摩擦材料配方優(yōu)化方法的最新研究

文章來(lái)源：營(yíng)口摩擦材料有限公司     發(fā)布時(shí)間：2014-11-20

　　為了促進(jìn)摩擦密封材料行業(yè)產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，中國(guó)摩擦密封材料協(xié)會(huì)聯(lián)手中南大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)、華東理工大學(xué)等高等院校共同舉辦產(chǎn)學(xué)研結(jié)合研討會(huì)。并分別于5月7日、8日，針對(duì)摩擦密封材料的原材料要求，測(cè)試方法及性能等展開密封材料技術(shù)報(bào)告，報(bào)告會(huì)得到企業(yè)代表的認(rèn)可。

　　更多論壇信息請(qǐng)查看：“第十二屆(上海)國(guó)際摩擦密封材料技術(shù)交流暨產(chǎn)品展示會(huì)”專題報(bào)道

　　摩擦材料是由基體材料、增強(qiáng)體、填料等多元組份配合而成的復(fù)合材料。其性能不僅受組分材料性能的影響，同時(shí)也受制于組分的配比。因此，配方設(shè)計(jì)一直是提高復(fù)合材料性能的

　　主要途徑。先前，研制摩擦材料的方法，主要憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合一些實(shí)驗(yàn)技巧來(lái)確定配方，存在著工作量大、周期長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用高和偶然性大等一系列問(wèn)題。目前，摩擦材料配方的設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題已引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的重視，并提出了一些卓有成效的優(yōu)化方法。

　　1、摩擦材料的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型

　　f:ΣMixi→P

　　其中xi為各組分的比例，ΣMixi。

　　2、摩擦材料配方優(yōu)化方法的最新研究

　　長(zhǎng)期以來(lái)，摩擦材料的原材料的選擇一直依靠經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有什么科學(xué)依據(jù)，通常選用正交試驗(yàn)法來(lái)決定材料的配方，它是根據(jù)正交性準(zhǔn)則，考慮數(shù)據(jù)的均衡分散性和整體可比性，通過(guò)較

　　少次的試驗(yàn)選出配料的具體較優(yōu)組合。如曾澤斌采用正交試驗(yàn)找出片狀蛭石摩擦材料的最佳

　　配方[2]，華南理工大學(xué)的陳東用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化了半金屬摩擦材料的配方[3]等。此法可縮短新材料的研制周期，具有試驗(yàn)點(diǎn)少、計(jì)算簡(jiǎn)便、易于分析等特點(diǎn)。但忽略了配方中各組分之間的相關(guān)性，不能建立數(shù)學(xué)模型供進(jìn)一步分析，由于正交試驗(yàn)數(shù)等于水平數(shù)的平方，因而只適用于水平數(shù)不多的試驗(yàn)。為更好解決摩擦材料配方優(yōu)化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些新的方法。

　　2.1均勻設(shè)計(jì)+多元線形回歸

　　南京理工大學(xué)車劍飛采用四因素五水平的均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了無(wú)石棉摩擦材料配方[4]，南

　　理工的宋曄開發(fā)出了基于均勻設(shè)計(jì)和多元線形回歸的FMDS系統(tǒng)[5]，試驗(yàn)表明工作量和試驗(yàn)費(fèi)用顯著減少，摩擦材料性能大幅度提高。與正交試驗(yàn)法相比，均勻設(shè)計(jì)法不再考慮數(shù)據(jù)的整齊可比性，而只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻分散。這就可以從全面試驗(yàn)中挑選更少的點(diǎn)作為代表點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，而由此得到的結(jié)果仍能反映體系的主要特征。均勻設(shè)計(jì)法通過(guò)一套精心設(shè)計(jì)的表來(lái)安排實(shí)驗(yàn)，每表還附有一個(gè)使用表，用來(lái)指示如何從均勻設(shè)計(jì)表中選擇適當(dāng)?shù)牧衼?lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以使試驗(yàn)方案的均勻度最高。特別適用于多因素多水平試驗(yàn)，能有效減少試驗(yàn)數(shù)目。

