一種固定結合面接觸熱阻的測量方法與流程
本發明涉及數控機床技術領域，特別是一種為了得到機床固定結合面接觸熱阻而設計的固定結合面接觸熱阻的測量方法。
背景技術：
在機械結構設計等領域中，接觸熱阻是很重要參數之一，其取值是否精確直接關系到機械結構的內部傳熱。機床中有大量的固定結合面，所以研究固定結合面的接觸熱阻，準確得對機床系統進行熱特性分析從而保證機床加工精度具有實際意義。
研究分析表明，接觸熱阻是一個受材料熱物性、材料機械特性、材料表面性質、表面粗糙度及負載、溫度、介質和環境等眾多因素影響的非線性問題。這一問題的研究涉及到粗糙表面的微觀描述、材料的形變理論、接觸導熱等多個領域。接觸熱阻可以通過理論預測，但受多因素耦合影響且其傳熱機理比較復雜，現有的理論模型及公式與實際工程的應用還存在很大的差距。迄今為止，國外關于熱阻的研究比較多也取得了一些成果，但是因為應用材料和加工技術的差異研究成果在國內不適用。
技術實現要素：
本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種固定結合面接觸熱阻的測量方法。
本發明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：
一種固定結合面接觸熱阻的測量方法，該方法是基于一種固定結合面接觸熱阻的測量裝置實現的，
所述固定結合面接觸熱阻的測量裝置，包括支撐部分、施載部分、導熱體、隔熱套筒、測量試件和溫度檢測部分；
所述支撐部分包括基座、以及豎直設置在基座上的外支撐桿和內支撐桿，基座的頂板中心設置有通孔，所述導熱體通過安裝法蘭固定安裝在頂板的通孔中；在內支撐桿上設置有上法蘭盤和下法蘭盤，所述隔熱套筒放置在上法蘭盤和下法蘭盤之間；
所述測量試件放置在隔熱套筒內，測量試件包括下熱阻試件和上熱阻試件；下熱阻試件和上熱阻試件為直徑相等的柱體，下熱阻試件放置在導熱體上，上熱阻試件放置在下熱阻試件上；
所述施載部分包括設置在導熱體下方的為下熱阻試件施加熱載荷的發熱部件和設置在外支撐桿頂端的為上熱阻試件施加力載荷的機械式施力機構，其中：發熱部件與導熱體接觸，通過導熱體向下熱阻試件傳導熱載荷；機械式施力機構包括頂桿、桿套、傳感器支座、液壓施力裝置，頂桿套設在桿套內，桿套固定在力傳感器支座上，力傳感器支座與液壓施力裝置的動作桿相連，液壓施力裝置固定安裝在外支撐桿頂端，在力傳感器支座內安裝有環狀測力傳感器；液壓施力裝置的動作桿帶動力傳感器支座下移，力傳感器支座通過環狀測力傳感器驅動頂桿向上熱阻試件施加壓力，通過環狀測力傳感器檢測頂桿對上熱阻試件施加壓力的大小；
所述溫度檢測部分包括設置在下熱阻試件和上熱阻試件上的貼片式溫度傳感器，溫度傳感器與信號采集系統相連，信號采集系統與pc機連接；
所述固定結合面接觸熱阻的測量方法，包括以下步驟：
步驟一：首先，確定上熱阻試件和下熱阻試件的材料、確定上熱阻試件和下熱阻試件結合面的表面粗糙度，通過機械式施力機構設定對上熱阻試件的壓力載荷；
步驟二：開啟發熱部件對下熱阻試件施加指定溫度的熱載荷，信號采集系統通過與其相連的布置在下熱阻試件和上熱阻試件上的溫度傳感器實時采集兩個試件的溫度信號，采集的模擬溫度信號經信號采集系統模數轉換后傳送至pc機，pc機分別記錄下下熱阻試件的溫度隨時間變化數據以及上熱阻試件的溫度隨時間變化數據；
步驟三：待系統熱平衡后，停止采集，最后，根據這些數據進行接觸熱阻rc的計算。
接觸熱阻rc的計算方法為：利用公式
其中，q為下熱阻試件的熱流量q1和上熱阻試件的熱流量q2的平均值，即
