不同工况参数对酚醛树脂基无石棉闸瓦材料摩擦性能影响

不同工况参数对酚醛树脂基无石棉闸瓦材料摩擦性能影响

1.实验设备

(相关资料图)

非金属材料制样机:XD-B 型,咸阳新益摩擦密封设备有限公司;

摩擦磨损实验装置:X-DMZ 型咸阳新益摩擦密封设备有限公司

1.1 环保型无石棉酚醛树脂基闸瓦物理力学性能WSM-3型摩阻材料是一种采用树脂为基体并用混杂纤维代替石棉的摩阻材料.特点是平均摩擦系数高,强度好,热衰退小,不含钢棉及高

。硬度摩擦剂,硬度低,不易损伤闸盘,不含石棉,绿色环保,磨耗低,使用周期长,具有广泛的使用前景，由 WSM-3闸瓦材料加工的试样尺寸为25mm x25mmx25 mm,边长及厚度误差控制在0~0.2 mmo

1.2 实验数据处理方法

实验过程中,正压力由空气压缩机通过气缸加载于两个闸瓦试样上,试验机测力系统实时记录不同接触压力、不同滑动速度、不同接触面温度条件下的闸瓦与摩擦盘之间的摩擦力,然后由计算机系统按照式(1)自动计算出平均摩擦系数从并实时显示。

1.3 实验步骤

(1)在接触压力为 0.98 MPa,滑动速度 75 /s,接触面温度 100C条件下,考察在摩擦力与驱动力获得平衡的单次制动过程中瞬态摩擦系数随时间的变化规律;

(2)在接触压力为0.98 MPa,滑动速度 7.5 m/s 条件下,考察在摩擦力与驱动力获得平衡的单次制动过程中瞬态摩擦系数随温度升高的变化规律:(3)在接触压力 0.98 MPa,接触面温度 100C时,考察在摩擦力与驱动力获得平衡的单次制动过程中瞬态摩擦系数随速度增大的变化规律;

(4)在滑动速度 7.5 m/s 条件下,接触压力变化范围设定为0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,16 MPa,考察无驱动力时多次重复制动过程中闸瓦材料的平均摩擦系数随接触压力的变化规律;

(5)在滑动速度 7.5 m/s 条件下,接触面温度变化范围分别设定为 100,150,200,250,300,350C时,考察无驱动力时多次重复制动过程中闸瓦材料的平均摩擦系数随接触压力的变化规律:

(6)在接触压力 0.98 MPa 条件下滑动速度变化范围设定为 2.5,5,7.5,10,12.5,15,17.5,20 m/s,考察无驱动力时多次重复制动过程中闸瓦材料平均摩擦系数随滑动速度的变化规律。

(7)在接触压力 0.98 MPa 条件下,接触面温度变化范围设定为 100,150,200,250,300,350C,考察无驱动力时多次重复制动过程中闸瓦材料平均摩擦系数随滑动速度的变化规律。

2.结果与讨论

瞬态摩擦系数随工况参数的变化图1是接触压力为 0.98 MPa,滑动速度为7.5 m/s,接触面温度为 100C条件下 WSM-S 材料的瞬态摩擦系数随制动时间的变化规律。此时闸瓦，国了出材料的由率为0%。实验方式是摩擦力与驱动力相等的单次制动过程。由图1可知制动初期WSM-3 材料的瞬态摩擦系数的峰值较大,瞬态摩擦系数的平均值也较大，当时间为8~12ms 之后,瞬态摩擦系数逐渐减小变化的幅度也有所减小,当时间为 100 ms 后瞬态摩擦系数逐渐趋于稳定,瞬态摩擦系数在 0.519上下浮动,曲线表现出一定的周期性特征。出现上述变化主要有两个原因,其一闸瓦的黏弹性材料特性与对偶件摩擦时的表面作用机制的影响,即黏弹性材料在受力后的变形过程是一个随时间变化的过程,卸载后的恢复过程是一个延迟过程,使得材料或结构在受力过程中发生蠕变或应力松弛，闸瓦材料的黏弹性导致了制动初期的瞬态摩擦系数在总体上大于制动后期,同时闸瓦的弹塑变形的回复性和滞后性也是导致制动初期的瞬态摩擦系数的变化幅度小于制动后期的原因:其二闸瓦材料试样的表面在磨削加工时因制样机的振动及力学应变造成试样表面波纹度发生周期性变化,这种周期性变化导致瞬态摩擦系数随时间的变化表现出周期性特征。图2是接触压力为0.98 MPa 滑动速度 7.5 m/s,温度从100C增加到350C，WSM-S 材料瞬态摩擦系数随接触表面温度的变化曲线。实验方式为摩擦力与驱动力相等的单次制动过程。由图 2可知,当滑动速度与接触压力不变的情况下，WSM-3 材料瞬态摩擦系数随接触表面温度的上升而减小,曲线明显分 3 个阶段,在 160C之前,瞬态摩擦系数较大,变化幅度较小;在 160~260C之间,这一阶段的瞬态摩擦系数的中值明显小于 160C之前阶段，且变化幅度也有所减小:在260~280C之间,材料瞬态摩擦系数的平均值大幅度下降,且变化幅度大于 160~260C;在280~350C材料瞬态摩擦系数数较 260~280C增大,但变化幅度小于 260~280C。

