基于紅外方法的摩擦副溫度場測量及仿真

郜庚虎，王禮飛，魏　巍，俞建衛

（1．合肥工業大學，安徽 合肥230009；2．奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖241000）

基于紅外方法的摩擦副溫度場測量及仿真

郜庚虎1，王禮飛2，魏巍1，俞建衛1

（1．合肥工業大學，安徽 合肥230009；2．奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖241000）

搭建了基于紅外方法的端面摩擦副溫度場在線測量系統，在獲得摩擦界面近似溫度及非接觸側表面溫度分布的同時獲取了摩擦過程中的摩擦系數、載荷及轉速等參數；通過有限元軟件ANSYS建立摩擦溫度場計算模型，引入紅外探頭獲得的接觸面近似溫度對摩擦溫度場進行了實時仿真，通過與熱像儀測量溫度的對比發現，二者具有較好的一致性。關鍵詞：紅外；摩擦溫度測量；有限元；ANSYS

摩擦過程中約有95%的能量以熱能的形式釋放出來，導致摩擦溫度的劇烈升高［1］。高溫會給摩擦副材料及其潤滑劑性能帶來破壞性影響，導致摩擦副構件壽命大大縮減［2，3］。因此，研究摩擦熱及其帶來的溫度場變化情況，在摩擦學設計中至關重要。

摩擦副在運動過程中始終接觸，并且存在著相對運動，因此直接獲得其接觸面的溫度是十分困難的。對此，很多學者開展了研究。王全偉［4］在起重機制動器溫度測量中，通過預埋熱電偶和紅外測溫探頭對摩擦界面的溫度展開了測量；H.Kasem［5］利用光纖雙色測溫儀及紅外熱像儀檢測了盤式制動器在制動過程中的溫度變化。依靠測量只能獲得摩擦副部分點或面的溫度，若想獲得摩擦副的三維溫度分布則需要通過有限元計算的方法，如楊智勇［6］和薛晶［7］等人通過仿真的方法對不同摩擦副溫度場進行了計算。

通過接觸式測溫方法，如熱電偶測溫，只能獲得接觸亞表面的溫度，然后通過熱傳導規律來推測接觸界面溫度；而利用非接觸式測溫，如紅外測溫，只能獲得非接觸表面的溫度數據；而數值計算則大多數采用熱流加載的方法，并不能準確的表達摩擦過程中溫度變化的規律。

本文利用紅外設備搭建了端面滑動摩擦副的綜合測溫系統，通過紅外測溫儀（紅外探頭）獲得了摩擦界面的近似溫度，通過熱像儀獲得了摩擦副非接觸側表面的溫度分布。而后在ANSYS環境下建立摩擦溫度場計算模型，將紅外探頭的數據作為載荷引入模型，實現了摩擦溫度場的重建，并利用熱像儀對結果進行了檢驗。

1　實驗

1.1摩擦副及其測溫系統

端面滑動摩擦副結構及其裝夾系統如圖1和圖2所示。實驗條件為脂潤滑，其中，上試樣為45#鋼，與旋轉主軸相連，接觸環面內徑為φ25 mm，外徑為φ27 mm，轉速設定范圍為200～500 rpm；下試樣為工業純鋁，與試驗臺架及加載主軸連接，直徑為φ70 mm，并在接觸位置正下方打φ5 mm的通孔用于測溫，載荷設定范圍為200～500 N.本文采用的紅外探頭型號為MIH20LT4，可以實現-40～600℃的溫度測量，測量精度為±1℃（圖2，摩擦副側表面溫度則通過熱像儀A40M獲取，熱像儀放置在被測目標側表面0.4 m的位置（圖3）。

圖1　端面滑動摩擦副結構

圖2　測量系統及其裝夾系統

圖3　實驗

利用紅外設備對摩擦溫度進行測量，首先要確定被測量表面的發射率。摩擦接觸面在摩擦前后表面形貌變化較大，本文假定摩擦過程中接觸表面發射率是不變的，因此以摩擦一段時間后的上試樣接觸面標定結果作為接觸表面發射率；而摩擦副及其夾具的側表面則噴涂啞光黑漆，將其表面發射率統一為0.95.標定方法如下［8］：將上試樣及噴涂啞光黑漆的下試樣放置在恒溫箱中，保溫一定時間，達到熱平衡后，利用熱像儀觀測其溫度，標定得到上試樣接觸表面的發射率為0.85附近波動。

