干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统及盘盘模块的制作方法

本发明涉及一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试系统，属于光学测量领域。

背景技术：

滑动摩擦，即为一个物体在另一个物体表面滑动时，接触界面产生的阻碍相对运动的现象。干式滑动摩擦出现在生产和生活中的各个角落，例如滑梯、铁轨、干式离合器和制动器。我们需要了解摩擦副界面的瞬态温度场，以分析接触表面的摩擦性能、物化特性和机械形变等等，从而更好地改善摩擦元件的性能，提高使用寿命。目前针对物件的表面瞬态温度测试设备主要分为接触式和非接触式两种测量方案，例如光纤传感器和热电偶等是接触式温度测量设备，红外热成像和红外测温探头等属于非接触式温度测量设备。

现有的干式滑动摩擦副界面瞬态温度测量方案主要应用于产品研发和基础科研领域。例如，吴金贵(专利申请号201710164291.1)提出了一种基于fpga的瞬态温度测量系统，但针对滑动摩擦领域，未充分考虑测温系统的安装空间等问题；在高速飞行器领域，吴大方(专利申请号200610113792.9)等人提出了一种碳纤维复合材料高速飞行器整流罩表面瞬态温度测量设备，该设备采用热电偶接触式测温的方案，信号响应速度存疑且设备应用场合过于单一；在干式离合器的应用中，张志刚(专利申请号201210416067.4)提出了应用红外测温技术在离合器摩擦片一侧进行打孔测温的方案，但整个系统兼容性不好，仅应用于离合器领域，且需要动用离合器实物进行安装，成本较高；与上述类似的还有王立勇(专利申请号201510411770.x)等人提出的一种湿式离合器摩擦副温度测量系统和测量方法，同样存在类似的问题。由此可见，在干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试方面，虽然可选技术方案较多，但均存在上述或大或小的不足之处。

目前针对物件的表面瞬态温度测试设备主要分为接触式和非接触式两种测量方案，例如光纤传感器和热电偶等是接触式温度测量设备，红外热成像和红外测温探头等属于非接触式温度测量设备。首先，接触式测温方案需要将传感器埋入任意一侧的摩擦元件中，即温度测量值并非真实接触界面温度，因而误差较大，并且接触式测温方案普遍动态响应速度较慢；非接触式测温方案虽然相应速度较快，但大多受限于空间和摩擦元件的光学特性，不能很好地测到面面接触式摩擦副界面瞬态温度，因而也具有较大误差；对于广泛应用于各个领域的干式摩擦元件，目前的界面瞬态温度模拟和测试设备很难再现出实际摩擦中的摩擦材料、环境温度、相对转速等工况；另外，应用于单个领域的干式摩擦副瞬态温度测量设备需要嵌入式安装，对于重型机械来说成本较高，系统复杂且兼容性不好。

技术实现要素：

针对现有技术中表面瞬态温度测试设备的不足，本发明公开的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试系统要解决的技术问题为：提供能够应用于多领域的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统，能够高精度模拟出生产和生活中出现的各种干式滑动摩擦副界面瞬态温度值。本发明具有如下优点：采用打孔式的非接触式测温方案，能够很大限度地减少误差；在模拟过程中能够再现出实际工况，使模拟的温度值更具可信度；便于更换摩擦样件，适用于各领域和各种摩擦材料；结构简便，仅需加工小型样件，能够很大限度地节约成本。

本发明还公开的用于干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试系统的盘盘模块要解决的技术问题为：提供一种能够实现干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟和测试的盘对盘滑摩结构模块。具有的优势：内埋红外测温探头，采用非接触式的测温结构设计，温度响应时间快，误差小；结构简单，仅需加工小型式样，且便于更换摩擦样件；温度模拟范围大，可以实现-30℃-500℃的工况模拟。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试系统，主要由工况模拟模块和红外测试模块构成。工况模拟模块包括控制器、电机、压缩机、加热器、执行机构和盘盘模块；红外测试模块包括红外测温探头、信号调理箱、采集卡和上位机。

工况模拟模块工作方法为，上位机发送指令给控制器，控制器根据不同指令发出控制信号给电机、压缩机或加热器。执行机构用于给盘盘模块提供0-5000r/min的相对转速差以及0-8000n的接触压力；压缩机和加热器用于为盘盘模块提供-30℃-500℃的环境温度，从而实现模拟干式滑动摩擦副界面摩擦工况。

