專利名稱：基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量方法和裝置的制作方法
技術領域：
.
本發明屬于固態熱加工研究領域。主要用于測量金屬固體瞬間接觸過程中界面的接觸 換熱系數。
背景技術：
在金屬材料熱加工過程中，模具與工件間的熱量交換直接影響了溫度場的分布，進而 影響模具壽命和工件成形精度，因此，人們很早就丌始了對金屬固體界面間的接觸換熱系 數進行研究，隨著現代工業的發展，這項研究越來越受到科研人員和精密成形企業的關注， 同時，固態熱加工過程數值模擬技術對接觸換熱系數方面的數據需求較大。目前，國內外 學者從理論模型、實驗測量等方面對固體界面接觸換熱系數開展了一系列研究，獲得了一 定數據，普遍的實驗方法是，等通過兩直接接觸試樣的熱流基本穩定時，再對試樣軸線上 不同位置點的溫度進行釆集，計算時采用外推法獲得接觸面處溫度，即穩態法，山于實際 加工過程是先將模具和工件加熱，然后接觸加壓，熱量交換在短時間內完成，現有的實驗 方法與實際情況偏離較大，從相關文獻了解到，基于瞬態法的測量技術難度大，實驗成本 高，大多數測量的溫度較低，數據采集處理的方法不完善。
參考文獻
M. Rosochowska， K. Chodnikiewicz ， R. Balendra, A new method of measuring thermal contact conductance, Journal of Materials Processing Technology 145(2004)207-214.. C.Fieberg， R.Kneer, Determination of thermal contact resistance from transient temperature measurements, International Journal of Heat and Mass Transfer 51(2008)1017-1023. 現有的實驗裝置多用穩態法測量，實驗數據不能充分滿足實際生產和科學研究的需求， 試樣接觸面處溫度低，針對固態熱加工過程的研究較少，溫度采集和數據處理方法不夠完 善。
發明內容
本發明的目的是提供一種測量固體界面間接觸換熱系數的方法和裝置，該方法和裝置 不僅測量溫度范圍寬，而且能夠實現兩不同溫度試樣的動態接觸，并對接觸后熱流交換引 起的溫度變化進行實時采集、直觀顯示，最終利用計算程序實現對接觸換熱系數的計算。
本發明的技術解決方案是基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置，山上支撐
板l、杠桿加載裝置2、直線軸承3、壓力變向節4、定滑輪機構5、低溫試樣連接桿6、低
溫加熱爐7、高溫加熱爐8、滑輪帶定位銷9、傳動軸套筒IO、定心圓球ll、卡環12、控 溫熱電偶13、測溫熱電偶16、高溫試樣支撐桿17、下支撐板18、螺紋軸套19、螺紋傳動 軸20、低溫程控表21、高溫程控表22、前置多路選通放大器23、 DB-37電纜線24、 A/D 轉換板25、工控機26、滑桿27、加熱爐托28和定位塊29組成，壓力變向節4的支點和杠. 桿加載裝置2中砝碼重力方向的力臂比為1: 5,低溫試樣14和高溫試樣15直徑為 010 wn -25ww，高度為40ww 100wm，低溫試樣14和高溫試樣15為可選擇的金屬固 體材料，將八根測溫熱電偶16分別置于低溫試樣14的四個孔和高溫試樣15的四個孔中， 孔深度為試樣直徑的一半，測溫熱電偶16的直徑為^1.0土0.003w附，每個試樣上的孔間距
為9.5w附~ 10.5ww ，靠近接觸面的孔與接觸面的距離為2.9ww 3.1mm ，孔直徑為
-1.0mw 1.2mw，高溫試樣15置于高溫支撐桿17端面的凹槽內，帶凸塊的高溫試樣支撐
桿17置于螺紋傳動軸20端面的凹槽內，側面凸塊與傳動軸套筒10內側的凹槽對齊，杠桿 加載裝置2與壓力變向節4、定心圓球ll、低溫試樣連接桿6、低溫試樣14依次連接，低 溫試樣14置于低溫試樣連接桿6端面的凹槽內，定心圓球11位于其另一端面與壓力變向 節4端面的球面凹槽處，外側由直線軸承3約束，低溫加熱爐7和高溫加熱爐8上電阻絲 的接線柱分別與低溫程控表21和高溫程控表22負載輸出端相連，試樣加熱時置于爐j燈中 心處，低溫加熱爐7可以在一定距離內沿直線運動，將八根測溫熱電偶16補償導線的正負 極分別與前置多路選通放大器23的相應輸入通道連接，通過DB-37電纜線24把前置多路 選通放大器23與工控機26內插的A/D轉換板25各自的37針腳接口相連，控溫熱電偶13 插入加熱爐內部，其補償導線正負極分別與程控表輸入端正負極相連，再將每個程控表的 輸出端并聯后通過RS232轉換器接到工控機26的串口上，測溫熱電偶16、帶溫度補償電路 的前置多路選通放大器23與A/D轉換板25依次連接；該裝置的核心部分是使螺紋傳動軸 20、高溫試樣支撐桿17、高溫加熱爐8、高溫試樣15、低溫加熱爐7、低溫試樣14、低溫 試樣連接桿6、定心圓球ll、壓力變向節4各部分的軸線位于同一條中心線上，以保持試 樣接觸時的準確性和穩定性。
