不同工況參數(shù)對(duì)酚醛樹(shù)脂基無(wú)石棉閘瓦材料摩擦性能影響

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備

非金屬材料制樣機(jī):XD-B 型,咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司;

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝置:X-DMZ 型咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司

1.1 環(huán)保型無(wú)石棉酚醛樹(shù)脂基閘瓦物理力學(xué)性能WSM-3型摩阻材料是一種采用樹(shù)脂為基體并用混雜纖維代替石棉的摩阻材料.特點(diǎn)是平均摩擦系數(shù)高,強(qiáng)度好,熱衰退小,不含鋼棉及高

。硬度摩擦劑,硬度低,不易損傷閘盤(pán),不含石棉,綠色環(huán)保,磨耗低,使用周期長(zhǎng),具有廣泛的使用前景，由 WSM-3閘瓦材料加工的試樣尺寸為25mm x25mmx25 mm,邊長(zhǎng)及厚度誤差控制在0~0.2 mmo

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,正壓力由空氣壓縮機(jī)通過(guò)氣缸加載于兩個(gè)閘瓦試樣上,試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄不同接觸壓力、不同滑動(dòng)速度、不同接觸面溫度條件下的閘瓦與摩擦盤(pán)之間的摩擦力,然后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照式(1)自動(dòng)計(jì)算出平均摩擦系數(shù)從并實(shí)時(shí)顯示。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)在接觸壓力為 0.98 MPa,滑動(dòng)速度 75 /s,接觸面溫度 100C條件下,考察在摩擦力與驅(qū)動(dòng)力獲得平衡的單次制動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律;

(2)在接觸壓力為0.98 MPa,滑動(dòng)速度 7.5 m/s 條件下,考察在摩擦力與驅(qū)動(dòng)力獲得平衡的單次制動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨溫度升高的變化規(guī)律:(3)在接觸壓力 0.98 MPa,接觸面溫度 100C時(shí),考察在摩擦力與驅(qū)動(dòng)力獲得平衡的單次制動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨速度增大的變化規(guī)律;

(4)在滑動(dòng)速度 7.5 m/s 條件下,接觸壓力變化范圍設(shè)定為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,16 MPa,考察無(wú)驅(qū)動(dòng)力時(shí)多次重復(fù)制動(dòng)過(guò)程中閘瓦材料的平均摩擦系數(shù)隨接觸壓力的變化規(guī)律;

(5)在滑動(dòng)速度 7.5 m/s 條件下,接觸面溫度變化范圍分別設(shè)定為 100,150,200,250,300,350C時(shí),考察無(wú)驅(qū)動(dòng)力時(shí)多次重復(fù)制動(dòng)過(guò)程中閘瓦材料的平均摩擦系數(shù)隨接觸壓力的變化規(guī)律:

(6)在接觸壓力 0.98 MPa 條件下滑動(dòng)速度變化范圍設(shè)定為 2.5,5,7.5,10,12.5,15,17.5,20 m/s,考察無(wú)驅(qū)動(dòng)力時(shí)多次重復(fù)制動(dòng)過(guò)程中閘瓦材料平均摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化規(guī)律。

(7)在接觸壓力 0.98 MPa 條件下,接觸面溫度變化范圍設(shè)定為 100,150,200,250,300,350C,考察無(wú)驅(qū)動(dòng)力時(shí)多次重復(fù)制動(dòng)過(guò)程中閘瓦材料平均摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化規(guī)律。

