端面滑動摩擦副接觸界面波段發射率研究

魏　巍　俞建衛　王禮飛　郜庚虎　余曉芬

1.合肥工業大學，合肥，230009　　2.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖，241009

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端面滑動摩擦副接觸界面波段發射率研究

魏巍1俞建衛1王禮飛2郜庚虎1余曉芬1

1.合肥工業大學，合肥，2300092.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖，241009

為研究滑動摩擦過程中接觸界面波段發射率的變化規律，設計并開展了一系列實驗。以端面滑動摩擦副的接觸界面為研究對象，在含二硫化鉬的脂潤滑條件下，開展定載荷、定轉速實驗，利用熱像儀和自制裝置測量了不同摩擦時間后的波段發射率，并根據發射率變化規律對紅外測溫儀測得的接觸界面輻射亮溫進行了修正。結果表明：測量裝置能夠較準確地實現摩擦接觸界面波段發射率的測量；含有潤滑脂和磨屑的接觸界面發射率總體上在一定范圍內波動，在摩擦過程中，具有先下降后上升的趨勢；在穩定摩擦階段，對輻射亮溫的修正精度較高。

端面滑動摩擦；接觸界面；波段發射率；熱像儀；輻射亮溫

0　引言

摩擦過程中產生的熱及其熱效應是影響摩擦副摩擦學行為的重要因素之一[1]。構成摩擦副的兩構件相互接觸且相對運動，給摩擦溫度檢測帶來了極大困難。常見的測溫方法將熱電偶預置或者預埋在靠近摩擦接觸界面的位置，再依靠傳熱規律對摩擦界面平均溫度進行反推[2-4]。隨著紅外技術的發展，以因其響應快、對被測目標干擾較小等優點,在摩擦溫度場測量中得到了較為廣泛的應用[5-6]。然而紅外測溫精度會受到被測表面發射率、背景溫度、環境溫度等因素的影響，其中，表面發射率的影響尤為明顯[7]。據研究，發射率主要受到材料表層(幾個微米內)的屬性，狀態(粗糙度、雜質、溫度等),以及發射角等參數的影響[8]，在滑動摩擦過程中，滑動接觸表面狀態是隨著摩擦過程實時變化的，所以其表面發射率也處于變化之中。當前，主要通過以下兩種方法解決發射率對接觸界面測溫精度的影響：①被檢測的摩擦接觸界面由發射率穩定的材料(如橡膠)制成，其對偶件則由透紅外線材料(如藍寶石和氟化鈣)制成[5-9]，這樣雖然能直接觀測接觸表面，但由于配副材料種類單一、不能承受較大的載荷，因而與實際摩擦副的結構及工作狀態相差甚遠；②使用比色溫度計[10]測量，該儀器通過對兩種不同波長光波能量的對比，可以避開發射率的影響直接獲得較準確的表面溫度；同時，利用這種方法，還能通過額外布置的紅外測溫儀研究接觸界面發射率，但該設備通常在高溫區間使用[11-13]。

本文以端面滑動摩擦副為研究對象，利用自制裝置和紅外熱像儀探索了不同摩擦時間后的接觸界面發射率變化規律；結合紅外測溫儀和熱像儀分別測量了摩擦副接觸界面的輻射亮溫和摩擦副側表面溫度，之后根據發射率變化規律實現了對接觸界面輻射亮溫的修正。

1　紅外測溫及發射率測量原理

使用紅外測溫設備觀測物體(灰體)表面溫度時，接收到的輻射為[14]

W=τ[εf(T)+(1-ε)f(Tamb)]+(1-τ)f(Tair)

(1)

其中，W為紅外設備接收到的輻射能量；τ為大氣的透射率；ε為待測表面的發射率；T為待測表面溫度；Tamb為環境溫度；Tair為大氣溫；f(·)為同等溫度下黑體的輻射能量；εf(T)為待測表面自身的輻射能量；(1-ε)f(Tamb)為待測表面反射環境溫度的輻射能量；1-τ為大氣的發射率；(1-τ)f(Tair)為大氣的輻射能量。τεf(T)和τ(1-ε)f(Tamb)表示能量會受到透射率為τ的大氣的衰減。

當紅外測溫設備與待測表面距離很近時，認為大氣對測量結果的影響極小，即透射率τ=1。則式(1)化簡為

W=εf(T)+(1-ε)f(Tamb)

(2)

根據式(2)，對待測表面的發射率和溫度之間的關系進行推導[15]，假設待測表面真實溫度為T0，其真實發射率為ε0，所處環境溫度為Tamb，則表面輻射的能量為

W0=ε0f(T0)+(1-ε0)f(Tamb)