當該裝置為立式結構時，螺紋傳動軸20置于下支撐板18帶有內螺紋的中心處，并通 過螺紋軸套19進行固定，帶凸塊的高溫試樣支撐桿17放置在螺紋傳動軸20上端面的凹槽 內，側面凸塊與傳動軸套筒10的軸向凹槽對齊，防止高溫試樣支撐桿17發生轉動，高溫 試樣15的下端置于高溫試樣支撐桿17的凹槽內，整體位于高溫加熱爐8的中心。低溫試 樣14、低溫試樣連接桿6、定心圓球ll、壓力變向節4自下而上順序連接，低溫試樣14的
上端面置于低溫試樣連接桿6下端面的凹槽內，整體位于低溫加熱爐7的中心，通過凹槽 外側面沿桿徑向均勻分布的三個螺桿保持低溫試樣14的懸掛狀態，低溫試樣連接桿6 t:端 部直徑相對桿體較大，位于上支撐板l的中心通孔內，由卡環12保持其懸掛狀態，定心圓 球11置于低溫試樣連接桿6上端面與壓力變向節4下端面的球形凹槽之間，外側山直線軸 承3固定，壓力變向節4與杠桿加載裝置2連接，壓力變向節4的支點和杠桿加載裝置2 中砝碼重力方向的力臂比為1: 5，實驗前添加一定數量砝碼，利用杠桿加載裝覽2的定位 塊承受壓力，使杠桿保持平衡，測量時，通過旋轉使螺紋傳動軸20向上運動，借助高溫試 樣支撐桿17將高溫試樣15向上推出高溫加熱爐8，與低溫試樣14接觸后進一歩推動，經 過低溫試樣連接桿6、定心圓球11和壓力變向節4將杠桿頂起，壓力迅速由杠桿加載裝置 2的定位塊上轉移到試樣接觸表面，壓力范圍為0 100KN。
定滑輪機構5固定在上支撐板1的底面上，包括滑輪軸、滑輪帶和加熱爐托盤三部分。 低溫加熱爐7置于加熱爐托盤中心，滑輪帶一端固定在加熱爐托盤上，另一端通過與滑輪 帶寬厚度相同的長方孔，端部設置卡頭，使滑輪帶不能自下而上通過長方孔，從而將低溫 加熱爐7吊起，向下拉動滑輪帶卡頭，掛在滑輪帶定位銷9上，低溫加熱爐7向上運動， 露出低溫試樣14，實現與高溫試樣15的接觸，裝置的側立柱穿過加熱爐托盤兩側的圓通孔， 保證爐體僅做垂直向上運動。
當該裝置為臥式結構時，螺紋傳動軸20、高溫試樣支撐桿17、高溫試樣15、低溫試 樣14、低溫試樣連接桿6、定心圓球ll、壓力變向節4各部分軸線位于通過高溫加熱爐8 和低溫加熱爐7中心的同一條水平線上,低溫試樣14置于低溫試樣連接桿6的端面凹槽內， 高溫試樣15置于高溫試樣支撐桿17的端面凹槽內，利用螺紋結構固定兩試樣的位覽，試 樣應位于加熱爐的中心部位，定心圓球11位于壓力變向節4和低溫試樣連接桿6連接處的 球面凹槽處，壓力變向節4的支點和杠桿加載裝置2中砝碼重力方向的力臂比為1: 5，實 驗前預先在砝碼盤上添加一定數量的砝碼，并使定位塊29預先承受壓力，使杠桿加載裝置 2保持平衡，測量時，旋轉螺紋傳動軸20，推動高溫試樣支撐桿17向右運動，將高溫試樣 15推出高溫加熱爐8，與低溫試樣14接觸后繼續運動，經低溫試樣連接桿6、定心圓球ll 和壓力變向節4向右頂杠桿加載裝置2，壓力將迅速由定位塊29轉移到試樣接觸面，壓范 圍為0 100KN。
兩根水平滑桿27保持一定距離平行放置，由側面的立支架固定，加熱爐托28開兩個
與滑桿27直徑相同的通孔，兩根滑桿27分別通過加熱爐托28的通孔，加熱爐托28上端
面丌與加熱爐直徑相同的柱面凹槽，低溫加熱爐7和高溫加熱爐8分別立放在柱面凹槽上:，
并固定，加熱爐托28能夠在水平方向滑動，從而帶動加熱爐運動，實驗時向右推動低溫加
熱爐，露出低溫試樣14與高溫試樣15接觸。
安裝試樣時將低溫加熱爐7向上拉起或沿滑桿27向一側滑動，用螺紋傳動軸20將商 溫試樣支撐桿17推出高溫加熱爐8，使操作方便。實驗材料可以為各類金屬固體。低溫試
樣14和高溫試樣15的直徑為^10ww ^25附w，高度為40ww 100附w ，高溫試樣支撐桿
17的凹槽深4.8/ww 5.2ww ，低溫試樣連接桿6的凹槽深9.8ww ~ 10.2ww ，測溫熱電偶16'
在試樣上的固定方式為在每個試樣的外側圓柱面上沿軸線方向用電火花打四個孔，深度 為試樣直徑的一半，孔間距為9.5"簡 10.5mm ，孔的直徑為一.Owot 01.2ww ，低溫試樣
14和高溫試樣15靠接觸面的孔與接觸面的距離為2.9附w 3.1mm，將八根測溫熱電偶16 分別置于低溫試樣14和高溫試樣15的四個孔后，將試樣側面用耐熱石棉布纏住或涂刷隔 熱涂料，減少側面熱輻射，測溫熱電偶16的直徑為^.0士0.003附w。
