本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種為了得到機(jī)床固定結(jié)合面接觸熱阻而設(shè)計(jì)的固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中，接觸熱阻是很重要參數(shù)之一，其取值是否精確直接關(guān)系到機(jī)械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部傳熱。機(jī)床中有大量的固定結(jié)合面，所以研究固定結(jié)合面的接觸熱阻，準(zhǔn)確得對(duì)機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行熱特性分析從而保證機(jī)床加工精度具有實(shí)際意義。

研究分析表明，接觸熱阻是一個(gè)受材料熱物性、材料機(jī)械特性、材料表面性質(zhì)、表面粗糙度及負(fù)載、溫度、介質(zhì)和環(huán)境等眾多因素影響的非線性問(wèn)題。這一問(wèn)題的研究涉及到粗糙表面的微觀描述、材料的形變理論、接觸導(dǎo)熱等多個(gè)領(lǐng)域。接觸熱阻可以通過(guò)理論預(yù)測(cè)，但受多因素耦合影響且其傳熱機(jī)理比較復(fù)雜，現(xiàn)有的理論模型及公式與實(shí)際工程的應(yīng)用還存在很大的差距。迄今為止，國(guó)外關(guān)于熱阻的研究比較多也取得了一些成果，但是因?yàn)閼?yīng)用材料和加工技術(shù)的差異研究成果在國(guó)內(nèi)不適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題而提供一種固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量方法。

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：

一種固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量方法，該方法是基于一種固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的，

所述固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量裝置，包括支撐部分、施載部分、導(dǎo)熱體、隔熱套筒、測(cè)量試件和溫度檢測(cè)部分；

所述支撐部分包括基座、以及豎直設(shè)置在基座上的外支撐桿和內(nèi)支撐桿，基座的頂板中心設(shè)置有通孔，所述導(dǎo)熱體通過(guò)安裝法蘭固定安裝在頂板的通孔中；在內(nèi)支撐桿上設(shè)置有上法蘭盤和下法蘭盤，所述隔熱套筒放置在上法蘭盤和下法蘭盤之間；

所述測(cè)量試件放置在隔熱套筒內(nèi)，測(cè)量試件包括下熱阻試件和上熱阻試件；下熱阻試件和上熱阻試件為直徑相等的柱體，下熱阻試件放置在導(dǎo)熱體上，上熱阻試件放置在下熱阻試件上；

所述施載部分包括設(shè)置在導(dǎo)熱體下方的為下熱阻試件施加熱載荷的發(fā)熱部件和設(shè)置在外支撐桿頂端的為上熱阻試件施加力載荷的機(jī)械式施力機(jī)構(gòu)，其中：發(fā)熱部件與導(dǎo)熱體接觸，通過(guò)導(dǎo)熱體向下熱阻試件傳導(dǎo)熱載荷；機(jī)械式施力機(jī)構(gòu)包括頂桿、桿套、傳感器支座、液壓施力裝置，頂桿套設(shè)在桿套內(nèi)，桿套固定在力傳感器支座上，力傳感器支座與液壓施力裝置的動(dòng)作桿相連，液壓施力裝置固定安裝在外支撐桿頂端，在力傳感器支座內(nèi)安裝有環(huán)狀測(cè)力傳感器；液壓施力裝置的動(dòng)作桿帶動(dòng)力傳感器支座下移，力傳感器支座通過(guò)環(huán)狀測(cè)力傳感器驅(qū)動(dòng)頂桿向上熱阻試件施加壓力，通過(guò)環(huán)狀測(cè)力傳感器檢測(cè)頂桿對(duì)上熱阻試件施加壓力的大小；

所述溫度檢測(cè)部分包括設(shè)置在下熱阻試件和上熱阻試件上的貼片式溫度傳感器，溫度傳感器與信號(hào)采集系統(tǒng)相連，信號(hào)采集系統(tǒng)與pc機(jī)連接；

