高溫摩擦系數(shù)測量儀設(shè)計

關(guān)鍵詞：高溫摩擦系數(shù)；非線性材料摩擦系數(shù)；隔熱棉；高精度摩擦檢測中圖分類號：TH823文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-0797（2025）13-0039-04D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.010

0 引言

高溫環(huán)境下非線性材料的摩擦性能是汽車、航空航天、核能及先進(jìn)制造等領(lǐng)域的核心科學(xué)問題。在汽車三元催化器、顆粒捕捉器、發(fā)動機(jī)周邊部件、飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)及金屬熱成型工藝中，非線性隔熱材料應(yīng)用廣泛，例如SiC基復(fù)合陶瓷材料在高溫摩擦性能方面表現(xiàn)出色，其在高溫環(huán)境下的耐磨性和自潤滑性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料[1-2]。此外，碳/碳復(fù)合材料作為高溫剎車材料在航空工業(yè)的成功應(yīng)用，表明其在極端條件下的摩擦學(xué)性能優(yōu)異[3]。然而，由于高溫工況下震動、沖擊、熱膨脹等復(fù)雜因素的影響，材料的摩擦磨損行為可能發(fā)生變化，從而引發(fā)功能失效或性能下降，進(jìn)而造成重大經(jīng)濟(jì)損失[4]。

現(xiàn)有摩擦檢測技術(shù)在高溫工況下仍存在諸多局限性。例如，常規(guī)高溫試驗(yàn)機(jī)在 500^°C 以上時，溫度場不均勻、傳感器熱漂移以及動態(tài)加速檢測精度低等問題限制了其在高溫摩擦機(jī)理研究中的應(yīng)用[5]。此外，目前缺乏能夠模擬變速/變載工況的測試設(shè)備，這進(jìn)一步限制了高溫摩擦特性的深入研究[。本研究依據(jù)Q/STKJJS020—2024和VW50070測試規(guī)范，提出模塊化高溫摩擦系數(shù)測量儀設(shè)計。設(shè)備通過伺服驅(qū)動配合高精度光柵尺，實(shí)現(xiàn)加減速運(yùn)動控制；同時配置耐高溫壓力傳感器與液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)，確保高溫下傳感器工作穩(wěn)定性；加熱模塊采用高溫合金

GH4145精密加工，結(jié)合雙模PID控溫算法，保證受熱均勻性；采用K型溫度傳感器實(shí)時監(jiān)控溫度變化，并通過控制系統(tǒng)同步控制各機(jī)構(gòu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)摩擦性能的自動化檢測，從而實(shí)現(xiàn)高溫摩擦特性精密檢測。

1 設(shè)計策劃

1.1 設(shè)計需求

基于客戶輸入要求并查閱相關(guān)技術(shù)資料，結(jié)合材料、工藝、裝配、檢測及調(diào)試等工況，指定以下設(shè)計需求，如表1所示。

1.2 總體設(shè)計

高溫摩擦系數(shù)測量儀的總體設(shè)計方案以滿足設(shè)計需求為核心，采用模塊化設(shè)計理念，基于機(jī)-熱-電等物理場耦合原理構(gòu)建系統(tǒng)框架，如圖1所示。模塊化設(shè)計能夠提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、溫度場均勻、信號采集精度和動態(tài)控制優(yōu)化等參數(shù)最優(yōu)匹配。例如，研究表明，通過優(yōu)化溫度場分布和動態(tài)控制響應(yīng)，可以顯著提升系統(tǒng)的整體性能[。此外，模塊化設(shè)計還能夠降低系統(tǒng)復(fù)雜性，便于后期維護(hù)和升級[8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備采用立式結(jié)構(gòu)，主軸Z軸為垂直安裝，測試Y軸水平安裝，各軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動精密電缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，各軸都配有精密壓力傳感器和高精度光柵尺，加熱系統(tǒng)采用PID算法精確控溫，冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)液體制冷，機(jī)架采用結(jié)構(gòu)碳鋼焊接 + 拋丸 ?⁺ 熱處理釋放內(nèi)部應(yīng)力，以保證設(shè)備結(jié)構(gòu)剛性，降低設(shè)備變形量，實(shí)現(xiàn)機(jī)身高穩(wěn)定性。采用安全隔離電柜保證安全可靠，同時配有人機(jī)交互界面和緊急停止、報警燈、漏電感應(yīng)等安全防護(hù)。整體設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 主軸Z軸

