CN201298025Y - 基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置。本实用新型将杠杆加载装置2与压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6，低温试样14自上而下依次连接，由杠杆加载装置2的定位块预先承受加载力，螺纹传动轴20经高温试样支撑杆17将高温试样15推出加热炉，动态接触并顶起低温试样14，使压力转移到接触面。加热炉的控温热电偶13分别与程控表相连，程控表的输出端并联后经RS232转换器与工控机26相连，两试样的测温热电偶16与前置多路选通放大器23、A/D转换板25依次连接，由程序控制炉温，对温度信号进行实时采集处理。本实用新型的效果是测量温度高，采集速度快，测量原理切合实际，适用于固态热加工研究领域。

Description

基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置

技术领域

本实用新型属于固态热加工研究领域。主要用于测量金属固体瞬间接触过程中界面的接触换热系数。

背景技术

在金属材料热加工过程中，模具与工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工件成形精度，因此，人们很早就开始了对金属固体界面间的接触换热系数进行研究，随着现代工业的发展，这项研究越来越受到科研人员和精密成形企业的关注，同时，固态热加工过程数值模拟技术对接触换热系数方面的数据需求较大。目前，国内外学者从理论模型、实验测量等方面对固体界面接触换热系数开展了一系列研究，获得了一定数据，普遍的实验方法是，待通过两直接接触试样的热流基本稳定时，再对试样轴线上不同位置点的温度进行采集，即稳态法，由于实际加工过程是先将模具和工件加热，然后接触加压，热量交换在短时间内完成，现有的实验方法与实际情况偏离较大，从相关文献了解到，基于瞬态法的测量技术难度大，实验成本高，大多数测量的温度较低，数据采集处理的方法不够完善。

参考文献：

[1].M.Rosochowska，K.Chodnikiewicz，R.Balendra，A new method of measuringthermal contact conductance，Journal of Materials Processing Technology145(2004)207-214.

[2].C.Fieberg，R.Kneer，Determination of the rmalcontact resistance fromtransient temperature measurements，International Journal of Heat and MassTransfer 51(2008)1017-1023.

现有的实验装置多用稳态法测量，针对固态热加工过程的研究较少，实验数据不能充分满足实际生产和科学研究的需求，试样接触面处温度低，温度采集和数据处理方法不够完善。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种测量固体界面间接触换热系数的装置，该装置不仅测量温度范围宽，而且能够实现两不同温度试样的动态接触，并对接触后热流交换引起的温度变化进行实时采集、直观显示，最终利用计算程序实现对接触换热系数的计算。

本实用新型的技术解决方案是：基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，由上支撑板1、杠杆加载装置2、直线轴承3、压力变向节4、定滑轮机构5、低温试样连接杆6、低温加热炉7、高温加热炉8、滑轮带定位销9、传动轴套筒10、定心圆球11、卡环12、控温热电偶13、测温热电偶16、高温试样支撑杆17、下支撑板18、螺纹轴套19、螺纹传动轴20、低温程控表21、高温程控表22、前置多路选通放大器23、DB-37电缆线24、A/D转换板25、工控机26、滑杆27、加热炉托28和定位块29组成，压力变向节4的支点和杠杆加载装置2中砝码重力方向的力臂比为1：5，低温试样14和高温试样15直径为φ10mm～φ25mm，高度为40mm～100mm，低温试样14和高温试样15为可选择的金属固体材料，将八根测温热电偶16分别置于低温试样14的四个孔和高温试样15的四个孔中，孔深度为试样直径的一半，测温热电偶16的直径为φ1.0±0.003mm，每个试样上的孔间距为9.5mm～10.5mm，靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，孔直径为φ1.0mm～1.2mm，高温试样15置于高温支撑杆17端面的凹槽内，带凸块的高温试样支撑杆17置于螺纹传动轴20端面的凹槽内，侧面凸块与传动轴套筒10内侧的凹槽对齐，杠杆加载装置2与压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6、低温试样14依次连接，低温试样14置于低温试样连接杆6端面的凹槽内，定心圆球11位于其另一端面与压力变向节4端面的球面凹槽处，外侧由直线轴承3约束，低温加热炉7和高温加热炉8上电阻丝的接线柱分别与低温程控表21和高温程控表22负载输出端相连，试样加热时置于炉膛中心处，低温加热炉7可以在一定距离内沿直线运动，将八根测温热电偶16补偿导线的正负极分别与前置多路选通放大器23的相应输入通道连接，通过DB-37电缆线24把前置多路选通放大器23与工控机26内插的A/D转换板25各自的37针脚接口相连，控温热电偶13插入加热炉内部，其补偿导线正负极分别与程控表输入端正负极相连，再将每个程控表的输出端并联后通过RS232转换器接到工控机26的串口上，测温热电偶16、带温度补偿电路的前置多路选通放大器23与A/D转换板25依次连接；螺纹传动轴20、高温试样支撑杆17、高温加热炉8、高温试样15、低温加热炉7、低温试样14、低温试样连接杆6、定心圆球11和压力变向节4的轴线位于同一条中心线上。

