测量空气中磨损颗粒的盘式制动器试验台

测量空气中磨损颗粒的盘式制动器试验台摘要在制动过程中，转子和制动片都有磨损。这个过程可能产生散布在空气中的颗粒。 在现场测试中，难以在周围环境中区分这些颗粒。因此，该研究设计了一个实验室测试台。可以控制周围空气的清洁度。测试台由安装在密封室中的前右制动器组件组成。通过气动系统施加制动负荷，并且已经用锈层预处理模拟在潮湿环境中停放过夜的车辆的转子由电动机驱动。然后测量机载磨损颗粒的数量和尺寸。该实验装置已经通过在低制动负载下执行的系列初始测试的验证。结果表明，该试验台可用于从转子中去除锈层的研究。关键词：磨损 空气中的颗粒物 盘式制动器 试验台 锈层介绍许多研究表明，大气中颗粒的浓度对健康有不利的影响。在城市环境中，空气中的颗粒可以来自不同的来源，例如拆迁和施工、道路粉尘，车轮和轨道接触，车对路面接触以及盘式制动器的制动。在制动期间，刹车片和转子都有磨损，产生磨损颗粒。这些颗粒中的一些会沉积在制动器上，而其它颗粒就会在空气传播。此外，为了确保制动性能的稳定，一些制动系统可能需要制动片经常与转子低压接触。这种接触可能会除去转子中在潮湿的环境中停留过夜所产生的锈层，并保持接触表面清洁。然而，所产生的拖曳扭矩会增加燃料的消耗并产生磨损颗粒，因为在锈层被去除之后制动片仍然会与转子接触。因此，我们期望能够减少这种接触而不影响制动器的性能。在现场测试中测量空气中的刹车颗粒时，可能难以将其与其他由交通产生的气溶胶区分开来。 因此，可以优选使用允许控制周围空气的清洁度的实验室测试。虽然已经建立了几个测试台来研究制动片和转子的磨损和摩擦，但很少有研究致力于磨损颗粒上。在实验室试验台中，可以控制周围空气的清洁度，从而更准确地研究制动产生的磨损颗粒。 考虑到这一点，实验室试验台就是设计用于测量由盘式制动器产生的空气中磨损颗粒的数量和尺寸。本文的目的是描述该试验台，并提出第一个系列试验的结果以验证实验设置。这些测试致力于在低制动负载下的锈层去除。实验装置在该试验台中，使用的是来自客车的右前制动组件。右前制动器组件包括转向节，车轮轴承和盘式制动器组件。盘式制动器组件又由通风转子，具有单个活塞的滑动卡钳和两个制动垫片组成（图 1） 。 指侧刹制动片包括 K 型热电偶，其用于测量指侧制动片与转子接触附近的温度。图 2 给出了试验台的示意图。额定转矩为 191 Nm 的直流电动机（ K）驱动转子，连接到右前制动组件（H）的气动系统（ M）是用于应用受控的制动负载。当制动器作用时，马达继续以固定的转速驱动系统，即测试系统同时进行节流和制动。驱动轴（L）将转矩从电动机依次传递到车轮轴承，轮毂轴承和旋转圆盘。电动机和驱动轴是通过固定联轴器相连接，车轮轴承和驱动轴是通过花键联轴器连接。转向节安装在悬挂装置上。密封室（G）将右前制动器组件与周围环境密封隔绝。电动机与两端的轴承平衡。使用校准的应变力传感器的示值乘以距离电机中心的距离来测量电机上的扭矩，精度为2.2。盘的旋转速度由车轮轴承内置的霍尔效应传感器测量，每转 48 个脉冲。气动系统在制动液压缸中产生高达 4 bar 的受控低压水平。通过靠近制动缸入口的校准压电传感器测量压力水平，精度为0.5。来自转速传感器，力传感器和压力传感器的信号连接到 HBM Spider 8 放大器（HBM Germany, Darmstadt, Germany） ，后者又连接到计算机以存储测量数据。 图 1.具有单个活塞浮动卡钳和通风转子的盘式制动器组件图 2.测试系统示意图。 A，室内空气；B，风扇；C，流量测量; D，过滤器；E，柔性管；F，清洁空气入口； G，密封腔； H，前右制动总成；I，混合后的室内空气； J，出气口，测微点仪等；K，电机；L，驱动轴；M，气动系统。图 3.密封腔内的照片。（a）照片显示清洁空气和前右制动器总成的入口。（b）照片显示连接到颗粒仪器的试管的出口。前右制动器组件，转向节的悬挂装置和驱动轴被安装在密封腔中。该腔用于控制进入其中空气的清洁度。图 3 显示了在腔内拍摄的照片。风扇（B）通过流量测量系统（C ）和过滤器（D）从空间（A）中取出空气，并通过进气口（ F）将其通入密封腔（G ） 。风扇和测量系统，测量系统和过滤器以及过滤器和腔通过柔性管（E）连接。在本测试系列中，从测量系统到腔的所有连接都被密封以防止泄漏。泄漏不会影响测试，因为管内的气压高于外面的气压。然而，泄漏将改变测量时的空气流速，这将影响颗粒测量。在室内，由于前右制动器组件的体积复杂，空气交换率非常高，空气混合得很好（I） 。