基于臺架試驗與正交回歸試驗對礦用車輛多盤濕式制動器摩擦性能的研究

西安科技大學機械工程學院 陜西西安 710054

制 動系統作為汽車的重要組成部分，同時也是行車安全強有力的保障[1-2]。濕式多盤制動器憑借其多種優點，在礦用膠輪車中得到廣泛應用[3]。對礦用膠輪車制動性能影響最大的是摩擦盤的摩擦因數，其直接影響車輛的制動性能和行駛安全性[4-5]。制動器長時間工作會產生大量的摩擦熱，使制動器表面產生熱彈性失穩現象，繼而使摩擦盤產生裂紋和表面燒損，最終導致制動性能嚴重降低[6-7]。目前，國內外研究者多數將制動器溫度變化對摩擦因數的影響作為研究對象，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器制動盤表面溫度變化情況，但因受限于摩擦盤結構特性和試驗臺性能，沒有對影響摩擦因數的主要原因制動力和制動初速度進行研究。

為了進一步探討濕式制動初速度、制動力和制動初始溫度對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濕式制動器的摩擦機理進行了分析，然后通過試驗對制動力、制動初始溫度和制動初速度的影響因素進行了測試，并利用正交分析對各因素之間的交互作用進行了分析。

1 濕式制動器摩擦機理分析與制動工況分析

根據潤滑狀況，摩擦形式有液體摩擦和半液體摩擦。根據接觸形式，主要分為干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦?？紤]到濕式制動器的工作機理和油液制動環境，可將摩擦過程分為擠壓、壓緊和摩擦3 個階段。

1.1 摩擦力的構成

摩擦力主要由 4 個部分構成：油液黏性剪應力產生的摩擦力、動摩擦片表面的嚙合阻力產生的摩擦力、黏著阻力產生的摩擦力和犁溝阻力產生的摩擦力。據此濕式制動器摩擦力可以表示為

式中：F為總制動摩擦力；F1為油液黏性剪應力產生的摩擦力；F2為動摩擦片表面的嚙合阻力產生的摩擦力；F3為黏著阻力產生的摩擦力；F4為犁溝阻力產生的摩擦力。

1.1.1 油液黏性剪應力產生的摩擦力

油液黏性剪應力

式中：μ為潤滑劑粘度；v為運動速度；φf、φs、φfp、φfs為剪應力因子；h為名義油膜厚度；p為油液壓力；為實際油膜厚度的數學期望值；σ為表面粗糙度綜合均方根值；σ2為動摩擦片表面粗糙度均方根值。

每小段環的摩擦力

因此油液黏性剪應力產生的摩擦力

1.1.2 動摩擦片表面的嚙合阻力產生的摩擦力

在濕式制動器的動靜摩擦片進行接觸摩擦的過程中，當摩擦片表面的部分油膜被破壞，動靜摩擦片表面的微凸體接觸，不均勻的接觸形成了摩擦。鑒于此摩擦的機械阻力比較小，一般來說可以忽略不計。在金屬動摩擦盤與銅基靜摩擦盤組成的制動副中，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。根據克拉蓋爾斯基的機械-分子作用理論，得到嚙合阻力產生的摩擦力

式中：Sm為機械嚙合的面積；Am為機械嚙合作用的切向應力；Bm為法向載荷的影響系數；P為法向載荷；a為指數，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 黏著阻力產生的摩擦力

由于動靜摩擦片表面存在一定粗糙度，表面有少數的粗糙峰存在，實際摩擦時的摩擦接觸面積是各個微凸體接觸點所構成的面積之和，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，由于制動壓力的作用，會造成各個微凸體發生塑性變形，導致微凸體之間產生黏著。對于靜摩擦來說，實際摩擦時的摩擦接觸面積

式中：p1為制動壓力；σs為摩擦片材料的抗壓屈服極限。

當靜摩擦過后開始進行動摩擦時，摩擦副發生了相對旋轉運動，這時，實際摩擦接觸面積發生了改變，主要取決于法向載荷的大小。由修正的黏著理論可以得出，此時摩擦副之間的實際接觸面積

