疏　達(dá)，王建彬，陶　峰，鐘相強(qiáng)

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000 ）

復(fù)合摩擦材料配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)

疏達(dá)1，2，王建彬1，2，陶峰1，鐘相強(qiáng)1，2

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000 ）

利用正交試驗(yàn)的方法對(duì)復(fù)合摩擦材料的納米改性樹脂、銅絲、錦綸纖維、玻璃纖維進(jìn)行了配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用模糊綜合評(píng)分的方法，將多目標(biāo)問題簡(jiǎn)化為單目標(biāo)問題，并考慮了高溫與低溫條件下權(quán)重的影響。利用極差分析法，找出了四種因素中對(duì)摩擦磨損性能影響最大的因素。

正交試驗(yàn)；配方；復(fù)合摩擦材料；綜合評(píng)分

1.引言

復(fù)合摩擦材料的組分較多，各組分對(duì)摩擦材料性能的影響不同，因此選擇合理的配方組成，對(duì)提高復(fù)合摩擦材料的摩擦磨損性能具有重要的工程意義［1］。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法主要通過改變各組份的不同配比，依靠工程人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，憑借“試湊法”觀察摩擦材料的摩擦性能，從而獲得較為滿意的配方。該方法的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)為工作量大、偶然性大、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、工藝條件的隨機(jī)性較大，因此研究成本也較高，對(duì)人力和物力資源會(huì)造成極大的浪費(fèi)。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種適用于多因素、多水平的試驗(yàn)方法，該方法從所有的試驗(yàn)中有代表地挑選典型的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些試驗(yàn)點(diǎn)的主要特性為“均勻分散”和“整齊可比”［2］。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是部分因子設(shè)計(jì)的主要方法，主要利用概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，利用標(biāo)準(zhǔn)化正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到最終的優(yōu)化方案［3］。該試驗(yàn)方法具有較高的生產(chǎn)效率，在工各行業(yè)的生產(chǎn)以及科研方面應(yīng)用廣泛。

本文主要考慮了復(fù)合摩擦摩擦材料中銅絲、錦綸纖維、玻璃纖維及納米改性樹脂四個(gè)因素的含量對(duì)摩擦性能的影響，采用正交試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)了試驗(yàn)。通過試驗(yàn)得出了各組分對(duì)摩擦材料性能大小的影響，并獲得了較優(yōu)的試驗(yàn)配方。

2.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

2.1.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

如表 1所示，分別選取納米改性樹脂、銅絲、錦綸纖維和玻璃纖維為試驗(yàn)的四個(gè)主要因素，代號(hào)依次為A、B、C和D，每個(gè)因素分別取三個(gè)水平。為方便計(jì)，銅絲、錦綸纖維和玻璃纖維分別用股數(shù)計(jì)算，納米改性樹脂按照質(zhì)量百分比計(jì)算。

依據(jù)正交試驗(yàn)的使用要求，使用 L9（43）來安排試驗(yàn)，如表2所示。由表2可知，本次試驗(yàn)需要制備 9個(gè)試樣。按照復(fù)合摩擦材料帶的生產(chǎn)步驟，使用銅絲、玻璃、錦綸等復(fù)合纖維按照表 2的試驗(yàn)安排捻紡成粗線，在編織機(jī)上編織成為復(fù)合摩擦材料白板帶，再將白板帶按照表 2試驗(yàn)要求在納米改性樹脂溶液中浸漬、瀝干、低溫烘烤、擠壓整形，在120℃～160℃以內(nèi)分級(jí)升溫固化成型［4］。將最終的產(chǎn)品經(jīng)過切割、打磨，制備 9對(duì)尺寸大小為的摩擦試樣供摩擦磨損的實(shí)驗(yàn)使用。

