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                    摩擦材料配方優化方法的最新研究

                    為了促進摩擦密封材料行業產學研的結合,中國摩擦密封材料協會聯手中南大學、天津工業大學、華東理工大學等高等院校共同舉辦產學研結合研討會。并分別于5月7日、8日,針對摩擦密封材料的原材料要求,測試方法及性能等展開密封材料技術報告,報告會得到企業代表的認可。
                     
                    更多論壇信息請查看:“第十二屆(上海)國際摩擦密封材料技術交流暨產品展示會”專題報道
                    摩擦材料是由基體材料、增強體、填料等多元組份配合而成的復合材料。其性能不僅受組分材料性能的影響,同時也受制于組分的配比。因此,配方設計一直是提高復合材料性能的
                    主要途徑。先前,研制摩擦材料的方法,主要憑個人經驗,結合一些實驗技巧來確定配方,存在著工作量大、周期長、試驗費用高和偶然性大等一系列問題。目前,摩擦材料配方的設計與優化問題已引起國內外眾多學者的重視,并提出了一些卓有成效的優化方法。
                    1、摩擦材料的相關性數學模型
                    f:ΣMixi→P
                    其中xi為各組分的比例,ΣMixi。
                    2、摩擦材料配方優化方法的最新研究
                    長期以來,摩擦材料的原材料的選擇一直依靠經驗,沒有什么科學依據,通常選用正交試驗法來決定材料的配方,它是根據正交性準則,考慮數據的均衡分散性和整體可比性,通過較
                    少次的試驗選出配料的具體較優組合。如曾澤斌采用正交試驗找出片狀蛭石摩擦材料的最佳
                    配方[2],華南理工大學的陳東用正交設計優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,具有試驗點少、計算簡便、易于分析等特點。但忽略了配方中各組分之間的相關性,不能建立數學模型供進一步分析,由于正交試驗數等于水平數的平方,因而只適用于水平數不多的試驗。為更好解決摩擦材料配方優化問題,國內外學者提出了一些新的方法。
                    2.1均勻設計+多元線形回歸
                    南京理工大學車劍飛采用四因素五水平的均勻設計法設計了無石棉摩擦材料配方[4],南
                    理工的宋曄開發出了基于均勻設計和多元線形回歸的FMDS系統[5],試驗表明工作量和試驗費用顯著減少,摩擦材料性能大幅度提高。與正交試驗法相比,均勻設計法不再考慮數據的整齊可比性,而只考慮試驗點在試驗范圍內均勻分散。這就可以從全面試驗中挑選更少的點作為代表點進行試驗,而由此得到的結果仍能反映體系的主要特征。均勻設計法通過一套精心設計的表來安排實驗,每表還附有一個使用表,用來指示如何從均勻設計表中選擇適當的列來設計實驗,以使試驗方案的均勻度最高。特別適用于多因素多水平試驗,能有效減少試驗數目。
                    但均勻設計得到的試驗數據,由于不具備正交試驗的整齊可比性,必須采用多元
                    逐步回歸分析的方法來進行數據處理。所以均勻設計法的使用,需要一定的數學基礎。
                    采用多元逐步回歸法建立回歸方程,這可以轉化成多元線性逐步回歸。其基本思想是:從一個自變量開始,根據各自變量對因變量作用的顯著程度,將顯著變量逐個引入回歸方程,同
                    時將不顯著變量剔出回歸方程。每一步都進行檢驗,以保證方程中只包含顯著變量。這個過程反復進行,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。
                    根據配方變量的變化范圍,采用窮舉法逐個計算后,判斷是否符合用戶要求,直到搜索完所有點為止。
                    2.2混料回歸+模糊優化
                    文獻[6]中介紹采用混料回歸試驗建立了摩損率和摩擦材料各組元成份間的回歸方程,并在此基礎上,采用外點懲罰函數法求得最優解,為了避免對同一性能指標出現不同配方的現象,進一步運用了模糊數學理論對配方設計進行了篩選和優化,取得了較理想的配料方案。
                    清華大學的曹獻坤采用Scheffe典型多項式回歸模型進行新型摩擦材料的配方設計,對配方材料的沖擊強度、摩擦系數、磨損率、密度和硬度進行模糊綜合評價,用最小二乘法求得回歸方程,并采用多變量約束函數的復合形法求得目標函數的最優點和最優值[7]。試驗驗證了方程的回歸效果較好,為摩擦材料配方設計及優化探索了新途徑。
                    2.3黃金分割法+灰色相關系數分析
