【矿山机械】增强树脂基无石棉闸瓦的摩擦性能分析

增强树脂基无石棉闸瓦的摩擦性能分析

摩擦学知识转移到工业中去的最有效的途径就是在设计开始阶段就进行摩擦学设计,材料摩擦学设计 是这一阶段的重要内容,实验选定的材料能否满足设备的性能需要是关键环节。对于闸瓦摩阻设计,需要放在具体的工况条件及设备运行参数之下,其工作速度范围相对固定且范围不会太大,制动压力相对固定,接触面平均温度由于制动过程较短，且散热率的影响,其浮动范围一般不大。
笔者选用酚醛树脂基复合材料闸瓦为实验对,以矿井提升机实际工况条件和运行参数为背景,利用摩擦磨损综合实验装置,在不同工况参数下,考察复合材料闸瓦摩擦系数随工参数或其组合的变化情况,验证了通过选择不同参数组合的方法分析从变化曲线的不同特性方法的可行性。

1.测试原理

采用调压变速摩擦试验机测试 材料的对摩行为。测试原理如图 1所示,转数由装在主轴附近的感应式接近开关测出;正压力由空气压缩机通过气缸加载于两个闸瓦试样上;摩擦力通过安装在摩擦架上与测力杆相连的拉力传感器测出;闸瓦试样的表面温度由置于摩擦盘表面,靠近闸瓦与摩擦盘接触部位附近的热电偶测出。

1.2实验工况参数的设定

采用调压变速摩擦试验机,按照JB/T 3721-1999 测试闸瓦的摩擦性能。试验机的参数，总功率:20 kw;试样中心与正压力加载轴中心的距离150 mm;测试最大摩擦力:2000 N;摩擦力测量精度:1 N;测量误差:5 N;正压力测试范围0.5~3.0 MPa;测量精度:5 N;控制误差:15N;摩擦盘转速范围:100 ~2000 r/min ;速度控制误差:10 r/min ;测试最高温度:400C;摩擦盘温度测量精度:1C,控制误差:5C;重复性误差:<1%。

参考以下五个标准:GB/T 5763-1998 汽车用制动器衬片、GB/T 5764-1998 汽车用离合器面片GB/T11834-2000 工业机械用石棉摩擦片、QC/T227.1-1997摩托车和轻便摩托车制动片摩擦性能试验方法、SY/T 5023-1994 石油钻机用刹车块、铁路用合成制动闸瓦等的符合性试验,进行实验条件设定，主要设定参数包括名义接触压力、滑动速度和接触面温度控制参数,受硬件精度限制。名义接触压力(P)范围设定在 0.6~1.6 MPa;滑动速度()范围设定在 2.5~20 /s;接触面温度(I)在100~350C范围内可调。

1.3实验步骤

(1)实验在标称接触压力为 0.98 MPa速度为7.5 m/s 的条件下进行;

(2) 速度保持恒定,名义接触压力以 0.98 MPa为中心,其余分别为 0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6 MPa ;(3) 名义接触压力保持恒定。速度中心值取为7.5 m /s,其余分别为 2.5,5.0,7.5,10.0,12.5,15.0.17.5,20 m /s ;

(4)输出摩擦力,计算不同工况下的摩擦系数数据,将数据汇总成表,绘制曲线并分析;工况参数的设定由计算机控制系统完成。

2.单参数的实验方法

实验中探索的单参数曲线包括u-P,u-v,u-T曲线。过程是将实验数据以精度 0.002 圆整,列表并绘图,在此只列举了u-P,u-v 曲线。图 2 是当滑动速度(v)设定 7.5 m/s 时,不同接触面温度(T下的u-P曲线。由图2可知,=7.5 m/s 时,不同接触压力下的从随T的上升的总体变化趋势一致都是随着T的升高而下降,其中 100,150200C的曲线特性相近,250,300,350C的曲线特性相近:从区间性上分析,当 T≤200C时，的增幅和增量大于T200C时的增幅和增量。

图3是当接触压力 P-0.98 MPa 时不同接触面温度T下从随v的变化情况。由图3 可知P=0.98 MPa时不同下的从随T上升的总体变化趋势较为一致,都是随着的增大而减小。从区间上观察,在v<12.5 m/s时,6种温度下的降幅和负增量相近,在>12.5 m/s 时，的降幅和负增量都减小,曲线趋于平缓并伴有小幅的振荡。

