一种摩擦副材料摩擦过程中的测温装置及测温方法与流程

1.本发明属于摩擦磨损试验机检测领域，涉及一种摩擦副材料测温技术，具体涉及一种摩擦副材料摩擦过程中的测温装置及测温方法，能够无损检测摩擦副材料在摩擦磨损过程中温度变化。


背景技术：

2.摩擦磨损试验机主要通过检测材料的摩擦系数和磨损率来确定材料应用的减摩抗磨性。摩擦副材料在回转或往复运动过程中，基于对偶件材料的材质、粗糙度、机械性能的不同，以及摩擦过程中所处的环境，不可避免的在接触面上产生摩擦热效应。摩擦热的产生、累积以及耗散，均会对材料的摩擦学性能表现产生巨大的影响。因而，对于各类摩擦副材料，检测其摩擦过程中温度的变化，能够建立温度变化规律与摩擦学性能之间的联系，进一步有助于摩擦副材料的选型、加工和应用。目前获取温度的方法主要有接触式测温和非接触式测温，前者是通过温度传感器充分接触被测对象并达到热平衡获取物体表面或内部的温度，后者是借助辐射的能量、声波速度等和温度的关系进行温度的测量。非接触式测温易受环境温湿度的影响，且必须知道目标面发射率。而目前常用的接触式测温，常采用将测温元器件嵌入摩擦副材料，或者直接置于摩擦表面，这种通过破坏摩擦副材料本征结构进行测温的方式，操作繁琐不易，且摩擦系数和磨损率的准确测量造成了不可预知的影响。


