銅基粉末冶金摩擦材料調(diào)速制動(dòng)摩擦系數(shù)試驗(yàn)

王延忠，魏 彬，寧克焱，韓 明，沈 蓉

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，100191北京；2.中國(guó)北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100072北京）

大功率Cu基粉末冶金摩擦材料在高能量密度傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用.現(xiàn)階段廣泛采用SAE臺(tái)架試驗(yàn)和Pin On Disc銷盤試驗(yàn)作為材料摩擦特性的驗(yàn)證手段.針對(duì)復(fù)雜邊界情況的摩擦元件摩擦特性，大多數(shù)試驗(yàn)都在SAE#2或相似的試驗(yàn)臺(tái)上完成.該試驗(yàn)臺(tái)能夠完成擠壓、滑摩、閉鎖等多工況的模擬.Haviland［1］、Evans［2］和Holgerson［3］等通過(guò)SAE制動(dòng)試驗(yàn)初步研究了濕式離合器接合過(guò)程的摩擦特性，得出了制動(dòng)過(guò)程中存在多種摩擦機(jī)理的結(jié)論.Tatiah［4］和 Osanai［5］等對(duì)濕式摩擦副多次接合過(guò)程的熱失效機(jī)理進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，得到了以失效模式為基礎(chǔ)的溫度場(chǎng)熱應(yīng)力模型，Kim［6］通過(guò)制動(dòng)試驗(yàn)研究了銅基物質(zhì)在摩擦磨損過(guò)程所起到的重要作用，并分析了其成分對(duì)摩擦磨損特性的影響.

Pin On Disc銷盤試驗(yàn)臺(tái)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單常用于摩擦磨損模型的驗(yàn)證［7］.YAN Wenyi［8］等以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)提出了磨合磨損模型，通過(guò)銷盤試驗(yàn)對(duì)該模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，Laraqia［9］使用銷盤試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證了三維溫度場(chǎng)解析模型.Wahlstr?ma［10］等采用銷盤試驗(yàn)對(duì)多種航空制動(dòng)材料進(jìn)行了摩擦特性的試驗(yàn)分析.現(xiàn)階段所采用的試驗(yàn)方法大多為模擬制動(dòng)試驗(yàn)，該種方法雖然有效模擬了制動(dòng)的全過(guò)程，但不易于對(duì)制動(dòng)過(guò)程各個(gè)階段及其相應(yīng)的摩擦機(jī)理進(jìn)行深入研究，邊界條件相互影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同一性和穩(wěn)定性比較差，銷盤試驗(yàn)影響因素單一，不能模擬復(fù)雜表面對(duì)摩擦特性的影響，試驗(yàn)所得到的結(jié)果與結(jié)論即使對(duì)同一型號(hào)的產(chǎn)品也沒(méi)有普遍的適用性.

本文應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的調(diào)速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用模擬制動(dòng)邊界及調(diào)速主動(dòng)控制方法來(lái)更精確地分析邊界條件對(duì)摩擦系數(shù)的影響.

1 制動(dòng)過(guò)程階段劃分

行星變速機(jī)構(gòu)中的某銅基粉末冶金濕式摩擦材料的典型制動(dòng)過(guò)程及其參數(shù)變化曲線如圖1所示.該試驗(yàn)在傳統(tǒng)的SAE臺(tái)架上完成，所采用的試樣如圖2（a）所示，機(jī)械特性如表1所示.

直流電通過(guò)三相逆變器輸出三相交流電,經(jīng)濾波后流向電網(wǎng),三相電網(wǎng)電壓平衡時(shí),根據(jù)基爾霍夫電壓定律,在兩相靜止坐標(biāo)系下,三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型可以表示為

圖1 摩擦元件緊急制動(dòng)過(guò)程示意圖

圖2 用于摩擦機(jī)理驗(yàn)證的試驗(yàn)試環(huán)

表1 某Cu基粉末冶金材料試驗(yàn)參數(shù)

