制動(dòng)器研究報(bào)告-現(xiàn)代制動(dòng)用剎車材料應(yīng)用研究概況及前景展望_投資策略_分析預(yù)測(cè)_制動(dòng)器市場(chǎng)調(diào)研

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2010-2015年盾構(gòu)機(jī)行業(yè)發(fā)展前景分析及投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)

21世紀(jì)以來，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到了前所未有的高速發(fā)展。地鐵作為城市交通設(shè)施中的一個(gè)重要組成部

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在現(xiàn)代摩擦學(xué)的研究中,摩擦材料是指積極利用其摩擦特性,以提高摩擦磨損性能為目的,用于摩擦離合器與摩擦制動(dòng)器的摩擦部分,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞、阻斷,運(yùn)動(dòng)物體的減速、停止等行為所用的材料。在描述術(shù)語中,通常將使用在制動(dòng)器中的摩擦材料稱為剎車材料,如汽車剎車材料、火車剎車材料及航空剎車材料等。

制動(dòng)器是使運(yùn)動(dòng)中的機(jī)構(gòu)或機(jī)器迅速減速、停止并保持停止?fàn)顟B(tài)的裝置;有時(shí)也用于調(diào)節(jié)或限制機(jī)構(gòu)或機(jī)器的運(yùn)動(dòng)速度。通常而言,應(yīng)用于制動(dòng)的剎車材料,其主要功能是通過摩擦,將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿崃课栈蛏l(fā)掉,從而逐步降低剎車材料所在部件和被它貼合部件(剎車材料所在部件和被它貼合部件構(gòu)成摩擦副,全部摩擦副構(gòu)成剎車副總體)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,直至停止運(yùn)動(dòng),達(dá)到制動(dòng)目的,其工作過程在力學(xué)上可簡(jiǎn)化為圖1所示模型。

圖1剎車材料工作模型

制動(dòng)過程可以簡(jiǎn)單描述為通過對(duì)剎車材料部件施加壓力p使之與對(duì)偶材料部件貼合從而使主動(dòng)件轉(zhuǎn)速降至0。在此過程中,假定Tf和Tr均為常數(shù),為了達(dá)到制動(dòng)目的,制動(dòng)力矩Tf除了應(yīng)能克服主動(dòng)件的慣性阻力矩Tr以外,還應(yīng)提供一減速力矩ΔT以克服主動(dòng)件的慣性力矩,ΔT=Tf-Tr。制動(dòng)初期,由于制動(dòng)器的接合力矩不足以克服主動(dòng)件的阻力矩,因而在這段時(shí)間內(nèi)主動(dòng)件仍保持原速,當(dāng)Tf=Tr時(shí),主動(dòng)件開始減速,并經(jīng)過時(shí)間(t2-t1),速度逐漸降低為0。制動(dòng)器所產(chǎn)生的摩擦力矩應(yīng)等于或大于制動(dòng)力矩,其大小取決于剎車副材料的摩擦因數(shù)、制動(dòng)壓力、幾何形狀與尺寸等。

要使剎車副完成上述制動(dòng)過程,理想的剎車材料應(yīng)具有以下性能:足夠而穩(wěn)定的摩擦因數(shù);高的導(dǎo)熱性與耐熱性;高的耐磨性;良好的耐油、濕和腐蝕能力;足夠的強(qiáng)度;在和被貼合的部件進(jìn)行摩擦接觸時(shí)產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生噪聲;在工作中不發(fā)生黏結(jié)或咬合;原材料來源充裕,價(jià)格性能比高,具有良好的工藝性能等。

要完全滿足上述各點(diǎn)要求是困難的,但應(yīng)依據(jù)工況條件,基本滿足所需的摩擦因數(shù)及其在摩擦制動(dòng)過程中允許的變化范圍和剎車副預(yù)定壽命。

