纸基摩擦副摩擦性能试验分析

2019-10-26王少红周福强

设备管理与维修 2019年17期

陈磊，王少红，周福强

（北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192）

0 引言

纸基摩擦材料一般由纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂、填料等组分构成，采用造纸的方式生产坯体，之后经过浸渍树脂、热压固化而成[1]。纸基摩擦材料相比铜基摩擦材料具有成本低、动摩擦系数稳定、动/静摩擦系数比接近、摩擦片贴合过程平稳、磨损率低、使用寿命长、噪声小并具有保护对偶材料等优点[2]，逐渐发展成为一种重要的摩擦材料，被广泛应用于汽车、摩托车等各类车辆的变速器中，甚至逐渐发展到拖拉机、建筑矿山机械、锻压机械等工程机械的自动变速器和制动器中[3]。

近年来，纸基摩擦材料因其诸多优点而受到越来越多的关注，逐渐开展了对其摩擦性能的研究，但温度对纸基材料摩擦性能的影响的相关研究却较少。本试验着重对纸基摩擦材料在不同温度下摩擦系数的变化进行了研究，并探讨了在相同温度、转速、不同压力或者相同温度、压力、不同转速条件下的试验条件对摩擦性能的影响。

1 试验部分

1.1 试样与工况

在UMT Tribo-lab 试验机上，使用环—环试验件进行摩擦试验。纸基摩擦材料黏贴在上试样上，试验样品采用内径为19.30 mm，外径31.75 mm 的圆环，下试样为对偶钢片。试验件如图1 所示[1]。

相应的试验工况如下所示：

（1）下试样转速3500 r/min，试验温度50 ℃，在不同负载下进行50 次循环，每次时长30 s。

（2）试验温度50 ℃，下试样转速分别为750 r/min和1500 r/min，在负载41 N 和83 N 循环25 次，每次时长30 s。

（3）在负载41N，下试样转速1500 r/min，试验温度50 ℃和110 ℃，循环25 次，每次时长30 s。

图1 圆环纸基材料上下试样

1.2 试验装置

图2 为UMT 摩擦材料试验机，可通过更改上下试验箱，完成旋转、线性、往复、不同温度的多种摩擦试验。底盘系统集成单一高扭矩电机，可提供全量程的速度和扭矩[4]。

试验中调整下试样转速（750～3500）r/min，上试样正压力（41～186）N，试验分别在50 ℃和110 ℃两挡下进行；润滑油为长城8#液力润滑油，润滑油流速100 mL/min。试验前，将上试样浸泡在润滑油中，使纸基摩擦材料充分沁润润滑油。使用蠕动泵泵入和排出润滑油（图3）。

图2 UMT 摩擦材料试验机

2 结果与讨论

2.1 正压力对纸基摩擦材料摩擦性能的影响

纸基摩擦材料的摩擦性能主要用摩擦系数表示[5]。在试验过程中，摩擦系数与压力、温度、转速以及磨合过程有很大关系。图4 为在转速3500 r/min，温度50 ℃的条件下，分别选取82 N、117 N、152 N、185 N 的压力在相同时间段摩擦系数的变化曲线图。可以看出，最大压力185 N的摩擦系数最小，表明摩擦性能较好；随着压力的不断减小，摩擦系数渐渐升高，上试样与下试样的摩擦减弱。同时，随着时间的变化，摩擦系数变化并不明显，说明在试验过程中，纸基材料的摩擦系数较稳定。此外，压力在（117～185）N，摩擦系数变化量较小。在试验过程中，各个压力下的摩擦系数波动较小，试验稳定。又如图5 所示，在只考虑压力的状况下，摩擦系数随着压力的增加，明显下降，在（82～117）N 尤为明显，在（117～152）N 变化较小，到（152～185）N变化又开始显著。

图3 蠕动泵

2.2 温度对纸基材料摩擦系数的影响

润滑液在高温环境下其流动性能和润滑性能将发生改变，相应纸基摩擦材料的摩擦系数也相应有所变化。基于此，通过进行不同温度的试验，探讨温度对纸基摩擦材料摩擦性能的影响。图6a 为材料相同，测试条件（转速750 r/min，压力41 N），润滑油种类相同的摩擦系数在不同温度下的曲线变化图，可以看出，温度高的纸基材料摩擦系数小，而相对低温时，摩擦系数较高。同时也可以看到在110 ℃的7.5 s 到15 s 时，曲线波动较大，在15 s 之后，摩擦系数趋于平稳，这是由于试验前未进行磨合的原因，后面将对磨合过程进行分析，进一步说明，纸基摩擦材料需要工作一段时间到稳定状态。图6b 为转速1500 r/min，压力41 N 时，不同温度的摩擦系数曲线图，从图中可以看出温度越高，摩擦系数越小，而且从图中也能看出，在不同温度下纸基材料的摩擦系数变化较小。

2.3 转速对纸基材料摩擦系数的影响

在温度为50 ℃，压力41 N，转速为750 r/min 或1500 r/min的条件下各进行25 次的循环试验，相应的纸基材料的摩擦系数变化趋势如图7a 所示，从图中可以看出，1500 r/min 的摩擦系数明显大于750 r/min 转速下的摩擦系数，而且不论转速取何值时，摩擦系数在不同时间段都较稳定，但呈现上升的趋势。在温度50 ℃，压力84 N 的不同转速的摩擦系数图（图7b）中，可以看出，在同等条件下，随着转速的增加，摩擦系数也在增加。同时，对比图7 的两个图，压力增加后，转速在750 r/min 和1500 r/min 的摩擦系数都相应的降低了。

2.4 磨合过程对纸基材料摩擦系数的影响

图8 示出了温度50 ℃，转速3500 r/min，压力124 N 条件下采用磨合过的纸基材料和未磨合过的纸基材料的试验数据，为了进一步显示变化，图中也加入了在相同温度和转速，不同压力下的未磨合纸基材料在试验过程的摩擦系数。可见：磨合过的纸基材料摩擦系数明显低于未磨合过的纸基材料，而且由上述压力对摩擦系数影响的结论可知，压力越大，摩擦系数越小，在图中磨合过的纸基材料，虽然压力小于未磨合过的纸基材料，但摩擦系数却小于未磨合过的纸基材料。而且经过一段时间的稳定期后，磨合过的纸基材料的摩擦系数在（0～30）s 内的变化量比未磨合的纸基材料小。