复合摩擦材料配方的优化设计

疏　达，王建彬，陶　峰，钟相强

（1.安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000；2.先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽 芜湖 241000 ）

复合摩擦材料配方的优化设计

疏达1，2，王建彬1，2，陶峰1，钟相强1，2

（1.安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000；2.先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽 芜湖 241000 ）

利用正交试验的方法对复合摩擦材料的纳米改性树脂、铜丝、锦纶纤维、玻璃纤维进行了配方的优化设计。利用模糊综合评分的方法，将多目标问题简化为单目标问题，并考虑了高温与低温条件下权重的影响。利用极差分析法，找出了四种因素中对摩擦磨损性能影响最大的因素。

正交试验；配方；复合摩擦材料；综合评分

1.引言

复合摩擦材料的组分较多，各组分对摩擦材料性能的影响不同，因此选择合理的配方组成，对提高复合摩擦材料的摩擦磨损性能具有重要的工程意义［1］。传统的试验方法主要通过改变各组份的不同配比，依靠工程人员的主观经验，凭借“试凑法”观察摩擦材料的摩擦性能，从而获得较为满意的配方。该方法的主要缺点表现为工作量大、偶然性大、实验周期长、工艺条件的随机性较大，因此研究成本也较高，对人力和物力资源会造成极大的浪费。

正交试验设计是一种适用于多因素、多水平的试验方法，该方法从所有的试验中有代表地挑选典型的试验点进行试验，这些试验点的主要特性为“均匀分散”和“整齐可比”［2］。正交试验设计是部分因子设计的主要方法，主要利用概率论、数理统计为理论基础，结合实际生产经验，利用标准化正交表设计试验，最后对试验结果进行计算分析，从而得到最终的优化方案［3］。该试验方法具有较高的生产效率，在工各行业的生产以及科研方面应用广泛。

本文主要考虑了复合摩擦摩擦材料中铜丝、锦纶纤维、玻璃纤维及纳米改性树脂四个因素的含量对摩擦性能的影响，采用正交试验的方法设计了试验。通过试验得出了各组分对摩擦材料性能大小的影响，并获得了较优的试验配方。

2.正交试验设计及方法

2.1.正交试验设计

如表 1所示，分别选取纳米改性树脂、铜丝、锦纶纤维和玻璃纤维为试验的四个主要因素，代号依次为A、B、C和D，每个因素分别取三个水平。为方便计，铜丝、锦纶纤维和玻璃纤维分别用股数计算，纳米改性树脂按照质量百分比计算。

依据正交试验的使用要求，使用 L9（43）来安排试验，如表2所示。由表2可知，本次试验需要制备 9个试样。按照复合摩擦材料带的生产步骤，使用铜丝、玻璃、锦纶等复合纤维按照表 2的试验安排捻纺成粗线，在编织机上编织成为复合摩擦材料白板带，再将白板带按照表 2试验要求在纳米改性树脂溶液中浸渍、沥干、低温烘烤、挤压整形，在120℃～160℃以内分级升温固化成型［4］。将最终的产品经过切割、打磨，制备 9对尺寸大小为的摩擦试样供摩擦磨损的实验使用。

表1　正交试验因素水平表

2.2.试验方法将复合摩擦材料试样在型号为DMS-1的摩擦磨损实验机上进行试验，测试的标准按照GB /T 11834 -2000执行。其中摩擦盘采用HT250灰铸铁（珠光体含量＞ 95 %），其余试验参数为：摩擦盘转速为400～500r/min，压力为0.98MPa/片。本次试验中主要考察了摩擦试样在150℃和300℃条件下升温摩擦系数和磨损率。

3.试验结果与讨论

根据表2的试验方案进行试验，9种试验方案依次为A1B1C1D1、A1B2C2D2、A1B3C3D3、A2B1C2D3、A2B2C3D1、A2B3C1D2、A3B1C3D2、A3B2C1D3、A3B3C2D1，其试验结果如表 2所示。该试验的考察指标有四个，属于典型的多因素多目标试验。在复合材料的摩擦磨损性能中，考虑摩擦系数越大，制动效果越好，而磨损率越小，产品的使用寿命则越长。除此以外，在复合摩擦材料的摩擦磨损性能中，工程师们更关注的是高温条件下摩擦材料体现出的摩擦磨损性能。基于以上所有需要考虑的因素，利用模糊数学的思想和加权综合评分的方法将多目标问题转化成单目标问题［5，6］。各试验指标的评分标准定义为：摩擦系数（µ）越大，得分越高，最高的为10分，最小的为2分。磨损率（ω）越小，得分越高，最高的也为10分，最小的为2分。高温条件下（300℃）的得分权重值定义为70%，低温条件下（150℃）的得分权重指定义为 30%，则加权评分的数值计算公式为：

