（机械设计及理论专业论文）智能检测盘式液压制动器的研制.pdf

论文题目：智能检测盘式液压制动器的研制 专业：机械设计及理论 硕士生：郭列琰 指导教师：周新建 摘要 ( 签名) 兰e 型壅 ( 签名) ) 业 盘式液压制动器具有结构简单、体积小、制动力矩大等特点，是动力设备上常用的 一种安全制动装置，其性能的可靠程度对动力设备安全运行及操作人员的人身安全至关 重要。 本文介绍了盘式液压制动器工作原理、性能及结构特点。对制动器摩擦材料性能， 制动器制动过程中摩擦温度场分布进行分析研究，提出了不同工况摩擦材料选用方法， 建立了用于检测计算温度场的数学模型，分析了制动器失效因素，针对盘式制动器使用 过程中摩擦材料凭经验定期更换，无法准确判断其失效程度的现状，研制了一种在线检 测系统，该系统利用温度和位移传感器进行检测，通过单片机进行数据处理和分析，实 现了摩擦材料表面温度和( 磨损量) 位移量在线检测及存贮，当温度和位移超出范围或摩 擦材料热疲劳强度超出极限时，发出报警指示。 具有在线检测盘式液压制动器研制成功，解决了长期以来依据经验更换摩擦材料的 问题，为盘式制动器更换摩擦材料提供了一个比较科学的依据，有效地减少了不必要的 人力和材料的浪费，降低了安全隐患，提高了设备运行的可靠性，具有十分重要工程意 义。 关键词：盘式液压制动器；在线检测；研制 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t i z e dd e t e c t i n gh y d r a u l i c d i s e b r a k e s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e：g u ol i e y a n i n s t r u c t o r ：z h o ux i n j i a n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e )厅叩厶e 扩“ ( s i g n a t u r e ) 盈型型g ! ! 竺 i kh y d r a u l i cd i s kb r a k eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es i m p l es t r u c t u r e s m a l lv o l u m ea n d l a r g em o m e n ta n ds oo n i ti so f t e nu s e da sak i i l do fs a f e t yb r a k i n gd e v i c eo nt h ep o w e r e q m p m e n t 砧eb r a k e sr e l i a b i l i t yi sv i t a lt ot h es a f e t yw o r ko f t h ep o w e re q u i p m e n ta n dt h e o p e r a t o r t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t r u c t u r eo ft h eh y d r a u l i c d i s kb r a k e t h ep a p e ra n a l y s e st h ef e a t u r eo ft h ef r i c t i o nm a t e r i a la n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e f r i c t i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dp o i n t so u tt h em e t h o do f s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t em a t e r i a lo n t h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n 1 1 1 ep a p e re s t a b l i s h st h et e m p e r a t u r em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi s u s e dt oc a l c u l a t et h ed e t e c t i n gt e m p e r a t u r e ，a n da n a l y s e st h er e a s o n st h a tl e a dt ot h e i n v a l i d a t i o no ft h ed i s cb r a k e b e c a u s et h ef r i c t i o n a lm a t e r i a li sr e p l a c e do nt h er e g u l a rt i m