(3)

此時，設定設備的發射率為εx，便可得到待測表面的輻射亮溫Tx，設備則“認為”它接收到的輻射能量是由輻射亮溫產生的，即

Wx=εxf(Tx)+(1-εx)f(Tamb)

(4)

實際上W0=Wx，于是有

(5)

對工作波段為λ1～λ2的紅外測溫設備，光譜響應度[15]為Rλ(表示紅外探測器將紅外輻射能轉換為電能的能力，一般認為與波長λ無關)，根據普朗克定律有

(6)

其中，c1=3.7419×10-16W/m2，c2=1.4388×10-2m/K為輻射常量。式(6)積分可得：

f(T)≈CTn

(7)

式中，C為常數。

式(5)可以簡化為

(8)

根據式(8)，當設定紅外測溫設備的發射率εx，并測得輻射亮溫為Tx時，若能夠獲得表面的發射率ε0，則可以反推計算出表面的真實溫度T0：

(9)

其中，n為常數，與工作波段相關，本文使用非制冷焦平面(FLIR)A40-M紅外熱像儀和紅外測溫儀，由于其工作波段在7.5～13 μm，故n≈4.09[15]。

2　實驗部分

2.1實驗裝置

2.1.1發射率測量實驗

如圖1所示，發射率測量裝置由黑體箱、熱電偶、加熱與溫度控制裝置及熱像儀組成。黑體箱內部由玻璃纖維隔熱紙包裹，并在表面噴涂發射率為0.95的啞光黑漆。上試樣由電阻式加熱圈加熱(220 V交流電)，并通過布置在摩擦接觸表面的K型熱電偶及溫控設備控制溫度，熱像儀通過黑體箱上部圓孔拍攝待測試樣。測量時，設置熱像儀發射率為1，將上試樣和加熱環放入測量箱內，分別設置20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃，加熱并保溫后，使用熱像儀觀測，取界面上三處位置，按照式(8)分別推導真實發射率并求平均值，得到接觸界面的發射率。

圖1　發射率測量裝置

2.1.2端面滑動摩擦測溫實驗

圖2所示為端面滑動摩擦副摩擦測溫實驗裝置及其模型。其中，上試樣1與試驗機的旋轉主軸相連，材料為45鋼；隔熱板2材料為玻纖板FR4；下試樣3材料為錫青銅，直徑為70 mm，厚度為10 mm，與上試樣夾具4之間由2個銷釘相連；上下試樣的接觸面為外徑為38 mm、內徑為22 mm的環形面，在摩擦接觸環面中徑上(φ30 mm)均布3個直徑為6.8 mm的通孔，用于紅外測溫儀7觀測上試樣接觸面；下試樣夾具4與調心軸承5配合，保證實驗過程中上下試樣的接觸，同時與總支撐6之間由兩個定位銷9定位，固定其周向自由度；總支撐6則與加載主軸相連，具有旋轉自由度；螺釘10則通過牽引繩與試驗機力傳感器相連，用于測量摩擦力；紅外測溫儀(Raytek MI3LTS20，測溫范圍為0～1000 ℃；溫度分辨率為±0.02 ℃；測量精度為±2.5 ℃或±1 %，取較大值；響應時間為130 ms)共3個，布置在4上，對應下試樣3上3個通孔位置，用于檢測接觸界面溫度(輻射亮溫)；圖2a中除隔熱板外，所有外表面均噴涂發射率為0.95的啞光黑漆，熱像儀(FLIR A40M，測溫范圍為-40～500 ℃；測溫精度為±2 ℃或±2 %，取較大值；熱靈敏度為0.08 ℃(30 ℃時))布置在距上下試樣0.4 m處，拍攝摩擦副側表面溫度。

1.上試樣　2.隔熱板　3.下試樣　4.上試樣夾具　5.調心軸承　6.總支撐　7.紅外測溫儀　8，9.定位銷　10.螺釘(a) 試樣及其夾具

(b) 摩擦測溫試驗圖2　摩擦實驗

上下試樣材料熱物理屬性由LFA 457型激光熱導儀測得，如表1所示。

表1　上下試樣熱物理屬性

2.2實驗方法

隨著摩擦的進行，接觸界面發射率隨溫度和時間發生變化，因此，獲取該界面發射率是使用紅外測溫儀準確測量接觸界面溫度的前提。為研究端面滑動摩擦副在定載、定速下發射率的變化規律，并依據該規律修正接觸界面輻射亮溫(設置紅外測溫儀發射率為1時得到)，本文設計了如圖3

