CN102175712B - 界面热力耦合传热系数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种界面热力耦合传热系数测量系统，包括夹持装置、增力装置、砝码、加热装置和测量装置；夹持装置包括用于安装待测试样的加热夹头I和加热夹头II，两个夹头的夹持面相对设置；增力装置包括液压增力机构和滑轮增力机构，向待测试样提供压力；加热装置对加热夹头I和加热夹头II传导热量；测量装置包括试样测温探头、互感器I、互感器II和记录分析仪器。同时，本发明还公开了一种界面热力耦合传热系数测量方法。本发明的界面热力耦合传热系数测量系统及方法，可通过调整滑轮和液压两级增力机构的增力倍数，根据需求放大输出压力，因此能够满足在对应不同材质、不同压力、不同接触面状况下的接触界面换热系数的测量要求。

Description

界面热力耦合传热系数测量系统及方法

技术领域

本发明涉及传热测量技术领域，特别涉及一种界面热力耦合传热系数测量系统及方法。

背景技术

近年来随着虚拟技术的发展，计算机数值模拟技术进入了铸造行业。然而，铸造过程计算机数值模拟技术对于边界条件有着很强的依赖关系，边界条件的变化可能会导致计算结果产生很大的变化，从而直接影响了后续的分析和研究，尤其在以界面传热系数作为边界条件的数值模拟问题上，这种影响就更加明显。同时，模具和铸件间的热量交换直接影响了温度场的分布，进而影响模具寿命和铸件成形质量，因此，对界面传热系数的研究越来越受到人们的关注。

现有技术中，中国专利200810228154.0公开了一种“基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量方法和装置”，该测量方法采用高温加热炉和低温加热炉分别对试样进行加热，螺纹旋转轴经高温试样支撑杆将高温试样顶出并通过压力装置施压的方式，实现低温试样与高温试样的动态接触，同时，工控机通过温控仪表采集温度，进行显示和分析。但是，该方法中压力装置增力倍数较小，进而限制试样尺寸的大小，容易给测量带来较大误差。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明的目的之一是提供一种可根据实际需求扩大增力倍数，实现力的小输入大输出，同时减小测量误差的界面热力耦合传热系数测量系统。

本发明的目的之二是提供一种界面热力耦合传热系数测量方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

一种界面热力耦合传热系数测量系统，包括机架、夹持装置、增力装置、砝码、加热装置和测量装置；

所述夹持装置包括由加热装置加热的加热夹头I和加热夹头II；所述加热夹头II置于机架的工作台上，加热夹头I和加热夹头II的夹持面相对；待测试样I安装在加热夹头I的夹持面上，待测试样Ⅱ安装在加热夹头II的夹持面上；

所述增力装置包括液压增力机构和滑轮增力机构；所述液压增力机构包括小缸径液压缸、大缸径液压缸和液压油管；所述小缸径液压缸通过液压油管与大缸径液压缸连通；所述加热夹头I设置在大缸径液压缸的大活塞杆的前端并由大活塞杆驱动；所述滑轮增力机构包括动滑轮组、动滑轮组安装板、定滑轮组、定滑轮组安装板、第一定滑轮、导向柱和钢丝绳；所述导向柱与小缸径液压缸的小活塞杆平行，定滑轮组安装板固定安装在机架上，动滑轮组安装板固定安装在小活塞杆上并与小活塞杆垂直，动滑轮组安装板的端部套在导向柱上并与其滑动配合；所述动滑轮组安装在动滑轮组安装板上，定滑轮组安装在定滑轮组安装板上；所述钢丝绳绕过第一定滑轮，一端悬挂砝码，另一端以定滑轮和动滑轮相间隔的方式绕过动滑轮组和定滑轮组，另一端的端部固定在定滑轮上；

所述测量装置包括记录分析仪器以及用于检测待测试样I和待测试样II在接触界面处温度的试样I测温探头和试样II测温探头；所述试样I测温探头和试样II测温探头的信号输出端与记录分析仪器连接。

