摩擦制动

摩擦制动（精选7篇）

摩擦制动 篇1

盘式制动器广泛应用于矿山及车辆等领域,是带式输送机的主要制动装置。而摩擦片是带式输送机关键制动元件,摩擦片与制动盘组成的摩擦副通过摩擦力产生制动力矩,将带式输送机的动能转化为热能,从而实现带式输送机的制动[[1,2]。其中,摩擦力所作的功转化为热量,它使表层发热而温度达到较易熔化物体的熔点,摩擦副材料表层出现焦灼,导致热衰退变化急剧,严重影响制动效果[3,4]3[3,4]4[3,4]。此外,制动器的摩擦副在制动中产生摩擦热,不能迅速传导,形成局部热源,产生不均匀的温度场,它在摩擦表面形成的温度梯度产生的热应力会改变摩擦表面的接触应力,导致制动盘和摩擦材料表面裂纹的产生,使其机械强度和耐磨性下降,严重会造成制动失效[5]。因此,摩擦片性能直接影响制动系统的可靠性和稳定性。

1 盘式制动器制动原理及分析

如图1所示,盘式制动器依靠摩擦片与制动盘间的摩擦力产生的制动力矩实现制动。由于摩擦片表面有大量的微凸体以及凹陷,致使其表面受力不均。摩擦片上某微元处受到的摩擦力为fi,对应的制动盘上微元处的质量为mi,该力到制动盘的距离为ri,则产生的摩擦阻力矩为

式(1)中,Mi为该处摩擦力fi产生的制动力矩,N·m;i=1,2,3,…,n,而摩擦力fi是关于摩擦片接触表面的位置函数,N。整个摩擦片产生的阻力矩为

式(2)中,S为摩擦副表面接触面积,m2;d S为摩擦力fi所在微元的面积。该微元处的转动惯量Ji为

转动惯量Ji的单位为kg·m2,而质量mi是关于制动盘的位置函数。整个制动盘的转动惯量为

式(4)中,制动盘在摩擦阻力矩M作用下制动,即

式(5)中,α为制动盘的角加速度。

摩擦力fi是随着施加的制动压力Fi产生的,而两者之间存在正比例关系,该比例常数为动摩擦系数μi,即

在制动过程中动摩擦系数μi随着摩擦力fi和制动压力Fi的变化而发生变化,但在整个过程中摩擦系数围绕一定值波动,设该定值为μ,即为静摩擦系数。此时,制动压力Fi产生的摩擦力也可以简化为定值f,即

式(7)中,f=∫∫fid S。

1为制动盘,2为摩擦片,3为碟簧,4为制动钳

在制动过程中,摩擦系数随着制动速度以及制动压力等因素的变化而变化。

2 铜基摩擦片摩擦实验

2.1 实验选材及处理

铜基摩擦片具有良好的耐磨性及摩擦系数稳定性,且其热衰退性能较树脂基摩擦片更佳,故本实验选用某厂的铜基摩擦片作为实验对象。选用45#钢作为对磨材料。实验仪器选用MFT—4000多功能材料表面性能试验仪进行往复摩擦实验。

将摩擦片加工成6 mm×20 mm×20 mm方形试件。首先利用400#普通粘结剂砂纸进行粗加工,然后利用1 500#砂纸对其进行精加工,最后对其进行清理使其表面足够光滑。

本文分别在干式摩擦条件和湿式摩擦条件下对摩擦系数进行测试。其中湿式摩擦条件为摩擦副表面加水,干式磨擦不加水。

2.2 摩擦磨损机理分析

在制动初始阶段,相对运动的摩擦副表面产生压应力和剪切力,当剪切力远远超过材料的屈服极限时,导致摩擦副表面的微凸体出现断裂,产生磨粒磨损。在压应力的作用下,微凸体由于受到反复挤压而又未达到屈服极限时,摩擦副又出现了疲劳磨损。此外,断裂产生的磨屑由于有机成分比较多而相互粘结在摩擦副表面,该磨屑形成的界面膜内聚力大于其与两表面的黏结力,使得磨粒急剧增大,同时摩擦副表面的剪切力又将该界面膜剪开而粘结在在摩擦副表面,形成摩擦转移膜。同时,摩擦力做功产生的部分热以内部势能的形式集聚在转移膜内,随着转移膜内部温度逐渐升高,达到其熔点时,转移膜内部的有机物发生降解以及无机物的增加,致使转移膜内聚力降低而粘附在摩擦副表面,导致转移膜破裂而发生粘着磨损。

2.3 摩擦系数实验及分析

图2所示,在30 N制动压力下,摩擦系数随时间逐渐增高并趋于平稳,平稳后的摩擦系数大约为0.46。在0~3 min内,摩擦系数逐渐增加;3~7 min变化比较平稳;在7 min左右出现一次突变之后趋于平稳。同时,摩擦片表面的微凸体受对磨材料摩擦力作用而周期性地承受载荷,使得摩擦系数呈现出周期性变化,而随着摩擦力频繁往复使得摩擦片表面的微凸体产生疲劳并开始脱落出现磨粒,导致摩擦副表面初始的光滑界面表面逐渐变得粗糙;摩擦副表面受摩擦力的反复作用出现“凹槽”,落入“凹槽”中的部分磨粒受摩擦副材料的挤压作用而粘附在摩擦副材料表面,而摩擦力做功产生的热量使磨粒极易达到熔点,熔化并吸附在摩擦副材料表面起到强化作用,同时摩擦副表面出现了“第三体”,而新出现的“第三体”表面微凸体逐渐达到平衡状态,使得摩擦磨损逐渐趋于稳定。

载荷为30 N时,干式摩擦条件中,随着制动速度的增加摩擦系数变化幅度比较大,摩擦系数随着速度增加慢慢减小,主要原因是压应力一定时,摩擦副表面滑动速度增加,加快了磨粒磨损的进程,脱落的磨粒形成的转移膜表面粗糙度降低。随着速度越来越大,则该粗糙度越来越低,当速度增加到一定时,继续增加的速度对摩擦副表面微凸体的磨合过程影响逐渐减小,使得该过程摩擦系数呈现波动。湿式条件下,摩擦副中间有一层润滑膜,此时该磨损状态为边界混合磨损,摩擦系数随之降低。图3所示,摩擦系数整体趋势也速度为80 mm/min时,摩擦系数最大达到0.46;湿式摩擦条件下的摩擦系数相对比较平稳,基本上在0.30上下浮动,且在制动速度为160 mm/min时,摩擦系数达到最大值为0.32。

干式条件下,制动速度保持不变,制动压力逐渐增加,加大了摩擦副表面的疲劳磨损,此时制动速度不高,则转移膜的形成缓慢,摩擦系数逐渐增大,而制动压力增大的同时,转移膜内能急剧增加,又影响转移膜的形成,摩擦系数开始降低。湿式条件下,润滑膜起到一定的缓冲作用,降低了转移膜的内能,使得摩擦系数逐渐增高。如图4所示,制动压力从20 N到40 N过程中,摩擦系数变化趋势为先逐渐上升然后下降至0.4左右,其中摩擦系数在制动压力为30 N时达到0.46。湿式条件下,摩擦系数变化趋势比较平稳,大约为0.28,且摩擦系数在制动压力为40 N时达到0.30。从制动压力对摩擦系数的路线分析,无论是干式条件还是湿式条件,摩擦系数在30 N以前逐渐上升,30 N之后经过下降在上升。