由圖1可以看出，在整個(gè)制動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，所施加的載荷變化不大，多組試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境溫度變化也不明顯，速度的變化基本呈線性下降趨勢(shì)；由于載荷固定，扭矩和摩擦系數(shù)曲線呈相同的變化趨勢(shì)；接合初期摩擦系數(shù)有微幅波動(dòng)，之后趨于平緩，在速度降低到某一特定值后摩擦系數(shù)出現(xiàn)峰值（閉鎖效應(yīng)）.由長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，摩擦系數(shù)的變化往往對(duì)應(yīng)著摩擦磨損形式的改變即摩擦機(jī)理的變化［11］.通過(guò)對(duì)大量模擬制動(dòng)試驗(yàn)的觀察以及相應(yīng)的摩擦機(jī)理的分析，可以將整個(gè)制動(dòng)過(guò)程分為 4個(gè)階段：A（摩擦副流體膜擠壓階段）［12-13］、B（固液混合摩擦階段）、C（邊界接觸階段）和D（黏附閉鎖階段）.影響材料摩擦特性的主要邊界條件是面壓、速度和溫度，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程各階段的主要邊界條件影響因素如圖3所示.閉鎖摩擦系數(shù)是摩擦副相對(duì)轉(zhuǎn)速趨于零時(shí)的摩擦系數(shù)，本質(zhì)上該階段摩擦機(jī)理接近低速拖摩、靜摩擦系數(shù)情況.但閉鎖摩擦并不是確定對(duì)應(yīng)著某種摩擦機(jī)理的摩擦形式，所以閉鎖摩擦系數(shù)可以是以上B、C、D中的任何一種摩擦類型，為任一種摩擦機(jī)理所主導(dǎo).黏附閉鎖效應(yīng)的產(chǎn)生是針對(duì)于重載情況，在輕載小慣量的試驗(yàn)條件下，可能還沒(méi)有完全完成A、B、C、D這4個(gè)階段就已經(jīng)完成了閉鎖，結(jié)束了整個(gè)制動(dòng)過(guò)程.

3種溝槽形式摩擦副不同載荷下的靜動(dòng)比曲線如圖11所示，橫坐標(biāo)用名義面壓表示，同時(shí)對(duì)應(yīng)的是500～3 000 N的載荷.除了螺旋槽500 N（0.2 MPa）情況，3種摩擦副的靜動(dòng)摩擦系數(shù)比隨載荷增加而減小，這也證實(shí)了Cu基粉末冶金濕式摩擦元件更適用于重載情況.除極輕載條件，雙圓弧槽摩擦副的靜動(dòng)比曲線低于另外兩條，這說(shuō)明雙圓弧槽在相同工況下接合更平順，工作更平穩(wěn)，在輕中載條件下，螺旋槽略好于徑向槽，重載情況二者特性相近.

圖3 摩擦制動(dòng)過(guò)程主要邊界條件

2 摩擦機(jī)理變速試驗(yàn)驗(yàn)證

雙圓弧槽和螺旋槽的靜摩擦系數(shù)總體趨勢(shì)和徑向槽相似，只是螺旋槽摩擦副的摩擦系數(shù)曲線隨轉(zhuǎn)速增加沒(méi)有出現(xiàn)明顯的匯聚與交叉，而是基本保持著各自原有的位置關(guān)系.這可能是因?yàn)殡p圓弧溝槽的摩擦試樣在滑摩速度逐漸增加的過(guò)程中摩擦機(jī)理處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

中高速區(qū)的局部摩擦系數(shù)曲線如圖8～10所示.速度區(qū)間為 500 r／min 到 700 r／min.可以看出，雙圓弧槽和徑向槽的摩擦特性相似，低速區(qū)摩擦系數(shù)隨著面壓的增大而減小，中高速區(qū)摩擦系數(shù)隨著面壓的增大而增大（徑向槽500 N輕載情況除外）.螺旋槽在500 N載荷情況出現(xiàn)摩擦系數(shù)突然增大的情況，總體速度區(qū)間內(nèi)摩擦系數(shù)呈現(xiàn)隨載荷的增大而減小趨勢(shì).在高速區(qū)（圖5～7），螺旋槽摩擦副的穩(wěn)定性較差，高速區(qū)摩擦系數(shù)隨速度變化非常敏感，不利于在速度變化較大、較快的工況條件下工作.徑向槽和雙圓弧槽的特性相似，但徑向槽在輕載條件下（500 N）摩擦系數(shù)比螺旋槽略大，重載條件下，雙圓弧槽摩擦系數(shù)隨速度變化比徑向槽穩(wěn)定，更適合在較大面壓下工作.