低溫加熱爐7和高溫加熱爐8的兩支控溫熱電偶13分別插入各自爐膛中間對加熱爐內 部溫度進行測量和控制，兩支控溫熱電偶13的補償導線分別與低溫程控表21和高溫程控 表22輸入端的正負極相連，然后將低溫程控表21和高溫程控表22負載輸出端分別與低溫 加熱爐7和高溫加熱爐8的電阻絲兩端連接，信號輸出端的正負極并聯后連接在RS232轉 換器的正負接口上，再將RS232轉換器和工控機26上的串口相連。對A/D轉換板25的丌 關和跳線按要求設置后插入工控機26機箱內主板的ISA插槽內，再對前置多路選通放大器 23的開關和跳線按要求設置，然后將八支測溫熱電偶16的補償導線正負極分別接入前置多 路選通放大器23相應輸入通道的高低位螺絲接線端子上，最后用DB-37電纜線24將前置 多路選通放大器23和A/D轉換板25兩板卡的37針腳接口連接起來。
使用基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置進行基于瞬態法的固體界面接觸換 熱系數的測量方法，測量固體接觸面的接觸換熱系數時，低溫試樣14和高溫試樣15的接 觸面應具有相同的表面狀態，所謂相同的表面狀態，是指通過不同牌號的砂紙打磨預接觸 面，使表面的粗糙度近似相同，或者在預接觸面添加利于導熱或不利于導熱的中問介質等 物質。安裝好低溫試樣14、高溫試樣15和插好測溫熱點偶16以后，使測溫熱電偶16折彎 并緊靠試樣外表面，在試樣外側纏上石棉布或刷一層隔熱涂料，減少試樣側表面與空氣的 對流換熱及熱輻射，調整杠桿加載裝置2的砝碼盤上砝碼重量使其產生的壓力滿足實驗條 件，確認控溫熱電偶13與溫度程控表的連線、測溫熱點偶16與前置多路選通放大器23輸 入端的連線、所有數據通訊線與工控機26的連線正確，通過定滑輪機構5或滑桿27、螺紋 傳動軸20分別進行調整，使試樣位于加熱爐的中心位置，打開低溫程控表21和高溫程控
表22的丌關，進入工控機26中的接觸換熱過程溫度采集系統，接觸換熱過程溫度采集系 統包括采集板卡設置、控溫曲線設置、數據采集顯示、數據計算四個部分，首先進入采集 板卡設置部分，根據硬件板卡上的開關和跳線設置調整A/D轉換板25和前置多路選通放大 器23的物理參數，包括輸入電壓、放大增益、采樣速率等，然后進入控溫曲線設置部分， 對低溫加熱爐7和高溫加熱爐8的內部溫度進行控制，即實現爐內的溫度升高到預定的值， 并保持一段時間，如從室溫升高到50(TC，升溫時間為30分鐘，50CrC下保溫30分鐘，使 爐膛內溫度分布均勻，該操作通過制定兩段溫度-時間程序，經工控機26的串口寫入到低 溫程控表21和高溫程控表22中，程控表利用控溫熱電偶13實現與加熱爐的信息反饋，使 加熱爐溫度的升高完全按照預先制定的工藝曲線進行，單擊開始加熱按鈕，退出控溫曲線 設置部分，并丌始對加熱爐升溫，到達設定保溫時間后，爐膛內試樣溫度達到預定值，低 溫加熱爐7內溫度為7;，高溫加熱爐8內溫度為&，此時試樣的溫度也達到預定值，控溫
曲線中溫度的制定是根據所需測量的接觸面溫度而定，升溫時間是根據加熱爐的特性來制 定的；操縱定滑輪機構5使低溫加熱爐7升起，露出低溫試樣14，隨即旋轉螺紋傳動軸20 將高溫試樣16向上推出高溫加熱爐8，與低溫試樣14的下表面接觸后繼續運動，將杠桿加 載裝置2頂起，砝碼壓力將逐漸由杠桿加載裝置2的定位塊轉移到試樣接觸表面，這個過 程需在極短時間內完成，熱流在兩試樣間實現迅速交換，改變了兩試樣內部的溫度場分布， 在兩試樣接觸的同時，啟動開始采集按鈕，利用八根測溫熱電偶16對試樣軸線方向各點的 溫度進行采集，并以溫度-時間曲線的形式直觀顯示，采集過程也需在極短時間內完成，實 驗時，改變初始砝碼的重量可以改變試樣接觸時接觸面上的壓力大小，改變控溫曲線的設 置可以改變加熱爐內溫度，從而實現不同溫度試樣的接觸過程，采集過程中，程序自動將 采集到的電壓信號根據熱電偶分度表轉換成溫度值顯示，然后將采集的原始數據保存起來， 包括電壓值和溫度值，形成原始數據庫，再利用軟件的數字濾波功能，對溫度數據進行處 理，去掉采集過程中外界噪聲的干擾，本系統主要提供了三種數字濾波方法，包括二階慣 性濾波、遞推平均濾波和限幅濾波，二階慣性濾波適用于隨機的尖峰干擾，尖峰的寬度不 大，通常只有幾個點的范圍，對非周期隨機干擾的抑制能力也較高，遞推平均濾波是把各 測量數據看做一個隊列，隊列的固定長度為N，每進行一次新的測量，把測量結果放在隊尾， 而去掉原來隊首的一個數據，使隊列始終保持N個最新數據，把隊列中的N個數據中的最 大值和最小值去掉，然后對N-2個數據進行算術平均濾波，得到新的濾波值，限幅濾波是 用來測量信號中的尖脈沖干擾，比較相鄰兩個取樣值凡和，如果差值超出最大變化范圍，
