西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710054
制 動(dòng)系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分,同時(shí)也是行車安全強(qiáng)有力的保障[1-2]。濕式多盤制動(dòng)器憑借其多種優(yōu)點(diǎn),在礦用膠輪車中得到廣泛應(yīng)用[3]。對(duì)礦用膠輪車制動(dòng)性能影響最大的是摩擦盤的摩擦因數(shù),其直接影響車輛的制動(dòng)性能和行駛安全性[4-5]。制動(dòng)器長時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱,使制動(dòng)器表面產(chǎn)生熱彈性失穩(wěn)現(xiàn)象,繼而使摩擦盤產(chǎn)生裂紋和表面燒損,最終導(dǎo)致制動(dòng)性能嚴(yán)重降低[6-7]。目前,國內(nèi)外研究者多數(shù)將制動(dòng)器溫度變化對(duì)摩擦因數(shù)的影響作為研究對(duì)象,如 Majcherczaka 等人[8]、Podratzky 等人[9]和趙彬彬[10]雖然通過不同方法分析或測試了制動(dòng)器制動(dòng)盤表面溫度變化情況,但因受限于摩擦盤結(jié)構(gòu)特性和試驗(yàn)臺(tái)性能,沒有對(duì)影響摩擦因數(shù)的主要原因制動(dòng)力和制動(dòng)初速度進(jìn)行研究。
為了進(jìn)一步探討濕式制動(dòng)初速度、制動(dòng)力和制動(dòng)初始溫度對(duì)摩擦性能的影響以及它們之間的交互作用,筆者利用潤滑理論對(duì)濕式制動(dòng)器的摩擦機(jī)理進(jìn)行了分析,然后通過試驗(yàn)對(duì)制動(dòng)力、制動(dòng)初始溫度和制動(dòng)初速度的影響因素進(jìn)行了測試,并利用正交分析對(duì)各因素之間的交互作用進(jìn)行了分析。
根據(jù)潤滑狀況,摩擦形式有液體摩擦和半液體摩擦。根據(jù)接觸形式,主要分為干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦??紤]到濕式制動(dòng)器的工作機(jī)理和油液制動(dòng)環(huán)境,可將摩擦過程分為擠壓、壓緊和摩擦3 個(gè)階段。
摩擦力主要由 4 個(gè)部分構(gòu)成:油液黏性剪應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力、動(dòng)摩擦片表面的嚙合阻力產(chǎn)生的摩擦力、黏著阻力產(chǎn)生的摩擦力和犁溝阻力產(chǎn)生的摩擦力。據(jù)此濕式制動(dòng)器摩擦力可以表示為
式中:F為總制動(dòng)摩擦力;F1為油液黏性剪應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力;F2為動(dòng)摩擦片表面的嚙合阻力產(chǎn)生的摩擦力;F3為黏著阻力產(chǎn)生的摩擦力;F4為犁溝阻力產(chǎn)生的摩擦力。
1.1.1 油液黏性剪應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力
油液黏性剪應(yīng)力
式中:μ為潤滑劑粘度;v為運(yùn)動(dòng)速度;φf、φs、φfp、φfs為剪應(yīng)力因子;h為名義油膜厚度;p為油液壓力;為實(shí)際油膜厚度的數(shù)學(xué)期望值;σ為表面粗糙度綜合均方根值;σ2為動(dòng)摩擦片表面粗糙度均方根值。
每小段環(huán)的摩擦力
因此油液黏性剪應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力
1.1.2 動(dòng)摩擦片表面的嚙合阻力產(chǎn)生的摩擦力
在濕式制動(dòng)器的動(dòng)靜摩擦片進(jìn)行接觸摩擦的過程中,當(dāng)摩擦片表面的部分油膜被破壞,動(dòng)靜摩擦片表面的微凸體接觸,不均勻的接觸形成了摩擦。鑒于此摩擦的機(jī)械阻力比較小,一般來說可以忽略不計(jì)。在金屬動(dòng)摩擦盤與銅基靜摩擦盤組成的制動(dòng)副中,高聚物材料表面形變所造成的變形阻力在摩擦阻力中扮演著主要的角色。根據(jù)克拉蓋爾斯基的機(jī)械-分子作用理論,得到嚙合阻力產(chǎn)生的摩擦力
式中:Sm為機(jī)械嚙合的面積;Am為機(jī)械嚙合作用的切向應(yīng)力;Bm為法向載荷的影響系數(shù);P為法向載荷;a為指數(shù),其值不大于 1 且趨于 1;η為微凸體密度;β為峰頂曲率半徑;S為名義接觸面積。
1.1.3 黏著阻力產(chǎn)生的摩擦力
由于動(dòng)靜摩擦片表面存在一定粗糙度,表面有少數(shù)的粗糙峰存在,實(shí)際摩擦?xí)r的摩擦接觸面積是各個(gè)微凸體接觸點(diǎn)所構(gòu)成的面積之和,與理論接觸面積相比,其只占其中的一小部分。在摩擦過程中,由于制動(dòng)壓力的作用,會(huì)造成各個(gè)微凸體發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致微凸體之間產(chǎn)生黏著。對(duì)于靜摩擦來說,實(shí)際摩擦?xí)r的摩擦接觸面積
