復合摩擦材料配方的優化設計

疏　達，王建彬，陶　峰，鐘相強

（1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.先進數控和伺服驅動技術安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241000 ）

復合摩擦材料配方的優化設計

疏達1，2，王建彬1，2，陶峰1，鐘相強1，2

（1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.先進數控和伺服驅動技術安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241000 ）

利用正交試驗的方法對復合摩擦材料的納米改性樹脂、銅絲、錦綸纖維、玻璃纖維進行了配方的優化設計。利用模糊綜合評分的方法，將多目標問題簡化為單目標問題，并考慮了高溫與低溫條件下權重的影響。利用極差分析法，找出了四種因素中對摩擦磨損性能影響最大的因素。

正交試驗；配方；復合摩擦材料；綜合評分

1.引言

復合摩擦材料的組分較多，各組分對摩擦材料性能的影響不同，因此選擇合理的配方組成，對提高復合摩擦材料的摩擦磨損性能具有重要的工程意義［1］。傳統的試驗方法主要通過改變各組份的不同配比，依靠工程人員的主觀經驗，憑借“試湊法”觀察摩擦材料的摩擦性能，從而獲得較為滿意的配方。該方法的主要缺點表現為工作量大、偶然性大、實驗周期長、工藝條件的隨機性較大，因此研究成本也較高，對人力和物力資源會造成極大的浪費。

正交試驗設計是一種適用于多因素、多水平的試驗方法，該方法從所有的試驗中有代表地挑選典型的試驗點進行試驗，這些試驗點的主要特性為“均勻分散”和“整齊可比”［2］。正交試驗設計是部分因子設計的主要方法，主要利用概率論、數理統計為理論基礎，結合實際生產經驗，利用標準化正交表設計試驗，最后對試驗結果進行計算分析，從而得到最終的優化方案［3］。該試驗方法具有較高的生產效率，在工各行業的生產以及科研方面應用廣泛。

本文主要考慮了復合摩擦摩擦材料中銅絲、錦綸纖維、玻璃纖維及納米改性樹脂四個因素的含量對摩擦性能的影響，采用正交試驗的方法設計了試驗。通過試驗得出了各組分對摩擦材料性能大小的影響，并獲得了較優的試驗配方。

2.正交試驗設計及方法

2.1.正交試驗設計

如表 1所示，分別選取納米改性樹脂、銅絲、錦綸纖維和玻璃纖維為試驗的四個主要因素，代號依次為A、B、C和D，每個因素分別取三個水平。為方便計，銅絲、錦綸纖維和玻璃纖維分別用股數計算，納米改性樹脂按照質量百分比計算。

依據正交試驗的使用要求，使用 L9（43）來安排試驗，如表2所示。由表2可知，本次試驗需要制備 9個試樣。按照復合摩擦材料帶的生產步驟，使用銅絲、玻璃、錦綸等復合纖維按照表 2的試驗安排捻紡成粗線，在編織機上編織成為復合摩擦材料白板帶，再將白板帶按照表 2試驗要求在納米改性樹脂溶液中浸漬、瀝干、低溫烘烤、擠壓整形，在120℃～160℃以內分級升溫固化成型［4］。將最終的產品經過切割、打磨，制備 9對尺寸大小為的摩擦試樣供摩擦磨損的實驗使用。

表1　正交試驗因素水平表

2.2.試驗方法將復合摩擦材料試樣在型號為DMS-1的摩擦磨損實驗機上進行試驗，測試的標準按照GB /T 11834 -2000執行。其中摩擦盤采用HT250灰鑄鐵（珠光體含量＞ 95 %），其余試驗參數為：摩擦盤轉速為400～500r/min，壓力為0.98MPa/片。本次試驗中主要考察了摩擦試樣在150℃和300℃條件下升溫摩擦系數和磨損率。

3.試驗結果與討論

根據表2的試驗方案進行試驗，9種試驗方案依次為A1B1C1D1、A1B2C2D2、A1B3C3D3、A2B1C2D3、A2B2C3D1、A2B3C1D2、A3B1C3D2、A3B2C1D3、A3B3C2D1，其試驗結果如表 2所示。該試驗的考察指標有四個，屬于典型的多因素多目標試驗。在復合材料的摩擦磨損性能中，考慮摩擦系數越大，制動效果越好，而磨損率越小，產品的使用壽命則越長。除此以外，在復合摩擦材料的摩擦磨損性能中，工程師們更關注的是高溫條件下摩擦材料體現出的摩擦磨損性能。基于以上所有需要考慮的因素，利用模糊數學的思想和加權綜合評分的方法將多目標問題轉化成單目標問題［5，6］。各試驗指標的評分標準定義為：摩擦系數（μ）越大，得分越高，最高的為10分，最小的為2分。磨損率（ω）越小，得分越高，最高的也為10分，最小的為2分。高溫條件下（300℃）的得分權重值定義為70%，低溫條件下（150℃）的得分權重指定義為 30%，則加權評分的數值計算公式為：

