郜庚虎，王禮飛，魏　巍，俞建衛(wèi)

（1．合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230009；2．奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖241000）

基于紅外方法的摩擦副溫度場(chǎng)測(cè)量及仿真

郜庚虎1，王禮飛2，魏巍1，俞建衛(wèi)1

（1．合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230009；2．奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖241000）

搭建了基于紅外方法的端面摩擦副溫度場(chǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)，在獲得摩擦界面近似溫度及非接觸側(cè)表面溫度分布的同時(shí)獲取了摩擦過程中的摩擦系數(shù)、載荷及轉(zhuǎn)速等參數(shù)；通過有限元軟件ANSYS建立摩擦溫度場(chǎng)計(jì)算模型，引入紅外探頭獲得的接觸面近似溫度對(duì)摩擦溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真，通過與熱像儀測(cè)量溫度的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者具有較好的一致性。關(guān)鍵詞：紅外；摩擦溫度測(cè)量；有限元；ANSYS

摩擦過程中約有95%的能量以熱能的形式釋放出來，導(dǎo)致摩擦溫度的劇烈升高［1］。高溫會(huì)給摩擦副材料及其潤(rùn)滑劑性能帶來破壞性影響，導(dǎo)致摩擦副構(gòu)件壽命大大縮減［2，3］。因此，研究摩擦熱及其帶來的溫度場(chǎng)變化情況，在摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

摩擦副在運(yùn)動(dòng)過程中始終接觸，并且存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此直接獲得其接觸面的溫度是十分困難的。對(duì)此，很多學(xué)者開展了研究。王全偉［4］在起重機(jī)制動(dòng)器溫度測(cè)量中，通過預(yù)埋熱電偶和紅外測(cè)溫探頭對(duì)摩擦界面的溫度展開了測(cè)量；H.Kasem［5］利用光纖雙色測(cè)溫儀及紅外熱像儀檢測(cè)了盤式制動(dòng)器在制動(dòng)過程中的溫度變化。依靠測(cè)量只能獲得摩擦副部分點(diǎn)或面的溫度，若想獲得摩擦副的三維溫度分布則需要通過有限元計(jì)算的方法，如楊智勇［6］和薛晶［7］等人通過仿真的方法對(duì)不同摩擦副溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。

通過接觸式測(cè)溫方法，如熱電偶測(cè)溫，只能獲得接觸亞表面的溫度，然后通過熱傳導(dǎo)規(guī)律來推測(cè)接觸界面溫度；而利用非接觸式測(cè)溫，如紅外測(cè)溫，只能獲得非接觸表面的溫度數(shù)據(jù)；而數(shù)值計(jì)算則大多數(shù)采用熱流加載的方法，并不能準(zhǔn)確的表達(dá)摩擦過程中溫度變化的規(guī)律。

本文利用紅外設(shè)備搭建了端面滑動(dòng)摩擦副的綜合測(cè)溫系統(tǒng)，通過紅外測(cè)溫儀（紅外探頭）獲得了摩擦界面的近似溫度，通過熱像儀獲得了摩擦副非接觸側(cè)表面的溫度分布。而后在ANSYS環(huán)境下建立摩擦溫度場(chǎng)計(jì)算模型，將紅外探頭的數(shù)據(jù)作為載荷引入模型，實(shí)現(xiàn)了摩擦溫度場(chǎng)的重建，并利用熱像儀對(duì)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1摩擦副及其測(cè)溫系統(tǒng)

端面滑動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)及其裝夾系統(tǒng)如圖1和圖2所示。實(shí)驗(yàn)條件為脂潤(rùn)滑，其中，上試樣為45#鋼，與旋轉(zhuǎn)主軸相連，接觸環(huán)面內(nèi)徑為φ25 mm，外徑為φ27 mm，轉(zhuǎn)速設(shè)定范圍為200～500 rpm；下試樣為工業(yè)純鋁，與試驗(yàn)臺(tái)架及加載主軸連接，直徑為φ70 mm，并在接觸位置正下方打φ5 mm的通孔用于測(cè)溫，載荷設(shè)定范圍為200～500 N.本文采用的紅外探頭型號(hào)為MIH20LT4，可以實(shí)現(xiàn)-40～600℃的溫度測(cè)量，測(cè)量精度為±1℃（圖2，摩擦副側(cè)表面溫度則通過熱像儀A40M獲取，熱像儀放置在被測(cè)目標(biāo)側(cè)表面0.4 m的位置（圖3）。

圖1　端面滑動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)

