水造粒技術(shù)汽車制動(dòng)襯片顯氣孔率對比試驗(yàn)研究

王振玉，楊 斌，王鐵山

（1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007；2.吉林大學(xué)機(jī)電設(shè)備研究所，吉林 長春 130117）

1 概述

摩擦材料是一種多元復(fù)合材料[1]，其主要用于交通工具和機(jī)器設(shè)備中的制動(dòng)器、離合器及摩擦傳動(dòng)裝置，是傳遞和轉(zhuǎn)換能量的材料，摩擦材料的性能直接影響制動(dòng)平穩(wěn)性及安全性。

摩擦材料從配方設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想來說，不僅局限于原料組分，比例設(shè)計(jì)逐漸由傳統(tǒng)材料的比例設(shè)計(jì)上升到材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]。就是從材料微觀單元的摩擦磨損特性分析入手，構(gòu)思摩擦材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。主要以水作為連橋液，采用造粒技術(shù)，使材料成為顆粒狀，并有針對性地對顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效控制摩擦材料的密度、氣孔率、可壓縮性、導(dǎo)熱性、固有頻率等，不但基本解決了摩擦材料生產(chǎn)中的環(huán)保問題，更重要的是從理念上為新型摩擦材料的發(fā)展開辟了廣闊前景。

由于摩擦材料制動(dòng)噪音與材料內(nèi)部的孔隙率[3]有關(guān)，高孔隙率具有聲學(xué)阻尼功能，可顯著降低制動(dòng)噪音的概率。然而，國內(nèi)對于摩擦材料孔隙率的測量目前尚無標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)這方面的研究報(bào)道也極少。材料中開孔降低制動(dòng)噪音的概率比閉孔大得多[4]，所以只要求測量摩擦材料開孔孔隙率，即顯氣孔率，其為制動(dòng)襯片開口氣體體積與總體積的比值。本文應(yīng)用造粒技術(shù)，通過對相同材料組分、相同生產(chǎn)工藝制備的制動(dòng)襯片做顯氣孔率的對比試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)條件及評測方法

2.1 試驗(yàn)規(guī)程

根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的汽車制動(dòng)器襯片顯氣孔率試驗(yàn)方法(QC/T583-1999)[5]，選取SY1172工業(yè)齒輪油為浸漬液，主要試驗(yàn)過程如下：

(1) 制備3組試樣，尺寸約25mm×25 m m×5mm，用120#砂紙打磨，使其表面平滑均勻，用千分尺測量，并記錄每個(gè)試樣的長、寬、厚。

(2) 用分析天平稱量，并記錄每個(gè)試樣質(zhì)量m1，細(xì)銅絲將試樣扎緊，并在上端扎成吊環(huán)狀，以便懸掛。

(3) 將試樣懸浸入盛浸漬液的燒杯中，試樣與試樣、試樣與燒杯內(nèi)壁不得相互接觸。在徐徐攪拌下，通過溫度指示控制儀，將油加熱至90±5℃，保持8h，見圖1。

圖1 顯氣孔率測量裝置

(4) 將試樣移入另一處于室溫的油液中，靜置浸漬12h。

(5) 將試樣從油浴器中取出，用濾紙快速擦去試樣表面附著的油滴。用分析天平稱量每個(gè)充滿油的試樣質(zhì)量m2。

2.2 計(jì)算公式

式中：m1——試樣質(zhì)量，g；

m2——充滿油的試樣質(zhì)量，g；

ρ——室溫下油的密度，g/cm3；

V ——試樣總體積，cm3。

式中：Pi——試樣的測定值；

n ——試樣總數(shù)，n≥3。

3 制取顆粒及試樣制備

3.1 造粒原料及其配比

為使成分顆粒均勻，密實(shí)度較好，應(yīng)選取顆粒直徑較小，密度較大的原料進(jìn)行造粒，量取總質(zhì)量為2000g，其造粒原料和配比，見表1。

根據(jù)配比，用電子稱量取各原料組分，投入角度可調(diào)式摩擦材料混料造粒機(jī)中，按照混料時(shí)間每次為2min，共混三次，每次間隔2min，將物料混和均勻。

表1 摩擦材料造粒原料及配比

3.2 造粒設(shè)備及顆粒制備

造粒設(shè)備采用吉林大學(xué)機(jī)電設(shè)備研究所制造的JF805R型槳式混料造粒機(jī)[6]。該機(jī)主要用于聚合物基復(fù)合材料配方研究的混料，適合于混制纖維材料和顆粒材料，并能應(yīng)用于原材料造粒。

