CN107490595A - 一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法与装置 - Google Patents

一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法与装置 Download PDF

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张再尚
刘志峰
李迎
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Abstract

本发明公开了一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法与装置，属于固态材料热传导和热力耦合试验技术领域。该测试方法为采用两块矩形的测试件以及一块矩形的加热板营造出沿矩形试件沿X方向传导的一维稳态导热环境。在加热板的另一侧施加载荷模拟装备在运行过程中受到的载荷。利用布置在矩形试件上均布的测温传感器，测量X方向上不同半径的温度，同时在测试装置的上、下、前、后处装置隔热装置，根据温度梯度沿X方向传播的分布及热流密度，实现在实际运行过程中待测结合面的接触热阻的测量。弥补了现有技术中针对载荷对结合面接触热阻测试的不足，测量装置制作便捷，所测结果满足实验要求，可用于工程实践、教学、科研等领域。

Description

一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法与装置
技术领域
本发明涉及一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法与装置，属于固态材料热传导和热力耦合试验技术领域。
背景技术
在机械行业零部件的配合关系非常重要，零部件之间相互接触的表面为结合面，通常情况下当两固态材料相互接触时，往往以为两相互接触的表面是完全接触的。但是事实上却不是这样，由于各零部件的表面不是绝对光滑的，表面上有大大小小的凸起和凹坑导致两表面不能完全接触。而且当其中一个零部件受外力发热时，热量会从高温物体传热到低温物体，在热传导的过程中由于接触表面不是完全接触，热量会通过相互接触的微凸体以及未接触空隙的空气或其他媒质传递，但是考虑到空气和其他媒质的导热能力远低于固态材质的导热能力，所以会出现热量传递受阻的现象，被称为接触热阻。其取值的准确与否直接关系到各个设计和结构的质量，它的大小关系到各个结构内部传热的效率。目前国内外对固体结合面间的接触热阻的测试方面已开展了一系列的研究，既有普遍的实验对象为针对长轴或长方体间的简单结合面接触热阻的测量方法和实验装置研究，通过稳态的测试方法对试样轴线上不同位置点的温度进行采集，根据平壁内一维稳态热传导特性，计算两试件接触界面的接触热阻，也有针对圆柱套筒壁间界面的接触热阻的测量方法和实验装置研究。根据径向一维稳态热传导特性，计算两试件接触界面的接触热阻。但是综上所述可以发现不管是长轴或长方体间的简单结合面接触热阻还是圆柱套筒壁间界面的接触热阻的测量方法和实验装置研究，都只是在稳态下进行的，对实际加工过程中的装备是不适用的，实际的加工运行过程中会受到不同的载荷，进而影响接触面的接触热阻。
发明内容
针对现有技术对连接结构结合面接触热阻的研究存在不足，本发明提出了一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法与装置，能够有效的测定连接结构在实际的运行过程中结合面的接触热阻。
