帶式輸送機(jī)摩擦制動器的性能分析

張世飛

（山西華實礦山設(shè)備有限公司， 山西 太原 030024）

引言

井下煤炭輸送機(jī)作為運輸煤炭的重要生產(chǎn)設(shè)施[1]，隨著煤炭產(chǎn)能的不斷提高，其運行狀態(tài)和性能的可靠性都顯得十分重要。根據(jù)國家相關(guān)安全準(zhǔn)則規(guī)定，井下運輸機(jī)不僅需要有皮帶傳送系統(tǒng)，還必須要安裝制動措施和防逆轉(zhuǎn)裝置。其原理是位于皮帶上的摩擦制動器通過接觸摩擦達(dá)到減速或是制動的效果。摩擦制動是一個不斷損耗輸送機(jī)摩擦制動器的過程，因為在制動時會產(chǎn)生大量的熱能而影響到材料的性能和壽命。此外，隨著使用次數(shù)的不斷增加，摩擦制動器勢必會增大摩擦副間隙從而影響到制動效果。因此對帶式輸送機(jī)磨擦制動器的研究和材料的性能分析對煤礦安全生產(chǎn)，提高出產(chǎn)效能至關(guān)重要。

1 性能分析實驗設(shè)計

摩擦片作為帶式輸送機(jī)摩擦制動器的核心部分，需要備有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，還要有一定的物理性能和機(jī)械強(qiáng)度[2]。此外，還需要具有耐磨性和噪音低的特點。為了研究摩擦制動器的性能特點，以樹脂基摩擦片制動器為例，對其進(jìn)行性能分析。

1.1 實驗制備

為了研究樹脂基摩擦片的性能特點，使用熱壓燒結(jié)爐制備實驗?zāi)Σ疗榱藴p少誤差，提高實驗確信度，制作兩組摩擦片試樣，兩組試樣的成分組成見表1。

1.2 實驗方法設(shè)計

試樣的制備工藝流程如圖1 所示。在完成試樣制備后分別在干式和水潤滑條件下進(jìn)行試驗，實驗在環(huán)境溫度為20 ℃[3]、環(huán)境濕度為40%的條件下進(jìn)行。

表1 實驗試樣組成成分

圖1 實驗制備工藝流程

在進(jìn)行實驗時，首先對摩擦片進(jìn)行打磨處理，將其測試面粗糙度（Ra）摩擦至0.5 μm。在烘干洗凈后，使用高精度天平測量出磨損質(zhì)量，取多組平均數(shù)據(jù)。試樣的磨損率為：

式中：Δw 為試驗前后質(zhì)量差，g；ρ 為試樣的密度，g/cm3；S 為試驗?zāi)Σ谅烦?，m；P 為試驗加載荷載，N。

實驗試樣的密度為：

式中：ρ 為待測試樣的密度，g/cm3；m1為待測試樣在空氣中測得的質(zhì)量，g；m2為待測固體在輔助液中的質(zhì)量，g；ρ1為實驗中輔助液體的密度，g/cm3；ρl為實驗環(huán)境下空氣密度，g/cm3；

2 摩擦系數(shù)分析

進(jìn)行摩擦制動器性能分析必須對摩擦系數(shù)進(jìn)行分析。影響摩擦系數(shù)的因素包括：摩擦副材質(zhì)、摩擦副制動正應(yīng)力、摩擦副的制動速度和溫度、摩擦副的粗糙度、摩擦表面介質(zhì)膜。

摩擦副材質(zhì)：由于各種不同的材料在摩擦?xí)r都會產(chǎn)生不同的摩擦現(xiàn)象。構(gòu)成摩擦副材料的原子和分子結(jié)構(gòu)差別越小，摩擦系數(shù)就會越大[4]。摩擦副制動正應(yīng)力：通過改變摩擦副的接觸面積來影響摩擦系數(shù)。摩擦副的制動速度和溫度：因為制動就是將動能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，摩擦材料溫度的變化會引起摩擦系數(shù)的改變。摩擦副的粗糙度：表面越粗糙則摩擦系數(shù)較高。摩擦表面介質(zhì)膜[5]：如果在摩擦面間存在介質(zhì)膜時（包括煤塵、水分子），摩擦系數(shù)會發(fā)生改變。

2.1 瞬時摩擦系數(shù)變化分析

對運輸機(jī)摩擦制動器在制動速度為600 r/min，制動的正壓力為40 N 時進(jìn)行瞬時制動分析。在普通工作狀態(tài)下，試樣1 的摩擦系數(shù)一直比較穩(wěn)定，但是數(shù)值較小。試樣2 的摩擦系數(shù)存在一定的波動性，但是摩擦系數(shù)比較大。在相同條件水潤滑狀態(tài)下再次進(jìn)行實驗，兩組試樣的摩擦系數(shù)都比較穩(wěn)定，和一般的實驗環(huán)境相比明顯降低，但是試樣1 的數(shù)值大于試樣2。此外，由于水膜的存在會吸收一部分摩擦熱能，所以摩擦片的溫度波動相比于一般工作環(huán)境較小。