    进一步，所述加热装置包括至少两根电加热棒，所述加热夹头I和加热夹头II上均设有电加热棒；

    进一步，所述测量装置还包括互感器I、互感器II以及与电源连接的温控单元Ⅰ和温控单元Ⅱ；所述温控单元I 的测温端与试样I测温探头连接，温控单元II的测温端与试样II测温探头连接；所述温控单元I的输出端与互感器I的初级线圈的输入端连接，温控单元II的输出端与互感器Ⅱ的初级线圈的输入端连接；所述互感器I的初级线圈输出端与加热夹头I上的加热棒连接，互感器II的初级线圈输出端与加热夹头II上的加热棒连接；所述互感器I和互感器II的次级线圈输出端与记录分析仪器连接；

进一步，所述加热夹头I和加热夹头II采用上下相对的方式设置；

进一步，所述液压增力机构还包括用于显示压力油压强大小的压力表，所述压力表安装在液压油管上。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

一种界面热力耦合传热系数测量的方法，该测量方法采用上述的界面热力耦合传热系数测量系统作为测量装置，其包括以下步骤：

（1）按试样尺寸和表面粗糙度的要求准备待测试样I和待测试样II，并在待测试样I和待测试样II上设置测温探头安装孔；

（2）将待测试样I安装在加热夹头I上，待测试样II安装在加热夹头II上；待测试样I与待测试样II相对，且待测试样I由大缸径液压缸的大活塞杆驱动；

（3）将试样I测温探头插入待测试样I的测温探头安装孔内，试样II测温探头插入待测试样II的测温探头安装孔内，将试样I测温探头和试样II测温探头的探头触点用导热胶固定，并使试样I测温探头和试样II测温探头的探头触点接近两个待测试样的接触界面；

（4）将试样I测温探头和试样II测温探头的信号输出端与记录分析仪器连接； 

（5）在钢丝绳的悬挂端上悬挂砝码，使待测试样I和待测试样II在设定的压力下紧密接触；

（6）开启加热装置，通过加热装置使待测试样I和待测试样II在设定的温度下达到稳态；

（7）通过记录分析仪器采集稳态加载与加热时的数据，并由记录分析仪器进行计算处理，从而获得待测试样I和待测试样II在稳态时的界面换热系数。

与现有技术相比，本发明的界面热力耦合传热系数测量系统及方法具有如下优点：

1）本发明的界面热力耦合传热系数测量系统及方法，可通过调整滑轮和液压两级增力机构的增力倍数，根据需求放大输出压力，其接触面状况可变，因此能够满足在不同材质、不同压力、不同接触面状况下的界面热力耦合换热系数的测量要求，改善了系统的灵活性，同时操作方便。

2）本发明的测量系统能够测量的试样尺寸变化范围大。

3）本发明的测量系统能源消耗小，测量精度高，可靠性好。

附图说明

图1为本发明界面热力耦合传热系数测量系统的结构示意图；

图2为滑轮增力机构的结构示意图。

附图中： 1—机架； 2—记录分析仪器； 3—加热夹头I； 4—加热夹头II； 5—待测试样I； 6—待测试样II； 7—小缸径液压缸； 8—大缸径液压缸； 9—液压油管； 10—动滑轮组； 11—动滑轮组安装板； 12—定滑轮组； 13—定滑轮组安装板； 14—第一定滑轮； 15—导向柱； 16—钢丝绳； 17—大活塞杆； 18—小活塞杆； 19—砝码； 20—试样I测温探头； 21—试样II测温探头； 22—电加热棒； 23—互感器I； 24—互感器II； 25—温控单元I； 26—温控单元II； 27—压力表； 28—垫块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

图1为本发明界面热力耦合传热系数测量系统的结构示意图，图2为滑轮增力机构的结构示意图，如图所示。界面热力耦合传热系数测量系统包括机架1、夹持装置、增力装置、砝码19、加热装置和测量装置。

其中，夹持装置包括可由加热装置加热的加热夹头I 3和加热夹头II4。加热夹头II4置于机架1的工作台上，加热夹头II4的底部设置垫块28，本实施例中，加热夹头I 3位于加热夹头II4的正上方，加热夹头I 3和加热夹头II4的夹持面在竖直方向上对应。待测试样I 5安装在加热夹头I 3的夹持面上，待测试样II6安装在加热夹头II4的夹持面上。根据大活塞杆17的行程和加热夹头I 3之间的距离，调整垫块28的高度。