由以上分析可知,单参数曲线最大的优点是采样点在每条曲线上分布均匀,不会出现在X轴某个区域采样点稀疏的情况,保证了摩擦曲线的可信性。

2.1双参数的实验方法

2.2 双参数的实验方法

实验过程中探索的双参数曲线包括从-(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),在本文中只举例了u(P·v),u-(/P),u-(P/v),从-[1/(Pv)],从-(100P/Z),从-(100v /D) 曲线,分别见图 4~图。

由图4可知,u-(P·)数据点分布较为均，未出现明显的采样点稀疏区域,可信度较好,各个控制温度的 μ-(P·) 虽然总体趋势上呈现出下降的趋势,但这条性质表现的并不突出,连续性减弱;区间性和突变性表现特别强烈,呈现出明显的分段性，例如(P·v) E[12,12.]区间时,(P·)微小的增量将引起u值的急剧下降;(P·)-12.5 的左侧，变化剧烈,其右侧曲线平滑，从 值波动不大。图 5 为不同接触温度下u-(/P) 曲线。图 5 与图4 性质相近,仅在初始阶段v/P E[2.55,4.69] 时值随v/P的增大而增大,在这一点上与图 6 变化趋势相反。

由图6可知,各条接触面温度下的u-(P/v)变化曲线随(P/v)值的增大表现的区间性非常明显(P/v) ≤ 0.213 时,数据点分布密集,集中了 84 个采样点中的 78 个,且在区间0.049,0.213]分布较均匀,表现出的摩擦系数特性可信度较高;同u-(Po)一样, 从数据上呈现在狭小区间上的多极值性图7为不同T下u-[1/(P·)] 变化曲线。由图7可知,在[1/(P·)] E[0.050,0.222]狭小区城集中了 93% 的数据点,这个区间表现出的从的变化特征较单参数从变化曲线更可信,例如,在[1 /(P·v)] E[0.05,0.08] 时,从随[1/(P·)]增大呈现小幅增长趋势,且以较高频率小幅震荡;[1 /(Pv)] E[0.082,0.083] 时从增幅极大,从图形看变化率接近垂线;[1 /(P·v)] E[0.95,0.102]时降幅极大。

图8为v=7.5 m/s 时u-(100P/D)变化曲线由图8可知,随100P/T的增大，值虽有小幅震荡但总体呈现增大趋势,曲线特别之处是在 100P/T=0.4 时，分别等于 0.452,0.47,0.496, 值变化在该点呈现明显多值性,这对于参数组合研究方法来说并不奇异,原因是材料在该点组织结构或复合材料闸瓦试样组分发生明显的变化。

图9为 P-0.98 MPa时u-(100/D)变化曲线由图9可知,100v /T5 时， 分别等于 0.49,0.540.416.0.38.0.35,多值特性更加明显:100v/T ≤5时,随100v/T增大,振幅逐渐增大,100v/T≥5时随 100v/T增大,振幅逐渐减小,并趋于中值。

2.1双参数的实验方法

实验过程中探索的双参数曲线包括从-(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),在本文中只举例了u(P·v),u-(/P),u-(P/v),从-[1/(Pv)],从-(100P/Z),从-(100v /D) 曲线,分别见图 4~图。

由图4可知,u-(P·)数据点分布较为均，未出现明显的采样点稀疏区域,可信度较好,各个控制温度的 μ-(P·) 虽然总体趋势上呈现出下降的趋势,但这条性质表现的并不突出,连续性减弱;区间性和突变性表现特别强烈,呈现出明显的分段性，例如(P·v) E[12,12.]区间时,(P·)微小的增量将引起u值的急剧下降;(P·)-12.5 的左侧，变化剧烈,其右侧曲线平滑，从 值波动不大。图 5 为不同接触温度下u-(/P) 曲线。图 5 与图4 性质相近,仅在初始阶段v/P E[2.55,4.69] 时值随v/P的增大而增大,在这一点上与图 6 变化趋势相反。

