CN2932379Y - 一种测量固体界面接触换热系数的装置 - Google Patents
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Abstract
一种测量固体界面接触换热系数的装置属于塑性加工研究领域。本实用新型将加热棒12、第1试样13、薄片14、第2试样15、冷切棒9、定心钢球16、压力装置3顺序连接，在两试样的接触面之间加入各自的薄片14，增加接触面的个数，放大接触面温差。两试样上的热电偶4与温控仪表5的输入端相连，将温控仪表5的输出端并联起来经RS232转换器与工控机7的相连。加热炉11对加热棒12进行加热，在试样周围加石棉保温层10进行保温隔热，工控机7通过温控仪表5采集温度信号，进行显示和分析。本实用新型的效果是测量精度高，测量温度范围宽，能实时直观的显示、分析结果，适用于塑性加工研究领域。
Description
技术领域
本实用新型属于塑性加工研究领域。主要用于测量金属固体界面间接触换热系数。
背景技术
在金属的塑性成形中，工模具与零件之间的热量传递直接影响了工模具的寿命和零件的成形精度，因此金属界面间接触换热系数的测量受到了越来越多的学者和精密塑性成形企业的关注。目前，国内外对接触换热系数的测量不多，有关这方面的数据相当缺乏，有些学者对固体界面间的接触换热进行了研究与测试，取得了一定的数据，但普遍的测量方法是直接将两试样接触，由于接触面温差本来比较小，而热电偶和采集设备都存在着一定的误差，结果导致测量出来的接触面温差的相对误差比较大，增加了测量的总体误差；另外从查阅的相关文献中了解到其测量的大多是在较低温度下的接触换热系数，测量温度范围比较窄，且没有对测量采集过来的温度信号进行实时直观的描绘来分析与比较。
文献出处：
[1].M.Rosochowska，R.Balendra，K.Chodnikiewicz，Measurements ofthermal contact conductance，Journal of Materials ProcessingTechnology 135(2003)204-210
[2].M.Rosochowska，K.chodnikiewicz，R.Balendra，A new method ofmeasuring thermal contact conductance，Journal of MaterialsProcessing Technology 145(2004)207-214
现有的测量装置存在测量误差比较大，测量设备测量温度比较低，对数据的采集和处理不够直观的不足。
发明内容
本实用新型的目的就是提供一种测量精度高，测量温度范围宽，能实时直观的显示、分析采集结果的测量固体界面接触换热系数的装置。
本实用新型的技术解决方案是：将加热棒12置于上下通孔的加热炉11中，加热棒12的凹槽的上端面与加热炉11的上表面相平，加热炉11上电炉丝的正负线和温控仪表5的负载输出端的正负线相连，加热炉11的温度范围为：0～1400℃。
当压力装置3是杠杆结构时，将加热棒12、第1试样13、第2试样15、冷却棒9、定心钢球16、压力变向节2顺序连接，冷却棒9穿过上支撑板8的直线轴承1与定心钢球16连接，第1试样13置于加热棒12的凹槽上，第2试样15置于第1试样13上，第2试样15的上端面置于冷却棒9的下端面凹槽里，定心钢球16置于冷却棒9的上端球形凹面上，压力变向节2下端面的球形凹槽置于定心钢球16上，压力变向节2与压力装置3连接，压力变向节2的支点和砝码17支点的力臂比为1∶5，将砝码放在砝码盘17上，压力变向节2对试样产生压力，压力范围为0～100KN。
当压力装置3是弹簧结构时，将加热棒12、第1试样13、第2试样15、冷却棒9、定心钢球16、压力板21、压力弹簧20、螺母19顺序连接，第1试样13置于加热棒12的凹槽上，第2试样15置于第1试样13上，第2试样15的上端面置于冷却棒9的下端面凹槽里，定心钢球16置于冷却棒9的上端球形凹面上，压力板21下端面的球形凹槽置于定心钢球16上，压力装置3上端的螺母19与螺杆导轨22旋转连接，螺母19与压力弹簧20顶端连接，压力弹簧20下端与压力板21连接，螺母19绕螺杆导轨22旋转下降使压力弹簧20压缩，压力弹簧20对压力板21产生压力，压力板21对试样产生压力，压力范围为0～100KN。
