風(fēng)電摩擦片試驗(yàn)方法研究

文|王能

風(fēng)電摩擦片試驗(yàn)方法研究

文|王能

風(fēng)電摩擦片的工作原理是將制動(dòng)器上作用的夾緊力轉(zhuǎn)換成制動(dòng)力，使制動(dòng)盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)或在停機(jī)狀態(tài)下防止其轉(zhuǎn)動(dòng)（停機(jī)制動(dòng)），摩擦片的摩擦磨損性能是影響風(fēng)電制動(dòng)器制動(dòng)力大小的一個(gè)重要因素。由于風(fēng)電制動(dòng)器實(shí)施制動(dòng)時(shí)間短、夾緊力大等特點(diǎn)，因此對(duì)風(fēng)電摩擦片的性能要求高。風(fēng)電摩擦片采用銅基粉末冶金材料與背板加壓燒結(jié)成一體，具有摩擦系數(shù)高且穩(wěn)定、受外界環(huán)境影響小、磨耗小、壽命長(zhǎng)、熱容量高、制動(dòng)要求高等優(yōu)點(diǎn)，本文采用試驗(yàn)方法對(duì)風(fēng)電摩擦片進(jìn)行驗(yàn)證。

配方篩選試驗(yàn)

風(fēng)電摩擦片的實(shí)際運(yùn)行工況是驗(yàn)證其摩擦磨損性能的一個(gè)約束條件，針對(duì)不同工況下的風(fēng)電摩擦片需要進(jìn)行不同的配方篩選，以確定該粉末冶金材料層能滿足該工況下的性能要求。由于設(shè)備和成本的限制，試驗(yàn)不可能1:1地完全反映真實(shí)情況，而且配方篩選是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，因此可采用1:4制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行這一繁復(fù)工作。

為保證面積縮比后的風(fēng)電摩擦片能反映實(shí)際情況，得到真實(shí)可靠的試驗(yàn)結(jié)果，因此在試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了如下假設(shè)：（1）保證試驗(yàn)臺(tái)制動(dòng)半徑上的初始制動(dòng)速度與實(shí)際制動(dòng)半徑上的初始制動(dòng)速度相同；（2）保證試驗(yàn)制動(dòng)時(shí)間與實(shí)際制動(dòng)時(shí)間相同；（3）保證風(fēng)電摩擦片在單位面積上的熱功率相同；（4）試驗(yàn)機(jī)上的夾緊力是通過(guò)實(shí)際制動(dòng)時(shí)間來(lái)確定的?？蓪⑸鲜黾僭O(shè)條件代入以下公式，求得試驗(yàn)輸入?yún)?shù)。

q—單位面積熱功率值，J/mm2·s；

W—制動(dòng)總功，J；

S—摩擦片摩擦面積，mm2；

t—制動(dòng)時(shí)間，s；

ω—制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，rad/s；

J—制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，N·m2；

根據(jù)制動(dòng)力矩的物理特性，可知: Mt＝Jω即：

求得模擬試驗(yàn)夾緊力：

M—制動(dòng)力矩，N·m；

μ—摩擦系數(shù)；

FC—制動(dòng)器夾緊力，N。

表1 試驗(yàn)輸入?yún)?shù)

配方驗(yàn)證試驗(yàn)

考慮到縮比試驗(yàn)的局限性，需要對(duì)篩選出的配方摩擦片進(jìn)行1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證配方的可行性。當(dāng)慣性試驗(yàn)臺(tái)能滿足工況要求時(shí)，可直接按照實(shí)際制動(dòng)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)不能滿足其工況要求，可采用“能量等值替換”的原理，將機(jī)組實(shí)際的制動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)化為1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)的參數(shù)。如果進(jìn)行換算后的參數(shù)條件仍不能適用于試驗(yàn)臺(tái)，可采取夾緊力數(shù)值直降的措施，但其試驗(yàn)結(jié)果僅供參考。

在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行以下條件假設(shè)：（1）保證風(fēng)電制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的總制動(dòng)功不變；（2）保證摩擦系數(shù)不變；（3）保證風(fēng)電摩擦片比壓p和線速度v的乘積，即pv值不變。

通過(guò)以上假設(shè)條件可計(jì)算出1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)參數(shù)。

風(fēng)電摩擦磨損性能分析

以兆瓦級(jí)風(fēng)電摩擦片的制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)為例，進(jìn)行風(fēng)電摩擦片的摩擦磨損性能分析。風(fēng)電摩擦片的制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

一、風(fēng)電摩擦片1:4制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)分析

風(fēng)電摩擦片摩擦磨損試驗(yàn)的主要參考項(xiàng)點(diǎn)為摩擦系數(shù)、磨耗量、制動(dòng)時(shí)間、火花量、最高溫升等。