采用立式结构，其中，试样接触前低温试样14保持自由垂直悬挂状态，并且，低温试样14由低温试样连接杆6下端面凹槽外侧径向均匀分布的三个螺杆固定，低温试样连接杆6上端部直径较大部分由卡环12卡住。

采用卧式结构，低温试样14与低温试样连接杆6、高温试样15与高温试样支撑杆17之间通过螺纹连接固定。螺纹传动轴20实现高温试样15无旋转向上运动，高温试样支撑杆17的外侧面凸块与传动轴套筒10内侧的轴向凹槽互相配合。

立式结构中采用定滑轮机构5实现低温加热炉7的直线运动，其中，滑轮轴部分位于上支撑板1的下表面，滑轮带一端固定在加热炉托盘上，另一端通过与滑轮带宽厚相同的长方孔，端头部分的卡头尺寸大于长方孔尺寸。卧式结构中采用滑杆27与加热炉托28相配合的方式实现低温加热炉7水平方向的运动，两根滑杆27保持一定距离平行放置，并穿过加热炉托28上的两个等直径的通孔，加热炉托28上端面开与加热炉直径相同的柱面凹槽，放置加热炉。试样初始温度不同，低温试样14与高温试样15的接触过程是动态的，试样接触后，螺纹传动轴20继续旋转，高温试样15将低温试样14一侧顶起，预加载压力由杠杆加载装置2的定位块转移到试样接触表面。该装置的核心部分是使螺纹传动轴20、高温试样支撑杆17、高温加热炉8、高温试样15、低温加热炉7、低温试样14、低温试样连接杆6、定心圆球11、压力变向节4各部分的轴线位于同一条中心线上，以保持试样接触的准确性和稳定性。

安装试样时，将低温加热炉7向上拉起或沿滑杆27向一侧滑动，露出低温试样连接杆6，用螺纹传动轴20将高温试样支撑杆17推出高温加热炉8，使操作方便。实验材料可以为各类金属固体，低温试样14和高温试样15接触面的表面状态要求相同，主要指具有相同的表面粗糙度，根据具体测量要求，可在接触面填充中间介质等。低温试样14和高温试样15的直径为φ10mm～φ25mm，高度为40mm～100mm，高温试样支撑杆17的凹槽深4.8mm～5.2mm，低温试样连接杆6的凹槽深9.8mm～10.2mm，测温热电偶16在试样上的固定方式为：在每个试样的外侧圆柱面上沿轴线方向用电火花打四个孔，深度为试样直径的一半，孔间距为9.5mm～10.5mm，孔的直径为φ1.0mm～φ1.2mm，低温试样14和高温试样15靠接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，将八根测温热电偶16分别置于低温试样14和高温试样15的四个孔后，将试样侧面用耐热石棉布缠住或涂刷隔热涂料，减少侧面热辐射，测温热电偶16的直径为φ1.0±0.003mm。

