【正文】 分子引力的作用如同對接觸表面施加負荷的作用。摩擦即是由此二項因素決定的過程；一方面是克服機械的相互嚙合，另一方面是 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 8 克服分子引力，稱為“分子――機械理論”。摩擦系數(shù)（ ）為摩擦力與垂直負荷和接觸表面分子引力之和的比值。即： )( 0NNF ???? 也可以寫成： )( 0NNF ?? ?? 摩擦時，表面的相互嚙合和分子引力的形成與破壞造成了摩擦表面的磨損。 真實摩擦系數(shù)與計算得到的摩擦系數(shù)的關(guān)系為： )1( 0 NNNF ???? ?? ?? 稱為真實摩擦系數(shù)，這是一個恒量，μ是通過計算得到的摩擦系數(shù)，不是一恒量，它隨負荷的增加而降低。摩擦材料行業(yè)里經(jīng)常使用的摩擦系數(shù)，就是指經(jīng)計算出來的摩擦系數(shù)，這不是一個恒量，是通過儀器 在一定的條件下，進行測定并計算的。由于工作環(huán)境的變化及其它條件的變化，摩擦系數(shù)也發(fā)生變化。因為環(huán)境、條件也受各種因素的影響而變化，影響摩擦系數(shù)的因素就會更為復雜。 磨損基本理論 汽車摩擦材料是一種成分復雜的復合材料，其中含有有機粘結(jié)劑，增強纖維，潤滑劑及摩擦性能調(diào)節(jié)劑等，在摩擦磨損過程中，各組分相互作用、相互制約。摩擦材料與偶件間的摩擦可以使其接觸表面變形、粘著點撕裂和使硬質(zhì)點或磨屑產(chǎn)生犁切作用，其作用程度和表面形貌、滑動過程、使用的材料及環(huán)境因素等有關(guān)。所以摩擦磨損過程非常復雜 ，摩擦偶件之間的界面處不僅有復雜的物理作用，還有復雜的化學過程。許多研究表明，汽車摩擦材料的磨損形式主要有以下幾種 ： (1)熱磨損 高速行駛的汽車在制動過程中，動能轉(zhuǎn)化為摩擦材料與其偶件之間 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 9 因摩擦而產(chǎn)生的熱能，致使摩擦材料溫度升高，從而使摩擦材料中的某些組分發(fā)生諸如高溫分解、氧化、顆?；⒈┝讶诨?、蒸發(fā)和升華，以及伴隨著機械力變化的一系列物理的和化學的現(xiàn)象，使摩擦材料原子間結(jié)合不斷破壞，導致材料磨損。高溫分解主要出現(xiàn)在摩擦材料的芯部而較少發(fā)生在邊緣和角部 。而氧化現(xiàn)象主要出現(xiàn)在邊緣和角部 :摩擦 材料的暴裂反應(yīng)出現(xiàn)在苛刻制動條件下，瞬間產(chǎn)生的高熱使 亞表面固體汽化。 (2)粘著磨損 摩擦材料與其偶件在壓力作用下，表面上微凸體受到應(yīng)力較大，發(fā)生塑性變形，有些接觸點間的長程范德華力將起作用，出現(xiàn)強烈的短程交互作用力，在沒有表面膜存在的情況下，兩個接觸表面將通過分子間的作用發(fā)生粘著。當摩擦材料在偶件表面上滑動時或壓在其表面上然后拉開時，表面上一些小顆粒將會從一個表面粘附到另一個表面上，有時被粘附的表面材料又會回到原來表面上，發(fā)生反粘附。這些被轉(zhuǎn)移的表面材料經(jīng)過反復地粘附與反粘附及擠壓等過程，會 發(fā)生 加工硬化、疲勞、氧化等過程，從而形成游離的磨屑脫落下來。同時，由于在摩擦過程中摩擦材料的表面瞬時溫度可高達 700℃以上，導致有機樹脂變軟甚至分解以及偶件局部產(chǎn)生由珠光體到馬氏體的相變，粘接點在剪切力的作用下，會使摩擦材料表面產(chǎn)生較大的磨屑，甚至使增強纖維從摩擦材料中抽出導致較大磨損。 (3)磨粒磨損 摩擦材料內(nèi)部含有纖維和硬顆粒，這些硬顆粒在摩擦材料中起承載作用，并在表面形成一系列比其偶件硬的小突起，在摩擦過程中，這些小突起象“刀具”一樣，對其偶件表面進行切削，在反復多次作用力的情況下， 這些小突起因疲勞而斷裂形成磨屑，或者因摩擦表面溫度升高， 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 10 樹脂軟化，結(jié)合力下降，硬質(zhì)點脫離摩擦材料形成磨屑，這樣便使磨損由普通的二體磨粒磨損變?yōu)槿w磨損。