（一）摩擦系數(shù)是一個(gè)重要的考評(píng)項(xiàng)點(diǎn)，粉末冶金材料配方方案和生產(chǎn)工藝兩要素是決定摩擦系數(shù)的關(guān)鍵。圖1分別提取了兩種粉末冶金配方方案下的摩擦系數(shù)曲線，在常用制動(dòng)工況條件下， TYF16-2摩擦系數(shù)曲線平緩且隨著制動(dòng)次數(shù)的提高摩擦系數(shù)值呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢(shì)，平均維持在0.422；TYF16-1隨著制動(dòng)次數(shù)的提高摩擦系數(shù)值下降趨勢(shì)明顯，可見(jiàn)隨著制動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，TYF16-1配方摩擦片的摩擦系數(shù)有衰減趨勢(shì)。在非常用工況下TYF16-1摩擦系數(shù)則一度跌落0.3，不滿足設(shè)計(jì)要求。

（二）磨耗量是評(píng)定風(fēng)電摩擦片使用壽命的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。磨耗量可以從厚度磨耗、質(zhì)量磨耗和能量磨耗等評(píng)定方法進(jìn)行計(jì)算。文中采用每兆焦能量損耗的體積值來(lái)考核摩擦片的磨損量，如表2所示。在常用制動(dòng)工況下，TYF16-2主動(dòng)側(cè)摩擦片的磨耗略大于TYF16-1摩擦片；TYF16-2被動(dòng)側(cè)摩擦片的磨耗則小于TYF16-1摩擦片，引起這一情況的主要原因是制動(dòng)器在進(jìn)行TYF16-2試驗(yàn)時(shí)，制動(dòng)夾鉗兩側(cè)受力不均衡引起的；在非常用工況下，同樣存在上述問(wèn)題，但明顯在制動(dòng)盤(pán)速度提高后，TYF16-1摩擦片的磨耗量以倍數(shù)的形式大于TYF16-2。

表2 磨耗量 單位：cm3/MJ

（三）風(fēng)電機(jī)械制動(dòng)過(guò)程開(kāi)始于葉片向90o變槳，等風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下降到一定程度后才開(kāi)始記入制動(dòng)時(shí)間。制動(dòng)時(shí)間是風(fēng)電摩擦片摩擦磨損試驗(yàn)的一個(gè)約束條件，必須保證制動(dòng)過(guò)程在兆瓦級(jí)機(jī)組規(guī)定的制動(dòng)時(shí)間內(nèi)結(jié)束。表3所示制動(dòng)時(shí)間不包括壓力上升時(shí)間，在常用制動(dòng)工況下，TYF16-1的制動(dòng)時(shí)間最短，而TYF16-2和TYF16-1的制動(dòng)時(shí)間都能滿足約束要求；在非常用制動(dòng)工況下，根據(jù)逐級(jí)遞進(jìn)的制動(dòng)初速度的形式進(jìn)行試驗(yàn)并采集時(shí)間數(shù)據(jù)，隨著制動(dòng)初速度的提高且在達(dá)到1800rpm以后，TYF16-2制動(dòng)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

（四）風(fēng)電摩擦片在實(shí)施制動(dòng)時(shí)（制動(dòng)艙屬于封閉結(jié)構(gòu)），如有大量的火花生成則會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此在試驗(yàn)過(guò)程中需要進(jìn)行火花量的監(jiān)控?；鸹z測(cè)可通過(guò)兩種方式進(jìn)行：

1.以視頻形式記錄制動(dòng)過(guò)程中火花飛濺情況。

2.安裝火花檢測(cè)裝置，按照濾布的燒損程度來(lái)評(píng)定摩擦片的合格與否?；鸹ú杉b置由兩張間距為25.4mm的濾布組成，安裝在火花飛濺的源頭位置，如火花采集裝置的第一層濾布有燒損痕跡，而第二層濾布無(wú)燒損，則摩擦片合格；如一、二層濾布均被火花燒損，則摩擦片不合格。試驗(yàn)結(jié)束后，兩種配方摩擦片的火花檢測(cè)結(jié)果均合格。

（五）粉末冶金摩擦片在制動(dòng)過(guò)程中的最高溫升情況也需要進(jìn)行評(píng)定。最高溫升分為制動(dòng)盤(pán)最高溫升和摩擦材料最高溫升兩種，原理是在制動(dòng)盤(pán)或摩擦材料上放置熱電偶，測(cè)量其制動(dòng)過(guò)程的最高溫度；如試驗(yàn)設(shè)備允許，還可采用熱成像儀，記錄制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中的溫度變化。由于摩擦材料是磨耗件，且在摩擦塊上開(kāi)孔易影響其性能強(qiáng)度，因此一般在制動(dòng)盤(pán)內(nèi)放置熱電偶。TYF16-2制動(dòng)盤(pán)最高溫度為78℃；TYF16-1制動(dòng)盤(pán)最高溫度為102℃。形成這一現(xiàn)象的原因是制動(dòng)盤(pán)溫度升高慢，在試驗(yàn)機(jī)記錄溫度的時(shí)間點(diǎn)時(shí)制動(dòng)盤(pán)還未達(dá)到其最高溫度，因此數(shù)據(jù)僅供參考。