圖3　紅外測溫儀數據修正

所示的研究方案，步驟如下。

(1)摩擦溫度數據采集。先將紅外測溫儀發射率設置為1，記錄上試樣接觸界面的輻射亮溫(由于該界面發射率實際上處于變化狀態，故該數據并不代表真實溫度)；同時將熱像儀發射率設置為0.95(摩擦副側表面已經噴涂發射率已知為0.95的啞光黑漆)，記錄摩擦副側表面溫度數據。

(2)接觸界面發射率研究。在實驗分別進行5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min時停止實驗，取上試樣按照圖2所示裝夾，分別設置一系列目標溫度并保溫，測量得到不同溫度下的接觸界面發射率。

(3)接觸界面溫度校正。據研究[16]，當端面滑動摩擦副旋轉半徑較小，同時其變化也小時，摩擦面上的溫度梯度也不大。因此本文認為圖2a中A點的溫度(來自熱像儀)即為接觸界面的平均溫度，并引入到發射率測量結果，進行插值計算得到摩擦過程中的界面發射率變化，最終使用發射率瞬態變化數據并結合式(9)，實現接觸界面溫度的校正。需要注意的是，由于在摩擦測溫過程中，紅外測溫儀觀測面積很小(如圖2所示)，并且周圍環境溫度與接觸界面的溫度相差很小，故在修正時忽略式(9)中接觸面對環境輻射能量反射的影響[17]。

實驗條件如下：法向載荷為400 N，旋轉速度為500 r/min，在初始溫度(室溫)(21±1)℃下進行。每次實驗前使用120目棕剛玉砂布打磨上下試樣，在上試樣上均勻涂抹脂潤滑(含質量分數為10 %的二硫化鉬)，裝夾在多功能摩擦磨損試驗機上，載荷增至500 N，將摩擦界面潤滑脂壓勻，并將擠出的潤滑脂擦除，而后載荷降至400 N。

3　結果與討論

分別將上試樣接觸界面進行打磨(120目棕剛玉砂布)、噴涂啞光黑漆(發射率為0.95)以及均勻涂抹上述潤滑脂(打磨后的表面)，按照圖1所示方法裝夾；設置目標溫度(即接觸界面溫度T0)，加熱并保溫后，設置熱像儀發射率為1，并在此發射率下得到界面的輻射亮溫Tx，結合當前的環境溫度Tamb，按照式(8)計算其發射率。得到的結果如圖4所示，其中，啞光黑漆表面在40 ℃時發射率為0.91，之后穩定在0.95，該結果與黑漆表面發射率是一致的，但是在40 ℃時尚存在誤差，該誤差對測量和修正結果的影響將在下文中分析。通常打磨后鋼表面的發射率為0.1～0.2[18]，本文的打磨表面的發射率也處于這個區間，而涂抹潤滑脂后，表面發射率明顯升高，由40 ℃的0.87升高并穩定在80 ℃和100 ℃的0.94。其原因是含有二硫化鉬的潤滑脂涂層改變了表層的狀態，這一點也將在下文的分析中得到體現。

圖4　三種表面間發射率對比

3.1摩擦測溫實驗所得實驗數據分析

圖5所示為在上述條件下進行30 min實驗獲得的數據。其中A點位于摩擦副側表面，由于該表面已經噴涂了啞光黑漆，因此其溫度是在設置熱像儀發射率為0.95時直接測量得到的。紅外測溫儀測得的溫度數據則是取三支紅外測溫儀(設置發射率為1)的平均值。整個摩擦過程可以分為兩個階段：第一個階段為摩擦開始至700 s左右，摩擦因數較大且變化劇烈，產生大量熱，同時這個階段摩擦副在室溫下的熱平衡被打破，因此溫度急劇升高；第二個階段為穩定摩擦階段，這個階段摩擦因數較小且在一定的范圍內波動，摩擦產生的熱與其向環境傳遞的熱逐漸趨于平衡，因此溫升速率明顯降低。

圖5　載荷400 N、轉速500 r/min下隨時間變化的溫度及摩擦因數

根據摩擦生熱公式q=μpv，熱量的產生與摩擦因數、載荷和相對滑動速度相關，當載荷和相對滑動速度一定時，摩擦因數決定了生熱量的多少。A點溫度曲線快速準確地反映了摩擦過程中摩擦因數變化所引起的摩擦生熱變化。如在239s時，摩擦因數突然減小，由于降低幅度較大，持續時間較長(70s左右)，溫度則在66 ℃附近波動；隨后摩擦因數突增，也直接減小導致溫升速率的加快；在485s時的摩擦因數突降，雖然只持續了12s，溫升曲線也相應地出現了拐點。

