郭振興， 梁志偉

（河南和實(shí)科技有限公司，鄭州450000）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、化石燃料的局限、環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高迫切促使我們尋找一種新型綠色能源[1]，風(fēng)能具有可再生、環(huán)保、潔凈、取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，它的應(yīng)用能夠增加能源供應(yīng)、改善能源結(jié)構(gòu)，并且在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和構(gòu)建和諧社會(huì)等方面也可以起到重要作用[2]，符合未來(lái)的發(fā)展方向。近年來(lái)，在國(guó)際風(fēng)電產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展以及國(guó)家相關(guān)發(fā)展政策支持的背景下，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，裝機(jī)容量現(xiàn)已居全球首位，同時(shí)也是世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制動(dòng)器部件的出口大國(guó)[3-4]。

液壓制動(dòng)器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中用于機(jī)械制動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵部件[5]，它不僅是安全控制中最重要的保護(hù)裝置，同時(shí)也是其他保護(hù)裝置功能得以實(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)，關(guān)系著整個(gè)風(fēng)機(jī)的安全[6-7]。制動(dòng)片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一個(gè)重要的組成零件[8]，其摩擦性能決定了制動(dòng)器的服役狀況，也是制約風(fēng)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵因素。由于風(fēng)電制動(dòng)器具有制動(dòng)時(shí)間短、夾緊力大等特點(diǎn)[9]，因此對(duì)風(fēng)電制動(dòng)片的要求非常高。風(fēng)電制動(dòng)片的摩擦材料不僅要有良好的力學(xué)性能，還應(yīng)有高的摩擦因數(shù)與低的磨損率[10]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)風(fēng)電摩擦材料主要以銅基為主，該材料中硬質(zhì)點(diǎn)使用偏多，雖然硬度、耐磨性能達(dá)到使用要求，但是對(duì)制動(dòng)盤會(huì)造成很大的損傷[11]，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航時(shí)還會(huì)發(fā)出刺耳的噪聲，可達(dá)110 dB或者更高，風(fēng)電機(jī)組甚至還因低頻抖動(dòng)而報(bào)警，隨之停止運(yùn)行發(fā)電，嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電的安全性與工作效率[12]。本文介紹了一種新型樹脂基復(fù)合材料摩擦片，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了該摩擦片的各項(xiàng)性能，結(jié)果表明該摩擦片可以有效克服上述缺陷，從而改善制動(dòng)器的工作狀況，保證風(fēng)機(jī)正常、安全地運(yùn)行。1 樹脂基摩擦材料

樹脂基摩擦材料是以有機(jī)聚合物為基體的纖維增強(qiáng)材料，采用樹脂作為黏結(jié)劑，根據(jù)主體摩擦組元的不同，樹脂基摩擦材料可分為石棉摩擦材料、無(wú)石棉摩擦材料、紙基摩擦材料和碳基摩擦材料等[13]。

樹脂基摩擦材料一般由四個(gè)基本部分組成，即黏結(jié)劑、增強(qiáng)材料、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑。黏結(jié)劑主要用來(lái)黏結(jié)各種成分，使其構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定基體，在摩擦磨損性能中發(fā)揮著重要作用，目前普遍采用性能優(yōu)良的酚醛樹脂和丁腈橡膠作為黏結(jié)劑[14-17]。增強(qiáng)材料起著骨架的作用，一般采用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維或者芳綸等，它可以提高樹脂基摩擦材料的力學(xué)強(qiáng)度，使其能夠承受制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的剪切力及沖擊力等，從而避免發(fā)生破裂[18]。填料可降低成本、改善加工性能和提高耐磨性能，通常采用硫酸鋇、六鈦酸鉀晶須、云母、硅灰石和長(zhǎng)石粉等[19]。摩擦性能調(diào)節(jié)劑是具有特殊功能的填料，用量很少，但可以穩(wěn)定摩擦因數(shù)、減少制動(dòng)盤和摩擦片的磨損。

樹脂基摩擦材料摩擦因數(shù)較高，傳動(dòng)和制動(dòng)效果比較明顯[20]，此外它還具有磨損性能優(yōu)良、制備工藝簡(jiǎn)單、性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)改變?cè)牧系呐浞胶椭苽涔に嚂r(shí)，其物理力學(xué)性能和摩擦磨損性能會(huì)在一定范圍內(nèi)調(diào)整[21]。由于其獨(dú)特的特點(diǎn)，樹脂基摩擦材料廣泛用于汽車制動(dòng)、建筑以及其他工程機(jī)械領(lǐng)域[22]。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 力學(xué)性能

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)新型樹脂基復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能好等力學(xué)特點(diǎn)，能夠滿足風(fēng)機(jī)工作時(shí)對(duì)摩擦片的強(qiáng)度要求。