1.2材料屬性

利用LFA457激光熱導儀對摩擦副上下試樣材料的熱物理屬性進行檢測，結果如表1所示。

表1　上下試樣材料熱物理屬性

1.3實驗工況

（1）工況1：載荷300 N，轉速400 r/min；

（2）工況2：載荷300 N，轉速500 r/min；

備注：所有的實驗均在室溫下進行20 min.

2　有限元模型的建立

將摩擦副及其夾具簡化為全軸對稱模型，以此提高有限元計算效率，并做如下假設：

（1）摩擦過程中，上下試樣接觸面的對應點溫度始終相等；

（2）磨屑及潤滑脂帶走的熱量忽略不計；

（3）所有材料各向同性，熱物理性質不隨溫度發生變化。

根據各向同性固體熱傳導方程可知：

式中：θ（K）為固體的溫升；t（s）為時間；k'則表示材料的熱擴散率，可由下式計算：

其中，k為材料的導熱率；ρ為材料密度；cp為材料比熱容。

紅外探頭所獲得的溫度數據作為第一類邊界條件，加載到接觸界面；非接觸界面與環境之間存在著對流熱交換，換熱計算式為：

其中：kw為散熱表面的熱導率，dAw為散熱表面微小面積，α為換熱系數，Tw為散熱表面的溫度，T0則為環境溫度。

上下試樣與夾具之間的熱交換則由下式計算：

其中，kα和kβ分別為相應試樣與夾具的熱導率。

3　結果與分析

3.1摩擦系數與溫度變化的關系

（1）工況1實驗結果：如圖4所示，給出了摩擦系數及紅外探頭溫度變化情況。

圖4　在工況1下運行20 min的摩擦系數及紅外探頭溫度實時變化

根據摩擦系數及紅外探頭數據的變化規律，可以將整個實驗過程分為兩個階段：

第一階段：初始階段，摩擦副兩構件的接觸面處于磨合期，二者摩擦劇烈，摩擦系數較大，其變化幅度也比較大；根據摩擦生熱理論，當載荷、轉速一定時，其摩擦系數越高，生熱量越大，這一點在紅外探頭的數據上可以得到良好的印證。

第二階段：穩定磨損階段，摩擦界面經過一段時間的磨合，較大的微凸體已經磨掉，因此，在這一階段，摩擦系數較小且變化平穩；摩擦產生的熱量向四周的傳導，導致整個摩擦副及夾具都出現了溫升，系統趨于熱平衡狀態，因此這個階段的溫升速度下降，且趨于穩定。

（2）工況2實驗結果：如圖5所示，給出了摩擦系數及探頭溫度變化情況。

圖5　在工況2下運行20 min的摩擦系數及紅外探頭溫度實時變化

可見，摩擦過程中摩擦系數及摩擦界面近似溫度的變化同樣可以分為兩個階段，但是與工況1不同的地方有兩點。第一，在穩定磨損階段，摩擦系數變化較大，這是由于在少量脂潤滑時，在高轉速下不易形成良好的潤滑條件；第二，紅外探頭所檢測到的溫度波動較工況1明顯，這證明紅外探頭具有較好的瞬態性能；在虛線方框所顯示的部分，盡管摩擦系數整體出現了微量的增加，紅外探頭也明顯的捕捉到了這一點帶來的變化，同樣驗證了測量系統良好的瞬態性能。

3.2熱像儀對仿真結果的檢驗

將紅外探頭獲得的摩擦副接觸界面近似溫度數據作為熱載荷加載到有限元模型中進行計算，利用熱像儀所測得的結果對計算結果加以檢驗。

圖6（a）所示為在工況2下運行900 s時，熱像儀拍攝到的摩擦副側表面及其夾具的溫度分布圖像，可見其最高溫度為66.9℃，最高溫度出現在圖中所示的矩形框中，實際上，對數據進一步提取，可見最高溫度出現在摩擦接觸界面處。這與摩擦熱產生及傳導的基本理論是相符的。

