CN104583110B - 具有耐磨金属泡沫制动衬垫的摩擦制动组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制动组件和一种用于制造制动组件的方法。所述制动组件包括贴附到基底的制动衬垫。所述制动衬垫从所述基底延伸至制动衬垫摩擦表面，并且包括具有硬化陶瓷颗粒的耐磨多孔金属泡沫。
Description
技术领域
本公开一般涉及一种摩擦制动系统，并且更详细而言，涉及一种用于摩擦制动组件的制动衬垫。
背景技术
用于电梯的典型线性制动系统包括多个制动启动系统和多个电梯制动组件。制动启动系统附接到电梯轿厢，所述电梯轿厢沿着至少一个电梯轿厢导轨而在井道内垂直移动。每个电梯制动组件可以包括贴附到金属楔形制动蹄片的固体金属制动衬垫。制动衬垫的摩擦表面可以啮合于导轨的各个相反摩擦表面，从而在紧急和/或超速情况下减慢或停止电梯轿厢和导轨之间的相对垂直移动。术语“超速”在本文中用来描述相对垂直移动的速度大于(例如)电梯额定速度125%的情况。
摩擦表面之间的啮合可能使制动衬垫和导轨经受相对高的温度。这些高温可能导致制动衬垫与导轨熔接在一起(例如，焊接到导轨)，这可能显著增加每次使用之后重置线性制动系统所需的成本和时间。高温以及制动衬垫磨损也可能降低这类固体金属制动衬垫的摩擦系数，这又可能显著增大电梯轿厢制动距离。
发明内容
根据本发明的方面，提供一种制动组件，其包括贴附到基底(例如像制动蹄片或承板)的制动衬垫。所述制动衬垫从所述基底延伸而形成制动衬垫摩擦表面，并且包括耐磨多孔金属泡沫。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制造制动组件的方法。所述方法包括利用制动衬垫材料来涂覆(例如冷喷涂)基底，例如像制动蹄片或承板。制动衬垫材料可以包括金属和发泡剂。将所述涂覆的基底加热到一定温度，所述温度会活化所述发泡剂并且使所述制动衬垫材料转变成耐磨多孔金属泡沫。随后将所述涂覆有金属泡沫的基底冷却到(例如)周围温度。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述制动衬垫材料也可以包括金属或陶瓷粉末或颗粒中的一种或多种。举例来说，所述制动衬垫材料可以包括(i)一种或多种金属粉末(如镍铬和/或镍铝)以及(ii)一种或多种硬化陶瓷颗粒(如碳化铬、碳化钴、碳化硅和/或碳化钨)。所述金属粉末可以在加热过程中一起形成合金并且与所述陶瓷颗粒结合。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述金属泡沫可以是开孔金属泡沫或闭孔金属泡沫。所述金属泡沫可以配置有大体上均一的气孔几何形状和/或气孔尺寸。或者，所述金属泡沫可以配置有非均一的气孔几何形状和/或气孔尺寸。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述金属泡沫可以配置有工程晶格(例如，支架)结构。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述金属泡沫可以具有大于约1比19(1:19)的金属泡沫气孔占金属泡沫材料体积气孔率。举例来说，所述体积气孔率可以介于约3比17(3:17)和本发明其他实施方案中的约3比7(3:7)之间。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述金属泡沫可以具有小于等于约150微米的金属泡沫气孔尺寸。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述摩擦表面可以具有大于约0.35的摩擦系数。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述金属泡沫可操作来耐受大于约800至1250摄氏度(℃)的温度以及大于约40至80兆帕(MPa)的压缩接触应力。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述金属泡沫可以包括钨、铁、铬、钴、镍、钛、硅、钼、碳、硼和/或铝。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述基底可以包括钢或铁(例如铸铁)。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，结合层可以安置于所述基底和所述制动衬垫之间。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述基底可以被配置成用于电梯安全制动系统的楔形制动蹄片。