                    摩擦材料的黃金分割優化法可分為三步:
                    (1)首先選擇10~12個計算的配方進行摩擦性能測試,然后用灰色相關系數分析或統計分析得到原材料對摩擦性能貢獻的敏感性序列,進而調整摩擦材料配方各組分的含量;
                    (2)利用黃金分割序列(01618n)和組分體積分數的關系優化最佳的纖維組與填料組的匹
                    配比例;
                    (3)優化最佳的樹脂基體含量,最終得到優化的摩擦材料配方。所以黃金分割優化法可實現摩擦材料配方的設計和計算。而經驗的摩擦材料配方設計采用“炒菜”式,組分體積分數的變化靠人為的加減計算,每次只變化一個組分的體積分數,最終不能確定是否得到了優化的配方。
                    灰色相關系數分析是灰色系統理論的重要內容之一,并被應用到摩擦材料配方研究。通過灰色相關系數分析可得到不同原材料組分對摩擦性能貢獻的敏感性序列。對于摩擦系數,灰色相關度的數值越大,說明該組分對摩擦系數的貢獻越大,該組分對提高摩擦材料的摩擦系數有利,因此可以增大該組分的含量。對于磨損率,灰色相關度的數值越大,說明該組分對磨損率的貢獻也越大,但該組分對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[1]中介紹,選擇與鋼纖維組合時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—灰色相關系數法優化摩擦性能,經過22個配方實驗,得到了摩擦系數為0.420、磨損率為1.98的半金屬摩擦材料配方。
                    除了上述對摩擦材料配方優化方法以外,還有一些其它方法如化學計量學的應用[8]、遺傳
                    算法應用[9]和多因素判據優化[10]等等,都起到一定的優化作用。
                    3、摩擦材料配方優化技術的發展趨勢
                    新型摩擦材料的誕生和良好摩擦性能研究是現代社會發展的迫切要求,眾所周知摩擦材料的配方決定了摩擦材料的性能,所以摩擦材料配方的優化工作日趨重要。綜合目前的研究技術,摩擦材料的優化工作未來的發展方向將會集中在如下方面:
                    (1)融合多種優化方法。如將混料回歸試驗、灰色理論或者統計分析法和模糊優化合為一體,既可解決數學模型的建立問題又可考慮各組分之間的相關性,還可在幾種相似優化方
                    案中進行模糊評價,這樣可揚長補短。
                    (2)引入新理論。如對組分數據處理方面可采用神經網絡技術和遺傳算法結合的形式來
                    處理。
                    (3)開發新的摩擦材料配方分析軟件。運用高級編程語言開發出多功能的人機界面,集
                    配方實驗安排、回歸分析、優化求解和綜合評價于一體,取代傳統的SPSS軟件在這方面的應用。
                    結束語
                    重點介紹了目前關于摩擦材料配方優化方法的最新研究,深入探討了摩擦材料配方優化技術未來的發展趨勢,指出融合多種方法、開發新型分析系統將會是摩擦材料配方設計與優化的新途徑。
                    更多論壇信息請查看:“第十二屆(上海)國際摩擦密封材料技術交流暨產品展示會”專題報道
                    參考文獻
                    [2]曾澤斌.摩擦材料配方的正交設計[J].汽車工藝與材料,1999,4:29-30.
                    [3]陳東等.用正交設計優化半金屬摩擦材料的配方[J].機械工程材料,2004,5:35-37.
                    [4]車劍飛.均勻設計在摩擦材料配方設計中的應用[J].南京理工大學學報,1999,6:249-252.
                    [5]宋曄等.摩擦材料配方的計算機輔助設計[J].非金屬礦,1999,5:50-51.
                    [6]張???鑄鐵纖維復合摩阻材料的配方優化設計[J].昆明理工大學學報,2001,2:37-41.
                    [7]曹獻坤.新型摩擦材料配方設計及優化[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.
                    作者簡介:汪王君(1979~),安徽六安人,安徽理工大學講師,碩士,從事機電一體化和摩擦材料相關的教學與科研工作,已發表論文數篇。

                     

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