則認為有干擾產生，獲得準確的溫度數據后，保存到處理結果數據庫，此時，顯示曲線將
變得更加平滑，最后進入數據計算部分，整個計算模塊由fortran語言編制，采用動態反 傳熱計算方法，具體過程分析如下
基于瞬態法的接觸換熱系數計算的關鍵是獲得各個時刻通過低溫試樣14下表面與高溫 試樣15上表面接觸部分的熱流密度和接觸表面之間的溫度差，當兩根等截面的圓柱試樣在 一定壓力下互相接觸并傳遞熱量時，.如果試樣周圍絕熱，那么可以認為熱流在試樣中是沿 一維軸向傳遞的，因為試樣側面采用的隔熱、防輻射措施，所以可根據-一維傳熱計算，根 據接觸換熱系數的計算公式-
其中，/^,是界面在M時刻的接觸換熱系數，《M是界面在M時刻的熱流密度，a乙是界面 在M時刻的溫度差，設低溫試樣14下表面的溫度為7;，高溫試樣15上表面的溫度為z;，
可以得到ai^^7;-r,。在采集系統的計算部分，預先輸入試樣材料的熱物性參數，主要是
從手冊或其他資料上獲得的材料不同溫度下的導熱系數，然后根據經驗任意給定一個熱流
密度值《'，作為反傳熱算法的熱流密度迭代初始值，試樣初始溫度分別為7;,,和7;,,，八 個測溫熱點偶i6采集到^時刻對應的八個溫度值，分別為i;^， &M， &M， y5M， y卬，&M， 低溫試樣i4的四個溫度點為i;,M' &M， r3M， y4M，高溫試樣i5的四
個溫度點為Sw， y6,M， y7,M， &M，多點測溫可以減少測量和計算的誤差，以低溫試樣14
為例應用動態反傳熱算法，溫度場控制方程與敏感系數場控制方程具有相同形式的偏微分 方程，可用有限差分方法計算，所謂的敏感系數是指對試樣內點溫度測量的敏感程度，一
般可定義為溫度關于熱流密度的一階微商，表示為
其中，zo,o是指敏感系數場，r(x，o是指試樣內部的溫度場，g是指熱流密度，根據溫度 場的數值計算可以獲得試樣接觸面的溫度值 ;和7;，熱流密度的迭代計算采用如下公式
《W+JX d - rt,M) / JX2
其中，/是指溫度采集點的個數，X,是指第;t個測溫點處的敏感系數，Kw是指M時 刻第&個測溫點實際測得的溫度值，rA、M是指m時刻第a個測溫點處由溫度場控制偏微分方
程計算得到的溫度值，令3-《m-^，當該差值^小于某個設定的小量E時，可以認為得到 的l,就是我們所需要的熱流密度值，在計算過程中，需要不斷計算并調用不同溫度時材料
的熱物性參數，然后根據公式得到各個時刻的接觸換熱系數值，為了進一歩分析，將各個 時刻的熱流密度、接觸面溫度、接觸換熱系數保存起來，最后退出溫度采集系統。本發明 應用動態反傳熱算法，計算接觸面溫差和熱流密度，結合FORTRAN程序實現對全過程的自 動計算，包括溫度文件讀入、材料熱物性參數提取。適用于計算不同的接觸狀況，包括界 面含中間介質、接觸面的粗糙度不同、接觸面有復合材料層。
本實用新型所達到的有益效果是，實驗裝置的測量方法接近固態熱加工過程的基本原 理，實現了試樣的動態接觸，實驗數據切合實際；低溫加熱爐7和高溫加熱爐8的溫度范 圍為20 120(TC，提高了試樣本身的加熱溫度；山于采用常用測溫熱電偶16進行測溫，靈 敏度達到0.01S，滿足基本需要，同時降低了設備的整體成本；采用杠桿加載裝置2以及試 樣接觸面狀況可變，因此能夠進行不同溫度、不同壓力、不同接觸面狀況等條件下的接觸 換熱系數，應用范圍寬；前置多路選通放大器23具有自動溫度補償功能，方便了測溫熱電 偶丄6的應用，A/D轉換板25的采用速率達到100KHz，能夠適應短時間內溫度的快速變化， 前胥多路選通放大器23、 A/D轉換板25及溫度采集軟件的聯用，實現了數據從模擬量到數 字量的迅速轉換。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一歩說明。 圖l是本發明的立式結構示意圖。 圖2是本發明的臥式結構示意圖。
圖3是本發明自動調整壓力方向部分的剖面結構示意圖。 圖4是本發明的加熱爐膛內部試樣接觸前后位置示意圖。 圖5是本發明傳動機構的剖面結構示意圖。 圖6是本發明的數據采集與數據處理流程圖。
圖中，l.上支撐板，2.杠桿加載裝置，3.直線軸承，4.壓力變向節，5.定滑輪機構， 6.低溫試樣連接桿，7.低溫加熱爐，8.高溫加熱爐，9.滑輪帶定位銷，IO.傳動軸套筒，11. 定心圓球，12.卡環，13.控溫熱電偶，14.低溫試樣，15.高溫試樣，16.測溫熱電偶，17. 高溫試樣支撐桿，18.下支撐板，19.螺紋軸套，20.螺紋傳動軸，21.低溫程控表，22.高溫 程控表，23.前置多路選通放大器，24.DB-37電纜線，25. A/D轉換板，26.工控機，27.滑 桿，28.加熱爐托，29.定位塊