增力装置包括滑轮增力机构和液压增力机构。

其中，液压增力机构包括小缸径液压缸7、大缸径液压缸8、液压油管9和压力表27。小缸径液压缸7设置在机架1上，小缸径液压缸7的小活塞杆18竖直向上，接收滑轮增力机构输出的驱动力。大缸径液压缸8设置在机架1工作台的正上方，且位于加热夹头I 3的上方，大缸径液压缸8的大活塞杆17竖直向下，大活塞杆17伸出便可驱动加热夹头I 3向下压在加热夹头II4上。小缸径液压缸7通过液压油管9与大缸径液压缸8连通，小缸径液压缸7内的活塞受压时缸内的液压油通过液压油管9压入大缸径液压缸8中。压力表27安装在液压油管9上，用于显示压力油的压强大小。

滑轮增力机构如图2所示，包括动滑轮组10、动滑轮组安装板11、定滑轮组12、定滑轮组安装板13、第一定滑轮14、导向柱15和钢丝绳16。导向柱15为两个，分别固定安装在机架1上，且在小缸径液压缸7的小活塞杆18的两侧，与小缸径液压缸7的小活塞杆18平行。定滑轮组安装板13固定安装在机架1上，动滑轮组安装板11的中部固定安装在小活塞杆18上并与小活塞杆18垂直，动滑轮组安装板11的两端部分别套在两个导向柱15上并与其滑动配合，且动滑轮组安装板11与定滑轮组安装板13平行。动滑轮组10安装在动滑轮组安装板11上（本实施例中，动滑轮组10由八个动滑轮组成），定滑轮组12安装在定滑轮组安装板13上（本实施例中，定滑轮组12由八个定滑轮组成）。第一定滑轮14通过支架固定安装在动滑轮组10的右侧。钢丝绳16绕过第一定滑轮14，右端悬挂砝码19，左端以定滑轮和动滑轮相间隔的方式绕过动滑轮组10和定滑轮组12，左端端部固定在定滑轮组12左侧的定滑轮上。

动滑轮组10中的动滑轮和定滑轮组12中的定滑轮的个数可以根据力的放大倍数的需求进行确定。本实施例中，在钢丝绳16的右端悬吊砝码19，通过滑轮组可以输出十四倍砝码重量的力，该力加载在小缸径液压缸7上。由于在液压传动的过程中，液压缸中的压力油压强一样，通过大、小液压缸面积之比实现输出端压力的扩大，如设定大缸径液压缸8与小缸径液压缸7的活塞面积之比约为六，大缸径液压缸8输出压力约为八十四倍砝码重量。

加热装置包括八根电加热棒22，四根电加热棒为一组。在加热夹头I3和加热夹头II4上分别开设有四个用于固定电加热棒的加热孔；在加热夹头I3和加热夹头II4的加热孔内分别设置有一组电加热棒。

测量装置包括互感器I23、互感器II24、记录分析仪器2以及与电源连接的温控单元Ⅰ25和温控单元Ⅱ26。温控单元I 25的测温端与试样I测温探头20连接，温控单元II26的测温端与试样II测温探头21连接。温控单元I25的输出端与互感器I23的初级线圈的输入端连接，温控单元II26的输出端与互感器Ⅱ24的初级线圈的输入端连接。互感器I23的初级线圈输出端与加热夹头I3上的加热棒连接，互感器II24的初级线圈输出端与加热夹头II4上的加热棒连接。互感器I23和互感器II24的次级线圈输出端与记录分析仪器2连接。试样I测温探头20和试样II测温探头21分别用于测量待测试样I5和待测试样II6在接触界面处的实时温度，并将检测的相关数据发送给记录分析仪器2。本实施例中，试样I测温探头20和试样II测温探头21采用热电偶，当然也可以采用其他温度传感器。

