CN107064214A - 一种固定结合面接触热阻的测量装置 - Google Patents

一种固定结合面接触热阻的测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固定结合面接触热阻的测量装置，一种固定结合面接触热阻的测量装置，包括支撑部分、施载部分、导热体、隔热套筒、测量试件和温度检测部分；所述测量试件放置在隔热套筒内，测量试件包括下热阻试件和上热阻试件；下热阻试件放置在导热体上，上热阻试件放置在下热阻试件上；所述施载部分包括设置在导热体下方的为下热阻试件施加热载荷的发热部件和设置在外支撑杆顶端的为上热阻试件施加力载荷的机械式施力机构；所述温度检测部分包括设置在下热阻试件和上热阻试件上的贴片式温度传感器，温度传感器与信号采集***相连。本发明可以实现材料、力载荷、热源温度、表面粗糙度对结合面接触热阻的独立因素影响分析与综合因素影响分析。

Description

一种固定结合面接触热阻的测量装置
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，特别是一种为了得到机床固定结合面接触热阻而设计的固定结合面接触热阻的测量装置。
背景技术
在机械结构设计等领域中，接触热阻是很重要参数之一，其取值是否精确直接关系到机械结构的内部传热。机床中有大量的固定结合面，所以研究固定结合面的接触热阻，准确得对机床***进行热特性分析从而保证机床加工精度具有实际意义。
研究分析表明，接触热阻是一个受材料热物性、材料机械特性、材料表面性质、表面粗糙度及负载、温度、介质和环境等众多因素影响的非线性问题。这一问题的研究涉及到粗糙表面的微观描述、材料的形变理论、接触导热等多个领域。接触热阻可以通过理论预测，但受多因素耦合影响且其传热机理比较复杂，现有的理论模型及公式与实际工程的应用还存在很大的差距。迄今为止，国外关于热阻的研究比较多也取得了一些成果，但是因为应用材料和加工技术的差异研究成果在国内不适用。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种固定结合面接触热阻的测量装置。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种固定结合面接触热阻的测量装置，包括支撑部分、施载部分、导热体、隔热套筒、测量试件和温度检测部分；
所述支撑部分包括基座、以及竖直设置在基座上的外支撑杆和内支撑杆，基座的顶板中心设置有通孔，所述导热体通过安装法兰固定安装在顶板的通孔中；在内支撑杆上设置有上法兰盘和下法兰盘，所述隔热套筒放置在上法兰盘和下法兰盘之间；
所述测量试件放置在隔热套筒内，测量试件包括下热阻试件和上热阻试件；下热阻试件和上热阻试件为直径相等的柱体，下热阻试件放置在导热体上，上热阻试件放置在下热阻试件上；
所述施载部分包括设置在导热体下方的为下热阻试件施加热载荷的发热部件和设置在外支撑杆顶端的为上热阻试件施加力载荷的机械式施力机构，其中：发热部件与导热体接触，通过导热体向下热阻试件传导热载荷；机械式施力机构包括顶杆、杆套、传感器支座、液压施力装置，顶杆套设在杆套内，杆套固定在力传感器支座上，力传感器支座与液压施力装置的动作杆相连，液压施力装置固定安装在外支撑杆顶端，在力传感器支座内安装有环状测力传感器；液压施力装置的动作杆带动力传感器支座下移，力传感器支座通过环状测力传感器驱动顶杆向上热阻试件施加压力，通过环状测力传感器检测顶杆对上热阻试件施加压力的大小；
所述温度检测部分包括设置在下热阻试件和上热阻试件上的贴片式温度传感器，温度传感器与信号采集***相连。
进一步地，基座由左右侧底板、左右侧支撑板、前后补强板和顶板组成，顶板通过螺栓水平安装在支撑板顶端，底板连接在支撑板底端。
进一步地，所述导热体为紫铜材质的圆柱体。
进一步地，发热部件选用电阻炉。
进一步地，液压施力装置为液压丝杠。