2.結(jié)果與討論

瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨工況參數(shù)的變化圖1是接觸壓力為 0.98 MPa,滑動(dòng)速度為7.5 m/s,接觸面溫度為 100C條件下 WSM-S 材料的瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨制動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律。此時(shí)閘瓦，國(guó)了出材料的由率為0%。實(shí)驗(yàn)方式是摩擦力與驅(qū)動(dòng)力相等的單次制動(dòng)過(guò)程。由圖1可知制動(dòng)初期WSM-3 材料的瞬態(tài)摩擦系數(shù)的峰值較大,瞬態(tài)摩擦系數(shù)的平均值也較大，當(dāng)時(shí)間為8~12ms 之后,瞬態(tài)摩擦系數(shù)逐漸減小變化的幅度也有所減小,當(dāng)時(shí)間為 100 ms 后瞬態(tài)摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定,瞬態(tài)摩擦系數(shù)在 0.519上下浮動(dòng),曲線表現(xiàn)出一定的周期性特征。出現(xiàn)上述變化主要有兩個(gè)原因,其一閘瓦的黏彈性材料特性與對(duì)偶件摩擦?xí)r的表面作用機(jī)制的影響,即黏彈性材料在受力后的變形過(guò)程是一個(gè)隨時(shí)間變化的過(guò)程,卸載后的恢復(fù)過(guò)程是一個(gè)延遲過(guò)程,使得材料或結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中發(fā)生蠕變或應(yīng)力松弛，閘瓦材料的黏彈性導(dǎo)致了制動(dòng)初期的瞬態(tài)摩擦系數(shù)在總體上大于制動(dòng)后期,同時(shí)閘瓦的彈塑變形的回復(fù)性和滯后性也是導(dǎo)致制動(dòng)初期的瞬態(tài)摩擦系數(shù)的變化幅度小于制動(dòng)后期的原因:其二閘瓦材料試樣的表面在磨削加工時(shí)因制樣機(jī)的振動(dòng)及力學(xué)應(yīng)變?cè)斐稍嚇颖砻娌y度發(fā)生周期性變化,這種周期性變化導(dǎo)致瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化表現(xiàn)出周期性特征。圖2是接觸壓力為0.98 MPa 滑動(dòng)速度 7.5 m/s,溫度從100C增加到350C，WSM-S 材料瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨接觸表面溫度的變化曲線。實(shí)驗(yàn)方式為摩擦力與驅(qū)動(dòng)力相等的單次制動(dòng)過(guò)程。由圖 2可知,當(dāng)滑動(dòng)速度與接觸壓力不變的情況下，WSM-3 材料瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨接觸表面溫度的上升而減小,曲線明顯分 3 個(gè)階段,在 160C之前,瞬態(tài)摩擦系數(shù)較大,變化幅度較小;在 160~260C之間,這一階段的瞬態(tài)摩擦系數(shù)的中值明顯小于 160C之前階段，且變化幅度也有所減小:在260~280C之間,材料瞬態(tài)摩擦系數(shù)的平均值大幅度下降,且變化幅度大于 160~260C;在280~350C材料瞬態(tài)摩擦系數(shù)數(shù)較 260~280C增大,但變化幅度小于 260~280C。

出現(xiàn)與圖1不同的性能曲線有3個(gè)原因,其一相對(duì)滑動(dòng)速度的提高,破壞了閘瓦材料的熱平衡,發(fā)熱量大于散熱量導(dǎo)致接觸面溫度升高,較高的表面溫度導(dǎo)致閘瓦粘合劑組分之一酚醛樹(shù)脂在180~220C分解,導(dǎo)致增強(qiáng)填料性能調(diào)節(jié)劑等組分失去原有性能,閘瓦材料的制動(dòng)效果變差;其二閘瓦材料吸水率影響摩擦過(guò)程的變化,在制動(dòng)中期閘瓦表層的水分析出導(dǎo)致水膜短時(shí)間存在,客觀上起到潤(rùn)滑作用,降低了瞬態(tài)摩擦系數(shù);其三閘瓦材料中起增強(qiáng)瞬態(tài)摩擦系數(shù)穩(wěn)定性、降低制動(dòng)噪聲的石墨成分的析出也降低了瞬態(tài)摩擦系數(shù)。

2.結(jié)果與討論

圖3 是接觸壓力 0.98 MPa,接觸表面溫度100C條件下,材料瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度變化的曲線。瞬態(tài)摩擦系數(shù)總體上隨滑動(dòng)速度的增加呈減小趨勢(shì);在滑動(dòng)速度為 2.5 ~ 6 m/s 階段瞬態(tài)摩擦系數(shù)的中值較為恒定，且變化幅度也較小;在6~16 m/s 瞬態(tài)摩擦系數(shù)中值減小,變化幅度較 2.5~6 m/s 階段有所增大;在 17.5 ~18.5 m/s 瞬態(tài)摩擦系數(shù)出現(xiàn)突變現(xiàn)象,數(shù)值大幅度減小,原因是隨著滑動(dòng)速度的增加,發(fā)熱量遠(yuǎn)大于散熱量,接觸面附近的樹(shù)脂粘結(jié)特性退化導(dǎo)致瞬態(tài)摩擦系數(shù)的大幅度下降:在速度大于18.5 m/s 時(shí)瞬態(tài)摩擦系數(shù)趨于恒定,且變化幅度很小,系統(tǒng)又進(jìn)入穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)2.2 平均摩擦系數(shù)隨工況參數(shù)的變化。