式中:p1為制動(dòng)壓力;σs為摩擦片材料的抗壓屈服極限。
當(dāng)靜摩擦過后開始進(jìn)行動(dòng)摩擦?xí)r,摩擦副發(fā)生了相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這時(shí),實(shí)際摩擦接觸面積發(fā)生了改變,主要取決于法向載荷的大小。由修正的黏著理論可以得出,此時(shí)摩擦副之間的實(shí)際接觸面積
式中:Ft為切向力;τb為黏著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度。
τb取值的大小主要與表面的清潔狀態(tài)以及表面材料的強(qiáng)度和溫度相關(guān)。
1.1.4 犁溝阻力產(chǎn)生的摩擦力
當(dāng)濕式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí),摩擦副的摩擦造成摩擦表面的細(xì)小顆粒從與其連接的內(nèi)襯上逐漸磨損造成部分脫落,然后滯留在摩擦表面的溝槽中,在持續(xù)摩擦的過程中混入摩擦副內(nèi),形成新的凸體,持續(xù)在摩擦副內(nèi)擠壓表層摩擦材料。這樣持續(xù)循環(huán)會(huì)由于犁溝阻力產(chǎn)生摩擦力,該摩擦力
式中:d為硬質(zhì)顆粒嵌入摩擦表面的寬度;h為硬質(zhì)顆粒嵌入摩擦面表面的深度。
在濕式制動(dòng)器的制動(dòng)過程中,由于復(fù)雜的制動(dòng)器內(nèi)腔環(huán)境以及復(fù)雜多變的外部環(huán)境,又因?yàn)楦鱾€(gè)因素之間不是單純地獨(dú)立,會(huì)造成互相影響的現(xiàn)象,最終在各個(gè)因素的相互作用之下,造成了制動(dòng)器的失效。因此對(duì)制動(dòng)器的研究不能單純地只研究某一個(gè)工況下的制動(dòng)性能,需要對(duì)多個(gè)工況進(jìn)行分析驗(yàn)證。
為了從多個(gè)方面來研究濕式制動(dòng)器在不同條件下的摩擦性能,依據(jù)濕式多盤制動(dòng)器在煤礦運(yùn)輸過程中的實(shí)際工況,確定在實(shí)驗(yàn)室模擬的測試條件,從而進(jìn)行全面、系統(tǒng)、真實(shí)的制動(dòng)器摩擦研究。在前人研究的基礎(chǔ)上可以得知,影響濕式制動(dòng)器摩擦性能制動(dòng)工況的參數(shù)有很多,并且各個(gè)工況參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響并不簡單,例如緊急制動(dòng)工況與持續(xù)制動(dòng)工況之間的關(guān)系并不是簡單的疊加關(guān)系,它們之間是相互影響、相互制約的。參照國家標(biāo)準(zhǔn) GB 5763—2008《汽車用制動(dòng)器襯片》以及 MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》中對(duì)煤礦井下無軌膠輪車和汽車盤式制動(dòng)器襯片摩擦性能測試的有關(guān)規(guī)定,并結(jié)合對(duì)無軌膠輪車在實(shí)際制動(dòng)工況下的調(diào)研分析,選取了 2 種不同的制動(dòng)工況:緊急制動(dòng)工況和持續(xù)制動(dòng)工況,并對(duì)每種制動(dòng)工況的參數(shù)制動(dòng)壓力、制動(dòng)初速度及制動(dòng)初始溫度選取不同值。
標(biāo)準(zhǔn) MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》規(guī)定,礦用膠輪車的最高行駛速度不得超過 40 km/h,因此以 10~40 km/h 為速度范圍;《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,礦用膠輪車濕式多盤制動(dòng)器局部工作時(shí)的溫度不超過 150 ℃,此時(shí)制動(dòng)器殼體表面的溫度不超過 60 ℃,因此以 30~150 ℃ 作為溫度范圍。針對(duì)本文的研究對(duì)象,車輛在正常行駛狀態(tài)下,行車制動(dòng)活塞的油壓為零,當(dāng)踏下行車制動(dòng)踏板達(dá)到行車制動(dòng)所需制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí),行車制動(dòng)活塞的最小油壓為 2 MPa,此時(shí)受到的制動(dòng)軸向力為 40 278 N,踏板力的比例系數(shù)為 0.016,最小踏板力約為 650 N;制動(dòng)活塞的最大油壓為 3 MPa,踏板力的比例系數(shù)為 0.016,最大踏板力約為 1 000 N。因此制動(dòng)力范圍為 650~1 000 N。
制動(dòng)力、制動(dòng)初速度及制動(dòng)初始溫度是對(duì)制動(dòng)摩擦學(xué)性能影響最重要的 3 個(gè)因素。筆者對(duì)制動(dòng)力、制動(dòng)初速度及制動(dòng)初始溫度對(duì)濕式制動(dòng)器摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行研究。