2.4 磨损实验及分析

摩擦副表面在压应力作用下出现变形,随着两表面间出现滑移,粗糙表面的微凸体受切应力的作用逐渐断裂产生碎屑,此外受挤压应力作用,表面出现很多小裂纹,造成碎屑越来越多,碎屑沿着摩擦路径积聚产生体积更大的磨粒。磨损率是衡量磨损性能的指标,其计算公式为[6]

式(8)中,Δm为质量差。g;ρ为试样的密度,g·cm-3;S为摩擦路程,m。

干式摩擦条件下,制动压力保持不变,制动速度增加过程中,摩擦力做功产生的部分热致使转移膜内能增大,该转移膜内含有铜纤维、碳纤维、钢纤维以及其他耐磨性材料,在表面热的作用下重新烧结成机械性能更佳的“第三体”。制动速度越大产生的“第三体”越多,相应的磨损率也越小。湿式条件下,摩擦产生的热量一部分被液体吸收散发,此外,液体产生的润滑膜起到良好的缓冲作用,避免摩擦副表面的直接接触,而随着速度增大,润滑膜产生的力抵消一部分制动压力,使得磨损率更低。如图5所示,磨损率随着制动速度的增加逐渐降低,其中在120~160 mm/min内,磨损率略有所增加,然后继续下降;湿式条件下,磨损率随着制动速度的增加持续降低,且趋势逐渐趋于平缓。

干式摩擦条件下,制动速度不变时,制动压力逐渐增加过程中,磨损率随着制动压力的增加逐渐增大,摩擦副表面裂纹扩展加快,此外粗糙表面的微凸体断裂而脱落的碎屑体积也随之增大,相应产生的磨粒体积也越大。此外,压应力增加时,相应的摩擦力也在增加,生成的热量使得转移膜内能增加,转移膜内聚力随着压应力的增加逐渐小于配对体表面的黏着力,同时切应力又将转移膜切开,变成体积更大的磨粒,反复制动中加剧了磨损。湿式条件下,液体不仅充当微凸体的润滑膜起到缓冲作用,减轻碎屑的产生,而且摩擦副表面的液体随着制动压力的增加,产生的压力也相应的增大,减轻了摩擦副表面的直接接触,降低了磨损率。如图6所示,磨损率在20~25 N及30~35 N内磨损率变化趋势比较大;在25~30 N及35~40 N内磨损率变化比较平缓;湿式条件下,磨损率随着制动压力的增加变化趋势比较平缓。

3 结论

(1)分析了盘式制动器制动原理,推导出摩擦制动公式,进一步阐述了摩擦力对安全制动的重要性。

(2)分析了摩擦副的摩擦磨损机理,在制动压力为30 N时,摩擦系数随时间逐渐增大并趋于稳定,稳定后的平均值约为0.46。

(3)磨损率随制动压力增加而增加,随制动速度的增加而减小,其中制动压力为30 N,制动速度为80 mm/min时,达到最佳制动效果。

摘要：为了研究盘式制动器铜基摩擦片与制动盘的摩擦制动特性,分析了盘式制动器制动原理。通过对铜基摩擦片的摩擦特性进行实验,探讨了不同制动速度以及制动压力下摩擦系数和磨损率的变化规律。研究结果表明:制动压力为30 N时,摩擦系数随时间逐渐增大并趋于稳定,稳定后的平均值为0.46;磨损率随制动压力增加而增加,随制动速度的增加而减小;此外,制动压力为30 N、制动速度为80 mm/min时,达到实验中的最佳制动效果。

关键词：盘式制动器,铜基摩擦片,摩擦系数,磨损率,制动速度,制动压力

参考文献

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制动鼓、制动蹄摩擦片的维修 篇2

制动鼓内壁工作面, 经过长期的制动使用, 将出现严重的磨损。它的圆度发生了变化, 它的内工作面与它的安装定位面的同轴度也会发生变化, 以致汽车在行车制动时, 会发生种种故障, 譬如制动效果差、出现响声、发生振动等, 所以必须及时进行修理。至于采用什么修理方法, 可根据磨损情况加以确定。内壁工作面磨损不十分严重, 它的圆度和定位基准的同轴度变化不太大时, 可用搪削的方法加以解决。通常其内壁工作面的圆度达到0.5 mm, 与定位基准的同轴度达到0.2 mm就必须进行搪孔修理。制动鼓在工作中常见的损伤有摩擦面的磨损和起槽, 以及变形、失圆等。这些损伤将直接影响制动效能。因此制动鼓的工作表面必须平整光滑并与摩擦片有良好的接触。在不影响使用质量的情况下, 允许有轻微的擦伤、细小的沟痕、外台肩上有轻微的机械损伤。其圆度误差可用专用弓型内径规测量, 其半径误差超过0.13 mm, 或因蹄片铆钉外露而磨损成严重沟槽, 均应在车床或制动鼓搪削机上按实际磨损情况进行搪削。若汽车制动鼓出现破裂、严重变形或磨损, 内径超限时, 则应加以更换。修理完毕的制动鼓应作静平衡检查, 其静不平衡量不应大于200 g·cm。当制动鼓的工作表面出现沟槽, 或其圆度和径向全跳动 (即对轮毂轴心线的摆差) 超过使用要求时, 将严重影响到汽车的制动效能, 应及时进行搪修。制动鼓搪修的一般要求:以轮毂轴承外圈定位 (以保证搪修后的同轴度) , 搪修后, 制动鼓内径不得大于基本尺寸4 mm, 圆柱度不大于0.10 mm, 对轴心线的径向跳动量不大于0.10 mm。如果制动鼓内径磨损超过规定极限时, 应予以换新。

2.制动蹄摩擦衬片。

制动蹄摩擦衬片磨损严重, 或摩擦衬片表面严重被油沾污或烧蚀时, 均应更换新蹄片。更换时, 左右两轮必须同时进行, 而且必须选装同一生产厂家、同一牌号、相同材质的摩擦衬片。更换后的新蹄片与制动鼓贴合不好时, 应进行研磨, 直至达到要求。一般要求是保证蹄片与制动鼓的贴合面积大于摩擦衬片总面积的60%。制动蹄回位弹簧应检查其自由长度, 若超过其标准长度的5%时, 或各圈之间出现间隙时, 应更换。