圖4 是滑動(dòng)速度為 7.5 m/s 條件下,接觸壓力變化范圍分別設(shè)定為 0.6,0.8,1.0,1.2.41.6 MPa時(shí),無(wú)驅(qū)動(dòng)力時(shí)多次重復(fù)制動(dòng)過(guò)程中閘瓦材料的平均摩擦系數(shù)隨接觸面溫度的變化曲線。由圖4可知,滑動(dòng)速度為 7.5 m/s 時(shí),不同接觸壓力下的平均摩擦系數(shù)隨接觸表面溫度的上升均下降,其中1.4 MPa 時(shí)的平均摩擦系數(shù)曲線線性度最好:從區(qū)間性上分析,溫度為 100~350C時(shí)在0.6~1.0 MPa區(qū)間內(nèi)較高的接觸壓力導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)大幅度降低。

圖5是在滑動(dòng)速度為 7.5 m/s 條件下接觸面溫度變化范圍分別設(shè)定為 100,150,200,25,300350c無(wú)驅(qū)動(dòng)力時(shí)多次重復(fù)制動(dòng)過(guò)程中閘瓦材料的平均摩擦系數(shù)隨接觸壓力的變化曲線。

2.結(jié)果與討論

由圖5可知,滑動(dòng)速度為 7.5 m/s 時(shí),不同接觸面溫度下WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)隨接觸壓力的上升總體變化趨勢(shì)一致,均隨著接觸壓力的上升而增大;其中接觸面溫度為 100,150,200C的 WSM-3 材料平均摩擦系數(shù)曲線的形狀相近，當(dāng)接觸面溫度為 250C時(shí),接觸壓力小于1.3 MPa 時(shí)WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)增加較快隨著接觸壓力的增加，WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)增加緩慢當(dāng)接觸面溫度為 300C時(shí),當(dāng)接觸壓力小于1.0 MPa時(shí)，WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)增加較快，當(dāng)接觸壓力為 1.3 MPa時(shí)平均摩擦系數(shù)略有降低,隨后再增加。當(dāng)接觸面溫度為 350C時(shí),接觸壓力小于 1.0MPa 時(shí)，WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)略有降低,當(dāng)接觸壓力大于1.0 MPa 后，WSM-3 材料平均摩擦系數(shù)的增幅較大。

綜合分析圖 4圖5的摩擦過(guò)程當(dāng)滑動(dòng)速度保持恒定,接觸表面溫度誤差控制在 5C范圍之內(nèi):(1)由圖 4可見(jiàn)滑動(dòng)速度一定接觸壓力不同時(shí),較高接觸壓力的平均摩擦系數(shù)曲線在較低接觸壓力時(shí)的平均摩擦系數(shù)曲線的上方,即當(dāng)接觸壓力較大時(shí) WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)較大。總之,隨接觸面溫度的增加,無(wú)論是接觸壓力是多少WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)總體是下降的。(2)由圖5可見(jiàn)在滑動(dòng)速度保持恒定觀察在不同接觸面溫度條件下的平均摩擦系數(shù)隨接觸壓力的變化曲線:從增幅看,在 200,350C接觸面溫度時(shí)WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)隨接觸壓力的增幅最大,100,150,300C次之,350C最低;從總體變化趨勢(shì)看.在不同接觸面溫度條件下 WSM-3 材料的平均摩擦系數(shù)隨接觸壓力的變化曲線近似成直線上升趨勢(shì),特別是溫度較低時(shí)的 100.150C曲線曲線形狀接近直線,線性特征表現(xiàn)得更為明顯。

(1)設(shè)閘瓦與制動(dòng)盤(pán)間的實(shí)際接觸面積為4,閘瓦表面單位面積上的剪切應(yīng)力為 t,則從可由(2)式描述根據(jù)公式(3)可知,如果接觸壓力的增加率導(dǎo)致更大的實(shí)際接觸面積增長(zhǎng)率,則平均摩擦系數(shù)就會(huì)增大,相反,若實(shí)際接觸面積增加的比率小于接觸壓力的增加比率,則平均摩擦系數(shù)反而會(huì)減小。原因是接觸壓力較低時(shí),閘瓦表面尚有較多的微凸體存在,隨接觸壓力的增大,摩擦過(guò)程中實(shí)際接觸的微凸體數(shù)量增多,實(shí)際接觸面積增大,在此過(guò)程,由于接觸壓力較小,實(shí)際接觸面積的增加比率大于接觸壓力的增加比率,因此平均摩擦系數(shù)呈上升的趨勢(shì)。