表1　正交試驗(yàn)因素水平表

2.2.試驗(yàn)方法將復(fù)合摩擦材料試樣在型號(hào)為DMS-1的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)按照GB /T 11834 -2000執(zhí)行。其中摩擦盤采用HT250灰鑄鐵（珠光體含量＞ 95 %），其余試驗(yàn)參數(shù)為：摩擦盤轉(zhuǎn)速為400～500r/min，壓力為0.98MPa/片。本次試驗(yàn)中主要考察了摩擦試樣在150℃和300℃條件下升溫摩擦系數(shù)和磨損率。

3.試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)表2的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，9種試驗(yàn)方案依次為A1B1C1D1、A1B2C2D2、A1B3C3D3、A2B1C2D3、A2B2C3D1、A2B3C1D2、A3B1C3D2、A3B2C1D3、A3B3C2D1，其試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。該試驗(yàn)的考察指標(biāo)有四個(gè)，屬于典型的多因素多目標(biāo)試驗(yàn)。在復(fù)合材料的摩擦磨損性能中，考慮摩擦系數(shù)越大，制動(dòng)效果越好，而磨損率越小，產(chǎn)品的使用壽命則越長(zhǎng)。除此以外，在復(fù)合摩擦材料的摩擦磨損性能中，工程師們更關(guān)注的是高溫條件下摩擦材料體現(xiàn)出的摩擦磨損性能?；谝陨纤行枰紤]的因素，利用模糊數(shù)學(xué)的思想和加權(quán)綜合評(píng)分的方法將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)問題［5，6］。各試驗(yàn)指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)定義為：摩擦系數(shù)（μ）越大，得分越高，最高的為10分，最小的為2分。磨損率（ω）越小，得分越高，最高的也為10分，最小的為2分。高溫條件下（300℃）的得分權(quán)重值定義為70%，低溫條件下（150℃）的得分權(quán)重指定義為 30%，則加權(quán)評(píng)分的數(shù)值計(jì)算公式為：

上式中iM 表示第i次試驗(yàn)的綜合得分，1 iM 為150℃條件下的得分，2iM為300℃條件下的得分。a、b分別為150℃和300℃條件下分配的權(quán)重系數(shù)，依次為30%和70%。按照上述定義，最終的綜合評(píng)分如表3所示。

表2　正交試驗(yàn)安排與試驗(yàn)結(jié)果

表3　綜合評(píng)分表

由表 3的評(píng)分表可以看出，S8的試驗(yàn)方案A3B2C1D3的得分最高，為15分，是當(dāng)前試驗(yàn)中所有配方中最好的。為了試圖找出更好的水平搭配方案，還需對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行直觀的分析。直觀分析如表4所示。其中Kij（i=1，2，3；j=A，B，C，D）表示第i水平第 j因素的綜合評(píng)分之和；而其平均值 Wij= Kij/3列于W行。各次試驗(yàn)的平均值的極差R=max ｛Wij｝-min｛Wij｝，其計(jì)算值列于R行。由極差分析可以看出，在所考察的四個(gè)因素中，納米改性樹脂對(duì)復(fù)合摩擦材料的影響是最大的。樹脂在復(fù)合摩擦材料主要是起到粘結(jié)的作用，其磨損機(jī)制隨著溫度的變化而不同。一般認(rèn)為在低溫時(shí)是以粘著和磨粒磨損為主，高溫時(shí)是以疲勞氧化磨損為主［4，7］。通常情況下，無機(jī)物在聚合物體系中與高聚物形成化學(xué)鍵合界面，在外界施加的應(yīng)力或者高溫的條件下，界面形成微觀的銀紋，銀紋在擴(kuò)充為宏觀裂紋時(shí)需要吸收更多的能量。而納米改性樹脂使得樹脂和各組份之間的界面結(jié)合能增加，一定程度上減緩了銀紋的擴(kuò)展，提高了復(fù)合材料的摩擦磨損性能［8］。綜合分析可知四個(gè)因素對(duì)摩擦磨損性能的影響大小依次為：A＞D＞B＞C。

