風電用新型樹脂基復合材料摩擦片實驗研究

郭振興， 梁志偉

（河南和實科技有限公司，鄭州450000）

0 引言

科學技術的發展、化石燃料的局限、環境保護意識的提高迫切促使我們尋找一種新型綠色能源[1]，風能具有可再生、環保、潔凈、取之不盡用之不竭的特點，它的應用能夠增加能源供應、改善能源結構，并且在保護生態環境和構建和諧社會等方面也可以起到重要作用[2]，符合未來的發展方向。近年來，在國際風電產業不斷發展以及國家相關發展政策支持的背景下，我國的風電產業也取得了長足的進步，裝機容量現已居全球首位，同時也是世界風力發電機組制動器部件的出口大國[3-4]。

液壓制動器是風力發電機組中用于機械制動的一個關鍵部件[5]，它不僅是安全控制中最重要的保護裝置，同時也是其他保護裝置功能得以實現的物理基礎，關系著整個風機的安全[6-7]。制動片作為風力發電機組中一個重要的組成零件[8]，其摩擦性能決定了制動器的服役狀況，也是制約風機運行的關鍵因素。由于風電制動器具有制動時間短、夾緊力大等特點[9]，因此對風電制動片的要求非常高。風電制動片的摩擦材料不僅要有良好的力學性能，還應有高的摩擦因數與低的磨損率[10]。當前國內風電摩擦材料主要以銅基為主，該材料中硬質點使用偏多，雖然硬度、耐磨性能達到使用要求，但是對制動盤會造成很大的損傷[11]，風力發電機組偏航時還會發出刺耳的噪聲，可達110 dB或者更高，風電機組甚至還因低頻抖動而報警，隨之停止運行發電，嚴重影響風力發電的安全性與工作效率[12]。本文介紹了一種新型樹脂基復合材料摩擦片，并通過試驗測定了該摩擦片的各項性能，結果表明該摩擦片可以有效克服上述缺陷，從而改善制動器的工作狀況，保證風機正常、安全地運行。1 樹脂基摩擦材料

樹脂基摩擦材料是以有機聚合物為基體的纖維增強材料，采用樹脂作為黏結劑，根據主體摩擦組元的不同，樹脂基摩擦材料可分為石棉摩擦材料、無石棉摩擦材料、紙基摩擦材料和碳基摩擦材料等[13]。

樹脂基摩擦材料一般由四個基本部分組成，即黏結劑、增強材料、填料和摩擦性能調節劑。黏結劑主要用來黏結各種成分，使其構成一個穩定基體，在摩擦磨損性能中發揮著重要作用，目前普遍采用性能優良的酚醛樹脂和丁腈橡膠作為黏結劑[14-17]。增強材料起著骨架的作用，一般采用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維或者芳綸等，它可以提高樹脂基摩擦材料的力學強度，使其能夠承受制動時所產生的剪切力及沖擊力等，從而避免發生破裂[18]。填料可降低成本、改善加工性能和提高耐磨性能，通常采用硫酸鋇、六鈦酸鉀晶須、云母、硅灰石和長石粉等[19]。摩擦性能調節劑是具有特殊功能的填料，用量很少，但可以穩定摩擦因數、減少制動盤和摩擦片的磨損。

樹脂基摩擦材料摩擦因數較高，傳動和制動效果比較明顯[20]，此外它還具有磨損性能優良、制備工藝簡單、性能可設計性強和成本低等優點，當改變原材料的配方和制備工藝時，其物理力學性能和摩擦磨損性能會在一定范圍內調整[21]。由于其獨特的特點，樹脂基摩擦材料廣泛用于汽車制動、建筑以及其他工程機械領域[22]。

2 實驗

2.1 力學性能

在實驗室環境下，依據國家相關標準，對新型樹脂基復合材料各項力學性能進行試驗驗證，試驗結果如表1所示。

表1 樹脂基復合材料力學性能

從表1試驗結果可以看出，樹脂基復合材料具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好等力學特點，能夠滿足風機工作時對摩擦片的強度要求。

