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摩擦材料配方设计研究探讨

作者: 来源: 日期:2016/1/21 9:43:59 人气:40 评论:0 标签:

摘要:本文介绍了摩擦材料组元热工艺密度、摩擦系数的测定方法,简要分析了配方组元与产品摩擦性能间的关系,提出了设计摩擦材料配方的基本思想。

关键词:配方组元,摩擦材料,热工艺方法,热工艺密度的测定,摩擦系数测定

 

一、引言

    对摩擦材料配方设计理论研究和实践指导一直是研发者十分关心的课题,这方面公开发表的文章并不多[1~3],因为是各制造摩擦材料公司的“专利”和产品开发的秘密。这里,我们“抛砖引玉”,对摩擦材料配方设计的思路和方法作一些探讨,供大家参考和讨论。

摩擦材料是由许多原料配方材料所组成,这些配方原料它们多是以物理结合方式、通过热压成型组合在一起的。因此,摩擦材料的主要性能基本上应该反映制造中所用全部配方材料的综合性能,并由全部配方材料的性能对其贡献的总和来决定。可见,要研发摩擦材料产品必须首先全面掌握配方所使用的各种原材料的基本性能数据,特别要测试出各种配方原材料反映在整体摩擦材料上的实际性能数据,并找出配方组元材料的性能数据与整体摩擦材料间的正确关系(即表达式),这样才能使摩擦材料配方设计工作有依据、有成效,从而达到缩短研发周期,降低研发成本。

二、研究方法的理论根据及可行性

2.1 用定速试验机数据可以推定大台架试验数据

由于用户对摩擦材料产品的不同要求,要用各种试验机对摩擦材料进行各种标准性能试验,如用蔡斯(CHASE)KRAUSSLINK试验机等进行ASE J661VW- TL110FMVSS 135 (S-13763400C)VP3212标准试验等。虽然测试的条件、数据各有不同,但最基本的还是测量两个重要参数:摩擦系数和磨耗量。只不过是通过变化温度、速度或压力条件来测试,摩擦试验的本质——通过摩擦表面的相对运动测定摩擦性能数据是一致的。而这些数据都可以通过JF150D定速试验机试验基本反映出来,定速试验机按GB-5763/98国标测试摩擦速度、压力基本恒定下,试样在不同温度(100℃、150℃、200℃、250℃、300℃和350℃)下的摩擦系数和磨耗情况,我们只要认真的试验、仔细的分析试验结果,就会找出被试验材料摩擦性能的规律和本质。

可以证明:试片的总摩擦系数与试片的面积大小无关,而决定于各配方组元材料的自身摩擦特性及以其在摩擦材料中所占体积分数,通过体积分数对整体摩擦材料的性能所作贡献的总和。

设总正压力为P总,总摩擦力为F总,总摩擦系数为μ总;第i组元的摩擦系数为μi、 摩擦力为Fi、正压力为Pi 、在摩擦表面所占面积分数为Bi,所占摩擦材料的体积分数为Ai。从统计学的观点看若是理想均匀分布,应该Bi=Ai    

因为 μ= F/ P, Fi =μi *Pi =μi * P * B I      为乘号)

μ= F/ P = F1 + F2 +……+Fn / P

      = (μ1 * P * B1 +μ2* P * B2 +……+μn * P* Bn ) / P

      = μ1 * B1 +μ2 * B2 +……+μn * Bn

      = μ1 * A1 +μ2 * A2 +……+μn * An    ……….. 