制动蹄蹄筋如发生翘曲变形, 便会使其和制动间隙调整装置的螺栓 (螺母) 发生干涉, 和制动分泵活塞凹槽及制动支持板凹槽发生干涉, 这样, 便会影响制动蹄摩擦衬片总成自由张开和回位。若出现该情况, 可以用冷校正的方法进行修复。制动蹄底板发生变形, 也可以用冷校正方法进行修复。对于因变形或其他原因造成制动蹄底板焊缝开裂, 其垂直度不大于0.25 mm时, 可进行焊补并校正;若损坏太严重, 无法修复时应加以更换。制动蹄的拉紧弹簧必须保持一定的弹力, 若出现弹力严重下降, 往往会使制动蹄筋脱离制动支持板的凹槽被卡死, 造成制动解除不了。为此, 必须及时更换弹力严重下降的弹簧。

大型农用车制动器摩擦模型的构建 篇3

大型农用车因整车总量增多、平均行驶车速提高以及功率增大, 再加上路况不是太好, 所以需要更大的制动力。制动器是整车制动的执行机构, 各种制动控制的效果最终都需通过制动器来实现。因此, 有必要研究大型农用车的制动器的作用机理, 从而达到提高制动效能的目的。

对制动器系统而言, 制动压力 (气压或油压) 和制动力矩分别是系统的输入和输出。建立制动器模型, 可使研究输入与输出之间的函数关系更为简洁。根据建模方法的不同, 制动器的数学模型可分为理论模型与摩擦 (准静态) 模型两种。

理论模型由制动器的力学原理以及几何参数来描述, 主要用于整车方案设计阶段制动系统性能参数的匹配。理论模型忽略制动力矩的动态响应, 将系统简化成为输入和输出的线性关系。传递函数为效能因数K、促动机构传动比i和制动鼓半径R的乘积。

制动过程中, 摩擦因数的缓慢变化造成的制动压力—力矩间的非线性关系, 称为制动器的摩擦特性或者准静态特性[1,2]。摩擦模型根据制动器的试验数据采用数学方法建立, 考虑了踩制动踏板的快慢 (对应于制动压力的建压速度) 和制动速度效应对制动力矩的影响, 主要用于整车制动效能模拟计算, 如ADAMS中的制动仿真研究。采用制动器的摩擦模型计算制动力矩, 更符合目前高速制动的实际工况, 同时更具有实际价值。

1 制动器的制动力矩试验

台架试验具有试验条件稳定、重复性好、影响因素少、可以对单一或组合要素进行试验以及可在各种苛刻的条件下考核制动器总成等优点, 所以采用台架试验方法来研究制动器的摩擦模型。

台架试验[3]是用模拟大型农用车的制动过程, 将大型农用车的制动动能 (包含大型农用车平移质量运动的动能和旋转机件旋转时所贮藏的动能两部分) 等效换算成旋转的惯性飞轮的动能, 以总成台架试验的方式来测试制动器总成的制动力矩。

1.1 惯性飞轮的转动惯量的计算依据动能相等的原则, 可得

(ma+δm0) (V12-V22) (1-s) /2=

I[ (V1/R) 2- (V2/R) 2]/2 (1)

式中 ma—车物最大总质量 (kg) ;

δ—车旋转质量换算系数;

m0—车整备质量 (kg) ;

V1—车制动初速度 (km/h) ;

V2—车制动终速度 (km/h) , 一般取V2=0;

s—滑动率;

I—惯性飞轮的等效转动惯量 (kg.m2) ;

R—车轮的滚动半径 (m) 。

台架试验中, 一般只对一个制动器进行试验, 所以可根据前后制动力分配比β和公式 (1) , 推导出前后制动器的等效转动惯量

β=Ff/ (Ff+Fr) (2)

If= (ma+δm0) (1-s) βR2/2 (3)

Ir= (ma+δm0) (1-s) (1-β) R2/2 (4)

式中 β—前后制动力分配比;

Ff—前轴制动力 (N) ;

Fr—后轴制动力 (N) ;

If—单个前制动器的等效转动惯量;

Ir—单个后制动器的等效转动惯量。

现在研究某车型的后制动器, 计算所用参数如下:ma=25 490kg, m0=11 900kg, δ=0.07 (对载货车) , s=0.1 (经验值) , R=0.506m, β=0.29。按照公式 (4) 计算得:Ir=1 079 kg·m2。

台架试验中, 还要保持试验台主轴转速与试验车速满足的对应关系, 即

undefined (5)

式中 n—试验台主轴转速 (r/min) 。

由式 (5) 可得出

n=5.24V (6)

1.2 台架试验方法

对于农用车来说, 台架试验方法还没有相应的标准。本试验方法按照 QC/T 479-1999 《汽车制动器台架试验方法》进行, 惯性试验台采用德国申克公司制造的重型车 (针对大型农用车来说, 亦可以应用) 制动器试验台 (型号BID-PWD3) 。在该试验台上, 可以准确设定制动输入压力和制动初始速度, 测量输出的制动力矩值。

为消除温度对制动力矩测量值的影响, 按照QC/T 556-1999标准在摩擦片上安装热电偶, 保证每次试验前摩擦副的温度不超过80℃, 否则用风强制冷却, 直到符合要求。

试验因素选定为制动初速度V和制动压力P。考虑到该载货车的最高设计车速为30km/h, 将制动初速度V的试验值分别设定为10km/h (农田工况) 、20km/h (一般土路工况) 、25km/h (硬土路工况) 和30km/h (一般公路工况) [4], 按照式 (6) 调整试验台主轴转速。制动压力的试验值分别设定为0.1MPa, 0.2MPa, …, 0.8MPa (制动管路最高压力) 。80km/h和100km/h制动初速度下的每种试验工况测量2次, 以提高试验精度。

2 试验数据的回归分析

图1为制动力矩的某次试验曲线。由图1可以看出, 制动力矩的设计值与实际测量值在高速和高输入气压下有较大的偏差, 造成此现象的主要原因是摩擦因数的变化。在计算制动器的理论制动力矩时, 认为摩擦副的摩擦因数为定值, 一般取0.35。实际上, 摩擦片的摩擦因数随制动压力、滑动速度和表面温度的变化而改变。在高速与高压下摩擦副的摩擦因数下降较多, 从而产生了制动衰退。

2.1 制动器的幂函数乘积模型

根据图1的试验数据, 可设定制动力矩M是制动初速度V和输入气压P的非线性函数, 并表示为幂函数[2], 即

M=KPbVc (7)

式中 K—试验常数;

b, c—与摩擦片摩擦特性有关的系数, 在制动初温相同的情况下, b和c可认为是常数。

制动力矩M与制动初速V和输入气压P的幂函数的乘积成正比, 因此式 (7) 被称为制动器的幂函数乘积模型。对式 (7) 两边求对数, 并令

y=lnM, a=lnK, x1=lnP, x2=lnV (8)

则可得到

y=a+bx1+cx2 (9)

式 (9) 是含有两个回归因子 (x1和x2) 的二元线性回归方程[5], y是响应变量, 其数值越大, 则制动器性能越好。

2.2 二元线性回归方程的建立

试验测定的响应变量y的数值 (即制动力矩M) 如表1所示。

求解二元线性回归方程式 (9) , 需先求出 (x1和x2) 的离散阵Lxx, (x1和x2) 与y的偏差积阵Lxy, 然后再建立正则方程组LxxB=Lxy, 其中

undefined

undefined

undefined

undefined

undefined

于是得到回归方程

y=4.262 6+0.949 2x1-0.261 2x2 (10)