替代地，或者除本发明的这个或其它方面之外，所述基底可以被配置成承板，并且可移除地连接到用于电梯安全制动系统的楔形制动蹄片。
鉴于下文描述和附图，本发明的前述特征和操作将变得更为明显。
附图说明
图1为摩擦制动组件的截面图。
图2为图1的摩擦制动组件中所包括的多孔金属泡沫制动衬垫的放大图。
图3为闭孔金属泡沫制动衬垫的照片图。
图4为另一闭孔金属泡沫制动衬垫的照片图。
图5为开孔金属泡沫制动衬垫的照片图。
图6为另一开孔金属泡沫制动衬垫的照片图。
图7为又一开孔金属泡沫制动衬垫的概略图。
图8为用于制造图1和图2制动组件的方法的流程图。
图9为用于电梯的线性制动系统的侧面图。
图10为用于电梯的另一线性制动系统的侧面图。
具体实施方式
图1示出摩擦制动组件20的截面。制动组件20包括贴附到(例如，机械连接和/或化学结合)第一(例如，钢或铸铁)基底26的外表面24的制动衬垫22。制动衬垫22从第一基底26向外延伸而形成制动衬垫摩擦表面28，所述制动衬垫摩擦表面28可以大体上平行于第一基底26的外表面24。制动衬垫摩擦表面28适于啮合(例如，接触)第二(例如，钢)基底32的摩擦表面30，从而减慢或停止第一基底26和第二基底32之间的相对移动。
参看图2，制动衬垫22由耐磨多孔金属泡沫构成。金属泡沫可以包括大体上均匀地安置于金属泡沫材料36内的多个金属泡沫气孔34(有时也称为“空隙”)。或者，金属泡沫气孔可以大体上不均匀地安置于金属泡沫材料36内。金属泡沫具有大于(例如)约1比19(1:19)的金属泡沫气孔占金属泡沫材料体积气孔率。根据本发明的各种其它方面，金属泡沫可以具有介于(例如)约3比17(3:17)和约3比7(3:7)之间的金属泡沫气孔占金属泡沫材料体积气孔率，这可以降低摩擦表面28和30在制动过程中焊接或熔接到一起的倾向性。
如图2、图3和图4所示出的，在金属泡沫为闭孔金属泡沫的情况下，金属泡沫气孔34一般可以是彼此分立的(例如，密封的)。或者，如图5、图6和图7所示出的，在金属泡沫为开孔金属泡沫的情况下，金属泡沫气孔34一般可以是互连的。举例来说，金属泡沫可以具有如图5和图6所示的开孔网状结构。或者，金属泡沫可以具有如图7所示的开孔工程晶格(例如，支架)结构。关于这类工程晶格结构的另外细节在美国专利第7,871,578号加以公开，所述美国专利的内容以引用的方式全部并入本文中。
金属泡沫气孔34可以具有如图4和图7所示出的大体上均一的气孔几何形状和/或气孔尺寸。或者，金属泡沫气孔34可以具有如图2和图3所示出的不均一的气孔几何形状和/或气孔尺寸。参看图2，金属泡沫气孔34中的一些气孔或大体上所有气孔具有小于等于(例如)约150微米的气孔尺寸38(例如，平均或最大直径)；例如，介于约5微米至100微米之间。小于150微米的气孔尺寸38可以确保制动衬垫22的刚度处于优选范围内。
参看图1和图2，金属泡沫材料36包括经过选择而为制动衬垫22提供某些材料特性的一种或多种泡沫材料成分。泡沫材料成分可以经过选择而(例如)为制动衬垫摩擦表面28提供大于(例如)约0.3的摩擦系数。根据本发明的又一方面，泡沫材料成分可以经过选择而(例如)为制动衬垫摩擦表面28提供介于约0.35和约0.5之间的摩擦系数。泡沫材料成分可以经过选择，从而使得金属泡沫可操作来耐受大于约800摄氏度的温度。根据本发明的又一方面，泡沫材料成分可以经过选择，从而使得金属泡沫可操作来耐受介于约800摄氏度和约1250摄氏度之间的温度。另外，或者替代地，泡沫材料成分可以经过选择，从而使得金属泡沫可操作来耐受大于约40兆帕(MPa)的压缩负荷(例如，接触应力)。根据本发明的又一方面，泡沫材料成分可以经过选择，从而使得金属泡沫可操作来耐受介于约50 MPa和约80MPa之间的压缩负荷。
合适泡沫材料成分的示例包括但不限于钨、铁、铬、钴、镍、钛、硅、钼、碳、硼和/或铝。在金属泡沫为闭孔金属泡沫的情况下，泡沫材料成分也可以包括(例如)分解发泡剂。
图8为用于制造图1和图2所示出的制动组件20的方法的流程图。在步骤800中，将第一基底26涂覆一层金属泡沫材料36，这层金属泡沫材料36通常大体上完全没有气孔34。可以利用(例如)(i)金属粉末、(ii)多种硬化颗粒和(iii)发泡剂的混合物来喷射(例如，冷喷涂)第一基底26。金属粉末的示例包括但不限于镍、铁、钛、钴、硼和铬等。硬化颗粒的示例包括但不限于碳化铬、碳化钴、碳化钨、碳化硅等。发泡剂的示例可以包括但不限于自熔金属粉末(如镍铬硼硅(NiCrSiB)合金、镍硼硅等)、低熔点金属和/或合金(如铝和硅)、聚合物(如聚酯和/或聚(甲基丙烯酸甲酯))、金属氢化物(如氢化钛(TiH2))等。然而，本发明并不受限于金属泡沫材料的任何特定类型和/或组合。