圖2　測(cè)量系統(tǒng)及其裝夾系統(tǒng)

圖3　實(shí)驗(yàn)

利用紅外設(shè)備對(duì)摩擦溫度進(jìn)行測(cè)量，首先要確定被測(cè)量表面的發(fā)射率。摩擦接觸面在摩擦前后表面形貌變化較大，本文假定摩擦過程中接觸表面發(fā)射率是不變的，因此以摩擦一段時(shí)間后的上試樣接觸面標(biāo)定結(jié)果作為接觸表面發(fā)射率；而摩擦副及其夾具的側(cè)表面則噴涂啞光黑漆，將其表面發(fā)射率統(tǒng)一為0.95.標(biāo)定方法如下［8］：將上試樣及噴涂啞光黑漆的下試樣放置在恒溫箱中，保溫一定時(shí)間，達(dá)到熱平衡后，利用熱像儀觀測(cè)其溫度，標(biāo)定得到上試樣接觸表面的發(fā)射率為0.85附近波動(dòng)。

1.2材料屬性

利用LFA457激光熱導(dǎo)儀對(duì)摩擦副上下試樣材料的熱物理屬性進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1　上下試樣材料熱物理屬性

1.3實(shí)驗(yàn)工況

（1）工況1：載荷300 N，轉(zhuǎn)速400 r/min；

（2）工況2：載荷300 N，轉(zhuǎn)速500 r/min；

備注：所有的實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行20 min.

2　有限元模型的建立

將摩擦副及其夾具簡(jiǎn)化為全軸對(duì)稱模型，以此提高有限元計(jì)算效率，并做如下假設(shè)：

（1）摩擦過程中，上下試樣接觸面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫度始終相等；

（2）磨屑及潤(rùn)滑脂帶走的熱量忽略不計(jì)；

（3）所有材料各向同性，熱物理性質(zhì)不隨溫度發(fā)生變化。

根據(jù)各向同性固體熱傳導(dǎo)方程可知：

式中：θ（K）為固體的溫升；t（s）為時(shí)間；k'則表示材料的熱擴(kuò)散率，可由下式計(jì)算：

其中，k為材料的導(dǎo)熱率；ρ為材料密度；cp為材料比熱容。

紅外探頭所獲得的溫度數(shù)據(jù)作為第一類邊界條件，加載到接觸界面；非接觸界面與環(huán)境之間存在著對(duì)流熱交換，換熱計(jì)算式為：

其中：kw為散熱表面的熱導(dǎo)率，dAw為散熱表面微小面積，α為換熱系數(shù)，Tw為散熱表面的溫度，T0則為環(huán)境溫度。

上下試樣與夾具之間的熱交換則由下式計(jì)算：

其中，kα和kβ分別為相應(yīng)試樣與夾具的熱導(dǎo)率。

3　結(jié)果與分析

3.1摩擦系數(shù)與溫度變化的關(guān)系

（1）工況1實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖4所示，給出了摩擦系數(shù)及紅外探頭溫度變化情況。

圖4　在工況1下運(yùn)行20 min的摩擦系數(shù)及紅外探頭溫度實(shí)時(shí)變化

根據(jù)摩擦系數(shù)及紅外探頭數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，可以將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分為兩個(gè)階段：

第一階段：初始階段，摩擦副兩構(gòu)件的接觸面處于磨合期，二者摩擦劇烈，摩擦系數(shù)較大，其變化幅度也比較大；根據(jù)摩擦生熱理論，當(dāng)載荷、轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其摩擦系數(shù)越高，生熱量越大，這一點(diǎn)在紅外探頭的數(shù)據(jù)上可以得到良好的印證。

第二階段：穩(wěn)定磨損階段，摩擦界面經(jīng)過一段時(shí)間的磨合，較大的微凸體已經(jīng)磨掉，因此，在這一階段，摩擦系數(shù)較小且變化平穩(wěn)；摩擦產(chǎn)生的熱量向四周的傳導(dǎo)，導(dǎo)致整個(gè)摩擦副及夾具都出現(xiàn)了溫升，系統(tǒng)趨于熱平衡狀態(tài)，因此這個(gè)階段的溫升速度下降，且趨于穩(wěn)定。

（2）工況2實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖5所示，給出了摩擦系數(shù)及探頭溫度變化情況。