e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c ea n dt h ed e g r e eo ft h ea b r a s i o nc a n tb ej u d g e de x a c t l y , t h e d e t e c t i n gs y s t e mo n l i n ei sd e v e l o p e d t h es y s t e md e c t e e t s t h et e m p e r a t u r ea n da b r a s e d d i s p l a c e m e n tb yr e s p e c t i v es e n s o r s i td e a l s 、丽t l ld a t aa n da n a l y s e sd a t ab yt h es i n g l ec h i p c o m p u t e r t h e r e f o r e ，t h es y s t e mc a nd e c t e e tt h et e m p e r a t u r ea n dt h ea b r a s e dd i s p l a c e m e n t o n l i n e ，i tc a r ls t o r et h e s ed a t aa n dj u d g et h e s ed a t ae x c e e dt h es a f e t yr a n g eo f t h et e m p e r a t u r e ， t h ed i s p l a c e m e n to rt h eh e a tf a t i g u es t r e n g t ho f t h ef i i c t i o nm a t e r i a lo rn o t i f d a t ae x c e e d st h e s a f e t yl i m i t , i tw i l ls o u n d t h ea l a r m t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to f t h eh y d r a u l i cd i s kb r a k ew h i c hh a v et h ec h a r a e t e r i s t c so f d e t e c t i n go n l i n ec a ns o l v et h ep r o b l e mo fr e p l a c i n gt h ef r i c t i o nm a t e r i a la c c o r d i n gt ot h e e x p e r i e n c e ，i tc a np r o v i d eav e r ys c i e n t i f i cb a s i st or e p l a c et h ef r i c t i o nm a t e r i a lf o rt h ed i s k b r a k e a n dc a nr e d u c et h ew a s t eo fl a b o u ra n dm a t e r i a le f f e c t i v e l y t h eh i d d e nt r o u b l ei s r e d u c e d ，a n dt h es a f e t yr e l i a b l i t yo ft h ee q u i p m e n tc a nb ei n c r e a s e d t h ed e v e l o p m e n to ft h e d e t e c t i n gs y s t e mo n l i n ei ss i g n i f i c a n tt ot h ee n g i n e e r i n g k e y w o r d ：h y d r a u l i cd i s c b r a k e d e t e c to n l i n e d e v e l o p m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：郭列峻日期：2 d 争2 8 学位论文知识产权声明书 本人完全了解擎校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：暂烈故指剥币繇闺抄 口6 年3 - 月刀日 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题研究背景 盘式液压制动器是采煤机、起重机、挖掘机等重型机器中的一个重要部件，它的主 要作用是使机器在出现故障或者在需要停止工作时，使机器能在人们要求的时间内停止 运动，也就是说需要把机器的动能尽快转化为其他形式的能量，达到消耗机器动能的目 的。它的工作杌理是靠两个相对运动的表面相互摩擦时所产生的摩擦阻力来转化机器动 能的，将机器的动能转化为热能，从而达到停车制动的目的。