低温加热炉7和高温加热炉8的两支控温热电偶13分别插入各自炉膛中间对加热炉内部温度进行测量和控制，两支控温热电偶13的补偿导线分别与低温程控表21和高温程控表22输入端的正负极相连，然后将低温程控表21和高温程控表22负载输出端分别与低温加热炉7和高温加热炉8的电阻丝两端连接，信号输出端的正负极并联后连接在RS232转换器的正负接口上，再将RS232转换器和工控机26上的串口相连。对A/D转换板25的开关和跳线按要求设置后插入工控机26机箱内主板的ISA插槽内，再对前置多路选通放大器23的开关和跳线按要求设置，然后将八支测温热电偶16的补偿导线正负极分别接入前置多路选通放大器23相应输入通道的高低位螺丝接线端子上，最后用DB-37电缆线24将前置多路选通放大器23和A/D转换板25两板卡的37针脚接口连接起来。利用工控机26中的温度采集处理软件对低温试样14和高温试样15接触后特定点温度进行高速采集、直观显示，经过数字滤波后，通过计算模块获得界面接触换热系数的值。

本实用新型所达到的有益效果是，实验装置的测量方法接近固态热加工过程的基本原理，实现了试样的动态接触，实验数据切合实际；低温加热炉7和高温加热炉8的温度范围为20～1200℃，提高了试样本身的加热温度；由于采用常用测温热电偶16进行测温，灵敏度达到0.01S，满足基本需要，同时降低了设备的整体成本；采用杠杆加载装置2以及试样接触面状况可变，因此能够进行不同温度、不同压力、不同接触面状况等条件下的接触换热系数，应用范围宽；前置多路选通放大器23具有自动温度补偿功能，方便了测温热电偶16的应用，A/D转换板25的采用速率达到100KHz，能够适应短时间内温度的快速变化，前置多路选通放大器23、A/D转换板25及温度采集软件的联用，实现了数据从模拟量到数字量的迅速转换。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的立式结构示意图。

图2是本实用新型的卧式结构示意图。

图3是本实用新型自动调整压力方向部分的剖面结构示意图。

图4是本实用新型的加热炉膛内部试样接触前后位置示意图。

图5是本实用新型传动机构的剖面结构示意图。

图中，1.上支撑板，2.杠杆加载装置，3.直线轴承，4.压力变向节，5.定滑轮机构，6.低温试样连接杆，7.低温加热炉，8.高温加热炉，9.滑轮带定位销，10.传动轴套筒，11.定心圆球，12.卡环，13.控温热电偶，14.低温试样，15.高温试样，16.测温热电偶，17.高温试样支撑杆，18.下支撑板，19.螺纹轴套，20.螺纹传动轴，21.低温程控表，22.高温程控表，23.前置多路选通放大器，24.DB-37电缆线，25.A/D转换板，26.工控机，27.滑杆，28.加热炉托，29.定位块