红外测试模块工作方法为，盘盘模块中布置的两路红外测温探头将温度信号传入信号调理箱，经过滤波、信号放大和a/d转换信号调理环节后传输到采集卡，并通过上位机进行显示和控制。其中，红外测温探头的量程为-50℃-600℃，精度优于0.3％，响应速度≤5ms。

本发明公开的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试系统的工作方法为：

步骤一：进行上位机的参数设定，包括待模拟对象的相对线速度、环境温度、接触压力、接触角度和滑摩时间。

步骤二：经过上位机计算得出滑摩功完全转换的热流密度，判断是否会对摩擦材料具有过强的破坏作用，即验证参数设定的合理性，如果不合理则重复参数设定环节。

步骤二中过强的破坏作用指破坏参数超过预设阈值，所述阈值优选上位机软件配备数据库中的材料安全阈值。

步骤三：步骤一所述参数设定完成后，发出滑摩开始指令，控制器发出控制信号，同时测试模块启动，温度数据开始高速采集和实时显示。

步骤四：依次判别盘盘模块的环境温度和相对转速是否到达目标设定值，如果没有到达，等待直至到达目标值后加压接合，从而开始滑摩。

步骤五：判别滑摩时间是否到达设定的目标滑摩时间，等待直至到达目标值后卸压分离，进而停止电机和温度控制。

步骤六：发出数据存储指令后，上位机存储采集数据，并提供数据回放功能。

步骤七：根据步骤一至步骤六所述步骤实现单次干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试。

步骤八：根据实际需要进行相应次数不同工况下的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试，进而实现应用于多领域的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试，能够高精度模拟出生产和生活中出现的各种干式滑动摩擦副界面瞬态温度值。

所述的多领域包括车辆摩擦传动与制动、岩石与金属热物理特性检测、传送带产品研发以及各种摩擦元件的温度场分析。

作为一种改进，上位机软件编写具有简单模块化的编程环境，便于后期开发。界面主要由工况模拟模块、红外测试模块和基本按键构成。工况模拟模块中主要完成相对线速度、环境温度、接触压力、接触角度和滑摩时间等的设定，设定范围依次对应为0-60m/s，-30℃-500℃,0-7500n，0-90°和0-24h，工况安全指示灯提示模拟工况是否合理和安全；红外测试模块主要完成两路红外温度信号的显示，当两路温度信号相差超过预设阈值后则报警，提示传感器故障或滑摩平面存在对中问题；基本按键包括开始滑摩、数据存储、数据回放、紧急停止和退出系统。

作为一种改进，干式滑动摩擦工况模拟模块主要采用盘对盘式摩擦，即盘盘模块。盘盘模块主要由旋转轴、工作台、上试件、下试件、箱盖、柔性卡具、加热丝和冷却液构成。外围设备包括电机、转速执行机构、压力执行机构。连接关系：外围设备中电机通过齿轮连接转速执行机构，转速执行机构连接旋转轴，旋转轴固接工作台，工作台上固定上试件；外围设备中的压力执行机构连接柔性卡具，柔性卡具与上试件固接，上试件内部埋入红外测温探头；上下试件外侧的箱盖与箱体用紧固螺钉连接，箱体固接设备外壳，箱体壁内分布有加热丝和冷却液，电热丝与冷却液用隔层隔开。盘盘模块工作方法为：电机带动旋转轴和工作台旋转，下试件跟随工作台一同旋转；上试件由压力执行机构通施加一定的接触压力，两路红外测温探头通过通孔安装于上试件的中外径部位，实时监测接触界面的瞬时温度；加热丝用于迅速提高环境温度，连接压缩机的冷却液用于降低环境温度，箱盖起到保温作用。

上试件、下试件统称摩擦样件，作为进一步改进，摩擦样件基本结构较为简洁，便于重复加工。上试件由摩擦层、基层和两个红外测温探头组成。摩擦层和下试件分别对应需模拟的摩擦副材料，摩擦层和下试件进行接触摩擦。红外测温探头通过通孔安装于上试件的中外径处，探测点直指摩擦界面但不接触摩擦界面。上试件中部有通孔进行螺钉固定和均布螺纹孔进行柔性装卡，下试件中间部分有通孔进行螺钉固定，两侧有定位孔。