技术实现要素：

3.本测温装置针对目前存在的缺陷与不足，设计了一种结构简单、适用多类型几何结构的摩擦副材料摩擦过程中温度变化的无损检测装置。
4.本装置解决技术问题所采用的技术方案是：
5.一种摩擦副材料摩擦过程中的测温装置，其特征在于：包括中空基座、锁紧帽、卡簧、顶柱和测温元器件，所述中空基座下端设有安装卡簧的第一容纳腔，所述卡簧内用于安装待测摩擦副，所述锁紧帽用于将卡簧锁紧在第一容纳腔内；第一容纳腔底部设有容纳顶柱的第二容纳腔，所述顶柱下端与待测摩擦副导热接触，顶柱上端设有测温孔，所述第二容纳腔内底部设有夹持测温元件的通孔，所述测温元器件安装在顶柱的测温孔内并夹持在第二容纳腔内底部的通孔中；所述卡簧与第一容纳腔内部采用锥形面接触，使得锁紧帽锁紧卡簧时，卡簧具有向内变形趋势，从而将待测摩擦副锁紧在第一容纳腔内。
6.对于不规则摩擦副，所述第一容纳腔内还设有支撑柱，所述支撑柱一端通过面接触与顶柱紧密接触，另一端设有与待测摩擦副端部形状配合的凹槽。
7.进一步地，所述卡簧外侧设有环形卡槽，所述锁紧帽内侧设有与环形卡槽配合的凸环，所述锁紧帽通过螺纹配合与中空基座相连，拧紧锁紧帽时，锁紧帽通过环形卡槽和凸环的配合给予卡簧沿着第一容纳腔向内的锁紧力。
8.进一步地，所述卡簧为采用弹性材料制成中间大两头小的圆锥体，所述环形卡槽设于圆锥体最大直径处外壁上，圆柱体中部开设用于夹持摩擦副的圆柱孔，圆锥体四周开
设有若干轴向的变形槽。
9.进一步地，所述变形槽交替在圆柱体两端贯通，使得圆锥体两端都具有挤压变形能力。
10.进一步地，所述顶柱顶端与中空基座的第二容纳腔底部之间设有隔热环，且顶柱直径小于第二容纳腔的内径。
11.进一步地，所述隔热环采用玻璃纤维、石棉、岩棉中的一种单用或几种混用制成，隔热环本身可为实体，也可为中空结构。
12.进一步地，所述测温元器件测温端端嵌入顶柱测温孔前，在测温孔内装入用于增加导热性的金属粉，一般为少许粒径小于40μm的金属粉，所述金属粉为银粉、铜粉、铝粉、锡粉中的一种或几种，以使传热和测温均匀。
13.进一步地，所述中空基座上端设有便于夹持的延长杆，所述延长杆通过螺纹配合与中空基座相连。
14.进一步地，所述测温元器件为k型，e型，pt100型中的一种。
15.进一步地，所述测试摩擦副材料由卡簧夹持，并与顶柱紧密贴合，其几何结构可为球形体、圆柱体、立方体。其中，球形体还配置一个内凹半球支撑柱，所述摩擦副材料材质可为金属材料，高分子材料以及无机非金属材料。
16.一种利用上述任意一项所述测温装置的温度实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
17.步骤一、将锁紧帽与卡簧卡扣连接后安装在中空基座的第一容纳腔内，将待测摩擦副安装在卡簧内，用锁紧帽锁紧卡簧以夹持摩擦副；
18.步骤二、将测温元器件测温端嵌入顶柱测温孔，并套上隔热环，测温元器件的引线端与中空连接通孔过盈配合并穿出，测温元器件导线穿出延长杆顶端通孔，得到测温装置。
19.步骤三、将摩擦副材料用测温装置卡簧夹紧并紧密贴合顶柱，由穿出延长杆顶端通孔的导线接入数据采集仪中，测试摩擦副材料在摩擦过程中的实时温度变化。
20.由以上技术方案可知，本发明有益效果如下：
21.本发明所述测温装置，能够实时检测摩擦副材料摩擦过程中温度变化情况，对于研究重载高速工况下摩擦热对磨损的机理机制，提供可靠的数据来源。同时，相对于以破坏摩擦副材料本征结构的方式测温，本发明所提供的测温方法不损害研究对象，同时适合各类型几何尺寸的摩擦副材料。
附图说明
22.图1是本发明实施例1中测温装置的立体的结构示意图，其中包含了摩擦臂。
23.图2是本发明实施例1中测温装置前视剖面图。其中延长杆只显示与连接杆相接部分。
24.图3是本发明实施例1中测温装置的爆炸图，其中省略了延长杆和导线。
25.图4是本发明实施例1中中空基座剖视图。
26.图5是本发明实施例1中卡簧结构示意图。
27.图6是不同速度对球形摩擦副材料摩擦磨损实验过程中温度变化的影响示意图。
28.图7是不同载荷对球形摩擦副材料摩擦磨损实验过程中温度变化的影响示意图。
29.图8是本发明实施例2测温装置前视剖面图。
30.附图标记：1
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测温装置，2
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摩擦臂，3
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聚酰亚胺对偶件，11
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延长杆，12
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中空基座，13
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锁紧帽，14
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卡簧，15
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顶柱，16
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隔热环，17
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测温元器件，18
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导线，19
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内凹半球支撑柱，20
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圆柱体摩擦副，110
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球形摩擦副材料，131
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凸环，141
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环形卡槽，142
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第一锥面，143
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第二锥面，144