2.3 回归方程的显著性检验与失拟性检验

必须对建立的回归方程式 (10) 进行显著性检验和失拟性检验[6], 以确定是否正确或有效。方差分析如表2所示。

2.3.1 显著性检验

undefined (11)

故回归方程是极显著的, 置信度99%。

2.3.2 失拟性检验

undefined (12)

此结果表明, 回归模型与实际情况拟合得较好。

由式 (8) 和式 (10) 可得到

lnM=4.262 6+0.949 2lnP-0.261 2lnV (13)

对式 (13) 两端同时取e的指数, 可得出制动器的幂函数摩擦模型

M=70.99P0.949 2V-0.261 2 (14)

根据试验条件, 该模型的使用范围如下:

制动初速度/km·h-1: 30≤V≤100

制动压力/MPa: 0.1≤P≤0.8

制动初始温度/℃: ≤80

3 结论

1) 根据能量守恒的原理, 将大型农用车的制动动能等效换算成制动器试验台旋转的惯性飞轮动能, 并根据此能量确定惯性飞轮的转动惯量和试验台主轴转速。

2) 对台架试验测量的制动器的制动力矩进行二元线性回归分析, 回归因子为制动初速度V和制动气压P, 以建立制动器的幂函数摩擦模型。

3) 回归方程的显著性检验和失拟性检验都证明所建立的摩擦模型有效, 拟合得较好。

4) 新建立的制动器摩擦模型可提高整车制动效能模拟计算精度, 并为搭建此类型制动器的制动仿真试验台提供技术支持。

摘要：对重型和大型农业车的制动器试验台进行试验, 其台架试验结果显示:制动器在高制动初速和高气压下, 制动力矩的实际测量值与设计值有较大的偏差。为更准确地计算制动力矩的数值, 根据重型大型农用车制动器试验台上测量的试验结果, 建立了制动器的幂函数摩擦模型, 并进行了显著性检验和失拟性检验。

关键词：农用车制动器,摩擦模型,回归分析,显著性,失拟性

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摩擦制动 篇4

压力机生产现场证明,离合器制动器存在的主要问题是摩擦件过热和寿命太短。离合器制动器的使用寿命,直接影响压力机的使用。离合器制动器结合制动过程中的过热的主要危害性具体表现在以下几方面:(1)摩擦件的过热温度超过了摩擦材料的允许使用温度,降低了摩擦系数,增加了摩擦块的磨损,增加设备维修工作量和维修费用,影响压力机的生产效率。(2)摩擦件的过热,使离合器制动器的工作温度提高,超过了轴承允许的极限温度,轴承膨胀,正常工作间隙消除,甚至卡死。(3)摩擦件的过热使主动摩擦盘产生翘曲变形,摩擦表面接触不良,摩擦件的磨损更加剧烈。(4)离合器制动器工作温度的提高还影响到气缸密封等的工作性能。

2 解决过热的措施

通过多年设计总结经验以及售后服务反馈情况,解决离合器制动器过热的主要措施归纳有以下几点。

2.1 减少从动部分零件的转动惯量,合理选择离合器轴的转数

离合器制动器在结合过程中因摩擦表面相对位移消耗的摩擦功几乎全部转为热能,可用下式进行计算。

式中:A———启动和制动过程中摩擦功损耗,kg·m;

J———折合到离合器轴从动件的转动惯量,kg·m·s2;

ω———离合器轴的旋转角速度,ω=nπ/30,弧度/s2;

n———离合器轴每分钟转数。

从上式可以看出,为减少发热,应尽可能地减少从动件的转动惯量与离合器轴的转数。离合器轴每分钟的转数的减少,导致飞轮、离合器、离合器轴零件尺寸的增大,因而从传动系统的合理布置考虑,n值不可能减少很多,现有的离合器轴转数在300～600r/min。考虑离合器轴转速过高对离合器的影响,建议转速在350r/min以下。离合器轴转数应使飞轮线速度小于允许速度,对铸件飞轮,允许线速度应小于20～25m/s,铸钢飞轮小于35m/s。

当前,减少从动件的转动惯量J是解决离合器制动器过热的主要方法。转动惯量与零件的重量和直径的平方成正比,而从动件的直径受传递扭矩的限制不能很大的减小,因此,必须力求减少从动件的数量来减少总转动惯量。离合器轴上从动件的转动惯量一般占总转动惯量的50%～80%(单盘离合器取小值,多盘离合器取大值),所以减少离合器轴上从动件的数量对解决过热的作用很大。新设计的离合器,多趋向于将气缸由从动件改为主动件,与飞轮一起旋转并采用单盘摩擦盘结构,最大限度的减少从动惯量,解决了离合器的过热。

2.2 采用耐热耐磨的新摩擦材料

旧的摩擦材料,当温度超过150℃后,其摩擦系数不稳定,并急剧降低,甚至可降到0.1以下。由于许用比压低,为传递必须的扭矩,离合器制动器不得不采用多盘摩擦机构,使从动惯量增加,离合器制动器过热。采用新摩擦材料后,可以在较高的温度下工作,允许比压较高,允许离合器采用单盘结构,为消除离合器制动器过热创造了条件。

2.3 改变离合器制动器的散热条件

压力机的使用情况表明,制动器的温度工作环境高于离合器。由于离合器的尺寸较大,热容量大,摩擦副在脱开状态下主动盘处于旋转状态,散热情况良好,故稳定工作温度较低。在设计中应增加散热面积并改变摩擦副在脱开状态下摩擦表面的气体流通。离合器摩擦盘上增加脱开弹簧。

对于制动器来说,若使制动角满足设计要求,必须有一定的制动力矩,而制动力矩的大小主要由摩擦系数、平均摩擦半径和正压力来决定。当摩擦副的材质一定且稳定工作温度在一定范围内时,可把摩擦系数视为常量。众所周知,保持制动力矩一定时,平均摩擦半径与正压力成反比。因此,适当增加制动器的平均摩擦半径,减少正压力,就可以降低其稳定工作温度和摩擦表面的瞬时温度。

对于小惯量单盘摩擦离合器,制动器稳定工作温度的高低,可以用摩擦盘的温升系数Kp表示。

式中:Ah———一次制动力功,kg·m;

C———每分钟制动次数(一般为滑块连续行程次数的50%～60%);

F———摩擦盘的有效环形面积,cm2。

式中:Rcp———平均摩擦半径,cm;

l———摩擦块在镶盘上的径向尺寸,cm。

为使制动器稳定工作温度在一定范围内,对小惯量单盘摩擦离合器,温升系数Kp在可能的情况下应力求减小,Kp值不宜超过7kgm/cm2min。同时为使摩擦表面的瞬时温度不至于高而引起冒烟,对一次制动时的Kp值,亦应予以控制,一般情况下,Kp/C≤1kgm/cm2min为宜。

2.4 提高离合器制动器联锁操纵系统工作的可靠性

离合器结合前制动器不能完全脱开,或者在制动器结合前离合器不能完全脱开,必然引起离合器制动器过热,电机超载和人身事故。

3 小结

通过理论与实践相结合证明,离合器制动器通过上述几种方法,可以解决过热问题,满足用户需要。

参考文献

[1]何德誉.曲柄压力机.北京:机械工业出版社,1987.

