CN104964760A - 一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法，首先分析摩擦副的外在支撑结构特点，根据加载结构建立摩擦副三维仿真有限元模型，然后根据工况条件模拟摩擦副工作状态下的温度场分布，通过对温度场云图的分析确定摩擦元件的温度范围，根据摩擦元件的相对转速和温度范围选取合适的红外测温传感器和热电偶，设计了相应工装，通过实时采集获得摩擦副表面及内部的温度分布状态。本发明能够实现摩擦副温度的静、动态测试，在不改变摩擦副表面接触和滑摩状态的前提下，实现了对于温度的动态实时观测，本方法的特点在于将红外技术与热电偶技术相结合，在确定了摩擦副精确温度边界条件的同时，为摩擦副动态设计提供了理论依据。

Description

一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法

技术领域

本发明属于履带车辆传动领域制动器摩擦副温度测量技术领域，具体涉及一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法。

背景技术

高能量密度摩擦传动系统是高性能传动的关键，其显著特征是大功率、高转速，摩擦副由于其优异的耐磨性和较高的热容被广泛应用于履带车辆的传动领域。Cu基、Fe基粉末冶金摩擦副，包括制动器与离合器，工作在多应力复合环境中，作为三参数边界-压力、速度、温度是影响摩擦副摩擦特性的主要因素，也是摩擦副设计过程中的重要参考。现阶段速度边界能够通过实验准确测量，而温度边界的动态测试一直是三边界测量中的重点和难点，而且现阶段的温度测试多是局部静态测量，测量精度低、相应较低，目前在干式摩擦片的设计领域一直没有有效的并且可靠的摩擦副整体温度场的测量的成熟方法。对摩擦副进行三维建模模拟温度载荷是获得整体温度场的主要手段。现阶段采用的一般热电偶的方法，只能测量被测体内部的温度，不能适应履带车辆摩擦副的动态设计，无法满足新型号新装置摩擦副的设计要求。

长期以来摩擦副表面压力测量困难主要集中在以下几方面：(1)测量元件难以测量高速摩擦的接触表面的温度；(2)现阶段的测量都集中在局部测量，对于摩擦元件整体温度场测量仍存在困难；(3)摩擦元件往往伴随旋转，现有测量手段难以克服在移动或者旋转件上进行测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：是为了解决现有技术中存在的摩擦副接触温度条件无法测量的问题，提供一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温，该方法有效的解决了当前摩擦副在高速滑摩过程中难以获得的问题，其优点在于在摩擦副高速滑摩过程中，实现了摩擦副接触部位和其内部的整体的温度测量，在确定了摩擦副精确温度条件的同时，为摩擦副动态设计提供了理论依据。

本发明采用的技术方案为：一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤一、分析摩擦元件的工况条件及摩擦副的加载支撑结构的特点，获得摩擦副的几何尺寸，计算极限工况下的摩擦副的产热量；

步骤二、根据步骤一中分析获得的摩擦副的支撑结构特点和摩擦副的几何尺寸建立有限元分析模型，将计算获得的总产热量作为热边界条件输入到模型参数中；

步骤三、以步骤二建立的模型为基础，对模型进行稳态温度场分析，根据摩擦副的热分析结果确定摩擦副温度分布的上下限，从而获取温度测量的大致温度范围，确定方法如下：

在温度计算有限元仿真的温度场结果中查看稳态计算过程结束时，摩擦副表面温度的最大值与最小值，作为红外传感器的温度范围值；将摩擦副内部温度的最大值与最小值，作为热电偶的温度范围；

步骤四、按照步骤三获得的温度范围，结合步骤一中摩擦元件的工况条件和测量人员对于测量的要求，在红外传感器手册和热电偶手册中查找满足各自温度范围的相应的红外传感器和热电偶的型号，如可测温度范围、测量频率、温度分辨率等；

步骤五、完成步骤四，测量已选红外传感器的几何尺寸中包括(直径D1、长度L1，测量孔直径d等)或者根据传感器的说明书的安装尺寸，在摩擦元件接触表面的背面打通孔，孔的尺寸为B＝D1+2mm，加工轴套，轴套尺寸为：内径D2＝B+0.5，外径D3＝D2+6mm，在轴套上打M4的螺纹孔，配M4的紧定螺钉，使红外传感器能够固定在摩擦元件上；

