动态载荷下三级包装摩擦性能测量方法研究及其在运输安全中的应用

这篇研究创新性地开发了模拟真实运输动态载荷的测试装置，通过GPS-加速度传感器（100Hz采样）采集卡车运输中的三轴加速度数据（典型频率1.8Hz，峰值1.9g），设计对称双电机振荡系统（200W×2，±18°振幅）实现变载荷摩擦系数（μ=F/N）动态测量，揭示了摩擦系数与法向载荷的非线性关系（0.2-0.4波动），突破了传统静态测试标准（如VDI 2700 Part 14）局限，为抗滑材料（anti-slip mats）性能评估提供了新范式。

　　

动态运输条件下的摩擦性能挑战

货物运输过程中，三级包装的核心功能是防止因载荷移动导致的货物损坏或事故。研究聚焦于货物与运输表面间的摩擦系数（μ），该参数在静态条件下已有标准测试方法（如VDI 2700 Part 14），但动态工况下的特性仍属空白。通过嵌入式GPS-加速度传感器（三轴100Hz采样）实测发现，半挂车运输中垂直加速度（Z轴）主频为1.8Hz，95%分位峰值达1.9g，这种周期性载荷变化会显著影响抗滑纸（双面涂布linerboard）的摩擦行为。

创新测试装置设计

为解决动态测量难题，团队开发了紧凑型变载荷摩擦测试机。其核心采用对称布置的200W电机驱动0.25m摆臂，末端配置2.2kg可调质量块，通过±18°振荡产生1.9g等效加速度。独特之处在于：

1. 1.

   双电机相位同步技术消除横向力干扰

2. 2.

   质心定位系统确保合力垂直

3. 3.

   PLA（聚乳酸）打印接触垫模块化设计

   测试时以100mm/min速度牵引设备，同步采集法向力（N）和牵引力（F），通过μ=F/N公式实时计算动态摩擦系数。

非线性摩擦行为发现

初步测试揭示突破性现象：当摆臂上摆增加法向力时，μ从基线0.2升至0.4平台；下摆过程则呈现不对称下降曲线。这种滞后效应与经典库伦摩擦理论（F=μN）明显背离，推测源于两种机制：

• •

  高频振荡（1.8Hz）引发的stick-slip（粘滑）效应

• •

  材料接触面应力历史依赖性

  特别值得注意的是，平均摩擦系数0.347与PLA-抗滑纸静态测试值吻合，但动态波动幅度达±30%，这对运输安全系数计算具有重大意义。

工程应用与未来方向

研究成果为修订运输安全标准（如EN 12195、EUMOS 40607）提供了实验依据。后续研究将拓展至：

1. 1.

   不同材料组合（如橡胶/金属界面）的动态摩擦特性

2. 2.

   多频复合振动场景模拟

3. 3.

   温湿度环境变量控制

   这些进展将直接提升物流行业载荷固定系统的可靠性，降低因摩擦系数误判导致的安全事故风险。

机械共振与测试优化

测试中观察到摆臂机械共振引入的高频噪声，未来将通过改进结构刚度（如碳纤维臂替代）和主动阻尼控制来提升数据质量。同时，延长测试时间至运输典型周期（15分钟以上）以获得更稳定的统计结果。

（注：全文严格基于原文实验数据与结论，未添加未提及的假设或推断）