摩擦材料配方优化方法的最新研究

文章来源：营口摩擦材料有限公司     发布时间：2014-11-20

　　为了促进摩擦密封材料行业产学研的结合，中国摩擦密封材料协会联手中南大学、天津工业大学、华东理工大学等高等院校共同举办产学研结合研讨会。并分别于5月7日、8日，针对摩擦密封材料的原材料要求，测试方法及性能等展开密封材料技术报告，报告会得到企业代表的认可。

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　　摩擦材料是由基体材料、增强体、填料等多元组份配合而成的复合材料。其性能不仅受组分材料性能的影响，同时也受制于组分的配比。因此，配方设计一直是提高复合材料性能的

　　主要途径。先前，研制摩擦材料的方法，主要凭个人经验，结合一些实验技巧来确定配方，存在着工作量大、周期长、试验费用高和偶然性大等一系列问题。目前，摩擦材料配方的设计与优化问题已引起国内外众多学者的重视，并提出了一些卓有成效的优化方法。

　　1、摩擦材料的相关性数学模型

　　f:ΣMixi→P

　　其中xi为各组分的比例，ΣMixi。

　　2、摩擦材料配方优化方法的最新研究

　　长期以来，摩擦材料的原材料的选择一直依靠经验，没有什么科学依据，通常选用正交试验法来决定材料的配方，它是根据正交性准则，考虑数据的均衡分散性和整体可比性，通过较

　　少次的试验选出配料的具体较优组合。如曾泽斌采用正交试验找出片状蛭石摩擦材料的最佳

　　配方[2]，华南理工大学的陈东用正交设计优化了半金属摩擦材料的配方[3]等。此法可缩短新材料的研制周期，具有试验点少、计算简便、易于分析等特点。但忽略了配方中各组分之间的相关性，不能建立数学模型供进一步分析，由于正交试验数等于水平数的平方，因而只适用于水平数不多的试验。为更好解决摩擦材料配方优化问题，国内外学者提出了一些新的方法。

　　2.1均匀设计+多元线形回归

　　南京理工大学车剑飞采用四因素五水平的均匀设计法设计了无石棉摩擦材料配方[4]，南

　　理工的宋晔开发出了基于均匀设计和多元线形回归的FMDS系统[5]，试验表明工作量和试验费用显著减少，摩擦材料性能大幅度提高。与正交试验法相比，均匀设计法不再考虑数据的整齐可比性，而只考虑试验点在试验范围内均匀分散。这就可以从全面试验中挑选更少的点作为代表点进行试验，而由此得到的结果仍能反映体系的主要特征。均匀设计法通过一套精心设计的表来安排实验，每表还附有一个使用表，用来指示如何从均匀设计表中选择适当的列来设计实验，以使试验方案的均匀度最高。特别适用于多因素多水平试验，能有效减少试验数目。

　　但均匀设计得到的试验数据，由于不具备正交试验的整齐可比性，必须采用多元

　　逐步回归分析的方法来进行数据处理。所以均匀设计法的使用，需要一定的数学基础。

　　采用多元逐步回归法建立回归方程，这可以转化成多元线性逐步回归。其基本思想是：从一个自变量开始，根据各自变量对因变量作用的显著程度，将显著变量逐个引入回归方程，同

　　时将不显著变量剔出回归方程。每一步都进行检验，以保证方程中只包含显著变量。这个过程反复进行，直到变量既不能被剔除，也不能被引入为止，最后得到所有变量都显著的回归方程。

　　根据配方变量的变化范围，采用穷举法逐个计算后，判断是否符合用户要求，直到搜索完所有点为止。

　　2.2混料回归+模糊优化

　　文献[6]中介绍采用混料回归试验建立了摩损率和摩擦材料各组元成份间的回归方程，并在此基础上，采用外点惩罚函数法求得最优解，为了避免对同一性能指标出现不同配方的现象，进一步运用了模糊数学理论对配方设计进行了筛选和优化，取得了较理想的配料方案。

　　清华大学的曹献坤采用Scheffe典型多项式回归模型进行新型摩擦材料的配方设计，对配方材料的冲击强度、摩擦系数、磨损率、密度和硬度进行模糊综合评价，用最小二乘法求得回归方程，并采用多变量约束函数的复合形法求得目标函数的最优点和最优值[7]。试验验证了方程的回归效果较好，为摩擦材料配方设计及优化探索了新途径。

　　2.3黄金分割法+灰色相关系数分析

　　摩擦材料的黄金分割优化法可分为三步：

　　(1)首先选择10~12个计算的配方进行摩擦性能测试，然后用灰色相关系数分析或统计分析得到原材料对摩擦性能贡献的敏感性序列，进而调整摩擦材料配方各组分的含量;