筆者以內(nèi)蒙古上灣煤礦運(yùn)行的五十鈴 600 P 礦用膠輪車所安裝的多功能濕式制動(dòng)器為分析對(duì)象,通過臺(tái)架試驗(yàn)方法研究不同工況下的溫度場和應(yīng)力場。
選擇 BBP-20 型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)臺(tái)如圖 1 所示。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷試驗(yàn)臺(tái)是一種機(jī)械慣量與電慣量組合、以計(jì)算機(jī)控制和測量技術(shù)為手段的濕式制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)濕式制動(dòng)器實(shí)際制動(dòng)工況的模擬與性能的測試,能夠?yàn)闈袷街苿?dòng)器的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、研究工作提供科學(xué)規(guī)范的試驗(yàn)手段。
圖1 BBP-20 型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 BBP-20 fault diagnosis test bench for power transmission system
《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,礦用膠輪車的最高行駛速度不得超過 40 km/h,煤礦用機(jī)電設(shè)備的允許最高表面溫度為 150 ℃。在持續(xù)制動(dòng)工況下,進(jìn)行 100 次試驗(yàn),然后取平均值,并且計(jì)算摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)α(單位:%),來評(píng)價(jià)摩擦性能穩(wěn)定性。
主要參數(shù)測量方法有:制動(dòng)壓力通過行車制動(dòng)液壓泵站入口處的壓力傳感器測得,溫度通過在第 5 組動(dòng)摩擦片上沿軸向均勻布置的 8 個(gè)傳感器和沿徑向等間距布置的 5 個(gè)溫度傳感器測得,慣量模擬系統(tǒng)采用機(jī)械慣量加電慣量模擬混合系統(tǒng)。最終摩擦因數(shù)根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)時(shí)采集的轉(zhuǎn)矩和壓力值計(jì)算得到。
2.3.1 制動(dòng)初速度的影響
經(jīng)過 100 次在制動(dòng)初始溫度為 90 ℃、制動(dòng)力為825 N 時(shí)不同制動(dòng)初速度的持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn),得出如圖2 所示的摩擦性能隨制動(dòng)初速度的變化曲線。圖 2(a)為摩擦因數(shù)隨制動(dòng)初速度的總體變化,圖 2(b) 為不同制動(dòng)初速度下摩擦因數(shù)的變化情況。
由圖 2(a) 可以看出,隨著制動(dòng)初速度的逐漸增加,持續(xù)制動(dòng)的摩擦因數(shù)先增加后減小,最大摩擦因數(shù)出現(xiàn)在制動(dòng)初速度為 25~30 km/h 之間。出現(xiàn)這種情況的主要原因是,隨著制動(dòng)初速度的增加,摩擦方式發(fā)生轉(zhuǎn)變,由邊界摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏Σ?。由此可知,?dāng)制動(dòng)初始溫度及制動(dòng)力不變時(shí),摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)初速度的增加先增大后減小。
圖2 摩擦性能隨制動(dòng)初速度的變化曲線Fig.2 Variation curve of friction performance with initial braking velocity
2.3.2 制動(dòng)力的影響
經(jīng)過 100 次在制動(dòng)初始溫度為 90 ℃、制動(dòng)初速度為 25 km/h 時(shí)不同制動(dòng)力的持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn),得出如圖 3 所示的摩擦性能隨制動(dòng)力的變化曲線,圖 3(a) 為摩擦因數(shù)隨制動(dòng)力的總體變化,圖 3(b) 為不同制動(dòng)力下摩擦因數(shù)的變化情況。
由圖 3(a) 可以看出,隨著制動(dòng)力的增大,摩擦因數(shù)不斷增大。造成摩擦因數(shù)直線上升的原因可能是隨著制動(dòng)時(shí)所施加載荷的增加,摩擦方式從流體摩擦到邊界摩擦,再到混合摩擦,最后轉(zhuǎn)為半機(jī)械摩擦。由圖 3(b) 可以看出,當(dāng)其他外部條件不變時(shí),在不同試驗(yàn)次數(shù)下得出的摩擦因數(shù)也不一樣,因此制動(dòng)過程中應(yīng)盡量避免使用較小制動(dòng)力來持續(xù)制動(dòng)。
