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摩擦熱量檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-04 11:23:32 更新時(shí)間：2025-08-03 11:23:32

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

摩擦熱量檢測(cè)

摩擦是物體相互接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的普遍物理現(xiàn)象，其過(guò)程中不可避免地伴隨著機(jī)械能向熱能的轉(zhuǎn)化，即產(chǎn)生摩擦熱。摩擦熱量的生成與累積對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的性能、壽命和安全性具有至關(guān)重要的影響。過(guò)高的摩擦溫度可能導(dǎo)致材料軟化、潤(rùn)滑失效、熱變形加劇，進(jìn)而引發(fā)磨損加速、疲勞斷裂甚至系統(tǒng)失效等嚴(yán)重后果。因此，準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)摩擦過(guò)程中的熱量（通常表現(xiàn)為溫度升高）是摩擦學(xué)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行監(jiān)測(cè)與維護(hù)保養(yǎng)中不可或缺的技術(shù)手段。

核心檢測(cè)項(xiàng)目

摩擦熱量檢測(cè)主要圍繞摩擦界面的溫度變化展開(kāi)，核心項(xiàng)目包括：

摩擦副平均溫度： 表征摩擦接觸區(qū)域整體的溫升水平。
局部熱點(diǎn)溫度： 識(shí)別摩擦表面瞬時(shí)、局部的異常高溫區(qū)域，對(duì)預(yù)測(cè)材料損傷至關(guān)重要。
溫度分布： 測(cè)量摩擦表面或近表層在空間上的溫度梯度，分析熱量傳遞路徑。
溫度隨時(shí)間的變化曲線： 監(jiān)測(cè)摩擦啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、停止等不同階段的溫度動(dòng)態(tài)特性。
熱量輸入速率/功率： 通過(guò)溫度場(chǎng)反演或結(jié)合摩擦系數(shù)與速度、載荷計(jì)算摩擦熱功率。

關(guān)鍵檢測(cè)儀器

根據(jù)測(cè)量原理和應(yīng)用場(chǎng)景，常用的摩擦熱量（溫度）檢測(cè)儀器主要有：

熱電偶：
- 原理： 利用塞貝克效應(yīng)（兩種不同導(dǎo)體/半導(dǎo)體連接處因溫度差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）。
- 類(lèi)型： 點(diǎn)焊熱電偶（嵌入試件或銷(xiāo)/盤(pán)內(nèi)）、薄膜熱電偶（沉積在摩擦表面）、滑動(dòng)熱電偶（通過(guò)滑動(dòng)接觸測(cè)量對(duì)偶件溫度）。
- 優(yōu)點(diǎn)： 成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快（小尺寸）、精度較高、能直接接觸測(cè)量。
- 缺點(diǎn)： 接觸式測(cè)量可能干擾摩擦狀態(tài)，空間分辨率有限，安裝位置和方式影響大。
紅外熱像儀：
- 原理： 探測(cè)物體表面發(fā)射的紅外輻射能量，將其轉(zhuǎn)換為溫度分布圖像。
- 優(yōu)點(diǎn)： 非接觸測(cè)量，不干擾摩擦過(guò)程；可獲得全場(chǎng)溫度分布；空間分辨率高；響應(yīng)速度快；可實(shí)時(shí)成像。
- 缺點(diǎn)： 需要清晰的光學(xué)通路；測(cè)量精度受物體表面發(fā)射率影響顯著；對(duì)反光表面或特定氣氛（如油氣煙霧）敏感；設(shè)備成本較高。
紅外測(cè)溫儀（點(diǎn)溫儀）：
- 原理： 與熱像儀類(lèi)似，但僅測(cè)量視場(chǎng)角內(nèi)一個(gè)點(diǎn)的平均溫度。
- 優(yōu)點(diǎn)： 非接觸、便攜、響應(yīng)快、成本相對(duì)熱像儀低。
- 缺點(diǎn)： 只能測(cè)量特定點(diǎn)或小區(qū)域的平均溫度，無(wú)法獲得分布；同樣受發(fā)射率和環(huán)境光影響。
熱電阻（RTD）：
- 原理： 利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特性。
- 應(yīng)用： 常用于測(cè)量非摩擦面附近（如軸承座、油路）的溫度，間接反映摩擦熱效應(yīng)。
- 優(yōu)點(diǎn)： 穩(wěn)定性好，精度高。
- 缺點(diǎn)： 通常體積較大，響應(yīng)速度較熱電偶慢，難以直接用于高速動(dòng)態(tài)摩擦接觸面測(cè)量。
光纖光柵溫度傳感器：
- 原理： 光纖光柵中心波長(zhǎng)隨溫度變化發(fā)生漂移。
- 優(yōu)點(diǎn)： 體積小、抗電磁干擾、可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量、可嵌入復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
- 缺點(diǎn)： 系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，安裝和標(biāo)定有一定難度。