进一步地，所述隔热套筒包括外隔热套筒和内隔热套筒。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的接触热阻测量装置可以实现材料、力载荷、热源温度、表面粗糙度对结合面接触热阻的独立因素影响分析与综合因素影响分析。通过其他条件选择一定，改变一种变量，进行实验，采集数据，处理数据，计算接触热阻数值，通过分析与比较，把握接触热阻受变量因素影响的规律。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图--主视图；
图2为本发明装置的立体图；
图3为本发明装置的机械式施力机构的放大图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参见附图，一种固定结合面接触热阻的测量装置，包括支撑部分、施载部分、导热体、隔热套筒、测量试件和温度检测部分；
所述支撑部分包括基座1、以及竖直设置在基座1上的外支撑杆2和内支撑杆3，基座由左右侧底板1-1、左右侧支撑板1-2、前后补强板1-3和顶板1-4组成，顶板1-4通过螺栓水平安装在支撑板1-2顶端，底板1-1连接在支撑板1-2底端；外支撑杆2包括四个M12*750螺纹杆，四个M12*750螺纹杆竖直固定在基座的顶板1-4上；内支撑杆3包括四个M6*600螺纹杆，四个M6*600螺纹杆竖直固定在基座的顶板1-4上；
基座的顶板1-4中心设置有通孔，所述导热体4通过安装法兰5固定安装在顶板1-4的通孔中(即安装法兰外侧通过螺栓与顶板固定，导热体固定在安装法兰内侧)；
在内支撑杆上设置有上法兰盘6-1和下法兰盘6-2，所述隔热套筒7放置在上法兰盘6-1和下法兰盘6-2之间；
所述测量试件放置在隔热套筒7内，测量试件包括下热阻试件8-1和上热阻试件8-2；下热阻试件8-1和上热阻试件8-2均为圆柱体，且直径相等；下热阻试件8-1放置在导热体4上，上热阻试件8-2放置在下热阻试件8-1上；
所述施载部分包括设置在导热体下方的为下热阻试件8-1施加热载荷的发热部件9和设置在外支撑杆顶端的为上热阻试件8-2施加力载荷的机械式施力机构10，其中：发热部件9选用电阻炉，电阻炉设置在基座内，电阻炉与导热体4接触，通过导热体向下热阻试件8-1传导热载荷，工作时，电阻炉可设定不同温度，为下热阻试件8-1加载不同温度的热载荷；机械式施力机构10包括顶杆10-1、杆套10-2、传感器支座10-3、液压施力装置10-4，顶杆10-4滑动套设在杆套10-2内，杆套10-2利用两个螺钉a固定在力传感器支座10-3上，力传感器支座10-3与液压施力装置10-4的动作杆相连，液压施力装置10-4通过安装法兰11固定在安装板12上，安装板12水平固定在外支撑杆2顶端，在力传感器支座10-3内安装有环状测力传感器10-5，环状测力传感器10-5上接力传感器支座10-3下接顶杆10-4；机械式施力机构10加载力的原理为：液压施力装置10-4的动作杆带动力传感器支座10-3下移，力传感器支座10-3通过环状测力传感器10-5驱动顶杆10-4向上热阻试件8-2施加力，通过环状测力传感器10-5检测顶杆10-4对上热阻试件8-2施加力的大小；
所述温度检测部分包括设置在下热阻试件8-1和上热阻试件8-2上的贴片式温度传感器，温度传感器与信号采集***相连，信号采集***与PC机相连。
在本实施例中，所述导热体4为紫铜材质的圆柱体。
在本实施例中，所述测量试件是指：由HT300、QT500、GCr15、45等材料制成得长250mm，直径78mm的圆柱体。
在本实施例中，所属液压施力装置为液压丝杠或者液压缸。
在本实施例中，所述隔热套筒7包括内隔热套筒7-1和外隔热套筒7-2，上法兰盘6-1和下法兰盘6-2的相对面设置有一圈凸台c(即上法兰盘的下面和下法兰盘的上面设置有相对的凸台c)，外隔热套筒7-2安装在凸台的外侧，内隔热套筒7-1安装在凸台的内侧。
本发明的工作原理：
