水冷制动器广泛应用于油田设备、造纸行业、印刷行业、伐木机械、测功仪、绞车装备、舰船港口等各种工况条件下的辅助刹车制动和持续张力控制应用,特别适用于大惯量制动以及快速散热的工况。水冷制动器有单摩擦盘式和多摩擦盘式,可以安装在轴的中间,也可安装在轴的末端,坚固的结构可以确保其长时间无故障的运行。

目前在工业制动和车辆制动应用中,主要是采用钢铁材质作为摩擦对偶,常用材料包括碳钢、合金钢、灰铸铁、球墨铸铁,轨道交通行业还会使用蠕墨铸铁以及铸钢和锻钢件等材质制作制动摩擦盘来使用,水冷制动器之所以采用铜合金作为摩擦对偶件,是因为其往往是应用在大功率持续张力控制应用场合。工作过程中,摩擦副之间相互摩擦会产生大量热,因此必须采用导热性能好的铜或铜合金摩擦盘将热量传导至另一面的循环冷却水,将热量带走。

常识告诉我们铜作为制动对偶的缺陷是材质太软,很容易被磨损,按照摩擦学理论,在讨论摩擦材料摩擦磨损机理的时候,都会提到 “粘附-犁沟”摩擦理论,认为摩擦力主要来自于界面间微凸体之间的粘附分量和硬质颗粒在较软的对偶摩擦面上犁沟所产生的犁沟分量,磨损是在这二种主要的摩擦形式发生的过程中从摩擦材料表面、对偶表面以及所谓第三体膜中脱落下来的磨屑引起的,如果按照常规的树脂基摩擦材料的组分来设计该应用工况下的摩擦材料配方基本可以认定是不可行的,因为常规摩擦材料都会含有诸如钢纤维、铜纤维或铜粉等金属组分以及为提高摩擦系数而加入的硬质增摩组分。但这些组分势必都会对铜材质的摩擦对偶产生严重的磨损现象,因为即便是铁也会比铜硬。

基于上述分析在设计摩擦材料时除了加入作为固体润滑剂并具有导热作用的石墨和金属硫化物以外,不加入任何金属、金属氧化物或金属盐无机物,而是依重于聚合物,不论是作为增强材料的纤维和颗粒、基体粘结剂还是摩擦性能调节剂,这些材料不会对铜对偶产生犁沟或者划伤,而有机物容易转移到金属对偶表面形成转移膜从而对对偶表面形成保护作用,例如我们熟悉的腰果壳油摩擦粉就有这种作用,希望摩擦发生在铜对偶表面的转移膜和摩擦材料的表面膜之间。

基于这种设计思路,水冷制动器所需要的摩擦力主要应来自于聚合物之间的摩擦,而不是金属对偶表面直接与摩擦材料之间的摩擦,聚合物的摩擦可以看作是粘附分量和变形分量两部分组成,粘附分量是聚合物之间产生粘附而产生的摩擦阻力,这一点易于理解,高分子材料摩擦变形分量是指在弹性或粘弹性接触过程中,表层材料发生应变,对摩擦系统做了正功,卸载后,释放的部分能量以振动能和热能形式消耗掉。

对于铜作为摩擦对偶件的摩擦材料产品,需要设计新配方体系来实现,新配方体系不应含有金属材料和硬质增摩剂,而应该更多地采用有机聚合物材料,包括作为增强材料的纤维和颗粒、基体粘结剂以及摩擦性能调节剂,但对于使用温度高于250℃的高温工况,不建议采用此类配方体系,因为有机物耐热性能差,在摩擦热的作用下会降低摩擦磨损性能,特别是热衰退现象严重;水冷制动器因为有冷却循环水可以快速将摩擦热带走,工作温度较低,因此采用此类配方体系的摩擦材料是可行的。

(摩研中心  鄢豪)



2017年08月01日

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