圖6是在接觸壓力 0.98 MPa條件下,滑動(dòng)速度變化范圍設(shè)定為2.5,5,7.5,10,12.5,1517.520 m/s,無(wú)驅(qū)動(dòng)力時(shí)多次重復(fù)制動(dòng)過(guò)程中 WSM-3材料平均摩擦系數(shù)隨接觸面溫度的變化曲線由圖6可知,接觸壓力 0.98 MPa 時(shí),不同滑動(dòng)速度下的平均摩擦系數(shù)隨接觸面溫度上升的總體變化趨勢(shì)較為一致,都是隨著接觸面溫度的上升而減小;其中2.5,5,7.5,10.0,12.5,20 m/s 的平均摩擦系數(shù)曲線特性相近,基本上是呈線性下降的,而當(dāng)滑動(dòng)速率為 15.5 m/s 時(shí),當(dāng)接觸面溫度從 200~250C變化時(shí)，WSM材料的平均摩擦系數(shù)的基本不變,當(dāng)接觸面溫度從 250 ~ 350C變化時(shí)，WSM材料的平均磨擦系數(shù)呈直線下降。當(dāng)滑動(dòng)速率為17.5 m/s 時(shí),當(dāng)接觸面溫度從 100C增至15C時(shí)WSM 材料的平均摩擦系數(shù)的基本不變，當(dāng)接觸面溫度從150C增至350C時(shí)，WSM材料的平均摩擦系數(shù)基本呈直線下降趨勢(shì)。

2.結(jié)果與討論

圖7是WSM-3 材料在接觸壓力0.98 MPa條件下,接觸面溫度變化為 100,150,200,250,300.350C,無(wú)驅(qū)動(dòng)力時(shí)多重復(fù)制動(dòng)過(guò)程中 WSM-3 材料平均摩擦系數(shù)隨接觸面滑動(dòng)速度的變化曲線。

綜合分析圖6圖7,當(dāng)接觸壓力為 0.98 MPa,接觸面溫度誤差在 5C范圍之內(nèi)時(shí),可得結(jié)論(1)閘瓦材料的平均摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的增加而減少,且降幅較大,例如,當(dāng)摩擦面溫度設(shè)定在150C時(shí),當(dāng)相對(duì)速度從 2.5 m/s 增至20 m/s 時(shí),平均摩擦系數(shù)從0.492 減少到0.410降幅 16.67%。由此可以判斷出.對(duì)于WSM-3 型閘瓦材料而言滑動(dòng)速度的增長(zhǎng)對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響程度大于接觸壓力對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響。

(2)在所考察的滑動(dòng)速度范圍(2.5 ~ 20 m/s)內(nèi),在每個(gè)接觸表面溫度曲線上,每條平均摩擦系數(shù)曲線受相對(duì)速度的變化影響顯著,最大降幅 21.05%發(fā)生在控制溫度 350C時(shí)的平均摩擦系數(shù)的變化曲線上,最小降幅 13.04% 發(fā)生在接觸表面溫度 200C時(shí)的平均摩擦系數(shù)的變化曲線上;

(3)在滑動(dòng)速度小于125 m/s 時(shí)各平均摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化曲線的降幅變化趨勢(shì)較為一致，且這一階段每條平均摩擦系數(shù)曲線的降幅的數(shù)值也較大,各條曲線近似平行;而滑動(dòng)速度大于12.5 m/s 時(shí),從圖形上表現(xiàn)為這一階段每條平均摩擦系數(shù)曲線趨于平緩,降幅減小。

3、結(jié)論

(1)平均摩擦系數(shù)都具有過(guò)程依賴性(2)當(dāng)WSM-3型閘瓦材料與16M 組成的摩擦副接觸表面溫度保持恒定時(shí)，閘瓦材料平均摩擦系數(shù)隨接觸壓力的增加而增加,隨滑動(dòng)速度的增加而減少.而且滑動(dòng)速度對(duì)閘瓦材料的平均摩擦系數(shù)的影響程度較接觸壓力大得多。

(3)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在材料摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中,將平均摩擦系數(shù)視作變量是必要的,原因在于摩擦過(guò)程中接觸面溫度、滑動(dòng)速度、接觸壓力的變化導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)數(shù)值的非線性變化