[2]蔡基楼.气动摩擦离合器密封失效的预防.锻压机械.1999,34(1):56-57.

[3]孙瑞胜.压力机离合器制动器系统结构优化.锻压机械.2001,36(2),25-35.

摩擦制动 篇5

关键词：机械制造,摩擦片,离合器制动器,压力机

1 前言

对于通用压力机来说,离合器制动器是压力机的重要部件(伺服压力机、开关磁阻压力机无离合器制动器)。压力机离合器制动器有刚性离合器制动器、气动干式离合器制动器、气动湿式离合器制动器、液压离合器制动器、电磁离合器制动器等。除了刚性离合器制动器之外,其他离合器制动器都要用摩擦片(块)。早在20世纪四五十年代,压力机离合器制动器就已经采用气动摩擦离合器制动器,有效提高了压力机的可靠性。摩擦片(块)质量的好坏,直接关系离合器制动器质量的好坏,而压力机摩擦片(块)生产工艺、材料是决定压力机离合器制动器摩擦片(块)质量的决定因素。虽然摩擦材料的研究进行了一百多年,至今也未停止。但随着航空航天、船舶、工程机械、农业机械、锻压机械、重型车辆等相关领域的飞速发展,对摩擦片(块)材料提出了新的要求,所以,离合器制动器摩擦片(块)摩擦材料的研究前景十分广阔。

2 摩擦材料发展历史

用粉末冶金技术制造烧结金属摩擦材料已有70年的历史,1929年美国开始进行这一研究,1935年石棉(Asbestos)摩擦材料被正式发掘并使用于福特汽车上,上世纪30年代末期首先将该材料用在了D-7、D-8铲运机中的离合器片上。发展到现在,所有载荷量高的飞机,包括米格、伊尔、波音和三叉戟等航空产品也在使用烧结金属摩擦材料。国内在1965年以后,烧结金属摩擦材料的科研、生产得到迅速发展。由于环保的原因,科学家开始寻求其他替代石棉的新型材质。美国Bendix公司投入1亿美元用于专项质量改进。欧洲的主要工业国家也为解决材料性能、生产工艺、制造成本等相关问题投入了大量资金。随着ISO18000标准得到世界各国的执行与认同,石绵材料摩擦片已基本被淘汰。迄今,我国已有无锡、杭州、西安、南京、北京、河北、昆山、集安等十多个具有一定生产规模的生产企业,在生产铜基和铁基摩擦材料,年产摩擦片(块)约850万件以上,广泛应用于各工业领域,基本满足了国内主机配套和引进设备摩擦片的备件供应和使用要求。

现有的摩擦材料主要分为四种类型:石棉基摩擦片、半金属基摩擦片、无石棉摩擦片和金属基烧结摩擦片。其发展分为三个阶段:第一个阶段是石绵为主轴(添加树脂为副材料);第二个阶段是以铁纤为主轴(添加传统纤维为副材料);第三个阶段是以强化纤维为主轴(添加特种金属为副材料)。其中半金属基摩擦材料又分为铜基、铁基摩擦材料;加入强化纤维材料不同又分为钢丝纤维、紫铜纤维摩擦材料摩擦片(块)。钢丝纤维因其硬度高,容易磨伤对磨机体,而硬度低时又不耐磨,不被看好;紫铜纤维因其合适的硬度不会伤及对磨材料,且耐磨性能好,深受用户欢迎。

随着各工业领域的飞速发展,耐高温、耐磨损、硬度适中、环保、使用寿命长的摩擦材料得到人们的青睐。半金属基摩擦片、无石棉摩擦片和金属基烧结摩擦片,就是人们所需求的环保产品。

国外将金属纤维称作金属陶瓷纤维,实际加入金属陶瓷纤维就是加入金属纤维,和国内的铁基、铜基、树脂加入金属纤维相同,只是配方含量不一样。铜基摩擦片通常放铁基纤维;铁基摩擦片除放铁基纤维之外,现在开始放紫铜纤维;纸基摩擦片放碳纤维,纸基摩擦片静动摩擦系数一样。

3 摩擦材料特性、优缺点

半金属摩擦片主要是采用粗糙的钢丝绒作为加固纤维,这种钢纤维的加入往往会使摩擦材料具有一定的锈蚀和磁性。钢纤维的强度和导热性,使得半金属摩擦片同传统的石棉摩擦片有着不同的传动特性。半金属摩擦片能承受较高的传动温度,同时它们在传动时容易将热量从其表面上散发出去。这些摩擦热会使对摩材料及机体受热而温度上升,对传动、制动装置的活塞密封圈及回位弹簧产生一定的影响,也会加快这些部件的老化。特别是活塞上安装的密封圈,温度高时,就会变脆、易断,使密封失效,造成严重后果。

半金属摩擦片的最大缺点是材料中的高金属含量会损伤对磨机体,使对磨机体从动摩擦盘或活塞的表面磨损加快,产生磨砺磨损和犁削;同时会产生较大的“嘶鸣声”,即噪声。虽然半金属摩擦材料比石棉基摩擦材料耐磨,但它更易磨伤对磨基体。为此,一种新型的无石棉基紫铜纤维摩擦材料研制成功,解决了既耐磨又不伤对磨片的机体,受到摩擦片(块)企业和压力机生产企业的欢迎。是一种迄今为止摩擦性能最好的摩擦材料,在压力机离合器制动器上已经广泛应用。新出现的碳碳复合摩擦材料在航天航空制动装置上成功的应用也为摩擦材料家族增添了新成员,但是由于其价格偏高,难以在摩擦材料市场上占据更多份额,更难在压力机离合器制动器摩擦材料上应用。

压力机离合器制动器摩擦片(块)材料性能指标:密度5.8～6.4g/cm3,硬度HB20～65,静摩擦系数0.32～0.52,动摩擦系数0.25～0.40,磨损率≤3×10-8N·m/cm3。实际摩擦率随着温度的升高在变化,一般变高。

4 离合器制动器摩擦片(块)烧结工艺

目前,国内外粉末冶金共有20余种制取方法,投入应用和有前途的主要有以下几种:冲切法、等离子喷涂法、电解沉积充填法、电阻烧结法、感应加热冲击法、气相沉积法。烧结金属摩擦材料是以金属及其合金为基体,添加摩擦组元和润滑组元,用粉末冶金技术制成的复合材料,是摩擦式离合器与制动器的关键组件。它具有足够的强度,合适而稳定的摩擦系数,工作平稳可靠,耐磨损及污染少等优点,是现代摩擦材料家族中应用量大面广的材料,主要用于干式摩擦场合。而湿式摩擦材料则采取喷撒法或烧结法。烧结法和喷撒法得到的摩擦材料动摩擦系数、最高比压、能量负荷、比压值区别不大,只是喷撒法其值稍大一点。