盘式液压制动器相对于鼓 式制动器具有制动性能稳定( 制动因数与摩擦系数成线性关系) 【1 1 ，力矩容量大、只承受 轴向力、结构紧凑、散热性好等突出的优点，所以在实际中被广泛应用。 盘式液压制动器的制动性主要取决于摩擦副的摩擦性能，这里摩擦副主要是由摩擦 材料、对偶盘组成，其中摩擦材料和对偶盘之闯的摩擦状况直接影响着卷4 动器的性能。 研究分析表明，在摩擦制动过程中，由于摩擦热的产生使摩擦表面发生各种物理和 化学变化，使得它们之间的摩擦系数发生很大变化，同时影响到摩擦副之间材料的磨损 状况。影响制动器摩擦材料磨损的主要因素有：压力和负载的变化、摩擦区域的温度场 分布、名义接触面的形貌等【1j 。在表面温度超过一定的范围时，制动器摩擦表面会出现 热应力场，摩擦盘产生翘曲变形。 制动器在制动过程中，由于制动时间很短，产生的热量来不及散发出去，制动器会 吸收9 5 以上的热量，从而导致制动盘和摩擦片表面温度的升高。随着温度的升高，摩 擦副之间的摩擦状况发生很多变化，直接影响制动器的性能。因此，在设计制动器时必 须采取措施来提高制动器的蓄热和散热能力。 在制动器中摩擦材料是最易磨损的部件，它的磨损量直接决定了制动器的制动能 力，过度磨损导致会制动失效。靠g 动器制动失效韵原因有很多，如压力不足、摩擦材料 选择不适当，摩擦系数不足、摩擦材料变质、摩擦盘的翘曲变形等，研究表明，摩擦材 料的磨损、表面温度过高和热疲劳是导致制动器制动失效主要原因。 对摩擦材料的研究一直是人们关注的课题，与摩擦材料相关的研究主要集中以下几 个方面：摩擦材料配方和性能的研究，摩擦材料制造工艺和试验设备的研究，摩擦表面 温度场分布的研究，摩擦副热应力场的研究等。如我国研究员曹献坤、阐获江、姚安佑 2 1 等针对近年来摩擦制动材料的发展要求，选用2 维的片状蛭石与l 维的k e v l a r 纤维混 杂作为增强体，在配方及工艺研究的基础上，成功地研制出了1 - 2 3 型复合增强摩擦材 料。这种摩擦材料力学性能高，摩擦性能稳定，特别是高温磨损小，恢复性能好、强度 高、价格适宜，是一种具有广阔发展前景的摩擦制动材料。姚萍屏、熊翔、黄伯石、袁 西安科技大学硕士学位论文 国洲 3 1 等研究了大范围内铜含量( o 3 0 ，质量份数) 对铁基粉末冶金摩擦材料摩擦磨 损性能的影响，并得出结论：随着铜含量的增加，铁基材料密度逐渐升高，当铜含量达 到3 0 时，其密度迅速增加。铜含量增加，先提高材料表观硬度和抗压强度，当超过一 定量后，两者均迅速下降。铜的加入降低了铁基材料的摩擦因数和磨损量，并改变了材 料的磨损机制；铜含量的增加，磨损机制由粘着为主转为疲劳磨损为主：而当铜含量超 过3 0 时，又表现为较强的粘着磨损。文献 4 1 介绍了未来将可能采用下列新工艺来生产 新结构摩擦材料。有水浆法工艺和抄纸法工艺。水浆法工艺，是采用打浆、沉积、压滤、 成型的方式，将各种摩擦材料组分和树脂细粉、石棉等纤维，制成均匀态水浆，制品具 有质轻，耐高速回转，性能稳定，生产环境清洁等优点。抄纸法工艺，是采用植物纤维、 石棉纤维、玻璃纤维、聚酰胺纤维和各类摩擦性能调节剂等，并用抄纸方式制成1 毫米 左右厚度的干纸坯，再用固体含量1 8 左右的热固性树脂浸渍，干燥后热压成型，制品 在质轻，强度好的基础上，有较好的耐磨特性和较低的硬度，其孔隙率可达1 5 。杜建 华、丁华东、傅苏黎、韩文政【5 】等建立了摩擦片打滑过程中的热传导模型。马保吉、朱 均 6 1 分拆了紧急制动过程动态摩擦热源模型。王营 7 1 对盘式制动器接触界面的压力分布 进行了研究。王营、曹献坤、姚安佑、李林子【7 l s l 等分析了盘式制动器摩擦片的温度场 分布。李非雪、张文明、方湄 9 1 等研究了湿式多片制动器摩擦片温度分布规律，认为对 于径向尺寸大、使用不同摩擦材料的湿式多片制动器，制动过程中存在热一弹性不稳定 现象，摩擦表面温度和压力的分布也不完全相同。黄健萌【l0 】对制动器摩擦热温度场进行 了数值模拟。林谢昭、高诚辉、黄健萌【l l j 等研究了制动工况参数对制动盘摩擦温度场分 布的影响。林谢昭i iz j 对盘式制动器非轴对称瞬态温度场进行了数值模拟。陈建、袁盛治、 翟东升、沈建坤、郭峰等【u 】对盘式制动器进行了瞬态温度场的计算与分析。黄健萌 1 0 】 建立了盘式摩擦制动器的三维非稳态热传导模型，并结合考虑制动盘、片间的热流耦合 关系通过有限元编程对其进行了数值模拟。马保吉、朱均【1 4 】等对盘式制动器接触界面压 力分布进行了研究，他们采用边界元法对盘式制动器摩擦衬片与制动盘接触界面间静、 动态压力分布进行了分析。运用柔度矩阵技术提高了计算的效率，考虑到摩擦接触过程 的不可逆性，给出了增量加载过程求解的一般格式。王志刚 ”】从能量传递的角度对盘式 制动器制动过程中的能量进行了分析并计算了热温度场。唐衍稳、李宏才、阎清东【1 6 】 等对湿式多片制动器摩擦偶件温度场进行了研究，建立了二维有限元模型，提出了三维 模型的分析方法。张文明、申炎华、张卫钢、马飞等【1 7 对湿式制动器制动过程中的摩擦 温度场迭行了研究，通过对制动过程的分析提出了摩擦片热传导的物理模型并根据模型 建立了求解摩擦温度场的微分方程。指出摩擦片的损坏主要是由表面温度的最大值过高 引起的。