一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法，该测试方法为采用两块矩形的测试件以及一块矩形的加热板营造出沿矩形试件沿X方向传导的一维稳态导热环境。在加热板的另一侧施加载荷模拟装备在运行过程中受到的载荷。利用布置在矩形试件上均布的测温传感器，测量X方向上不同半径的温度，同时在测试装置的上、下、前、后处装置隔热装置，最大限度降低其他方向散热对所述结合面接触热阻准确性的影响，根据温度梯度沿X方向传播的分布及热流密度，实现在实际运行过程中待测结合面的接触热阻的测量。
为实现上述测试方法，本发明采用的技术方案为一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定装置，该测试装置包括测温传感器1、上隔热装置2、外测试件3、待测结合面4、内测试件5、加热装置6、下隔热装置7、压力传感器8、传感器垫块9、传感器固定装置10、前隔热装置11、后隔热装置12、固定底座13、施力手柄14、丝杆15、橡胶垫块16和转接头17；
外测试件3和内测试件5并列放置，加热装置6与内测试件5的外侧相接触，压力传感器8通过传感器固定装置10安装在加热装置6上，压力传感器8的外侧设有传感器垫块9。在外测试件3和内测试件5内部设置有多个测温传感器1，多个测温传感器1与计算机终端连接。
外测试件3、内测试件5和传感器固定装置10安装在均下隔热装置7上，下隔热装置7安置于固定底座13上；上隔热装置2设置在外测试件3、内测试件5和传感器固定装置10的顶部；前隔热装置11和后隔热装置12设置在外测试件3、内测试件5和传感器固定装置10的前部和后部。
丝杆15的主体与固定底座13为螺纹配合，丝杆15的端部设有施力手柄14；丝杆15的另一端设有转接头17，转接头17外固定有橡胶垫块16；
上隔热装置2、下隔热装置7、前隔热装置11、后隔热装置12均采用以纳米二氧化硅气凝胶的气凝胶毡。
测温传感器1选用体积小、精度高、接线方便的DS18B20；
一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法，多个测温传感器1与计算机终端连接，用于显示各测温点的温度值。通过旋转施力手柄14使得丝杆15带动转接头17以及橡胶垫块16，将载荷施加在传感器垫块9上。通过加热装置6对整个装置予以加热，待温度示数稳定即温度变化在0.5℃之后，记录各测试点温度。所述测点温度包括，外测试件3、内测试件5上各测点温度。重复测量过程后，通过改变施加载荷的大小可以得到多组实验数据，进而计算得出多个在不同载荷作用下的结合面的接触热阻，最终得到作用于结合面的载荷与结合面接触热阻的关系。
发明所述的法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法及装置与现有技术相比，弥补了现有技术中针对载荷对结合面接触热阻测试的不足，测量装置制作便捷，所测结果满足实验要求，可用于工程实践、教学、科研等领域。
附图说明
图1为X方向一维瞬态导热接触热阻测试方法示意图；
图2为X方向一维瞬态导热接触热阻的测试方法俯视图；
图3为X方向一维瞬态导热接触热阻测试装置结构示意图；
图4为X方向一维瞬态导热接触热阻的测试装置剖视图。
图中：1、测温传感器，2、上隔热装置，3、外测试件，4、待测结合面，5、内测试件，6、加热装置，7、下隔热装置，8、压力传感器，9、传感器垫块，10、传感器固定装置，11、前隔热装置，12、后隔热装置，13、固定底座，14、施力手柄，15、丝杆，16、橡胶垫块，17、转接头。
