增強(qiáng)樹脂基無石棉閘瓦的摩擦性能分析

摩擦學(xué)知識轉(zhuǎn)移到工業(yè)中去的最有效的途徑就是在設(shè)計開始階段就進(jìn)行摩擦學(xué)設(shè)計,材料摩擦學(xué)設(shè)計 是這一階段的重要內(nèi)容,實驗選定的材料能否滿足設(shè)備的性能需要是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于閘瓦摩阻設(shè)計,需要放在具體的工況條件及設(shè)備運行參數(shù)之下,其工作速度范圍相對固定且范圍不會太大,制動壓力相對固定,接觸面平均溫度由于制動過程較短，且散熱率的影響,其浮動范圍一般不大。
筆者選用酚醛樹脂基復(fù)合材料閘瓦為實驗對,以礦井提升機(jī)實際工況條件和運行參數(shù)為背景,利用摩擦磨損綜合實驗裝置,在不同工況參數(shù)下,考察復(fù)合材料閘瓦摩擦系數(shù)隨工參數(shù)或其組合的變化情況,驗證了通過選擇不同參數(shù)組合的方法分析從變化曲線的不同特性方法的可行性。

1.測試原理

采用調(diào)壓變速摩擦試驗機(jī)測試 材料的對摩行為。測試原理如圖 1所示,轉(zhuǎn)數(shù)由裝在主軸附近的感應(yīng)式接近開關(guān)測出;正壓力由空氣壓縮機(jī)通過氣缸加載于兩個閘瓦試樣上;摩擦力通過安裝在摩擦架上與測力桿相連的拉力傳感器測出;閘瓦試樣的表面溫度由置于摩擦盤表面,靠近閘瓦與摩擦盤接觸部位附近的熱電偶測出。

1.2實驗工況參數(shù)的設(shè)定

采用調(diào)壓變速摩擦試驗機(jī),按照J(rèn)B/T 3721-1999 測試閘瓦的摩擦性能。試驗機(jī)的參數(shù)，總功率:20 kw;試樣中心與正壓力加載軸中心的距離150 mm;測試最大摩擦力:2000 N;摩擦力測量精度:1 N;測量誤差:5 N;正壓力測試范圍0.5~3.0 MPa;測量精度:5 N;控制誤差:15N;摩擦盤轉(zhuǎn)速范圍:100 ~2000 r/min ;速度控制誤差:10 r/min ;測試最高溫度:400C;摩擦盤溫度測量精度:1C,控制誤差:5C;重復(fù)性誤差:<1%。

參考以下五個標(biāo)準(zhǔn):GB/T 5763-1998 汽車用制動器襯片、GB/T 5764-1998 汽車用離合器面片GB/T11834-2000 工業(yè)機(jī)械用石棉摩擦片、QC/T227.1-1997摩托車和輕便摩托車制動片摩擦性能試驗方法、SY/T 5023-1994 石油鉆機(jī)用剎車塊、鐵路用合成制動閘瓦等的符合性試驗,進(jìn)行實驗條件設(shè)定，主要設(shè)定參數(shù)包括名義接觸壓力、滑動速度和接觸面溫度控制參數(shù),受硬件精度限制。名義接觸壓力(P)范圍設(shè)定在 0.6~1.6 MPa;滑動速度()范圍設(shè)定在 2.5~20 /s;接觸面溫度(I)在100~350C范圍內(nèi)可調(diào)。

1.3實驗步驟

(1)實驗在標(biāo)稱接觸壓力為 0.98 MPa速度為7.5 m/s 的條件下進(jìn)行;

(2) 速度保持恒定,名義接觸壓力以 0.98 MPa為中心,其余分別為 0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6 MPa ;(3) 名義接觸壓力保持恒定。速度中心值取為7.5 m /s,其余分別為 2.5,5.0,7.5,10.0,12.5,15.0.17.5,20 m /s ;

(4)輸出摩擦力,計算不同工況下的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)匯總成表,繪制曲線并分析;工況參數(shù)的設(shè)定由計算機(jī)控制系統(tǒng)完成。

