CN103616406B - 一种用于测量固-固接触界面换热系数的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量固-固接触界面换热系数的装置及其测量方法，该装置包括：工作台、加热装置、导正保温装置、加载装置和信息处理系统，通过导正保温装置的导正轴套的特殊导正结构能够大大提高两试样端面对准的精确性，解决了目前存在的固体接触界面接触精度不高的问题。本发明的加载装置能够在短时间内快速加载至大载荷，并保持实验过程中载荷平稳。该装置可用于研究固-固接触温度、接触压力以及接触表面粗糙度对界面换热系数的影响，设计精确，结构合理，操作简便，具有很高的可靠性和实用性。

Description

一种用于测量固-固接触界面换热系数的装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及塑性加工技术领域，特别涉及一种用于测量固-固接触界面换热系数的装置及其测量方法。

背景技术

双辊薄带连铸技术较之传统的板带生产工艺具有诸多优势，是被广泛研究的一项革命性技术。双辊薄带连铸过程中结晶辊与金属熔体间的界面传热对铸带质量与工艺参数的制定都有着显著影响，对其进行研究具有非常重要的理论意义和实用价值。双辊薄带连铸过程中高温金属液与结晶辊会发生急速冷却，根据金属液的状态及接触情况可将熔池与结晶辊接触表面划分为四个区域，分别为液相接触区、相变区、收缩区及轧制区。从界面换热的角度看，在轧制区域金属液已完全凝固成壳，它与结晶辊的接触换热涉及到固-固接触界面传热的领域。由于接触界面换热系数是一个对多种工艺参数都具有敏感性的宏观参数，在轧制区，不同界面载荷、不同接触面温度、不同接触面状态和不同中间介质等条件都会对换热系数造成影响，因此，研究固体间接触界面换热系数越来越受到关注和重视。

在已经公开的中国专利申请号为200810013023.0、专利名称为高温固体界面动态接触换热系数的测量方法和测量装置的专利文献中，公开了一种用于测量固体动态接触换热系数的装置。该装置将实验设于真空室中进行，解决了温度区间偏低、传热过程难以实现的动态化的问题。在已经公开的中国专利申请号为200810228154.0、专利名称为基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量方法和装置的专利文献中，公开了一种用于测量固体界面接触换热系数的装置。该装置能够实现两种不同温度试样动态接触，并对接触后热流交换引起的温度变化数据进行采集。

但是，现有的这些实验装置都存在以下局限：（1）两固体试样界面接触不稳定，精度不够高。（2）无法在短时间内使固体接触界面处快速达到较高载荷水平。

因此，为了克服上述不足，需要设计出一种试样对准精度较高并且可以快速获得大载荷的试验装置，以便于更好地测量固-固接触界面换热系数，提高数据的可靠性。

发明内容

本发明提供了一种用于测量固-固接触界面换热系数的装置，其能够实现提高试样对准精度以及在短时间内快速获得大载荷的功能，从而提高测量固-固接触界面换热系数所获得数据的可靠性。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于测量固-固接触界面换热系数的装置，包括：工作台、加热装置、导正保温装置、加载装置和信息处理系统，加热装置设于工作台左侧，其特征在于，加热装置右侧设有导正保温装置，所述导正保温装置分为内外两层，内层为导正轴套，外层为绝缘筒，导正保温装置中部设有热电偶，热电偶连接数据采集模块，导正保温装置下部通过滑轨固定于工作台上，导正保温装置可沿滑轨左右移动，加热装置与导正保温装置之间设有承载块，第一试样左端位于加热装置中，右端位于导正保温装置中，第一试样与其右端的第二试样在导正保温装置中接触，接触界面位于热电偶处，工作台右侧设有加载装置。

进一步地，所述加载装置包括加载推杆、伺服电机、加载滑块和丝杠，所述伺服电机设于工作台最右端，丝杠右端与伺服电机的动力输出端相连，丝杠位于工作台右侧的滑块槽中，丝杠上设有沿滑块槽左右移动的加载滑块，加载推杆固定在加载滑块上部，加载顶杆左端设有压力传感器。

