矿井提升机制动闸瓦磨损机理研究

一、引言

矿井提升机承担着人员、物料垂直运输任务，其制动系统需在紧急工况下实现可靠停机。制动闸瓦通过与制动盘表面摩擦产生制动力矩，但摩擦过程中不可避免的磨损会导致接触面积减小、制动力衰减，甚至引发制动失效。传统研究多聚焦于磨损量的宏观统计，对磨损过程中材料微观结构演变及多场耦合作用机制缺乏系统性分析。

二、闸瓦磨损的物理机制

2.1 摩擦学行为与磨损类型

闸瓦与制动盘间的摩擦行为属于典型的干滑动摩擦，其磨损过程是机械磨损、热磨损及化学磨损三重机制共同作用的结果。机械磨损主要源于接触表面微凸体对材料的犁削作用，导致材料以微小颗粒形式从本体剥离；热磨损则由摩擦产生的高温引发，当温度超过材料临界阈值时，会促使材料软化、发生相变或氧化反应，改变材料内部结构；化学磨损则涉及摩擦界面与环境中氧、水分等活性物质的化学反应，生成氧化层或腐蚀产物层，进一步加剧材料损耗。研究表明，当制动速度突破临界值后，热磨损成为主导因素，材料表面因持续高温产生热裂纹，裂纹扩展后最终导致片状剥落，显著影响制动性能与寿命。

2.2 磨损过程中的多场耦合效应

制动过程中，接触区温度急剧攀升至 300^∘C 以上，高温环境引发多重磨损诱因：闸瓦材料与制动盘因热膨胀系数差异，接触界面产生不协调形变，导致接触应力发生动态重分布，局部应力激增；高温破坏摩擦界面润滑膜的完整性，使润滑效能丧失，直接暴露的粗糙表面相互啮合，摩擦系数大幅攀升，加剧材料损耗；若制动盘表面粗糙度（Ra 值）与闸瓦硬度不匹配，微凸体相互作用将导致应力过度集中于局部区域，引发疲劳裂纹萌生与扩展。实验数据显示，当制动盘 Ra 值超过 1.6μm 时，闸瓦磨损率增幅超 40% ，显著缩短部件使用寿命。

2.3 磨损演变规律

闸瓦磨损过程呈现阶段性演变特征，可划分为磨合期、稳定磨损期及剧烈磨损期三个典型阶段。磨合期内，闸瓦与制动盘接触界面通过微凸体塑性变形与材料迁移，逐步实现真实接触面积的动态扩展，形成稳定接触形态；稳定磨损期磨损速率主要受材料热稳定性与微观组织抗劣化能力制约，磨损过程呈现准线性特征；剧烈磨损期因材料内部晶界弱化、相结构退变及热裂纹网络贯通，导致磨损抗力急剧衰减，磨损率呈现指数级跃升。典型闸瓦在经历约 10 万次制动循环后，材料性能退化至临界阈值，进入剧烈磨损阶段，此时需及时更换部件，否则将引发制动力矩骤降、制动振动加剧等重大安全隐患。

三、材料特性对磨损的影响

3.1 摩擦材料组分与性能关联

现代闸瓦多采用半金属基复合材料，其配方中钢纤维含量直接影响热导率与抗剪强度。高钢纤维含量（ >40% ）可提升热传导效率，但会降低材料韧性，增加热裂纹敏感性。铜基粉末冶金材料通过添加石墨、二硫化钼等固体润滑剂，可在高温下形成自润滑膜，使摩擦系数波动范围缩小至±0.05 以内。

3.2 微观组织与磨损抗力

材料显微组织中硬质相分布决定磨损抗力，碳纤维增强复合材料中，碳纤维取向与摩擦方向平行时，抗犁削能力提升 60% ，但垂直取向易引发纤维断裂。烧结金属陶瓷材料通过控制晶粒尺寸至亚微米级，可抑制裂纹扩展，使磨损率降低至 0.02mm³/MJ 以下。

3.3 环境适应性设计

针对高湿环境，需采用疏水型树脂基体以避免水分渗透导致的摩擦系数衰减。在含硫矿井中，需添加 MoS₂ 或 WS₂ 等抗腐蚀润滑剂，防止材料表面生成腐蚀产物层。对于极端温度工况（-40℃ \~150℃），需开发具有负温度系数摩擦系数的材料体系，确保全温度范围内制动力矩稳定。