為了進一步驗證有限元計算的結果，將圖6（a）中所顯示的關鍵點溫度值提取出，與計算結果的對應點對比繪制與圖6（b）。

圖6　熱像儀的測量數據對仿真溫度的檢驗

可見，實驗過程中，仿真的溫度總是略高于實驗溫度，計算值與測得值最大誤差為5.84℃，平均誤差為2.46℃，這種結果可能主要由以下幾個原因造成：

（1）實驗中添加了少量潤滑脂，但在計算中并未考慮這些因素帶來的影響；

（2）材料本身的各向異性并未進行考慮；

（3）測量過程中，摩擦接觸界面的表面發射率被設置為固定值，但實際上這個值是隨著摩擦界面狀況而改變的。

綜合以上原因，可以認為本文所建模型對摩擦溫度場的計算是可行且有效的。

4　結束語

（1）所搭建的摩擦副溫度場綜合測量系統能夠實現摩擦界面近似溫度、摩擦側表面溫度分布的實時測量，測量結果顯示了其良好的瞬態性能；

（2）轉速一定的前提下，摩擦熱量的產生及摩擦溫度的高低由載荷及摩擦系數共同決定；

（3）通過紅外熱像儀對仿真結果的檢驗，可知所建有限元模型具有較高的準確性和瞬態性能。

［1］Majcherczak D，Dufrenoy P，Berthier Y.Tribological，ther mal and mechanical coupling aspects of the dry sliding con tact［J］.Tribology International，2007，40（5）:834-843.

［2］Kennedy F E.Thermal and thermomechanical effects in drysliding［J］.Wear，1984，100（1-3）:453-476.

［3］Czichos H，Winer W O.Tribology:A Systems Approach to the Science and Technology of Friction，Lubrication and Wear（Tribology Series，1）［J］.Journal of Tribology，1978，100（4）:259-260.

［4］王全偉，任遠，王堯，等.制動器動態制動性能試驗系統溫度測量方法的研究［J］.起重運輸機械，2011，（5）:50-54.

［5］Kasem H，Brunel J F，Dufrénoy P，et al.Monitoring of tem perature and emissivity during successive disc revolutions in braking［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engi neers，Part J:Journal of Engineering Tribology，2012，60（3）：165-170.

［6］楊智勇，韓建民，李衛京，等.制動盤制動過程的熱—機耦合仿真［J］.機械工程學報，2010，46（2）:88-92.

［7］薛晶，李玉忍，田廣來，等.飛機剎車副溫度場的瞬態有限元模型［J］.航空學報，2010，31（3）:638-642.

［8］全燕鳴，趙婧，黎弋平.金屬切削刀具和工件的波段發射率標定［J］.機械工程學報，2009，45（12）:182-186.

The Measurement and Simulation of Friction Temperature Field based on the Infrared Method

GAO Gen-hu1，WANG Li-fei2，WEI Wei1，YU Jian-wei1
（1．Hefei University of Technology，Hefei Anhui 230009，China；2．Chery Automobile Co.，Ltd.，Wuhu Anhui 241000，China）

An in-stu temperature measurement system for end-face friction pairs was constructed based on infrared method.The approximate temperature of contact surface and the non-contact surface’s temperature distribution was determined through this system.The following parameters such as the friction coefficient，load and rotate speed was received at the same time.Then the friction temperature field was calculated with the finite element method by ANSYS，which use the infrared probe as the thermal load.The simulation result was comparatively accordant with the measuring result from the thermography.

infrared；measurement of friction temperature；finite element method；ANSYS

TH117.1

A

1672-545X（2016）07-0009-04

2016-04-30

國家自然科學基金號（51075114）

郜庚虎（1989-），男，安徽鳳陽人，碩士研究生，研究方向：摩擦溫度場；俞建衛（1956-），男，安徽合肥人，研究生，研究員，研究方向：摩擦學測試。