进一步地，所述加载装置还包括固定在工作台上导正块，所述加载推杆左端穿过导正块上的导正孔，导正块上导正孔的轴心与导正保温装置的轴心共线。

进一步地，所述加载推杆整体呈“F”形。

进一步地，所述承载块可分为上、下两部分，两部分由活页连接，合并后中部设有通孔。

进一步地，所述第一试样中部设有环形凹槽，所述环形凹槽与所述通孔相配合。

进一步地，所述导正轴套两端内侧为锥面，中部内侧为柱面。

进一步地，所述锥面的锥度为1°至5°。

进一步地，所述试验装置还包括设置在滑轨上的挡位销，用于对导正保温装置进行位置固定。

一种测量固-固接触界面换热系数的方法，包括以下步骤：

a．将导正保温装置滑至滑轨最右侧，打开承载块上半部分，将第一试样的左端放入加热装置中，第一试样的环形槽装卡在承载块的通孔位置上，以防止加载时试样发生轴向移动；

b．合并承载块上半部分，向左滑动导正保温装置，使第一试样右端伸入导正轴套，滑至导正保温装置左端面贴紧承载块，将挡位销插入滑轨上的销孔，以固定导正保温装置的位置；

c．将第二试样的左端从导正保温装置右侧伸入导正轴套，使第一试样与第二试样在导正轴套中接触，接触界面在热电偶处，开启加热装置，将第一试样加热至设定温度；

d．加热完毕后，启动伺服电机，使丝杠正转，在丝杠的驱动下，加载滑块带动加载推杆沿工作台的滑块槽向左滑动，加载推杆水平段穿过导正块向第二试样靠近，加载推杆左端的压力传感器最终与第二试样右端相接触，然后开始对试样进行加载；

e．压力传感器获取载荷数据并反馈于信息处理系统，在达到设定载荷后，信息处理系统调节伺服电机达到保持载荷稳定的功能；

f．加载完毕后，实验开始进行，数据采集模块通过热电偶获取实验数据，并记录于信息处理系统，两试样接触一段时间后得到测温点的温度变化曲线，通过数值计算能够算得所求的接触界面换热系数，通过改变压力、接触温度以及试样接触表面粗糙度研究不同参数对界面换热系数的影响规律；

g．实验结束后，关闭加热装置，并进行卸载，待试样自然冷却后取出。

本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的用于测量固-固接触界面换热系数的装置，其优点在于，本发明设计了导正轴套，所述导正轴套两端内侧为锥面，中部内侧为一段柱面，该导正结构能够大大提高两试样对准的精确性，解决目前存在的固体接触界面接触精度不高的问题；本发明的加载装置能够在短时间内快速加载至较大载荷，并保持实验过程中载荷平稳，这是当前已有试验装置所受限制的。

附图说明

图1是用于测量固-固接触界面换热系数的装置的结构示意图。

图2是用于测量固-固接触界面换热系数的装置的导正保温装置的结构示意图。

图3是用于测量固-固接触界面换热系数的装置的承载块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、2、3所示，本发明具体包括：工作台1、加热装置2、导正保温装置、加载装置和信息处理系统11，工作台1的左侧是加热装置和导正保温装置，右侧是加载装置。加热装置2位于工作台1最左侧，可为第一试样3提供所需温度环境，承载块4紧邻加热装置2右侧，承载块4可分为上、下两个部分，两部分之间通过活页连接，下承载块固定在工作台1上，上承载块可以掀开，以便放入试样，承载块4合并后中部设有通孔，第一试样3左端置入加热装置2中，右端伸入导正保温装置中，第一试样3中部设有环形凹槽，凹槽尺寸与承载块4的通孔相配合。

导正保温装置主要包括导正轴套5、绝热筒7、滑轨18、挡位销16、热电偶17。滑轨18通过螺栓固定在工作台1上，导正轴套5内侧两端为锥面，中部为一段柱面，锥面的锥度为1°至5°，该导正结构能够大大提高两试样对准的精确性，绝热筒7可以防止热量流失，同时具有辅助导正作用，导正轴套5和绝热筒7过盈配合，共同组成导正保温装置，导正保温装置可以沿滑轨18左右滑动，滑至滑轨18最左端时，导正保温装置贴紧左侧的承载块4后，可以使用滑轨18上的挡位销16固定导正保温装置的位置，导正保温装置中部设有热电偶17，热电偶17外部连接数据采集模块6。

加载装置主要包括伺服电机13、丝杠15、加载滑块14、加载推杆12、压力传感器9、导正块10。伺服电机13设于工作台1的最右端，丝杠15的右端与伺服电机13的动力输出端相连，丝杠15的左端设于工作台1上，伺服电机13可以带动丝杠15转动，加载滑块14设于工作台1右侧的滑块槽中，丝杠15贯穿加载滑块14，加载滑块14由丝杠15驱动，随丝杠15的转动实现沿工作台1的滑块槽左右滑动，加载滑块14上部设有F形加载推杆12，工作台1中部设有导正块10，导正块10中部设有导正孔，加载推杆12的水平段贯穿导正块10的导正孔，加载推杆12水平段的轴线、导正块10的导正孔轴线及导正保温装置的轴线共线，加载推杆12水平段左端设有压力传感器9，以获取实验过程中的载荷，并反馈到信息处理系统11。