具体实施方式

低温试样14材料为K403铸造高温合金，高温试样15材料为TC11钛合金，试样预接触面用400^#砂纸打磨，使其表面粗糙度基本相同，当装置为立式结构时，由于压力变向节4与杠杆加载装置2连接，压力变向节4的支点和杠杆加载装置2中砝码重力方向的力臂比为1∶5，因此，杠杆加载装置2的砝码盘上加5个10Kg砝码后，可使试样接触面的最大压力达到2450N，杠杆加载装置2的定位块部分预先承受压力，使杠杆保持平衡，此时压力变向节4产生的向下压力为零，低温加热炉7和高温加热炉8的温度分别控制在400℃和800℃，通过设置保温时间使低温试样14和高温试样15的温度分别达到400℃和800℃。定滑轮机构5固定于上支撑板1的下表面，包括滑轮轴、滑轮带和加热炉托盘三部分，滑轮带一端固定在加热炉托盘上，另一端穿过加热炉托盘上的长方形孔，通过端部的卡头锁定加热炉托盘位置，低温加热炉7置于加热炉托盘中心，依靠穿过加热炉托盘两侧圆通孔的侧立柱约束低温加热炉7仅做直线运动，低温试样14的上端面置于低温试样连接杆6下端面的凹槽内，用凹槽侧面径向均匀分布的三个螺杆固定，利用卡环12将低温试样连接杆6上端部直径较大部位卡住，定心圆球11位于低温试样连接杆6和压力变向节4上下端面之间的球面形凹槽内，压力为零时，压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6和低温试样14保持垂直悬挂状态，高温试样15与高温试样支撑杆17、螺纹传动轴20通过端面凹槽依次向下连接，利用传动轴套筒10约束螺纹传动轴20与高温试样支撑杆17的连接部位，高温试样支撑杆17侧面的凸块卡在传动轴套筒10内壁面上的轴向凹槽内，防止高温支撑杆17在运动过程中发生转动，下支撑板18底面上的螺纹轴套19对螺纹传动轴20的运动起到约束作用，装置装配过程中，需要预先进行垂线校准，需要使压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6、低温试样14、低温加热炉7、高温加热炉8、高温试样15、高温试样支撑杆17和螺纹传动轴20各自的轴线共线并与水平面垂直。实验前，用定滑轮机构5将低温加热炉7向上拉起，露出低温试样连接杆6的下端部，用螺纹传动轴20将高温试样支撑杆17的上端部推出高温加热炉8的炉膛口，然后进行试样安装，低温试样14和高温试样15的直径为φ20mm，高度为50mm，低温试样连接杆6下端面的凹槽深10mm，高温试样支撑杆17上端面的凹槽深5mm，八根测温热电偶16在试样上的固定方式为：在每个试样外侧圆柱面上用电火花打四个孔，孔深度为10mm，孔间距为10mm，孔外径为φ1.2mm，低温试样14和高温试样15中靠近接触面的孔与接触面的距离为3mm，测温热电偶16的直径为φ1.0mm，反应灵敏度为0.01S，将八根测温热电偶16按顺序分别置于低温试样14和高温试样15的孔内进行测温，其补偿导线的正负极分别接入前置多路选通放大器23相应输入通道的高低位螺丝接线端子上，再用DB-37电缆线24将前置多路选通放大器23和工控机26内的A/D转换板25两块板卡的37针脚接口连接起来，两支控温热电偶13分别插入低温加热炉7和高温加热炉8的炉膛中间进行温度控制，其补偿导线分别与低温程控表21和高温程控表22输入端的正负极相连，然后将低温程控表21和高温程控表22输出端的正负极并联后连接在RS232转换器的正负接口上，再将RS232转换器和工控机26上的串口相连，最后利用定滑轮机构5将低温加热炉7落回原位，使低温试样14置于炉膛中心，利用螺纹传动轴20将高温试样15退回到高温加热炉8的炉膛中心，根据需要，可以在低温加热炉7与高温加热炉8之间的空隙放置隔热材料，减少热辐射对接触过程的影响。当炉内温度及试样温度达到设定值时，再次将低温加热炉7拉起，露出低温试样14，同时，通过螺纹传动轴20将高温试样15推出高温加热炉8炉膛，与低温试样14接触后进一步传动，使杠杆加载装置2被顶起，压力迅速由杠杆加载装置2的定位块上转移到试样接触表面，工控机26中的温度采集软件对该过程的温度数据进行实时快速采集、直观显示，经过滤波处理后，通过计算模块获得界面接触换热系数的值。

Claims (7)