1剎車材料的分類及發(fā)展

剎車材料的分類方法主要有兩種,一種是以使用機(jī)構(gòu)來劃分,如汽車剎車材料、火車剎車材料和航空剎車材料等,該分類法簡(jiǎn)單且易理解,但存在材料的交叉;一種是根據(jù)材料材質(zhì)類型來劃分,這種分類方法較為科學(xué)�，F(xiàn)代制動(dòng)用剎車材料主要包括以下3大類:樹脂基剎車材料(石棉剎車材料、無石棉剎車材料、紙基剎車材料)、粉末冶金剎車材料、碳/碳復(fù)合剎車材料和陶瓷基剎車材料。

111樹脂基剎車材料

樹脂基剎車材料是指采用樹脂為黏結(jié)劑的剎車材料,根據(jù)其主體摩擦組元的種類不同,又包括石棉剎車材料、無石棉剎車材料、紙基剎車材料和碳基剎車材料等。石棉剎車材料是采用石棉纖維添加適量填料,以樹脂為黏結(jié)劑,采用熱壓工藝制成的剎車材料。無石棉剎車材料是采用其他纖維如金屬纖維、植物纖維和合成纖維等替代石棉材料制成的剎車材料。

而紙基剎車材料是以紙漿為基體,添加適量的填料,以樹脂為黏結(jié)劑,采用造紙和熱壓工藝制造而成。從上述定義可以看出,不同樹脂基剎車材料除基體組成不一致外,制造工藝基本相同,因此也決定其使用條件和性能具有相似性。

20世紀(jì)20—80年代,石棉在剎車材料領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。由于石棉是致癌物質(zhì),被禁止在剎車材料中使用而導(dǎo)致了無石棉剎車材料的出現(xiàn)[8]。同時(shí),石棉在400℃左右將失去結(jié)晶水,在550℃時(shí)全部失去結(jié)晶水,失去了增強(qiáng)效果,從而剎車材料的制動(dòng)性能不穩(wěn)定,出現(xiàn)明顯的衰退現(xiàn)象,無法滿足現(xiàn)代機(jī)械尤其是汽車的高速制動(dòng)需求,也催生了無石棉剎車材料。無石棉剎車材料是在20世紀(jì)70年代由美國(guó)本迪克斯公司研制發(fā)展起來的,無石棉剎車材料除了綠色環(huán)保外,且在制動(dòng)耐溫性、穩(wěn)定性方面獲得較大的提高。在替代石棉纖維的過程中發(fā)展了半金屬剎車材料(采用金屬纖維替代石棉纖維,金屬含量超過50%)、玻璃纖維增強(qiáng)剎車材料和芳綸纖維增強(qiáng)剎車材料等多種無石棉剎車材料,但到目前為止,尚缺乏一種比石棉綜合性價(jià)比高的增強(qiáng)纖維,因此,對(duì)于無石棉剎車材料的研制仍是剎車材料的研究熱點(diǎn)之一。

紙基剎車材料主要是因?yàn)榻栌昧嗽旒埞に嚩妹＜埢鶆x車材料主要應(yīng)用在重型機(jī)械的制動(dòng)器中,在摩托車等運(yùn)動(dòng)機(jī)械中也逐步獲得應(yīng)用。但紙基摩擦材料的主要應(yīng)用還是在高性能自動(dòng)變速離合器中,優(yōu)點(diǎn)是在低摩擦制動(dòng)要求條件下的成本較低,同時(shí),紙基剎車材料還具有基體柔軟,不傷對(duì)偶的特點(diǎn)。應(yīng)用在制動(dòng)器中的紙基剎車材料分量約只占紙基摩擦材料總產(chǎn)量的10%左右。紙基剎車材料的研究主要集中在黏結(jié)劑的選擇和摩擦組元、強(qiáng)化纖維的研究等方面。