在步骤802中，将涂覆的基底加热到一定温度(例如，1250摄氏度以上)，所述温度会活化(例如，分解或熔化)发泡剂并且使金属泡沫材料36转变成图1和图2的金属泡沫制动衬垫22。举例来说，将涂覆的基底加热到合适温度，使发泡剂从固体或液体分解成气体(或发生熔化和/或反应而留下孔隙)，进而形成金属泡沫气孔34。这个温度下的热量使自熔金属粉末一起形成合金，进而形成将硬化陶瓷颗粒结合在一起并结合到第一基底26的外表面24的基体。
在步骤804中，将涂覆有金属泡沫的基底冷却到(例如)周围温度。举例来说，可以在气体环境中以特定速率将涂覆有金属泡沫的基底冷却到周围温度以上的温度。涂覆的基底随后可以在周围环境中冷却到周围温度。
在一些实施方案中，可以在涂覆金属泡沫材料36之前，将结合层施涂到第一基底26的外表面24，从而加强第一基底26和制动衬垫22之间的结合。合适结合层材料的示例包括但不限于镍或铁基合金等。
在替代实施方案中，制动衬垫22可以使用(例如)铸造或粉末冶金工艺和/或增材制造法(如激光烧结)而预先成型，并且随后贴附到第一基底26的外表面24。举例来说，预先成型的制动衬垫可以烧结或热压到第一基底26的外表面24上。
本领域技术人员将认识到，上述制动组件20可以在各种类型的摩擦制动系统中加以实施。举例来说，图1和图2的制动组件20中的一个或多个制动组件可以配置在线性制动系统、盘式制动系统、鼓式制动系统中等等。图9中示出用于电梯的线性制动系统40的示例，其中所述电梯具有沿着至少一个电梯轿厢导轨(例如，第二基底32)而垂直移动的电梯轿厢42。这类线性制动系统40包括一个或多个电梯制动启动系统44，其分别启动制动组件20(例如，电梯制动组件)中的一个或多个制动组件。
在图9的特定实施方案中，每个制动组件20的第一基底26被配置成楔形制动蹄片，并且在倾斜凸轮表面46和制动衬垫22所附接的外表面24之间横向延伸。或者，例如像图10中所示出的，每个制动组件20的第一基底26可以被配置成制动衬垫承板，所述承板可移除地附接到各个楔形制动蹄片48。再次参看图9的特定实施方案，制动衬垫摩擦表面28位于导轨32的各个摩擦表面30的邻近处。
制动启动系统44中的每个制动启动系统包括启动器外壳50、楔形导引蹄片52、弹簧54、滚子保持架组件56和启动器58。启动器外壳50附接到电梯轿厢42。导引蹄片52在弹簧表面60和倾斜凸轮表面62之间横向延伸，并且可移动地布置在启动器外壳50内。弹簧54在外壳端壁64和弹簧表面60之间横向延伸，并且使导引蹄片52偏向各个第一基底26。滚子保持架组件56包括布置在倾斜凸轮表面46和62之间的多个滚子。启动器58连接到各个第一基底26。这类启动器58的示例包括但不限于绳索、缆线、机械联动装置和受载弹簧系统。
线性制动系统40可以在(例如)紧急和/或超速条件下加以操作，从而减慢或停止电梯轿厢42和导轨32之间的相对垂直移动。举例来说，启动器58可以使第一基底26相对于导轨蹄片52垂直移动。随着第一基底26垂直移动，弹簧54通过滚子保持架组件56而将相反横向力FL施加到第一基底26。力FL的施加会引起第一基底26朝向导轨32横向移动，直到制动衬垫摩擦表面28啮合(例如，接触)导轨摩擦表面30。摩擦表面28和30之间的这种啮合可操作来减慢或停止电梯轿厢42和导轨32之间的相对垂直移动。
摩擦表面28和30之间的啮合可能使第一基底26和导轨32经受相对高的温度。如上文所描述的，这类高温可能导致现有技术制动衬垫熔接(例如，焊接)到导轨。相反地，图1和图2的制动衬垫22可操作来在啮合过程中受到磨耗，从而减少或防止摩擦表面28和30之间的这类熔接。举例来说，摩擦表面28和30之间的啮合可能破坏合金金属粉末和硬化陶瓷颗粒之间的结合。随着这些结合遭到破坏，摩擦表面28会被磨掉，从而暴露之前未暴露的制动衬垫材料，例如像之前未暴露的硬化陶瓷(例如，碳化物)颗粒。这些陶瓷颗粒可能具有相对尖锐边缘，其可以有效地切入摩擦表面30。金属泡沫气孔34可以容纳(例如，接纳)受损制动衬垫材料中的至少一些材料，这可以减少摩擦表面28和30之间的材料组成。如此一来，制动衬垫磨耗和金属泡沫气孔34可以降低摩擦表面28所经受的相对高温。除前述内容之外，金属泡沫材料36还可以在摩擦表面28和30之间的整个啮合过程中，在制动衬垫摩擦表面28上保持相对高的摩擦系数(例如，大于0.35)。
