矿用长寿命高摩擦酚醛树脂基摩擦片的研制及其摩擦机理研究

The friction plate is the important part of mine transport equipment. Recently, the friction plates have questions of short lifetime, low braking torque, etc. under high load and speed, resulting in serious mining accidents. And therefore the study of fabrication and tribological mechanism for new resin matrix friction plate with high wear resistance and friction coefficient has significance. On this purpose, we will adjust the modified phenolic resin matrix, strengthening component, lubricating component and friction component in the matrix in order to improve the wear resistance and friction coefficient, and fabricated using a hot-pressed sintering technology and heat treatment. The optimal processing condition and formula system will be confirmed. In order to clarify the relationship of microstructure, tribological properties and mechanism, the effect of component, processing condition, applied load, speed and temperature on the wear resistance, friction coefficient and temperature rise of friction plate are investigated, and the wear mechanism and effective braking mechanism are analyzed. The theoretical methods of friction plate with excellent wear resistance and high friction coefficient will be illuminated. The BP neural networks model is established to predict and verify the relationship of components, processing condition and tribological properties, and optimizes the model using the obtained experimental data. This work can provide a theoretical basis for the design and application of new modified phenolic resin matrix friction plate in our country.

摩擦片是煤炭输运装备速度调控的重要部件。目前在重载、高速制动条件下摩擦片存在寿命短、制动力矩不足等问题，易引发严重的矿难事故。因此，研制具有高耐磨性和摩擦系数的摩擦片及对其摩擦机理的研究具有重要意义。本项目将采用热压烧结和热处理技术，选用耐高温的改性酚醛树脂作为基体添加不同的强化、润滑和摩擦组元，确定摩擦片的最佳配方体系与工艺条件，研制出具有高耐磨性和摩擦系数的矿用改性酚醛树脂基摩擦片；研究成分、工艺参数、载荷、速度和温度等对摩擦片抗磨损性能、摩擦系数和温升的影响；探索分析摩擦片的摩擦磨损和高效制动机理；揭示摩擦片结构、性能与机理的内在关系；阐明改进摩擦片抗磨损性能和摩擦系数的理论方法；建立能有效预测和验证摩擦片成分、工艺、实验条件等因素与摩擦学性能关系的BP神经网络模型，并利用所得的实验数据进行网络模型优化。本项目的研究结果将为我国新型改性酚醛树脂基摩擦片的设计和应用提供理论依据。

摩擦片是煤炭输运装备速度调控的重要部件。目前在重载、高速制动条件下摩擦片存在寿命短、制动力矩不足等问题，易引发严重的矿难事故。因此，研制具有高耐磨性和稳定摩擦系数的矿用摩擦片具有重大意义。本项目采用热压烧结技术，以酚醛树脂为基体，添加不同的强化组元、润滑组元和摩擦组元研制矿用长寿命高摩擦的摩擦片材料同时研究其摩擦机理。利用软件Solidworks和ANSYS Workbench建立鼓式制动器三维实体模型和有限元分析模型，发现应力主要集中在制动轮上，应变主要集中在摩擦片上，高温区主要集中在摩擦片表面靠近边缘处。选择不同的改性酚醛树脂作为粘结剂制备摩擦片，研究发现腰果壳油改性酚醛树脂具有更加优异的抗高温和耐磨性能，并且对其含量进行优化，确定出了其最佳的配比含量，摩擦片中作为粘结剂的酚醛树脂最合理的范围为25-30vol.%。对提高摩擦片摩擦系数和磨损率的增摩相如Al2O3、SiC等分别进行了考察，对其含量和颗粒尺寸（微米级和纳米级）优化，得出纳米级的陶瓷颗粒具备最优异的强化效果，对摩擦片的不同配方其最佳含量会出现小的浮动。纤维是强化摩擦片力学性能的重要组分，为增强其防爆性能，本研究只考察了非金属类的纤维。选定陶瓷纤维、碳纤维、矿物纤维、芳纶纤维作为增强组元，采用L9(34)正交试验表进行正交优化设计，通过信噪比分析、方差分析，确定出因子的主次影响，确定增强纤维配比的最佳配比，并通过了大量实验验证。固体润滑剂方面着重研究了目前使用交广的石墨、BN-h、MoS2和Sb2S3，在考虑到摩擦系数与磨损的条件下，石墨是最佳的固体润滑剂。同时针对不同配方的摩擦片研究了成分、工艺参数、载荷、速度等对摩擦片制动性能的影响；总结出摩擦片的摩擦磨损和高效制动机理。基于大量的实测实验数据建立数据库，构建了能预测酚醛树脂基摩擦片的摩擦系数，磨损率和制动温度的BP神经网络预测模型。本项目的研究结果将为我国新型防爆型酚醛树脂基摩擦片的设计和应用提供理论依据。