这种混合也通过在测试期间测量的平滑浓度来验证。室中的空气将产生的颗粒输送到空气出口（J） ，空气出口（J）是用于颗粒测量的采样点。用于测量颗粒的主要仪器是 GRIMM 1.109 气溶胶光谱仪（GRIMM Technologies，Inc.，Douglasville，GA，USA ） 。该光学粒子计数器以 31 尺寸的间隔测量0.25 至 32m 的空气中的颗粒，并且以 72Lh-1（0.02L / s-1）的样品流速测量 1 至 210 6个颗粒 L-1 的浓度。颗粒浓度每 6 s 储存一次。因为光学颗粒计数器对颗粒的形状和折射率敏感，所以测量的颗粒尺寸和数量分布是近似的。第二粒子仪器是 P-TRAK 计数器（TSI Instrumets Ltd.，Buckinghamshire，UK） 。这种凝结核对抗了空气中颗粒的数量浓度在 0.02和 1m 之间。对于两个极限，给出计数的 50截止值，即两个极限定义为计数效率（相对于实际颗粒数的颗粒数的计数）已降低到 50的大小。上限和下限之间没有尺寸分辨率，每秒存储一次颗粒浓度。第三颗粒仪器是 Dust Track 气溶胶监测器（TSI Instrumets Ltd.，Buckinghamshire，UK） ，其报告质量浓度为 mg -3 级别。该仪器还基于光散射，并且可以测量对应于可呼吸尺寸，PM10，PM2.5 或 PM1.0 尺寸的颗粒浓度。它用密度为 2650 kg m-3 的固体颗粒进行校准。在没有任何预除尘器的情况下，将其用于这些实验中以测量 0.1至 10m 的颗粒尺寸。质量浓度每 5 s 储存一次。该仪器用不同尺寸分布，密度和折射率的标准测试灰尘进行校准，这比测量的颗粒大。因此，尽管该仪器的输出只能用作相对测量，但是可以看到生成的粒子质量随时间的变化，这一点是有用处的。流量测量系统由直线校准管组成，具有用于总压力和静压力的独立连接。这些使用普通的 U 型管型压力计来测量。进行 2 至 50 m3 h -1 的流量间隔的校准。用于确定无颗粒进口空气的过滤器是 H13 级（根据标准 EN 1822） ，其最大穿透粒径的认证收集效率为99.95。测试计划为了验证使用该试验台可以测量从制动片到转子接触产生的空气传播磨损颗粒的数量和尺寸，运行初始试验系列。 使用一对低金属制动片和一对非石棉有机（NAO）制动片与铸铁转子一起使用，并在静止负载条件下（即制动缸压力和转子的转速恒定）下进行测试。测试条件旨在模拟在潮湿环境中过夜停泊的客车。 转子生产时就有防锈层处理。为了磨损该层，在试验前，转子和制动片在 1 巴的固定气缸压力和 600rpm 的转速下磨损 12 分钟。经过这个磨合期后，转子上大部分的防锈层都磨损了。 此后，将转子放置在具有潮湿空气（20，80大气湿度）的气候室中 8 小时，以在其接触表面上形成锈层。两种类型的制动片分别在三种不同的制动缸压力水平下进行三次试验：1.2,1.7 和 2.2巴。对于每个试验，将转速设定为 600rpm 的稳定水平，施加稳定的制动负荷 6 分钟。所有的测试均从室温开始。将用于使测试室中产生恒定气流的风扇设置为 33 m3 h-1 的流量，这会使所有测试期间的空气交换率大致为 144h-1。在试验开始之前和试验完成后，通过测量腔室出口中的颗粒浓度，验证密封室内的空气是无颗粒的。在这两种情况下，测量的颗粒浓度近似为零。测量的扭矩包括从电机到转子的变速器中的摩擦损失。为了获得该条件，每次测试运行 1 分钟，在施加气动制动负载之前制动片和转子之间不接触。在施加制动缸压力的同时，以 1200Hz 的采样频率测量转子的转速，制动转矩和制动缸压力。 指侧制动片温度以 3Hz 采样。在测试中，颗粒浓度由 GRIMM 仪器每 6 秒储存一次，由 P-TRAK 仪器 5 秒储存。质量浓度由 DustTrak 仪器每 5 秒储存一次。测试结果制动扭矩和手指侧制动片温度如图 4 所示。在制动缸压力为 1.2 巴时，NAO 制动片和低金属制动片的制动力矩在前 20 秒内大致为零，然后分别增加到大约 3 和 11 Nm 的稳定水平。在 1.7 巴的中间压力水平下，在扭矩增加并达到更高的稳态水平之前，两种制动片似乎在开始 20 秒都是在低扭矩水平。在 2.2 巴的制动油缸压力水平下，NAO 制动片测得的扭矩增加到 23 Nm，而低金属制动油盘扭矩则迅速增加至约 38 Nm。总体来说，正如预期的那样，对于更具腐蚀性的低金属制动片，制动转矩更高。在所有测试中，指侧制动片温度由于摩擦加热而升高。