將四個(gè)因素的得分繪制成四因素的性能關(guān)系圖，如圖1所示。圖1中的橫坐標(biāo)為因素的水平，縱坐標(biāo)為綜合得分平均值。由圖可知，隨著納米改性樹脂的含量的增加，整體的性能先下降然后上升；隨著銅絲和錦綸含量的提高，摩擦磨損性能一直上升，這說明還要做相應(yīng)的試驗(yàn)，提高這兩者的含量。玻璃纖維體現(xiàn)出了與納米改性樹脂相同的趨勢(shì)。綜合起來考慮，所選的配方應(yīng)該是A3B3C3D3。

表4　直觀分析表

圖1　因素與指標(biāo)關(guān)系圖

4.試驗(yàn)驗(yàn)證

為了考察優(yōu)化后的配方是否較好，要對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。按照上述得出的最優(yōu)方案A3B3C3D3，即改性樹脂為60%，銅絲5股，錦綸3股，玻璃纖維6股進(jìn)行了試驗(yàn)工作，試驗(yàn)的結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，A3B3C3D3在高溫下的摩擦磨損性能略有提高，證明了上述優(yōu)化達(dá)到了一定的效果。

表5　兩種較優(yōu)試驗(yàn)對(duì)比表

5.結(jié)論

利用正交試驗(yàn)的方法安排了納米改性樹脂摩擦材料配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用模糊綜合評(píng)分的方法將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化成了單目標(biāo)問題。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出了各因素的最優(yōu)組份含量。結(jié)果表明，納米改性樹脂對(duì)摩擦材料高溫下的摩擦磨損性能影響最為重要，其含量達(dá)到60%時(shí)摩擦磨損性能最好。

［1］湯希慶，司萬寶，王鐵山.摩擦材料實(shí)用生產(chǎn)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)摩擦密封材料學(xué)會(huì)，1982.

［2］方開泰，馬長(zhǎng)興.正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［3］劉瑞江，張業(yè)旺等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究［J］.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理，2010，27（9）：52-55.

［4］周元康，戴圣海，王滿力.酚醛樹脂的SiO2納米復(fù)合對(duì)摩擦材料性能的影響［J］.潤(rùn)滑與密封，2006，8（180）：61-64.

［5］疏達(dá)，趙雪松，孫際超.基于正交試驗(yàn)法優(yōu)化電火花線切割加工參數(shù)的研究［J］.安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，25（3）：38-41.

［6］彭祖贈(zèng)，孫溫玉.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，1999.

［7］盛剛.制動(dòng)摩擦材料研究的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，20（5）：130-131.

［8］周元康，張大斌，曾立宏.坡縷石納米/酚醛樹脂的制備及其摩擦材料的性能［J］.潤(rùn)滑與密封，2008，33（4）：47-50.

Optimization on Formulation of Composite Friction Materials

SHU Da1，2，WANG Jian-bin1，2，TAO Feng1，ZHONG Xiang-qiang1，2
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu，Anhui 241000，China；2. Anhui Province Key Laboratory of Advanced CNC and Servo Drive Technology，Wuhu，Anhui 241000，China ）

The paper introduced an optimization design method of composite friction material formulation. The experiment including four factors： nano-modified resin，copper wire，polyamide fiber and fiberglass，was arranged by using the orthogonal design experiment. The method of fuzzy comprehensive evaluation was used to decrease multi-objective problem to single objective problem and considered the influence of weight under the condition of high temperature and low temperature. The authors found the most important four influential factors for friction by using range analysis method.

orthogonal experiment，formulation，composite friction material，comprehensive scoring

TB383

A

1673-9639 （2015） 04-0088-04

（責(zé)任編輯 徐松金）（責(zé)任校對(duì) 毛志）（英文編輯 田興斌）

2014-07-09

本文系安徽省自然科學(xué)基金“酚醛樹脂基復(fù)合摩擦材料的納米坡縷石改性及摩擦磨損機(jī)理研究”（KJ2013B032）成果。

疏達(dá)（1978-），男，安徽安慶人，講師，博士研究生，研究方向：摩擦學(xué)。