, объединяет то, что в них протекают различные физико-химические процессы, являющиеся в той или иной мере пожароопасными. Причем степень их опасности зависит не только от пожароопасных свойств применяемых веществ и материалов, но и от конструктивного устройства и режима работы автомобиля в целом. Это вызывает необходимость изучения как характеристик и показателей пожарной опасности различных систем, так и общей компоновки автомобиля.
Для правильной квалификации пожара на АТС необходимо его исследование специалистами, которые могут, применяя знания о возникновении и развитии горения различных веществ и материалов, дать объективное заключение.
В рамках производства пожарно-технических экспертиз нередко возникают задачи, связанные с определением технической неисправности элементов тормозной системы автотранспортных средств, находящихся в причинно-следственной связи с возникновением пожара.
Одним из важных элементов тормозной системы автомобиля являются тормозные колодки, которые играют значительную роль в безопасности движения. Они должны обеспечивать эффективное торможение в любых погодных условиях, особенно в сырую погоду. Тормозные колодки представляют собой металлическую пластину, на которой крепится специальная накладка, состоящая из фрикционных материалов (рис. 1).
Фрикционными материалами являются вещества с высоким коэффициентом трения, предназначенные для работы в условиях трения скольжения и высокой температуры. От характеристик фрикционного материала зависит качество тормозной колодки.
Для изготовления фрикционных материалов используют специальные смолы, синтетический каучук, органические и минеральные волокна, наполнители, модификаторы — всего около 300 компо-
С
Рис. 1. Тормозные колодки
нентов. Каждый производитель тормозных колодок имеет уникальную рецептуру фрикционного материала, которая держится в секрете. От фрикционного материала зависит коэффициент трения, жесткость и износостойкость тормозной колодки.
Фрикционные материалы, применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения, характеризуются высокой фрикционной теплостойкостью (т. е. способностью сохранять коэффициент трения и износостойкость в широком диапазоне температур), низкой способностью к адгезии, высокой теплопроводностью и теплоемкостью, хорошей устойчивостью против теплового удара, возникающего в результате интенсивного выделения тепла в процессе трения. Основа фрикционной смеси — армирующий компонент, от которого зависит прочность, термостойкость и стабильность тормозных свойств изделия. Выделяют асбестовые, безасбестовые и органические (на основе органических волокон) компоненты. Фрикционные материалы изготавливаются на основе органических волокон, связующим веществом служат каучуки, смолы и т. п.
Пластмассовые материалы на связующем из каучука имеют относительно высокий и устойчивый коэффициент трения при температуре на поверхности трения 220-250 °С. Они применяются для накладок тормозных колодок и колец сцеплений.
Пластмассовые материалы на смоляном связующем имеют более высокую износостойкость, но несколько меньший коэффициент трения. Один из лучших материалов этой группы — ретинакс, в состав которого входят фенолформальдегидная смола, барит, асбест и другие компоненты. Этот материал предназначен для использования в тормозных узлах с тяжелым режимом эксплуатации, где температура на поверхности трения может достигать 1000 °С [1,2].
Точное содержание компонентов во фрикционной основе колодок является предметом исследования и коммерческой тайной. Обобщая сведения, изложенные в различных источниках, состав органической или полуметаллической колодки можно выразить следующим образом: фенолоальдегидный полимер (матрица), сульфат бария (наполнитель),
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №6
69
фибры (усилитель), частицы анакарда, графит, сульфиды металлов, абразивы, "фрикционная пыль".
Испытания тормозных колодок, проводимые при тестированиях, показали, что при интенсивном использовании тормозные колодки могут нагреваться до 300 °С и более. При этом итальянские колодки Samko, которые "по холодному" тормозили отлично, в нагретом состоянии снизили эффективность почти в три раза: коэффициент трения упал с 0,6 до 0,22. А колодки "Полиэдр" при разогреве попросту вспыхнули. Сильное искрение вынудило снять с испытания и колодки АР Lockheed в паре с "фирменным" диском.
Знаменитый бренд Ferodo, под логотипом которого в настоящее время выпускают широкий спектр тормозных колодок для различных категорий автотранспорта, хорошо известен во всем мире благодаря высокому качеству продукции. В очередной раз он доказал это на примере тех образцов, которые были использованы для теста. В частности, модификации Premier FDB 1733, разработанные для Hyundai Sonata и произведенные на одном из американских заводов, продемонстрировали едва ли не самые высокие показатели в испытаниях на отрыв: запас прочности у этих тормозных элементов более чем в три раза превысил норматив, установленный российским ГОСТом.