由图6可知,各条接触面温度下的u-(P/v)变化曲线随(P/v)值的增大表现的区间性非常明显(P/v) ≤ 0.213 时,数据点分布密集,集中了 84 个采样点中的 78 个,且在区间0.049,0.213]分布较均匀,表现出的摩擦系数特性可信度较高;同u-(Po)一样, 从数据上呈现在狭小区间上的多极值性图7为不同T下u-[1/(P·)] 变化曲线。由图7可知,在[1/(P·)] E[0.050,0.222]狭小区城集中了 93% 的数据点,这个区间表现出的从的变化特征较单参数从变化曲线更可信,例如,在[1 /(P·v)] E[0.05,0.08] 时,从随[1/(P·)]增大呈现小幅增长趋势,且以较高频率小幅震荡;[1 /(Pv)] E[0.082,0.083] 时从增幅极大,从图形看变化率接近垂线;[1 /(P·v)] E[0.95,0.102]时降幅极大。

图8为v=7.5 m/s 时u-(100P/D)变化曲线由图8可知,随100P/T的增大，值虽有小幅震荡但总体呈现增大趋势,曲线特别之处是在 100P/T=0.4 时，分别等于 0.452,0.47,0.496, 值变化在该点呈现明显多值性,这对于参数组合研究方法来说并不奇异,原因是材料在该点组织结构或复合材料闸瓦试样组分发生明显的变化。

图9为 P-0.98 MPa时u-(100/D)变化曲线由图9可知,100v /T5 时， 分别等于 0.49,0.540.416.0.38.0.35,多值特性更加明显:100v/T ≤5时,随100v/T增大,振幅逐渐增大,100v/T≥5时随 100v/T增大,振幅逐渐减小,并趋于中值。

2.2三参数的实验方法

实验过程中研究的三参数曲线包括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 种曲线虽然曲线形态差异非常明显但从分析方法上没有区别,在本文仅举两例,分别见图 10 和图 11。在数据点分布的区间性上，三参数模型的数据点均匀性小于单参数模型而高于双参数模型,数据较为可信。从曲线特性上来说,三参数曲线既不像单参数曲线那样对摩擦系数变化的总体趋势和连续性上具有较强的表现力,也不像双参数曲线那有对区间性和连续性具有极强的表现力,介于两者之间。三参数曲线的独特优势是在实验中表现出频率很大的振荡,振幅也较大。由图 10 可知,当[T/(100P·v)]-0.408 时，u-0.512 达到峰值;当 T/(100P·) E[0.051,0.612] 区间时, 以极大的振幅振荡，且频率极小,表现出明显的区间振荡性。

图11为u-[(P··D)/100]变化曲线。由图 11 可知,当[(P··D)/100]-2.45 时,从处于峰值0.512后随(P··D)/100 增大有一个明显的下滑,随后进入振荡期,这种状态持续到(P··D)/100=12.5 ;(P··I)/100 [12.5,44.1] 时，值有较大的振幅和较小的频率变化;[(P··D)/100] E [44.1,60.025] 时，随[(P··Z)/100] 增大，u以平滑的形态下降。在所有考察的曲线中，从-[(P·v·D)/100]曲线的区间性最为明显,呈现出显著的分段曲线特征。

3.结论

(1)单参数实验方法适用于研究总体变化趋势和变化的连续性,其不能表现出区间性和突变性,并对曲线变化的振荡性的表现非常弱。

(2) 双参数实验方法由于对轴的单位长度的放缩变化,常常呈现出数据点分布的极不均匀性,这就造成在采样数据点密集的地方其对摩擦系数变化的刻画精度远远超出单参数实验办法,但数据点稀疏的地方由于数据点的不足只能在分析中舍弃,例如图11,共 84 个采样点,每个数据点 10 组,共840组,但当1/(P·v) E[0.222,0.408] 时,如此大的区域仅分布 6个数据点,所有摩擦系数变化刻画是研究范围选定为 1/(P·) E[0.051,0.222],其余部分舍弃。三参数实验方法处理的某些曲线上也有类似情形。

(3)双参数实验办法适用于研究摩擦系数变化的区间性和突变性,其曲线形态往往呈现出明显的分段曲线特征;双参数实验方法对于曲线的总体变化趋势和连续性刻画上表现极差,但呈现出部分振荡性。

(4)三参数实验方法适用于研究摩擦系数变化的振荡性,但在总体趋势、连续性、区间性、突变性四个方面在不同的曲线上有不同的表现,变化情况复杂于单参数、双参数处理方法。

END

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