    由上式的推导结果,可明显看出摩擦材料的总摩擦系数,仅与各配方组元的摩擦系数和其所占体积分数有关,而与被测样品的面积大小无关。

2.2. 定速试验机与KRAUSS试验机测试条件比较

分析比较JF150D定速试验机与KRAUSS试验机的测试条件,如表1所示:

1. 定速试验机与KRAUSS试验机测试验条件比较

JF150D定速试验机测试条件

KRAUSS试验机测试条件

制动程序

5000/次,(人工调节定温)

试验机转速:420- 450 /

 

摩擦片的线速度规定: 7-7.5/

 

试片尺寸25 X25 mm2 两片

摩擦盘的摩擦中心尺寸直径 300mm

 

摩擦片压力规定: 10 Kg/Cm2

 

 

制动程序每次制动5秒,间隔10秒,连续100次(摩擦自动升温)

试验机转速:660/

 

制动线速度7.18/

 

刹车片面积47cm2

制动盘尺寸:直径208mm,周长:653.5mm

 

制动压力: 2.14MPa

制动片压力: 10Kg/cm2

 

由表1可明显看出,基本测试条件:试片所受的压力和摩擦的线速度定速试验机和KRAUSS试验机的比较,是一致的,只是温度条件有差异。

上面的分析可以得出结论,用小试验机、小样试验,所采集数据的结果是有使用价值的。

三、关于体积理论的计算方法

3.1. 如何由配方组元的重量百分比,换算为体积百分比

在传统的配方设计中,通常采用重量比,用该参数无法正确反映配方组元性能与整体摩擦材料性能间的直接关系。必须转化为体积比代入表达式才能进行正确计算。可用下列方法计算出已知重量的任一配方组元(如第i组元)所占的体积分数Ai :

Wi i组元的重量,Vi i组元的实际体积;Di i组元的工艺热压缩密度。

因为在由n个配方组元构成的整体摩擦材料(刹车片)中,各配方组元所占体积分别为:

Vi =Wi / Di(其中i =123……n),

所以在一个单位体积中,各组元所占体积分数可用下列表达式分别计算出。第i组元体积分数Ai为:

Ai= Vi / (V1+V2+V3+……+Vn) (其中i =123……n

3.2. 如何确定配方各组元材料的热压缩密度(Di

该密度(Di)应该是制作成摩擦材料(即按工艺标准条件热压)后的实际密度。确定单组元材料的热压密度的方法可以这样考虑:

A. 首先要准确测定树脂在工艺标准条件下的热压密度D=W/V树(W树表树脂的重量,V树 表树脂的热压缩体积)。

B. 对二元混合物:按标准工艺条件制备二组元材料试样,被测组元材料重量Wi g)和树脂重量 W树(g),测得该二元混合物的总密度D总。

从而可求出热压状态第 i组元材料的密度为:

Di=Wi/(V-V)= Wi/[ (Wi + W )/ D- W/ D]

C. 对三元混合物:如加了已知密度的第三组元,W3D3,则有计算式:

Di=Wi/(V-V-V3)= Wi/[ (Wi+ W+ W3 )/ D- W/ D- W3/ D3]

在得到配方各单组元材料的热压密度数据后,要代入多组元摩擦材料(刹车片或试片)的相关数据中,进行验算和修正,以求得单组元在摩擦材料中实际的热压密度。

3.3. 如何确定配方组元的摩擦性能

测定方法基本与上述测定热压缩密度的方法相似:

1. 首先准确测定实际制作摩擦材料条件(即工艺标准热压)下的树脂的摩擦性能(摩擦系数μ磨耗δ树);

2. 对于配方单组元材料摩擦性能的确定,应考虑到在制备试片中所含粘合树脂(或其它添加材料)对测试性能的贡献,要按材料的配方比例,分析、计算出被测组元的性能参数,并经反复验证后确定。

具体计算方法参考如下:

1. 首先测定出树脂的摩擦系数μ

2. 制备二组元材料试样:

已知被测配方组元材料的重量为Wi,热压密度为Di;树脂的重量为W树,热压密度为D树,已测定出试样总摩擦系数为μ总,求配方单组元的摩擦系数μi

因树脂摩擦系数已测定出为μ树,令体积百分数分别为A树、Ai

有:μ*A+μi*Ai  μi =μ*A树)/Ai

因体积  Vi=Wi/Di V=W/D树;

Ai=Vi/( V+ Vi) = (Wi/Di) /W/D+ Wi/Di=Wi* D/(W*Di+ Wi*D)

