刘学耕
西安顺通机电应用技术研究所

摘要简述：

本文简要阐述了小样缩比模拟制动惯性试验的测试原理，通过科学的系统分析和相似原理，将制动过程的复杂函数关系通过对模拟参数的数学分析和处理，选择出对制动过程起主导作用的物理系数，并建立相应的模拟试验方法，实现了实验室条件下小样缩比模拟制动试验的功能。

由于保证了试验方法从原理直至具体测试工作条件都密切联系实际工况，所以结果与台架和道路试验对应性好，大大增强了小样试验的使用价值和推广意义。

一、小样缩比试验技术的讨论：

随着科学技术的高速发展，摩擦材料的研究、生产和广泛应用已进入了与国际接轨、与市场同步的发展阶段，要与时俱进创出自主品牌，依靠科学的配方工艺与小样缩比试验相结合进行生产、研究是非常必要可行的一种途径。摩擦材料发展的要求、市场的需要和供需双方的约定，是生产制造的第一技术指标，这表明了摩擦材料制品的生产过程实际上就是一个不断开创新产品、研究新配方的变化过程，这就非常明确地反映出在实验室条件下小样试验的重要性，与台架试验相比，实验室小样 试验的比重必然大大增加。

台架试验是直接模拟制动器的制动性能，经台架试验合格的产品就可直接进入路试和试飞阶段，但台架试验周期长、试验过程复杂、费用高昂，关键的问题是不能满足跟踪工艺过程、满足快速变化的试验步骤。如果小样缩比试验能够具备模拟性能强，所测的数据与台架试验、路试、航试有稳定的对应关系，实现了与摩擦磨损的规律性相一致，这就可以大大的增强小样缩比试验的指导性和实际价值。

小样缩比模拟制动惯性试验机遵循的是从试验原理，工作状态、机械模拟相似的原理完成热冲击（刹车）试验，实现了实验室条件下小样缩比模拟制动试验的功能要求，达到了试验工况与实际状态一致，与台架对应性好的试验数据。且测试数据的精度等级高、重复性、稳定性和一致性好，实现了实验室条件下，进行小样缩比模拟试验的必要性和科学性。

二、小样缩比模拟制动试验的技术原理：

小样缩比模拟制动试验的关键就是模拟性，模拟制动状态下的摩擦磨损特性，它的技术原理就是模拟试验原理。模拟试验的困难在于必须明确制动过程中各参数的相互作用、关系及变化规律。

模拟试验主要是确定以下制动过程中的参数关系及模拟规律。主要解决、完成模拟制动、小样缩比、转动惯量、制动速度、轴向正压力、制动拖磨时间、吸收功等技术参数在模拟试验中与实际组合体的相互对应关系。

1.模拟制动

应用摩擦材料专家李东生教授阐述的论证依据：其制动过程的函数关系十分复杂，摩擦材料性能不是材料的固有属性，而是材料在工程系统中特定工作条件下的综合性能，固此实验室模拟试验必须从工程系统出发，以实际工况为模拟基础，采用系统分析和相似原理，通过对模拟参数的数学分析和处理，选择出对制动过程起主导作用的物理系数，并建立相应的模拟试验方法.飞机、汽车、火车等是一个储能的惯性体，其刹车装置即为制动工程系统，摩擦副是系统中吸收制动功的单元，是制动过程中将动能转换为热能等因素，选择模拟参数必须采用系统的多元相似原理以推导模拟关系式：

②制动器结构和材料因素的模拟。

为获得理想的模拟结果，在上述模拟试验参数合理选择的前提下，必须考虑制动器结构和材料因素的模拟以及介质相同。

a.摩擦对偶的材质成分、工艺与实物相同；
b.单位摩擦吸收功的能量与实物相同；
c.制动速度与实际使用速度相同；
d.制动时间与实际制动状态相似；
e.热传递与实际摩擦热状态相似。

摩擦系数、磨损强度的模拟与制动器结构和材料因素的模拟内容是实验室制动模拟试验的必要和充分条件。

根据制动工程系统对模拟参数的数学分析和机械系统模拟原理设计出其

技术工作原理图。

③技术工作原理图，如下：

根据制动工程系统对模拟参数的数学分析和机械系统模拟原理设计出试验机的主体结构和控制系统；试验机系统由三大部分组成，包括主机体系统；动力系统； 控制系统；根据惯性制动式试验的特性要求，其主机体的装置由：驱动机构、惯性轮、接合频率控制系统、测量系统、离合器、制动器和供油系统组成应用计算机技术完成了10个系统的自动控制。

