一种构建铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及离合器用摩擦材料技术领域，特别提供一种构建铜基粉末冶金湿式摩 擦材料三维磨损图的方法。
【背景技术】
[0002] 随着船舶、军用车辆和工程机械等重型机械工作载荷和转动速度的不断增大，离 合器承受的热负荷越来越大，为了保证离合器在高能重载摩擦工况下的工作稳定性和可靠 性，对离合器用摩擦材料的耐磨性、使用寿命及安全可靠性提出了更高的挑战。由于铜基粉 末冶金湿式摩擦材料具有稳定的摩擦因数、高导热性、高耐磨性以及能承受较大的扭矩等 优良性能而广泛应用于高能重载湿式离合器。
[0003] 为了实现离合器用铜基粉末冶金湿式摩擦材料在各种复杂工况下（尤其在高能 重载摩擦工况下）磨损量的可预测性，以预判其使用寿命，从而保证其工作运行的安全性 和可靠性，需对摩擦材料在不同工况条件下各种影响磨损量的主要因素及其对磨损量的作 用规律进行系统研宄。
[0004] 在离合器用铜基粉末冶金湿式摩擦材料的实际应用中，影响材料磨损量的因素较 多（如速度、载荷、温度、润滑状况等），但对材料磨损量影响较大，且能够直接进行量化处 理，易于在实际工程应用中控制的影响因素，只有速度和载荷这两个主要变量。因而，需着 重研宄速度和载荷对材料磨损量的影响规律。
[0005] 磨损图作为一种可直观、全面的展现摩擦学系统在不同工况条件下磨损量的变化 趋势及磨损机制转变等摩擦学特征的研宄方法，将成为研宄铜基粉末冶金湿式摩擦材料在 摩擦制动过程中磨损量随其主要影响因素变化规律的重要方法。由于摩擦学系统具有高度 复杂性，人们对材料磨损图的研宄主要集中于传统的二维磨损图，但二维磨损图无法满足 铜基粉末冶金湿式摩擦材料的使用要求及理论需要，必需开展三维磨损图的研宄。除此在 外，由于要构建摩擦材料的磨损图，必须提供材料在不同工况条件下的大量原始数据。目 前，国内外关于磨损图原始数据的获得，主要通过简单的试件试验，该类试验一般是使用与 原件相同材料制备的小尺寸、简单结构试样，在通用试验机上（如：环-块式、销-盘式等 定速试验机）进行试验。虽然试件试验可低成本且快速获得材料的磨损数据，但其不能充 分模拟离合器摩擦副的实际工作情况，所获得的原始磨损数据通常与实际数据差距过大， 进而导致数据失效。为了弥补试件试验存在数据失效的缺陷，人们开发出了 1:1台架试验； 1:1台架试验是目前最接近离合器摩擦副实际使用工况的试验，但该试验周期长，成本高 昂，不适合进行大量原始磨损数据的采集。所以1:1台架试验一般用来进行验证试验。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有二维磨损图以及其原始数据获取存在的不足之处，提供一种构建 铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法。
[0007] 本发明一种构建铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法，包括下述步骤：
[0008]步骤一
[0009] 取铜基粉末冶金湿式摩擦材料，依据相似性原理，根据实际试环的形状和尺寸，将 摩擦材料按缩比常数加工成缩比试环；为能够较好模拟实际试环摩擦过程中等速等压状 态，所述缩比试环摩擦材料的带径比与实际试环相同，且材质与实际试环的材质一致；所述 缩比常数包括缩比试环与实际试环的中径缩比Cg、承受热负荷体积缩比Cv，所述缩比常数 的取值范围为〇.1-0. 5,优选Cg为0. 13,优选Cv为0. 1 ;
[0010] 步骤二
[0011] 将步骤一所得缩比试环置于盘对盘式摩擦制动试验机上，采用相似性原理进行实 验；实验时，控制缩比试环的初速度U、载荷P及能量密度与实际工况中相应参数的数值相 同；得到一系列不同制动初速度和载荷下线性磨损量W'的原始数据；
[0012] 步骤三
[0013] 用MATLAB软件对所有原始数据进行插值处理后，构建以初速度u、载荷P和磨损 量W为坐标参量的铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图，并得到某一线速度或载荷下磨 损量随载荷或速度变化的二维磨损图及某一线速度、载荷下的磨损量值；所述磨损量W是 通过下述公式计算得出的：
[0014] W=r?An/Q(式1)
[0015]式1中，
[0016] W'为线性磨损量；
[0017] An为摩擦试环受摩擦的面积；
[0018] Q为制动能量。
[0019] 本发明一种构建铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法，所述缩比试环的 线速度为摩擦试环中径处制动初速度；即：
[0020] u= 〇?r= 23inr(式 2)
[0021] 式2中，《为角速度；n为转速；r为缩比试环的中经。