所述固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟一：首先，確定上熱阻試件和下熱阻試件的材料、確定上熱阻試件和下熱阻試件結(jié)合面的表面粗糙度，通過(guò)機(jī)械式施力機(jī)構(gòu)設(shè)定對(duì)上熱阻試件的壓力載荷；

步驟二：開(kāi)啟發(fā)熱部件對(duì)下熱阻試件施加指定溫度的熱載荷，信號(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)與其相連的布置在下熱阻試件和上熱阻試件上的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集兩個(gè)試件的溫度信號(hào)，采集的模擬溫度信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送至pc機(jī)，pc機(jī)分別記錄下下熱阻試件的溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)以及上熱阻試件的溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)；

步驟三：待系統(tǒng)熱平衡后，停止采集，最后，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行接觸熱阻rc的計(jì)算。

接觸熱阻rc的計(jì)算方法為：利用公式計(jì)算出結(jié)合面界面換熱系數(shù)，界面換熱系數(shù)的倒數(shù)即是接觸熱阻rc，

其中，q為下熱阻試件的熱流量q1和上熱阻試件的熱流量q2的平均值，即下熱阻試件的熱流量q1＝λ1·a·k1，上熱阻試件的熱流量q2＝λ2·a·k2，其中λ1、λ2分別為下熱阻試件和上熱阻試件的熱導(dǎo)率，k1、k2分別是下熱阻試件和上熱阻試件的溫度變化速率，根據(jù)測(cè)得的下熱阻試件和上熱阻試件的溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，分別繪制下熱阻試件和上熱阻試件的t-x圖，忽略輻射和對(duì)流換熱的影響，各點(diǎn)溫度在t-x圖上近似是一條直線，根據(jù)曲線擬合最小二乘法，分別求出下熱阻試件和上熱阻試件的溫度變化速率k1、k2；a為下熱阻試件或上熱阻試件的橫截面面積，a＝πr²，r為下熱阻試件或者上熱阻試件的半徑；

an是下熱阻試件和上熱阻試件結(jié)合面的實(shí)際接觸面積，利用紅丹粉研磨法求出an；

δtc是下熱阻試件和上熱阻試件接觸界面的溫差，根據(jù)測(cè)得的下熱阻試件和上熱阻試件的溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，利用外延法根據(jù)直線函數(shù)計(jì)算試件接觸界面的溫差δtc。

進(jìn)一步的，通過(guò)改變下熱阻試件和上熱阻試件的材料、改變上熱阻試件和下熱阻試件結(jié)合面的表面粗糙度、改變對(duì)下熱阻試件的熱載荷、改變對(duì)上熱阻試件的壓力載荷，分別進(jìn)行接觸熱阻的計(jì)算，從而得出下熱阻試件和上熱阻試件的材料(種類)、上熱阻試件和下熱阻試件結(jié)合面的表面粗糙度、對(duì)下熱阻試件的熱載荷、對(duì)上熱阻試件的壓力載荷與接觸熱阻之間的關(guān)系。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

本發(fā)明的接觸熱阻測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)材料、力載荷、熱源溫度、表面粗糙度對(duì)結(jié)合面接觸熱阻的獨(dú)立因素影響分析與綜合因素影響分析。通過(guò)其他條件選擇一定，改變一種變量，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，計(jì)算接觸熱阻數(shù)值，通過(guò)分析與比較，把握接觸熱阻受變量因素影響的規(guī)律。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量裝置的立體圖；

圖3為本發(fā)明的固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量裝置中的機(jī)械式施力機(jī)構(gòu)的放大圖。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下：

參見(jiàn)附圖，一種固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量裝置，包括支撐部分、施載部分、導(dǎo)熱體、隔熱套筒、測(cè)量試件和溫度檢測(cè)部分；

所述支撐部分包括基座1、以及豎直設(shè)置在基座1上的外支撐桿2和內(nèi)支撐桿3，基座由左右側(cè)底板1-1、左右側(cè)支撐板1-2、前后補(bǔ)強(qiáng)板1-3和頂板1-4組成，頂板1-4通過(guò)螺栓水平安裝在支撐板1-2頂端，底板1-1連接在支撐板1-2底端；外支撐桿2包括四個(gè)m12*750螺紋桿，四個(gè)m12*750螺紋桿豎直固定在基座的頂板1-4上；內(nèi)支撐桿3包括四個(gè)m6*600螺紋桿，四個(gè)m6*600螺紋桿豎直固定在基座的頂板1-4上；