an是下熱阻試件和上熱阻試件結合面的實際接觸面積，利用紅丹粉研磨法求出an；
δtc是下熱阻試件和上熱阻試件接觸界面的溫差，根據測得的下熱阻試件和上熱阻試件的溫度隨時間變化數據，利用外延法根據直線函數計算試件接觸界面的溫差δtc。
進一步的，通過改變下熱阻試件和上熱阻試件的材料、改變上熱阻試件和下熱阻試件結合面的表面粗糙度、改變對下熱阻試件的熱載荷、改變對上熱阻試件的壓力載荷，分別進行接觸熱阻的計算，從而得出下熱阻試件和上熱阻試件的材料(種類)、上熱阻試件和下熱阻試件結合面的表面粗糙度、對下熱阻試件的熱載荷、對上熱阻試件的壓力載荷與接觸熱阻之間的關系。
本發明具有的優點和積極效果是：
本發明的接觸熱阻測量方法可以實現材料、力載荷、熱源溫度、表面粗糙度對結合面接觸熱阻的獨立因素影響分析與綜合因素影響分析。通過其他條件選擇一定，改變一種變量，進行實驗，采集數據，處理數據，計算接觸熱阻數值，通過分析與比較，把握接觸熱阻受變量因素影響的規律。
附圖說明
圖1為本發明的固定結合面接觸熱阻的測量裝置的結構示意圖；
圖2為本發明的固定結合面接觸熱阻的測量裝置的立體圖；
圖3為本發明的固定結合面接觸熱阻的測量裝置中的機械式施力機構的放大圖。
具體實施方式
為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：
參見附圖，一種固定結合面接觸熱阻的測量裝置，包括支撐部分、施載部分、導熱體、隔熱套筒、測量試件和溫度檢測部分；
所述支撐部分包括基座1、以及豎直設置在基座1上的外支撐桿2和內支撐桿3，基座由左右側底板1-1、左右側支撐板1-2、前后補強板1-3和頂板1-4組成，頂板1-4通過螺栓水平安裝在支撐板1-2頂端，底板1-1連接在支撐板1-2底端；外支撐桿2包括四個m12*750螺紋桿，四個m12*750螺紋桿豎直固定在基座的頂板1-4上；內支撐桿3包括四個m6*600螺紋桿，四個m6*600螺紋桿豎直固定在基座的頂板1-4上；
基座的頂板1-4中心設置有通孔，所述導熱體4通過安裝法蘭5固定安裝在頂板1-4的通孔中(即安裝法蘭外側通過螺栓與頂板固定，導熱體固定在安裝法蘭內側)；
在內支撐桿上設置有上法蘭盤6-1和下法蘭盤6-2，所述隔熱套筒7放置在上法蘭盤6-1和下法蘭盤6-2之間；
所述測量試件放置在隔熱套筒7內，測量試件包括下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2；下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2均為圓柱體，且直徑相等；下熱阻試件8-1放置在導熱體4上，上熱阻試件8-2放置在下熱阻試件8-1上；
所述施載部分包括設置在導熱體下方的為下熱阻試件8-1施加熱載荷的發熱部件9和設置在外支撐桿頂端的為上熱阻試件8-2施加力載荷的機械式施力機構10，其中：發熱部件9選用電阻爐，電阻爐設置在基座內，電阻爐與導熱體4接觸，通過導熱體向下熱阻試件8-1傳導熱載荷，工作時，電阻爐可設定不同溫度，為下熱阻試件8-1加載不同溫度的熱載荷；機械式施力機構10包括頂桿10-1、桿套10-2、傳感器支座10-3、液壓施力裝置10-4，頂桿10-4滑動套設在桿套10-2內，桿套10-2利用兩個螺釘a固定在力傳感器支座10-3上，力傳感器支座10-3與液壓施力裝置10-4的動作桿相連，液壓施力裝置10-4通過安裝法蘭11固定在安裝板12上，安裝板12水平固定在外支撐桿2頂端，在力傳感器支座10-3內安裝有環狀測力傳感器10-5，環狀測力傳感器10-5上接力傳感器支座10-3下接頂桿10-4；機械式施力機構10加載力的原理為：液壓施力裝置10-4的動作桿帶動力傳感器支座10-3下移，力傳感器支座10-3通過環狀測力傳感器10-5驅動頂桿10-4向上熱阻試件8-2施加力，通過環狀測力傳感器10-5檢測頂桿10-4對上熱阻試件8-2施加力的大小；