对于这两种类型的制动片，指侧制动片温度曲线的斜率在较高的制动缸压力水平下更陡。对于所有制动气缸压力水平，NAO 型制动片的指侧制动片温度似乎线性增加。相反，低金属型制动片的温度斜率随时间而变化，似乎与制动转矩的变化相关。在最低压力水平下，NAO 垫的指侧制动片温度的增加较小。请注意，图 4 中的制动力矩对于在没有施加压力下测量的转矩进行校正，并且转子和制动片之间无接触。它也使用平均 200 点的移动过滤器进行过滤。图 4.测试期间的制动扭矩和指侧垫温度。左侧的两个图（a，c）是非石棉有机（NAO）制动片，右侧的两个图（b，d）是低金属制动片为了简单起见，将测量的颗粒浓度分为粗颗粒分数（测量直径在 1 和 10m 之间的颗粒）和细颗粒分数（测量直径小于 1m ） 。图 5 显示了由 GRIMM 颗粒仪测量的由 NAO和低金属制动片产生的空气传播磨损颗粒的浓度。对于所有试验运行，可以观察到粗颗粒浓度的峰值。颗粒浓度峰值高达峰值后记录的颗粒浓度的 5 倍。请注意，在制动气缸压力为 1.2 巴时，NAO 型刹车片还有一个峰值。在所有的试验运行中，微粒浓度大致相同。从图 5 中可以看出，细颗粒的总数比起始峰之后产生的粗颗粒的数量高达 100 倍。当转子在第一分钟内开始旋转并没有任何施加的载荷时，似乎有些颗粒变成空气传播的。这可能是因为一些颗粒被通风转子的气流旋转了起来。NAO 和低金属制动片的间隔 1-2.5,2.5-7 和 1-7 分钟的平均粒子浓度如图 6 所示。通过 DustTrak 仪器测量的空气传播磨损颗粒的质量浓度和由 P-TRAK 仪器测量的气载磨损颗粒的颗粒浓度可以在图 6 中看到。图 5.由 GRIMM 仪器测量的空气传播磨损颗粒的粗细和细分的颗粒浓度。左侧的两个图（a，c）是非石棉有机（NAO）制动片，右侧的两个图（b，d）是低金属制动片。图 7 给出了低金属制动片的平均化粒度分布，图 8 给出了 NAO 制动片的平均化粒度分布，均由 GRIMM 粒子仪器测量。对于上面两个图，平均浓度取自 1 至 2.5 分钟，其中粗颗粒浓度为峰值。对于下面两个图，平均浓度取自 2.5 至 7 分钟之间（即峰值后） 。 对于 NAO 和低金属制动片，1 和 2.5 分钟之间的平均分布最大为 3m 左右。在所有试验运行 2.5 分钟后，峰值在 1.2 巴汽缸压力下的 NAO 制动片除外，其余的测试在大约0.28,0.35,0.6,2 和 3m 的颗粒尺寸下具有最大的空气中的颗粒浓度。注意，产生的大部分空气中的颗粒是细小颗粒。如图 1，盘式制动器组件装配有单个活塞浮动卡钳和通风转子。表 I 中列出了用于标准化粒度分布曲线的总颗粒浓度。图 6.空气传播磨损颗粒（DustTrak）的质量浓度和（P-TRAK）颗粒浓度。左侧的两个图（a，c）是非石棉有机（NAO）制动片，右侧的两个图（b，d）是低金属制动片。图 7.用 GRIMM 仪器测量的低金属制动片的平均化粒度分布。左侧的两个图（a，c）是精细粒度，右侧的两个图（b，d）是粗粒度。图 8.使用 GRIMM 仪器测量的非石棉有机制动片的平均化粒度分布。 左侧的两个图（a，c）是精细粒度，右侧的两个图（b，d）是粗粒度。表 I.使粒度分布标准化的颗粒浓度（10 8粒子 m-3） 。非石棉有机 低金属气缸压力（巴）12.5min 2.57min 12.5min 2.57min1.2 1.0 1.5 1.9 1.71.7 0.8 0.9 1.4 1.02.2 1.4 1.6 1.9 1.6表 II.对于非石棉有机（NAO）和低金属制动片，来自 GRIMM（10 9粒子 m-3）的在时间间隔 1-2.5,2.5-7 和 1-7 分钟的平均粒子浓度。非石棉有机 低金属气缸压力（巴）12.5min2.57min17min12.5min2.57min17min1.2 5.6 8.0 6.8 10.2 8.7 9.51.7 4.1 4.6 4.3 7.5 5.2 6.32.2 7.4 8.0 7.7 10.4 8.2 9.3讨论所有的测试在空气中的颗粒浓度上显示出大约 0.35m 的最大值（见图 7a 和 7c 以及8a 和 8c） 。 Mosleh 等人在不同测试条件下用制动材料进行了针盘测试，呈现了在过滤器上收集的磨损颗粒的尺寸分布。他们还注意到在 0.35m 处的尺寸分布峰值，与接触压力和滑动速度无关。在图 7 和图 8 中，也可以发现在 0.6m 左右的峰值。 对于所有测试运行，可以看到粗略部分的颗粒浓度的独特峰值。 