2.單參數(shù)的實驗方法

實驗中探索的單參數(shù)曲線包括u-P,u-v,u-T曲線。過程是將實驗數(shù)據(jù)以精度 0.002 圓整,列表并繪圖,在此只列舉了u-P,u-v 曲線。圖 2 是當(dāng)滑動速度(v)設(shè)定 7.5 m/s 時,不同接觸面溫度(T下的u-P曲線。由圖2可知,=7.5 m/s 時,不同接觸壓力下的從隨T的上升的總體變化趨勢一致都是隨著T的升高而下降,其中 100,150200C的曲線特性相近,250,300,350C的曲線特性相近:從區(qū)間性上分析,當(dāng) T≤200C時，的增幅和增量大于T200C時的增幅和增量。

圖3是當(dāng)接觸壓力 P-0.98 MPa 時不同接觸面溫度T下從隨v的變化情況。由圖3 可知P=0.98 MPa時不同下的從隨T上升的總體變化趨勢較為一致,都是隨著的增大而減小。從區(qū)間上觀察,在v<12.5 m/s時,6種溫度下的降幅和負(fù)增量相近,在>12.5 m/s 時，的降幅和負(fù)增量都減小,曲線趨于平緩并伴有小幅的振蕩。

由以上分析可知,單參數(shù)曲線最大的優(yōu)點是采樣點在每條曲線上分布均勻,不會出現(xiàn)在X軸某個區(qū)域采樣點稀疏的情況,保證了摩擦曲線的可信性。

2.1雙參數(shù)的實驗方法

2.2 雙參數(shù)的實驗方法

實驗過程中探索的雙參數(shù)曲線包括從-(P·)U[1/(P·v)],u(/P),(P/v),H-(P·D),u(DI)，U-(P/I)，U-(T/P),U-(v/I),U-(T/v),在本文中只舉例了u(P·v),u-(/P),u-(P/v),從-[1/(Pv)],從-(100P/Z),從-(100v /D) 曲線,分別見圖 4~圖。

由圖4可知,u-(P·)數(shù)據(jù)點分布較為均，未出現(xiàn)明顯的采樣點稀疏區(qū)域,可信度較好,各個控制溫度的 μ-(P·) 雖然總體趨勢上呈現(xiàn)出下降的趨勢,但這條性質(zhì)表現(xiàn)的并不突出,連續(xù)性減弱;區(qū)間性和突變性表現(xiàn)特別強(qiáng)烈,呈現(xiàn)出明顯的分段性，例如(P·v) E[12,12.]區(qū)間時,(P·)微小的增量將引起u值的急劇下降;(P·)-12.5 的左側(cè)，變化劇烈,其右側(cè)曲線平滑，從 值波動不大。圖 5 為不同接觸溫度下u-(/P) 曲線。圖 5 與圖4 性質(zhì)相近,僅在初始階段v/P E[2.55,4.69] 時值隨v/P的增大而增大,在這一點上與圖 6 變化趨勢相反。

由圖6可知,各條接觸面溫度下的u-(P/v)變化曲線隨(P/v)值的增大表現(xiàn)的區(qū)間性非常明顯(P/v) ≤ 0.213 時,數(shù)據(jù)點分布密集,集中了 84 個采樣點中的 78 個,且在區(qū)間0.049,0.213]分布較均勻,表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)特性可信度較高;同u-(Po)一樣, 從數(shù)據(jù)上呈現(xiàn)在狹小區(qū)間上的多極值性圖7為不同T下u-[1/(P·)] 變化曲線。由圖7可知,在[1/(P·)] E[0.050,0.222]狹小區(qū)城集中了 93% 的數(shù)據(jù)點,這個區(qū)間表現(xiàn)出的從的變化特征較單參數(shù)從變化曲線更可信,例如,在[1 /(P·v)] E[0.05,0.08] 時,從隨[1/(P·)]增大呈現(xiàn)小幅增長趨勢,且以較高頻率小幅震蕩;[1 /(Pv)] E[0.082,0.083] 時從增幅極大,從圖形看變化率接近垂線;[1 /(P·v)] E[0.95,0.102]時降幅極大。