主要檢測(cè)方法

摩擦熱量的檢測(cè)方法主要基于所選儀器：

接觸式直接測(cè)量法： 主要使用熱電偶（嵌入或表面貼裝）或RTD。將傳感器直接置于或非常接近摩擦界面，實(shí)時(shí)采集溫度信號(hào)。關(guān)鍵在于傳感器安裝位置的選擇、熱傳導(dǎo)路徑的優(yōu)化和信號(hào)采集系統(tǒng)的抗干擾能力。
非接觸式輻射測(cè)量法： 主要使用紅外熱像儀或紅外點(diǎn)溫儀。通過(guò)光學(xué)窗口（如藍(lán)寶石、石英玻璃）或直接在開(kāi)放環(huán)境中觀測(cè)摩擦表面發(fā)射的紅外輻射來(lái)反演溫度。核心在于精確標(biāo)定被測(cè)表面的發(fā)射率、消除環(huán)境輻射干擾。熱像儀法因其全場(chǎng)、非接觸、可視化的優(yōu)勢(shì)，在摩擦熱研究中應(yīng)用日益廣泛。
間接計(jì)算法： 通過(guò)測(cè)量摩擦系數(shù)μ、法向載荷F_N和相對(duì)滑動(dòng)速度V，利用公式 Q = μ * F_N * V 計(jì)算摩擦熱功率（Q）。此方法依賴于摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，并假設(shè)所有摩擦功都轉(zhuǎn)化為熱量。這種方法用于估算總熱輸入，但無(wú)法獲得具體的溫度分布。
熱流計(jì)法： 在摩擦副一側(cè)或傳熱路徑上安裝熱流傳感器，直接測(cè)量通過(guò)該截面的熱流量。適用于研究摩擦熱在系統(tǒng)中的傳導(dǎo)和分配。

相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

摩擦熱量或溫度的檢測(cè)通常內(nèi)嵌于摩擦、磨損或材料性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試條件、儀器精度、數(shù)據(jù)采集頻率和報(bào)告內(nèi)容做出規(guī)定，確保結(jié)果的可比性和可靠性。常見(jiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括：

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：
- ISO 12103-1: 道路車(chē)輛 - 用于評(píng)估過(guò)濾器性能的試驗(yàn)粉塵 - 第1部分：亞利桑那試驗(yàn)粉塵（部分測(cè)試涉及溫升）。
- ISO 12156-1: 柴油 - 使用高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)（HFRR）評(píng)定潤(rùn)滑性 - 第1部分：試驗(yàn)方法（記錄摩擦系數(shù)和溫度）。
- ISO 7148-1, -2: 滑動(dòng)軸承 - 穩(wěn)態(tài)條件下流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承 - 第1部分：圓柱軸瓦軸承的計(jì)算；第2部分：可傾瓦推力軸承的計(jì)算（涉及溫升計(jì)算）。
- ASTM G99: 使用銷(xiāo)盤(pán)式試驗(yàn)機(jī)測(cè)定材料滑動(dòng)磨損性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（常要求記錄摩擦系數(shù)和溫度）。
- ASTM G133: 使用往復(fù)球?qū)ζ矫鎺缀谓Y(jié)構(gòu)測(cè)定材料滑動(dòng)磨損性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（常要求記錄摩擦系數(shù)和溫度）。
- ASTM G181: 缸套-活塞環(huán)摩擦和潤(rùn)滑性初步篩選的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（記錄摩擦力和溫度）。
行業(yè)/企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)： 各汽車(chē)、航空、軌道交通、能源裝備制造企業(yè)通常有更具體的內(nèi)部規(guī)范和測(cè)試規(guī)程，對(duì)特定零部件（如制動(dòng)器、離合器、軸承、齒輪）在工況模擬下的溫升限值及測(cè)試方法做出詳細(xì)規(guī)定。例如SAE J2522（盤(pán)式制動(dòng)器臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范）中明確要求監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤(pán)/片的溫度。

選擇和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需緊密結(jié)合具體的摩擦副類(lèi)型、應(yīng)用工況和研究目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格遵循是保證摩擦熱量檢測(cè)結(jié)果科學(xué)性和工程價(jià)值的基礎(chǔ)。