基座的頂板1-4中心設(shè)置有通孔，所述導(dǎo)熱體4通過(guò)安裝法蘭5固定安裝在頂板1-4的通孔中(即安裝法蘭外側(cè)通過(guò)螺栓與頂板固定，導(dǎo)熱體固定在安裝法蘭內(nèi)側(cè))；

在內(nèi)支撐桿上設(shè)置有上法蘭盤6-1和下法蘭盤6-2，所述隔熱套筒7放置在上法蘭盤6-1和下法蘭盤6-2之間；

所述測(cè)量試件放置在隔熱套筒7內(nèi)，測(cè)量試件包括下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2；下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2均為圓柱體，且直徑相等；下熱阻試件8-1放置在導(dǎo)熱體4上，上熱阻試件8-2放置在下熱阻試件8-1上；

所述施載部分包括設(shè)置在導(dǎo)熱體下方的為下熱阻試件8-1施加熱載荷的發(fā)熱部件9和設(shè)置在外支撐桿頂端的為上熱阻試件8-2施加力載荷的機(jī)械式施力機(jī)構(gòu)10，其中：發(fā)熱部件9選用電阻爐，電阻爐設(shè)置在基座內(nèi)，電阻爐與導(dǎo)熱體4接觸，通過(guò)導(dǎo)熱體向下熱阻試件8-1傳導(dǎo)熱載荷，工作時(shí)，電阻爐可設(shè)定不同溫度，為下熱阻試件8-1加載不同溫度的熱載荷；機(jī)械式施力機(jī)構(gòu)10包括頂桿10-1、桿套10-2、傳感器支座10-3、液壓施力裝置10-4，頂桿10-4滑動(dòng)套設(shè)在桿套10-2內(nèi)，桿套10-2利用兩個(gè)螺釘a固定在力傳感器支座10-3上，力傳感器支座10-3與液壓施力裝置10-4的動(dòng)作桿相連，液壓施力裝置10-4通過(guò)安裝法蘭11固定在安裝板12上，安裝板12水平固定在外支撐桿2頂端，在力傳感器支座10-3內(nèi)安裝有環(huán)狀測(cè)力傳感器10-5，環(huán)狀測(cè)力傳感器10-5上接力傳感器支座10-3下接頂桿10-4；機(jī)械式施力機(jī)構(gòu)10加載力的原理為：液壓施力裝置10-4的動(dòng)作桿帶動(dòng)力傳感器支座10-3下移，力傳感器支座10-3通過(guò)環(huán)狀測(cè)力傳感器10-5驅(qū)動(dòng)頂桿10-4向上熱阻試件8-2施加力，通過(guò)環(huán)狀測(cè)力傳感器10-5檢測(cè)頂桿10-4對(duì)上熱阻試件8-2施加力的大?。?/p>

所述溫度檢測(cè)部分包括設(shè)置在下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2上的貼片式溫度傳感器，溫度傳感器與信號(hào)采集系統(tǒng)相連，信號(hào)采集系統(tǒng)與pc機(jī)相連。

在本實(shí)施例中，所述導(dǎo)熱體4為紫銅材質(zhì)的圓柱體。

在本實(shí)施例中，所述測(cè)量試件是指：由ht300、qt500、gcr15、45等材料制成得長(zhǎng)250mm，直徑78mm的圓柱體。

在本實(shí)施例中，所屬液壓施力裝置為液壓絲杠或者液壓缸。

在本實(shí)施例中，所述隔熱套筒7包括內(nèi)隔熱套筒7-1和外隔熱套筒7-2，上法蘭盤6-1和下法蘭盤6-2的相對(duì)面設(shè)置有一圈凸臺(tái)c(即上法蘭盤的下面和下法蘭盤的上面設(shè)置有相對(duì)的凸臺(tái)c)，外隔熱套筒7-2安裝在凸臺(tái)的外側(cè)，內(nèi)隔熱套筒7-1安裝在凸臺(tái)的內(nèi)側(cè)。