圖8為v=7.5 m/s 時u-(100P/D)變化曲線由圖8可知,隨100P/T的增大，值雖有小幅震蕩但總體呈現(xiàn)增大趨勢,曲線特別之處是在 100P/T=0.4 時，分別等于 0.452,0.47,0.496, 值變化在該點呈現(xiàn)明顯多值性,這對于參數(shù)組合研究方法來說并不奇異,原因是材料在該點組織結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料閘瓦試樣組分發(fā)生明顯的變化。

圖9為 P-0.98 MPa時u-(100/D)變化曲線由圖9可知,100v /T5 時， 分別等于 0.49,0.540.416.0.38.0.35,多值特性更加明顯:100v/T ≤5時,隨100v/T增大,振幅逐漸增大,100v/T≥5時隨 100v/T增大,振幅逐漸減小,并趨于中值。

2.1雙參數(shù)的實驗方法

實驗過程中探索的雙參數(shù)曲線包括從-(P·)U[1/(P·v)],u(/P),(P/v),H-(P·D),u(DI)，U-(P/I)，U-(T/P),U-(v/I),U-(T/v),在本文中只舉例了u(P·v),u-(/P),u-(P/v),從-[1/(Pv)],從-(100P/Z),從-(100v /D) 曲線,分別見圖 4~圖。

由圖4可知,u-(P·)數(shù)據(jù)點分布較為均，未出現(xiàn)明顯的采樣點稀疏區(qū)域,可信度較好,各個控制溫度的 μ-(P·) 雖然總體趨勢上呈現(xiàn)出下降的趨勢,但這條性質(zhì)表現(xiàn)的并不突出,連續(xù)性減弱;區(qū)間性和突變性表現(xiàn)特別強(qiáng)烈,呈現(xiàn)出明顯的分段性，例如(P·v) E[12,12.]區(qū)間時,(P·)微小的增量將引起u值的急劇下降;(P·)-12.5 的左側(cè)，變化劇烈,其右側(cè)曲線平滑，從 值波動不大。圖 5 為不同接觸溫度下u-(/P) 曲線。圖 5 與圖4 性質(zhì)相近,僅在初始階段v/P E[2.55,4.69] 時值隨v/P的增大而增大,在這一點上與圖 6 變化趨勢相反。

由圖6可知,各條接觸面溫度下的u-(P/v)變化曲線隨(P/v)值的增大表現(xiàn)的區(qū)間性非常明顯(P/v) ≤ 0.213 時,數(shù)據(jù)點分布密集,集中了 84 個采樣點中的 78 個,且在區(qū)間0.049,0.213]分布較均勻,表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)特性可信度較高;同u-(Po)一樣, 從數(shù)據(jù)上呈現(xiàn)在狹小區(qū)間上的多極值性圖7為不同T下u-[1/(P·)] 變化曲線。由圖7可知,在[1/(P·)] E[0.050,0.222]狹小區(qū)城集中了 93% 的數(shù)據(jù)點,這個區(qū)間表現(xiàn)出的從的變化特征較單參數(shù)從變化曲線更可信,例如,在[1 /(P·v)] E[0.05,0.08] 時,從隨[1/(P·)]增大呈現(xiàn)小幅增長趨勢,且以較高頻率小幅震蕩;[1 /(Pv)] E[0.082,0.083] 時從增幅極大,從圖形看變化率接近垂線;[1 /(P·v)] E[0.95,0.102]時降幅極大。

圖8為v=7.5 m/s 時u-(100P/D)變化曲線由圖8可知,隨100P/T的增大，值雖有小幅震蕩但總體呈現(xiàn)增大趨勢,曲線特別之處是在 100P/T=0.4 時，分別等于 0.452,0.47,0.496, 值變化在該點呈現(xiàn)明顯多值性,這對于參數(shù)組合研究方法來說并不奇異,原因是材料在該點組織結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料閘瓦試樣組分發(fā)生明顯的變化。

圖9為 P-0.98 MPa時u-(100/D)變化曲線由圖9可知,100v /T5 時， 分別等于 0.49,0.540.416.0.38.0.35,多值特性更加明顯:100v/T ≤5時,隨100v/T增大,振幅逐漸增大,100v/T≥5時隨 100v/T增大,振幅逐漸減小,并趨于中值。