[0022] 本发明提供一种构建铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法，所述载荷为 无量纲载荷P;其计算方法为：
[0023] P=PV〇s (式3)
[0024] 式3中〇s为摩擦试环的抗压强度，P'为摩擦试环摩擦表面的载荷；所述P'=F/ An，其中F为加载力，An为摩擦试环受摩擦的面积。由于摩擦试环摩擦表面的载荷P'和抗 压强度〇 3会同时影响摩擦过程中两表面的接合情况和实际接合面积，因此，在本发明需要 定义摩擦表面的载荷与试样材料的抗压强度的比值为无量纲载荷P。
[0025] 本发明提出一种构建铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法，为了保证在 不同试验机不同尺寸试样下磨损量的同一性，定义单位摩擦次数上的体积磨损量W'An(W' 为线性磨损量，An为摩擦试环受摩擦的面积）与制动能量Q的比值为材料的磨损量W:
[0026] W=r?An/Q(式1)
[0027]本发明提供一种构建铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法，为保证本发 明所用缩比试验能够高度模拟离合器摩擦副的实际工作情况，需进行可靠的相似性原理设 计。相似原理中，单值条件相似很重要，所谓单值条件是指能将一个个别现象从同类现象中 区分开来的条件，包括几何条件、介质条件、边界条件。
[0028] 在本发明中，所述几何条件为研宄对象的试样几何形状和大小，在本发明中所述 缩比试环摩擦材料的带径比与实际试环相同；所述缩比常数包括缩比试环与实际试环的中 径缩比Cg、承受热负荷体积缩比Cv，所述缩比常数的取值范围为0. 1-0. 5,优选Cg为0. 13， 优选Cv为0. 1。
[0029] 本发明中所述介质条件是缩比试环摩擦材料材质及物理性质与实际试环的相一 致，所述由缩比试环所构成摩擦副的介质条件必须和实际工况一致。
[0030] 本发明中所述由缩比试环所构成摩擦副的边界条件为试验的边界条件，如摩擦试 验中摩擦副的滑动速度与接触载荷等，所述由缩比试环所构成摩擦副的边界条件必须和实 际工况一致。
[0031] 本发明提供一种构建铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法，所用缩 比试环的尺寸优选为?67X61mm;对偶试环的尺寸为?75X53mm，对偶试环的材质为 30CrMnSiVA钢。
[0032] 本发明提供一种构建铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图的方法，步骤三中， 用MATLAB软件对所有原始数据进行插值处理后，将数据导入磨损分析程序中，构建以初速 度u、载荷P和磨损量W为坐标参量的铜基粉末冶金湿式摩擦材料三维磨损图，并得到某 一线速度或载荷下磨损量随载荷或速度变化的二维磨损图及某一线速度、载荷下的磨损量 值。
[0033] 所述磨损分析程序的核心源代码为：
[0034]clc；
[0035]clearall；
[0036]closeall；
[0037]loadI.txt
[0038]load2.txt
[0039]load12.txt
[0040]v=Xl；
[0041] p = X2 ;
[0042] U = X12'；
[0043] [VI,PI] =meshgrid(0:0. 01:0. 48559404338, 0:1:80)；
[0044] UI = interp2 (v，p，U，VI，PI，' cubic'）；
[0045] Surf(VIjPIjUI)；
[0046] xlabel('P'，'fontsize'，10);ylabel('v(m/s)'，'fontsize'，10); zlabel('W(mnT3/J) '，'fontsize'，10);
[0047]set(gca, 'YDir' , 'reverse')
[0048]%legend('wearingcapacity')
[0049]%holdon；
[0050] 原理和优势
[0051] 本发明为模拟离合器用铜基粉末冶金湿式摩檫材料的实际工作方式，依据相似性 原理，本发明提出将摩檫材料加工成相应的窄带，于盘对盘式摩檫制动试验机上收集相关 构建磨损图所需原始数据。
[0052] 在摩擦学研宄中，缩比常数以0. 1-0. 5较合适，在保证缩比试环摩擦材料的带径 比与实际试环相同的前提条件下，为节省材料，减少加工量，降低对摩擦试验机的要求，倾 向于选择较小的缩比常数，因而，本发明优选中径缩比Cg为0. 13和承受热负荷体积缩比Cv 为0. 1，在保证磨损数据有效的情况下，获得较小尺寸的缩比试环，降低试验成本。
[0053] 为构建摩擦材料的三维磨损图，需获得大量的原始数据，这就要求进行大量的摩