3種溝槽在靜閉鎖區(qū)域的摩擦系數(shù)曲線如圖5～7.速度區(qū)間是從 600 r／min 到 0 再到600 r／min，其中摩擦系數(shù)峰值處是速度小值.總體來(lái)看，相同載荷下，螺旋槽的靜摩擦系數(shù)最大，徑向槽的靜摩擦系數(shù)次之，雙圓弧槽的靜摩擦系數(shù)最小.在此試驗(yàn)工況下，速度極低，分子間的結(jié)合力大，易發(fā)生黏附，此時(shí)的摩擦系數(shù)較大；隨著轉(zhuǎn)速增高，分子間結(jié)合力下降，黏附現(xiàn)象消失，隨著潤(rùn)滑劑的影響不斷增加，混合潤(rùn)滑形成，對(duì)于徑向槽摩擦副（如圖5），靜閉鎖摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而減小，隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦系數(shù)逐漸減小，而且載荷越小，摩擦系數(shù)隨速度增加減小得越快，不同載荷下摩擦系數(shù)隨速度增加，先趨同一致，然后再相互分離.試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，Cu基粉末冶金濕式摩擦元件自身特性的穩(wěn)定性較好，沒(méi)有出現(xiàn)明顯摩擦特性的突變；加速減速過(guò)程特性基本對(duì)稱；面壓對(duì)靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)均存在較大影響，該材料的靜摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于滑動(dòng)摩擦系數(shù)，導(dǎo)致了粉末冶金材料多工況工作時(shí)的平穩(wěn)性較差，閉鎖沖擊很強(qiáng)；靜摩擦系數(shù)值為摩擦系數(shù)極大值，這也闡明了在機(jī)理明確的條件下，靜摩擦系數(shù)和閉鎖摩擦系數(shù)特性相似的結(jié)論.

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

為了確定摩擦副在不同邊界工況的摩擦機(jī)理，設(shè)計(jì)了定載變速的滑摩試驗(yàn).選取抗磨液壓油，控制冷卻油流量為 90 mL／min，冷卻油溫度350 K，采用線性變速及階梯壓力多工況磨合，磨合時(shí)間為150 min，磨合后摩擦系數(shù)及冷卻油溫度都較穩(wěn)定.摩擦機(jī)理驗(yàn)證試驗(yàn)的壓力邊界條件為不同載荷區(qū)間的連續(xù)變速試驗(yàn)，速度邊界為在3.5 min內(nèi)轉(zhuǎn)速完成從0～700 r／min勻速增加，再?gòu)?00 r／min均勻降回0.為了保證試驗(yàn)的同一性和數(shù)據(jù)的一致性，采用了多組試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行的方法，在編程器內(nèi)將速度曲線輸入，對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行連續(xù)的采集.此過(guò)程重點(diǎn)分析速度邊界及壓力邊界對(duì)流體特性、邊界膜特性以及固固接觸特性的影響.

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速由速度編程器控制，加載方式為液壓閉環(huán)加載，穩(wěn)定性好.有1 500 N和500 N兩套扭矩測(cè)量系統(tǒng)以及高低頻采樣采集系統(tǒng).采用不同夾具可完成多尺度盤盤對(duì)摩和銷盤對(duì)摩的試驗(yàn).軸心噴油的設(shè)計(jì)更貼近傳動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際情況.采用球頭自調(diào)心機(jī)構(gòu)可以保證摩擦表面良好貼合.

圖5 徑向槽靜閉鎖區(qū)間摩擦系數(shù)曲線

圖6 雙圓弧槽靜閉鎖區(qū)間摩擦系數(shù)曲線

圖7 螺旋槽靜閉鎖區(qū)間摩擦系數(shù)曲線

采用SAE臺(tái)架制動(dòng)工況研究摩擦機(jī)理有簡(jiǎn)單、直觀的特點(diǎn)［14］.但由于制動(dòng)過(guò)程時(shí)間較短，接觸面壓力變化范圍大，并且在制動(dòng)過(guò)程中涉及到元件振動(dòng)、流體阻尼的影響，摩擦系數(shù)在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)較大.在這種情況下，材料摩擦機(jī)理與邊界的關(guān)系往往會(huì)被許多試驗(yàn)因素所掩蓋，試驗(yàn)的同一性很不理想.為了驗(yàn)證制動(dòng)過(guò)程所提出的分階段研究摩擦機(jī)理的設(shè)想，采用了模擬制動(dòng)邊界、調(diào)速主動(dòng)控制的方法來(lái)更精確地分析邊界條件對(duì)摩擦系數(shù)的影響.

甲醛釋放水平達(dá)到950 ppm，是世界衛(wèi)生組織指南規(guī)定的10倍，大約是在使用了12個(gè)月后。另一位供應(yīng)商提供的重復(fù)測(cè)試也給出了類似的結(jié)果。

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的調(diào)速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備包括調(diào)速系統(tǒng)、液壓伺服加載系統(tǒng)、雙量程扭矩測(cè)量系統(tǒng)、高低頻信號(hào)采集系統(tǒng)、潤(rùn)滑冷卻及控制顯示系統(tǒng)，如圖4所示.