出现与图1不同的性能曲线有3个原因,其一相对滑动速度的提高,破坏了闸瓦材料的热平衡,发热量大于散热量导致接触面温度升高,较高的表面温度导致闸瓦粘合剂组分之一酚醛树脂在180~220C分解,导致增强填料性能调节剂等组分失去原有性能,闸瓦材料的制动效果变差;其二闸瓦材料吸水率影响摩擦过程的变化,在制动中期闸瓦表层的水分析出导致水膜短时间存在,客观上起到润滑作用,降低了瞬态摩擦系数;其三闸瓦材料中起增强瞬态摩擦系数稳定性、降低制动噪声的石墨成分的析出也降低了瞬态摩擦系数。

2.结果与讨论

图3 是接触压力 0.98 MPa,接触表面温度100C条件下,材料瞬态摩擦系数随滑动速度变化的曲线。瞬态摩擦系数总体上随滑动速度的增加呈减小趋势;在滑动速度为 2.5 ~ 6 m/s 阶段瞬态摩擦系数的中值较为恒定，且变化幅度也较小;在6~16 m/s 瞬态摩擦系数中值减小,变化幅度较 2.5~6 m/s 阶段有所增大;在 17.5 ~18.5 m/s 瞬态摩擦系数出现突变现象,数值大幅度减小,原因是随着滑动速度的增加,发热量远大于散热量,接触面附近的树脂粘结特性退化导致瞬态摩擦系数的大幅度下降:在速度大于18.5 m/s 时瞬态摩擦系数趋于恒定,且变化幅度很小,系统又进入稳定的摩擦状态2.2 平均摩擦系数随工况参数的变化。

图4 是滑动速度为 7.5 m/s 条件下,接触压力变化范围分别设定为 0.6,0.8,1.0,1.2.41.6 MPa时,无驱动力时多次重复制动过程中闸瓦材料的平均摩擦系数随接触面温度的变化曲线。由图4可知,滑动速度为 7.5 m/s 时,不同接触压力下的平均摩擦系数随接触表面温度的上升均下降,其中1.4 MPa 时的平均摩擦系数曲线线性度最好:从区间性上分析,温度为 100~350C时在0.6~1.0 MPa区间内较高的接触压力导致平均摩擦系数大幅度降低。

图5是在滑动速度为 7.5 m/s 条件下接触面温度变化范围分别设定为 100,150,200,25,300350c无驱动力时多次重复制动过程中闸瓦材料的平均摩擦系数随接触压力的变化曲线。

2.结果与讨论

由图5可知,滑动速度为 7.5 m/s 时,不同接触面温度下WSM-3 材料的平均摩擦系数随接触压力的上升总体变化趋势一致,均随着接触压力的上升而增大;其中接触面温度为 100,150,200C的 WSM-3 材料平均摩擦系数曲线的形状相近，当接触面温度为 250C时,接触压力小于1.3 MPa 时WSM-3 材料的平均摩擦系数增加较快随着接触压力的增加，WSM-3 材料的平均摩擦系数增加缓慢当接触面温度为 300C时,当接触压力小于1.0 MPa时，WSM-3 材料的平均摩擦系数增加较快，当接触压力为 1.3 MPa时平均摩擦系数略有降低,随后再增加。当接触面温度为 350C时,接触压力小于 1.0MPa 时，WSM-3 材料的平均摩擦系数略有降低,当接触压力大于1.0 MPa 后，WSM-3 材料平均摩擦系数的增幅较大。