设定一定的实验条件：确定的热源温度值(通过发热部件设定)，确定的压力载荷(通过机械式施力机构设定)、确定的热阻试件材料(根据要求提前预制)、确定的热阻试件结合面的表面粗糙度(根据要求提前预制)，通过设定这些参数来模拟机床结合面的工作环境；开始实验，发热部件发热，热量通过紫铜导热体4向上传递到下热阻试件8-1，然后热量从下热阻试件8-1传到上热阻试件8-2，信号采集***通过与其相连的布置在下热阻试件8-1和上热阻试件8-2上的贴片式温度传感器实时采集两个试件的温度信号，采集的模拟温度信号经信号采集***数模转换后传送至PC机，PC机分别记录下下热阻试件8-1和上热阻试件8-2的温度随时间变化数据(PC机可采用LABVIEW软件实时显示下热阻试件8-1和上热阻试件8-2的温度随时间变化的曲线)；最后，根据这些数据进行接触热阻RC的计算。
接触热阻RC的计算方法为：利用公式计算出结合面界面换热系数，界面换热系数的倒数即是接触热阻RC。
其中，Q为下热阻试件8-1的热流量Q1和上热阻试件8-2的热流量Q2的平均值，即下热阻试件8-1的热流量Q1＝λ1·A·k1，上热阻试件8-2的热流量Q2＝λ2·A·k2，其中λ1、λ2分别为下热阻试件和上热阻试件的热导率，k1、k2分别是下热阻试件和上热阻试件的温度变化速率(根据测得的下热阻试件8-1和上热阻试件8-2的温度随时间变化数据，分别绘制下热阻试件8-1和上热阻试件8-2的T-X图(T为温度，X为时间)，忽略辐射和对流换热的影响，各点温度在T-X图上近似是一条直线，根据曲线拟合最小二乘法，可分别求出下热阻试件8-1和上热阻试件8-2的T-X图的直线的斜率k1、k2，斜率k1、k2即为温度变化速率)；A为下热阻试件或上热阻试件的横截面面积，A＝πr2，r为下热阻试件或者上热阻试件的半径(下热阻试件或上热阻试件的直径相等，横截面面积相等)；
An是下热阻试件和上热阻试件结合面的实际接触面积，利用红丹粉研磨法求出An；
ΔTc是下热阻试件和上热阻试件；接触界面的温差，根据测得的下热阻试件8-1和上热阻试件8-2的温度随时间变化数据，利用外延法根据直线函数计算试件接触界面的温差ΔTc。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种固定结合面接触热阻的测量装置，其特征在于：包括支撑部分、施载部分、导热体、隔热套筒、测量试件和温度检测部分；
所述支撑部分包括基座、以及竖直设置在基座上的外支撑杆和内支撑杆，基座的顶板中心设置有通孔，所述导热体通过安装法兰固定安装在顶板的通孔中；在内支撑杆上设置有上法兰盘和下法兰盘，所述隔热套筒放置在上法兰盘和下法兰盘之间；
所述测量试件放置在隔热套筒内，测量试件包括下热阻试件和上热阻试件；下热阻试件和上热阻试件为直径相等的柱体，下热阻试件放置在导热体上，上热阻试件放置在下热阻试件上；
所述施载部分包括设置在导热体下方的为下热阻试件施加热载荷的发热部件和设置在外支撑杆顶端的为上热阻试件施加力载荷的机械式施力机构，其中：发热部件与导热体接触，通过导热体向下热阻试件传导热载荷；机械式施力机构包括顶杆、杆套、传感器支座、液压施力装置，顶杆套设在杆套内，杆套固定在力传感器支座上，力传感器支座与液压施力装置的动作杆相连，液压施力装置置固定安装在外支撑杆顶端，在力传感器支座内安装有环状测力传感器；液压施力装置的动作杆带动力传感器支座下移，力传感器支座通过环状测力传感器驱动顶杆向上热阻试件施加压力，通过环状测力传感器检测顶杆对上热阻试件施加压力的大小；
所述温度检测部分包括设置在下热阻试件和上热阻试件上的贴片式温度传感器，温度传感器与信号采集***相连。
2.根据权利要求1所述的一种固定结合面接触热阻的测量装置，其特征在于：基座由左右侧底板、左右侧支撑板、前后补强板和顶板组成，顶板通过螺栓水平安装在支撑板顶端，底板连接在支撑板底端。
3.根据权利要求1所述的一种固定结合面接触热阻的测量装置，其特征在于：所述导热体为紫铜材质的圆柱体。
4.根据权利要求1所述的一种固定结合面接触热阻的测量装置，其特征在于：发热部件为电阻炉。
5.根据权利要求1所述的一种固定结合面接触热阻的测量装置，其特征在于：液压施力装置为液压丝杠。
6.根据权利要求1所述的一种固定结合面接触热阻的测量装置，其特征在于：所述隔热套筒包括外隔热套筒和内隔热套筒。
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