步骤六、根据已选的热电偶的型号，测量其安装尺寸(包括直径D4、长度L2)或者根据其使用说明中的安装尺寸，在摩擦元件侧面打孔，孔径C＝D4+2mm，深度为L2，安装紧定螺钉，将热电偶固定，热电偶的测点分布一般为6～8个，或者测量者根据测试需要自行决定；

步骤七、将热电偶和红外传感器的接线与无线变送器相连，将无线变送器固定于旋转轴上，将磨合充分的摩擦副进行温度场测试，接通测试仪，通过电压指示计调零电路，获取干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态温度状态。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用红外热电偶嵌入式动态测温，实现摩擦副滑摩状态整体测温，测量范围广。

(2)本发明将热电偶测量元件埋于摩擦副内部，将红外传感器固定于摩擦副外部，充分利用了热电偶接触测量精度较高以及红外传感器采集频率较高的特点，弥补了各自的不足。

(3)本发明既能测量摩擦副在静态(稳态)下的温度分布状况，又能够测量摩擦副在对摩过程中的摩擦温度场，本方法的测量适用性较好。

(4)本发明测量精度高，测量方法简单，测试点位布置方便，测试成本较低。

(5)该方法有效的解决了当前摩擦副滑摩过程的整体温度场无法真实获得的困难，实现了温度的动态测试，在确定了摩擦副精确温度边界条件的同时，为摩擦副动态设计提供了理论依据。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图；

图2为本发明中三维模型；

图3为本发明摩擦片温度场仿真结果云图；

图4为本发明中红外传感器安装尺寸；

图5为本发明中热电偶选型，其中，1为传感器，2为高频瓷管，3为保护管，4为连接装置，5为接线盒，6为变送模块，7为插入长度(l)，8为冷端长度，9为保护管总长度(L)；

图6为本发明套筒结构示意图；

图7为本发明中红外传感器打孔，其中，10为测量用通孔，11为对偶片，12为M3螺栓孔；

图8为本发明中装配过程图，其中，11为对偶片，13为红外传感器，14为套筒，15为热电偶，16为紧定螺钉，17为传导材料，18为摩擦片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。

理论研究和试验过程都发现Fe基粉末冶金摩擦副在接合过程中温度分布并不均匀，该特点的产生是由于加压结构的特点与接触表面特性共同决定的。本发明采用红外测温与热电偶测温相结合的方法，实现摩擦副滑摩状态下动态整体温度的测量。

为了实现摩擦副整体温度分布测试，加工测试样件。为了不影响Fe基粉末冶金摩擦片的摩擦表面的真实情况，在对偶钢片的表面上打若干个通孔(一般是在径向上打孔)，按照红外传感器安装尺寸打M3或者M4的螺纹孔。

如图1所示，本发明预埋销钉应变测量的动态接触压力测试方法具体实现过程如下：

步骤一、确定出摩擦副工作状态下的工况条件(主要为载荷与转速)；摩擦片的几何尺寸(内外径，厚度，摩擦层厚度等)及加载结构特点，包括摩擦副工作时的支撑结构特点，加压结构特点，如采用哪种支撑，轴承位置以及加载力位置和方向等。摩擦副几何尺寸、工况条件和加载结构的分析主要对加载结构进行化简，用以完成摩擦副接触压力分布的初步分析，为仿真模型的建立提供必要的参数支持。

步骤二、在ANSYS或者ABQUS中按照摩擦副的支撑结构，尺寸要求等建立三维模型，按照摩擦副的材料属性赋予三维模型材料单元属性，按照加载结构特点按照载荷大小加载，计算获得的总产热量作为热边界条件输入到模型参数中，具体的计算方法如下：