1、基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，由上支撑板(1)、杠杆加载装置(2)、直线轴承(3)、压力变向节(4)、定滑轮机构(5)、低温试样连接杆(6)、低温加热炉(7)、高温加热炉(8)、滑轮带定位销(9)、传动轴套筒(10)、定心圆球(11)、卡环(12)、控温热电偶(13)、测温热电偶(16)、高温试样支撑杆(17)、下支撑板(18)、螺纹轴套(19)、螺纹传动轴(20)、低温程控表(21)、高温程控表(22)、前置多路选通放大器(23)、DB-37电缆线(24)、A/D转换板(25)、工控机(26)、滑杆(27)、加热炉托(28)和定位块(29)组成，压力变向节(4)的支点和杠杆加载装置(2)中砝码重力方向的力臂比为1∶5，低温试样(14)和高温试样(15)直径为φ10mm～φ25mm，高度为40mm～100mm，低温试样(14)和高温试样(15)为可选择的金属固体材料，将八根测温热电偶(16)分别置于低温试样(14)的四个孔和高温试样(15)的四个孔中，孔深度为试样直径的一半，测温热电偶(16)的直径为φ1.0±0.003mm，每个试样上的孔间距为9.5mm～10.5mm，靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，孔直径为φ1.0mm～1.2mm，高温试样(15)置于高温支撑杆(17)端面的凹槽内，带凸块的高温试样支撑杆(17)置于螺纹传动轴(20)端面的凹槽内，侧面凸块与传动轴套筒(10)内侧的凹槽对齐，杠杆加载装置(2)与压力变向节(4)、定心圆球(11)、低温试样连接杆(6)、低温试样(14)依次连接，低温试样(14)置于低温试样连接杆(6)端面的凹槽内，定心圆球(11)位于其另一端面与压力变向节(4)端面的球面凹槽处，外侧由直线轴承(3)约束，低温加热炉(7)和高温加热炉(8)上电阻丝的接线柱分别与低温程控表(21)和高温程控表(22)负载输出端相连，试样加热时置于炉膛中心处，低温加热炉(7)可以在一定距离内沿直线运动，将八根测温热电偶(16)补偿导线的正负极分别与前置多路选通放大器(23)的相应输入通道连接，通过DB-37电缆线(24)把前置多路选通放大器(23)与工控机(26)内插的A/D转换板(25)各自的37针脚接口相连，控温热电偶(13)插入加热炉内部，其补偿导线正负极分别与程控表输入端正负极相连，再将每个程控表的输出端并联后通过RS232转换器接到工控机(26)的串口上，测温热电偶(16)、带温度补偿电路的前置多路选通放大器(23)与A/D转换板(25)依次连接；螺纹传动轴(20)、高温试样支撑杆(17)、高温加热炉(8)、高温试样(15)、低温加热炉(7)、低温试样(14)、低温试样连接杆(6)、定心圆球(11)和压力变向节(4)的轴线位于同一条中心线上。

2、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，采用立式结构，其中，试样接触前低温试样(14)保持自由垂直悬挂状态，并且，低温试样(14)由低温试样连接杆(6)下端面凹槽外侧径向均匀分布的三个螺杆固定，低温试样连接杆(6)上端部直径较大部分由卡环(12)卡住。

3、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，采用卧式结构，低温试样(14)与低温试样连接杆(6)、高温试样(15)与高温试样支撑杆(17)之间通过螺纹连接固定。

4、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，采用螺纹传动轴(20)实现高温试样(15)无旋转向上运动，高温试样支撑杆(17)的外侧面凸块与传动轴套筒(10)内侧的轴向凹槽互相配合。

5、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，立式结构中采用定滑轮机构(5)实现低温加热炉(7)的直线运动，其中，滑轮轴部分位于上支撑板(1)的下表面，滑轮带一端固定在加热炉托盘上，另一端通过与滑轮带宽厚相同的长方孔，端头部分的卡头尺寸大于长方孔尺寸。

6、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，卧式结构中采用滑杆(27)与加热炉托(28)相配合的方式实现低温加热炉(7)水平方向的运动，两根滑杆(27)保持一定距离平行放置，并穿过加热炉托(28)上的两个等直径的通孔，加热炉托(28)上端面开与加热炉直径相同的柱面凹槽，放置加热炉。

7、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，试样初始温度不同，低温试样(14)与高温试样(15)的接触过程是动态的，试样接触后，螺纹传动轴(20)继续旋转，高温试样(15)将低温试样(14)一侧顶起，预加载压力由杠杆加载装置(2)的定位块转移到试样接触表面。

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