Компания Ferodo специализируется исключительно на производстве деталей для тормозных систем. Имея огромный опыт и современные технологии, Ferodo предлагает тормозные колодки практически для всех автомобилей. Тормозные колодки Ferodo установлены на самые быстрые автомобили современности — Ferrari и Jaguar. В то же время при тестовых испытаниях установлено, что коэффициент "холодного" трения у колодок Ferodo составляет 0,44, а после прогрева до 250 °С их эффективность резко падает и коэффициент трения снижается до предельно допустимой отметки — 0,3. В цикле многократных торможений результат оказался еще хуже и составил 0,29. После остывания колодки Ferodo восстановились лишь на 80 % от первоначальной работоспособности (0,35), а вот износостойкость колодок оказалась хорошей: они стерлись лишь на 2,2 %.
Колодки сохраняют свой коэффициент трения в широком диапазоне температур — от 0 до 350 °С. Однако затем наступает момент резкого падения коэффициента трения под воздействием избыточной температуры, и дальнейший перегрев колодок может привести к их разрушению.
В экспертной практике имели место случаи, когда блокировка тормозных колодок приводила к разогреву тормозных дисков и барабанов с последующим возникновением горения. В связи с этим
■1 5 :жц МИД Росит 1(1
Рис. 2. Тормозная колодка компании Ferodo
перед экспертом ставятся вопросы о степени перегрева элементов тормозной системы. Их можно решить, используя метод термического анализа с целью исследования теплофизических параметров фрикционной основы тормозных колодок.
Исходя из вышеизложенного, для проведения исследований с использованием методов термического анализа в качестве объекта была выбрана фрикционная основа тормозной колодки компании Ferodo (рис. 2).
Для экспериментальных исследований были отобраны образцы, четыре из которых были подвергнуты тепловому воздействию при различных температурах, а один образец, не подвергавшийся тепловому воздействию, был использован в качестве эталона [3].
Для получения термически поврежденных образцов их помещали в муфельную печь и производили термостатирование при температурах 200, 300, 500 и 900 °С; время теплового воздействия составляло 5 мин. Исследования проводились на термоанализаторе SDT Q-600 фирмы ТА Instruments при следующих условиях: атмосфера—воздух; интервал температур 50-980 °С; скорость нагрева 20 °С/мин, линейная скорость продувочного газа 100 см3/мин.
На рис. 3 представлены результаты термогравиметрических (ТГ) измерений не подвергавшейся тепловому воздействию фрикционной основы тормозной колодки.
Сопоставив литературные данные [4,5] по составу фрикционной основы тормозных колодок, не содержащих асбест, с результатами проведенного термического анализа, можно сделать вывод о степени повреждения и пределе термической стойкости каждой из компонентных групп.
Из рис. 3 видно, что при нагреве до 200 °С во фрикционной основе происходит разложение органических связующих. При нагреве выше 200 °С во фрикционной основе начинается процесс разложения органических наполнителей, содержание которых в ряде случаев может достигать 50 %. При на-
110
100
90
80
70
60
1,496%
Г
Фенолформальдегидные смолы, различные каучуки
_УЧ._
84,00 °С
^_
1,431 %
"V
Органические связующие
266,61 °С
_)
10
15
17,82 %
Время, мин 20 25
696,81 °С
30
Неорганические компоненты, сульфаты
_уч_
Л
35
0
200
400 600
Температура, °С
Рис. 3. Результаты ТГ-измерений фрикционной основы тормозной колодки
868,31' 40
800
14,50 % 63,70
%
45 48
1000
800
600
0 1000
О
о св
я
400 1 £
200
гревании образца свыше 600 °С происходит разложение компонентов на основе неорганических соединений.
На рис. 4 представлены результаты ТГ-измерений образцов фрикционной основы тормозной колодки, предварительно повергшихся тепловому воздействию при разных температурах.
Из рис. 4 видно, что при температуре 200 °С максимальное разложение наблюдается у образца фрикционной основы, не подвергавшегося термическому воздействию, по сравнению с образцами, подвергшимися предварительному нагреву при температуре 200 и 300 °С. Потеря массы эталона составила до 3 %, что объясняется разложением органического связующего.