$M=\frac{1}{2}{\mathrm{J\ω}}_1^2-\frac{1}{2}{\mathrm{J\ω}}_2^2$

其中：M为总的产热量；

J为被动端等效转动惯量；

ω₁为摩擦元件结合前转速；

ω₂为摩擦元件结合后转速；

步骤三、以步骤二建立的模型为基础，对模型进行稳态温度场分析，获得稳态有限元温度场分析结果，选取对偶盘接触表面的节点处的温度的计算的值，作为三维仿真的计算结果。模型的建立及有限元的分析是为了获取摩擦副温度分布的大致范围，为后续传感器的选择提供初步的依据。根据摩擦副的热分析结果确定摩擦副温度分布的上下限，从而获取温度测量的大致温度范围，确定方法如下：

在温度计算有限元仿真的温度场结果中查看稳态计算过程结束时，摩擦副表面温度的最大值与最小值，作为红外传感器的温度范围值；将摩擦副内部温度的最大值与最小值，作为热电偶的温度范围；

步骤四、按照步骤三获得的温度范围，结合步骤一中摩擦元件的工况条件和测量人员对于测量的要求，在红外传感器手册和热电偶手册中查找满足各自温度范围的相应的红外传感器和热电偶的型号，如可测温度范围、测量频率、温度分辨率等；

步骤五、完成步骤四，测量已选红外传感器的几何尺寸中包括(直径D1、长度L1，测量孔直径d等)或者根据传感器的说明书的安装尺寸，在摩擦元件接触表面的背面打通孔，孔的尺寸为B＝D1+2mm，加工轴套，轴套尺寸为：内径D2＝B+0.5，外径D3＝D2+6mm，在轴套上打M4的螺纹孔，配M4的紧定螺钉，使红外传感器能够固定在摩擦元件上；

步骤六、根据已选的热电偶的型号，测量其安装尺寸(包括直径D4、长度L2)或者根据其使用说明中的安装尺寸，在摩擦元件侧面打孔，孔径C＝D4+2mm，深度为L2，安装紧定螺钉，将热电偶固定，热电偶的测点分布一般为6～8个，或者测量者根据测试需要自行决定。

步骤七、将热电偶和红外传感器的接线与无线变送器相连，将无线变送器固定于旋转轴上。将磨合充分的摩擦副进行温度场测试，接通测试仪，通过电压指示计调零电路，获取干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态温度状态。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的实现过程。

步骤一、摩擦材料为Fe基粉末冶金烧结材料，选取内径为Ф160mm，外径为Ф200mm的摩擦副作为研究对象，对偶片的厚度为10mm，材料为45#钢，表面淬火处理，表面加工工艺为精车后粗磨，粗糙度0.8，平面度为0.04。材料为30CrMnSiA，热处理特性为调制，硬度为HRC55-60。液压加载，压力范围为0-20000N，转速为：4000r/min，工作温度不超过800摄氏度。

步骤二、在ANSYS或者ABQUS中按照摩擦副的支撑结构，尺寸要求等建立三维模型，如图2所示。按照摩擦副的材料属性赋予三维模型材料单元属性，按照加载结构特点按照载荷大小加载，计算获得的总产热量作为热边界条件输入到模型参数中，经过公式计算获得了总计的产热为2MJ。输入到计算机作为仿真的热边界条件，设置摩擦副周围与空气接触。

步骤三、以步骤二建立的模型为基础，对模型进行稳态温度场分析，其分析结果如图3所示，获得稳态有限元温度场分析结果，选取对偶盘接触表面的节点处的温度的计算的值，作为三维仿真的计算结果，选取接触表面的节点处的计算结果的最大值为544℃，其最小值为351℃。

选取摩擦片内部中心网格节点处的各个值中的最大值为：467℃，最小值315℃。

步骤四、本测量中对偶片固定，摩擦片旋转，按照步骤三获得的温度范围，结合步骤一中摩擦元件的工况条件和测量人员对于测量的要求，在红外传感器手册和热电偶手册中查找满足各自温度范围的相应的红外传感器和热电偶的型号，如可测温度范围、测量频率、温度分辨率等；以此作为参考依据选取了欧米茄OS4000系列L1-2-10-4红外传感器，其安装尺寸如图4所示。选取热电偶为：镍铬-镍硅K系列-200～1300℃分辨率±2.5℃的铠装热电偶，如图5所示。