2.2 不同壓強(qiáng)下摩擦性能

1）試驗(yàn)條件。取12片樹脂基復(fù)合材料摩擦片安裝于2臺(tái)HDAB120偏航制動(dòng)器，采用FZM-1800偏航系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。

2）試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果。將樹脂基復(fù)合材料摩擦片分別在壓強(qiáng)為30、50、70、100 MPa的工況下和壓強(qiáng)70 MPa下分別淋水、涂油的工況下，以13.74 mm/s速度進(jìn)行試驗(yàn)，每階段試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行3 km。淋水工況下，摩擦盤灑滿水后開始試驗(yàn)，運(yùn)行過(guò)程中每小時(shí)添加一次水；涂油工況下，摩擦盤表面涂滿一層油脂后開始試驗(yàn)，運(yùn)行過(guò)程中每2 h添加一次油脂。試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖1所示。

表2 樹脂基復(fù)合材料摩擦片壓強(qiáng)試驗(yàn)條件

表3 樹脂基復(fù)合材料摩擦片壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行較平穩(wěn)，摩擦因數(shù)、磨損率隨壓強(qiáng)增大略有變動(dòng)，但幅度不大，在涂油工況下摩擦因數(shù)、磨損率均有所降低。噪聲、溫升、振動(dòng)情況均表現(xiàn)良好，符合要求。

圖1 各項(xiàng)目壓力試驗(yàn)變化情況

2.3 低溫下摩擦性能

1）試驗(yàn)條件。取4片樹脂基復(fù)合材料摩擦片安裝于HDAB90偏航制動(dòng)器，采用FDPH-1偏航系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表4所示。

2）試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果。將樹脂基復(fù)合材料摩擦片在壓強(qiáng)70 MPa下分別在環(huán)境溫度為-10℃、-20℃、-30℃及-20℃結(jié)冰狀態(tài)下，以13.74 mm/s速度進(jìn)行試驗(yàn)，每階

表4 樹脂基復(fù)合材料摩擦片低溫試驗(yàn)條件

段試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行500 m。試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖2所示。

表5 樹脂基復(fù)合材料低溫試驗(yàn)結(jié)果

圖2 摩擦因數(shù)與磨損率低溫試驗(yàn)變化情況

低溫下，樹脂基復(fù)合材料摩擦片磨損率高于常溫，摩擦因數(shù)基本保持一致。

2.4 動(dòng)態(tài)/靜態(tài)摩擦性能

1）試驗(yàn)條件。取兩片外觀良好的樹脂基復(fù)合材料摩擦片安裝于SYTJ-3偏航試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)/靜態(tài)摩擦性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表6所示。

2）試樣過(guò)程及結(jié)果。設(shè)定線速度13.74 mm/s，調(diào)節(jié)油壓，分別在系統(tǒng)壓力4、8、10、12、14、16 MPa時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，每階段運(yùn)行10 min，并在前后各進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，保存數(shù)據(jù)，試驗(yàn)后的摩擦材料如圖3所示，試驗(yàn)得到動(dòng)態(tài)/靜態(tài)摩擦因數(shù)隨壓力變化情況分別如表7、圖4所示。

表6 樹脂基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)/靜態(tài)摩擦性能試驗(yàn)條件

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，在加壓到8 MPa時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)噪聲，并隨壓力增大而逐漸加劇，但相對(duì)于常規(guī)摩擦材料而言，噪聲要小得多。

圖3 試驗(yàn)后摩擦材料照片

從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，樹脂基復(fù)合材料摩擦片靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)大于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)，但差距并不大。另外，兩種試驗(yàn)條件下，摩擦因數(shù)均隨壓力變化而波動(dòng)，變化幅度很小，從而可以保證摩擦片工作時(shí)制動(dòng)力的穩(wěn)定性。

表7 樹脂基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)/靜態(tài)摩擦性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4 摩擦因數(shù)隨油壓變化情況

3 結(jié)論

1）新型樹脂基復(fù)合材料強(qiáng)度高、力學(xué)性能優(yōu)越，制動(dòng)效果好，功能上能夠很好地替代現(xiàn)有常規(guī)摩擦材料；2）在低溫或高達(dá)100 MPa壓強(qiáng)的作用下，新型樹脂基復(fù)合材料摩擦片都能保持正常工作狀態(tài)，且摩擦因數(shù)不隨溫度降低及壓強(qiáng)增大發(fā)生大幅波動(dòng)，依然能夠保持一定的穩(wěn)定性，但低溫下摩擦片磨損率稍大于常溫；3）除摩擦因數(shù)與磨損率具有穩(wěn)定性外，新型樹脂基復(fù)合材料摩擦片在控制噪聲、溫升情況及振動(dòng)等方面性能也很出色，能夠滿足當(dāng)前乃至未來(lái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組摩擦片的要求，應(yīng)用前景廣闊。