圖5　在工況2下運(yùn)行20 min的摩擦系數(shù)及紅外探頭溫度實(shí)時(shí)變化

可見，摩擦過程中摩擦系數(shù)及摩擦界面近似溫度的變化同樣可以分為兩個(gè)階段，但是與工況1不同的地方有兩點(diǎn)。第一，在穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)變化較大，這是由于在少量脂潤(rùn)滑時(shí)，在高轉(zhuǎn)速下不易形成良好的潤(rùn)滑條件；第二，紅外探頭所檢測(cè)到的溫度波動(dòng)較工況1明顯，這證明紅外探頭具有較好的瞬態(tài)性能；在虛線方框所顯示的部分，盡管摩擦系數(shù)整體出現(xiàn)了微量的增加，紅外探頭也明顯的捕捉到了這一點(diǎn)帶來的變化，同樣驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)良好的瞬態(tài)性能。

3.2熱像儀對(duì)仿真結(jié)果的檢驗(yàn)

將紅外探頭獲得的摩擦副接觸界面近似溫度數(shù)據(jù)作為熱載荷加載到有限元模型中進(jìn)行計(jì)算，利用熱像儀所測(cè)得的結(jié)果對(duì)計(jì)算結(jié)果加以檢驗(yàn)。

圖6（a）所示為在工況2下運(yùn)行900 s時(shí)，熱像儀拍攝到的摩擦副側(cè)表面及其夾具的溫度分布圖像，可見其最高溫度為66.9℃，最高溫度出現(xiàn)在圖中所示的矩形框中，實(shí)際上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步提取，可見最高溫度出現(xiàn)在摩擦接觸界面處。這與摩擦熱產(chǎn)生及傳導(dǎo)的基本理論是相符的。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元計(jì)算的結(jié)果，將圖6（a）中所顯示的關(guān)鍵點(diǎn)溫度值提取出，與計(jì)算結(jié)果的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)比繪制與圖6（b）。

圖6　熱像儀的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)仿真溫度的檢驗(yàn)

可見，實(shí)驗(yàn)過程中，仿真的溫度總是略高于實(shí)驗(yàn)溫度，計(jì)算值與測(cè)得值最大誤差為5.84℃，平均誤差為2.46℃，這種結(jié)果可能主要由以下幾個(gè)原因造成：

（1）實(shí)驗(yàn)中添加了少量潤(rùn)滑脂，但在計(jì)算中并未考慮這些因素帶來的影響；

（2）材料本身的各向異性并未進(jìn)行考慮；

（3）測(cè)量過程中，摩擦接觸界面的表面發(fā)射率被設(shè)置為固定值，但實(shí)際上這個(gè)值是隨著摩擦界面狀況而改變的。

綜合以上原因，可以認(rèn)為本文所建模型對(duì)摩擦溫度場(chǎng)的計(jì)算是可行且有效的。

4　結(jié)束語(yǔ)

（1）所搭建的摩擦副溫度場(chǎng)綜合測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦界面近似溫度、摩擦側(cè)表面溫度分布的實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示了其良好的瞬態(tài)性能；

（2）轉(zhuǎn)速一定的前提下，摩擦熱量的產(chǎn)生及摩擦溫度的高低由載荷及摩擦系數(shù)共同決定；

（3）通過紅外熱像儀對(duì)仿真結(jié)果的檢驗(yàn)，可知所建有限元模型具有較高的準(zhǔn)確性和瞬態(tài)性能。

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［4］王全偉，任遠(yuǎn)，王堯，等.制動(dòng)器動(dòng)態(tài)制動(dòng)性能試驗(yàn)系統(tǒng)溫度測(cè)量方法的研究［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2011，（5）:50-54.

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The Measurement and Simulation of Friction Temperature Field based on the Infrared Method

GAO Gen-hu1，WANG Li-fei2，WEI Wei1，YU Jian-wei1
（1．Hefei University of Technology，Hefei Anhui 230009，China；2．Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu Anhui 241000，China）

An in-stu temperature measurement system for end-face friction pairs was constructed based on infrared method.The approximate temperature of contact surface and the non-contact surface’s temperature distribution was determined through this system.The following parameters such as the friction coefficient，load and rotate speed was received at the same time.Then the friction temperature field was calculated with the finite element method by ANSYS，which use the infrared probe as the thermal load.The simulation result was comparatively accordant with the measuring result from the thermography.

infrared；measurement of friction temperature；finite element method；ANSYS

TH117.1

A

1672-545X（2016）07-0009-04

2016-04-30

國(guó)家自然科學(xué)基金號(hào)（51075114）

郜庚虎（1989-），男，安徽鳳陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：摩擦溫度場(chǎng)；俞建衛(wèi)（1956-），男，安徽合肥人，研究生，研究員，研究方向：摩擦學(xué)測(cè)試。