　　(2)利用黄金分割序列(01618n)和组分体积分数的关系优化最佳的纤维组与填料组的匹

　　配比例;

　　(3)优化最佳的树脂基体含量，最终得到优化的摩擦材料配方。所以黄金分割优化法可实现摩擦材料配方的设计和计算。而经验的摩擦材料配方设计采用“炒菜”式，组分体积分数的变化靠人为的加减计算，每次只变化一个组分的体积分数，最终不能确定是否得到了优化的配方。

　　灰色相关系数分析是灰色系统理论的重要内容之一，并被应用到摩擦材料配方研究。通过灰色相关系数分析可得到不同原材料组分对摩擦性能贡献的敏感性序列。对于摩擦系数，灰色相关度的数值越大，说明该组分对摩擦系数的贡献越大，该组分对提高摩擦材料的摩擦系数有利，因此可以增大该组分的含量。对于磨损率，灰色相关度的数值越大，说明该组分对磨损率的贡献也越大，但该组分对减小摩擦材料的磨损率不利，因此可以减少该组分的含量。

　　文献[1]中介绍，选择与钢纤维组合时有低磨损的氧化聚丙烯腈纤维、硅灰石、Sb2S3、Ca(OH)2、CaCO3、MGO为其它组分，用黄金分割—灰色相关系数法优化摩擦性能，经过22个配方实验，得到了摩擦系数为0.420、磨损率为1.98的半金属摩擦材料配方。

　　除了上述对摩擦材料配方优化方法以外，还有一些其它方法如化学计量学的应用[8]、遗传

　　算法应用[9]和多因素判据优化[10]等等，都起到一定的优化作用。

　　3、摩擦材料配方优化技术的发展趋势

　　新型摩擦材料的诞生和良好摩擦性能研究是现代社会发展的迫切要求，众所周知摩擦材料的配方决定了摩擦材料的性能，所以摩擦材料配方的优化工作日趋重要。综合目前的研究技术，摩擦材料的优化工作未来的发展方向将会集中在如下方面：

　　(1)融合多种优化方法。如将混料回归试验、灰色理论或者统计分析法和模糊优化合为一体，既可解决数学模型的建立问题又可考虑各组分之间的相关性，还可在几种相似优化方

　　案中进行模糊评价，这样可扬长补短。

　　(2)引入新理论。如对组分数据处理方面可采用神经网络技术和遗传算法结合的形式来

　　处理。

　　(3)开发新的摩擦材料配方分析软件。运用高级编程语言开发出多功能的人机界面，集

　　配方实验安排、回归分析、优化求解和综合评价于一体，取代传统的SPSS软件在这方面的应用。

　　结束语

　　重点介绍了目前关于摩擦材料配方优化方法的最新研究，深入探讨了摩擦材料配方优化技术未来的发展趋势，指出融合多种方法、开发新型分析系统将会是摩擦材料配方设计与优化的新途径。

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　　参考文献

　　[2]曾泽斌.摩擦材料配方的正交设计[J].汽车工艺与材料，1999，4：29-30.

　　[3]陈东等.用正交设计优化半金属摩擦材料的配方[J].机械工程材料，2004，5：35-37.

　　[4]车剑飞.均匀设计在摩擦材料配方设计中的应用[J].南京理工大学学报，1999，6：249-252.

　　[5]宋晔等.摩擦材料配方的计算机辅助设计[J].非金属矿，1999，5：50-51.

　　[6]张希俊.铸铁纤维复合摩阻材料的配方优化设计[J].昆明理工大学学报，2001，2：37-41.

　　[7]曹献坤.新型摩擦材料配方设计及优化[J].非金属矿，2004，7：50-54.

　　[8]Drava G，Leardi R，Portsani A，Sales E. Application of che mo metrics to the production

　　of friction materials: analysis of previous data and search of new formulations. Che mom Intell

　　Lab Syst，1996，32:245-255.

　　[9]Kato T，Soutome H. Friction material design for brake pads using Database. TribTrans，

　　2001，44:137-141.

　　[10]Elzey D M，Vancheeswaran R，Myers S W，McLellan RG.Intelligent selection of materials

　　for brake linings. Proc 18th Ann Brake Colloq Eng Display，2000，P-358:181-192.

　　作者简介：汪王君(1979~)，安徽六安人，安徽理工大学讲师，硕士，从事机电一体化和摩擦材料相关的教学与科研工作，已发表论文数篇。