　　但均勻設(shè)計(jì)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于不具備正交試驗(yàn)的整齊可比性，必須采用多元

　　逐步回歸分析的方法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所以均勻設(shè)計(jì)法的使用，需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

　　采用多元逐步回歸法建立回歸方程，這可以轉(zhuǎn)化成多元線性逐步回歸。其基本思想是：從一個(gè)自變量開始，根據(jù)各自變量對(duì)因變量作用的顯著程度，將顯著變量逐個(gè)引入回歸方程，同

　　時(shí)將不顯著變量剔出回歸方程。每一步都進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證方程中只包含顯著變量。這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到變量既不能被剔除，也不能被引入為止，最后得到所有變量都顯著的回歸方程。

　　根據(jù)配方變量的變化范圍，采用窮舉法逐個(gè)計(jì)算后，判斷是否符合用戶要求，直到搜索完所有點(diǎn)為止。

　　2.2混料回歸+模糊優(yōu)化

　　文獻(xiàn)[6]中介紹采用混料回歸試驗(yàn)建立了摩損率和摩擦材料各組元成份間的回歸方程，并在此基礎(chǔ)上，采用外點(diǎn)懲罰函數(shù)法求得最優(yōu)解，為了避免對(duì)同一性能指標(biāo)出現(xiàn)不同配方的現(xiàn)象，進(jìn)一步運(yùn)用了模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)配方設(shè)計(jì)進(jìn)行了篩選和優(yōu)化，取得了較理想的配料方案。

　　清華大學(xué)的曹獻(xiàn)坤采用Scheffe典型多項(xiàng)式回歸模型進(jìn)行新型摩擦材料的配方設(shè)計(jì)，對(duì)配方材料的沖擊強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、磨損率、密度和硬度進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，用最小二乘法求得回歸方程，并采用多變量約束函數(shù)的復(fù)合形法求得目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)點(diǎn)和最優(yōu)值[7]。試驗(yàn)驗(yàn)證了方程的回歸效果較好，為摩擦材料配方設(shè)計(jì)及優(yōu)化探索了新途徑。

　　2.3黃金分割法+灰色相關(guān)系數(shù)分析

　　摩擦材料的黃金分割優(yōu)化法可分為三步：

　　(1)首先選擇10~12個(gè)計(jì)算的配方進(jìn)行摩擦性能測(cè)試，然后用灰色相關(guān)系數(shù)分析或統(tǒng)計(jì)分析得到原材料對(duì)摩擦性能貢獻(xiàn)的敏感性序列，進(jìn)而調(diào)整摩擦材料配方各組分的含量;

　　(2)利用黃金分割序列(01618n)和組分體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系優(yōu)化最佳的纖維組與填料組的匹

　　配比例;

　　(3)優(yōu)化最佳的樹脂基體含量，最終得到優(yōu)化的摩擦材料配方。所以黃金分割優(yōu)化法可實(shí)現(xiàn)摩擦材料配方的設(shè)計(jì)和計(jì)算。而經(jīng)驗(yàn)的摩擦材料配方設(shè)計(jì)采用“炒菜”式，組分體積分?jǐn)?shù)的變化靠人為的加減計(jì)算，每次只變化一個(gè)組分的體積分?jǐn)?shù)，最終不能確定是否得到了優(yōu)化的配方。

　　灰色相關(guān)系數(shù)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要內(nèi)容之一，并被應(yīng)用到摩擦材料配方研究。通過(guò)灰色相關(guān)系數(shù)分析可得到不同原材料組分對(duì)摩擦性能貢獻(xiàn)的敏感性序列。對(duì)于摩擦系數(shù)，灰色相關(guān)度的數(shù)值越大，說(shuō)明該組分對(duì)摩擦系數(shù)的貢獻(xiàn)越大，該組分對(duì)提高摩擦材料的摩擦系數(shù)有利，因此可以增大該組分的含量。對(duì)于磨損率，灰色相關(guān)度的數(shù)值越大，說(shuō)明該組分對(duì)磨損率的貢獻(xiàn)也越大，但該組分對(duì)減小摩擦材料的磨損率不利，因此可以減少該組分的含量。

