高溫摩擦系數測量儀設計

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

0 引言

高溫環境下非線性材料的摩擦性能是汽車、航空航天、核能及先進制造等領域的核心科學問題。在汽車三元催化器、顆粒捕捉器、發動機周邊部件、飛行器熱防護系統及金屬熱成型工藝中，非線性隔熱材料應用廣泛，例如SiC基復合陶瓷材料在高溫摩擦性能方面表現出色，其在高溫環境下的耐磨性和自潤滑性能顯著優于傳統材料[1-2]。此外，碳/碳復合材料作為高溫剎車材料在航空工業的成功應用，表明其在極端條件下的摩擦學性能優異[3]。然而，由于高溫工況下震動、沖擊、熱膨脹等復雜因素的影響，材料的摩擦磨損行為可能發生變化，從而引發功能失效或性能下降，進而造成重大經濟損失[4]。

現有摩擦檢測技術在高溫工況下仍存在諸多局限性。例如，常規高溫試驗機在 500^°C 以上時，溫度場不均勻、傳感器熱漂移以及動態加速檢測精度低等問題限制了其在高溫摩擦機理研究中的應用[5]。此外，目前缺乏能夠模擬變速/變載工況的測試設備，這進一步限制了高溫摩擦特性的深入研究[。本研究依據Q/STKJJS020—2024和VW50070測試規范，提出模塊化高溫摩擦系數測量儀設計。設備通過伺服驅動配合高精度光柵尺，實現加減速運動控制；同時配置耐高溫壓力傳感器與液體循環冷卻系統，確保高溫下傳感器工作穩定性；加熱模塊采用高溫合金

GH4145精密加工，結合雙模PID控溫算法，保證受熱均勻性；采用K型溫度傳感器實時監控溫度變化，并通過控制系統同步控制各機構運行，實現摩擦性能的自動化檢測，從而實現高溫摩擦特性精密檢測。

1 設計策劃

1.1 設計需求

基于客戶輸入要求并查閱相關技術資料，結合材料、工藝、裝配、檢測及調試等工況，指定以下設計需求，如表1所示。

1.2 總體設計

高溫摩擦系數測量儀的總體設計方案以滿足設計需求為核心，采用模塊化設計理念，基于機-熱-電等物理場耦合原理構建系統框架，如圖1所示。模塊化設計能夠提高系統的靈活性和可擴展性，通過軟硬件結合實現機械結構穩定、溫度場均勻、信號采集精度和動態控制優化等參數最優匹配。例如，研究表明，通過優化溫度場分布和動態控制響應，可以顯著提升系統的整體性能[。此外，模塊化設計還能夠降低系統復雜性，便于后期維護和升級[8]。

2 系統設計

2.1 結構設計

設備采用立式結構，主軸Z軸為垂直安裝，測試Y軸水平安裝，各軸采用伺服電機驅動精密電缸實現往復運動，各軸都配有精密壓力傳感器和高精度光柵尺，加熱系統采用PID算法精確控溫，冷卻系統采用循環液體制冷，機架采用結構碳鋼焊接 + 拋丸 ?⁺ 熱處理釋放內部應力，以保證設備結構剛性，降低設備變形量，實現機身高穩定性。采用安全隔離電柜保證安全可靠，同時配有人機交互界面和緊急停止、報警燈、漏電感應等安全防護。整體設備結構如圖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驅動伺服電缸進行往復運動，行程 150mm ，速度 0～100mm/s 位置監控補償采用高精度光柵尺實時監控位置使定位精度達到 ±0.01mm ，端部配有高精度壓力傳感器，配合數字變速模塊通過EtherCAT總線將壓力實時傳輸給控制系統，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驅動伺服電缸進行往復運動，行程 100mm ，速度 0～100mm/s 位置監控補償采用高精度光柵尺實時監控位置使定位精度達到 ±0.01mm ，端部配有高精度壓力傳感器，配合數字變速模塊通過EtherCAT總線將壓力實時傳輸給控制系統，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，縮小熱影響區域。加熱熱源采用纏繞式大功率工業鎳鉻合金材料，通過固態繼電器+PID算法實現精確控溫，采用高靈敏度K型溫度傳感器動態監測溫度變化，周圍采用包裹式保溫方式防止熱量損失，底座設置液體循環冷卻模塊，如圖5所示。