4.1 铜基粉末冶金摩擦片烧制工艺

目前,铜基粉末冶金摩擦材料的压制分为三个阶段,温度一般为750℃左右(三段温差一般不超过5℃),第一阶段1～2h;第二阶段2～4h;第三阶段2h左右,其余为保温与冷却时间共20h,保温时间越长越好。

(1)铜基片芯板:该方法的基本工序是:气割下料,热平整,机加达图,去油,电镀(Cu);

(2)混粉(Cu,Sn,Pb,Fe,C,SiO2等),压制,烧结(气体保护,加热,加压),清理,机加达图。

4.2 喷撒工艺

由于传统的压烧法存在着能耗大、生产效率相对低、原材料粉末利用率低、成本高等缺点,人们开始寻找其他工艺方法,喷撒工艺法就是一种。喷撒工艺法以工业规模生产烧结金属摩擦材料始于上世纪70年代,美国的威尔曼、西德的奥林豪斯和尤里特、奥地利的米巴等企业拥有这项技术。上世纪80年代中期,杭州粉末冶金研究所从奥地利米巴公司引进了该技术。喷撒工艺的基本流程是:钢背板在溶剂(如四氯化碳)中脱脂处理(或钢背板电镀)→在钢背板上喷撒上混合材料→预烧→压沟槽→终烧→精整。与传统的压烧法相比,喷撒工艺主要有下列一些优点:

(1)实现了无加压连续烧结,耗能低。

(2)采用松散烧结,粉末还原充分,可获得高孔隙度的摩擦衬层,对提高摩擦系数极为有利。

(3)用功能覆盖和冷压方法替代切削加工制取油槽,经济而高效。

(4)采用精整平面取代切削加工,材料利用率高,产品厚度和平行度精度高。

(5)可以根据要求制取摩擦衬层极薄的摩擦片(0.2mm～0.35mm),而用其他工艺则难以达到。由于摩擦片外形已在制造中完成,不需要二次加工沟槽、散热槽等,加之密度比烧结式稍低,故喷撒工艺较烧结工艺成本低。喷撒工艺法较压烧法可节约铜、锡、铅等有色金属粉末约45%,节电约75%,节省工时约40%。

4.3 雾化粉末快速固化铝合金

由这一工艺开发出的新型高温、高强摩擦材料具有热稳定弥散相,比传统时效硬化材料更优越,可在350℃以上使用,通过Al3Zr和Al6Mn弥散相和晶粒细化还可进一步提高力学性能。所有这些特点,赋予铝基摩擦材料广阔的发展前景。AlSi基高级铝合金摩擦材料已经问世。由于铝重量轻、耐腐蚀、不导磁、高导电导热性、比强度高,而且可以采用弥散强化手段来强化基体,所以,雾化粉末快速固化铝合金摩擦材料,使用前途广阔,尚需加大力度研究。

4.4 与摩擦片(块)相磨的对偶钢片工艺

气割下料,热平整,机加,热处理,机加达图,退磁,终检,清洗上油。对磨材料一般用65Mn;活塞、制动器座、飞轮等则采用QT600-3球磨铸铁。

4.5 半金属材料是由高碳铁粉、石墨、二硫化钼、无

机纤维(石棉纤维等)及一定数量的热固性树脂,通过热压制成的。

4.6 国内某摩擦材料厂摩擦块加工工艺及实验数据(见图1、2、3、4)。

5 压力机离合器制动器用离合、制动摩擦材料外形结构

压力机离合器制动器用离合、制动摩擦材料外形结构一般有两种:摩擦片或摩擦块。一般小型压力机整体式离合器制动器摩擦材料外形结构,通常用摩擦片,摩擦片与机体采用粘接、粘接加固定、直接烧结在机体上三种方式。中、大型压力机离合器制动器摩擦材料外形结构,有一小部分与小型压力机整体式离合器制动器相同,大部分采用摩擦块,摩擦块镶在主动盘上。摩擦块又有圆形、鸭蛋型、倒八字形、三角形、四方形、间断圆盘形和特殊形状等。摩擦块结构除形状不同外,组成上也有不同。有的摩擦块采用三层结构,两边采用烧结摩擦材料,中间插入海绵垫块(消音、耐反复冲击);大部分为整体结构。压力机摩擦片(块)表面加工沟槽,一方面起散热槽作用,一方面起排屑作用,而且解决了摩擦片(块)局部面度问题。压力机离合器制动器用离合、制动摩擦材料外形不管采用那种结构,摩擦力均需根据计算得到,即按照离合器制动器扭矩要求,计算面积、尺寸,选择摩擦材料、摩擦系数,等。

6 离合器制动器摩擦片(块)的选用

6.1 压力机气动干式离合器制动器摩擦结构

(1)1600kN以下开式压力机,一般采用摩擦片,也可采用摩擦块;

(2)1600kN以上开式压力机,一般采用摩擦块;

(3)闭式单、双、四点压力机,一般采用摩擦块,也可采用摩擦片;

(4)压力机离合器制动器摩擦片(块)材料:采用烧结结构,铁基粉末冶金(或酚醛树脂)加紫铜纤维增强剂。

6.2压力机气动湿式离合器制动器摩擦结构

一般离合器采用铜基摩擦片,制动器采用纸基摩擦片,也有制动器摩擦片采用铜基的。

7摩擦片(块)材料研究方向

现代科学技术和工业的迅速发展对摩擦材料提出了越来越高的要求,特别是宇宙飞船,及各种大型锻压机械、船舶、汽车、高速列车、重型机械、其他机械产品等的快速发展,对摩擦材料不断提出新要求。摩擦材料行业需要跟踪这些行业的发展,不断研制新的摩擦材料,满足其需求。

试验条件(JIS/D4411)试验机:定速式摩擦试验机速度:7m/s表面压力:1MPa接触面:FC250(#240砂纸加工)

(注:对接触面材料的磨损量=Y轴数值×10-3g/h)

摩擦材料未来需要研究方向有:

(1)硬度合适、强度满足要求,不伤对磨机体;

(2)无毒、环保型;

(3)性能稳定且有高的摩擦系数;

(4)离合、制动舒适,噪声低;

(5)使用寿命长;

(6)发展铝基摩擦材料,降低摩擦片重量;

(7)发展用金属纤维强化的复合材料;

(8)摩擦片(块)对耐磨材料摩擦性能的影响;

(9)高性能、价格低的摩擦材料。

参考文献

[1]鲁乃光.烧结金属摩擦材料现状与发展动态.粉末冶金技术,2002,(5).

[2]许立宁,邓海金,王新朋,李明.树脂含量对湿式离合器碳质摩擦材料摩擦磨损性能的影响.汽车技术,2001,(10).

[3]顾安民.曲柄压力机的离合器、制动器过热原因分析.重型机械,1980,(5)

[4]周砚云,崔树刚.改善压力机离合器发热和磨损的措施.设备管理与维修,1993,(10).

[5]谢关火宣,张四本.摩擦离合器和制动器摩擦块(片)寿命的估算.锻压机械,2000,35(6):15-16.

