基于红外方法的摩擦副温度场测量及仿真

郜庚虎，王礼飞，魏　巍，俞建卫

（1．合肥工业大学，安徽 合肥230009；2．奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖241000）

基于红外方法的摩擦副温度场测量及仿真

郜庚虎1，王礼飞2，魏巍1，俞建卫1

（1．合肥工业大学，安徽 合肥230009；2．奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖241000）

搭建了基于红外方法的端面摩擦副温度场在线测量系统，在获得摩擦界面近似温度及非接触侧表面温度分布的同时获取了摩擦过程中的摩擦系数、载荷及转速等参数；通过有限元软件ANSYS建立摩擦温度场计算模型，引入红外探头获得的接触面近似温度对摩擦温度场进行了实时仿真，通过与热像仪测量温度的对比发现，二者具有较好的一致性。关键词：红外；摩擦温度测量；有限元；ANSYS

摩擦过程中约有95%的能量以热能的形式释放出来，导致摩擦温度的剧烈升高［1］。高温会给摩擦副材料及其润滑剂性能带来破坏性影响，导致摩擦副构件寿命大大缩减［2，3］。因此，研究摩擦热及其带来的温度场变化情况，在摩擦学设计中至关重要。

摩擦副在运动过程中始终接触，并且存在着相对运动，因此直接获得其接触面的温度是十分困难的。对此，很多学者开展了研究。王全伟［4］在起重机制动器温度测量中，通过预埋热电偶和红外测温探头对摩擦界面的温度展开了测量；H.Kasem［5］利用光纤双色测温仪及红外热像仪检测了盘式制动器在制动过程中的温度变化。依靠测量只能获得摩擦副部分点或面的温度，若想获得摩擦副的三维温度分布则需要通过有限元计算的方法，如杨智勇［6］和薛晶［7］等人通过仿真的方法对不同摩擦副温度场进行了计算。

通过接触式测温方法，如热电偶测温，只能获得接触亚表面的温度，然后通过热传导规律来推测接触界面温度；而利用非接触式测温，如红外测温，只能获得非接触表面的温度数据；而数值计算则大多数采用热流加载的方法，并不能准确的表达摩擦过程中温度变化的规律。

本文利用红外设备搭建了端面滑动摩擦副的综合测温系统，通过红外测温仪（红外探头）获得了摩擦界面的近似温度，通过热像仪获得了摩擦副非接触侧表面的温度分布。而后在ANSYS环境下建立摩擦温度场计算模型，将红外探头的数据作为载荷引入模型，实现了摩擦温度场的重建，并利用热像仪对结果进行了检验。

1　实验

1.1摩擦副及其测温系统

端面滑动摩擦副结构及其装夹系统如图1和图2所示。实验条件为脂润滑，其中，上试样为45#钢，与旋转主轴相连，接触环面内径为φ25 mm，外径为φ27 mm，转速设定范围为200～500 rpm；下试样为工业纯铝，与试验台架及加载主轴连接，直径为φ70 mm，并在接触位置正下方打φ5 mm的通孔用于测温，载荷设定范围为200～500 N.本文采用的红外探头型号为MIH20LT4，可以实现-40～600℃的温度测量，测量精度为±1℃（图2，摩擦副侧表面温度则通过热像仪A40M获取，热像仪放置在被测目标侧表面0.4 m的位置（图3）。

图1　端面滑动摩擦副结构

图2　测量系统及其装夹系统

图3　实验

利用红外设备对摩擦温度进行测量，首先要确定被测量表面的发射率。摩擦接触面在摩擦前后表面形貌变化较大，本文假定摩擦过程中接触表面发射率是不变的，因此以摩擦一段时间后的上试样接触面标定结果作为接触表面发射率；而摩擦副及其夹具的侧表面则喷涂哑光黑漆，将其表面发射率统一为0.95.标定方法如下［8］：将上试样及喷涂哑光黑漆的下试样放置在恒温箱中，保温一定时间，达到热平衡后，利用热像仪观测其温度，标定得到上试样接触表面的发射率为0.85附近波动。

1.2材料属性

利用LFA457激光热导仪对摩擦副上下试样材料的热物理属性进行检测，结果如表1所示。

表1　上下试样材料热物理属性

1.3实验工况

（1）工况1：载荷300 N，转速400 r/min；

（2）工况2：载荷300 N，转速500 r/min；

备注：所有的实验均在室温下进行20 min.