本领域技术人员将认识到，制动衬垫22可经设定尺寸以用于单次使用或多次使用。举例来说，用于线性制动系统40的制动衬垫22可经设定尺寸来耐受X次数的使用，其中(例如)X等于Y次数的电梯轿厢试降和Z次数的紧急和/或超速操作使用。
本领域技术人员也将认识到，金属泡沫材料36的成分和/或气孔率可以被配置成满足特定制动系统设计标准。用于线性制动系统40的制动衬垫22可以被配置成，(例如)取决于额定和制动速度应用而在2至10米的垂直行进下停止电梯轿厢42，并且在每秒11.5米的速度下进行电梯轿厢试降时具有小于20微米的磨耗。
虽然已经公开了本发明的各种实施方案，但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在本发明的范围内更多实施方案和实现形式也是可能的。举例来说，如本文所述的本发明包括若干方面和实施方案，这些方面和实施方案包括特定特征。尽管这些特征可以单独描述，但是这些特征中的一些或所有特征也可以组合在所述方面中的任一方面中，并且仍然处于本发明的范围内。因此，除了按照随附权利要求书和其等效物以外，本发明不受限制。
Claims (19)
1.一种制动组件，所述制动组件包括：
基底；以及
制动衬垫，其包括耐磨多孔金属泡沫，其中所述制动衬垫贴附到所述基底，并且从所述基底向外延伸而形成制动衬垫摩擦表面，并且所述金属泡沫包括碳化物和金属合金；并且
其中，所述金属合金包括钴、钛、和硼中的至少一者；并且
其中，所述金属合金形成金属合金基体，所述金属合金基体将所述碳化物的颗粒结合在一起。
2.如权利要求1所述的制动组件，其中所述金属泡沫包括开孔金属泡沫。
3.如权利要求1所述的制动组件，其中所述金属泡沫包括闭孔金属泡沫。
4.如权利要求1所述的制动组件，其中所述金属泡沫包括晶格结构。
5.如权利要求1所述的制动组件，其中所述金属泡沫具有大于1:19的金属泡沫气孔占金属泡沫材料体积气孔率。
6.如权利要求5所述的制动组件，其中所述体积气孔率介于3:17和3:7之间。
7.如权利要求1所述的制动组件，其中所述金属泡沫具有小于或等于150微米的金属泡沫气孔尺寸。
8.如权利要求1所述的制动组件，其中所述摩擦表面具有大于0.3的摩擦系数。
9.如权利要求1所述的制动组件，其中所述金属泡沫可操作来耐受大于800摄氏度的温度以及大于40兆帕的压缩负荷。
10.如权利要求1所述的制动组件，其中所述金属合金至少包括所述钴。
11.如权利要求1所述的制动组件，其中所述基底包括钢和铁中的一者。
12.如权利要求1所述的制动组件，其还包括安置于所述基底和所述制动衬垫之间的结合层。
13.如权利要求1所述的制动组件，其中所述基底包括用于电梯安全制动系统的楔形制动蹄片。
14.如权利要求1所述的制动组件，其中所述基底可移除地连接到用于电梯安全制动系统的楔形制动蹄片。
15.一种用于制造制动组件的方法，所述方法包括：
利用包括金属粉末、多个碳化物颗粒和发泡剂的制动衬垫材料来涂覆基底，所述发泡剂是热活化的发泡剂；
将涂覆的基底加热到一定温度，所述温度活化所述发泡剂并且使所述制动衬垫材料转变成耐磨多孔金属泡沫；以及
冷却涂覆有耐磨多孔金属泡沫的基底；
其中，在加热涂覆的基底的过程中，所述金属粉末一起形成合金并且与所述碳化物颗粒结合；并且
其中，所述金属合金包括钴、钛、和硼中的至少一者。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述涂覆包括将所述制动衬垫材料冷喷涂到所述基底上。
17.如权利要求15所述的方法，其中
所述制动衬垫材料还包括粘合剂；以及
所述碳化物颗粒包括多种硬化陶瓷颗粒；以及
其中，在加热涂覆的基底的过程中，所述金属粉末一起形成合金并且与所述硬化陶瓷颗粒和所述粘合剂结合。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述金属泡沫可操作来耐受大于800摄氏度的温度以及大于40兆帕的压缩负荷。
19.如权利要求15所述的方法，其中
所述金属泡沫具有介于1:19和3:7之间的金属泡沫气孔占金属泡沫材料体积气孔率；以及
所述金属泡沫具有小于或等于150微米的金属泡沫气孔尺寸。
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