2.小样试环的缩比关系：

小样缩比主要是确定试环的有效半径和试验面积，在标准中确定的试样是利用两个圆环端面进行摩擦，其工作条件与离合器和盘式制动器相似。如图：

4.吸收功：

考虑惯性试验机的质量状态，吸收功是一个非常重要的因素。

影响吸收功的因素有：零部件工作效率和间隙因素、热损耗因素、零部件弹性变形因素、零部件塑性变形、共震因素、空气阻力因素等。在设备的调整和实验过程中都要充分考虑这些因素的存在，以及克服和减少这些因素对吸收功的影响。在整机的调试中，从装配精度调整、测试精度标定、惯性试验等综合技术考核中，都将以上因素消化掉，这样就保证了吸收功的达标要求。在多次、反复的实验中得到了保证每台设备的吸收功都达到85%以上的设计指标，小样缩比模拟制动惯性试验机所测的数据就能达到与台架试验、路试、航试有稳定的对应关系。

能量总耗损约在15%左右，一次刹车试验的吸收功是原始动能的85%以上，是对机械系统模拟性能的要求。

以上数据说明：试验机的机械工程系统是符合模拟性规律的，所测的数据是正确的。

5.测试制动温度——摩擦过程的热力学特征。

通过摩擦副摩擦模拟出实际刹车装置的热冲击现象和摩擦材料的体温变化特征，保持与实际摩擦热的状态一致，遵循测试安装的正确位置，测量出其温度梯度的变化，

图形显示满坐标分别对应：
最大扭矩100Nm；压力2MPa；摩擦系数1.0；温度1000℃；转速10000r/min

根据工作原理，在MM10001000型系列摩擦磨损性能试验机上进行制动模拟试验时，首先应确定试验方法和试验参数是；

①模拟试验对象；
②根据飞轮动能计算其转动惯量I；
③制动单位压力P；
④制动速度V；
⑤试验拖磨时间S；

在MM10001000型系列摩擦磨损性能试验机上进行的制动模拟试验，通过自动控制和瞬间值测试技术可直接记录出；

◆动、静摩擦系数（最大、平均）、
◆力矩稳定性系数、
◆制动效率系数、
◆平均摩擦力矩、
◆单位能载、
◆减速率、
◆磨损率等摩擦性能数据。

6.所具备的技术参数指标：

①轴向压力： 0.2～6 MPa
②主轴转速： 500～10000r/min
③惯量配置： 0.0098～4.5 kg㎡
④摩擦力矩测量范围 0～150Nm
⑤制动温度测试 常温～1200℃

四、模拟制动试验结果对比：

通过机械模拟制动过程，采用系统工程分析方法及相似原理，对所测试的摩擦性能与实物试车及实际使用效果进行对比

五、模拟制动试验结论；

1.在试验室MM1000型系列摩擦磨损性能试验机上，应用了机械模拟制动采用系统工程分析方法及相似原理，模拟出实际摩擦副的单位功、制动压力、制动初速度、几何重叠系数、材质性能和组织结构及表面和介质等参数，对所测试的摩擦性能与实物试车及实际使用效果复合等很理想。

2.大量试验及应用证明上述的模拟试验方法，其原理正确，结构合理，所应用先进的检测技术，结合刹车制动材料应具备的工况特性进行摩擦试验，依照其工作状态进行模拟制动，测试数据精确可靠，重复性好，实现了实验室条件下小样缩比模拟制动试验的功能要求。