2.5 冷卻系統

冷卻采用帶制冷系統的液體循環冷卻方案，選用CW5000型工業冷水機，流量 10L/min ，揚程 10m 制冷量 1000W ，容量 12L ，實現設備滿功率液體溫度不高于 35^°C ，保證各個系統功能穩定，不受溫度干擾。

3 控制系統設計

3.1 控制硬件

設備控制系統采用上位機控制軟件，通過工業電腦與下位機PLC進行通信，由PLC發出控制指令信號給執行單元，驅動伺服電缸、加熱、冷卻等相關執行機構執行相關指令，傳感器和光柵尺將相關信號傳輸給PLC，由PLC通過總線實時通信將檢測數據實時傳輸給工業電腦控制端，實現相關程序控制策略。

3.2 軟件設計及運行調試

控制端軟件基于高級編程語言C#開發，結合WPF架構建立交互界面，同時系統集成多線程管理實現實時通信功能。系統分為數據采集、運動控制、PID加熱控制、數據存儲和安全監控模塊，通過Modbus協議通信進行高速動態數據采集，依據數據反饋進行實時控制優化，實現高精度穩定控制。開發階段使用VisualStudioCommunity環境進行斷點調試驗證核心邏輯，提升系統運行可靠性。系統集成數據處理功能，測試數據自動化生成測試報告，實現高精度測試一體化運行，如圖6和圖7所示。

4設備參數及工作流程

4.1 設備參數

本測試設備采用雙軸設計，設備剛性高，可實現各種材料在常溫和高溫環境下的摩擦特性檢測，并有多種測試模式。設備相關參數及主要技術指標如表2所示。

4.2 工作流程

本設備遵循Q/STKJJS020—2024和VW50070測試規范，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、雙軸動態拉推力、摩擦系數等高溫和常溫檢測，應用范圍較為廣泛。設備工作流程大致分為12步，如圖8所示。

5 技術創新

高溫摩擦系數測量儀有兩大技術創新點：一是首創伺服壓力控制單元，解決壓力參數實時校正與動態調整問題；二是解決傳感器在高溫環境下數據失真、漂移導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、硬件設計和傳感器動態數據捕捉等技術實現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 應用場景

高溫極端環境下材料機械性能會明顯下降，如強度衰減、蠕變、熱膨脹等將對機械結構件的裝配、安裝、焊接、連接等可靠性構成極大的威脅，其熱應力耦合直接決定裝配體的耐久壽命。針對高溫、高頻振動復合工況下的設計驗證需求，本文提出的高溫摩擦系數測量儀能夠為多個領域應用提供驗證支持，如為工業領域的汽車排氣系統熱疲勞優化、鍛造工藝高溫補償及真空焊接工藝膨脹補償等，新興技術領域的航空發動機周邊部件振動-溫度測試臺、新能源電池包防火結構熱沖擊驗證、核反應堆冷卻系統密封件熱機械耦合分析等提供核心數據支撐。該設備為復雜工況下的工程應用提供了設計可靠性評估和驗證的工具，提高了高溫敏感裝備的設計容錯率與功能穩定性。

7 結束語

高溫摩擦系數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的研發體系建設、機械結構設計、加熱系統算法控制、施力系統研發、測量系統實時交互、傳感器與數據采集和控制系統優化等方面取得顯著進展，為類似系統的研發提供了可供參考的技術路線。隨著基礎檢測技術的進步，高溫摩擦測試技術有望向更加精密化、智能化和標準化的方向發展。隨著技術突破和革新，高溫摩擦系數測量儀將為先進制造、精密測量、高端制造、能源裝備等國家重大工程領域提供更可靠的技術服務，在工業領域發揮更為重要的作用。

[參考文獻]

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[2]周松青，肖漢寧，李貴毓.原位合成碳化硅-硼化鈦復相陶瓷的高溫摩擦性能及其磨損機理[J].硅酸鹽學報，2006，34（2）：152-157.

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[5]劉愛華.PVD氮化物涂層的高溫摩擦磨損特性及機理研究[D].濟南：山東大學，2012

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[8]楊偉杰.淺談模塊化理念在產品設計研究中的價值體現[J].工業設計，2017（12）：14-16.