二、風(fēng)電摩擦片1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)分析

由于配方產(chǎn)品TYF16-1有部分性能不滿足要求，而為了能節(jié)約時(shí)間和成本，更全面地考核摩擦片的摩擦磨損性能 ，僅對(duì)TYF16-2配方摩擦片，進(jìn)行了100次常規(guī)制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)以及4次非常規(guī)制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)（試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5）。評(píng)定的試驗(yàn)參數(shù)為：摩擦系數(shù)、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)盤(pán)溫度、噪音、磨耗量和火花量。

（一）摩擦系數(shù)要滿足在常用制動(dòng)工況的100次循環(huán)試驗(yàn)下能達(dá)到名義摩擦系數(shù)值且?guī)缀鯚o(wú)衰減，而在非常用制動(dòng)工況下得到的數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2）僅可供參考，正常機(jī)組進(jìn)行一次非常用制動(dòng)工況，摩擦片必須進(jìn)行更換。

表4 常用工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 非常用工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 厚度磨耗

（二）風(fēng)電摩擦片的制動(dòng)時(shí)間與摩擦系數(shù)的大小有關(guān)，在夾緊力、制動(dòng)初速度不變的條件下，摩擦系數(shù)越高則制動(dòng)力越大，相應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間就越短。從制動(dòng)時(shí)間看，因試驗(yàn)條件限制而降低制動(dòng)夾緊力得到的TYF16-2風(fēng)電摩擦片制動(dòng)時(shí)間在理論計(jì)算范圍內(nèi)。

（三）磨耗量要從質(zhì)量磨耗和厚度磨耗兩個(gè)方面同時(shí)監(jiān)控記錄，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制動(dòng)器專(zhuān)用規(guī)則》中的要求：風(fēng)電制動(dòng)器在慣性試驗(yàn)臺(tái)上連續(xù)制動(dòng)100次，摩擦片的磨耗質(zhì)量與試驗(yàn)前摩擦片的質(zhì)量之比不應(yīng)大于千分之五。TYF16-2摩擦片的磨耗質(zhì)量比為3.47‰，TYF16-2配方摩擦片滿足《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制動(dòng)器專(zhuān)用規(guī)則》中的要求。最后對(duì)摩擦塊在1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)前后進(jìn)行了厚度磨損的測(cè)量，結(jié)果如表6所示。

（四）風(fēng)電摩擦片在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，遇到非常用制動(dòng)工況的情況非常少，因此文中列出在常用制動(dòng)工況下的風(fēng)電摩擦片的表面磨損情況，如圖3和圖4所示。TYF16-2配方摩擦片在進(jìn)行100次制動(dòng)后，被動(dòng)側(cè)摩擦片比主動(dòng)側(cè)摩擦片的表面狀況好，磨耗量少，這主要是由于主動(dòng)側(cè)受力情況較被動(dòng)側(cè)更為惡劣。而主動(dòng)側(cè)摩擦塊有局部掉屑的現(xiàn)象，這種情況在摩擦片的中間位置更為明顯，這是由于中間位置摩擦塊的排布相較四周更為密集，且接近有效制動(dòng)半徑區(qū)域，而制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量不易于散去，導(dǎo)致摩擦塊的受損程度較為嚴(yán)重。

（五）火花檢測(cè)裝置的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：在風(fēng)電制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)器下方或上方（以制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橐罁?jù)）水平安裝長(zhǎng)方形火花過(guò)濾屏風(fēng)（558.8mm×304.8mm×25.4mm），進(jìn)行花火采集。如果火花燒傷屏風(fēng)的兩層濾布，則摩擦片不合格；如火花未燒損或僅燒損屏風(fēng)的第一層濾布，而第二層濾布未被燒損，摩擦片合格。

結(jié)論

（一）風(fēng)電摩擦片摩擦磨損性能的考核項(xiàng)點(diǎn)為：摩擦系數(shù)、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)盤(pán)溫升（或摩擦塊溫升）、噪音、磨耗量和火花量。

（二）縮比試驗(yàn)所得結(jié)果與1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)得到的結(jié)果有明顯的區(qū)別，例如TYF16-2配方摩擦片的縮比試驗(yàn)得到的平均摩擦系數(shù)為0.422，而1:1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)得到的平均摩擦系數(shù)則為0.363。

（三）試驗(yàn)結(jié)果表明，制動(dòng)盤(pán)表面最高溫升情況不能代表摩擦塊的溫升，如需測(cè)定摩擦塊在制動(dòng)過(guò)程中的最高溫升情況，則必須在摩擦片工作區(qū)域的摩擦塊處打熱電偶并進(jìn)行測(cè)量，但需考慮摩擦塊本身強(qiáng)度問(wèn)題。

（作者單位：南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司）