2.2 不同正壓力下摩擦系數(shù)變化分析

在制動速度為600 r/min，制動的正壓分別為40 N 和50 N 時進(jìn)行實驗。兩組試樣的摩擦系數(shù)都隨著正壓力的提高而降低，但是試樣2 的變化最為劇烈，試樣1 的摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定。在正壓力為40 N時，試樣1 的摩擦系數(shù)小于試樣2，正壓力為50 N時反之。在相同條件水潤滑狀態(tài)下再次進(jìn)行實驗，試樣的摩擦系數(shù)明顯降低，各個試樣的摩擦系數(shù)也隨著正壓力的升高而降低，但是幅度較干燥環(huán)境下平緩。

2.3 不同制動速度下摩擦系數(shù)變化分析

保持制動正壓力為40 N，對制動速度從300 ～800 r/min 條件下的摩擦系數(shù)進(jìn)行變化分析。試樣1在制動速度為350～650 r/min 時摩擦系數(shù)基本不變，在650～800 r/min 時急劇下降。試樣2 的摩擦系數(shù)隨著制動速度的提高線性降低。在制動速度為350 r/min 至500 r/min 時試樣1 的摩擦系數(shù)小于試樣2，當(dāng)大于650 r/min 時反之。在相同條件水潤滑狀態(tài)下再次進(jìn)行實驗，試樣的摩擦系數(shù)明顯降低。但是試樣1 的摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，試樣2 的摩擦系數(shù)在350～500 r/min 時大于試樣1 并且變化不明顯。當(dāng)超過500 r/min 時急劇下降。說明制動速度對試樣2 的影響較大。

3 磨損率分析

磨損根據(jù)磨損程度和磨損部位可以分為輕微磨損、嚴(yán)重磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損等。在進(jìn)行輸送機(jī)摩擦制動器的性能分析時，根據(jù)上述磨損率計算公式，對磨損率隨著正壓力的變化以及制動速度的變化進(jìn)行分析，并對磨損形貌進(jìn)行描述。

3.1 磨損率隨正壓力的變化

當(dāng)制動速度為600 r/min 時，試樣1 的磨損率隨著正壓力的提升而整體呈上升趨勢。在正壓力為50 N 時磨損率最大。試樣2 磨損率則呈波動狀，在正壓力為30 N 時磨損率最大。試樣2 的磨損率一直大于試樣1，直至正壓力為45 N 時試樣1 磨損率大于試樣2。在水潤滑狀態(tài)下，試樣2 的磨損率一直大于試樣1 且在不同正壓力下變化不大，試樣1 的磨損率變化也呈波動變化但變化率很低，兩組試樣的磨損率在水潤滑狀態(tài)下都比較穩(wěn)定。

3.2 磨損率隨制動速度的變化

在正壓力為40 N 的狀態(tài)下，制動速度在350～800 r/min 時，試樣1 的磨損率一直小于試樣2且兩組試樣的磨損率都呈線性下降趨勢，但是試樣1 的波動大于試樣2 的波動。在水潤滑的條件下，試樣1 的磨損率呈線性下降趨勢，試樣2 的磨損率在速度為350～500 r/min 時變化幅度與試樣1 相似且磨損率一直小于試樣1，當(dāng)制動速率超過500 r/min時變化趨勢延緩且在制動速度達(dá)到650 r/min 時磨損率超過試樣1。

3.3 磨損樣貌

兩組試樣的磨損樣貌在制動速度為500 r/min、正壓力為40 N 時的條件下如圖2、圖3 所示。

圖2 試樣1 磨損樣貌

圖3 試樣2 磨損樣貌

由上圖可以看出，試樣1 中的磨屑相比較試樣2 比較多。因為試樣2 的填充材料主要為金屬纖維，導(dǎo)熱性好。在進(jìn)行摩擦作業(yè)時，試樣2 的溫度提升較小，磨屑的黏著度比較低，磨屑會隨著磨輪轉(zhuǎn)動而掉落。試樣1 摩擦升溫較高，磨屑會依附在磨輪上從而降低磨損率。

4 結(jié)語

通過上述研究可知，帶式運輸機(jī)摩擦制動器的性能和摩擦片的成分和工作環(huán)境密切相關(guān)，不同材料的磨擦系數(shù)和磨損率雖然不同，但是有一定的一致性。摩擦制動器的摩擦系數(shù)和磨損率會隨著制動速度的增加而減少，隨著正壓力的提高，摩擦系數(shù)和磨損率也會呈一定的線性降低，磨損率卻會升高。此外，實驗還表明含石墨和碳纖維等新型添加材料的摩擦片的穩(wěn)定性和摩擦磨損性能要優(yōu)于添加金屬纖維的摩擦片，以這些材料為輔助材料的帶式運輸機(jī)摩擦制動器性能會更為優(yōu)良。