基于红外测温的面接触摩擦温度场研究

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Research 0n the Fricti0nal Temperature Field of Face.t0.FaceContact with Infrared Radiati0n ThermometryYu Jianwei Cheng Qing Wej Wei Lj Qiliang(1.Institute of Tribology，Herei University of Technoleogy，Hefei Anhui 230o09，China：2.Anhui Research Center for Powder Metallurgy Engineering&Technology，Hefei Anhui 230009，China)Abstract：In order to study the distribution of surface contact friction temperature field，nylon and bronze were respec-tively used to constitute the friction pairs with 45 steel，and the friction and wear tests were carried out.The real-time in-terface temperature of the annular friction pair was measured directly by the infrared temperature probe，and the data wereimported in ANSYS as a boundary condition to simulate the process of friction heat generation.The transient temperaturedistribution and the temperature change tendency in contact zone were analyzed，and the calculated results were comparedwith the experimental results under the conditions.The results show that the relatively hish real-time and accuracy areshowed by using the infrared temperature probe，the thermal properties of the friction pairs and the friction test conditionsare the main factors affecting the temperature distribution。

Keywords：friction pair；temperature field；infrared radiation therm ometry；face contact在滑动摩擦过程中，摩擦热所形成的温度嘲其热学现象对材料和摩擦副的摩擦学行为有着非常重要的影响 ，加上摩擦界面的不可见性 ，使温度场研究成为国内外的热点和难点。日前常用的摩擦温度测量方法有接触式和非接触式2种。在接触测量中，常见的有盘面预置热电偶技术和预埋热电偶技术 ；非接触式测量主要利用物体表面的辐射进行测温 。

与接触式测量相比，非接触测量不会破坏被测物体的自身温度场，也不受被测物体的腐蚀和毒化等影响，可以获得较高的测量精度 。本文作者通过多功能摩擦磨损试验机、红外探头搭建平台 ]，实时测量出摩基金项目：国家自然科学基金项 目 (51075114；50975072)；安徽省自然科学基金项目 (090414159)。

收稿 日期：2012-09-15作者简介：俞建卫 (1956-)，男，研究员，教授，研究方向为摩擦学测试技术.E-mail：yjwyxfyyh###163.com。

擦界面的温度，并将其导入 ANSYS建立的端面滑动摩擦模型中，分析摩擦热的产生及传导过程，以探索建立摩擦温度场模型的有效途径。

图1 滑动摩擦模型Fig 1 Mode of sliding friction2 润滑与密封 第 38卷实验时，旋转运动方式采用上试样旋转，下试样固定的端面接触滑动摩擦形式。下试样在摩擦接触区域正下方须打-通孔，以便红外探头通过此孔来探测上试样的摩擦面温度。上试样施加向下载荷F，转速 /7，(r/min)，实验条件是边界润滑 (为保证平稳运行，加少量润滑脂，但是在计算过程中忽略其影响)。

在有限元分析中，简化建立的有限元模型如图2所示。该模型中，以 l，轴为对称轴，A4的左上角为原点建立的坐标 系。在图中取 N1、N2、N3、N4和Ⅳ5点，测出各点的温度。

图2 有限元模型Fig 2 Finite element model实验过程中，摩擦产生的热量以热流的形式分别进人上试样和下试样。为了使问题易于处理，但又不失去意义，在进行有限元分析时，做出以下假设：忽略内外环线速度对摩擦热的影响；不考虑润滑剂和磨屑带走的热量；认为摩擦表面不发生相变；不考虑热变形对温度分布的影响；认为材料的参数都是各向同性的。由此得到瞬态温度场的三维热传导方程 如下：( ao 2qo Oz2) O0 (1)式中：0是温升 (cC)； ，Y，。是 笛卡尔坐标(mm)；k 是热导 率 (W/(m ·K)；p是 密度(ks/m)；c是比定压热容 (J/(g·K))；t是时间 (s)。

2 材料属性及边界条件2.1 材料属性选用锡青铜和尼龙这两种导热系数差别较大的轴承材料作为下试样，和45 钢材料加工成的上试样组成滑动摩擦副，其材料热参数见表 1 。

表 1 材料热参数表Table 1 Material parameters2。2 边界条件的确定在摩擦接触区域，用红外探头测的是上试样的摩擦温度值，将其装载到 ANSYS的表数据中，对上试样摩擦界面进行 表载荷”加载。

在非摩擦界面上加载第三类边界条件 ，即加载对流换热系数。

- A 0 -tf)，>0 (2)式中：t 是物体边界面上的温度； 是空气温度；h是边界面的表面换热系数。

该实验模型中，上试样是做匀速转动，下试样是固定的，所以上试样可视为绕流圆柱体的强迫对流换热；下试样适用于自然对流换热。

3 有限元模拟的结果和分析该实验主要是在干摩擦条件下进行面接触摩擦，为了探索实验工况对温度分布的影响，制定了表2的实验工况。

表 2 实验工况Table 2 Experimental conditions将相关实验结果作为边界条件导入 ANSYS软件，按照有限元计算步骤和相关假设，并对模型进行-系列的技术处理，研究相同材料在不同工况下的温度分布。