施壓軸為垂直安裝，采用高精度伺服電機(jī)驅(qū)動伺服電缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，行程 150mm ，速度 0～100mm/s 位置監(jiān)控補(bǔ)償采用高精度光柵尺實(shí)時監(jiān)控位置使定位精度達(dá)到 ±0.01mm ，端部配有高精度壓力傳感器，配合數(shù)字變速模塊通過EtherCAT總線將壓力實(shí)時傳輸給控制系統(tǒng)，保證控制精度，如圖3所示。

2.3 測試Y軸

測試軸為水平安裝，采用高精度伺服電機(jī)驅(qū)動伺服電缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，行程 100mm ，速度 0～100mm/s 位置監(jiān)控補(bǔ)償采用高精度光柵尺實(shí)時監(jiān)控位置使定位精度達(dá)到 ±0.01mm ，端部配有高精度壓力傳感器，配合數(shù)字變速模塊通過EtherCAT總線將壓力實(shí)時傳輸給控制系統(tǒng)，保證控制精度，如圖4所示。

2.4 加熱模塊

加熱模塊分為兩部分一上模塊和下模塊，采用上下同時加熱方案，保證測試片受熱均勻，縮小熱影響區(qū)域。加熱熱源采用纏繞式大功率工業(yè)鎳鉻合金材料，通過固態(tài)繼電器+PID算法實(shí)現(xiàn)精確控溫，采用高靈敏度K型溫度傳感器動態(tài)監(jiān)測溫度變化，周圍采用包裹式保溫方式防止熱量損失，底座設(shè)置液體循環(huán)冷卻模塊，如圖5所示。

2.5 冷卻系統(tǒng)

冷卻采用帶制冷系統(tǒng)的液體循環(huán)冷卻方案，選用CW5000型工業(yè)冷水機(jī)，流量 10L/min ，揚(yáng)程 10m 制冷量 1000W ，容量 12L ，實(shí)現(xiàn)設(shè)備滿功率液體溫度不高于 35^°C ，保證各個系統(tǒng)功能穩(wěn)定，不受溫度干擾。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制硬件

設(shè)備控制系統(tǒng)采用上位機(jī)控制軟件，通過工業(yè)電腦與下位機(jī)PLC進(jìn)行通信，由PLC發(fā)出控制指令信號給執(zhí)行單元，驅(qū)動伺服電缸、加熱、冷卻等相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相關(guān)指令，傳感器和光柵尺將相關(guān)信號傳輸給PLC，由PLC通過總線實(shí)時通信將檢測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給工業(yè)電腦控制端，實(shí)現(xiàn)相關(guān)程序控制策略。

3.2 軟件設(shè)計及運(yùn)行調(diào)試

控制端軟件基于高級編程語言C#開發(fā)，結(jié)合WPF架構(gòu)建立交互界面，同時系統(tǒng)集成多線程管理實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信功能。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動控制、PID加熱控制、數(shù)據(jù)存儲和安全監(jiān)控模塊，通過Modbus協(xié)議通信進(jìn)行高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集，依據(jù)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行實(shí)時控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定控制。開發(fā)階段使用VisualStudioCommunity環(huán)境進(jìn)行斷點(diǎn)調(diào)試驗(yàn)證核心邏輯，提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)處理功能，測試數(shù)據(jù)自動化生成測試報告，實(shí)現(xiàn)高精度測試一體化運(yùn)行，如圖6和圖7所示。