2.2 不同壓強下摩擦性能

1）試驗條件。取12片樹脂基復合材料摩擦片安裝于2臺HDAB120偏航制動器，采用FZM-1800偏航系統仿真測試平臺進行試驗，試驗條件見表2。

2）試驗過程及結果。將樹脂基復合材料摩擦片分別在壓強為30、50、70、100 MPa的工況下和壓強70 MPa下分別淋水、涂油的工況下，以13.74 mm/s速度進行試驗，每階段試驗臺運行3 km。淋水工況下，摩擦盤灑滿水后開始試驗，運行過程中每小時添加一次水；涂油工況下，摩擦盤表面涂滿一層油脂后開始試驗，運行過程中每2 h添加一次油脂。試驗結果如表3、圖1所示。

表2 樹脂基復合材料摩擦片壓強試驗條件

表3 樹脂基復合材料摩擦片壓強試驗結果

試驗過程中運行較平穩，摩擦因數、磨損率隨壓強增大略有變動，但幅度不大，在涂油工況下摩擦因數、磨損率均有所降低。噪聲、溫升、振動情況均表現良好，符合要求。

圖1 各項目壓力試驗變化情況

2.3 低溫下摩擦性能

1）試驗條件。取4片樹脂基復合材料摩擦片安裝于HDAB90偏航制動器，采用FDPH-1偏航系統仿真測試平臺進行試驗，試驗條件如表4所示。

2）試驗過程及結果。將樹脂基復合材料摩擦片在壓強70 MPa下分別在環境溫度為-10℃、-20℃、-30℃及-20℃結冰狀態下，以13.74 mm/s速度進行試驗，每階

表4 樹脂基復合材料摩擦片低溫試驗條件

段試驗臺運行500 m。試驗結果如表5、圖2所示。

表5 樹脂基復合材料低溫試驗結果

圖2 摩擦因數與磨損率低溫試驗變化情況

低溫下，樹脂基復合材料摩擦片磨損率高于常溫，摩擦因數基本保持一致。

2.4 動態/靜態摩擦性能

1）試驗條件。取兩片外觀良好的樹脂基復合材料摩擦片安裝于SYTJ-3偏航試驗機進行動態/靜態摩擦性能試驗，試驗條件如表6所示。

2）試樣過程及結果。設定線速度13.74 mm/s，調節油壓，分別在系統壓力4、8、10、12、14、16 MPa時進行動態試驗，每階段運行10 min，并在前后各進行靜態試驗，保存數據，試驗后的摩擦材料如圖3所示，試驗得到動態/靜態摩擦因數隨壓力變化情況分別如表7、圖4所示。

表6 樹脂基復合材料動態/靜態摩擦性能試驗條件

在進行動態試驗時，在加壓到8 MPa時，運行過程中出現噪聲，并隨壓力增大而逐漸加劇，但相對于常規摩擦材料而言，噪聲要小得多。

圖3 試驗后摩擦材料照片

從試驗結果可以發現，樹脂基復合材料摩擦片靜態試驗時摩擦因數大于動態試驗摩擦因數，但差距并不大。另外，兩種試驗條件下，摩擦因數均隨壓力變化而波動，變化幅度很小，從而可以保證摩擦片工作時制動力的穩定性。

表7 樹脂基復合材料動態/靜態摩擦性能試驗結果

圖4 摩擦因數隨油壓變化情況

3 結論

1）新型樹脂基復合材料強度高、力學性能優越，制動效果好，功能上能夠很好地替代現有常規摩擦材料；2）在低溫或高達100 MPa壓強的作用下，新型樹脂基復合材料摩擦片都能保持正常工作狀態，且摩擦因數不隨溫度降低及壓強增大發生大幅波動，依然能夠保持一定的穩定性，但低溫下摩擦片磨損率稍大于常溫；3）除摩擦因數與磨損率具有穩定性外，新型樹脂基復合材料摩擦片在控制噪聲、溫升情況及振動等方面性能也很出色，能夠滿足當前乃至未來對風電機組摩擦片的要求，應用前景廣闊。