式中：Ft為切向力；τb為黏著點的剪切強度。

τb取值的大小主要與表面的清潔狀態以及表面材料的強度和溫度相關。

1.1.4 犁溝阻力產生的摩擦力

當濕式制動器制動時，摩擦副的摩擦造成摩擦表面的細小顆粒從與其連接的內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，在持續摩擦的過程中混入摩擦副內，形成新的凸體，持續在摩擦副內擠壓表層摩擦材料。這樣持續循環會由于犁溝阻力產生摩擦力，該摩擦力

式中：d為硬質顆粒嵌入摩擦表面的寬度；h為硬質顆粒嵌入摩擦面表面的深度。

1.2 制動工況分析

在濕式制動器的制動過程中，由于復雜的制動器內腔環境以及復雜多變的外部環境，又因為各個因素之間不是單純地獨立，會造成互相影響的現象，最終在各個因素的相互作用之下，造成了制動器的失效。因此對制動器的研究不能單純地只研究某一個工況下的制動性能，需要對多個工況進行分析驗證。

為了從多個方面來研究濕式制動器在不同條件下的摩擦性能，依據濕式多盤制動器在煤礦運輸過程中的實際工況，確定在實驗室模擬的測試條件，從而進行全面、系統、真實的制動器摩擦研究。在前人研究的基礎上可以得知，影響濕式制動器摩擦性能制動工況的參數有很多，并且各個工況參數對摩擦學性能的影響并不簡單，例如緊急制動工況與持續制動工況之間的關系并不是簡單的疊加關系，它們之間是相互影響、相互制約的。參照國家標準 GB 5763—2008《汽車用制動器襯片》以及 MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》中對煤礦井下無軌膠輪車和汽車盤式制動器襯片摩擦性能測試的有關規定，并結合對無軌膠輪車在實際制動工況下的調研分析，選取了 2 種不同的制動工況：緊急制動工況和持續制動工況，并對每種制動工況的參數制動壓力、制動初速度及制動初始溫度選取不同值。

標準 MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》規定，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；《煤礦安全規程》規定，礦用膠輪車濕式多盤制動器局部工作時的溫度不超過 150 ℃，此時制動器殼體表面的溫度不超過 60 ℃，因此以 30～150 ℃ 作為溫度范圍。針對本文的研究對象，車輛在正常行駛狀態下，行車制動活塞的油壓為零，當踏下行車制動踏板達到行車制動所需制動轉矩時，行車制動活塞的最小油壓為 2 MPa，此時受到的制動軸向力為 40 278 N，踏板力的比例系數為 0.016，最小踏板力約為 650 N；制動活塞的最大油壓為 3 MPa，踏板力的比例系數為 0.016，最大踏板力約為 1 000 N。因此制動力范圍為 650～1 000 N。

制動力、制動初速度及制動初始溫度是對制動摩擦學性能影響最重要的 3 個因素。筆者對制動力、制動初速度及制動初始溫度對濕式制動器摩擦學性能的影響進行研究。

2 試驗部分

筆者以內蒙古上灣煤礦運行的五十鈴 600 P 礦用膠輪車所安裝的多功能濕式制動器為分析對象，通過臺架試驗方法研究不同工況下的溫度場和應力場。

2.1 試驗平臺

選擇 BBP-20 型動力傳動系統故障診斷試驗臺進行試驗，試驗臺如圖 1 所示。動力傳動系統故障診斷試驗臺是一種機械慣量與電慣量組合、以計算機控制和測量技術為手段的濕式制動系統試驗系統，能夠實現濕式制動器實際制動工況的模擬與性能的測試，能夠為濕式制動器的設計、驗證、研究工作提供科學規范的試驗手段。

圖1 BBP-20 型動力傳動系統故障診斷試驗臺Fig.1 BBP-20 fault diagnosis test bench for power transmission system

2.2 試驗設計

《煤礦安全規程》規定，礦用膠輪車的最高行駛速度不得超過 40 km/h，煤礦用機電設備的允許最高表面溫度為 150 ℃。在持續制動工況下，進行 100 次試驗，然后取平均值，并且計算摩擦因數穩定系數α(單位：%)，來評價摩擦性能穩定性。

主要參數測量方法有：制動壓力通過行車制動液壓泵站入口處的壓力傳感器測得，溫度通過在第 5 組動摩擦片上沿軸向均勻布置的 8 個傳感器和沿徑向等間距布置的 5 個溫度傳感器測得，慣量模擬系統采用機械慣量加電慣量模擬混合系統。最終摩擦因數根據試驗平臺實時采集的轉矩和壓力值計算得到。