В интервале температур от 200 до 500 °С происходит разложение органической основы фрикци-
110
онного материала. Как правило, это различные фенолформальдегидные смолы и каучуки. Чем выше тепловое воздействие на образец, тем меньше содержание более летучих соединений в данном компоненте. Вследствие этого происходит смещение начала процесса разложения в область более высоких температур Тху (где х — индекс, характеризующий начало процесса разложения органической составляющей фрикционной основы тормозной колодки; у — индекс, отражающий воздействие температуры на фрикционную основу).
Из рис. 4 видно, что у образца, предварительно прогретого при температуре 300 °С, температура начала разложения органической основы составляет 393,8 °С, а у образца, отожженного при 200 °С, она ниже и составляет 330,8 °С. В образцах, отожженных
100
св и и я
3
90
80
70
60
726,21 °С
____, 393,82 °С 266,61 X т ^ 5 94,90 % -к. 88,49 %
- 769,30 °С
- т ху -1— 43 74,40 %
696,81 Р4 71,06%
Т ^6^70%
200
400 600
Температура, °С
800
1000
Рис. 4. Результаты ТГ-измерений образцов фрикционной основы тормозной колодки, не подвергавшихся термическому воздействию (/) и отожженных при температурах 200 (2), 300 (3), 500 (4) и 900 °С (5)
!ББМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 №6
71
при 500 и 900 °С, органическая основа практически отсутствует.
Начиная с 600 °С происходит разложение неорганических компонентов фрикционной основы. В качестве неорганических компонентов используются различные соли и оксиды, в частности сульфат бария (данные на основе рентгенофлуоресцентного анализа). У образца, прогретого до 300 °С, температура начала разложения выше, чем у образца, прогретого до 200 °С (769,3 и 748,3 °С соответственно). Начало процесса разложения неорганических компонентов смещено в области более высоких температур у образцов, отожженных при более высоких температурах Т2 (где 2 — индекс, отражающий воздействие температуры на фрикционную основу).
В то же время у образца, предварительно отожженного при 900 °С, температура начала разложения составляет 726,1 °С, а у образца, прогретого предварительно при температуре 500 °С, — 712,5 °С, т. е. процессы разложения в отличие от остальных начинаются при более низких значениях температуры. Этот факт обусловлен тем, что при первоначальном температурном воздействии произошло разложение части неорганической составляющей. В образце, отожженном при 900 °С, потеря массы составляет около 5 % за счет разложения сульфата бария.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что полученные данные позволяют оценить степень теплового воздействия на фрикционную основу тормозной колодки по следующим критериям:
1) потеря массы Дт (%) при фиксированных значениях температуры. В образцах, отожженных при более высоких температурах, значение этого критерия будет минимальным;
2) зольный остаток тз (%), определяемый по окончании процесса термоокисления при фиксированной температуре. Значение зольного остатка в образцах без теплового воздействия будет минимальным;
3) интервалы температур, внутри которых происходят процессы деструкции. Более широкий интервал наблюдается в образцах, не подвергнутых предварительному тепловому воздействию;
4) экстраполированные значения температур начала и окончания протекания термоаналитических эффектов. У термически деструктированных образцов экстраполированные значения будут смещаться в области более высоких температур (Тху, ТХ2).
Таким образом, используя результаты термического анализа при исследовании поврежденной фрикционной основы тормозных колодок, можно определить степень повреждения основы и температуру ее нагрева при эксплуатации при определении причины возникновения пожара автотранспортного средства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. КрагельскийИ.В. Трение и износ.—2-е изд., перераб. идоп.—М.: Машиностроение, 1968.—480 с.
2. Зельцерман И. М., Каминский Д. М., Онопко А. Д. Фрикционные муфты и тормоза гусеничных машин. — М. : Машиностроение 1965. — 240 с.
3. ГОСТ Р 53293-2009. Пожарная опасность веществ и материалов. Материалы, вещества и средства огнезащиты. Идентификация методами термического анализа. —Введ. 01.01.2010 г. — М.: Стандартинформ, 2009. — 24 с.
4. Мигунов В. П. Современные фрикционные металлокерамические материалы и перспективы их использования в машиностроении // В сб.: Оптимальное использование фрикционных материалов в узлах трения машин. — М. : Наука, 1973. — С. 17-25.
5. Brake pads and brake disks of the company FERODO. URL: http://www.ferodo-brakes.ru/index.php7op-tion=com frontpage&Itemid=1 (дата обращения: 29.03.2013 г.).