所述溫度檢測部分包括設置在下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2上的貼片式溫度傳感器，溫度傳感器與信號采集系統相連，信號采集系統與pc機相連。
在本實施例中，所述導熱體4為紫銅材質的圓柱體。
在本實施例中，所述測量試件是指：由ht300、qt500、gcr15、45等材料制成得長250mm，直徑78mm的圓柱體。
在本實施例中，所屬液壓施力裝置為液壓絲杠或者液壓缸。
在本實施例中，所述隔熱套筒7包括內隔熱套筒7-1和外隔熱套筒7-2，上法蘭盤6-1和下法蘭盤6-2的相對面設置有一圈凸臺c(即上法蘭盤的下面和下法蘭盤的上面設置有相對的凸臺c)，外隔熱套筒7-2安裝在凸臺的外側，內隔熱套筒7-1安裝在凸臺的內側。
所述固定結合面接觸熱阻的測量裝置的工作原理如下：
設定一定的實驗條件：確定的熱源溫度值(通過發熱部件設定)，確定的壓力載荷(通過機械式施力機構設定)、確定的熱阻試件材料(根據要求提前預制)、確定的熱阻試件結合面的表面粗糙度(根據要求提前預制)，通過設定這些參數來模擬機床結合面的工作環境；開始實驗，發熱部件發熱，熱量通過紫銅導熱體4向上傳遞到下熱阻試件8-1，然后熱量從下熱阻試件8-1傳到上熱阻試件8-2，信號采集系統通過與其相連的布置在下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2上的貼片式溫度傳感器實時采集兩個試件的溫度信號，采集的模擬溫度信號經信號采集系統模數轉換后傳送至pc機，pc機分別記錄下下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的溫度隨時間變化數據(pc機可采用labview軟件實時顯示下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的溫度隨時間變化的曲線)；最后，根據這些數據進行接觸熱阻rc的計算。
接觸熱阻rc的計算方法為：利用公式
其中，q為下熱阻試件8-1的熱流量q1和上熱阻試件8-2的熱流量q2的平均值，即
an是下熱阻試件和上熱阻試件結合面的實際接觸面積，利用紅丹粉研磨法求出an；
δtc是下熱阻試件和上熱阻試件；接觸界面的溫差，根據測得的下熱阻試件8-1和上熱阻試件8-2的溫度隨時間變化數據，利用外延法根據直線函數計算試件接觸界面的溫差δtc。
通過改變下熱阻試件和上熱阻試件的材料、改變上熱阻試件和下熱阻試件結合面的表面粗糙度、改變對下熱阻試件的熱載荷、改變對上熱阻試件的壓力載荷，分別進行接觸熱阻的計算，即，將下熱阻試件和上熱阻試件的材料、上熱阻試件和下熱阻試件結合面的表面粗糙度、對下熱阻試件的熱載荷、對上熱阻試件的壓力載荷作為變量，通過其他條件選擇一定，改變一種變量，分別進行實驗，計算出接觸熱阻數值，從而得出這些變量與接觸熱阻之間的關系。
盡管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
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