[6]李海洋.减少压力机离合器发热和磨损的措施.哈尔滨轴承,2003-01.

摩擦制动 篇6

关键词：摩擦系数,滑移率,再生制动,能量回馈

1 概述

抗滑性能是评价机场跑道和公路路面安全性能的重要指标, 尤其是雨雪天气下, 合适的道面摩擦系数是飞机安全起降和道路车辆安全行驶的重要保障。

2012年, 台湾松山机场就发生多起飞机冲出跑道的严重意外, 经调查后确认, 台北松山机场跑道摩擦系数过低, 跑道的摩擦系数0.39Mu, 比国际最低安全值0.43Mu低约百分之二十, 在这样的情况下, 若遇上台风等天灾, 飞机很可能冲出跑道。

因此, 定期对机场跑道和公路路面进行摩擦系数测试, 评价其抗滑性能, 并及时根据测试情况采取相应的措施, 可以有效地降低事故发生的几率。

2 当前现状

当前主流的摩擦系数测试设备主要有横向力摩擦系数测试设备和纵向摩擦系数测试设备。其中横向力测试设备主要应用在道路抗滑性能评价, 机场跑道主要采用纵向摩擦系数测试设备进行抗滑性能评价, 而纵向摩擦系数测试设备又分为固定滑移率、可变滑移率以及锁定轮式摩擦系数测试设备。

可变滑移率摩擦系数测试仪作为一种新型的摩擦系数测试设备, 综合了固定滑移率摩擦系数测试仪和锁定轮摩擦系数测试仪的功能, 既可以工作在固定滑移率的测试模式下, 也可以工作在锁定轮的测试模式下, 并且滑移率可以在0~100%范围内自由设置。从而使它可以满足几乎所有的路面摩擦系数测试。

可变滑移率摩擦系数测试仪在工作时会产生大量的制动能量, 这些能量被转化为热量白白散失。

3 系统原理

可回收制动能量的变滑移率摩擦系数测试仪是一种利用再生制动原理, 采用交流变频电机对摩擦系数测试轮进行直驱, 并且通过变频驱动器调整交流变频电机的转速, 根据目标滑移率的需要对测试轮进行制动, 这时交流变频电机工作在第四象限, 处于再生制动模式, 对电机制动产生的能量通过变频器IGBT上并联的续流二极管返回变频电机驱动器的直流母线, 这部分能量可以用于对车载蓄电池进行充电, 也可以供其他用电器使用, 过多的制动能量将通过能耗电阻消耗掉。

可回收制动能量的变滑移率摩擦系数测试仪配置有两个旋转编码器, 分别用于测量牵引车辆行走速度和摩擦系数测试轮行走速度, 这两个速度的比值就是滑移率摩擦系数测试轮完全制动时, 滑移率为100%, 摩擦系数测试轮与车辆行走速度相同时, 滑移率为0。因此, 系统可以根据预设目标滑移率和当前车速计算出摩擦系数测试轮的目标转速, 并通过变频器实现对该转速的控制。

摩擦系数的测量采用一体式双轴荷载传感器, 它可以同时测量X轴和Z轴的荷载变化, 从而得到水平荷载和垂直荷载值, 计算机根据水平荷载与垂直荷载的比值计算出摩擦系数。

4 摩擦系数测试

以某路段测试为例, 路段长度4250m, 分别采用固定滑移率摩擦系数测试仪和本仪器进行比对测试, 该路段摩擦系数最大值0.62, 最小值0.45, 平均值0.53。

试验结果表明, 用该仪器进行路面摩擦系数测试, 测量结果输出稳定, 摩擦系数测试轮滑移率跟踪快速有效, 在滑移率设定为12%时, 与固定滑移率摩擦系数测试仪测试结果相关性为96.57%, 满足试验检测及路面日常维护的要求。

参考文献

[1]交通运输部《JT/T777-2010路面制动式摩擦系数自动测试系统》.北京:人民交通出版社, 2010.

[2]Cook, L.M., and Dancy, W.H., Jr., “Development and Fabrication of the Virginia Skid-Resistance Measurement Vehicle-Model 2, ”Virginia Highway Research Council (Box 3817, University Station, Charlottesville, VA 22903) .

[3]ASTM E1859/E1859M-2011, Standard Test Method for Friction Coefficient Measurements Between Tire and Pavement Using a Variable Slip Technique.USA:ASTM international, 2011.

摩擦制动 篇7

摩擦材料的性能对汽车制动系统的稳定性至关重要, 自从无石棉摩擦材料问世以来,寻求新型增强纤维一直是摩擦材料研究的重点[1]。主要的增强纤维包括金属纤维、天然纤维、有机纤维、及无机纤维[2,3,4]。硫酸钙晶须作为无机纤维的一种,具有耐高温、抗化学腐蚀、韧性好、强度高、与聚合物的亲和能力强、毒性小等优点,且价格低廉,是一种具有广泛研究前景的材料[5,6,7]。Shoubing Chen[8]等人采用硫酸钙晶须填充蓖麻油聚氨酯和环氧树脂的交联聚合物提高了其抗拉强度、热稳定性以及阻尼特性。J. Y. Liu[9]等人研究了熔融混合法与共沉淀法制备硫酸钙晶须填充聚已酸内酯复合材料对其机械性能与生物相容性的影响。J. C. Wang[10]等用硫酸钙晶须改性室温硫化硅橡胶,提高了复合材料的抗拉强度和延展性,并且使其在350 ℃ ~ 700 ℃ 具有良好的热稳定性。上述研究表明硫酸钙晶须能有效改善复合材料的性能。

目前已有学者将硫酸钙晶须用于提高汽车摩擦材料的性能[11],制动材料的摩擦学性能与其使用工况有较大的关系,文中以具有较高摩擦因数以及较稳定摩擦性能的酚醛树脂为基体材料,硫酸钙晶须为增强纤维,辅以一定成分的填料制成的摩擦材料为研究对象,与45钢配成摩擦副,研究其在不同工况下的摩擦行为,探讨该材料的摩擦性能与磨损机制。

1试验部分

为了研究配副的摩擦学性能,摩擦磨损实验采用济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的MMS - 2A微机控制磨损试验机,试样及其尺寸见图1。

实验配方使用课题组优化配方( 质量分数) : 硫酸钙晶须40% 、树脂20% 、铜粉10% 、长石粉15% 、氧化铝12% 、石墨3% 。试样的制作使用Y32 - 63T热压成型机模压成型,将制作好的试样加工成7 mm × 7 mm × 30 mm的长方体,试样放置于卡槽中用螺钉固定,通过下配偶环的转动形成摩擦副,实现相对滑动。配偶环的材料采用45钢,表面高频淬火硬度大于HRC40。实验工况为干摩擦、水润滑两种状态; 实验载荷为100 N、150 N、200 N、250 N; 转速分别为200 r / min、400 r / min。实验开始先进行磨合,使得试样与对偶件接触面积达到80% 以上,实验时间为40 min。通过工业计算机测得实际过程中的摩擦力矩, 并每隔10 s计算一次摩擦因数,取其平均值。实验使用Philips - FEI XL30 ESEM - TP环境扫描电镜观察磨损后试样的表面形貌,并用STIL型光学表面形貌仪测试表面磨损状况。