A= V/V+ Vi= W* Di / (W*Di+ Wi*D)

经推导最后令R= ( W* Di) / (Wi*D)

可计算出μi = μ*1+R- μ* R

3.4. 如何由摩擦材料配方各单组元的性能推算和预测摩擦材料的性能

设想整体摩擦材料(刹车片)的性能是由配方各组元的摩擦性能通过其所占的面积分数的大小和贡献来决定的。

从统计学的观点看,可以认为在摩擦材料的应用表面(即摩擦表面)上,各配方组元材料的分布是均匀的,其各组元所占面积分数基本与其所占体积分数相同,因此,整体摩擦材料(刹车片)的性能可用下列数学式来表达:

μ总=A1*μ1 + A2*μ2 + A3*μ3+ … + An*μn    ……… 

δ总=A1* δ1 + A2* δ2 + A3* δ3+ … + An* δn    … 

(式中, μ总、δ总分别表示摩擦材料(刹车片或试片)的总摩擦系数和总磨耗;μ1、μ2、μ3……μn分别表示第123……n各配方组元材料的摩擦系数;

δ1、 δ2、 δ3…… δn 分别表示第123……n各配方组元材料的磨耗;

A1 A2 A3……An 分别代表第123..n等各配方组元在摩擦表面所占面积分数)。(表示乘法运算符)

值得注意的是:在计算总磨耗时,还要考虑各配方组元的机械性能如硬度对磨耗贡献的影响。为正确表达磨耗量,要按标准测试磨下的厚度重量两个参数,以便在实验研究中,修正上述②式,建立更接近实际情况的正确磨耗表达式。

四、建立计算机程序数据库

在分别测定计算出各配方组元的摩擦性能数据并得到验证确定后,就可以考虑进行建立数据库的工作了。

1、将各种配方组元材料的热压密度数据、摩擦性能数据分别存储于计算机数据库中;

2、将产品配方中的组元材料含量数据输入计算机,调用数据库中的相关数据,计算出结果,并与实际产品测出的结果相比较,进行验证、分析,对上述计算式进行修正,最后得出正确合理的表达式,再存入计算机以待应用;

3、根据设计产品要求的性能指标数据,选定配方材料输入计算机,调用数据库的相关数据,进行试算、分析,进行配方设计研究;

4、编制出全部计算机运算程序和数据库置入光盘,成为完整的摩擦材料产品配方理论设计软件资料,推广应用。

五、计算实例

    下表所列是一种摩擦材料产品密度和摩擦系数的实际测量值与配方设计计算值比较记录。

2. 配方设计密度综合计算与产品实测值比较表

材料名称

材料体积压缩密度(g/cm3)

配方组元材料的重量(g)

材料压缩体积cm3

配方设计材料的Vol.%

单位体积1cm3中含重(g)

产品实测密度g/cm3

密度误差  %

树脂

1.2084

9.0000

7.4481

21.3105

0.2575

2.8993

0.46

1#

1.0074

1.0000

0.9927

2.8402

0.0286

2#

1.1061

3.0000

2.7121

7.7600

0.0858

3#

1.4322

0.3000

0.2095

0.5993

0.0086

4#

1.7319

4.0000

2.3095

6.6081

0.1144

5#

1.9361

4.0000

2.0660

5.9113

0.1144

6#

2.2441

10.0000

4.4561

12.7499

0.2861

7#

2.6782

10.0000

3.7339

10.6835

0.2861

8#

2.6947

4.0000

1.4844

4.2472

0.1144

9#

3.5602

0.5000

0.1404

0.4018

0.0143

10#

4.2283

9.0000

2.1285

6.0901

0.2575

11#

4.8159

14.0000

2.9071

8.3177

0.4006

12#

7.1140

9.0000

1.2651

3.6198

0.2575

13#

7.7501

24.0000

3.0967

8.8604

0.6867

合计

 

101.8000

34.9501

100.0000

2.9127

3. 配方设计摩擦系数综合计算与产品实测值比较表

材料名称

材料体积压缩密度(g/cm3)