作为进一步改进，所述的旋转轴与工作台、压力执行机构与柔性卡具、转速执行机构与旋转轴之间优选螺纹连接；所述的箱盖、柔性卡具、红外测温探头、工作台和旋转轴为标准件，当单个部件损坏，通过更换继续使用；

所述红外测温探头数目为两个，180°对称分布，任选一路作为信号校对；所述上试件摩擦层厚度能够灵活调整，优选5-8mm；所述红外测温探头埋入深度可以灵活调整，优选探头顶端距离接触界面10-15mm；所述冷却液要求特性稳定，降温速率快，优选r290。

当模拟家用轿车干式离合器正常工况时，上试件摩擦层材料为纸基粉末冶金，下试件材料为65mn钢，工况参数为相对线速度25m/s、环境温度60℃、接触压力200n、接触角度0°和滑摩时间2s。

有益效果：

1、本发明公开的一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统，能够将生产和生活中出现的干式滑动摩擦副界面瞬态温度问题进行模拟，通过更换对应摩擦材料和参数设定再现出各种实际工况，具有非常广泛的适用性。

2、本发明公开的一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统，通过打孔埋入非接触式的红外测温方案，红外测温探头的量程为-50℃-600℃，精度为0.3％，响应速度≤5ms，打通孔埋入摩擦上试件，配备16位8通道采样速率80ms/s的高速数据采集和存储功能，测试精度高，响应速度快，较传统接触式测温方案有明显优势。

3、本发明公开的一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统，通过设置两路红外测温通道，实时进行校对，较单通道的信号采集具有更好的数据可信性；通过对参数设定进行热流安全值判定，超出安全值范围报警，具有很好的安全性和稳定性。

4、本发明公开的一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统，通过封闭式的箱体实现温度的控制，电热丝制热和冷却液制冷，较开放式的工作环境具有更高的模拟严谨性和可行性，大大增加了适用范围。

5、本发明公开的一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统，通过采小样另行模拟的测试思路，实现各领域和各种摩擦材料滑动摩擦接触界面瞬态温度的精确测试，较机械嵌入式的温度测试系统更便于更换摩擦样件重复测试，体积更小，结构更简单，更易于加工，能够很大限度地节约成本。

附图说明

图1为一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统的基本构成框图。

图2为本发明的系统技术方案执行逻辑图。

图3为本发明的系统上位机界面构成简图。

图4为本发明的盘盘模块基本结构示意图。其中，1-箱盖，2-下试件，3-工作台，4-旋转轴，5-上试件，6-冷却液，7-加热丝，8-温度传感器，9-柔性卡具。

图5为本发明的加工上试件图，其中：图5a为俯视图，图5b为主视图。5.1-摩擦层，5.2-基层，5.3-红外测温探头。

图6为本发明的加工下试件图，其中：图6a为俯视图，图6b为主视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统，主要由工况模拟模块和红外测试模块构成。工况模拟模块包括控制器、电机、压缩机、加热器、执行机构和盘盘模块；红外测试模块包括红外测温探头、信号调理箱、ni采集卡和上位机。

工况模拟模块工作方法为，上位机发送指令给控制器，控制器根据不同指令发出控制信号给电机、压缩机或加热器。执行机构用于给盘盘模块提供0-5000r/min的相对转速差以及0-8000n的接触压力；压缩机和加热器用于为盘盘模块提供-30℃-500℃的环境温度，从而实现模拟干式滑动摩擦副界面摩擦工况。

红外测试模块工作方法为，盘盘模块中布置的两路红外测温探头将温度信号传入信号调理箱，经过滤波、信号放大和a/d转换信号调理环节后传输到16位8通道采样速率80ms/s的ni采集卡，并通过labview编写的上位机软件进行显示和控制。其中，红外测温探头的量程为-50℃-600℃，精度为0.3％，响应速度≤5ms。

本实施例公开的一种干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试系统的工作方法为：

步骤一：进行上位机的参数设定，包括待模拟对象的相对线速度、环境温度、接触压力、接触角度和滑摩时间；

步骤二：经过上位机计算得出滑摩功完全转换的热流密度，判断是否会对摩擦材料具有过强的破坏作用，即验证参数设定的合理性，如果不合理则重复参数设定环节；步骤二中过强的破坏作用指破坏参数超过预设阈值，所述阈值优选上位机软件配备数据库中的材料安全阈值。