本发明所述用于测量固-固接触界面换热系数的装置的功能是这样实现的：将导正保温装置滑至滑轨18最右侧，打开承载块4上半部分，将第一试样3的左端放入加热装置2中，第一试样3的环形槽装卡在承载块4的通孔位置上，以防止加载时试样发生轴向移动，合并承载块4上半部分，向左滑动导正保温装置，使第一试样3右端伸入导正轴套5，滑至导正保温装置左端面贴紧承载块4，将挡位销16插入滑轨上的销孔，以固定导正保温装置的位置，将第二试样8的左端从导正保温装置右侧伸入导正轴套5，使第一试样3与第二试样8在导正轴套5中接触，接触界面在热电偶17处，开启加热装置2，将第一试样3加热至设定温度，加热完毕后，启动伺服电机13，使丝杠15正转，在丝杠15的驱动下，加载滑块14带动加载推杆12沿工作台1的滑块槽向左滑动，加载推杆12水平段穿过导正块10向第二试样8靠近，加载推杆12左端的压力传感器9最终与第二试样8右端相接触，然后开始对试样进行加载，压力传感器9获取载荷数据并反馈于信息处理系统11，在达到设定载荷后，信息处理系统11调节伺服电机13达到保持载荷稳定的功能，加载完毕后，实验开始进行，数据采集模块6通过热电偶17获取实验数据，并记录于信息处理系统，两试样接触一段时间后得到测温点的温度变化曲线，通过数值计算能够算得所求的接触界面换热系数，通过改变压力、接触温度以及试样接触表面粗糙度即可研究不同参数对界面换热系数的影响规律，实验结束后，关闭加热装置2，并进行卸载，待试样自然冷却后取出。

当然，以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测量固-固接触界面换热系数的装置，包括：工作台（1）、加热装置（2）、导正保温装置、加载装置和信息处理系统（11），加热装置（2）设于工作台（1）左侧，其特征在于，加热装置右侧设有导正保温装置，所述导正保温装置分为内外两层，内层为导正轴套（5），外层为绝缘筒（7），导正保温装置中部设有热电偶（17），热电偶（17）连接数据采集模块（6），导正保温装置下部通过滑轨（18）固定于工作台（1）上，导正保温装置可沿滑轨（18）左右移动，加热装置（2）与导正保温装置之间设有承载块（4），第一试样（3）左端位于加热装置（2）中，右端位于导正保温装置中，第一试样（3）与其右端的第二试样（8）在导正保温装置中接触，接触界面位于热电偶（17）处，工作台（1）右侧设有加载装置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加载装置包括加载推杆（12）、伺服电机（13）、加载滑块（14）和丝杠（15），所述伺服电机（13）设于工作台（1）最右端，丝杠（15）右端与伺服电机（13）的动力输出端相连，丝杠（15）位于工作台（1）右侧的滑块槽中，丝杠（15）上设有沿滑块槽左右移动的加载滑块（14），加载推杆（12）固定在加载滑块（14）上部，加载推杆（12）左端设有压力传感器（9）。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述加载装置还包括固定在工作台（1）上的导正块（10），所述加载推杆（12）左端穿过导正块（10）上的导正孔，导正块（10）上的导正孔的轴心与导正保温装置的轴心共线。

4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述加载推杆（12）整体呈“F”形。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述承载块（4）可分为上、下两部分，两部分由活页连接，合并后中部设有通孔。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一试样（3）中部设有环形凹槽，所述环形凹槽与所述通孔相配合。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导正轴套（5）两端内侧为锥面，中部内侧为柱面。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述锥面的锥度为1°至5°。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在滑轨（18）上的挡位销（16），用于对导正保温装置进行位置固定。

10.一种使用权利要求9所述的用于测量固-固接触界面换热系数的装置来测量固-固接触界面换热系数的方法，包括以下步骤：

a．将导正保温装置滑至滑轨（18）最右侧，打开承载块（4）上半部分，将第一试样（3）的左端放入加热装置（2）中，第一试样（3）的环形凹槽装卡在承载块（4）的通孔位置上，以防止加载时试样发生轴向移动；

b．合并承载块（4）上半部分，向左滑动导正保温装置，使第一试样（3）右端伸入导正轴套（5），滑至导正保温装置左端面贴紧承载块（4），将挡位销（16）插入滑轨上的销孔，以固定导正保温装置的位置；

c．将第二试样（8）的左端从导正保温装置右侧伸入导正轴套（5），使第一试样（3）与第二试样（8）在导正轴套（5）中接触，接触界面在热电偶（17）处，开启加热装置（2），将第一试样（3）加热至设定温度；

d．加热完毕后，启动伺服电机（13），使丝杠（15）正转，在丝杠（15）的驱动下，加载滑块（14）带动加载推杆（12）沿工作台（1）的滑块槽向左滑动，加载推杆（12）水平段穿过导正块（10）向第二试样（8）靠近，加载推杆（12）左端的压力传感器（9）最终与第二试样（8）右端相接触，然后开始对试样进行加载；

e．压力传感器（9）获取载荷数据并反馈于信息处理系统（11），在达到设定载荷后，信息处理系统（11）调节伺服电机（13）达到保持载荷稳定的功能；

f．加载完毕后，实验开始进行，数据采集模块（6）通过热电偶（17）获取实验数据，并记录于信息处理系统（11），两试样接触一段时间后得到测温点的温度变化曲线，通过数值计算能够算得所求的接触界面换热系数，通过改变压力、接触温度以及试样接触表面粗糙度研究不同参数对界面换热系数的影响规律；

g．实验结束后，关闭加热装置（2），并进行卸载，待试样自然冷却后取出。