四、结构参数对磨损的影响

4.1 接触几何参数优化

闸瓦与制动盘间隙对磨损分布具有显著影响，间隙过小时，制动初期接触应力集中于闸瓦边缘，导致偏磨。间隙过大时，制动响应时间延长，接触区温度梯度增大。研究建议将初始间隙控制在 1.0～1.2mm ，并采用锥形补偿结构自动修正磨损引起的间隙变化。

4.2 散热结构设计

散热肋片高度与间距的匹配关系直接影响散热效率，数值模拟表明，当肋片高度为 5mm 、间距为 8mm 时，对流换热系数提升 35% 。在闸瓦背部设置导热铜基板，可将热流密度均匀化，使局部热点温度降低 50% 以上。

4.3 动态载荷响应特性

制动过程中，闸瓦承受冲击载荷与交变载荷双重作用。通过有限元分析发现，在制动盘端面跳动量超过 0.1mm 时，闸瓦表面接触应力波动幅度达 30% ，易引发疲劳裂纹。采用浮动式闸瓦托结构，可自动补偿制动盘轴向窜动，使接触应力波动范围缩小至 ±5% 。

五、磨损控制与寿命优化策略

5.1 材料 - 工艺协同优化

通过粉末冶金工艺构建成分 - 组织梯度结构，使闸瓦表面层经高碳合金化与致密化处理后硬度较基体提升 20%～30% ，形成“外硬内韧”结构，表面高硬度层抵御犁削磨损，内部韧性基体缓冲冲击载荷，兼顾抗磨与抗裂性能。激光熔覆技术制备的 WC-Co 硬质涂层凭借高硬度碳化钨颗粒与钴基粘结相的协同作用，将磨损率压制至 0.01mm³/MJ 以下，但需严格将涂层厚度控制在 0.3mm 以内，以避免热应力引发的涂层开裂与剥落，确保界面结合强度与服役稳定性。

5.2 智能监测与预测维护

集成光纤光栅传感技术的智能监测系统通过多物理量融合感知与深度学习预测，构建了制动闸瓦全生命周期健康管理闭环。光纤光栅传感器凭借其抗电磁干扰、高灵敏度及分布式监测优势，可同步采集闸瓦表面温度场（分辨率 ±0.5% ）与接触应力动态（精度 ±0.2MPa ），当监测到局部温度超过 280% （材料热劣化临界阈值）时，智能控制模块自动启动水冷-风冷复合冷却系统，通过冷却液流量与风速协同调节，使热点温度在 15秒内回落至安全区间。基于LSTM 神经网络的磨损预测模型融合制动频次、环境温湿度及动态载荷谱特征，通过时间序列记忆单元捕捉磨损非线性演化规律，预测结果与实际磨损量偏差稳定在 ± 7.5% 以内，为预防性维护提供精准决策依据。

5.3 系统级优化设计

双冗余制动系统通过主备协同机制与智能控制策略显著提升制动可靠性及耐久性，系统采用主制动单元与备用单元并行架构，当主制动闸瓦因长期磨损达到材料性能衰减极限（如剩余厚度 <5mm 或摩擦系数衰减超15% ）时，压力传感器与行程监测模块自动触发备用系统无扰切入，实现制动力的无缝衔接。液压伺服系统基于电液比例阀实时调节闸瓦压力，结合压力闭环反馈算法，使接触应力动态匹配工况需求，避免因过载或欠载导致的局部磨损加剧。自适应控制算法通过融合载荷谱、温度场及速度信号，动态优化制动曲线斜率与驻车时序，使磨损速率较传统系统降低30%～45% ，有效延长部件服役周期。

结束语

本文从磨损机理、材料特性、结构参数及系统优化四个维度，系统阐述了矿井提升机制动闸瓦的磨损控制方法。研究结果表明，闸瓦磨损是材料微观结构演变、接触应力分布及环境因素共同作用的结果。通过材料改性、结构优化及智能监测技术的协同应用，可显著提升制动系统的可靠性与寿命。未来研究需进一步聚焦新型耐磨材料开发、多物理场耦合仿真及全生命周期健康管理，为矿山安全生产提供更高水平的技术保障。

参考文献

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