使用该界面热力耦合传热系数测定系统时，将待测试样I5装夹于加热夹头I 3中，待测试样II 6装夹于加热夹头II 4中；沿待测试样I5的轴向钻有用于设置试样I测温探头20的安装孔，沿待测试样II 6的轴向钻有用于设置试样II测温探头21的安装孔，将试样I测温探头20和试样II测温探头21安装在对应的加热夹头I 3和加热夹头II 4内的安装孔内，利用导热胶固定；再将加热夹头I 3与大缸径液压缸8的大活塞杆17的端部相接，根据大活塞杆17的行程和加热夹头I 3之间的距离，调整垫块28的高度。装夹好后，通过增力装置对加热夹头I 3施压，使待测试样I5和待测试样II6紧密接触。

利用上述的界面热力耦合传热系数测量系统对一种模具钢试样和铝铸件试样进行界面热力耦合传热系数测定，以H13模具钢试样作为待测试样I5，以铝铸件试样作为待测试样II6为例。H13模具钢试样的加工直径为φ15mm～φ40mm，高10mm～15mm，斜度3°～5°，总长40mm～100mm；铝铸件试样的直径为φ15mm～φ40mm；高2mm～3mm；斜度3°～5°，总长40mm～100mm。

界面热力耦合传热系数测量方法包括如下步骤：

（1）将H13模具钢试样和铝铸件试样加工到实验要求的尺寸及表面粗糙度；并沿H13模具钢试样和铝铸件试样的轴向设置测温探头安装孔。

（2）将H13模具钢试样安装在加热夹头I3上，铝铸件试样安装在加热夹头II4上；H13模具钢试样与铝铸件试样相对，且H13模具钢试样由大缸径液压缸8的大活塞杆17驱动。

（3）将两组电加热棒分别插入加热夹头I3和加热夹头II4的加热孔中，调整垫块28的高度，使加热夹头I3与大缸径液压缸8（直径φ63mm～φ250mm，行程大于100mm）的大活塞杆17的顶端接触，将加热夹头II4及与其相连接的铝铸件试样外表面用绝热保温材料包住，尽量减少与外界的热交换；将试样I测温探头20插入H13模具钢试样的测温探头安装孔内，试样II测温探头21插入铝铸件试样的测温探头安装孔内，将试样I测温探头20和试样II测温探头21的探头触点用导热胶固定，并使试样I测温探头20和试样II测温探头21的探头触点尽量接近两个待测试样的接触界面。

（4）将试样I测温探头20和试样II测温探头21的信号输出端与记录分析仪器2连接。

（5）在钢丝绳16的悬挂端上悬挂砝码19，使H13模具钢试样和铝铸件试样在设定的压力下紧密接触。

（6）将小缸径液压缸8（直径φ32mm～φ125mm，行程大于200mm）与动滑轮组固定板连接，本实验中动滑轮组和定滑轮组分别由八个动滑轮和八个定滑轮组成，经过滑轮和液压两级增力系统的作用，最终输出的压力约为砝码重量的八十四倍，在此试验中砝码重量为50Kg，故输出的力约为42000N。

（7）开启加热装置，通过加热装置使H13模具钢试样和铝铸件试样在设计的温度下达到稳态。

（8）通过记录分析仪器2采集稳态加载与加热时的相关数据，并由记录分析仪器2进行计算处理，从而获得铝试样和H13模具钢试样在稳态时的界面换热系数。

    最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种界面热力耦合传热系数测量系统，其特征在于：包括机架（1）、夹持装置、增力装置、砝码（19）、加热装置和测量装置；

所述夹持装置包括由加热装置加热的加热夹头I（3）和加热夹头II（4）；所述加热夹头II（4）置于机架（1）的工作台上，加热夹头I（3）和加热夹头II（4）的夹持面相对；待测试样I（5）安装在加热夹头I（3）的夹持面上，待测试样Ⅱ（6）安装在加热夹头II（4）的夹持面上；