3.1 金属材料锡青铜在不同工况下测试分析锡青铜在 3种工况下的测试分析结果如图3～5所示 (其中端点 M见图2)。

2013年第4期 俞建卫等：基于红外测温的面接触摩擦温度场研究 3 ， -- ： 厂-rⅦ1J～ DelT1. -- I -蚺 -0 300 600 900 1 200 1 500 1 800tls(a)红外探头、热电偶测温及其差值曲线lIf ；， l， II(b)稳态时的温度场分布2DistancesI(×10I2mm) Distancesl(×10I3mm)(c)下试样上表面径向路线Ⅳl-Ⅳ2温度曲线 (d)下试样侧表面竖直路线Ⅳ2-Ⅳ3温度曲线图3 下试样锡青铜在工况-下的测试分析结果 (900 N，128 r/min，13℃)Fig 3 Temperature distribution of under sample(bronze)in the first conditions(900 N，128 r/min，13 oC)h fraRe. . - J芒 rherie 0COU[ 1e- .，0 300 600 900 1 200 1 500 1 800t/s(a)红外探头、热电偶测温及其差值曲线36.1135.68835·26634.84434.42234 1Distance sl(×10 mm )(c)下试样 上表面径向路线Ⅳ1-Ⅳ2温度曲线z工- - -(b)稳态时的温度场分布36.1l35.68835.26634.84434.422340 0.4 0.8 lI2 1.6 2.002Distancesl(x 10 mm )(d)下试样侧表面竖直路线Ⅳ2-Iv3温度曲线图4 下试样锡青铜在工况二下的测试分析结果 (450 N，128 r/min，14℃)Fig 4 Temperature distribution of under sample(bronze)in the second conditions(450 N，128 r/min，14℃)4 润滑与密封 第 38卷Infr： e ；heI 岫oC IIdI- 、械 - f 嘲”Ftt ·r 7. .D l a ·啊-(b78.9577.937、 76.921h 75.90574.889图5 下试样锡青铜在工况三下的测试分析结果 (450 N，256 r/min，15℃)Fig 5 Temperature distribution of under sample(bronze)in the third conditions(450 N，256 r/min，15℃ )从图3～5可以看出：环 -面摩擦接触区在很短的时间内达到很高的温度，并且很快以接触区的中线附近为中心向四周扩散，最终使整个模型的温度升高(见图3(a) ～5(a))。但温度上升的趋势是先快后慢，其主要原因是开始时温度的梯度较大，热量传递较快，随着时间的延续，摩擦界面的温度趋于平衡，致使后来温度上升较慢。在径向，从图3(e)～ 5(e)中可以看出摩擦副表面的温度比接触面的温度低，其主要原因是该区域的侧面受到对流换热和对外辐射的影响。在下试样侧面的竖直方向上出现了中间温度偏高两端 较低 的现 象 (见 图 3 (d) ～5(d))，其主要原 因是下试样的上下表面均与压板和平台接触。

另外，从图5(a)还可以看出，当摩擦因数升高时，温度也随之升高，其主要原因是摩擦因数的升高，试样摩擦界面的热流密度也跟着增大，从而导致进入试样的热量增多。

3.2 非金属材料尼龙在不同工况下测试分析尼龙在 3种工况下的测试分析结果如图 6～8所示 (其中端点 M 见图2)。

从图 6～8可知：下试样是尼龙和下试样是锡青铜有着诸多相同点和不同点。相同点在于它们摩擦副界面温度都是呈现随时间总体上升的趋势，且都有先快后慢的现象。但由于非金属的热传导性比金属材料差 ，摩擦过程 中产生的热量不易在非金属中传导 ，摩擦界面产生的热量大部分经过上试样传导出去，所以与锡青铜相比，其上试样能较快达到热平衡 (见图6(a) -8(a))。在径向，从图6(C) ～8(e)可看出，尼龙温度分布的温差 比锡青铜大，其主要原因是尼龙温度场分布梯度高；在竖直方向上，尼龙材料温度出现逐渐下降的趋势 (见图6(d) -8(d))，这与锡青铜也存在差异，这是因为摩擦产生的热量很难通过尼龙传导到与它接触的导热性良好的压板和上平台 E6 润滑与密封 第 38卷，～ - H ，、 、硼i r T llTUf。

J/--1/ P1c0 120 240 361I 480 600t/s(a)红外探头、热电偶测温及其差值曲线l48.1l24I88， . 101.6678.4455.22320 0.42 0.84 1.26 1.68 2.1Distance s/(×10 mm )(b)稳态时的温度场分郝墓璺燃餮誉Distance sl(×10 mm )(e)下试样上表面径向路线N1-N2温度曲线 (d)下试样侧表面竖直路线N2-N3温度曲线图8 试样尼龙在工况三下的测试分析结果 (300 N，256 r/min，13.5C)Fig 8 Temperature distribution of under sample(nylon)in the third conditions(300 N，256 r/min，13.5℃)4 结论(1)环 -面接触摩擦过程中，在摩擦副界面上形成以接触区的中线附近为中心向四周扩散的宏观温度常无论是金属材料还是非金属材料 ，其温度的变化趋势大体相同，在试验初期，温度上升较快，而后温度上升相对缓慢。但两者之间还是存在着差异 ，当下试样是非金属材料时，其上试样温度上升的幅度较大，并且较快达到热平衡 ，而下试样的下表面温度较难在短时间向外传导而缓慢上升。

(2)摩擦速度越高，接触压力越大，摩擦因数越大，摩擦副材料的导热能力越差，摩擦界面的表面温度也就越高，即实验的工况条件和摩擦副材料热物性对温度场的分布起着很重要的影响。

(3)采用高灵敏度、高响应速度、非接触式红外测温探头直接测量摩擦副表面温度，然后将作为边界条件和初始条件导入到 ANSYS中进行分析，能很好地将实测的边界数据与三维温度模拟结合起来，更具有准确性和实时性。