具體實施例方式
低溫試樣14材料為K403鑄造高溫合金，高溫試樣15材料為TC11鈦合金，試樣預接 觸面用400"砂紙打磨，使其表面粗糙度基本相同，當裝置為立式結構時，由于壓力變向節 4與杠桿加載裝置2連接，壓力變向節4的支點和杠桿加載裝置2中砝碼重力方向的力臂比 為l: 5，因此，杠桿加載裝置2的砝碼盤上加5個10Kg砝碼后，可使試樣接觸面的最大壓 力達到2450N，杠桿加載裝置2的定位塊部分預先承受壓力，使杠桿保持平衡，此時壓力變 向節4產生的向下壓力為零。定滑輪機構5固定于上支撐板1的下表面，包括滑輪軸、滑 輪帶和加熱爐托盤三部分，滑輪帶一端固定在加熱爐托盤上，另一端穿過加熱爐托盤上的 長方形孔，通過端部的卡頭鎖定加熱爐托盤位置，低溫加熱爐7置于加熱爐托盤中心，依 靠穿過加熱爐托盤兩側圓通孔的側立柱約束低溫加熱爐7僅做直線運動，低溫試樣14的上 端面置于低溫試樣連接桿6下端面的凹槽內，用凹槽側面徑向均勻分布的三個螺桿固定， 利用卡環12將低溫試樣連接桿6上端部直徑較大部位卡住，定心圓球11位于低溫試樣連 接桿6和壓力變向節4上下端面之間的球面形凹槽內，壓力為零時，壓力變向節4、定心圓 球ll、低溫試樣連接桿6和低溫試樣14保持垂直懸掛狀態，高溫試樣15與高溫試樣支撐 桿17、螺紋傳動軸20通過端面凹槽依次向下連接，利用傳動軸套筒10約束螺紋傳動軸20 與高溫試樣支撐桿17的連接部位，高溫試樣支撐桿17側面的凸塊卡在傳動軸套筒10內壁 面上的軸向凹槽內，防止高溫支撐桿17在運動過程中發生轉動，下支撐板18底面上的螺 紋軸套19對螺紋傳動軸20的運動起到約束作用，裝置裝配過程中，需要預先進行垂線校 準，需要使壓力變向節4、定心圓球ll、低溫試樣連接桿6、低溫試樣14、低溫加熱爐7、 高溫加熱爐8、髙溫試樣15、高溫試樣支撐桿17和螺紋傳動軸20各自的軸線共線并與水 平面垂直。實驗前，用定滑輪機構5將低溫加熱爐7向上拉起，露出低溫試樣連接桿6的 下端部，用螺紋傳動軸20將高溫試樣支撐桿17的上端部推出高溫加熱爐8的爐膛口，然
后進行試樣安裝，低溫試樣14和高溫試樣15的直徑為^20wm，高度為50wm，在每個試 樣外側圓柱面的同一直線上用電火花打孔，孔深度為10ww,孔間距為10m附，孔外徑為 0L2wm ，低溫試樣14和高溫試樣15中靠近接觸面的孔與接觸面的距離為3mm，即孔距接 觸面的距離依次為3mw， 13w附，23wot， 33mw，測溫熱電偶16的類型為鎳鉻一鎳硅型，直 徑為(z)1.0mw，反應靈敏度為O.Ol S，將八根測溫熱電偶16按順序自上而下分別插入低溫
試樣14和高溫試樣15的孔內，然后在試樣外側纏上石棉布，并將測溫熱電偶包裹在內， 測溫熱電偶補償導線的正負極分別接入前置多路選通放大器23相應輸入通道的高低位螺絲
接線端子上，再用DB-37電纜線24將前置多路選通放大器23和工控機26內的A/D轉換板 25兩塊板卡的37針腳接口連接起來，兩支控溫熱電偶13分別插入低溫加熱爐7和高溫加 熱爐8的爐膛中間進行溫度控制，其補償導線分別與低溫程控表21和高溫程控表22輸入 端的正負極相連，然后將低溫程控表21和高溫程控表22輸出端的正負極并聯后連接在 RS232轉換器的正負接口上，再將RS232轉換器和工控機26上的串口相連，最后利用定滑 輪機構5將低溫加熱爐7落回原位，使低溫試樣14置于爐膛中心，利用螺紋傳動軸20將 高溫試樣15退回到高溫加熱爐8的爐膛中心，根據需要，可以在低溫加熱爐7與高溫加熱 爐8之間的空隙放置隔熱材料，減少熱輻射對接觸過程的影響。
檢查杠桿加載裝置2的砝碼盤上砝碼重量產生的壓力是否滿足實驗條件，確認控溫熱 電偶13與溫度程控表的連線、測溫熱點偶16與前置多路選通放大器23輸入端的連線、所 有數據通訊線與工控機26的連線正確，打開低溫程控表21和高溫程控表22的丌關，進入 工控機26中的接觸換熱過程溫度采集系統，接觸換熱過程溫度采集系統包括采集板卡設覽、 控溫曲線設置、數據采集顯示、數據計算四個部分，首先進入采集板卡設置部分，根據硬 件板卡上的開關和跳線設置調整A/D轉換板25和前置多路選通放大器23的物理參數，包
括輸入電壓范圍為±1(^ , A/D轉換板25放大增益為4，前置多路選通放大器23放大增益