將混合均勻的造粒原料一次性放入造粒機(jī)中。選用水作為造粒劑，待水加熱至100℃，將量筒預(yù)熱，用量筒量取1000mL水，倒入手板式噴霧器中，將普通桿式溫度計(jì)插入，觀察其溫度降到70℃后，啟動(dòng)造粒機(jī)，先低速，從料液入口采用噴霧方式加水，待濕度達(dá)到50%左右，或從觀察口觀察其無灰塵時(shí)，將絞刀和筒體速度調(diào)至高速，間歇式反復(fù)調(diào)速，在絞刀和筒體高速反向旋轉(zhuǎn)下，約6min左右，粉體幾乎全部成粒時(shí)，撥開棘爪，旋轉(zhuǎn)調(diào)整手柄，電機(jī)及絞刀整體上升，再右旋筒體，將筒體與顆粒從造粒機(jī)中取下，如圖2所示。

圖2 物料顆粒

3.3 顆粒后處理

從造粒機(jī)中取出的顆粒相對濕度較大、強(qiáng)度較低、顆粒形狀不一、粒徑不同，要想完好的保持顆粒形狀，將顆粒按粒徑分選開，就需要對顆粒進(jìn)行熱處理、分級分選。

3.3.1 熱處理

采用熱處理箱進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝為室溫升至100℃，升溫40min，保溫1h，再升至160℃，升溫2h，保溫3h。將顆粒用接料盤盛裝放入熱處理箱的中間層，打開鼓風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)程序。約經(jīng)過7h，完成熱處理過程。

3.3.2 分級分選

經(jīng)過熱處理后的顆粒，使用孔徑不同的標(biāo)準(zhǔn)篩對其進(jìn)行分級，共分五個(gè)等級：1±0.2mm、2±0.2mm、3±0.2mm、4±0.2mm，分別見圖3至圖6。

圖3 粒徑為1±0.2mm的顆粒體

圖4 粒徑為2±0.2mm的顆粒體

圖5 粒徑為3±0.2mm的顆粒體

圖6 粒徑為4±0.2mm的顆粒體

3.4 試樣制備

以顆粒配比優(yōu)化試驗(yàn)研究結(jié)果[7]，本文選取粒徑為3±0.2mm的顆粒體(如圖5)為制備試樣的顆粒料。以鋼纖維和芳綸纖維按一定比例混雜為增強(qiáng)纖維，外加酚醛樹脂粘結(jié)劑和一些功能性填料，采用摩擦材料一次裝料熱壓成型的定比壓熱壓法[8]，再經(jīng)過試樣后處理，制備3組尺寸約25mm×25mm×5mm制動(dòng)襯片。不加顆粒料直接壓制的試樣稱為粉體試樣，選70%母體配方，30%顆粒直徑為3mm的顆粒料制備的試樣稱為造粒試樣。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 浸漬液密度的計(jì)算

將處于室溫下的浸漬液注入量筒中，并測量其質(zhì)量，計(jì)算浸漬液的密度，分三次測量取平均值。浸漬液密度測量及計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 浸漬液密度測量計(jì)算結(jié)果

4.2 顯氣孔率的計(jì)算

根據(jù)式(1)和式(2)及測量結(jié)果，得出顯氣孔率測量及計(jì)算結(jié)果如表3所示。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用造粒技術(shù)，通過對相同材料組分、相同生產(chǎn)工藝制備的制動(dòng)襯片試樣做對比試驗(yàn)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，針對所選配方得出如下結(jié)論：應(yīng)用造粒技術(shù)后，制動(dòng)襯片的顯氣孔率提高近3倍，在熱壓過程中，使制品排氣較容易、有效減小了熱壓模腔容積、縮短了熱壓時(shí)間、提高了生產(chǎn)效率、降低了制品的固有頻率，并可減小制動(dòng)噪音發(fā)生的可能性。

[1]FRIEDRICH K, LU Z, HAGER A M. Overview on polymer composites for friction and wear application[J]. Theoreticaland Applied Mechanics, 1993(19):1-11.

[2]王鐵山.歐洲摩擦材料先進(jìn)技術(shù)的特征[J].摩擦密封材料,2002(2):1-3.

[3]YANG T L, CHIANG D M, CHEN R S, Development of a novel porous laminated composite material for high sound absorption JVC[J].Journal of Vibration and Control, 2001, 7(5): 675-698.

[4]任文堂,趙儉,李孝寬.工業(yè)噪音和振動(dòng)控制技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1986.

[5]中國汽車技術(shù)研究中心.汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編(第4卷)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[6]王振玉,宋黎,王鐵山.摩擦材料混料造粒一體機(jī)的研制[J].非金屬礦,2010,33(3):66-76.

[7]王振玉,王英,王鐵山.基于造粒技術(shù)的制動(dòng)襯片顆粒配比優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2008(4):28-32.

[8]王鐵山,笪光艷.我國摩擦材料設(shè)備的技術(shù)與市場定位[J].非金屬礦,2002,25(2):21-57.