4設(shè)備參數(shù)及工作流程

4.1 設(shè)備參數(shù)

本測試設(shè)備采用雙軸設(shè)計，設(shè)備剛性高，可實(shí)現(xiàn)各種材料在常溫和高溫環(huán)境下的摩擦特性檢測，并有多種測試模式。設(shè)備相關(guān)參數(shù)及主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

4.2 工作流程

本設(shè)備遵循Q/STKJJS020—2024和VW50070測試規(guī)范，可測試非線性材料的各種摩擦特性，如摩擦力、勻速拉推力、加速拉推力、起始拉推力、定距最大拉推力、雙軸動態(tài)拉推力、摩擦系數(shù)等高溫和常溫檢測，應(yīng)用范圍較為廣泛。設(shè)備工作流程大致分為12步，如圖8所示。

5 技術(shù)創(chuàng)新

高溫摩擦系數(shù)測量儀有兩大技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：一是首創(chuàng)伺服壓力控制單元，解決壓力參數(shù)實(shí)時校正與動態(tài)調(diào)整問題；二是解決傳感器在高溫環(huán)境下數(shù)據(jù)失真、漂移導(dǎo)致的非線性材料及線性材料在 500～900° 情況下摩擦特性檢測的難題，通過軟件算法控制、硬件設(shè)計和傳感器動態(tài)數(shù)據(jù)捕捉等技術(shù)實(shí)現(xiàn)摩擦特性高精度測量，探索出非線性材料高溫摩擦特性檢測的一個新方向。

6 應(yīng)用場景

高溫極端環(huán)境下材料機(jī)械性能會明顯下降，如強(qiáng)度衰減、蠕變、熱膨脹等將對機(jī)械結(jié)構(gòu)件的裝配、安裝、焊接、連接等可靠性構(gòu)成極大的威脅，其熱應(yīng)力耦合直接決定裝配體的耐久壽命。針對高溫、高頻振動復(fù)合工況下的設(shè)計驗(yàn)證需求，本文提出的高溫摩擦系數(shù)測量儀能夠?yàn)槎鄠€領(lǐng)域應(yīng)用提供驗(yàn)證支持，如為工業(yè)領(lǐng)域的汽車排氣系統(tǒng)熱疲勞優(yōu)化、鍛造工藝高溫補(bǔ)償及真空焊接工藝膨脹補(bǔ)償?shù)?，新興技術(shù)領(lǐng)域的航空發(fā)動機(jī)周邊部件振動-溫度測試臺、新能源電池包防火結(jié)構(gòu)熱沖擊驗(yàn)證、核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)密封件熱機(jī)械耦合分析等提供核心數(shù)據(jù)支撐。該設(shè)備為復(fù)雜工況下的工程應(yīng)用提供了設(shè)計可靠性評估和驗(yàn)證的工具，提高了高溫敏感裝備的設(shè)計容錯率與功能穩(wěn)定性。

7 結(jié)束語

高溫摩擦系數(shù)測量儀主要用于線性和非線性材料高溫摩擦特性檢測，為極端工況下摩擦性能參數(shù)的精確測量提供了可行的解決方案。本研究在高溫特殊工況下測量系統(tǒng)的研發(fā)體系建設(shè)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、加熱系統(tǒng)算法控制、施力系統(tǒng)研發(fā)、測量系統(tǒng)實(shí)時交互、傳感器與數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)優(yōu)化等方面取得顯著進(jìn)展，為類似系統(tǒng)的研發(fā)提供了可供參考的技術(shù)路線。隨著基礎(chǔ)檢測技術(shù)的進(jìn)步，高溫摩擦測試技術(shù)有望向更加精密化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。隨著技術(shù)突破和革新，高溫摩擦系數(shù)測量儀將為先進(jìn)制造、精密測量、高端制造、能源裝備等國家重大工程領(lǐng)域提供更可靠的技術(shù)服務(wù)，在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。

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