112粉末冶金剎車材料

粉末冶金剎車材料以金屬粉末為基體,添加適量的潤(rùn)滑組元和摩擦組分,采用粉末冶金工藝制造而成[13-15]。粉末冶金剎車材料采用高溫?zé)Y(jié),促進(jìn)了剎車材料組元的冶金結(jié)合,使剎車材料的使用溫度得到大大提高,解決了樹脂基剎車材料的高溫摩擦因數(shù)低和磨損不穩(wěn)定的問題,使剎車裝置的設(shè)計(jì)和使用獲得了較大的延伸。粉末冶金剎車材料已廣泛應(yīng)用在航

空、船舶、高速列車、重載卡車、坦克以及其他高速高載荷運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)器中,并獲得了較大的市場(chǎng)份額。但是粉末冶金剎車材料價(jià)格高,制造工藝復(fù)雜,制動(dòng)噪聲大和對(duì)對(duì)偶材料磨損大等缺點(diǎn)又制約了它不能在汽車尤其是轎車制動(dòng)器上獲得廣泛應(yīng)用。對(duì)于粉末冶金剎車材料的研究工作,除了基本性能的研究外,主要集中在針對(duì)其缺點(diǎn)方面的研究和改進(jìn)工作。

113碳/碳復(fù)合剎車材料

碳/碳復(fù)合剎車材料是以碳纖維(或碳布)為基體采用反復(fù)致密化和碳化工藝獲得的高性能剎車材料[16-18]。碳/碳復(fù)合剎車材料最早是在20世紀(jì)70年代研制的,主要應(yīng)用于飛機(jī)剎車片。在高溫條件下由于其質(zhì)量輕、能載高、耐高溫能量強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),一經(jīng)出現(xiàn),便迅速得到推廣應(yīng)用。以飛機(jī)剎車為例:在波音747飛機(jī)上采用碳/碳復(fù)合剎車材料后,相對(duì)于金屬剎車而言,質(zhì)量下降81615kg;而熱庫(kù)是金屬剎車的3～5倍,在2000℃下材料強(qiáng)度不發(fā)生任何變化,3000℃以下模量反而增加,因此可在2200℃下安全工作;同時(shí),在該條件下工作時(shí)未見發(fā)生黏結(jié)和變形情況。碳/碳復(fù)合剎車材料在不同速度、比壓和能載條件下摩擦因數(shù)變化小,磨損較穩(wěn)定,在波音7572200型飛機(jī)的使用中壽命可達(dá)3000起落,是金屬剎車材料的3倍以上。

作為新型剎車材料,碳/碳復(fù)合剎車材料自一出現(xiàn),其研究就集中在降低產(chǎn)品成本的問題上。由于其單次剎車成本高,而使其發(fā)明時(shí)認(rèn)為能全部占領(lǐng)高能制動(dòng)市場(chǎng)的預(yù)計(jì),依然未能實(shí)現(xiàn),目前其他高性能剎車材料在高能制動(dòng)領(lǐng)域依然占有主導(dǎo)地位。

114陶瓷基剎車材料

陶瓷基剎車材料是指添加相當(dāng)數(shù)量具有陶瓷性能氧化物并總體體現(xiàn)一定陶瓷性能的剎車材料。粉末冶金剎車材料也常稱為金屬陶瓷材料,但通常所說的陶瓷基剎車材料主要是指非金屬基陶瓷剎車材料。陶瓷基剎車材料結(jié)合了粉末冶金剎車材料的高溫?zé)Y(jié)和碳/碳復(fù)合剎車材料的低密度和耐高溫性能,同時(shí)克服了碳/碳復(fù)合剎車材料高溫氧化的缺點(diǎn)。

目前,對(duì)于陶瓷基復(fù)合剎車材料的研究重點(diǎn)是采用借助部分粉末冶金工藝,獲得具有低密度、耐高溫、抗氧化、長(zhǎng)壽命等優(yōu)越綜合性能的剎車材料,典型的有碳/碳/碳化硅陶瓷剎車材料,逐漸在高速列車、重載汽車、坦克等極端條件下獲得應(yīng)用。