石棉保温层10扣在试样周围，如果第1试样13与第2试样15的接触面温差小于10℃，那么需要在第1试样13和第2试样15的接触面间加入它们各自材料的薄片14，如果第1试样13和第2试样15的材料不同，它们的薄片14的也是不同的两种材料，薄片14的叠加是交替叠加的，如果第1试样13和第2试样15的材料相同，薄片14的材料也是相同的，叠加是直接累加的，薄片14的表面状态和试样的表面状态相同，相同表面状态包括：相同表面粗糙度、相同中间介质、涂有相同其它物质等，试样和薄片14的材料范围可为所有的金属固体材料，总的薄片14数量为偶数个，数量范围为：2～20个，加入薄片14的目的是为了增加第1试样13与第2试样15的接触面个数，每个接触面形成串联形式，类似电阻的串联，因为每个接触面都会产生温差，所以就增大了第1试样13与第2试样15接触面之间的温差，从而使热电偶4的测量误差相对减小，薄片14数量视接触面的接触温差的大小而定，因为热电偶4的误差为±1.5℃，那么热电偶4的误差影响就相当大，所以我们采用增加接触面的个数，增大接触面温差的方法，从而减少了热电偶4的误差影响，如果接触面温差较大，所需薄片14数可适当减少，如果接触面温差较小，所需薄片14数应适当增加。第1试样13和第2试样15的直径为：φ10mm～φ25mm，高度为：40～100mm，薄片14的直径为试样的直径，厚度为0.48mm～0.52mm，加热棒12凹槽深2.8mm～3.2mm，冷却棒9凹槽深2.8mm～3.2mm，8根热电偶4在试样上的固定方式为：在每个试样的外侧圆柱面上用电火花打四个孔，孔的深度为试样直径的一半，孔间距都为9.5mm～10.5mm，孔的直径为：φ1.0mm～φ1.2mm，第1试样13和第2试样15中靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，将8根热电偶4分别置于第1试样13的4个孔中和第2试样15的4个孔中进行测温，8根热电偶4的直径为φ1.0±0.003mm，加热炉热电偶18的测温端直接插入加热炉11炉膛的中间进行测温，将试样上8根热电偶4上的正负两根线分别和八块温控仪表5中的输入端的正负极相连，加热炉热电偶18上的正负两根线和温控仪表5中的输入端的正负极相连，然后将各温控仪表5的输出端的正负两根线并联起来连接在RS232转换器上的正负接口上，再将RS232转换器和工控机7上的串口相连，工控机7中的接触换热系数测量采集系统对采集数据进行、显示、计算，分析，接触换热系数测量采集系统软件里有数据初始化、采集界面、数据计算界面、数值模拟界面和模拟作图界面。
本实用新型的加热炉11的温度范围是：0～1400℃；压力弹簧20压力范围是：0～100KN；试样尺寸为：直径：φ10～φ25mm；高度：40～100mm。
本实用新型所达到的有益效果是，没有增加热电偶4和仪表5的精度要求，因为精度增加一级，成本就要增加几倍甚至几十倍，而只是在测量方法上进行了改进就达到了提高测量精度的要求，所以设备的成本比较低；由于所采用的加热设备是常用的电阻炉，所采用的压力装置3是杠杆结构还有弹簧加力，所以结构比较简单而且在测量过程中压力能长时间保持恒定；由于设备上有加热炉和压力装置3，因此能够测量不同温度下、不同压力下和不同接触面条件下的接触换热系数，测量方法灵活，测量状态多样。
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是本实用新型的当压力装置为杠杆结构的系统结构示意图。
图2是本实用新型的当压力装置为弹簧结构的系统结构示意图。
图3是本实用新型的当压力装置为杠杆结构的炉膛和保温层的局部剖视图。
图4是本实用新型的实验试样位置的局部放大图。
图中，1.直线轴承、2.压力变向节、3.压力装置，4.热电偶，5.温控仪表，6.串口通信，7.工控机，8.上支撑板、9.冷却棒，10.保温层，11.加热炉，12.加热棒，13.第1试样，14.薄片，15.第2试样，16.定心钢球，17.砝码盘，18.加热炉热电偶，19.螺母，20.压力弹簧，21.压力板，22.螺杆导轨。
具体实施方式
第1试样13的材料为7050挤压铝合金，第2试样15的材料为5CrMnMo模具钢，测量在接触面压力为1740N不变的情况下，加热炉11温度为300℃、400℃、500℃、600℃时的接触换热系数，在第1试样13和第2试样15的接触面间加入与它们各自材料相同的薄片14，薄片14的叠加是交替叠加的，将试样和薄片14表面通过砂纸打磨，喷砂处理使试样和薄片14具有相同的表面粗糙度，薄片14数量为6片，加入薄片14的目的是为了增加第1试样13与第2试样15的接触面个数，每个接触面形成串联形式，类似电阻的串联，因为每个接触面都会产生温差，所以就增大了第1试样13与第2试样15接触面之间的温差，从而使热电偶4的测量误差相对减小，薄片14数量视接触面的接触温差的大小而定，因为热电偶4的误差为±1.5℃，那么热电偶4的误差影响就相当大，所以我们采用增加接触面的个数，增大接触面温差的方法，从而减少了热电偶4的误差影响，如果接触面温差较大，所需薄片14数可适当减少，如果接触面温差较小，所需薄片14数应适当增加，加热棒12置于上下通孔的加热炉11中，加热棒12的凹槽的上端面与加热炉11的上表面相平，加热炉11上电炉丝的正负线和温控仪表5的负载输出端的正负线相连，压力装置3是杠杆结构，加热棒12、第1试样13、薄片14、第2试样15、冷却棒9、定心钢球16、压力变向节2顺序连接，冷却棒9穿过上支撑板8的直线轴承1与定心钢球16连接，第1试样13置于加热棒12的凹槽上，薄片14置于第1试样13上，第2试样15置于薄片14