综合分析图 4图5的摩擦过程当滑动速度保持恒定,接触表面温度误差控制在 5C范围之内:(1)由图 4可见滑动速度一定接触压力不同时,较高接触压力的平均摩擦系数曲线在较低接触压力时的平均摩擦系数曲线的上方,即当接触压力较大时 WSM-3 材料的平均摩擦系数较大。总之,随接触面温度的增加,无论是接触压力是多少WSM-3 材料的平均摩擦系数总体是下降的。(2)由图5可见在滑动速度保持恒定观察在不同接触面温度条件下的平均摩擦系数随接触压力的变化曲线:从增幅看,在 200,350C接触面温度时WSM-3 材料的平均摩擦系数随接触压力的增幅最大,100,150,300C次之,350C最低;从总体变化趋势看.在不同接触面温度条件下 WSM-3 材料的平均摩擦系数随接触压力的变化曲线近似成直线上升趋势,特别是温度较低时的 100.150C曲线曲线形状接近直线,线性特征表现得更为明显。

(1)设闸瓦与制动盘间的实际接触面积为4,闸瓦表面单位面积上的剪切应力为 t,则从可由(2)式描述根据公式(3)可知,如果接触压力的增加率导致更大的实际接触面积增长率,则平均摩擦系数就会增大,相反,若实际接触面积增加的比率小于接触压力的增加比率,则平均摩擦系数反而会减小。原因是接触压力较低时,闸瓦表面尚有较多的微凸体存在,随接触压力的增大,摩擦过程中实际接触的微凸体数量增多,实际接触面积增大,在此过程,由于接触压力较小,实际接触面积的增加比率大于接触压力的增加比率,因此平均摩擦系数呈上升的趋势。

图6是在接触压力 0.98 MPa条件下,滑动速度变化范围设定为2.5,5,7.5,10,12.5,1517.520 m/s,无驱动力时多次重复制动过程中 WSM-3材料平均摩擦系数随接触面温度的变化曲线由图6可知,接触压力 0.98 MPa 时,不同滑动速度下的平均摩擦系数随接触面温度上升的总体变化趋势较为一致,都是随着接触面温度的上升而减小;其中2.5,5,7.5,10.0,12.5,20 m/s 的平均摩擦系数曲线特性相近,基本上是呈线性下降的,而当滑动速率为 15.5 m/s 时,当接触面温度从 200~250C变化时，WSM材料的平均摩擦系数的基本不变,当接触面温度从 250 ~ 350C变化时，WSM材料的平均磨擦系数呈直线下降。当滑动速率为17.5 m/s 时,当接触面温度从 100C增至15C时WSM 材料的平均摩擦系数的基本不变，当接触面温度从150C增至350C时，WSM材料的平均摩擦系数基本呈直线下降趋势。

2.结果与讨论

图7是WSM-3 材料在接触压力0.98 MPa条件下,接触面温度变化为 100,150,200,250,300.350C,无驱动力时多重复制动过程中 WSM-3 材料平均摩擦系数随接触面滑动速度的变化曲线。

综合分析图6图7,当接触压力为 0.98 MPa,接触面温度误差在 5C范围之内时,可得结论(1)闸瓦材料的平均摩擦系数随滑动速度的增加而减少,且降幅较大,例如,当摩擦面温度设定在150C时,当相对速度从 2.5 m/s 增至20 m/s 时,平均摩擦系数从0.492 减少到0.410降幅 16.67%。由此可以判断出.对于WSM-3 型闸瓦材料而言滑动速度的增长对平均摩擦系数的影响程度大于接触压力对平均摩擦系数的影响。

(2)在所考察的滑动速度范围(2.5 ~ 20 m/s)内,在每个接触表面温度曲线上,每条平均摩擦系数曲线受相对速度的变化影响显著,最大降幅 21.05%发生在控制温度 350C时的平均摩擦系数的变化曲线上,最小降幅 13.04% 发生在接触表面温度 200C时的平均摩擦系数的变化曲线上;

(3)在滑动速度小于125 m/s 时各平均摩擦系数随滑动速度的变化曲线的降幅变化趋势较为一致，且这一阶段每条平均摩擦系数曲线的降幅的数值也较大,各条曲线近似平行;而滑动速度大于12.5 m/s 时,从图形上表现为这一阶段每条平均摩擦系数曲线趋于平缓,降幅减小。

3、结论

(1)平均摩擦系数都具有过程依赖性(2)当WSM-3型闸瓦材料与16M 组成的摩擦副接触表面温度保持恒定时，闸瓦材料平均摩擦系数随接触压力的增加而增加,随滑动速度的增加而减少.而且滑动速度对闸瓦材料的平均摩擦系数的影响程度较接触压力大得多。

(3)实验证实了在材料摩擦学设计中,将平均摩擦系数视作变量是必要的,原因在于摩擦过程中接触面温度、滑动速度、接触压力的变化导致平均摩擦系数数值的非线性变化