具体实施方式
如图1-4所示，一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法与装置，以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
第一步，测试试件和设备的准备
取两块待测试件(规格150×130×30)即外测试件3，内测试件5，并将其并列放置；另外将加热装置6(规格150×130×4)与内测试件5紧密贴合；再将传感器固定装置10(规格150×130×10)与加热装置6的另一侧紧密贴合，传感器固定装置10除了具有固定压力传感器8的功能之外，还具备使加热装置6产生的热量左右均匀传递的功效；传感器垫块9安装在压力传感器8上，其目的是为了保护压力传感器8，除此之外还能使得施加的力能够更加均匀的作用在传感器上；在装置的上、下、前、后分别设置上隔热装置2(规格170×74×10)、下隔热装置7(规格170×74×10)、前隔热装置11(规格130×74×10)、后隔热装置12(规格130×74×10)以保证热流能够沿X方向传播。在外测试件3，内测试件5上不同位置分别放置测温传感器1，用以测定待测试件不同位置的温度。
测温传感器1的位置布置满足以下条件，各测温传感器均匀分布在待测试件上，其目的是为了在实际的实验过程中检验其温度值变化是否符合理论分析值。
将此装置固定在固定底座13上，通过手动转动施力手柄14使得丝杆15带动转接头17、橡胶垫块16将恒定载荷施加在传感器垫块9上，通过力的传递作用使得恒定载荷间接的作用在两待测试件外测试件3，内测试件5的结合面上。
第二步，加热装置通电，对试件加热，采集测点温度
通过加热置6对试件加热，待温度示数稳定即温度变化在0.5℃之后，记录各测试点温度。测点温度包括，外测试件各测点温度，内测试件各测点温度，从内侧试件最靠近加热装置的温度到外侧试件的温度依次记为t1、t2…t6。等到一组温度记录完成后，改变两试件结合面间的载荷，再重复上述步骤进而得到多组在不同载荷作用下的温度值。
第三步，计算结合面处的接触热阻并得出载荷与接触热阻的关系
由第二步测得的多组在不同载荷下的温度值可以计算结合面的接触热阻。从t1测温点到t6测温点的总导热热阻由内测试件t1测温点到外侧试件右表面的热阻、两试件结合面的接触热阻、外测试件t6测温点到外测试件右表面的热阻三部分组成，它们的关系可用下式表示
式中，K为总传热系数，W/(m2·K)；δ1为内测试件t1测温点到外侧试件右表面的厚度，m；δ2为外测试件t6测温点到外测试件右表面的厚度，m；λ1为内测试件的导热系数，W/(m·K)；λ2为外测试件的导热系数，W/(m·K)；R为两试件结合面的接触热阻，m2·K/W。
由于在加热装置的左右两侧均布置了测试件，所以可以认为热量均匀的传递向左右两侧，所以有
式中，Q为热功率，W；q为热负荷，W/m2；l为加热装置的长度，m；h为加热装置的宽度，m。
总传热系数K可由下式求出
最终得出
实施例二
与实施例一的不同之处在于：两待测试件取与实施例一种两试件不同的材料，其他条件保持一致，通过上述步骤得到不同材质的两试件结合面接触热阻与法向载荷的关系。
实施例三
与实施例一的不同之处在于：改变两试件的表面粗糙度值Ra，其他条件保持不变，通过上述步骤得到在不同的的表面粗糙度Ra情况下，得到两试件结合面接触热阻与法向载荷的关系。