圖3 摩擦性能隨制動(dòng)力的變化曲線Fig.3 Variation curve of friction performance with braking force
2.3.3 制動(dòng)初始溫度的影響
經(jīng)過 100 次在制動(dòng)力為 825 N、制動(dòng)初速度為 25 km/h 時(shí)不同制動(dòng)初始溫度的持續(xù)制動(dòng)試驗(yàn),得出如圖 4 所示的摩擦性能隨制動(dòng)初始溫度的變化曲線。圖4(a) 為摩擦因數(shù)隨制動(dòng)初始溫度的總體變化,圖 4(b)為不同制動(dòng)初始溫度下摩擦因數(shù)的變化情況。
由圖 4(a) 可以看出,隨著制動(dòng)初始溫度的升高,摩擦因數(shù)先增加后突然減小,然后又有所上升。造成這種現(xiàn)象的原因可能是摩擦副的摩擦方式發(fā)生了變化,摩擦方式從混合摩擦逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械摩擦,因此在實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)溫度超過 90 ℃ 時(shí)就應(yīng)該減速慢行,減少制動(dòng)次數(shù)。由圖 4(b) 可以看出,當(dāng)所有的外部條件不變時(shí),不同試驗(yàn)次數(shù)下得到的摩擦因數(shù)也不一樣,最大的突變極值為 0.1,發(fā)生在溫度為110 ℃ 時(shí),說明此溫度為危險(xiǎn)臨界溫度,當(dāng)制動(dòng)器摩擦副到達(dá)這個(gè)溫度時(shí),摩擦因數(shù)不穩(wěn)定且極易發(fā)生突變,應(yīng)該盡量避免。
圖4 摩擦性能隨制動(dòng)初始溫度的變化曲線Fig.4 Variation curve of friction performance with initial braking temperature
回歸正交試驗(yàn)是一種把正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸數(shù)據(jù)處理和回歸精度的優(yōu)勢統(tǒng)一起來的一種回歸設(shè)計(jì)與分析方法,可以在因素范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)點(diǎn),用較少的試驗(yàn)建立一個(gè)精度高、統(tǒng)計(jì)性好的回歸方程,并能夠解決試驗(yàn)優(yōu)化的問題。
按照所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案,在 BBP-20 型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行 10n次試驗(yàn),得出的摩擦因數(shù)平均值如表 1 所列。
表1 每組試驗(yàn)測得的摩擦因數(shù)平均值Tab.1 Average of friction coefficient obtained from every test
對(duì)所得的摩擦因數(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算,得出含規(guī)范變量的回歸方程
方差分析結(jié)果如表 2 所列。
表2 方差分析結(jié)果Tab.2 Variance analysis results
最終的方差顯著性結(jié)果為:F0.1(9,5)=3.32,F(xiàn)0.05(9,5)=4.77,F(xiàn)0.01(9,5)=10.16,F(xiàn)0.001(9,5)=27.24。
方差顯著性結(jié)果表明,所建立的回歸方程達(dá)到極度顯著水平,z2和z2′的回歸系數(shù)達(dá)到高度顯著水平,z3和z1z3的回歸系數(shù)達(dá)到顯著水平。
最終結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為
由于濕式多盤制動(dòng)器工作過程的復(fù)雜性,若只考慮單個(gè)因素的影響效果,所得結(jié)果必然片面,因此要分析各個(gè)因素對(duì)摩擦性能影響的交互作用。下面分別對(duì)制動(dòng)初速度-制動(dòng)力、制動(dòng)初速度-制動(dòng)初始溫度和制動(dòng)初始溫度-制動(dòng)力進(jìn)行交互影響分析。
3.2.1 制動(dòng)初速度-制動(dòng)力的交互影響分析