张云龙、张家励、吕景忠、诸文农、孙冬野等【18 】对湿式多片制动器对偶钢片非 稳态温度场进行了数值计算。还有许多其他学者在做这个方面的研究。 而现实中人们对摩擦材料在线检测的研究却比较少，根据目前制动器使用的实际工 1 绪论 作状况，利用微电子新技术，研制一种具有检测功能的制动器装置，对制动器进行监测， 可以提高设备的安全可靠性，对实际工程应用有很重要的意义。 检测技术也称测试技术，它包括测量和试验两方面。测量，就是把被测对象的某些 特征信息提取出来，并加以度量；试验，就是通过某种人为的方法，利用专门的装置， 把被测系统所存在的某种特征信息，激发出来并加以提取测量。 信息的提取一般采用传感器件来完成。传输信息的载体是信号，为了便于对被测信 息进行后续处理，通常是将被测信息转换成电信号，也就是把被测信号转换成电压、电 流或其它电路参数( 电阻、电感、电容) 等电信号输出。 一般来讲信号的转换存储与传输需要中间转换装置来完成，通常是把信号转换成便 于传输、功率足够大，并具有一定驱动功能的电压或者电流。 信号的显示和记录是用显示器、指示器和记录仪来完成。 信号的处理和分析可以用数据分析仪、频谱分析仪、计算机数据分析系统来完成， 找出被测信息的变化特征及变化规律，为研究和鉴定工作提供有效的依据，也可以为系 统的控制提供反馈信号。 总的来讲，检测技术具有如下三种功能： ( 1 ) 过程中参数测量功能； ( 2 ) 过程中参数监测控制功能； ( 3 ) 测量数据分析判断功能。 传感器是作为一种把输入的非电量( 物理量、化学量、生物量等) 信息转换成电量信 号输出的器件或装置，其构成核心是能把非电量信息转换电信号的转换元件。这种转换 功能，对物性型传感器可一次完成，实现“被测非电量一有用电量”的直接转换；而结 构型传感器必须通过前置敏感元件预转换后才能完成，即实现“被测非电量有用非电 量一用电量”的间接转换。此时，传感器就由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。 对于不同的检测量，要根据被检测量的特征及其在试验过程中的变化情况来选用符 合实际情况的传感器。本课题测试系统选用的传感器有位移传感器，温度传感器等，下 面将详细介绍。 本课题是针对现有盘式液压制动器摩擦材料的检测方法落后，对摩擦材料的实际状 况不能进行实时检测，需要离线检测，更换摩擦材料凭现场经验来判断，容易引起误判 的现状。设想研制一种带检测系统的制动器，它能够实时反映摩擦片的磨损量、温度分 布、热疲劳状况，给操作人员更换摩擦片提供一个比较科学的依据；同时可以根据在线 检测到的信息，实行安全管理，避免一些突发事故的发生。 制动器摩擦片的磨损机理是十分复杂的，有热磨损、磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨 损等。一般地，当摩擦表面温度不太高时，以粘着磨损、磨料磨损为主：而在高温下， 以粘着磨损、热疲劳磨损和热磨损为主【l 】。 西安科技大学硕士学位论文 虽然影响摩擦片磨损的因素很多，其宏观表现，可以认为是温度过高或者磨损严重， 因此这里选择两个主要参数作为判断依据，一个是位移，一个是温度。因为摩擦片磨损 量的多少直接影响到制动器制动力矩的大小。温度的高低变化直接影响摩擦副的摩擦系 数，同时还会产生热疲劳。 制动器离线检测有两个明显的缺点：一是要求停机检测，占用生产工时；二是不能 检测出工作过程中出现摩擦材料突然损坏的情况。如果能够在线检测出摩擦材料的磨损 量和摩擦材料最高实时温度，那么根据摩擦材料所能承受的温度极限或者摩擦磨损的极 限程度，就能直观地判断出此时制动器的工作是否处于安全可靠的范围内。根据设定的 极限值来判断，如果超出设定的极限值则可判断出制动器处于危险期，其摩擦材料需要 更换。及时更换摩擦材料，使制动器的安全性、可靠性能进一步提高。 1 2 本课题研究的意义 制动器是保证设备安全可靠工作运行的关键部件，它的应用非常广泛，有资料介绍， 在交通事故中，由于制动系统故障引起的事故占总数的4 5 t 1 2 1 。这说明制动器在保证机 器设备安全中的重要地位，因此，研制具有在线检测功能的制动器，对提高制动器的安 全性、可靠性具有非常重要的工程意义。 了解制动器的结构，工作状况是保证设备安全可靠运行的前提，而对摩擦片的在线 实时检测就很必要，通过检测摩擦片的信息来反映制动器的工作状况。 特别是随着科学和社会的不断进步，对设备的要求也逐渐向自动化和人性化方向发 展，要求使用的设备安全可靠、环保、节能，这样对制动系统也提出更高的要求。 微电子技术的发展，推动了检测技术的进步，使得仪器仪表不断地向智能化、数字 化、小型化、多功能化方向发展。检测技术中的数据处理能力和在线检测、实时分析能 力大大增强，仪器仪表的功能得以扩大，精度和可靠性有了很大的提高。 以单片机为信息处理核心的检测系统具有较强的功能，能够实现检测信号的显示， 具有数据处理和判断功能。 通过本检测系统的研制，可以对摩擦制动系统中的摩擦片的温度和磨损量进行检 测，通过测试的数据，可以对摩擦系统进行分析，同时可以实现实时对摩擦系统的状态 进行判断和故障诊断，通过对制动摩擦片相对位移的测量，可以说明摩擦片的磨损程度， 对检测的信号进行识别和诊断，从而确定是否满足机器安全规程的要求。