上式中iM 表示第i次試驗的綜合得分，1 iM 為150℃條件下的得分，2iM為300℃條件下的得分。a、b分別為150℃和300℃條件下分配的權重系數，依次為30%和70%。按照上述定義，最終的綜合評分如表3所示。

表2　正交試驗安排與試驗結果

表3　綜合評分表

由表 3的評分表可以看出，S8的試驗方案A3B2C1D3的得分最高，為15分，是當前試驗中所有配方中最好的。為了試圖找出更好的水平搭配方案，還需對試驗的結果進行直觀的分析。直觀分析如表4所示。其中Kij（i=1，2，3；j=A，B，C，D）表示第i水平第 j因素的綜合評分之和；而其平均值 Wij= Kij/3列于W行。各次試驗的平均值的極差R=max ｛Wij｝-min｛Wij｝，其計算值列于R行。由極差分析可以看出，在所考察的四個因素中，納米改性樹脂對復合摩擦材料的影響是最大的。樹脂在復合摩擦材料主要是起到粘結的作用，其磨損機制隨著溫度的變化而不同。一般認為在低溫時是以粘著和磨粒磨損為主，高溫時是以疲勞氧化磨損為主［4，7］。通常情況下，無機物在聚合物體系中與高聚物形成化學鍵合界面，在外界施加的應力或者高溫的條件下，界面形成微觀的銀紋，銀紋在擴充為宏觀裂紋時需要吸收更多的能量。而納米改性樹脂使得樹脂和各組份之間的界面結合能增加，一定程度上減緩了銀紋的擴展，提高了復合材料的摩擦磨損性能［8］。綜合分析可知四個因素對摩擦磨損性能的影響大小依次為：A＞D＞B＞C。

將四個因素的得分繪制成四因素的性能關系圖，如圖1所示。圖1中的橫坐標為因素的水平，縱坐標為綜合得分平均值。由圖可知，隨著納米改性樹脂的含量的增加，整體的性能先下降然后上升；隨著銅絲和錦綸含量的提高，摩擦磨損性能一直上升，這說明還要做相應的試驗，提高這兩者的含量。玻璃纖維體現出了與納米改性樹脂相同的趨勢。綜合起來考慮，所選的配方應該是A3B3C3D3。

表4　直觀分析表

圖1　因素與指標關系圖

4.試驗驗證

為了考察優化后的配方是否較好，要對試驗的結果進行檢驗。按照上述得出的最優方案A3B3C3D3，即改性樹脂為60%，銅絲5股，錦綸3股，玻璃纖維6股進行了試驗工作，試驗的結果如表5所示。由表5可以看出，A3B3C3D3在高溫下的摩擦磨損性能略有提高，證明了上述優化達到了一定的效果。

表5　兩種較優試驗對比表

5.結論

利用正交試驗的方法安排了納米改性樹脂摩擦材料配方的優化設計，利用模糊綜合評分的方法將多目標問題轉化成了單目標問題。通過對試驗結果的分析，得出了各因素的最優組份含量。結果表明，納米改性樹脂對摩擦材料高溫下的摩擦磨損性能影響最為重要，其含量達到60%時摩擦磨損性能最好。

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Optimization on Formulation of Composite Friction Materials

SHU Da1，2，WANG Jian-bin1，2，TAO Feng1，ZHONG Xiang-qiang1，2
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu，Anhui 241000，China；2. Anhui Province Key Laboratory of Advanced CNC and Servo Drive Technology，Wuhu，Anhui 241000，China ）

The paper introduced an optimization design method of composite friction material formulation. The experiment including four factors： nano-modified resin，copper wire，polyamide fiber and fiberglass，was arranged by using the orthogonal design experiment. The method of fuzzy comprehensive evaluation was used to decrease multi-objective problem to single objective problem and considered the influence of weight under the condition of high temperature and low temperature. The authors found the most important four influential factors for friction by using range analysis method.

orthogonal experiment，formulation，composite friction material，comprehensive scoring

TB383

A

1673-9639 （2015） 04-0088-04

（責任編輯 徐松金）（責任校對 毛志）（英文編輯 田興斌）

2014-07-09

本文系安徽省自然科學基金“酚醛樹脂基復合摩擦材料的納米坡縷石改性及摩擦磨損機理研究”（KJ2013B032）成果。

疏達（1978-），男，安徽安慶人，講師，博士研究生，研究方向：摩擦學。