该峰值比该峰值后产生的空气传播磨损颗粒数大 5 倍。 Iijima 等人在使用制动测功机测量 NAO 制动片的制动器灰尘的测试中，也注意到在 0.7m 左右的尺寸分布峰值。在施加的制动缸压力为 1.2 和 1.7 巴时，制动器扭矩在头 20 秒在恒定水平上，然后增加至更高的水平稳定。在 2.2 巴制动缸压力的试验中，制动转矩几乎立即趋于稳定水平。这些结果的一个可能的解释是，初始稳定水平代表去除锈层的时间。因此，可以将粒子测量结果与扭矩测量值一起用作氧化物去除的指标。对这一现象的评估需进一步测试。在生锈层被磨损后，由 NAO 和低金属制动片产生的空气传播磨损颗粒（表 II）的平均浓度大致相同。然而，在去除锈层期间，低金属制动片的要高 2 倍。总体而言，低金属制动片的平均粒子浓度略高于 NAO 制动片。验证这些结果需要进一步的测试，但结果与Sderberg 等人的针盘测试结果一致，其中更具腐蚀性的低金属制动片针对铸铁盘比 NAO制动片产对铸铁生更多的磨损和更多的空气中的颗粒。这两个结果显示出了对于产生空气传播磨损颗粒的不同制动片到转子材料组合能力的排列。此外，对于 NAO 和低金属制动片（图 8b 和 8d）在 1 和 2.5 分钟之间的平均粒子分布，在 3m 附近的粗粒子浓度最大值为峰值。在所有试验中 2.5 分钟后，该峰值变小，除了在0.2 巴气缸压力下的 NAO 制动片。这可能意味着在测试期间锈层不会磨损（即该压力可能不足以从转子除去锈层） 。 因此，如果进一步的测试表明可以使用颗粒和扭矩测量作为氧化物去除的指标，则该测试台可用于研究在不同低压水平下清洁转子锈层所需的滑动距离。在测试前用道路盐对转子做预处理也是有意义的。通过 DustTrak 仪器测量的质量浓度曲线（图 6a 和 6b）与 GRIMM 仪器测量的颗粒浓度曲线（图 5a 和 5b）的形状相类似。由 PTRAK 仪器测量的 NAO 制动片（图 6c）的颗粒浓度曲线的形状与 GRIMM 仪器测量的颗粒浓度曲线（图 5c）的形状一致。对于低金属制动片，使用 GRIMM 测量的曲线形状（图 5d）与 P-TRAK 仪器测得的颗粒浓度（图 6d）不一致。这可以通过 P-TRAK 从 0.02m 计数颗粒，而 GRIMM 的下限为 0.25m 来解释。因此，如果产生粒度小于 0.25m 的空气传播磨损颗粒，则 P-TRAK 将记录的颗粒浓度将更高。请注意，DustTrak 仪器测量质量浓度，这意味着小粒径对质量浓度水平的影响将很小。因此，可以将其与 GRIMM 测量的粗粒子浓度曲线的形状进行比较。没有一个粒子仪器对粒子进行实际的几何测量。在以后的测试系列中，磨损颗粒将被收集在过滤器上进行几何分析。由这些过滤器捕获的颗粒的分析还可以分别指出来自转子和来自制动片的磨损颗粒的数量。转子和制动片之间的摩擦是制动行为的重要因素，因此估计摩擦系数是有必要的。为了计算摩擦系数，必须知道转子和制动片之间的有效半径。 （有效半径是指作用单个力便可在制动器上产生相同扭矩的径向位置。 ）Antanaitis 和 Sanford 使用 Tekka 压电压力仪来测量转子和制动片之间的接触面积和压力分布，并计算有效半径。该仪器在测试之前和之后均可使用，来估计有效半径，从而计算出摩擦系数该测试台是在稳定的负载条件下运行的。将测试台扩展到更现实（瞬态）制动状态是有意义的。这可以通过控制来自气动系统的压力和电动机的转速来模拟典型的制动状态来实现。此外，必须通过与现场测试的比较来验证该测试台的有效性。结论组件级测试台是设计用来在稳定的负载条件下能够对制动片与转子间接触产生的空气传播颗粒的数量和尺寸进行测量。来自初始测试系列的结果表明，该测试台可用于进行从转子中去除锈层的研究。 结果还显示出对来自不同制动片/转子材料组合的颗粒的数量和尺寸分布进行排序的能力正如预期的一样。所有测试都反映出直径约 0.35m 的颗粒的颗粒浓度是最大的，大部分空气中的颗粒的直径均小于 1m。