設(shè)定制動(dòng)初始溫度為 90 ℃,對(duì)制動(dòng)初速度和制動(dòng)力兩個(gè)因素對(duì)摩擦性能影響的交互性進(jìn)行分析,結(jié)果如圖 5 所示。從圖 5 可以看出,隨著制動(dòng)力的逐漸增加,摩擦因數(shù)也逐漸增加,當(dāng)制動(dòng)力小于 800 N時(shí),在相同制動(dòng)力下,摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)初速度的增大先逐漸增大后減小;當(dāng)制動(dòng)力大于 800 N 時(shí),在相同制動(dòng)力下,摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)初速度的增加先逐漸減小后逐漸增加;當(dāng)制動(dòng)初速度不變時(shí),摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)力的增加逐漸增加。圖 5(c) 中 6 條曲線自下而上依次為制動(dòng)初速度為 10、16、22、28、34 和 40 km/h 時(shí)摩擦因數(shù)隨制動(dòng)力的變化曲線。可以看出,制動(dòng)初速度和制動(dòng)力的交互作用曲線不平行且發(fā)生交叉,說明制動(dòng)初速度和制動(dòng)力對(duì)摩擦性能影響的交互作用明顯,且對(duì)摩擦性能的影響較大。
圖5 制動(dòng)初速度-制動(dòng)力對(duì)摩擦性能的交互影響Fig.5 Interaction influence of initial braking velocity and braking force
3.2.2 制動(dòng)初速度-制動(dòng)初始溫度的交互影響分析
設(shè)定制動(dòng)力為 825 N,對(duì)制動(dòng)初速度和制動(dòng)初始溫度兩個(gè)因素對(duì)摩擦性能影響的交互性進(jìn)行分析,結(jié)果如圖 6 所示。從圖 6 可以看出,在相同制動(dòng)初速度下,摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)初始溫度的增加先減小后增加;在相同制動(dòng)初始溫度下,摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)初速度的增加逐漸增加。圖 6(c) 中 6 條曲線自下而上依次為制動(dòng)初速度為 10、16、22、28、34 和 40 km/h 時(shí)摩擦因數(shù)隨制動(dòng)力的變化曲線??梢钥闯?,制動(dòng)初速度和制動(dòng)初始溫度的交互作用曲線基本平行,說明制動(dòng)初速度和制動(dòng)初始溫度對(duì)摩擦性能的影響不存在交互作用,對(duì)摩擦性能的影響并不大。
圖6 制動(dòng)初速度-制動(dòng)初始溫度對(duì)摩擦性能的交互影響Fig.6 Interaction influence of initial braking velocity and temperature
3.2.3 制動(dòng)初始溫度-制動(dòng)力的交互影響分析
設(shè)定制動(dòng)初速度為 25 km/h,對(duì)制動(dòng)初始溫度和制動(dòng)力兩個(gè)因素對(duì)摩擦性能影響的交互性進(jìn)行分析,結(jié)果如圖 7 所示。從圖 7 可以看出,當(dāng)制動(dòng)力小于860 N 時(shí),在相同制動(dòng)力下,摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)初始溫度的增加先增大后減小,當(dāng)制動(dòng)力大于 860 N 時(shí),在相同制動(dòng)力下,摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)初始溫度的增加先減小后增加;當(dāng)制動(dòng)初始溫度不變時(shí),摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)力的增加而逐漸增加。圖 7(c) 中 6 條曲線自下而上依次為制動(dòng)初始溫度為 30 ℃、54 ℃、78 ℃、102 ℃、126 ℃ 和 150 ℃ 時(shí)摩擦因數(shù)隨制動(dòng)力的變化曲線。可以看出,制動(dòng)初始溫度和制動(dòng)力的交互曲線并不平行,尤其在低制動(dòng)力時(shí),兩者存在交互作用。由此可以得出,制動(dòng)初始溫度和制動(dòng)力對(duì)摩擦性能影響的交互作用最大,且對(duì)摩擦性能的影響最明顯。
圖7 制動(dòng)初始溫度-制動(dòng)力對(duì)摩擦性能的交互影響Fig.7 Interaction influence of initial braking temperature and braking force
(1) 通過回歸分析得出制動(dòng)初始溫度-制動(dòng)力交互作用對(duì)摩擦性能的影響最大,制動(dòng)初速度-制動(dòng)力的交互作用對(duì)摩擦性能的影響較大,制動(dòng)初始溫度-制動(dòng)初速度交互作用對(duì)摩擦性能的影響最小;
(2) 通過臺(tái)架試驗(yàn)得出制動(dòng)力的變化對(duì)摩擦性能的影響程度最大,其次是制動(dòng)初始溫度,影響最小的是制動(dòng)初速度;在制動(dòng)過程中,制動(dòng)初速度要避免接近 40 km/h,制動(dòng)力應(yīng)在 710 N 以上,制動(dòng)初始溫度應(yīng)低于 110 ℃。