這樣散落的磨屑將會同時作用于摩擦材料與其對偶件，導致摩擦材料和對偶的磨損增 大，摩擦系數(shù)增大。 (4)疲勞磨損 在汽車制動過程中，摩擦材料與其對偶進行相對滑動，在兩者接觸區(qū)將造成很大的應(yīng)力和塑性變形。在長期反復的交變應(yīng)力作用下，摩擦材料及其偶件表面某些薄弱環(huán)節(jié)處將會引發(fā)疲勞裂紋，并逐步擴展，最后將可能以微細薄片形式斷裂剝落下來。另外，在每次制動 時，都伴隨著材料表層溫度的升高，導致材料的熱疲勞，在長期反復熱應(yīng)力作用下，將加速材料表面裂紋的產(chǎn)生與擴展，加速材料的疲勞磨損。 (5)切削磨損 由于摩擦材料與其偶件的表面均高低不平，對摩兩表面中較硬表面上的凸峰會壓入較軟材料內(nèi)，在滑動時將軟材料刨削，致使較軟材料表面產(chǎn)生較深的犁溝和劃痕，使材料磨損。 綜上所述，在摩擦過程中，材料的磨損可能不止一種磨損機理在起作用，而是幾種可能同時作用，并且在不同摩擦階段，可能會有不同的磨損機理起主導作用，有時可相互轉(zhuǎn)化，同時材料的磨損并不僅限于以上幾種，這些都給 認識和研究摩擦材料的磨損機理帶來一定的難度。 摩擦材料性能要求 適宜而穩(wěn)定的摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù)是評價任何一種摩擦材料的一個最重要的性能指標，關(guān)系到摩擦片執(zhí)行傳動和制動功能的好壞，這不是一個常數(shù)，是受溫度、壓力、摩擦速度或表面狀態(tài)及周圍介質(zhì)因素等影響而發(fā)生變化的一個系數(shù)。理想的摩擦系數(shù)應(yīng)具有理想的的冷摩擦系數(shù)和可以控制的溫度衰 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 11 退。 溫度是影響摩擦系數(shù)的最重要因素。摩擦材料在摩擦過程中，由于溫度的迅速升高，一般當溫度達到 200℃以后，摩擦系數(shù)開始下降，當溫度達到樹脂和橡膠分解溫 度范圍以后，產(chǎn)生了摩擦系數(shù)的驟然降低，這種現(xiàn)象稱為“熱衰退”，嚴重的“熱衰退”會導致制動效能變差，在實際應(yīng)用中會降低摩擦力，即降低了制動作用。經(jīng)過熱衰退的摩擦片，當溫度逐漸降低時摩擦系數(shù)會逐漸恢復至原來的正常情況，但有時也會出現(xiàn)摩擦系數(shù)恢復得高于原來正常的摩擦系數(shù)，即恢復得過頭，對這種摩擦系數(shù)恢復過頭，稱為“過恢復”。 摩擦系數(shù)通常隨速度增加而降低，但過多的降低不能忽視，我國汽車制動器襯片試驗標準中規(guī)定制動力矩速度穩(wěn)定性的要求。 良好的耐磨性 摩擦材料的耐磨性是其使用壽命的反映，也 是衡量摩擦材料耐用程度的重要技術(shù)經(jīng)濟指標，耐磨性越好，表明使用壽命越長。 工作溫度是影響磨損量的重要因素。當材料表面溫度達到有機粘結(jié)劑的熱分解溫度范圍時，有機粘結(jié)劑如橡膠與樹脂產(chǎn)生分解、碳化和失重現(xiàn)象，隨溫度的升高，這種現(xiàn)象加劇，粘結(jié)作用下降，磨損量急劇增大，稱之為“熱磨損”。 汽車摩擦片的耐磨性能指標，有多種表示方法，我國與國際的標準都有確切的法規(guī)。 具有良好的機械強度和物理性能 摩擦材料制品在裝配使用之前，需要進行鉆孔、鉚裝、裝配等機械加工，才能制成剎車片總成。在摩擦工作過程中，摩 擦材料除了要承受很高溫度的同時，還要承受較大的壓力與剪切力。因此，要求摩擦材料必須具有足夠的機械強度，以保證在加工或使用過程中不出現(xiàn)破損與碎裂。 