紙基摩擦副摩擦性能試驗分析

陳 磊，王少紅，周福強

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

紙基摩擦材料一般由纖維、粘結(jié)劑、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、填料等組分構(gòu)成，采用造紙的方式生產(chǎn)坯體，之后經(jīng)過浸漬樹脂、熱壓固化而成[1]。紙基摩擦材料相比銅基摩擦材料具有成本低、動摩擦系數(shù)穩(wěn)定、動/靜摩擦系數(shù)比接近、摩擦片貼合過程平穩(wěn)、磨損率低、使用壽命長、噪聲小并具有保護對偶材料等優(yōu)點[2]，逐漸發(fā)展成為一種重要的摩擦材料，被廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車等各類車輛的變速器中，甚至逐漸發(fā)展到拖拉機、建筑礦山機械、鍛壓機械等工程機械的自動變速器和制動器中[3]。

近年來，紙基摩擦材料因其諸多優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注，逐漸開展了對其摩擦性能的研究，但溫度對紙基材料摩擦性能的影響的相關(guān)研究卻較少。本試驗著重對紙基摩擦材料在不同溫度下摩擦系數(shù)的變化進行了研究，并探討了在相同溫度、轉(zhuǎn)速、不同壓力或者相同溫度、壓力、不同轉(zhuǎn)速條件下的試驗條件對摩擦性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試樣與工況

在UMT Tribo-lab 試驗機上，使用環(huán)—環(huán)試驗件進行摩擦試驗。紙基摩擦材料黏貼在上試樣上，試驗樣品采用內(nèi)徑為19.30 mm，外徑31.75 mm 的圓環(huán)，下試樣為對偶鋼片。試驗件如圖1 所示[1]。

圖1 圓環(huán)紙基材料上下試樣

相應(yīng)的試驗工況如下所示：

（1）下試樣轉(zhuǎn)速3500 r/min，試驗溫度50 ℃，在不同負載下進行50 次循環(huán)，每次時長30 s。

（2）試驗溫度50 ℃，下試樣轉(zhuǎn)速分別為750 r/min和1500 r/min，在負載41 N 和83 N 循環(huán)25 次，每次時長30 s。

（3）在負載41N，下試樣轉(zhuǎn)速1500 r/min，試驗溫度50 ℃和110 ℃，循環(huán)25 次，每次時長30 s。

1.2 試驗裝置

圖2 為UMT 摩擦材料試驗機，可通過更改上下試驗箱，完成旋轉(zhuǎn)、線性、往復(fù)、不同溫度的多種摩擦試驗。底盤系統(tǒng)集成單一高扭矩電機，可提供全量程的速度和扭矩[4]。

圖2 UMT 摩擦材料試驗機

試驗中調(diào)整下試樣轉(zhuǎn)速（750～3500）r/min，上試樣正壓力（41～186）N，試驗分別在50 ℃和110 ℃兩擋下進行；潤滑油為長城8#液力潤滑油，潤滑油流速100 mL/min。試驗前，將上試樣浸泡在潤滑油中，使紙基摩擦材料充分沁潤潤滑油。使用蠕動泵泵入和排出潤滑油（圖3）。

圖3 蠕動泵

2 結(jié)果與討論

2.1 正壓力對紙基摩擦材料摩擦性能的影響

紙基摩擦材料的摩擦性能主要用摩擦系數(shù)表示[5]。在試驗過程中，摩擦系數(shù)與壓力、溫度、轉(zhuǎn)速以及磨合過程有很大關(guān)系。圖4 為在轉(zhuǎn)速3500 r/min，溫度50 ℃的條件下，分別選取82 N、117 N、152 N、185 N 的壓力在相同時間段摩擦系數(shù)的變化曲線圖。可以看出，最大壓力185 N的摩擦系數(shù)最小，表明摩擦性能較好；隨著壓力的不斷減小，摩擦系數(shù)漸漸升高，上試樣與下試樣的摩擦減弱。同時，隨著時間的變化，摩擦系數(shù)變化并不明顯，說明在試驗過程中，紙基材料的摩擦系數(shù)較穩(wěn)定。此外，壓力在（117～185）N，摩擦系數(shù)變化量較小。在試驗過程中，各個壓力下的摩擦系數(shù)波動較小，試驗穩(wěn)定。又如圖5 所示，在只考慮壓力的狀況下，摩擦系數(shù)隨著壓力的增加，明顯下降，在（82～117）N 尤為明顯，在（117～152）N 變化較小，到（152～185）N變化又開始顯著。