总之，通过对 摩擦制动系统的实时在线检测，可以及时发现故障苗头，使问题刚开始出现时就能得到 及时解决，对事故的发生和扩大将起到有效的预防作用。 在线检测系统是现代设备的必然要求和发展趋势，它能有效的保障人身和设备安 全、提高设备工作的可靠性和自动化程度，使得设备管理更加合理化、科学化。从提高 设备和人员的角度出发，及时检测出摩擦材料的早期磨损，并对其磨损程度提前做出预 4 l 绪论 报显得非常重要。盘式制动器应用很广，开发研制具摩擦材料磨损检测盘式制动器有广 阔的应用前景。 1 3 本文研究的主要工作 本课题研制具有在线检测功能的盘式液压制动器，研制的制动器除了满足普通盘式 液压制动器性能参数外，还应具备在制动器工作时对摩擦材料磨损量，发热温度，热疲 劳损坏程度进行实时检测，并判断是否超出极限，超出极限值则发出警报信号的功能， 为完成具有智能检测功能的盘式液压制动器，需要进行以下几个方面的工作。 1 设计确定满足某一参数要求，能完成制动功能的盘式液压制动器作为研制蓝本。 2 研究各种摩擦材料特性，根据制动器的实际工况来选择合适摩擦副及摩擦材料。 3 研究盘式液压制动器的结构特点，通过理论分析，建立盘式制动器摩擦副温度场 模型，确定检测点与最高温度点的关联关系。 4 构建盘式液压制动器在线检测系统，确定检测技术，手段和方法，设计测试电路， 进行调试实现在线显示、报警功能。 5 总结研制经验，为下一步功能扩展推广应用打下基础。 1 4 本章小结 本章介绍了论文选题背景、意义及主要研究内容。针对现有盘式液压制动器在运行 过程中，摩擦材料的实际状况无法进行实时检测的现状，提出研制一种带检测功能的盘 式液压制动器，其检测系统能实时反映摩擦材料的磨损量、温度分布、热疲劳状况。具 有检测功能的制动器能够有效减少不安全隐患，提高了制动器可靠性，有广阔的应用前 景。 西安科技大学硕士学位论文 2 盘式液压制动器的结构和工作原理 研制具有检测功能的盘式液压制动器之前，首先需要了解它的结构组成和基本性能 要求以及确定需要检测的参数，并认此制动器为样本，研制具有检测功能的盘式液压制 动器。 2 1 制动器的基本性能要求 制动器的制动过程，从能量的观点讲，可以把制动器看成是一种毹量转换装置，它 在规定的时间内将运动物体的动能转化为热能或其它形式的能量，以实现减速、停车的 目的。制动器制动的可靠程度决定了机器的安全可靠性。 近年来，随着人们对机器的安全意识的提高、制动器的安全可靠性能倍受重视，对 制动器的性能提出以下几点基本要求： m 9 1 ( 1 ) 要有足够的制动力矩，这是保证安全割动可靠的基本条件。 ( 2 ) 摩擦副所产生的摩擦力矩要稳定，在受至0 # 1 - 界条件的变化( 速度、温度、湿度、 驱动力等) 的条件下，它的变化也要尽量小。 ( 3 ) 散热性好，避免摩擦表面温度过高。 ( 4 ) 工作中噪音低、对环境的污染小。 ( 5 ) 具有一定的耐磨性，要有一定的安全使用寿命。 ( 6 ) 操作、维修简单方便。 2 2 制动器的分类 制动器使用在不同的工况制动器的形式有所不同，根据不同的分类标准可以有以下 几种类型1 9 1 1 2 0 】： ( 1 ) 根据摩擦副的结构型式，割动器分为鼓式和盘式制动器。鼓式制动器又分为带 式和蹄式制动器。蹄式制动器按其制动蹄的布置型式又分为领蹄一从蹄式、双领蹄式和 双向增力式。盘式制动器分为钳盘式、全盘式和锥盘式制动器等几种。盘式制动器散热 较快，构造简单，调整方便。适用于重载场合，其耐高温性能好，制动效果稳定，盘式 制动器比鼓式制动器更易在较短的时间内发挥其制动作用。 ( 2 ) 根据摩擦副的工作环境，制动器分为于式和湿式制动器，湿式制动器的摩擦副 工作在润滑油冷却介质中，是在边界摩擦工作状态下产生制动力矩，干式摩擦制动器采 用空气自然冷却。 ( 3 ) 根据驱动制动器的机构，制动器分为机械式、电磁式、液压式、电液式、气压 式、气液式、惯性式等。其中液压式制动器由于工作平稳而迅速、制动效率高、寿命长 6 2 盘式制动器的结构和工作原理 等优点，在车辆和重型设备上应用比较广泛。 ( 4 1 根据制动器在车辆中的作用，制动器分为停车和驻车制动器。 ( 5 ) 根据转速一扭矩工作特性，制动器可以分为低速一大扭矩和高速一小扭矩制动 器。 f 6 ) 根据制动器的工作状态，制动器可分为常闭式和常开式。常闭式在弹簧或重力 作用下经常处于闸块抱紧状态，在外力( 或电磁力) 作用下才打开，即断电或外力去除后 自动制动。常开式与之相反，制动器经常处于打开状态，只有在外力作用下才抱紧制动。 2 3 制动器的发展历史 伴随科学进步和相关技术的发展，制动器经历了以下几个发展阶段【7 j i “j 。 ( 1 ) 机械制动器；( 2 ) 盘式制动器，1 8 9 8 年，克里夫兰的埃安斯佩里设计的电动汽 车就采用了前轮盘式制动器。斯佩里用圆盘分别与各个车轮的轮毂连成一体，另有一个 镶有摩擦片的小圆盘。制动时在电磁铁的作用下，使它紧贴转动盘，就能阻止车轮的转 动，当电磁铁断电时，车轮又可自由转动。1 9 0 2 年。