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 12 制動噪音低 引起制動噪音的因素很多，因為剎車片是制動總成的一個部件，制動時剎車片與剎車鼓（或盤）在高速與高比壓相對運動下的強烈摩擦作用，彼此產(chǎn)生振動，從面產(chǎn)生不同的程度的噪音。就剎車片而言，造成制動噪音的因素為： 摩擦材料的摩擦系數(shù)越高，越易產(chǎn)生噪音。摩擦系數(shù)達到 ～ 或更高時，易產(chǎn)生噪音； 制品材質(zhì)硬度高，易產(chǎn)生噪音； 高硬度填 料用量多時，易產(chǎn)生噪音； 剎車片經(jīng)高溫制動作用后，工作表面形成光亮而硬的碳化膜，又稱釉質(zhì)層，在制動摩擦時會產(chǎn)生高頻振動及相應(yīng)的噪音。 適當控制摩擦系數(shù)，使其不要過高，降低制品的硬度，減少硬質(zhì)填料用量，避免工作表面形成碳化層，使用減震墊等以降低振動頻率，可以減少和克服噪音。 對偶面磨損較小 摩擦材料制品的傳動和制動功能，都要通過與對偶件即摩擦盤或制動鼓在摩擦中實現(xiàn)，這一過程中摩擦偶件相互都會產(chǎn)生磨損。要求作為消耗性的摩擦材料制品，自身應(yīng)該盡量有小的磨損外，對偶件的磨損也小，這是良好的 摩擦性能的特性。也要求在摩擦過程中，避免將對偶件即摩擦盤或制動鼓的表面磨成較重的擦傷、劃痕、溝槽等過度磨損情況。摩擦材料除具有上述主要性能要求外，還有熱膨脹、壓縮性、縮水性、吸水性、粘結(jié)性等等一些性能要求。 摩擦熱對制動摩擦副的影響 摩擦制動器的實質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換器或熱交換器。摩擦制動副在很短的時間內(nèi)把動能轉(zhuǎn)換成熱能。干式制動摩擦系統(tǒng)是由摩擦襯片、摩擦對偶 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 13 件及界面第三體 (界面膜、磨粒等 )組成。 在載荷的作用下，摩擦部件產(chǎn)生了大量的熱，摩擦熱嚴重影響材料的物理及化學性能，是影響材料磨損 機理的直接因素。在制動過程中，摩擦材料與金屬對偶件間所產(chǎn)生的摩擦力可以使接觸表面變形、粘著點撕裂，使硬質(zhì)點或磨屑產(chǎn)生犁削效應(yīng)，其影響程度與制動的各個參數(shù)、材料的性質(zhì)、表面形貌以及環(huán)境因素等有關(guān)。大量的研究和試驗表明 :對于干摩擦及邊界摩擦，在一定的壓力條件下，摩擦系數(shù)和磨損率與最大表面溫度之間有著明確的函數(shù)關(guān)系。速度對磨損過程的影響主要是通過摩擦溫度而很少通過接觸的流變性起作用。 同時，摩擦熱還會影響材料的摩擦磨損性能。對于有機基襯片一金屬摩擦副而言，摩擦表面溫度場分布的不均勻性以及接觸溫度的過高會引起 材料表面一系列的物理一化學變化 (如熱彈性不穩(wěn)定性、材料的熱降解、熱變形等 )。摩擦熱引起襯片中的有機物組分發(fā)生熱降解等一系列化學反應(yīng)和物理作用，其反應(yīng)速率隨溫度的升高呈指數(shù)增加。在接觸界面形成轉(zhuǎn)移膜，出現(xiàn)“制動熱衰退”現(xiàn)象和“氫脆”現(xiàn)象，促進磨粒的形成，加劇材料的磨損。 一般來說，當摩擦表面溫度不太高時，以粘著磨損、磨粒磨損為主 。而在高溫下，以粘著磨損、熱疲勞磨損和熱磨損為主。因此與摩擦熱相關(guān)的熱與熱力學現(xiàn)象對摩擦副的摩擦學行為有著非常重要的影響。事實上，摩擦表面的接觸溫度及溫度梯度集中反映了載荷、速度 、摩擦系數(shù)、材料的熱物理特性及耐久性、摩擦部件的設(shè)計尺寸和工作環(huán)境等因素對摩擦副的影響。 本課題研究的主要內(nèi)容 本文模擬礦井提升機的實際工況，設(shè)計摩擦磨損性能測試實驗臺，對閘瓦與制動盤之間的摩擦系數(shù)進行實驗測試研究。