配方组元材料的重量(g)

材料压缩体积cm3

配方设计材料的Vol.%

单组元的平均摩擦系数

单组元对总配方摩擦系数的贡献

产品实测摩擦系数

摩擦系数误差  %

树脂

1.2084

9.0000

7.4481

21.3965

0.2000

0.0428

0.3700

0.41

1#

1.0074

1.0000

0.9927

2.8517

0.7889

0.0225

2#

1.1061

3.0000

2.7121

7.7913

0.3496

0.0272

3#

1.4322

0.3000

0.2095

0.6017

0.4962

0.0030

4#

1.7319

4.0000

2.3095

6.6348

0.1248

0.0083

5#

1.9361

4.0000

2.0660

5.9351

0.1324

0.0079

6#

2.2441

10.0000

4.4561

12.8013

0.0999

0.0128

7#

2.6782

10.0000

3.7339

10.7266

0.3628

0.0389

8#

2.6947

4.0000

1.4844

4.2643

0.4648

0.0198

9#

4.2283

9.0000

2.1285

6.1147

0.6183

0.0378

10#

4.8159

14.0000

2.9071

8.3513

0.5884

0.0491

11#

7.1140

9.0000

1.2651

3.6344

0.7198

0.0262

12#

7.7501

24.0000

3.0967

8.8962

0.8457

0.0752

合计

 

101.3000

34.8097

100.0000

 

0.3715

由上表的理论计算数据与实测数据相差都小于1%,完全符合设计允差3%的要求。这一事实的证明了配方设计的“体积理论”的正确性和计算方法的可行性。初步证明了用这种方法建立的数据库是有参考适用价值的。

六、结束语

当然,上述摩擦材料配方设计思想并非完善,讨论的是理想的、单一静态的情况,实际的摩擦情况要复杂的多。由于物质间的相互摩擦和温度的多重作用,加之各配方组元材料性能的差异,在摩擦表面的组元会发生相互流动,使摩擦表面状态不断发生变化,如磨下的粉粒的作用、表面划伤、润滑情况的变化等,都会影响摩擦机制和性能数据。不能用一成不变的简单表达式来计算。然而,这些影响因素的变化规律是可以通过试验逐步摸清,并通过表达式的不断按照实际情况进行修正,得到解决。我们可以通过分析,建立配方组元的影响权重等计算方法。对于不同温度下的动态模拟表达式,也可以根据实验建立起来并通过计算机进行计算。如正确分析和测试试样的“衰退”现象、考虑各种摩擦机制对摩擦表面及摩擦性能的影响等,都必须对上述诸表达式进行修正,这里我们只是提出一个基本的设计思路。

但不管怎么说,这是一个开始。希望能通过建“数据库”,进一步了解和掌握摩擦材料配方原材料的性能,如何选择最佳材料,并正确的应用它们。合理的调用这些数据,定能帮助研发者思考如何设计配方,少走弯路。以达到节约人力、物力,提高研发效率,保证研发质量。

由于水平所限,不足之处,欢迎批评指正。让我们共同为提高我们的研发水平、多、快、好、省的开发出新型摩擦材料产品而努力。

 

* 本文根据山东信义集团公司研究所和沈阳奥巴摩擦材料公司的试验数据经分析总结写成,作者对他们表示衷心感谢。对文中提出的观点欢迎同行交流、批评指正。有建议和意见可与作者联系。

Email: xlwei@imr.ac.cn 中国科学院金属研究所 隗学礼

                                             信义集团公司 巴遂忠 

 

 

参考文献

 [1] 巴遂忠等,摩擦材料基础理论和计算研究课题(续篇一),《摩擦密封材料》200548113-16

[2] 吕亚非,“组合摩擦材料研究”, 世界科技研究与发展,2004,26(3): 22-26.

    [3] 巴遂忠、隗学礼等,摩擦材料基础理论和计算研究课题(续篇三),《摩擦密封材料》2007594):P15-17

    本文网址:http://www.xynewmat.com/html/yanfadongtai/8.html
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