圖8 徑向槽滑摩區(qū)間摩擦系數(shù)曲線

圖9 雙圓弧槽滑摩區(qū)間摩擦系數(shù)曲線

圖10 螺旋槽靜滑摩區(qū)間摩擦系數(shù)曲線

直接的籌款活動(dòng)仿效西方的慈善宴會(huì)，活動(dòng)組織方將僑民召集起來(lái)，向他們募捐。間接的籌款募捐活動(dòng)則嵌套在傳統(tǒng)文化活動(dòng)、娛樂(lè)活動(dòng)的外殼里，例如選美比賽、才藝秀等。一個(gè)最顯著的例子是“節(jié)日皇后”的評(píng)選。節(jié)日皇后是伴隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)慶同時(shí)出現(xiàn)的傳統(tǒng)活動(dòng)，卻不是比拼外貌、才藝的選美比賽。很多時(shí)候，它被組織方設(shè)定為一種比拼籌款數(shù)額的選“美”比賽。參與者均為女性，籌款最多的人被加冕為皇后。第二名、第三名、第四名依次當(dāng)選為第一公主、第二公主、第三公主，以此類推，有的活動(dòng)會(huì)一直排序到第15號(hào)公主，均基于籌款數(shù)額的多寡。

3．加強(qiáng)習(xí)近平共享發(fā)展理念的實(shí)踐路徑研究。堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)事求是是我黨的執(zhí)政優(yōu)勢(shì)。習(xí)近平共享發(fā)展理念作為新時(shí)期中國(guó)特色社會(huì)主義建設(shè)的重要發(fā)展理論，更是要做到理論與中國(guó)的實(shí)踐相結(jié)合，提高共享發(fā)展理念對(duì)于中國(guó)特色社會(huì)主義實(shí)踐的指導(dǎo)作用。加強(qiáng)習(xí)近平共享發(fā)展理念的實(shí)踐路徑，不僅有利于維護(hù)社會(huì)的公平正義、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的奮斗目標(biāo)，也能為全面建成小康社會(huì)提供必要的理論保障。學(xué)術(shù)界和理論界作為新時(shí)期社會(huì)主義學(xué)者，更要堅(jiān)守初心，堅(jiān)持理論為人民服務(wù)的本質(zhì)，在研究習(xí)近平共享發(fā)展理念的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)踐路徑的研究，更好地讓習(xí)近平共享發(fā)展理念為社會(huì)主義建設(shè)服務(wù)。

圖11 不同溝槽形式靜動(dòng)摩擦系數(shù)比例曲線

4 結(jié) 論

對(duì)不同溝槽摩擦特性的試驗(yàn)分析表明：Cu基粉末冶金摩擦材料摩擦特性隨邊界條件變化的特點(diǎn)如下：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：輕載條件下（500 N），摩擦特性存在較大的異性，首先，極輕載荷情況下的閉鎖摩擦系數(shù)在所有載荷形式中是最高的，但輕載條件下的摩擦系數(shù)受溝槽形式和滑動(dòng)速率變化的影響較為明顯.這是因?yàn)樵谳d荷較小而滑摩速度又較高的情況下，流體動(dòng)特性對(duì)摩擦特性的影響不能忽略，徑向槽、雙圓弧槽以及螺旋槽以及不同溝槽的動(dòng)力效應(yīng)不同，導(dǎo)致輕載情況下的摩擦特性隨速度變化較大，隨著面壓的增大，流體動(dòng)力效應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的加成效應(yīng)減小，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，靜動(dòng)比下降，摩擦特性趨于穩(wěn)定.

1）當(dāng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速集中在 0～700 r／min，載荷集中在500～3 000 N時(shí)，摩擦系數(shù)在加速與制動(dòng)段呈現(xiàn)出較對(duì)稱的特性.

2）靜閉鎖摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于滑動(dòng)摩擦系數(shù)，靜動(dòng)比基本上呈隨面壓的增大而減小的趨勢(shì)，這表明Cu基粉末冶金摩擦副更適合于在中、重載條件下工作.

“嘖嘖，不愧是與云織星人成對(duì)出現(xiàn)的獵影星人，小小年紀(jì)就懂得舍命相救。”喵星飛鼠大使鄙夷地叫道，“能幫她擋住拳頭，那你還能幫她擋住這個(gè)嗎？”喵星飛鼠大使說(shuō)著，左手一揮，一支飛鼠小隊(duì)從他身后閃出，在空中架起一個(gè)大號(hào)導(dǎo)彈發(fā)射器。

3）徑向槽和雙圓弧槽具有靜摩擦系數(shù)隨載荷增大而減小，滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨載荷增大而增大的特點(diǎn)（徑向槽500 N除外）；螺旋槽摩擦副在速度區(qū)間內(nèi)隨載荷增大摩擦系數(shù)基本呈降低的趨勢(shì).

4）在某些特定工況下，雙圓弧槽相比于其他兩種槽形靜動(dòng)摩擦系數(shù)比較小，雙圓弧摩擦元件的接合會(huì)較平順，工作時(shí)也更加平穩(wěn).

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