步骤三：步骤一所述参数设定完成后，发出滑摩开始指令，控制器发出控制信号，同时测试模块启动，温度数据开始高速采集和实时显示；

步骤四：依次判别盘盘模块的环境温度和相对转速是否到达目标设定值，如果没有到达，等待直至到达目标值后加压接合，从而开始滑摩；

步骤五：判别滑摩时间是否到达设定的目标滑摩时间，等待直至到达目标值后卸压分离，进而停止电机和温度控制；

步骤六：发出数据存储指令后，上位机存储采集数据，并提供数据回放功能。

步骤七：根据步骤一至步骤六所述步骤实现单次干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试。

步骤八：根据实际需要进行相应次数不同工况下的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与红外测试，进而实现应用于多领域的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试，能够高精度模拟出生产和生活中出现的各种干式滑动摩擦副界面瞬态温度值。

提供能够应用于多领域的干式滑动摩擦副界面瞬态温度模拟与测试系统，能够高精度模拟出生产和生活中出现的各种干式滑动摩擦副界面瞬态温度值。本发明具有如下优点：采用打孔式的非接触式测温方案，能够很大限度地减少误差；在模拟过程中能够再现出实际工况，使模拟的温度值更具可信度；便于更换摩擦样件，适用于各领域和各种摩擦材料；结构简便，仅需加工小型样件，能够很大限度地节约成本。

上位机软件由labview编写，具有简单模块化的编程环境，便于后期开发。界面主要由工况模拟模块、红外测试模块和基本按键构成。工况模拟模块中主要完成相对线速度、环境温度、接触压力、接触角度和滑摩时间等的设定，设定范围依次对应为0-60m/s，-30℃-500℃,0-7500n，0-90°和0-24h，工况安全指示灯提示模拟工况是否合理和安全；红外测试模块主要完成两路红外温度信号的显示，当两路温度信号相差超过平均值的5％后则报警，提示传感器故障或滑摩平面存在对中问题；基本按键包括开始滑摩、数据存储、数据回放、紧急停止和退出系统。

干式滑动摩擦工况模拟模块主要采用盘对盘式摩擦，即盘盘模块。盘盘模块主要由旋转轴4、工作台3、上试件5、下试件2、箱盖1、柔性卡具9、加热丝7和冷却液6构成。外围设备包括电机、转速执行机构、压力执行机构。连接关系：外围设备中电机通过齿轮连接转速执行机构，转速执行机构连接旋转轴4，旋转轴4固接工作台3，工作台3上固定下试件2；外围设备中的压力执行机构连接柔性卡具9，柔性卡具9与上试件5固接，上试件5内部埋入红外测温探头5.3；上下试件外侧的箱盖1与箱体用紧固螺钉连接，箱体固接设备外壳，箱体壁内分布有加热丝7和冷却液6，电热丝7与冷却液6用隔层隔开。工作方法为：电机带动旋转轴4和工作台3旋转，下试件2跟随工作台3一同旋转；上试件5由压力执行机构通施加一定的接触压力，两路红外测温探头5.3通过通孔安装于上试件5的中外径部位，实时监测接触界面的瞬时温度；加热丝7用于迅速提高环境温度，连接压缩机的冷却液6用于降低环境温度，箱盖1起到保温作用。

上试件5、下试件2统称摩擦样件，作为进一步改进，摩擦样件基本结构较为简洁，便于重复加工。上试件由摩擦层5.1、基层5.2和两个红外测温探头5.3组成。摩擦层5.1和下试件2分别对应需模拟的摩擦副材料，摩擦层5.1和下试件2进行接触摩擦。红外测温探头5.3通过通孔安装于上试件的中外径处，探测点直指摩擦界面但不接触摩擦界面。上试件中部有通孔进行螺钉固定和均布螺纹孔进行柔性装卡，下试件中间部分有通孔进行螺钉固定，两侧有定位孔。

采用非接触式测温方案，红外测温探头5.3的量程为-50℃-600℃，精度为0.3％，响应速度≤5ms，打通孔埋入摩擦上试件，配备16位8通道采样速率80ms/s的高速数据采集和存储功能，测试精度高，响应速度快，较传统接触式测温方案有明显优势。

上位机软件采用labview进行编写，作为一种替换，还可采用基于c/c#语言的编写的上位机界面，功能同样可以实现；

红外测温通道数目为2个，作为一种替换，所有大于等于2个通道的设计同样可以完成测试的目的，并同样具有校对信号和增加数据量的效果。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。