上式中iM 表示第i次试验的综合得分，1 iM 为150℃条件下的得分，2iM为300℃条件下的得分。a、b分别为150℃和300℃条件下分配的权重系数，依次为30%和70%。按照上述定义，最终的综合评分如表3所示。

表2　正交试验安排与试验结果

表3　综合评分表

由表 3的评分表可以看出，S8的试验方案A3B2C1D3的得分最高，为15分，是当前试验中所有配方中最好的。为了试图找出更好的水平搭配方案，还需对试验的结果进行直观的分析。直观分析如表4所示。其中Kij（i=1，2，3；j=A，B，C，D）表示第i水平第 j因素的综合评分之和；而其平均值 Wij= Kij/3列于W行。各次试验的平均值的极差R=max ｛Wij｝-min｛Wij｝，其计算值列于R行。由极差分析可以看出，在所考察的四个因素中，纳米改性树脂对复合摩擦材料的影响是最大的。树脂在复合摩擦材料主要是起到粘结的作用，其磨损机制随着温度的变化而不同。一般认为在低温时是以粘着和磨粒磨损为主，高温时是以疲劳氧化磨损为主［4，7］。通常情况下，无机物在聚合物体系中与高聚物形成化学键合界面，在外界施加的应力或者高温的条件下，界面形成微观的银纹，银纹在扩充为宏观裂纹时需要吸收更多的能量。而纳米改性树脂使得树脂和各组份之间的界面结合能增加，一定程度上减缓了银纹的扩展，提高了复合材料的摩擦磨损性能［8］。综合分析可知四个因素对摩擦磨损性能的影响大小依次为：A＞D＞B＞C。

将四个因素的得分绘制成四因素的性能关系图，如图1所示。图1中的横坐标为因素的水平，纵坐标为综合得分平均值。由图可知，随着纳米改性树脂的含量的增加，整体的性能先下降然后上升；随着铜丝和锦纶含量的提高，摩擦磨损性能一直上升，这说明还要做相应的试验，提高这两者的含量。玻璃纤维体现出了与纳米改性树脂相同的趋势。综合起来考虑，所选的配方应该是A3B3C3D3。

表4　直观分析表

图1　因素与指标关系图

4.试验验证

为了考察优化后的配方是否较好，要对试验的结果进行检验。按照上述得出的最优方案A3B3C3D3，即改性树脂为60%，铜丝5股，锦纶3股，玻璃纤维6股进行了试验工作，试验的结果如表5所示。由表5可以看出，A3B3C3D3在高温下的摩擦磨损性能略有提高，证明了上述优化达到了一定的效果。

表5　两种较优试验对比表

5.结论

利用正交试验的方法安排了纳米改性树脂摩擦材料配方的优化设计，利用模糊综合评分的方法将多目标问题转化成了单目标问题。通过对试验结果的分析，得出了各因素的最优组份含量。结果表明，纳米改性树脂对摩擦材料高温下的摩擦磨损性能影响最为重要，其含量达到60%时摩擦磨损性能最好。

［1］汤希庆，司万宝，王铁山.摩擦材料实用生产技术［M］.北京：中国摩擦密封材料学会，1982.

［2］方开泰，马长兴.正交与均匀试验设计［M］.北京：科学出版社，2001.

［3］刘瑞江，张业旺等.正交试验设计和分析方法研究［J］.实验设计与管理，2010，27（9）：52-55.

［4］周元康，戴圣海，王满力.酚醛树脂的SiO2纳米复合对摩擦材料性能的影响［J］.润滑与密封，2006，8（180）：61-64.

［5］疏达，赵雪松，孙际超.基于正交试验法优化电火花线切割加工参数的研究［J］.安徽工程科技学院学报，2010，25（3）：38-41.

［6］彭祖赠，孙温玉.模糊数学及其应用［M］.武汉：武汉大学出版社，1999.

［7］盛刚.制动摩擦材料研究的现状与发展［J］.西安工业学院学报，2000，20（5）：130-131.

［8］周元康，张大斌，曾立宏.坡缕石纳米/酚醛树脂的制备及其摩擦材料的性能［J］.润滑与密封，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

（责任编辑 徐松金）（责任校对 毛志）（英文编辑 田兴斌）

2014-07-09

本文系安徽省自然科学基金“酚醛树脂基复合摩擦材料的纳米坡缕石改性及摩擦磨损机理研究”（KJ2013B032）成果。

疏达（1978-），男，安徽安庆人，讲师，博士研究生，研究方向：摩擦学。