為100，采樣速率為100 KHz，輸入通道選擇差分輸入，檢測板卡是否正常，檢測正常后進 入控溫曲線設置部分，低溫試樣14和高溫試樣15的預設初始溫度分別4(KTC和80(TC，寫 入低溫程控表21的程序段為從室溫2(TC丌始，升溫時間20分鐘，達到40(TC，保溫時 間為50分鐘，寫入高溫程控表22的程序段為從室溫20。C開始，升溫時間40分鐘，達到 80(TC，保溫時間為30分鐘，寫表完成后，點擊開始加熱按鈕，70分鐘以后，試樣達到預 設溫度值，停止加熱，操縱定滑輪機構5使低溫加熱爐7升起，露出低溫試樣14，隨即旋 轉螺紋傳動軸20將高溫試樣16向上推出高溫加熱爐8，與低溫試樣14的下表面接觸后繼 續運動，將杠桿加載裝置2頂起，砝碼壓力將逐漸由杠桿加載裝置2的定位塊轉移到試樣 接觸表面，這個過程需在極短時間內完成，熱流在兩試樣間實現迅速交換，改變了兩試樣 內部的溫度場分布，在兩試樣接觸的同時，啟動丌始采集按鈕，利用八根測溫熱電偶16對 試樣軸線方向各點的溫度信號進行采集，并以溫度-時間曲線的形式直觀顯示，數據采集也 需在極短時間內完成，采集過程中，程序自動將采集到的模擬電壓信號根據鎳鉻一鎳硅型 熱電偶分度表轉換成溫度值顯示出來，然后將采集的原始數據保存起來，包括電壓值和溫 度值，形成原始數據庫，再利用軟件的數字濾波功能，對溫度數據進行處理，去掉采集過 程中外界噪聲的干擾，得到測溫熱點偶16采集到^時刻對應的八個溫度值，分別為《.A,，
' ^v, ， &M ， &M ， &M ， &M ， &M '低溫試樣14自上而下的四個溫度點為&w ， &w ，
&M， &w，高溫試樣15自上而下的四個溫度點為F^， i;M， y7A,， &M，將濾波后的一
組溫度一時間數據保存，形成處理結果數據庫，此時，顯示曲線將變得更加平滑，然后進 入計算部分，由于低溫試樣14材料為K403鑄造高溫合金，高溫試樣15材料為TC11鈦合 金，因此，從材料手冊上可以查到兩種材料的熱物性參數，K403鑄造高溫合金在300°C、 400°C、 50t)。C、 600。C的熱導率分別為17. 12W/(m*°C)、 18. 25 W/(m °C) 、 19. 72 W/(ra °C)、 20. 43 W/(m .°C) ，TCll鈦合金在603。C、709。C、797。C、890。C的熱導率分別為13. 0 W/(m *°C)、 M. 2 W/(m °C) 、 15. 5 W/(m °C) 、 17. 2 W/(m °C)，由于試樣側面用石棉布纏住，減少 了熱對流和熱輻射，所以可按一維熱傳導進行計算，計算模塊采用動態反傳熱算法，用 FORTRAN語言編寫，供采集系統調用，溫度場控制方程為瞬態熱傳導偏微分方程，應用隱式
有限差分方法，計算試樣內部溫度場分布，得到八個測溫熱電偶16測溫點處在時刻",的計
算溫度值，分別為J;,M， r2,M， r3M， r4M， r5M， r6M， r7M, r卬，低溫試樣"自上而 下的四個溫度點為7i^ ， r2M ， r屮，r4,,，高溫試樣15自上而下的四個溫度點為7;^ ， r6M ， &w， ；M，同時可得低溫試樣14下表面的溫度為7;，高溫試樣i5上表面的溫度為7;，界 面在M時刻的溫度差A7^:7;-t;，然后根據經驗任意給定一個熱流密度值g'，作為反傳熱
算法的熱流密度迭代初始值，試樣初始溫度分別為40(TC和800°C，由于測溫點存在測量誤
差，因此引入敏感系數的計算及多點測量的方法，所謂的敏感系數是指對試樣內點溫度測
量的敏感程度， 一般可定義為溫度關于熱流密度的一階微商，表示為<formula>formula see original document page 15</formula>
其中，義(x，o是指敏感系數場，r(x,f)是指試樣內部的溫度場，《是指熱流密度，根據溫度 場的數值計算可以獲得試樣接觸面的溫度值7;和7;，熱流密度的迭代計算采用如下公式<formula>formula see original document page 15</formula>
其中，^是界面在M時刻的熱流密度，j是指溫度采集點的個數，Z,是指第&個測溫點處
的敏感系數，是指M時刻第個測溫點實際測得的溫度值，7;,A,是指M時刻第A個測溫
點處由溫度場控制偏微分方程計算得到的溫度值，令3=^-y，當該差值5小于某個設定
x(x，,) = 5r(x,/)/%
的小量s時，可以認為得到的&f就是我們所需要的熱流密度值，在計算過程中，需要不斷
計算并調用不同溫度時材料的熱物性參數，該算法的兩個關鍵數據已經得到，即，各個時 刻通過低溫試樣14下表面與高溫試樣15上表面接觸部分的熱流密度gw和接觸表面之間的
溫度差A7;，用/z^代表界面在M時刻的接觸換熱系數，根據計算公式-
<formula>formula see original document page 16</formula>
得到兩試樣接觸面處不同時刻的接觸換熱系數，以及接觸換熱系數隨時間、溫度的變化關 系，保存結果，便于進一歩分析總結，退出采集系統.