2剎車材料研制過程中存在的問題及解決辦法

211大力推廣綠色環(huán)保汽車剎車材料

石棉剎車材料從研制開始至今,經(jīng)歷了近百年的歷史,由于其良好的使用性能和低廉的成本、成熟的制造工藝等原因,盡管從1972年國(guó)際腫瘤醫(yī)學(xué)會(huì)確認(rèn)石棉及高溫?fù)]發(fā)物屬于致癌物,但由于替代石棉的增強(qiáng)纖維存在混合和分散性差,易斷裂、結(jié)團(tuán)和價(jià)格高等原因,許多國(guó)家仍在使用石棉剎車材料。在我國(guó),雖然有明確的法規(guī)要求放棄石棉剎車材料,但很大一部分制動(dòng)器生產(chǎn)廠仍在選用石棉剎車材料,尤其是在低端的二級(jí)零配件市場(chǎng),石棉剎車材料制品的銷售量依然占據(jù)著很高的比重。隨著科技的進(jìn)步和人類對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境要求的不斷提高,在立法的基礎(chǔ)上,應(yīng)加大綠色環(huán)保剎車材料使用的宣傳,并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,強(qiáng)制性地執(zhí)行相關(guān)法規(guī),大力研制和推廣新型綠色環(huán)保無石棉剎車材料,并全面替代石棉剎車材料。

212加大低成本碳/碳復(fù)合剎車材料的研制

如前所述,碳/碳復(fù)合剎車材料存在技術(shù)難度大、工藝復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)、制造成本高(價(jià)格在5000～10000元/kg)等問題,制約了其廣泛使用的前景,開展低成本碳/碳復(fù)合剎車材料的研究勢(shì)在必行。碳/碳復(fù)合剎車材料的成本主要體現(xiàn)在氣相沉積過程和高溫石墨化過程。文獻(xiàn)[21]開展了快速氣相沉積技術(shù)———定向流動(dòng)法化學(xué)氣相沉積技術(shù)的研究,大大縮短了沉積時(shí)間。文獻(xiàn)[22]研究了催化石墨化的研究工作,采用B4C作為催化劑,使石墨化溫度降低、時(shí)間縮短,獲得了降低成本的良好效果。中南大學(xué)采用多項(xiàng)研究成果,使碳/碳飛機(jī)剎車副的制造周期由原來的8個(gè)月縮短為3個(gè)月,成本得到有效的控制。

同時(shí),借用粉末冶金技術(shù),改變碳/碳坯體的制造工藝,使剎車材料的成本也得到大大降低,從而在除飛機(jī)以外的制動(dòng)器上使用高性能碳/碳復(fù)合剎車材料成為可能。

213建立粉末冶金剎車材料數(shù)據(jù)庫(kù)

粉末冶金剎車材料在當(dāng)前的使用條件要求下,既具有較碳/碳復(fù)合剎車材料低得多的價(jià)格優(yōu)勢(shì),又能滿足高能制動(dòng)的要求,是剎車材料中得到最廣泛應(yīng)用的材料種類之一。但是,長(zhǎng)期以來,粉末冶金剎車材料的研制均采用“抓中藥”、“炒菜”和“試行錯(cuò)誤”的方法,不僅導(dǎo)致了資源、時(shí)間、人力和物力上的大量浪費(fèi)。同時(shí),由于研制基礎(chǔ)和思維的差異,在粉末冶金剎車材料百花齊放的大好局面下,存在魚龍混雜、質(zhì)量參差不齊的混亂狀態(tài),制約了粉末冶金剎車材料的全面推廣。

作者認(rèn)為出現(xiàn)這種狀態(tài)的主要原因是:缺乏粉末冶金剎車材料研制所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),從而使設(shè)計(jì)人員無可依據(jù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),研制人員進(jìn)行著重復(fù)的研究工作�；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,涉及到多方面、多領(lǐng)域和多層面合作,需要大量的調(diào)查和基礎(chǔ)研究工作。因此,需要國(guó)家在宏觀實(shí)施上進(jìn)行有效調(diào)控和經(jīng)濟(jì)投入,相關(guān)學(xué)會(huì)和工業(yè)協(xié)會(huì)協(xié)調(diào),粉末冶金剎車材料研制和生產(chǎn)單位大力支持,以便在較短時(shí)間內(nèi)建立必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),并定期更新。該數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,不僅對(duì)粉末冶金剎車材料的研制和開發(fā)有指導(dǎo)作用,同時(shí),也可輻射和推廣到整個(gè)摩擦材料領(lǐng)域,其社會(huì)效益及對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)作用是不可估量的。