参考文献1. Katsouyanni K, Touloumi G, Samoli E, Gryparis A, Le Tertre A, Monopolis Y, Rossi G, Zmirou D. Confounding andeffect modification in the short-term effects of ambient particles on total mortality: results from 29 European cities withinthe APHEA2 project. Epidemiology 2001; 12(5):521531.2. Samet JM, Dominici F, Curriero FC, Coursac I, Zeger SL. Fine particulate air pollution and mortality in 20 U.S. cities19871994. The New England Journal of Medicine 2000; 343(24):17421749.3. Pope CA, Burnett RT, Thun MJ, Calle EE, Krewski D, Ito K, Thurston GD. Lung cancer, cardiopulmonary mortality, andlong-term exposure to fine particulate air pollution. JAMA: The Journal of the American Medical Association 2002;287:11321141.4. Querol X, Alastuey A, Ruiz CR, Artiano B, Hansson HC, Harrison RM, Buringh E, Ten Brink HM, Lutz M, BruckmannP, Straeh P, Schneider J. Speciation and origin of PM10 and PM2.5 in selected European cities. Atmospheric Environment2004; 38:65476555.5. Gehrig R, Hill M, Buchmann B. Separate determination of PM10 emission factors of road traffic for tailpipe emissionsand emissions from abrasion and resuspension processes. International Journal of Environment and Pollution 2004;22(3):312325.6. Seaton A, Cherrie J, Dennekamp M, Donaldson K, Hurley J, Tran C. The London underground: dust and hazards to health.Occupational and Environmental Medicine 2005; 62(6):355362.7. Branis M. The contributions of ambient sources to particle pollution in spaces and trains of the Prague underground transportsystem. Atmospheric Environment 2006; 40(2):348356.8. Abu-Allaban M, Gillies JA, Gertler AW, Clayton R, Proffitt D. Tailpipe, resuspended road dust, and brake-wear emissionfactors from on-road vehicles. Atmospheric Environment 2003; 37(37):52835293.9. Weckwerth G. Verification of traffic-emitted aerosol components in the ambient air of Cologne (Germany). AtmosphericEnvironment 2001; 35(32):55255536.10. Sanders PG, Xu N, Dalka TM, Marico M. Airborne brake wear debris: size distributions, composition of dynamometerand vehicle test. Environmental Science 37(18):40604069.11. Loug G, Schaur JJ, Soopark J, Shafer M, Deminter J, Weinstein