英国颁布了f w 蓝彻颠特的非电 磁盘式制动器专利，其原理与现在的盘式制动器相似。蓝彻斯特盘式制动器的最大问题 是制动时的冲击噪声大。1 9 0 7 年，英国人赫弗罗特提出了用石棉衬板的想法，解决了 制动器存在的制动噪声问题。盘式制动器的应用使美国汽车在制动性能方面有了很大提 高。1 9 6 5 年生产的福特、雷鸟、林肯、大陆等车均采用了k e l s e y h a y 前轮盘式制动器， 雪佛莱、克尔维特等车采用了四轮盘式制动器：( 3 ) 液压制动器，1 9 1 8 年，马洛夫希德 发明了液压制动器，他利用液压缸和油管把压力油传递到制动蹄，使它压紧制动鼓。第 一辆在四个轮子上都装有液压制动器的汽车是杜森贝格型车。但是汽车制造行业并未立 即采用液压制动，直到1 9 3 1 年，克莱斯勒、道奇、德斯多、普利茅斯、弗兰克林、列 奥和格雷厄姆等车型采用了液压制动，而其他厂家则仍然采用钢索操纵的机械制动器。 通用福特分别于1 9 3 4 年和1 9 3 9 年采用了液压制动技术。( 4 ) 电子制动控制装置，电子 制动控制装置包括防拖死系统( a b s ) 和牵弓 控制系统( t c s ) 。a b s 系统在制动过程中可 自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果。a b s 系统有如下优点：可缩 短制动距离，制动时不影响转向性能；能增进驾驶员制动操作的稳定性；可避免轮胎在 制动时的偏磨。电牵引控制系统，可以对一个或多个车轮，在光滑路面上失去牵引时， 为每个车轮均分配动力。这些都是通过控制动力来控制制动器，并投有对摩擦片的工作 状况进行监测。 随着重型机械高速、重载方向的发展，对制动器也提出了更高的要求。制动器不仅 要满足一般要求，同时还要具有高而稳定的制动力，尽可能小的工作振动，较低的磨损 率，特别是对其制动摩擦系数，必须在任何条件下保持基本的稳定。 为保证高性能的安全可靠性，这就需要对制动器的实时工作状况有清楚的了解，这 7 西安科技大学硕士学位论文 是制动器的一个发展方向，对关键部位的工作状况有可分析的实测数据，这样才能很好 地采取措施去控制影响因素。 2 4 盘式液压制动器的结构和工作特点 2 4 1 盘式液压制动器的结构组成 研制的盘式液压制动器的机械部分结构如图2 1 所示， 它主要是由摩擦片、制动盘、弹簧、后盖、活塞、缸体等零件组成。 它是一种盘式液压制动器，安装在动力设备的轴端上。它的工作过程是：当机器 在运行时，制动器由控制油路供油松闸；当切断控制油时，在弹簧力的作用下进入抱闸 状态，此时弹簧4 借助活塞8 将摩擦片l 压紧，产生摩擦力矩，机器被制动。制动器是 由螺钉固定在设备的机壳上，液压油经进油孔3 进入缸体1 0 内。压力油受一个制动电 磁阀控制，最小松阀压力：1 2 1 6 m p a ，当机器速度回到零或电气系统发出制动信号 时，制动电磁阀断电复位：制动器内的压力油经电磁阀回油池，制动器处于制动状态。 1 摩擦片，2 制动盘，3 进油口，4 弹簧，5 释放螺钉，6 定位销，7 后盖，8 活塞， 9 0 型密封圈，t o 缸体 图2 1 盘式制动器的组成 若液压系统发生故障或检修时，液压制动器可用机械方式释放，即把螺钉5 卸下，用两 个螺钉旋进活塞8 的螺孔中，完全旋紧后，活塞8 被提起，制动器被释放。在制动器后 盖上留有- n 量用通孔，通过测量后盖端面与活塞端面的相对位移来判断摩擦片的磨损 程度。由于盘式制动器制动力矩大，结构紧凑，性能可靠，应用范围较广，现场使用表 明，这种制动器的总体性能良好，可以很好满足用户的要求口2 1 。 2 4 2 盘式液压制动器存在的问题 如图2 1 所示的盘式液压制动器从结构上讲，这种制动器的制动是靠摩擦片和摩擦 8 2 盘式制动器的结构和工作原理 盘之间的摩擦力矩产生，摩擦片在工作中很容易磨损，而其中的摩擦片磨损程度检测现 在是靠人工来完成，通过后盖上的测量孔对制动器进行定期检查。由于这种制动器制动 力矩大，往往装在重载设备或重型机器上，这些设备的工作环境恶劣，使人工检测不容 易进行或容易产生误差，无法真实反映出摩擦材料的磨损情况，更不能反映出由于摩擦 热而引起的破坏程度或潜在的热疲劳程度。 现在是凭借经验数据，规定摩擦片的使用时间，使用期限达到，不论实际的摩擦材 料的磨损情况，一律更换以保证机器设备的安全性。这样的操作有两个缺陷：( 1 ) 会出 现在摩擦材料仍然可以安全使用的情况下提前换掉，造成摩擦材料的浪费。( 2 ) 还会出 现由于某种原因没有及时更换、或者测量失误等，使摩擦片没有及时更换，会出现不安 全的潜在危险，所以对制动器摩擦材料的检测是很必要的。 2 5 小结 本章阐述了制动器需要满足的基本性能要求，介绍了各种不同类型制动器的发展现 状和应用场合；介绍了液压盘式制动器的组成、工作原理和结构特点。分析了液压盘式 制动器存在的主要问题，指出研制制动器摩擦材料在线检测系统的必要性。 西安科技大学硕士学位论文 3 制动器摩擦材料性能的分析 对制动器的制动性能起决定作用的是摩擦副的摩擦性能，所以对摩擦材料性能的研 究一直受到人们的重视，对它的研究一直在进行。 3 1 摩擦材料的一般性能要求 ( 1 ) 摩擦材料的摩擦系数要稳定可靠，在制动速度、压力、温度以及环境介质变化 大的情况下仍具有足够高的摩擦系数和良好的制动稳定性。