Материал поступил в редакцию 31 марта 2013 г.
APPLICATION OF THE METHODS OF THERMAL ANALYSIS IN THE STUDY OF THE INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE FRICTION BASIS OF THE BRAKE OF THE CAR
DASHKO L. V., Researcher, Scientific and Research Laboratory of Expert-and-Criminalistic Center of Ministy of Interior of Russian Federation (Zoi i Aleksandra Kosmodemyanskikh St., 5, Moscow, 125130, Russian Federation)
DOVBNYA A. V., Senior Expert of Explosion and Fire-and-Technical Expertise Department, Management of Technical Expertise of Expert-and-Criminalistic Center of Ministy of Interior of Russian Federation (Zoi i Aleksandra Kosmodemyanskikh St., 5, Moscow, 125130, Russian Federation)
: English
KLYUCHNIKOV V. Yu., Deputy Head of Explosion and Fire-and-Technical Expertise Department, Management of Technical Expertise of Expert-and-Criminalistic Center of Ministy of Interior of Russian Federation (Zoi i Aleksandra Kosmodemyanskikh St., 5, Moscow, 125130, Russian Federation)
PLOTNIKOVA G. V., Candidate of Chemical Sciences, Docent, Associate Professor of the Department of Fire Technical Examination, Eastern-Siberian Institute of Ministy of Interior of Russian Federation (Lermontov St., 110, Irkutsk, 664074, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
ABSTRACT
For establishing the technical causes of the emergence and development of fires automobile equipment, expert examination and investigation of various profiles. Fires do not take place only as a result of malicious acts, but often due to the education in the operating systems of the car of a combustible environment and appearance in it of ignition sources. Investigation of fires in vehicles is aimed at determination of the mechanism of ignition. The study of fire automobile presents great difficulties due to the compactness of knots and aggregates, the brevity of the process, but also because of the strong heat and the fierce impact is destroyed or heavily damaged tracking picture on objects-media. In the process of production of fire-technical examination, there are often tasks associated with the definition of a technical malfunction of the elements of the brake system, motor vehicles, which are in causal connection with occurrence of fire. Brake pads, which is an important component part of the brake system of the car, play a significant role in the traffic safety. In expert practice, there were cases, when the lock brake pads leads to heating of brake disks and drums with the subsequent emergence of burning. In this regard, the expert sets questions on the degree of overheating of the elements of the brake system. These questions can be solved using the method of thermal analysis, with the help of which explore the thermophysical parameters of friction basis of the brake pads. To conduct research using the methods of thermal analysis as the object was chosen as the basis of friction brake pads firm "Ferodo". By the results of the research found that, using the results of thermal analysis in the study of the damaged friction basis brake pads you can determine the degree of damage to the foundation and temperature of heating during the operation when determining the causes of the fire of the vehicle. In article results of researches of the fundamentals of friction brake pads firm "Ferodo" method of thermal analysis exposed and not exposed to thermal effects at different temperatures, with the aim of obtaining data for use in the production of fire-technical examination to establish the cause of the fire vehicles.
Keywords: fire; fire and technical expertise; motor transport means; brake linings; friction basis; thermal analysis.
REFERENCES
1. KragelskiyI. V. Treniye i iznos [Friction and wear]. Moscow, MashinostroyeniyePubl., 1968.480p.
2. ZeltsermanI. M., Kaminskiy D. M., Onopko A. D. Friktsionnyye mufty i tormozagusenichnykh mashin [Friction clutches and brakes caterpillar machines]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1965. 240 p.
3. National Standard of the Russian Federation 53293-2009. Fire hazard of substances and materials. Materials, substance and fire protective means. Identification by thermal analysis methods. Moscow, Standartinform Publ., 2009. 24 p. (in Russian).
4. Migunov V. P. Sovremennyyefriktsionnyye metallokeramicheskiye materialy iperspektivy ikh ispolzo-vaniya v mashinostroyenii [Modern friction ceramic materials and the prospects of their use in mechanical engineering. In collection: the Optimal use of friction materials in friction units of machines]. Moscow, Nauka Publ., 1973, pp. 17-25.
5. Brake pads and brake disks of the company FERODO. Available at: http://www.ferodo-brakes.ru/in-dex.php?option=com frontpage&Itemid=1 (Accessed 29 March 2013).
ISSN 0869-7493 ПOЖAPOBЗPЫBOБEЗOПACHOCTЬ 2013 TOM 22 №6
T3