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变形槽，145
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圆柱孔，121
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通孔，122
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第一容纳腔，123
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第二容纳腔，151
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测温孔，171
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测温端，172
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引线端。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
32.实施例1：下面以球形试样为摩擦副材料，与对偶件德国赢创p84nt1型聚酰亚胺模压制品对偶件进行摩擦磨损试验，通过测温元器件17所测球形试样摩擦副材料温度的变化。
33.如图1至图5所示，本发明公开了一种测温装置，包括中空基座12、延长杆11、锁紧帽13、卡簧14、顶柱15、测温元器件17。连接关系为：将锁紧帽13与卡簧14通过凸环131和环形卡槽141卡扣连接，中空基座12上下两端与分别与锁紧帽13和延长杆11螺栓连接，用锁紧帽13锁紧卡簧14以夹持摩擦副材料和顶柱15。将测温元器件17测温端171嵌入顶柱15的测温孔151，并套上隔热环16，测温元器件17的引线端172与中空基座12的通孔121过盈配合并穿出，测温元器件17导线18穿出延长杆11顶端的通孔，得到测温装置1，测温装置1与摩擦臂2垂直连接。将球形摩擦副材料110与内凹半球支撑柱19配合，并用测温装置1的卡簧14夹紧摩擦副材料并紧密贴合顶柱15，由穿出延长杆11顶端通孔的导线18接入数据采集仪中，测试摩擦副材料在摩擦过程中的实时温度变化。
34.本实施例中，如图4所示，所述中空基座12下端设有安装卡簧14的第一容纳腔122，所述卡簧14内用于安装待测摩擦副，所述锁紧帽13用于将卡簧14锁紧在第一容纳腔122内；第一容纳腔122底部设有容纳顶柱15的第二容纳腔123，所述第二容纳腔123内底部设有夹持测温元件的通孔121，所述测温元器件17安装在顶柱15的测温孔151内并夹持在第二容纳腔123内底部的通孔121中；所述卡簧14与第一容纳腔122内部采用锥形面接触，使得锁紧帽13锁紧卡簧14时，卡簧14具有向内变形趋势，从而将待测摩擦副锁紧在第一容纳腔122内。
35.具体到本实施例中，所述第一容纳腔122为外大内小的锥形孔，卡簧14对应部位也为锥形，这样当卡簧14在锁紧帽13的作用下锁紧在第一容纳腔122内时，对摩擦副产生均衡的夹持力，防止夹持力集中在摩擦副某个部位，导致摩擦副变形或断裂。
36.所述锁紧帽13与中空基座12下端采用螺纹配合，在拧紧锁紧帽13的过程中，将卡簧14沿着中空基座12轴向压紧。
37.如图5所示，本发明提供一种卡簧14结构，所述卡簧14为采用弹性材料制成中间大两头小的圆锥体，分别为第一锥面142和第二锥面143，第一锥面142与第一容纳腔122配合，第二锥面143与锁紧帽13的锥面配合，所述环形卡槽141设于圆锥体最大直径处外壁上，圆柱体中部开设用于夹持摩擦副的圆柱孔145，圆锥体四周开设有若干轴向的变形槽144；所述变形槽144交替在圆柱体两端贯通，使得圆锥体两端都具有挤压变形能力。这样卡簧14在锁紧帽13的挤压下与第一容纳腔122接触发生变形时，其内圆柱孔145能够均匀的缩小变
形，对摩擦副产生均一夹紧力。
38.本发明实施例中卡簧14可以采用钢材、铜等具有一定弹性的材料制成，也可以采用工程塑料制成。
39.需要说明的是，本发明延长杆11仅仅是便于将中空基座12固定安装在摩擦试验机上，延长杆11的具体形态和形状对本发明解决技术问题没有较大影响，可以替换为任意形态的连接件。
40.需要说明的是，本发明锁紧帽13形状可以为螺帽型，只要满足与中空基座12能够螺纹连接即可，锁紧帽13下端开设有供摩擦副伸出的通孔，本实施例中，该通孔大于摩擦副的直径，等于卡簧14该端外径。
41.工作原理：在摩擦磨损实验中，对测温装置1沿着中空基座12轴线方向施压一定的法向压力，使球形摩擦副材料110与聚酰亚胺对偶件3直接接触，聚酰亚胺对偶件3做一定频率的往复或者旋转运动。在球形摩擦副材料110与聚酰亚胺对偶件3相互摩擦磨损过程中，在摩擦界面上会产生大量的热量，进而通过热扩散传递到测温元器件17上。测温元器件17将温度信号转换成热电动势，并通过导线18与数据采集仪连接，通过转换得到球形摩擦副材料110在摩擦过程中温度随时间的变化规律。
42.进一步，在摩擦磨损实验过程中，为了探索摩擦速度对摩擦副材料温度的变化的影响，设置载荷为80n，聚酰亚胺摩擦副材料作往复运动时的频率分别设置为6hz、8hz、10hz。往复行程设置为8mm，经折算，聚酰亚胺摩擦副材料的摩擦速度对应的分别为96mm/s、128mm/s、160mm/s。当速度分别为96mm/s、128mm/s、160mm/s时，所测终点温度值分别为50.2℃、55.6℃、66.17℃。为了探索摩擦速度对摩擦副材料温度的变化的影响，设置摩擦速度为6hz(96mm/s)，法向载荷分别为80n、100n、120n。由图7可知，当载荷分别为80n、100n、120n时，经过1小时的摩擦磨损实验，所测终点温度值分别为50.2℃、53.1℃、57.5℃。
43.此外，由图6和图7可知，不同实验工况条件下，摩擦副材料从常温升至平衡温度的时间与速率也存在差别。可见，采用本发明的测温装置1，通过数据采集仪将实时采集的数据进行整理和分析，对于研究摩擦副材料在不同摩擦工况下的温度变化，具有重要的理论指导和实际意义。
44.实施例2：其他与实施例1相同，区别在于本实施例测试对象为圆柱体摩擦副20，因此本实施例省去了内凹半球支撑柱19，圆柱体摩擦副20直接与顶柱15接触。
45.本发明的测温装置1，除了能够测试球形几何体试样和圆柱体以外，也能够测试锥形体、立方体摩擦副材料等摩擦磨损过程中的温度变化。根据不同形状摩擦副选择相应的支撑柱与顶柱15接触即可，通过支撑柱来提高导热性，解决摩擦副材料与顶柱15直接接触导热能力不足问题。
46.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。