动、静摩擦系数相差不应太 大，保证制动过程平稳、冲击力小、噪声低。 ( 2 ) 摩擦材料要有高的耐磨性，摩擦材料需要有一定的寿命。 ( 3 ) 摩擦材料要具有良好的物理、机械性能，热容量要大，材料在高温下还需有一 定的强度。能承受定的拉压强度和剪切强度，能承受制动时的压力和横向摩擦剪切力， 具有高的制动功率和能量吸收能力。 ( 4 ) 摩擦材料要有较好的几何尺寸稳定性，避免摩擦不均匀，造成局部过度磨损， 影响使用寿命。 ( 5 ) 摩擦材料要有较小的热衰退和较快的摩擦系数恢复速度。 ( 6 ) 摩擦材料在制造和使用过程中不能对环境造成污染和对人体造成危害。 ( 7 ) 摩擦材料要制造工艺简单，原料来源充足，经济性好，价格便宜，具有良好的 性价比【2 3 1 i 2 “。 3 2 摩擦材料的种类 随着材料科学的发展，目前已应用的摩擦材料有许多种。按其在组分中的主要成分 可分为；石棉有机摩擦材料、半金属摩擦材料、非石棉有机摩擦材料和粉末冶金金属陶 瓷摩擦材料等让3 1 。 3 2 1 石棉有机摩擦材料 石棉有机摩擦材料，由于它具有较稳定的摩擦磨损性能，同时有良好的工艺性，生 产价格低，比重小、不易损伤对偶材料等独特优点，所以在8 0 年代以前被广泛应用。 它的缺点是导热性和耐热性差，摩擦热不易散发，容易导致其工作表面温度较高，而石 棉在4 0 0 c 左右开始失去结晶水，5 5 0 。c 时完全丧失结晶水，脱水后的石棉摩擦特性变坏， 造成摩擦性能不稳定，出现明显的“热衰退”现象。后来又由于人们发现石棉摩擦材料的 粉尘是影响人体健康的致癌物质，所以现在有许多国家禁止使用，同时人们也正在努力 寻找一种能够完全替代石棉的增强纤维材料【2 3 】。 3 制动器摩擦材料性能的分析 3 2 2 半金属摩擦材料 半金属摩擦材料是一种由增强纤维、增塑剂、摩擦组元、润滑组元和树脂组成的摩 擦材料。它以金属纤维( 钢纤维、铜纤维等) 代替石棉纤维，以树脂或其它改性物作为粘 结剂，加入各种摩擦性能调节剂而组成的。它的一般成分为粘结剂( 酚醛系列树脂) 占 5 1 5 ，铁、铜及其合金的纤维和粉末占4 0 7 0 ，石墨等减摩剂占1 0 2 0 ， 其余为橡胶粉、腰果油等增摩剂及一些调整性能的填料。半金属摩擦材料中也有使用 a 1 2 0 3 ，s i 0 2 ，等陶瓷纤维和碳纤维的。这些材料以增加金属成分来提高使用温度，延长 寿命，并加入多种添加剂来提高摩擦稳定性和抗粘着性、降低制动噪声和振颤现象瞄j 1 2 “。 钢纤维是半金属摩擦材料材料中使用较多的一种增强纤维，钢纤维是美国b e n d i x 公司早在1 9 7 4 年，就成功研制出的由钢纤维作为增强材料的新型摩擦材料。它是使用 低碳钢采用超声波切削法制成，含油量低，表面活性好，具有高耐磨性和良好的导热性， 避免表面温度过高，在4 0 0 。c 以下，钢纤维增强树脂的摩擦系数稳定，且制动噪声低。 但钢纤维含量过高容易引起锈蚀，硬度大易伤对偶副田j 【2 ”。 总体来讲，半金属摩擦材料具有如下主要优点：( 1 ) 摩擦系数在4 0 0 以下，具有 良好的热稳定性：( 2 ) 耐磨性好，使用寿命是石棉摩擦材料的3 5 倍；( 3 ) 在较高负荷 下具有良好的摩擦性能，摩擦系数稳定；( 4 ) 导热性好，温度梯度小，能改善摩擦面的 温度环境。( 5 ) 制动噪音小，对环境污染小。它广泛应用于国产轿车如奥迪，桑塔纳， 夏利等车上。 半金属摩擦材料存在的缺点：( 1 ) 钢纤维容易生锈，易损伤对偶面，加剧磨损，摩 擦系数稳定性变差。钢纤维容易生锈，锈蚀后会粘着对偶或者损伤对偶，使摩擦材料强 度降低、磨损加剧，同时钢纤维的硬度高，也易刮伤对偶，加速对偶的磨损。( 2 ) 由于 半金属摩擦材料热传导率高，当温度高于3 0 0 时，易于使摩擦材料与钢基板间的粘结 树脂分解，加上温度梯度差异大引起热应力甚至出现剥离现象，同时高的摩擦热传到制 动器液压机构，导致密封圈软化和制动液发生气阻而造成制动失灵。半金属摩擦材料的 组成是决定其摩擦学特性的主要因素。现有学者将模糊优化技术应用于半金属摩擦材料 配方的优化设计和综合评价中，通过配方来调整材料的综合性能。国外有些专利介绍在 配方中加入锌或锌的化合物、c a f 2 或用某些树脂涂覆钢纤维等可以起到防锈效果。( 3 ) 易 产生低频噪音1 2 3 1 1 2 4 1 。 3 2 3 非石棉有机摩擦材料及混杂纤维摩擦材料 在石棉摩擦材料的替代品研究中，除了钢纤维等金属纤维类以外，目前比较多见的 还有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及由这些纤维相混合而成的混杂纤维等。 1 玻璃纤维摩擦材料 西安科技大学硕士学位论文 玻璃纤维增强的摩擦材料其摩擦特性主要取决于玻璃纤维的机械、物理性能和摩擦 条件。玻璃纤维发展历史比较长，产量较大，且热稳定性较好。它的特点是：玻璃纤维 可长时间在5 5 0 。c 以下工作而性能基本稳定，热稳定性较好，与树脂亲和性较好，但玻 璃纤维表面光滑，与树脂基体的粘结性较差，造成普通玻璃纤维的增强效果并不理想。 