2.2三參數(shù)的實驗方法

實驗過程中研究的三參數(shù)曲線包括u-[T/(Fv)],U-[(v·I)/P],U-(P·v·I),-[P/(·I)]u-[(P·v)/I],u-[D/(P·D)],U-[(P·D)/v],u-[1/(P·v·)]。6 種曲線雖然曲線形態(tài)差異非常明顯但從分析方法上沒有區(qū)別,在本文僅舉兩例,分別見圖 10 和圖 11。在數(shù)據(jù)點分布的區(qū)間性上，三參數(shù)模型的數(shù)據(jù)點均勻性小于單參數(shù)模型而高于雙參數(shù)模型,數(shù)據(jù)較為可信。從曲線特性上來說,三參數(shù)曲線既不像單參數(shù)曲線那樣對摩擦系數(shù)變化的總體趨勢和連續(xù)性上具有較強(qiáng)的表現(xiàn)力,也不像雙參數(shù)曲線那有對區(qū)間性和連續(xù)性具有極強(qiáng)的表現(xiàn)力,介于兩者之間。三參數(shù)曲線的獨特優(yōu)勢是在實驗中表現(xiàn)出頻率很大的振蕩,振幅也較大。由圖 10 可知,當(dāng)[T/(100P·v)]-0.408 時，u-0.512 達(dá)到峰值;當(dāng) T/(100P·) E[0.051,0.612] 區(qū)間時, 以極大的振幅振蕩，且頻率極小,表現(xiàn)出明顯的區(qū)間振蕩性。

圖11為u-[(P··D)/100]變化曲線。由圖 11 可知,當(dāng)[(P··D)/100]-2.45 時,從處于峰值0.512后隨(P··D)/100 增大有一個明顯的下滑,隨后進(jìn)入振蕩期,這種狀態(tài)持續(xù)到(P··D)/100=12.5 ;(P··I)/100 [12.5,44.1] 時，值有較大的振幅和較小的頻率變化;[(P··D)/100] E [44.1,60.025] 時，隨[(P··Z)/100] 增大，u以平滑的形態(tài)下降。在所有考察的曲線中，從-[(P·v·D)/100]曲線的區(qū)間性最為明顯,呈現(xiàn)出顯著的分段曲線特征。

3.結(jié)論

(1)單參數(shù)實驗方法適用于研究總體變化趨勢和變化的連續(xù)性,其不能表現(xiàn)出區(qū)間性和突變性,并對曲線變化的振蕩性的表現(xiàn)非常弱。

(2) 雙參數(shù)實驗方法由于對軸的單位長度的放縮變化,常常呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)點分布的極不均勻性,這就造成在采樣數(shù)據(jù)點密集的地方其對摩擦系數(shù)變化的刻畫精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單參數(shù)實驗辦法,但數(shù)據(jù)點稀疏的地方由于數(shù)據(jù)點的不足只能在分析中舍棄,例如圖11,共 84 個采樣點,每個數(shù)據(jù)點 10 組,共840組,但當(dāng)1/(P·v) E[0.222,0.408] 時,如此大的區(qū)域僅分布 6個數(shù)據(jù)點,所有摩擦系數(shù)變化刻畫是研究范圍選定為 1/(P·) E[0.051,0.222],其余部分舍棄。三參數(shù)實驗方法處理的某些曲線上也有類似情形。

(3)雙參數(shù)實驗辦法適用于研究摩擦系數(shù)變化的區(qū)間性和突變性,其曲線形態(tài)往往呈現(xiàn)出明顯的分段曲線特征;雙參數(shù)實驗方法對于曲線的總體變化趨勢和連續(xù)性刻畫上表現(xiàn)極差,但呈現(xiàn)出部分振蕩性。

(4)三參數(shù)實驗方法適用于研究摩擦系數(shù)變化的振蕩性,但在總體趨勢、連續(xù)性、區(qū)間性、突變性四個方面在不同的曲線上有不同的表現(xiàn),變化情況復(fù)雜于單參數(shù)、雙參數(shù)處理方法。

END

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