圖4 不同壓力的摩擦系數(shù)曲線

圖5 壓力—摩擦系數(shù)變化曲線

2.2 溫度對紙基材料摩擦系數(shù)的影響

潤滑液在高溫環(huán)境下其流動性能和潤滑性能將發(fā)生改變，相應(yīng)紙基摩擦材料的摩擦系數(shù)也相應(yīng)有所變化。基于此，通過進行不同溫度的試驗，探討溫度對紙基摩擦材料摩擦性能的影響。圖6a 為材料相同，測試條件（轉(zhuǎn)速750 r/min，壓力41 N），潤滑油種類相同的摩擦系數(shù)在不同溫度下的曲線變化圖，可以看出，溫度高的紙基材料摩擦系數(shù)小，而相對低溫時，摩擦系數(shù)較高。同時也可以看到在110 ℃的7.5 s 到15 s 時，曲線波動較大，在15 s 之后，摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)，這是由于試驗前未進行磨合的原因，后面將對磨合過程進行分析，進一步說明，紙基摩擦材料需要工作一段時間到穩(wěn)定狀態(tài)。圖6b 為轉(zhuǎn)速1500 r/min，壓力41 N 時，不同溫度的摩擦系數(shù)曲線圖，從圖中可以看出溫度越高，摩擦系數(shù)越小，而且從圖中也能看出，在不同溫度下紙基材料的摩擦系數(shù)變化較小。

圖6 不同溫度下紙基摩擦材料的摩擦系數(shù)曲線

2.3 轉(zhuǎn)速對紙基材料摩擦系數(shù)的影響

在溫度為50 ℃，壓力41 N，轉(zhuǎn)速為750 r/min 或1500 r/min的條件下各進行25 次的循環(huán)試驗，相應(yīng)的紙基材料的摩擦系數(shù)變化趨勢如圖7a 所示，從圖中可以看出，1500 r/min 的摩擦系數(shù)明顯大于750 r/min 轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)，而且不論轉(zhuǎn)速取何值時，摩擦系數(shù)在不同時間段都較穩(wěn)定，但呈現(xiàn)上升的趨勢。在溫度50 ℃，壓力84 N 的不同轉(zhuǎn)速的摩擦系數(shù)圖（圖7b）中，可以看出，在同等條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦系數(shù)也在增加。同時，對比圖7 的兩個圖，壓力增加后，轉(zhuǎn)速在750 r/min 和1500 r/min 的摩擦系數(shù)都相應(yīng)的降低了。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下紙基摩擦材料的摩擦系數(shù)曲線

2.4 磨合過程對紙基材料摩擦系數(shù)的影響

圖8 示出了溫度50 ℃，轉(zhuǎn)速3500 r/min，壓力124 N 條件下采用磨合過的紙基材料和未磨合過的紙基材料的試驗數(shù)據(jù)，為了進一步顯示變化，圖中也加入了在相同溫度和轉(zhuǎn)速，不同壓力下的未磨合紙基材料在試驗過程的摩擦系數(shù)。可見：磨合過的紙基材料摩擦系數(shù)明顯低于未磨合過的紙基材料，而且由上述壓力對摩擦系數(shù)影響的結(jié)論可知，壓力越大，摩擦系數(shù)越小，在圖中磨合過的紙基材料，雖然壓力小于未磨合過的紙基材料，但摩擦系數(shù)卻小于未磨合過的紙基材料。而且經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定期后，磨合過的紙基材料的摩擦系數(shù)在（0～30）s 內(nèi)的變化量比未磨合的紙基材料小。

圖8 不同壓力下是否磨合的紙基摩擦材料摩擦系數(shù)曲線

3 結(jié)論

（1）隨著壓力或溫度的增加，紙基材料的摩擦性能有所提升，摩擦系數(shù)下降，并在此過程中需要經(jīng)過一段時間達到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在溫度和壓力恒定時，轉(zhuǎn)速越大，紙基摩擦材料的性能越不穩(wěn)定，摩擦系數(shù)越大。

（3）在進行紙基摩擦材料摩擦性能的試驗與探究中，從試驗數(shù)據(jù)中可以得出磨合過程對紙基摩擦材料的摩擦性能影響較明顯。