玻璃纤维增强材料对载荷、滑动速度及制动温度等因素反应较敏感。在高速重载及高温 下，摩擦系数变化明显，不稳定。由于玻璃纤维硬度过高，磨损比石棉增强材料要大； 当温度超过8 0 0 时易形成玻璃珠，玻璃珠莫氏硬度很高，对对偶材料的磨损会进一步 增加：a p v e r m a n 和p g o p a l 等对玻璃纤维增强摩擦材料作的系统研究表明玻璃纤维有 硬度过高f h b s 0 以上) ，磨损比石棉增强材料大一倍以上；工作温度超过8 0 0 时易形成 莫氏硬度高的玻璃珠，容易损伤对偶材料：在摩擦系数随温度变化盐线上出现二个低峰， 不稳定的缺点。虽然存在一定不足，这种材料在汽车上得到了一定范围的应用 2 3 1 。 2 碳纤维摩擦材料 碳纤维具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数较小等许多优 点。碳纤维增强基体的( c c ) 复合摩擦材料，具有比强度、比模量高和优异的耐磨性。 在摩擦材料中加入1 4 的碳纤维预氧丝，可获得平稳的摩擦系数。虽然碳纤维增强 材料有各种优点，但就其制造成本高而言，其广泛应用受到了限制。现有的碳纤维一般 为长纤维，而应用于摩擦材料中的增强纤维一般是2 5 m m 的短纤维。碳纤维尤其是高 模量石墨纤维的表面是惰性的，与树脂的润湿性、粘附性差，所以在制备碳纤维增强复 合材料时，须对碳纤维表面进行处理，以提高碳纤维与树脂间的粘附强度。表面处理后 碳纤维不但表面积增大，还能在表面生成活性基团( 如羰基、羧基、和羟基等1 ，通过这 些基团使碳纤维与树脂基体之间产生化学键，从而提高界面强度。研究表明，对碳纤维 采用预处理，如表面清洁法、气相氧化法、表面涂层法，对改善界面的粘合性都有一定 的效果。碳纤维增强摩擦材料有良好的恢复性能，而且在高温及高滑动速度下碳纤维增 强材料比玻璃纤维增强材料有更高的摩擦系数和较低的磨损率【2 5 】。 p g o p a l 2 6 1 等人的研究表明，碳纤维具有良好的恢复性能，在高温及在高滑动速度下， 比玻璃纤维有更高的摩擦系数和低的磨损率。碳纤维摩擦材料在航空航天工业中得到广 泛应用。在汽车摩擦材料使用中由于原材料价格偏高，生产成本太高，超出行业承受能 力应用受到一定限制。 3 芳纶纤维增强摩擦材料 芳纶纤维是一种芳族酞胺有机人造纤维，其一般特征是具有相当高的强度、中等的 模量、较小的密度、耐磨、耐热、高温下尺寸稳定好。其主要特征是在非复合形式下具 有高韧性，没有碳纤维与玻璃纤维所呈现的脆性，因此较适合于高温高摩擦下工作的摩 擦材料。 芳纶纤维首先由美国d u p o n t ( 杜邦) 公司生产，仅5 的芳纶纤维就可达到5 0 石棉 1 2 3 制动器厚擦材料性能的分析 纤维的增强效果，而且增强材料的机械强度高，高温下制动平稳且噪声小。现在较常用 的芳纶( k e v l a r - 4 9 ) 它的强韧性好，弹性模量高，密度低，价格只相当于碳纤维的l ，3 ，其 不足之处是由它所制成的复合材料的耐压强度及弯曲疲劳强度不太好。 芳纶纤维，其本身可燃烧点高，高温热分解不明显，可以用作增强纤维。当有机纤 维作为增强纤维使用时，股需要经过表面处理，通常是进行表面金属化或无机化处理， 或配入配方进行后处理。进行过表面处理的有机纤维，具有金属纤维的优点，导热性好， 耐磨等；有具有非金属纤维的特点，如密度小，韧性好等。该类纤维可以在4 0 0 1 0 时保 持o 2 5 以上的摩擦系数。这种材料可以提高摩擦稳定性，降低磨损量。降低噪声。 4 混杂纤维摩擦材料 在摩擦材料的非石棉化研究过程中，我们仍未发现能够完全具备石棉纤维所有特性 的单一纤维，因此采用多种纤维复合来提高非石棉摩擦材料的摩擦学性能和使用性能。 目前，国外己进行了碳纤维钢纤维、玻璃纤维有机纤维、钢纤维芳纶纤维等复合纤维 摩擦材料的研究，并取得了良好的效果。有资料表明，采用碳纤维3 0 。钢纤维1 5 ， 酚醛树腊1 5 及有机填料4 0 的摩擦材料比石棉摩擦材料的耐磨性提高3 倍，在3 0 04 c 3 5 0 时摩擦系数无热衰退现象。 p g o p a l 等人对芳纶与玻璃纤维、芳纶与钢纤维复合的摩擦材料试验研究表明，芳 纶( k e v l a t ) 的加入提高了摩擦系数的稳定性，磨损率明显降低，去除了高频制动噪音， 但同时摩擦系数略有下降。pg o p a l 认为k e v l a r 浆粕与钢纤维复合的摩擦材料对摩擦材 料的开发应用具有较大的吸引力【2 6 】。 混杂纤维采用二种或二种以上的纤维进行混杂增强是摩擦材料的一个主要方向。 美国的r g o p a l 等人对芳纶( k e v l a r ) 浆粕和钢纤维、玻璃纤维混杂纤维增强摩擦材料 的性能做了系统的研究，实验结果表明，芳纶的加入可以提高摩擦性能的稳定性，但略 降低摩擦系数：磨损量明显减小：而在制动噪声方面，可以明显降低以致完全除去高频 ( 频率 s k h z ) 噪声。 片状蛭石与k e v t a r 纤维混杂增强摩擦材料，是曹献坤等在系统研究摩擦材料的基础 上，以摩擦学理论和复合材料理论为指导，选择片状蛭石与k e v l a r 纤维混杂增强，利用 蛭石的片状结构和优良的摩擦磨损性能，与k e v l