所述增力装置包括液压增力机构和滑轮增力机构；所述液压增力机构包括小缸径液压缸（7）、大缸径液压缸（8）和液压油管（9）；所述小缸径液压缸（7）通过液压油管（9）与大缸径液压缸（8）连通；所述加热夹头I（3）设置在大缸径液压缸（8）的大活塞杆（17）的前端并由大活塞杆（17）驱动；所述滑轮增力机构包括动滑轮组（10）、动滑轮组安装板（11）、定滑轮组（12）、定滑轮组安装板（13）、第一定滑轮（14）、导向柱（15）和钢丝绳（16）；所述导向柱（15）与小缸径液压缸（7）的小活塞杆（18）平行，定滑轮组安装板（13）固定安装在机架（1）上，动滑轮组安装板（11）固定安装在小活塞杆（18）上并与小活塞杆（18）垂直，动滑轮组安装板（11）的端部套在导向柱（15）上并与其滑动配合；所述动滑轮组（10）安装在动滑轮组安装板（11）上，定滑轮组（12）安装在定滑轮组安装板（13）上；所述钢丝绳（16）绕过第一定滑轮（14），一端悬挂砝码（19），另一端以定滑轮和动滑轮相间隔的方式绕过动滑轮组（10）和定滑轮组（12），另一端的端部固定在定滑轮上；

所述测量装置包括记录分析仪器（2）以及用于检测待测试样I（5）和待测试样II（6）在接触界面处温度的试样I测温探头（20）和试样II测温探头（21）；所述试样I测温探头（20）和试样II测温探头（21）的信号输出端与记录分析仪器（2）连接。

2.根据权利要求1所述的界面热力耦合传热系数测量系统，其特征在于：所述加热装置包括至少两根电加热棒（22），所述加热夹头I（3）和加热夹头II（4）上均设有电加热棒（22）。

3.根据权利要求2所述的界面热力耦合传热系数测量系统，其特征在于：所述测量装置还包括互感器I（23）、互感器II（24）以及与电源连接的温控单元Ⅰ（25）和温控单元Ⅱ（26）；所述温控单元I（25）的测温端与试样I测温探头（20）连接，温控单元II（26）的测温端与试样II测温探头（21）连接；所述温控单元I（25）的输出端与互感器I（23）的初级线圈的输入端连接，温控单元II（26）的输出端与互感器Ⅱ（24）的初级线圈的输入端连接；所述互感器I（23）的初级线圈输出端与加热夹头I（3）上的加热棒连接，互感器II（24）的初级线圈输出端与加热夹头II（4）上的加热棒连接；所述互感器I（23）和互感器II（24）的次级线圈输出端与记录分析仪器（2）连接。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的界面热力耦合传热系数测量系统，其特征在于：所述加热夹头I（3）和加热夹头II（4）采用上下相对的方式设置。

5.根据权利要求4所述的界面热力耦合传热系数测量系统，其特征在于：所述液压增力机构还包括用于显示压力油压强大小的压力表（27），所述压力表（27）安装在液压油管（9）上。

6.一种界面热力耦合传热系数测量的方法，其特征在于：采用权利要求1至5中任一项权利要求所述的界面热力耦合传热系数测量系统作为测量装置，该测量方法包括以下步骤：

（1）按试样尺寸和表面粗糙度的要求准备待测试样I（5）和待测试样II（6），并在待测试样I（5）和待测试样II（6）上设置测温探头安装孔；

（2）将待测试样I（5）安装在加热夹头I（3）上，待测试样II（6）安装在加热夹头II（4）上；待测试样I（5）与待测试样II（6）相对，且待测试样I（5）由大缸径液压缸（8）的大活塞杆（17）驱动；

（3）将试样I测温探头（20）插入待测试样I（5）的测温探头安装孔内，试样II测温探头（21）插入待测试样II（6）的测温探头安装孔内，将试样I测温探头（20）和试样II测温探头（21）的探头触点用导热胶固定，并使试样I测温探头（20）和试样II测温探头（21）的探头触点接近两个待测试样的接触界面；

（4）将试样I测温探头（20）和试样II测温探头（21）的信号输出端与记录分析仪器（2）连接； 

（5）在钢丝绳（16）的悬挂端上悬挂砝码（19），使待测试样I（5）和待测试样II（6）在设定的压力下紧密接触；

（6）开启加热装置，通过加热装置使待测试样I（5）和待测试样II（6）在设定的温度下达到稳态；

（7）通过记录分析仪器（2）采集稳态加载与加热时的数据，并由记录分析仪器（2）进行计算处理，从而获得待测试样I（5）和待测试样II（6）在稳态时的界面传热系数。

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