2.3 試驗過程及結論

2.3.1 制動初速度的影響

經過 100 次在制動初始溫度為 90 ℃、制動力為825 N 時不同制動初速度的持續制動試驗，得出如圖2 所示的摩擦性能隨制動初速度的變化曲線。圖 2(a)為摩擦因數隨制動初速度的總體變化，圖 2(b) 為不同制動初速度下摩擦因數的變化情況。

由圖 2(a) 可以看出，隨著制動初速度的逐漸增加，持續制動的摩擦因數先增加后減小，最大摩擦因數出現在制動初速度為 25～30 km/h 之間。出現這種情況的主要原因是，隨著制動初速度的增加，摩擦方式發生轉變，由邊界摩擦轉變為混合摩擦。由此可知，當制動初始溫度及制動力不變時，摩擦因數隨著制動初速度的增加先增大后減小。

圖2 摩擦性能隨制動初速度的變化曲線Fig.2 Variation curve of friction performance with initial braking velocity

2.3.2 制動力的影響

經過 100 次在制動初始溫度為 90 ℃、制動初速度為 25 km/h 時不同制動力的持續制動試驗，得出如圖 3 所示的摩擦性能隨制動力的變化曲線，圖 3(a) 為摩擦因數隨制動力的總體變化，圖 3(b) 為不同制動力下摩擦因數的變化情況。

由圖 3(a) 可以看出，隨著制動力的增大，摩擦因數不斷增大。造成摩擦因數直線上升的原因可能是隨著制動時所施加載荷的增加，摩擦方式從流體摩擦到邊界摩擦，再到混合摩擦，最后轉為半機械摩擦。由圖 3(b) 可以看出，當其他外部條件不變時，在不同試驗次數下得出的摩擦因數也不一樣，因此制動過程中應盡量避免使用較小制動力來持續制動。

圖3 摩擦性能隨制動力的變化曲線Fig.3 Variation curve of friction performance with braking force

2.3.3 制動初始溫度的影響

經過 100 次在制動力為 825 N、制動初速度為 25 km/h 時不同制動初始溫度的持續制動試驗，得出如圖 4 所示的摩擦性能隨制動初始溫度的變化曲線。圖4(a) 為摩擦因數隨制動初始溫度的總體變化，圖 4(b)為不同制動初始溫度下摩擦因數的變化情況。

由圖 4(a) 可以看出，隨著制動初始溫度的升高，摩擦因數先增加后突然減小，然后又有所上升。造成這種現象的原因可能是摩擦副的摩擦方式發生了變化，摩擦方式從混合摩擦逐漸轉變為機械摩擦，因此在實際運行中，當溫度超過 90 ℃ 時就應該減速慢行，減少制動次數。由圖 4(b) 可以看出，當所有的外部條件不變時，不同試驗次數下得到的摩擦因數也不一樣，最大的突變極值為 0.1，發生在溫度為110 ℃ 時，說明此溫度為危險臨界溫度，當制動器摩擦副到達這個溫度時，摩擦因數不穩定且極易發生突變，應該盡量避免。

圖4 摩擦性能隨制動初始溫度的變化曲線Fig.4 Variation curve of friction performance with initial braking temperature

3 濕式多盤制動器工況參數交互作用分析及預測

回歸正交試驗是一種把正交試驗設計、回歸數據處理和回歸精度的優勢統一起來的一種回歸設計與分析方法，可以在因素范圍內選擇適當的試驗點，用較少的試驗建立一個精度高、統計性好的回歸方程，并能夠解決試驗優化的問題。