權利要求
1、基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置，其特征在于，由上支撐板(1)、杠桿加載裝置(2)、直線軸承(3)、壓力變向節(4)、定滑輪機構(5)、低溫試樣連接桿(6)、低溫加熱爐(7)、高溫加熱爐(8)、滑輪帶定位銷(9)、傳動軸套筒(10)、定心圓球(11)、卡環(12)、控溫熱電偶(13)、測溫熱電偶(16)、高溫試樣支撐桿(17)、下支撐板(18)、螺紋軸套(19)、螺紋傳動軸(20)、低溫程控表(21)、高溫程控表(22)、前置多路選通放大器(23)、DB-37電纜線(24)、A/D轉換板(25)、工控機(26)、滑桿(27)、加熱爐托(28)和定位塊(29)組成，壓力變向節(4)的支點和杠桿加載裝置(2)中砝碼重力方向的力臂比為15，低溫試樣(14)和高溫試樣(15)直徑為φ10mm～φ25mm，高度為40mm～100mm，低溫試樣(14)和高溫試樣(15)為可選擇的金屬固體材料，將八根測溫熱電偶(16)分別置于低溫試樣(14)的四個孔和高溫試樣(15)的四個孔中，孔深度為試樣直徑的一半，測溫熱電偶(16)的直徑為φ1.0±0.003mm，每個試樣上的孔間距為9.5mm～10.5mm，靠近接觸面的孔與接觸面的距離為2.9mm～3.1mm，孔直徑為φ1.0mm～1.2mm，高溫試樣(15)置于高溫支撐桿(17)端面的凹槽內，帶凸塊的高溫試樣支撐桿(17)置于螺紋傳動軸(20)端面的凹槽內，側面凸塊與傳動軸套筒(10)內側的凹槽對齊，杠桿加載裝置(2)與壓力變向節(4)、定心圓球(11)、低溫試樣連接桿(6)、低溫試樣(14)依次連接，低溫試樣(14)置于低溫試樣連接桿(6)端面的凹槽內，定心圓球(11)位于其另一端面與壓力變向節(4)端面的球面凹槽處，外側由直線軸承(3)約束，低溫加熱爐(7)和高溫加熱爐(8)上電阻絲的接線柱分別與低溫程控表(21)和高溫程控表(22)負載輸出端相連，試樣加熱時置于爐膛中心處，低溫加熱爐(7)可以在一定距離內沿直線運動，將八根測溫熱電偶(16)補償導線的正負極分別與前置多路選通放大器(23)的相應輸入通道連接，通過DB-37電纜線(24)把前置多路選通放大器(23)與工控機(26)內插的A/D轉換板(25)各自的37針腳接口相連，控溫熱電偶(13)插入加熱爐內部，其補償導線正負極分別與程控表輸入端正負極相連，再將每個程控表的輸出端并聯后通過RS232轉換器接到工控機(26)的串口上，測溫熱電偶(16)、帶溫度補償電路的前置多路選通放大器(23)與A/D轉換板(25)依次連接；螺紋傳動軸(20)、高溫試樣支撐桿(17)、高溫加熱爐(8)、高溫試樣(15)、低溫加熱爐(7)、低溫試樣(14)、低溫試樣連接桿(6)、定心圓球(11)和壓力變向節(4)的軸線位于同一條中心線上。
2、 根據權利要求1所述的基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置，其特征在于， 采用立式結構，其中，試樣接觸前低溫試樣(14)保持自由垂直懸掛狀態，并且，低溫試樣(14)由低溫試樣連接桿(6)下端面凹槽外側徑向均勻分布的三個螺桿固定，低溫試樣 連接桿(6)上端部直徑較大部分由卡環(12)卡住。
3、 根據權利要求1所述的基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置，其特征在于， 采用臥式結構，其中，低溫試樣(14)與低溫試樣連接桿(6)、高溫試樣(15)與高溫試 樣支撐桿(17)之間通過螺紋連接固定。
4、 根據權利要求1所述的基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置，其特征在于， 采用螺紋傳動軸(20)實現高溫試樣(15)無旋轉向上運動，高溫試樣支撐桿(17)的外 側面凸塊與傳動軸套筒(10)內側的軸向凹槽互相配合。
5、 根據權利要求1所述的基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置，其特征在于， 立式結構中采用定滑輪機構(5)實現低溫加熱爐(7)的直線運動，滑輪軸部分位于上支 撐板(1)的下表面，滑輪帶一端固定在加熱爐托盤上，另一端通過與滑輪帶寬厚相同的長 方孔，端頭部分的卡頭尺寸大于長方孔尺寸。
6、 根據權利要求1所述的基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置，其特扯在于， 臥式結構中采用滑桿(27)與加熱爐托(28)相配合的方式實現低溫加熱爐(7)水平方向 的運動，兩根滑桿(27)保持一定距離平行放置，并穿過加熱爐托(28)上的兩個等直徑 的通孔，加熱爐托(28)上端面開與加熱爐直徑相同的柱面凹槽，放置加熱爐。
7、 根據權利要求1所述的基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置，其特征在于， 試樣初始溫度不同，低溫試樣(14)與高溫試樣(15)的接觸過程是動態的，試樣接觸后， 螺紋傳動軸(20)繼續旋轉，高溫試樣(15)將低溫試樣(14) 一側頂起，預加載壓力由 杠桿加載裝置(2)的定位塊轉移到試樣接觸表面。