上，第2试样15的上端面置于冷却棒9的下端面凹槽里，定心钢球16置于冷却棒9的上端球形凹面上，压力变向节2下端面的球形凹槽置于定心钢球16上，压力变向节2与压力装置3连接，压力变向节2的支点和砝码17支点的力臂比为1∶5，因为要测量的是在接触面压力为1740N情况下的接触换热系数，所以将重348N的砝码放在砝码盘17上压力变向节2对试样产生压力，然后将石棉保温层10扣在试样周围，第1试样13和第2试样15的直径为：φ20mm，高度为：50mm，薄片14的直径为试样的直径，厚度为0.5mm，加热棒12凹槽深3mm，冷却棒9凹槽深3mm，8根热电偶4在试样上的固定方式为：在每个试样的外侧圆柱面上用电火花打四个孔，孔的深度为试样直径的一半，孔间距都为10mm，孔的直径为：φ1.2mm，第1试样13和第2试样15中靠近接触面的孔与接触面的距离为3mm，将8根热电偶4分别置于第1试样13的四个孔中和第2试样15的四个孔中进行测温，8根热电偶4的直径为φ1.0mm，加热炉热电偶18的测温端直接插入加热炉11炉膛的中间进行测温，将试样上8根热电偶4上的正负两根线分别和八块温控仪表5中的输入端的正负极相连，将加热炉热电偶18上的正负两根线和温控仪表5中的输入端的正负极相连，然后将各温控仪表5的输出端的正负两根线并联起来连接在RS232转换器上的正负接口上，再将RS232转换器和工控机7上的串口相连。工控机7中的接触换热系数测量采集系统对采集数据进行、显示、计算，分析，接触换热系数测量采集系统软件里有数据初始化、采集界面、数据计算界面、数值模拟界面和模拟作图界面。
Claims (6)
1.一种测量固体界面接触换热系数装置，其特征在于，将加热棒(12)、第1试样(13)、第2试样(15)、冷却棒(9)、定心钢球(16)、压力装置(3)顺序连接，加热棒(12)置于上下通孔的加热炉(11)中，加热棒(12)的凹槽的上端面与加热炉(11)的上表面相平，加热炉(11)上电炉丝的正负线和温控仪表(5)的负载输出端的正负线相连，加热炉(11)的温度范围为：0～1400℃，冷却棒(9)穿过与上支撑板(8)连接的直线轴承(1)，第1试样(13)置于加热棒(12)的凹槽上，第2试样(15)置于第1试样(13)上，第2试样(15)的上端面置于冷却棒(9)的下端面凹槽里，定心钢球(16)置于冷却棒(9)的上端球形凹面上，压力变向节(2)下端面的球形凹槽置于定心钢球(16)，第1试样(13)和第2试样(15)的直径为：φ10mm～φ25mm，高度为：40～100mm，试样材料范围为所有的金属固体材料，加热棒(12)凹槽深2.8mm～3.2mm，冷却棒(9)凹槽深2.8mm～3.2mm，将8根热电偶(4)分别置于第1试样(13)的四个孔中和第2试样(15)的四个孔中，孔的深度为试样直径的一半，热电偶(4)的直径为φ1.0±0.003mm，第1试样(13)和第2试样(15)中靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，每个试样上的孔间距都为9.5mm～10.5mm，孔的直径为：φ1.0mm～φ1.2mm，石棉保温层(10)扣在试样周围，将试样上8根热电偶(4)上的正负两根线分别和八块温控仪表(5)中的输入端的正负极相连，将加热炉热电偶(18)上的正负两根线和温控仪表(5)中的输入端的正负极相连，然后将各温控仪表(5)的输出端的正负两根线并联起来连接在RS232转换器上的正负接口上，再将RS232转换器和工控机(7)上的串口相连。
2.根据权利要求1所述的一种测量固体界面接触换热系数的装置，其特征在于，压力装置(3)为杠杆结构，其中，压力变向节(2)下端面的球形凹槽置于定心钢球(16)上，压力变向节(2)的支点和压力装置(3)的砝码盘(17)支点的力臂比为1∶5。
3.根据权利要求1所述的一种测量固体界面接触换热系数的装置，其特征在于，压力装置(3)为弹簧结构，其中，压力装置(3)上端的螺母(19)与螺杆导轨(22)旋转连接，螺母(19)与压力弹簧(20)顶端连接，压力弹簧(20)下端与压力板(21)连接，压力板(21)下端的球形凹槽置于定心钢球(16)上。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种测量固体界面接触换热系数装置，其特征在于，第1试样(13)和第2试样(15)之间设置有薄片(14)，薄片(14)材料为所有金属固体材料，薄片(14)叠加在第1试样(13)的上面，第2试样(15)置于叠加的薄片(14)上，薄片(14)的直径为试样的直径，厚度为0.48-0.52mm。
5.根据权利要求4所述的一种测量固体界面接触换热系数装置，其特征在于，两种不同材料的薄片(14)的叠加是交替叠加的。
6.根据权利要求4所述的一种测量固体界面接触换热系数装置，其特征在于，材料相同的薄片(14)的叠加是直接累加的。
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