3.1 正交試驗

按照所設計的試驗方案，在 BBP-20 型動力傳動系統故障診斷試驗臺上進行 10n次試驗，得出的摩擦因數平均值如表 1 所列。

表1 每組試驗測得的摩擦因數平均值Tab.1 Average of friction coefficient obtained from every test

對所得的摩擦因數平均值進行計算，得出含規范變量的回歸方程

方差分析結果如表 2 所列。

表2 方差分析結果Tab.2 Variance analysis results

最終的方差顯著性結果為：F0.1(9，5)=3.32，F0.05(9，5)=4.77，F0.01(9，5)=10.16，F0.001(9，5)=27.24。

方差顯著性結果表明，所建立的回歸方程達到極度顯著水平，z2和z2′的回歸系數達到高度顯著水平，z3和z1z3的回歸系數達到顯著水平。

最終結合試驗結果設計的數學模型為

3.2 因素交互作用分析

由于濕式多盤制動器工作過程的復雜性，若只考慮單個因素的影響效果，所得結果必然片面，因此要分析各個因素對摩擦性能影響的交互作用。下面分別對制動初速度-制動力、制動初速度-制動初始溫度和制動初始溫度-制動力進行交互影響分析。

3.2.1 制動初速度-制動力的交互影響分析

設定制動初始溫度為 90 ℃，對制動初速度和制動力兩個因素對摩擦性能影響的交互性進行分析，結果如圖 5 所示。從圖 5 可以看出，隨著制動力的逐漸增加，摩擦因數也逐漸增加，當制動力小于 800 N時，在相同制動力下，摩擦因數隨著制動初速度的增大先逐漸增大后減小；當制動力大于 800 N 時，在相同制動力下，摩擦因數隨著制動初速度的增加先逐漸減小后逐漸增加；當制動初速度不變時，摩擦因數隨著制動力的增加逐漸增加。圖 5(c) 中 6 條曲線自下而上依次為制動初速度為 10、16、22、28、34 和 40 km/h 時摩擦因數隨制動力的變化曲線。可以看出，制動初速度和制動力的交互作用曲線不平行且發生交叉，說明制動初速度和制動力對摩擦性能影響的交互作用明顯，且對摩擦性能的影響較大。

圖5 制動初速度-制動力對摩擦性能的交互影響Fig.5 Interaction influence of initial braking velocity and braking force

3.2.2 制動初速度-制動初始溫度的交互影響分析

設定制動力為 825 N，對制動初速度和制動初始溫度兩個因素對摩擦性能影響的交互性進行分析，結果如圖 6 所示。從圖 6 可以看出，在相同制動初速度下，摩擦因數隨著制動初始溫度的增加先減小后增加；在相同制動初始溫度下，摩擦因數隨著制動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初速度為 10、16、22、28、34 和 40 km/h 時摩擦因數隨制動力的變化曲線?？梢钥闯觯苿映跛俣群椭苿映跏紲囟鹊慕换プ饔们€基本平行，說明制動初速度和制動初始溫度對摩擦性能的影響不存在交互作用，對摩擦性能的影響并不大。

圖6 制動初速度-制動初始溫度對摩擦性能的交互影響Fig.6 Interaction influence of initial braking velocity and temperature

3.2.3 制動初始溫度-制動力的交互影響分析

設定制動初速度為 25 km/h，對制動初始溫度和制動力兩個因素對摩擦性能影響的交互性進行分析，結果如圖 7 所示。從圖 7 可以看出，當制動力小于860 N 時，在相同制動力下，摩擦因數隨著制動初始溫度的增加先增大后減小，當制動力大于 860 N 時，在相同制動力下，摩擦因數隨著制動初始溫度的增加先減小后增加；當制動初始溫度不變時，摩擦因數隨著制動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初始溫度為 30 ℃、54 ℃、78 ℃、102 ℃、126 ℃ 和 150 ℃ 時摩擦因數隨制動力的變化曲線?？梢钥闯?，制動初始溫度和制動力的交互曲線并不平行，尤其在低制動力時，兩者存在交互作用。由此可以得出，制動初始溫度和制動力對摩擦性能影響的交互作用最大，且對摩擦性能的影響最明顯。

圖7 制動初始溫度-制動力對摩擦性能的交互影響Fig.7 Interaction influence of initial braking temperature and braking force

4 結論

(1) 通過回歸分析得出制動初始溫度-制動力交互作用對摩擦性能的影響最大，制動初速度-制動力的交互作用對摩擦性能的影響較大，制動初始溫度-制動初速度交互作用對摩擦性能的影響最??；

(2) 通過臺架試驗得出制動力的變化對摩擦性能的影響程度最大，其次是制動初始溫度，影響最小的是制動初速度；在制動過程中，制動初速度要避免接近 40 km/h，制動力應在 710 N 以上，制動初始溫度應低于 110 ℃。