步骤五、完成步骤四，测量已选红外传感器的几何尺寸中包括(直径D1＝13.8mm、长度L1＝19mm，测量孔直径d＝7.9mm等)或者根据传感器的说明书的安装尺寸，在摩擦元件接触表面的背面打通孔，孔的尺寸为B＝15mm，加工轴套，轴套尺寸为：内径D2＝15.5mm，外径D3＝21.5mm，在轴套上打M4的螺纹孔，配M4的紧定螺钉，使红外传感器能够固定在摩擦元件上如图6所示；

步骤六、对偶片表面打孔的状态如图7所示，根据已选的热电偶的型号，测量其安装尺寸(包括直径D4＝4mm、长度L2＝3mm)或者根据其使用说明中的安装尺寸，在摩擦元件侧面打孔，孔径C＝6mm，深度为L2＝3mm，安装紧定螺钉，将热电偶固定，如图8所示。热电偶的测点分布一般为6～8个，或者测量者根据测试需要自行决定。

步骤七、将热电偶和红外传感器的接线与无线变送器相连，将无线变送器固定于旋转轴上。将磨合充分的摩擦副进行温度场测试，接通测试仪，通过电压指示计调零电路，获取干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态温度状态。

通过实验测试可知本发明可以有效的测量摩擦副在旋转状态下的整体温度场分布，实验结果对仿真结果进行了初步验证，为摩擦副温度边界条件的精确获取及动态设计方法提供了试验支持。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤一、分析摩擦元件的工况条件及摩擦副的加载支撑结构的特点，获得摩擦副的几何尺寸，计算极限工况下的摩擦副的产热量；

骤二、根据步骤一中分析获得的摩擦副的支撑结构特点和摩擦副的几何尺寸建立有限元分析模型，将计算获得的总产热量作为热边界条件输入到模型参数中；

步骤三、以步骤二建立的模型为基础，对模型进行稳态温度场分析，根据摩擦副的热分析结果确定摩擦副温度分布的上下限，从而获取温度测量的大致温度范围，确定方法如下：

在温度计算有限元仿真的温度场结果中查看稳态计算过程结束时，摩擦副表面温度的最大值与最小值，作为红外传感器的温度范围值；将摩擦副内部温度的最大值与最小值，作为热电偶的温度范围；

步骤四、按照步骤三获得的温度范围，结合步骤一中摩擦元件的工况条件和测量人员对于测量的要求，在红外传感器手册和热电偶手册中查找满足各自温度范围的相应的红外传感器和热电偶的型号；

步骤五、完成步骤四，测量已选红外传感器的几何尺寸中或者根据传感器的说明书的安装尺寸，在摩擦元件接触表面的背面打通孔，孔的尺寸为B＝D1+2mm，加工轴套，轴套尺寸为：内径D2＝B+0.5，外径D3＝D2+6mm，在轴套上打M4的螺纹孔，配M4的紧定螺钉，使红外传感器能够固定在摩擦元件上；

步骤六、根据已选的热电偶的型号，测量其安装尺寸或者根据其使用说明中的安装尺寸，在摩擦元件侧面打孔，孔径C＝D4+2mm，深度为L2，安装紧定螺钉，将热电偶固定，热电偶的测点分布一般为6～8个，或者测量者根据测试需要自行决定；

步骤七、将热电偶和红外传感器的接线与无线变送器相连，将无线变送器固定于旋转轴上，将磨合充分的摩擦副进行温度场测试，接通测试仪，通过电压指示计调零电路，获取干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态温度状态。

2.根据权利要求1所述的一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法，其特征在于，步骤四中所述的在红外传感器手册和热电偶手册中查找满足各自温度范围的相应的红外传感器和热电偶的型号时，考虑可测温度范围、测量频率和/或温度分辨率。

3.根据权利要求1所述的一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法，其特征在于，步骤五中所述的几何尺寸中包括直径D1、长度L1和测量孔直径d。

4.根据权利要求1所述的一种干式摩擦副红外热电偶嵌入式动态测温方法，其特征在于，步骤六中所述的安装尺寸包括直径D4和长度L2。