本論文的主要工作如 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 14 下： 1） 通過對實際制動裝置的結(jié)構(gòu)和性能的介紹，闡述閘瓦的結(jié)構(gòu)特點以及主要制動性能。 2） 通過對實驗臺的工作原理以及加載方式的研究，確定實驗臺的總體設(shè)計方案 3） 閘瓦性能測試實驗臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 對實驗臺的主要機械部件，包括主軸、飛輪、閘瓦制動裝置、制動液壓 系統(tǒng)等進行設(shè)計，根據(jù)設(shè)計要求選取電動機、聯(lián)軸器、傳感器、軸承、液壓站等部件。 4） 摩擦磨損性能測試實驗臺的測量系統(tǒng)與電控系統(tǒng)進行設(shè)計 根據(jù)試驗要求，主要對主軸轉(zhuǎn)速、制動力矩、摩擦副的溫度和磨損量的測量方法進行研究，并設(shè)計出 整個實驗臺所需的控制系統(tǒng)。 本章小結(jié) 本章闡述了制動器實驗臺的基本情況，介紹了盤式制動器的結(jié)構(gòu)、優(yōu)點，并對制動器摩擦磨損原理以及制動片的性能要求進行說明。 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 15 第 2 章 實驗測量裝置的總體設(shè)計 模擬礦井提升機的實際工況，設(shè)計摩擦磨損性能測試實驗臺，對閘瓦 與制動盤之間的摩擦系數(shù)進行實驗測試研究。 實驗臺研制的主導思想 1）能夠模擬提升機制動器的制動過程； 2）閘瓦在制動盤上的滑速能在 sm/10~0 范圍內(nèi)可調(diào)； 3）能調(diào)節(jié)閘瓦的正壓力以獲得 1Mpa的閘瓦比壓，且裝卸方便； 4）各種被測參數(shù)能被自動的記錄下來 實驗臺的組成 摩擦磨損實驗臺有以下幾部分組成： 1）實驗臺機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)部分；2）實驗臺液壓系統(tǒng)部分； 3）實驗臺檢測與控制部分； 4）計算機控制系統(tǒng) 實驗臺的工作原理及總體布置 實驗臺的實驗原理是將制 動盤和閘塊安裝在實驗臺上，用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測制動力矩及制動盤的轉(zhuǎn)速 , 溫度傳動器和位移傳動器檢測摩擦片溫度和摩擦片的磨損量，從而得到盤式制動器摩擦和磨損性能的數(shù)據(jù)，分析制動器的安全性和可靠性。實驗時采用直流電動機作為該實驗臺的驅(qū)動設(shè)備 ,由飛輪來模擬載荷 , 聯(lián)軸器連接飛輪和實驗臺主軸，實現(xiàn)扭矩的傳遞，采用液壓缸作為制動動力 ,以獲得一定的閘瓦比壓。因為傳感器在實驗前需要標定 ,而標定時為使軸不發(fā)生轉(zhuǎn)動 ,產(chǎn)生誤差 ,應(yīng)閘住飛輪 ,采用液壓缸來實現(xiàn)。為使受力均勻 ,軸向力相互抵消 ,采用雙液壓缸對稱布置。 如圖 21 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 16 圖 21 實驗臺總體結(jié)構(gòu)布置形式 電動機 聯(lián)軸器 飛輪、 固定支承 5 傳感器 制動盤 液壓缸 閘瓦 液壓泵 中國礦業(yè)大學徐海學院 畢業(yè)設(shè)計 17 第 3 章 實驗臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計原始參數(shù) 閘瓦比壓 ： 1Mpa 測試速度 (滑速 ):10m/s 閘瓦試件的形狀及尺寸的確定 （ 1）其設(shè)計應(yīng)滿足下表： 溫度℃ 摩擦系數(shù) ?? 磨損率 ≤ 5100? 5150? 5 5200? 7 5250? 9 注