高温摩擦系数测量仪设计

0引言

高温环境下非线性材料的摩擦性能是汽车、航空航天、核能及先进制造等领域的核心科学问题。在汽车三元催化器、颗粒捕捉器、发动机周边部件、飞行器热防护系统及金属热成型工艺中,非线性隔热材料应用广泛,例如Sic基复合陶瓷材料在高温摩擦性能方面表现出色,其在高温环境下的耐磨性和自润滑性能显著优于传统材料^[1-2]。此外,碳/碳复合材料作为高温刹车材料在航空工业的成功应用,表明其在极端条件下的摩擦学性能优异^[3]。然而,由于高温工况下震动、冲击、热膨胀等复杂因素的影响,材料的摩擦磨损行为可能发生变化,从而引发功能失效或性能下降,进而造成重大经济损失^[4]。

现有摩擦检测技术在高温工况下仍存在诸多局限性。例如,常规高温试验机在500℃以上时,温度场不均匀、传感器热漂移以及动态加速检测精度低等问题限制了其在高温摩擦机理研究中的应用^[5] 。此外, 目前缺乏能够模拟变速/变载工况的测试设备,这进一步限制了高温摩擦特性的深入研究^[6]。本研究依据Q/STKJJS020—2024和VW50070测试规范,提出模块化高温摩擦系数测量仪设计。设备通过伺服驱动配合高精度光栅尺,实现加减速运动控制;同时配置耐高温压力传感器与液体循环冷却系统,确保高温下传感器工作稳定性;加热模块采用高温合金GH4145精密加工,结合双模PID控温算法,保证受热均匀性;采用K型温度传感器实时监控温度变化,并通过控制系统同步控制各机构运行,实现摩擦性能的自动化检测,从而实现高温摩擦特性精密检测。

1 设计策划

1.1 设计需求

基于客户输入要求并查阅相关技术资料,结合材料、工艺、装配、检测及调试等工况,指定以下设计需求,如表1所示。

1.2 总体设计

高温摩擦系数测量仪的总体设计方案以满足设计需求为核心,采用模块化设计理念,基于机-热-电等物理场耦合原理构建系统框架,如图1所示。模块化设计能够提高系统的灵活性和可扩展性,通过软硬件结合实现机械结构稳定、温度场均匀、信号采集精度和动态控制优化等参数最优匹配。例如,研究表明,通过优化温度场分布和动态控制响应,可以显著提升系统的整体性能[7]。此外,模块化设计还能够降低系统复杂性,便于后期维护和升级^[8]。

2 系统设计

2.1 结构设计

设备采用立式结构,主轴Z轴为垂直安装,测试Y轴水平安装,各轴采用伺服电机驱动精密电缸实现往复运动,各轴都配有精密压力传感器和高精度光栅尺,加热系统采用PID算法精确控温,冷却系统采用循环液体制冷,机架采用结构碳钢焊接+抛丸+热处理释放内部应力,以保证设备结构刚性,降低设备变形量,实现机身高稳定性。采用安全隔离电柜保证安全可靠,同时配有人机交互界面和紧急停止、报警灯、漏电感应等安全防护。整体设备结构如图2所示。

2.2主轴Z轴

施压轴为垂直安装,采用高精度伺服电机驱动伺服电缸进行往复运动,行程150mm,速度0~100mm/s,位置监控补偿采用高精度光栅尺实时监控位置使定位精度达到±0.01mm,端部配有高精度压力传感器,配合数字变速模块通过EthercAT总线将压力实时传输给控制系统,保证控制精度,如图3所示。

2.3测试Y轴

测试轴为水平安装,采用高精度伺服电机驱动伺服电缸进行往复运动,行程100mm,速度0~100mm/s, 位置监控补偿采用高精度光栅尺实时监控位置使定位精度达到± 0.01mm,端部配有高精度压力传感器,配合数字变速模块通过EthercAT总线将压力实时传输给控制系统,保证控制精度,如图4所示。

2.4 加热模块

加热模块分为两部分—上模块和下模块,采用上下同时加热方案,保证测试片受热均匀,缩小热影响区域。加热热源采用缠绕式大功率工业镍铬合金材料,通过固态继电器+PID算法实现精确控温,采用高灵敏度K型温度传感器动态监测温度变化,周围采用包裹式保温方式防止热量损失,底座设置液体循环冷却模块,如图5所示。

2.5 冷却系统

冷却采用带制冷系统的液体循环冷却方案,选用CW5000型工业冷水机,流量10 L/min,扬程10 m,制冷量1 000 W,容量12 L,实现设备满功率液体温度不高于35 ℃,保证各个系统功能稳定,不受温度干扰。