　　文獻(xiàn)[1]中介紹，選擇與鋼纖維組合時(shí)有低磨損的氧化聚丙烯腈纖維、硅灰石、Sb2S3、Ca(OH)2、CaCO3、MGO為其它組分，用黃金分割—灰色相關(guān)系數(shù)法優(yōu)化摩擦性能，經(jīng)過(guò)22個(gè)配方實(shí)驗(yàn)，得到了摩擦系數(shù)為0.420、磨損率為1.98的半金屬摩擦材料配方。

　　除了上述對(duì)摩擦材料配方優(yōu)化方法以外，還有一些其它方法如化學(xué)計(jì)量學(xué)的應(yīng)用[8]、遺傳

　　算法應(yīng)用[9]和多因素判據(jù)優(yōu)化[10]等等，都起到一定的優(yōu)化作用。

　　3、摩擦材料配方優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　新型摩擦材料的誕生和良好摩擦性能研究是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的迫切要求，眾所周知摩擦材料的配方?jīng)Q定了摩擦材料的性能，所以摩擦材料配方的優(yōu)化工作日趨重要。綜合目前的研究技術(shù)，摩擦材料的優(yōu)化工作未來(lái)的發(fā)展方向?qū)?huì)集中在如下方面：

　　(1)融合多種優(yōu)化方法。如將混料回歸試驗(yàn)、灰色理論或者統(tǒng)計(jì)分析法和模糊優(yōu)化合為一體，既可解決數(shù)學(xué)模型的建立問(wèn)題又可考慮各組分之間的相關(guān)性，還可在幾種相似優(yōu)化方

　　案中進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，這樣可揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短。

　　(2)引入新理論。如對(duì)組分?jǐn)?shù)據(jù)處理方面可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法結(jié)合的形式來(lái)

　　處理。

　　(3)開發(fā)新的摩擦材料配方分析軟件。運(yùn)用高級(jí)編程語(yǔ)言開發(fā)出多功能的人機(jī)界面，集

　　配方實(shí)驗(yàn)安排、回歸分析、優(yōu)化求解和綜合評(píng)價(jià)于一體，取代傳統(tǒng)的SPSS軟件在這方面的應(yīng)用。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　重點(diǎn)介紹了目前關(guān)于摩擦材料配方優(yōu)化方法的最新研究，深入探討了摩擦材料配方優(yōu)化技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，指出融合多種方法、開發(fā)新型分析系統(tǒng)將會(huì)是摩擦材料配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化的新途徑。

　　更多論壇信息請(qǐng)查看：“第十二屆(上海)國(guó)際摩擦密封材料技術(shù)交流暨產(chǎn)品展示會(huì)”專題報(bào)道

　　參考文獻(xiàn)

　　[2]曾澤斌.摩擦材料配方的正交設(shè)計(jì)[J].汽車工藝與材料，1999，4：29-30.

　　[3]陳東等.用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化半金屬摩擦材料的配方[J].機(jī)械工程材料，2004，5：35-37.

　　[4]車劍飛.均勻設(shè)計(jì)在摩擦材料配方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，6：249-252.

　　[5]宋曄等.摩擦材料配方的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J].非金屬礦，1999，5：50-51.

　　[6]張?？?鑄鐵纖維復(fù)合摩阻材料的配方優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，2：37-41.

　　[7]曹獻(xiàn)坤.新型摩擦材料配方設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].非金屬礦，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.

　　作者簡(jiǎn)介：汪王君(1979~)，安徽六安人，安徽理工大學(xué)講師，碩士，從事機(jī)電一體化和摩擦材料相關(guān)的教學(xué)與科研工作，已發(fā)表論文數(shù)篇。