六、科学性和实践性

我国自主品牌小样缩比模拟制动惯性试验机——全自动控制的MM1000型系列摩擦磨损性能试验机，遵循了小样缩比模拟制动惯性试验原理，建立了模拟制动的试验方法，应用了全自动控制技术，实现了实验室条件下小样缩比模拟制动试验的功能。应用了多元相似原理模拟实际工况完成了（惯性制动）热冲击刹车试验的功能. 该检测设备不但具备了髙速、髙压、低速、低压、变速、变压、变温等技术条件下的测试功能，完成了摸拟飞机、坦克、火车、汽车、轨道列车等重载大惯量等制动工况进行的摩擦材料的摩擦、磨损、热负荷、及可靠性的试验研究要求，以材料可承载的最大负荷完成各种试验项目和极限试验功能；对于全部试验参数的采集频率高、采集精度高、采集速度快、采集数量大都较之所有试验机、试验台无以比拟的，实现采控一体化，能与计算机通讯完成数据的转存和试验机的监测系统。全系统在全自动控制实验过程中有安全警示、有过载保护能力，以专用控制程序完成全系统控制指令，试验参数任意设置，测试数据随机采集，测试软件参数完全放开可设置，试验曲线坐标随试验条件变化，在整亇制动曲线中反映出实验全过程绘制的七条曲线并记录其任一瞬间的压力、转速、扭矩、温度值，即可计算出这一状态下的.动、静摩擦力矩；动、静摩擦系数、；摩擦功、；磨损率、减速率、摩擦温升、刹车力矩、刹车稳定系数、刹车效率系数、单位面积吸收功、能量密度、最大功率密度和能量负荷许用值等试验数据，并可得到一次刹车过程中所有任意瞬间的数据对比资料。

遵循了机械模拟相似的原理完成热冲击（刹车）试验，实现了实验室条件下小样缩比模拟制动试验的功能要求，它集机、电、气技术和传感器技术、变频调速技术、现代工业控制技术、计算机应用技术为一体，成功的实现了摩擦材料性能测试自动化，完成10个系统的自动化控制。

结论：

通过以上的讨论，验证了MM1000—Ⅱ系列摩擦磨损性能试验机完全能够通过在实验室条件下以小样缩比模拟制动的试验，获得与实际工作状况一致、与台架试验的数据对应性好，有指导科研、生产的应用作用，它适用于所有制动材料的性能测试，包括对干式、湿式两大类摩擦材料的摩擦磨损特性进行全方位、多功能的程序化自动控制试验 ，它用于飞机机轮用摩擦材料、火车闸瓦用制动材料、汽车用摩阻材料、船舶用摩擦材料、工程机械用摩擦材料，如：金属；非金属；干、湿式烧结金属；碳/碳复合材料；金属/陶瓷复合材料、碳碳/陶瓷复合材料；树脂型复合材料以及湿式纸基、橡胶基等摩擦材料进行的其它试验机均无法实现的热冲击惯性刹车试验。在不同承载、不同车型、不同的工况条件下所反映的制动性能、摩擦性能、以及连续强制动状态下的衰减性能、破坏极限状态等系列性能的反映、完全模拟了制动过程中的实际工况，以不同速度、不同承载能量,在设定时间内，完成刹车制动的要求，用实际能载缩比，配置惯量和制动初速度，模拟出飞机、军用车辆、火车、汽车、船舶、轨道交通、工程机械等特定条件下对制动材料应具备的摩擦特性，它测试的摩擦材料特性值是制动全过程中任一点的瞬间值，是动态下的模拟量，这种科技含量超前的试验机,提高了国际竞争力,打出中国特色的试验机品牌。使在实验室条件下进行小样模拟制动试验的检测技术达到了国内外领先水平。

作者单位简介：

西安顺通机电应用技术研究所

西安顺通机电应用技术研究所，是原西安市机械研究所派生的单位，一直从事应用技术的科研工作，为生产实践服务创立了良好的业绩。产品遍及全国并已进入国际市场。本企业技术力量雄厚，科研开发超前，已通过ISO9001；2008质量管理体系认证，产品通过国家MA认证和技术质量鉴定，是专业从事摩擦材料全自动化控制的小样缩比模拟制动惯性试验机和惯性试验台测试设备的开发、科研和生产单位。

西安顺通机电应用技术研究所生产的小样缩比模拟制动惯性试验机和惯性试验台遵循了机械模拟相似的原理完成热冲击（刹车）试验，实现了实验室条件下小样缩比模拟制动试验的功能要求，它集机、电、气技术和传感器技术、变频调速技术、瞬间值测试技术、现代工业控制技术、计算机应用技术为一体，成功的实现了摩擦材料性能测试自动化，它涉及到航空、航海、飞机、火车、轮船、汽车、石油钻井、工程机械及轨道列车等摩擦材料各个行业。