所述固定結(jié)合面接觸熱阻的測(cè)量裝置的工作原理如下：

設(shè)定一定的實(shí)驗(yàn)條件：確定的熱源溫度值(通過(guò)發(fā)熱部件設(shè)定)，確定的壓力載荷(通過(guò)機(jī)械式施力機(jī)構(gòu)設(shè)定)、確定的熱阻試件材料(根據(jù)要求提前預(yù)制)、確定的熱阻試件結(jié)合面的表面粗糙度(根據(jù)要求提前預(yù)制)，通過(guò)設(shè)定這些參數(shù)來(lái)模擬機(jī)床結(jié)合面的工作環(huán)境；開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，發(fā)熱部件發(fā)熱，熱量通過(guò)紫銅導(dǎo)熱體4向上傳遞到下熱阻試件8-1，然后熱量從下熱阻試件8-1傳到上熱阻試件8-2，信號(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)與其相連的布置在下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2上的貼片式溫度傳感器實(shí)時(shí)采集兩個(gè)試件的溫度信號(hào)，采集的模擬溫度信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送至pc機(jī)，pc機(jī)分別記錄下下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)(pc機(jī)可采用labview軟件實(shí)時(shí)顯示下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的溫度隨時(shí)間變化的曲線)；最后，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行接觸熱阻rc的計(jì)算。

接觸熱阻rc的計(jì)算方法為：利用公式計(jì)算出結(jié)合面界面換熱系數(shù)，界面換熱系數(shù)的倒數(shù)即是接觸熱阻rc。

其中，q為下熱阻試件8-1的熱流量q1和上熱阻試件8-2的熱流量q2的平均值，即下熱阻試件8-1的熱流量q1＝λ1·a·k1，上熱阻試件8-2的熱流量q2＝λ2·a·k2，其中λ1、λ2分別為下熱阻試件和上熱阻試件的熱導(dǎo)率，k1、k2分別是下熱阻試件和上熱阻試件的溫度變化速率(根據(jù)測(cè)得的下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，分別繪制下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的t-x圖(t為溫度，x為時(shí)間)，忽略輻射和對(duì)流換熱的影響，各點(diǎn)溫度在t-x圖上近似是一條直線，根據(jù)曲線擬合最小二乘法，可分別求出下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的t-x圖的直線的斜率k1、k2，斜率k1、k2即為溫度變化速率)；a為下熱阻試件或上熱阻試件的橫截面面積，a＝πr²，r為下熱阻試件或者上熱阻試件的半徑(下熱阻試件或上熱阻試件的直徑相等，橫截面面積相等)；

an是下熱阻試件和上熱阻試件結(jié)合面的實(shí)際接觸面積，利用紅丹粉研磨法求出an；

δtc是下熱阻試件和上熱阻試件；接觸界面的溫差，根據(jù)測(cè)得的下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的溫度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，利用外延法根據(jù)直線函數(shù)計(jì)算試件接觸界面的溫差δtc。

通過(guò)改變下熱阻試件和上熱阻試件的材料、改變上熱阻試件和下熱阻試件結(jié)合面的表面粗糙度、改變對(duì)下熱阻試件的熱載荷、改變對(duì)上熱阻試件的壓力載荷，分別進(jìn)行接觸熱阻的計(jì)算，即，將下熱阻試件和上熱阻試件的材料、上熱阻試件和下熱阻試件結(jié)合面的表面粗糙度、對(duì)下熱阻試件的熱載荷、對(duì)上熱阻試件的壓力載荷作為變量，通過(guò)其他條件選擇一定，改變一種變量，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出接觸熱阻數(shù)值，從而得出這些變量與接觸熱阻之間的關(guān)系。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。