2　有限元模型的建立

将摩擦副及其夹具简化为全轴对称模型，以此提高有限元计算效率，并做如下假设：

（1）摩擦过程中，上下试样接触面的对应点温度始终相等；

（2）磨屑及润滑脂带走的热量忽略不计；

（3）所有材料各向同性，热物理性质不随温度发生变化。

根据各向同性固体热传导方程可知：

式中：θ（K）为固体的温升；t（s）为时间；k'则表示材料的热扩散率，可由下式计算：

其中，k为材料的导热率；ρ为材料密度；cp为材料比热容。

红外探头所获得的温度数据作为第一类边界条件，加载到接触界面；非接触界面与环境之间存在着对流热交换，换热计算式为：

其中：kw为散热表面的热导率，dAw为散热表面微小面积，α为换热系数，Tw为散热表面的温度，T0则为环境温度。

上下试样与夹具之间的热交换则由下式计算：

其中，kα和kβ分别为相应试样与夹具的热导率。

3　结果与分析

3.1摩擦系数与温度变化的关系

（1）工况1实验结果：如图4所示，给出了摩擦系数及红外探头温度变化情况。

图4　在工况1下运行20 min的摩擦系数及红外探头温度实时变化

根据摩擦系数及红外探头数据的变化规律，可以将整个实验过程分为两个阶段：

第一阶段：初始阶段，摩擦副两构件的接触面处于磨合期，二者摩擦剧烈，摩擦系数较大，其变化幅度也比较大；根据摩擦生热理论，当载荷、转速一定时，其摩擦系数越高，生热量越大，这一点在红外探头的数据上可以得到良好的印证。

第二阶段：稳定磨损阶段，摩擦界面经过一段时间的磨合，较大的微凸体已经磨掉，因此，在这一阶段，摩擦系数较小且变化平稳；摩擦产生的热量向四周的传导，导致整个摩擦副及夹具都出现了温升，系统趋于热平衡状态，因此这个阶段的温升速度下降，且趋于稳定。

（2）工况2实验结果：如图5所示，给出了摩擦系数及探头温度变化情况。

图5　在工况2下运行20 min的摩擦系数及红外探头温度实时变化

可见，摩擦过程中摩擦系数及摩擦界面近似温度的变化同样可以分为两个阶段，但是与工况1不同的地方有两点。第一，在稳定磨损阶段，摩擦系数变化较大，这是由于在少量脂润滑时，在高转速下不易形成良好的润滑条件；第二，红外探头所检测到的温度波动较工况1明显，这证明红外探头具有较好的瞬态性能；在虚线方框所显示的部分，尽管摩擦系数整体出现了微量的增加，红外探头也明显的捕捉到了这一点带来的变化，同样验证了测量系统良好的瞬态性能。

3.2热像仪对仿真结果的检验

将红外探头获得的摩擦副接触界面近似温度数据作为热载荷加载到有限元模型中进行计算，利用热像仪所测得的结果对计算结果加以检验。

图6（a）所示为在工况2下运行900 s时，热像仪拍摄到的摩擦副侧表面及其夹具的温度分布图像，可见其最高温度为66.9℃，最高温度出现在图中所示的矩形框中，实际上，对数据进一步提取，可见最高温度出现在摩擦接触界面处。这与摩擦热产生及传导的基本理论是相符的。

为了进一步验证有限元计算的结果，将图6（a）中所显示的关键点温度值提取出，与计算结果的对应点对比绘制与图6（b）。

图6　热像仪的测量数据对仿真温度的检验

可见，实验过程中，仿真的温度总是略高于实验温度，计算值与测得值最大误差为5.84℃，平均误差为2.46℃，这种结果可能主要由以下几个原因造成：

（1）实验中添加了少量润滑脂，但在计算中并未考虑这些因素带来的影响；

（2）材料本身的各向异性并未进行考虑；

（3）测量过程中，摩擦接触界面的表面发射率被设置为固定值，但实际上这个值是随着摩擦界面状况而改变的。

综合以上原因，可以认为本文所建模型对摩擦温度场的计算是可行且有效的。

4　结束语

（1）所搭建的摩擦副温度场综合测量系统能够实现摩擦界面近似温度、摩擦侧表面温度分布的实时测量，测量结果显示了其良好的瞬态性能；

（2）转速一定的前提下，摩擦热量的产生及摩擦温度的高低由载荷及摩擦系数共同决定；

（3）通过红外热像仪对仿真结果的检验，可知所建有限元模型具有较高的准确性和瞬态性能。

［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］王全伟，任远，王尧，等.制动器动态制动性能试验系统温度测量方法的研究［J］.起重运输机械，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］杨智勇，韩建民，李卫京，等.制动盘制动过程的热—机耦合仿真［J］.机械工程学报，2010，46（2）:88-92.

［7］薛晶，李玉忍，田广来，等.飞机刹车副温度场的瞬态有限元模型［J］.航空学报，2010，31（3）:638-642.

［8］全燕鸣，赵婧，黎弋平.金属切削刀具和工件的波段发射率标定［J］.机械工程学报，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

国家自然科学基金号（51075114）

郜庚虎（1989-），男，安徽凤阳人，硕士研究生，研究方向：摩擦温度场；俞建卫（1956-），男，安徽合肥人，研究生，研究员，研究方向：摩擦学测试。