2摩擦磨损性能分析

2. 1干摩擦状态下制动片的摩擦磨性损能

图2为试样在干摩擦状态下,速度与载荷对试样摩擦磨损性能的影响。

从图2( a) 可以看出,干摩擦状态下无论是低速还是高速情况,摩擦因数均随载荷增加而增加。在载荷由100 N到150 N时,摩擦因数均有显著的增加,增长幅度都超过了15% ,这与载荷增加初期的摩擦面实际接触面积快速增大有关; 随着载荷继续增大,摩擦因数的增长速率放缓,最终都维持在0. 40左右,说明在载荷增大,摩擦温升加剧致使基体材料软化的情况下,硫酸钙晶须提高了材料的热衰退性能,使其具有较为稳定的摩擦因数。

从图2( b) 可以看出,干摩擦状态下的磨损率在低速与高速情况下均随载荷增加而升高。从增长幅度来看,不同速度条件下都在1倍左右,但相同载荷不同转速情况下的磨损率差距较小,可见该材料的磨损性能稳定。

2. 2水润滑状态下制动片的摩擦磨性损能

图3为试样在水润滑状态下,速度与载荷对试样摩擦磨损性能的影响。

从图3( a) 可以看出,水润滑状态下,试样在低速情况下摩擦因数随载荷增高而降低,在高速情况时摩擦因数也呈现下降的趋势。两种速度下,轻载与重载的摩擦因数较为接近,分别为0. 24左右和0. 21左右。与干摩擦相比, 由于流动水吸附在摩擦表面形成水膜,从而减少了表面微凸体的接触,边界润滑效果增强,摩擦因数显著下降。

从图3( b) 可以看出,与干摩擦状态相反,水润滑状态下,试样在低速与高速时的磨损率均随载荷升高而降低。 由于硫酸钙晶须对基体的强化和流动水的导热作用,摩擦温升导致的基体材料软化程度减少; 并且转速越快时,摩擦界面间的水膜承载能力越强,同时压力的增大又促进了水的展开与浸润,这就解释了为何高速时的磨损率较低速时更低。值得注意的是低速轻载状态下水润滑的磨损率略高于干摩擦状态,这可能与水的渗透作用和水膜对基体间隙的挤压促进了纤维与基体的分离,从而加快磨损有关。

2. 3工况对对偶件磨损率的影响

图4为不同工况下对偶件的磨损率。

从图4( a) 可以看出,对偶件在干摩擦状态下的磨损率随载荷与速度的增加呈现上升趋势。由于淬火45号钢的硬度较大,与摩擦材料接触时大量产生摩擦热,接触表面高温接触点多,易出现咬合与粘着现象。当转速增高时,摩擦温升加剧,从而使得磨损更为严重。从图4( b) 可以看出,对偶件在水润滑状态下的磨损率与干摩擦时相反,随速度与载荷的增加而降低。这主要是在湿摩擦条件下,流动水的冷却作用减小了树脂的热损,磨损主要来自材料本身的硬质颗粒对对偶件的磨削; 当载荷升高时,摩擦热增加加速了水分子在摩擦副表面扩散,试样表面由于水的渗入使得抗剪力减小,降低了对对偶件的磨损; 当速度升高时,在摩擦界面间形成的水膜更加连续,表面微凸体的接触减少也降低了对对偶件的磨损。

3试样磨损表面形貌分析

从以上的分析可以得出,在有润滑介质的情况下,试样的摩擦因数和磨损率的变化趋势与干摩擦状态下有所不同。总体来说摩擦因数显著降低,磨损率随载荷上升而降低,因此选择上述参数数值相差最大的高速重载情况下的试样进行表面形貌与表面磨损状态的分析。图5为不同工况下试样磨损表面的SEM照片。

从图5( a) 可以看出,干摩擦状态下试样表面磨痕较深,呈现明显的因黏着后分离而造成的表面拉伤,也有部分沟状划痕,表面还残留有高亮的硬质颗粒; 在重载荷情况下,压力与摩擦热增加,试样表面脱落的颗粒会在表面产生顺着滑动方向的划痕。从图5( b) 可以看出,在水润滑状态下,表面损伤与划痕明显减少,摩擦表面光滑平整。 由于水的流动性强,磨屑与脱落的颗粒能够及时的被冲刷走,因此在材料的划痕以及凹坑处没有残留的磨屑,而是不断有新的材料露出来,一些晶须散落在表面而没有像干摩擦时形成的大片摩擦膜。载荷的增大提高了水的吸附作用,减低了表面能,粘着磨损减少,从而导致磨损率较干摩擦时下降。

图6为光学表面形貌仪测量的试样磨损后的表面轮廓图。

由白光干涉仪测得干摩擦状态下试样的摩损面轮廓最大深度达到0.2 mm以上,水润滑状态下试样的摩损面轮廓最大深度达到0. 16 mm以上。从图6( a) 可以看出,划痕连续,排列均匀,表面分布着细小的凹坑,表明其磨损形式有粘着磨损和磨粒磨损。从图6( b) 可以看出,水润滑状态下磨损量小于干摩擦状态,磨损表面更为均匀光滑,粗糙度小。摩擦表面所形成的水膜起到的润滑与冷却作用大大减少了粘着磨损的发生,磨屑的及时排出也减少划痕的产生,因此相对于干摩擦状态,磨损表面变得光滑连续。

4结语

1) 干摩擦状态下试样的磨损率显著大于水润滑状态。干摩擦时磨损率随载荷与速度增大而增大; 水润滑时则相反。

2) 干摩擦状态下试样的摩擦因数随着载荷与速度增加而增加,且能保持较高的摩擦因数,说明硫酸钙晶须增强的树脂基复合材料在一定范围内具有良好的抗衰退性能; 在水润滑状态下,摩擦因数会有大幅度的下降,受速度的影响较小而受载荷的影响较大。因此,应当尽量避免摩擦片在有水及雨雪环境中的使用。

3) 干摩擦时对偶件的磨损主要受摩擦热的影响,而水润滑时对偶件的磨损主要来自于试样中硬质颗粒对于表面的磨削。

4) 在干摩擦状态下试样磨损表面有较深的划痕与凹坑,磨损以磨粒磨损和粘着磨损为主。水润滑状态下水膜的形成减少了粘着磨损,试样表面更为光滑。

摘要：硫酸钙晶须作为摩擦材料增强纤维具有诸多优点,研究了硫酸钙晶须增强的树脂基摩擦片在干摩擦与水润滑状态下与淬火45钢配副时,载荷与对偶件的转速对试样摩擦磨损性能的影响,并试分析其磨损机制。实验结果表明,干摩擦状态下的摩擦因数与磨损率均显著大于水润滑状态,并且在水润滑时试样的摩擦因数与磨损率随着载荷与速度的升高而降低;对偶材料的磨损率在两种工况下随速度与载荷变化呈现出不同的趋势。