Claims (5)

1.一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定装置，其特征在于：该测试装置包括测温传感器(1)、上隔热装置(2)、外测试件(3)、待测结合面(4)、内测试件(5)、加热装置(6)、下隔热装置(7)、压力传感器(8)、传感器垫块(9)、传感器固定装置(10)、前隔热装置(11)、后隔热装置(12)、固定底座(13)、施力手柄(14)、丝杆(15)、橡胶垫块(16)和转接头(17)；
外测试件(3)和内测试件(5)并列放置，加热装置(6)与内测试件(5)的外侧相接触，压力传感器(8)通过传感器固定装置(10)安装在加热装置(6)上，压力传感器(8)的外侧设有传感器垫块(9)；在外测试件(3)和内测试件(5)内部设置有多个测温传感器(1)，多个测温传感器(1)与计算机终端连接；
外测试件(3)、内测试件(5)和传感器固定装置(10)安装在均下隔热装置(7)上，下隔热装置(7)安置于固定底座(13)上；上隔热装置(2)设置在外测试件(3)、内测试件(5)和传感器固定装置(10)的顶部；前隔热装置(11)和后隔热装置(12)设置在外测试件(3)、内测试件(5)和传感器固定装置(10)的前部和后部；
丝杆(15)的主体与固定底座(13)为螺纹配合，丝杆(15)的端部设有施力手柄(14)；丝杆(15)的另一端设有转接头(17)，转接头(17)外固定有橡胶垫块(16)。
2.根据权利要求1所述的一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定装置，其特征在于：上隔热装置(2)、下隔热装置(7)、前隔热装置(11)、后隔热装置(12)均采用以纳米二氧化硅气凝胶的气凝胶毡。
3.利用权利要求2所述装置进行的一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法，其特征在于：多个测温传感器(1)与计算机终端连接，用于显示各测温点的温度值；通过旋转施力手柄(14)使得丝杆(15)带动转接头(17)以及橡胶垫块(16)，将载荷施加在传感器垫块(9)上；通过加热装置(6)对整个装置予以加热，待温度示数稳定即温度变化在0.5℃之后，记录各测试点温度；所述测点温度包括，外测试件(3)、内测试件(5)上各测点温度；重复测量过程后，通过改变施加载荷的大小可以得到多组实验数据，进而计算得出多个在不同载荷作用下的结合面的接触热阻，最终得到作用于结合面的载荷与结合面接触热阻的关系。
4.利用权利要求2所述装置进行的一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法，其特征在于：
第一步，测试试件和设备的准备
取两块待测试件即外测试件(3)，内测试件(5)，并将其并列放置；另外将加热装置(6)与内测试件(5)紧密贴合；再将传感器固定装置(10)与加热装置(6)的另一侧紧密贴合，传感器固定装置(10)除了具有固定压力传感器(8)的功能之外，还具备使加热装置(6)产生的热量左右均匀传递的功效；传感器垫块(9)安装在压力传感器(8)上，其目的是为了保护压力传感器(8)，除此之外还能使得施加的力能够更加均匀的作用在传感器上；在装置的上、下、前、后分别设置上隔热装置(2)、下隔热装置(7)、前隔热装置(11)、后隔热装置(12)以保证热流能够沿X方向传播；在外测试件(3)，内测试件(5)上不同位置分别放置测温传感器(1)，用以测定待测试件不同位置的温度；
测温传感器(1)的位置布置满足以下条件，各测温传感器均匀分布在待测试件上，其目的是为了在实际的实验过程中检验其温度值变化是否符合理论分析值；
将此装置固定在固定底座(13)上，通过手动转动施力手柄(14)使得丝杆(15)带动转接头(17)、橡胶垫块(16)将恒定载荷施加在传感器垫块(9)上，通过力的传递作用使得恒定载荷间接的作用在两待测试件外测试件(3)，内测试件(5)的结合面上；
第二步，加热装置通电，对试件加热，采集测点温度
通过加热置(6)对试件加热，待温度示数稳定即温度变化在0.5℃之后，记录各测试点温度；测点温度包括，外测试件各测点温度，内测试件各测点温度，从内侧试件最靠近加热装置的温度到外侧试件的温度依次记为t1、t2…t6；等到一组温度记录完成后，改变两试件结合面间的载荷，再重复上述步骤进而得到多组在不同载荷作用下的温度值；
第三步，计算结合面处的接触热阻并得出载荷与接触热阻的关系
由第二步测得的多组在不同载荷下的温度值可以计算结合面的接触热阻；从t1测温点到t6测温点的总导热热阻由内测试件t1测温点到外侧试件右表面的热阻、两试件结合面的接触热阻、外测试件t6测温点到外测试件右表面的热阻三部分组成，它们的关系可用下式表示
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式中，K为总传热系数，W/(m2·K)；δ1为内测试件t1测温点到外侧试件右表面的厚度，m；δ2为外测试件t6测温点到外测试件右表面的厚度，m；λ1为内测试件的导热系数，W/(m·K)；λ2为外测试件的导热系数，W/(m·K)；R为两试件结合面的接触热阻，m2·K/W；
由于在加热装置的左右两侧均布置了测试件，所以可以认为热量均匀的传递向左右两侧，所以有
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式中，Q为热功率，W；q为热负荷，W/m2；l为加热装置的长度，m；h为加热装置的宽度，m；
总传热系数K可由下式求出
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5.根据权利要求4所述的一种法向载荷对结合面接触热阻影响关系的测定方法，其特征在于：改变两试件的表面粗糙度值Ra，其他条件保持不变，通过上述步骤得到在不同的的表面粗糙度Ra情况下，得到两试件结合面接触热阻与法向载荷的关系。
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