J. Emission of metals associated with motor vehicle roadways. Environmental Science 39(3):826836.12. Blau PJ, Meyer HM III. Characteristics of wear particles produced during friction tests of conventional and unconventionaldisc brakes materials. Wear 2003; 255(712):12611269.13. Garg DG, Cadle SH, Mulawa PA, Groblicki PJ. Brake wear particle matter emission. Environmental Science 43(21):44634469.14. Peters TM, Ott D, OShaughnessy PT. Comparison of the GRIMM 1.108 and 1.109 Portable Aerosol Spectrometer to theTSI 3321 Aerodynamic Particle Sizer for Dry Particles. Annals of Occupational Hygiene 2006; 50(8):843850.15. Liu Y, Daum PH. The effect of refractive index on size distributions and light scattering coefficients derived from opticalparticle counters. Journal of Aerosol Science 2000; 31(8):945957.16. Zhu Y, Yu N, Kuhn T, Hinds W. Field comparison of P-TRAK and condensation particle counters. Aerosol Science andTechnology 2006; 40(6):422430.17. Cheng YH. Comparison of the TSI model 8520 and GRIMM series 1.108 portable aerosol instruments used to monitorparticulate matter in an iron foundry. Journal of Occupational and Environmental Hygiene 2008; 5(3):157168.18. Mosleh M, Blau PJ, Dumitrescu D. Characteristics and morphology of wear particles from laboratory testing of disc brakematerials. Wear 2004; 256(1112):11281134.19. Iijima A, Sato K, Yano K, Kato M, Kozawa K, Furuta N. Emission factor for antimony in brake abrasion dusts as one ofthe major atmospheric antimony sources. Environmental Science 42(8):29372942.20. Sderberg A, Wahlstrm J, Olander L, Jansson A. On airborne wear particles emissions of commercial disc brake materials:a pin on disc simulation. TRITA-MMK 2008:20/ISSN 1400-1179/ISRN/KTH/MMK/R-08/20-SE, Stockholm 2008.21. Antanaitis D, Sanford J. The effect of racetrack/high energy driving on brake caliper performance. SAE Brake Technology2006; SAE 2006-01-0472 in SP-2017.