3控制系统设计

3.1 控制硬件

设备控制系统采用上位机控制软件,通过工业电脑与下位机PLC进行通信,由PLC发出控制指令信号给执行单元,驱动伺服电缸、加热、冷却等相关执行机构执行相关指令,传感器和光栅尺将相关信号传输给PLC,由PLC通过总线实时通信将检测数据实时传输给工业电脑控制端,实现相关程序控制策略。

3.2 软件设计及运行调试

控制端软件基于高级编程语言C#开发,结合 WPF架构建立交互界面,同时系统集成多线程管理实现实时通信功能。系统分为数据采集、运动控制、 PID加热控制、数据存储和安全监控模块 ,通过 Modbus协议通信进行高速动态数据采集,依据数据反馈进行实时控制优化,实现高精度稳定控制。开发阶段使用VisualStudio Community环境进行断点调试验证核心逻辑,提升系统运行可靠性。系统集成数据处理功能,测试数据自动化生成测试报告,实现高精度测试一体化运行,如图6和图7所示。

4设备参数及工作流程

4.1 设备参数

本测试设备采用双轴设计,设备刚性高,可实现各种材料在常温和高温环境下的摩擦特性检测,并有多种测试模式。设备相关参数及主要技术指标如表2所示。

4.2 工作流程

本设备遵循Q/STKJJS020—2024和VW 50070测试规范,可测试非线性材料的各种摩擦特性,如摩擦力、匀速拉推力、加速拉推力、起始拉推力、定距最大拉推力、双轴动态拉推力、摩擦系数等高温和常温检测,应用范围较为广泛。设备工作流程大致分为12步,如图8所示。

5 技术创新

高温摩擦系数测量仪有两大技术创新点:一是首创伺服压力控制单元,解决压力参数实时校正与动态调整问题;二是解决传感器在高温环境下数据失真、漂移导致的非线性材料及线性材料在500~900℃情况下摩擦特性检测的难题,通过软件算法控制、硬件设计和传感器动态数据捕捉等技术实现摩擦特性高精度测量,探索出非线性材料高温摩擦特性检测的一个新方向。

6应用场景

高温极端环境下材料机械性能会明显下降,如强度衰减、蠕变、热膨胀等将对机械结构件的装配、安装、焊接、连接等可靠性构成极大的威胁,其热应力耦合直接决定装配体的耐久寿命。针对高温、高频振动复合工况下的设计验证需求,本文提出的高温摩擦系数测量仪能够为多个领域应用提供验证支持,如为工业领域的汽车排气系统热疲劳优化、锻造工艺高温补偿及真空焊接工艺膨胀补偿等,新兴技术领域的航空发动机周边部件振动-温度测试台、新能源电池包防火结构热冲击验证、核反应堆冷却系统密封件热机械耦合分析等提供核心数据支撑。该设备为复杂工况下的工程应用提供了设计可靠性评估和验证的工具,提高了高温敏感装备的设计容错率与功能稳定性。

7 结束语

高温摩擦系数测量仪主要用于线性和非线性材料高温摩擦特性检测,为极端工况下摩擦性能参数的精确测量提供了可行的解决方案。本研究在高温特殊工况下测量系统的研发体系建设、机械结构设计、加热系统算法控制、施力系统研发、测量系统实时交互、传感器与数据采集和控制系统优化等方面取得显著进展,为类似系统的研发提供了可供参考的技术路线。随着基础检测技术的进步,高温摩擦测试技术有望向更加精密化、智能化和标准化的方向发展。随着技术突破和革新,高温摩擦系数测量仪将为先进制造、精密测量、高端制造、能源装备等国家重大工程领域提供更可靠的技术服务,在工业领域发挥更为重要的作用。

[参考文献]

[1] 王静波,吕晋军,欧阳锦林,等.SiC—Ni—Co—Mo—Pb0系高温自润滑金属基陶瓷材料摩擦学性能的试验研究[J].摩擦学学报,1997(1):26-32.

[2]周松青,肖汉宁,李贵毓.原位合成碳化硅-硼化钛复相陶瓷的高温摩擦性能及其磨损机理 [J].硅酸盐学报,2006,34(2):152-157.

[3]胡志彪,李贺军,陈强,等.碳/碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展[J].材料工程,2004(12):59-62.

[4]张毅.高温摩擦试验机的研制及超高强钢高温摩擦界面行为研究[D].合肥:合肥工业大学,2018.

[5]刘爱华.PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损特性及机理研究[D].济南:山东大学,2012.

[6]成煜.摩擦界面高温诱导高速列车制动副摩擦失稳机理研究[D].南昌:华东交通大学,2023.

[7]徐京豫,孙宝寿.油压机热板温度场均匀性研究[J].机械设计与研究,2019,35(1):200-204.

[8]杨伟杰.浅谈模块化理念在产品设计研究中的价值体现[J].工业设计,2017(12):14-16.

《机电信息》2025年第13期第10篇