214加強(qiáng)新型材料體系的開發(fā)

由于剎車材料的實(shí)際應(yīng)用背景非常強(qiáng),而且使用條件的差異也較大,因此,我國(guó)大多數(shù)研制和生產(chǎn)單位開展的研究工作大多以實(shí)用為目的,即針對(duì)某一需求而進(jìn)行研究。而對(duì)于基礎(chǔ)工作,由于投入大、短期效益差的原因,我國(guó)在基礎(chǔ)研究方面均比較欠缺。主要體現(xiàn)在我國(guó)剎車材料的研制和生產(chǎn)主要跟蹤國(guó)際技術(shù),在某些材料研制和使用方面甚至落后于國(guó)際水平達(dá)數(shù)十年。而在新材料的開發(fā)方面,近些年雖有較大進(jìn)展,但創(chuàng)新體系依然不強(qiáng),研究水平不高。國(guó)內(nèi)剎車材料生產(chǎn)量大,但高性能剎車材料依然需要進(jìn)口,這種尷尬局面仍未得到有效的解決。目前國(guó)家通過自然科學(xué)基金等方式對(duì)剎車材料及其摩擦學(xué)特性的基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新體系研究方面提供了較大的支持,說明國(guó)家對(duì)創(chuàng)新剎車材料研制工作的重視。

215全面拓展傳統(tǒng)剎車材料新的應(yīng)用

多學(xué)科交叉已成為現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)之一。傳統(tǒng)剎車材料研究通常是為了滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求,材料研究處于比較被動(dòng)的地位。但是,現(xiàn)代機(jī)械的高速發(fā)展,材料的發(fā)展已無法滿足制動(dòng)需求。因此,有必要通過機(jī)械學(xué)科和材料學(xué)科的交叉、換位,在不降低機(jī)械性能水平的前提下,在機(jī)械設(shè)計(jì)中充分考慮現(xiàn)有材料性能的發(fā)掘和拓展。傳統(tǒng)的高速列車制動(dòng)技術(shù)認(rèn)為,隨著剎車速度的提高,樹脂基剎車材料在耐溫性方面已無法滿足要求,需要開展新材料的研制工作。

但是,在新型高速牽引機(jī)車的設(shè)計(jì)中,研發(fā)人員摒棄了傳統(tǒng)的軸裝剎車系統(tǒng),改用輪裝剎車,不僅使剎車空間獲得大大提高。同時(shí),由于剎車系統(tǒng)的改進(jìn),在高速制動(dòng)條件下,剎車系統(tǒng)溫度從閘瓦/軸裝閘片的400℃下降為輪裝閘片的250℃。因此,樹脂基剎車材料又重獲使用,降低了剎車材料的研制成本和使用成本。

3結(jié)束語

“有運(yùn)動(dòng),就存在剎車的可能”、“沒有剎車,就沒有高速”已成為共識(shí),現(xiàn)代制動(dòng)用剎車材料的研制也正從無序的混亂中走向有序的科學(xué)指導(dǎo)。我國(guó)的剎車材料已具有相當(dāng)?shù)难兄坪蜕a(chǎn)水平,基本能滿足現(xiàn)代制動(dòng)要求。從發(fā)展的角度來看,創(chuàng)新研究是主旋律,基礎(chǔ)研究是根本,節(jié)能環(huán)保是方向,低成本和高效制動(dòng)是目標(biāo)。

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現(xiàn)代制動(dòng)用剎車材料應(yīng)用研究概況及前景展望