8、 使用權利要求1所述的基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量裝置進行基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數的測量方法，其特征在于，預先分別將低溫試樣(14)、高溫試樣(15)置于低溫試樣連接桿(6)和高溫試樣支撐桿(17)的端面凹槽內，試樣依靠凹槽側面螺桿或內側螺紋結構固定，測溫熱電偶(16)插入試樣側面的測溫孔內，彎折后用石棉布與試樣纏在一起，減少試樣外側面的熱對流和熱輻射，加熱時使試樣置于加熱爐的中心部位，調整杠桿加載裝置2的砝碼盤上砝碼重量使其產生的壓力滿足實驗條件，試樣為所有可選的金屬固體材料，試樣安裝就緒后，進入工控機(26)中的溫度采集系統，該系統包括采集板卡設置、控溫曲線設置、數據采集顯示、數據計算四個部分，首先進入采集板卡設置部分，根據硬件板卡上的開關和跳線設置調整A/D轉換板(25)和前置多路選通放大器(23)的物理參數，然后進入控溫曲線設置部分，對低溫加熱爐(7)和高溫加熱爐(8)的內部溫度進行控制，即實現爐內的溫度升高到預定的值，并保持一段時間，加熱爐 溫度范圍為20 12(XTC，從室溫升高到500°C，升溫時間為30分鐘，50(TC下保溫30分鐘， 使爐膛內溫度分布均勻，該操作通過制定兩段溫度-時間程序，經工控機(26)的串口寫入 到低溫程控表(21)和高溫程控表(22)中，程控表利用控溫熱電偶(13)實現與加熱爐 的信息反饋，使加熱爐溫度的升高完全按照預先制定的控溫曲線進行，單擊丌始加熱按鈕， 丌始對加熱爐升溫，到達設定保溫時間后，爐膛內試樣溫度也達到預定值，然后操縱定滑 輪機構(5)使低溫加熱爐(7)升起，當裝置為臥式結構時，推動加熱爐托(28)沿滑桿 (27)帶動低溫加熱爐(7)滑動，露出低溫試樣(14)，隨即旋轉螺紋傳動軸(20)將高 溫試樣(15)向上推出高溫加熱爐(8)，與低溫試樣(14)的表面接觸后繼續運動，將杠 桿加載裝置(2)頂起，砝碼壓力將逐漸由杠桿加載裝置(2)的定位塊轉移到試樣接觸表 面，這個過程需在極短時間內完成，杠桿加載裝置(2)的砝碼是預先加載的，初始壓力由 該部分的定位塊承受，此時壓力變向節(4)處壓力為零；熱流在兩試樣間實現迅速交換，改變了兩試樣內部的溫度場分布，在兩試樣接觸的同 時，啟動丌始采集按鈕，利用八根測溫熱電偶(16)對試樣軸線方向各點的溫度進行采集， 并以溫度-時間曲線的形式直觀顯示，采集過程也需要在極短時間內完成，采集過程中，程 序自動將采集到的模擬電壓信號根據熱電偶分度表轉換成溫度值顯示出來，并將采集的原 始數據保存起來，包括電壓值和溫度值，形成原始數據庫，再利用軟件的數字濾波功能， 對溫度數據進行處理，去掉采集過程中外界噪聲的干擾，得到測溫熱點偶(16)采集到",時刻對應的八個溫度值，分別為i^， &M， &M， i;,m， &m， 7卬，^m， &M，低溫試樣 (14)自上而下的四個溫度點為i;,m， &M， &M， &M，高溫試樣(is)自上而下的四個 溫度點為;^m， y6,w， &M， y8M，將濾波后的一組溫度一時間數據保存，形成處理結果數據庫，此時，顯示曲線將變得更加平滑，在計算部分預先輸入試樣材料的熱物性參數，當 兩根等截面的圓柱試樣在一定壓力下互相接觸并傳遞熱量時，如果試樣周圍絕熱，那么可 以認為熱流在試樣中是沿一維軸向傳遞的，因為試樣側面采用的隔熱、防輻射措施，所以可根據一維傳熱計算，計算模塊采用動態反傳熱算法，用fortran語言編寫，供采集系統 調用，溫度場控制方程為瞬態熱傳導偏微分方程，應用隱式有限差分方法，計算試樣內部溫度場分布，得到八個測溫熱電偶(i6)測溫點處在時刻^的計算溫度值，分別為；,，r2M ， r屮'；M， r5M， r^， r7M， r8M，低溫試樣(14)自上而下的四個溫度點為 ^， r2M， r3M， r4M，高溫試樣(15)自上而下的四個溫度點為r^， r6M， r7M， r8 ，同時可得 低溫試樣(14)下表面的溫度為z;，高溫試樣(15)上表面的溫度為7;，界面在M時刻的溫度差A7^:7;-7;，然后根據經驗任意給定一個熱流密度值^，作為反傳熱算法的熱流密度迭代初始值，試樣初始溫度分別為7;,,",,和7;,",,，由于測溫點存在測量誤差，因此引入敏感系數計算及多點測量的方法，所謂的敏感系數是指對試樣內點溫度測量的敏感程度，一 般可定義為溫度關于熱流密度的一階微商，表示為其中，Z(x力是指敏感系數場，r(x,/)是指試樣內部的溫度場，g是指熱流密度，根據溫度場的數值計算可以獲得試樣接觸面的溫度值i;和7;，熱流密度的迭代計算采用如下公式其中，g^是界面在M時刻的熱流密度，j是指溫度采集點的個數，；^是指第;t個測溫點處的敏感系數，&M是指M時刻第yt個測溫點實際測得的溫度值，7; M是指M時刻第yt個 測溫點處由溫度場控制偏微分方程計算得到的溫度值，令5 -仏,-c/'，當該差值5小于某個 設定的小量s時，可以認為得到的《m就是我們所需要的熱流密度值，在計算過程中，需要不斷計算并調用不同溫度時材料的熱物性參數，該算法的兩個關鍵數據已經得到，即，各 個時刻通過低溫試樣(14)下表面與高溫試樣(15)上表面接觸部分的熱流密度《m和接觸表面之間的溫度差A7^，用、m代表界面在M時刻的接觸換熱系數，根據計算公式得到兩試樣接觸面處不同時刻的接觸換熱系數，以及接觸換熱系數隨時間、溫度的變化關 系，保存結果，便于進一步分析總結，退出溫度采集系統。
全文摘要
一種基于瞬態法的固體界面接觸換熱系數測量方法和裝置。本發明將杠桿加載裝置2與壓力變向節4、定心圓球11、低溫試樣連接桿6，低溫試樣14自上而下依次連接，由定位塊預先承受壓力，螺紋傳動軸20經高溫試樣支撐桿17將高溫試樣15推出加熱爐，接觸并頂起低溫試樣14，使壓力轉移到接觸面。加熱爐控溫熱電偶13與程控表相連，程控表輸出端并聯后經RS232轉換器與工控機26相連，測溫熱電偶16與前置多路選通放大器23、A/D轉換板25依次連接，對測點溫度信號進行實時采集處理，應用反傳熱算法編寫FORTRAN計算模塊。本發明的效果是測量溫度高，采集速度快，測量原理切合實際，適用于固態熱加工研究領域。
文檔編號G01N25/18GK101393150SQ20081022815
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月16日 優先權日2008年10月16日
發明者張興致, 張立文, 裴繼斌, 磊 邢 申請人:大連理工大學