因為任何物體表面發射率都小于1(理想黑體)，因此設置紅外測溫儀的發射率為1獲得的值并不是接觸界面的真實溫度。根據式(8)，當紅外設備設置的發射率高于其真實發射率時，獲得的數據比真實數據低，因此圖5中紅外測溫儀數據明顯低于A點溫度。

3.2發射率變化規律研究

圖6所示為按照2.2節中步驟(2)測得的隨摩擦時間及溫度變化的接觸界面發射率。所有測量點的均值約為0.88，均方差為0.000 62。可見，本文提到的摩擦副在摩擦過程中，上試樣接觸界面的發射率變化波動范圍較小。

圖6　接觸界面發射率在不同摩擦時間隨溫度變化情況

圖6的數據說明：滑動接觸區域發射率的變化不僅與摩擦時間有關，還與界面的溫度有關。為更清晰地研究摩擦過程中發射率的變化情況，以熱像儀測量得到的A點溫度為插值點(該溫度隨著摩擦的進行瞬態變化，如圖5所示)，將時間和溫度兩個參數引入圖6所示的數據中，在MATLAB環境下按照雙三次插值將摩擦過程發射率的變化繪制于圖7。

圖7　載荷400 N、轉速500 r/min下雙三次方插值得到的發射率

隨著摩擦的進行，摩擦界面溫度升高并趨于穩定，發射率則有先下降后升高的趨勢，該趨勢與Kasem等[13]對制動盤表面發射率的研究結果相似。產生這種趨勢的原因是：在摩擦的初始階段(磨合)，接觸面上新的微凸體相互剪切，表面形貌變化較大，同時塑性變形產生的瞬時高溫也導致發射率的快速下降；在后面的穩定磨損階段，表面形貌只是在一定區間內波動變化，溫升速率也趨于緩慢[13]。

本文得到的結果與其還有兩點不同：一是本文得到的發射率整體上較大，這是由于本文研究的不是干摩擦表面，而是含有潤滑脂膜(摻有二硫化鉬)的表面，這種潤滑膜導致表面發射率得到了提升，這與圖4中的結果相互對應；二是Kasem的研究中使用的雙色高溫計采樣頻率很高，能夠捕捉到接觸界面發射率高頻率的細節變化。本文研究的發射率是根據離散的測量點插值計算得到，插值點間隔有限，因此只能得到發射率總體變化規律，在描述變化細節上并不是很豐富。

3.3利用測量發射率對紅外測溫儀數據的修正

圖7得到了在本文實驗條件下，不同摩擦時間的接觸界面發射率，將此結果作為式(9)中的真實發射率，按照2.2節中步驟(3)的方法對紅外測溫儀溫度數據修正，得到如圖8所示的結果。

圖8　紅外測溫儀數據修正前后對比

修正后的數據與A點溫度的差異整體上得到了縮小，平均相對誤差已經在5.78 %以內。根據前文對摩擦溫度變化的分階段分析，修正結果也可以總結出類似的結論：①前700 s所得到的相對誤差較大且波動明顯(尤其是前300 s內)，平均值為2.99%，最大值為34.89%。主要有兩個原因造成這樣的結果：一是初始階段摩擦接觸界面狀態變化劇烈(微凸體的剪切引起的表面形貌變化、含磨屑的油脂的影響等)，以及溫升劇烈，導致離散的測量數據尚不能描述這個階段發射率的瞬態變化；二是發射率測量裝置本身在低溫時尚含有一定的系統誤差(如圖4所示)，該誤差主要影響了前150 s的修正；②700 s后相對誤差明顯降低并穩定，其平均值為1.11 %，最大值為2.97 %，這是因為經過磨合階段，接觸界面的表面形貌在一定范圍內變化，磨屑的產生量及潤滑脂膜狀態穩定，同時溫升速率也變得平緩。

綜上所述，利用本文設計的實驗對外測溫儀數據進行修正，在穩定摩擦階段已經具有較好的效果，但當摩擦因數變化劇烈時存在不足，這是因為本文采樣的插值點時間間隔有5 min，而在摩擦初始階段或者潤滑條件并不充分時，摩擦因數的變化具有突發性和劇烈性的特點，故插值結果尚不能體現該變化。若增加采樣插值點，會大大增加實驗時間和計算量，并且由于磨合階段的摩擦因數變化的偶然性(每次實驗的瞬態變化并不重合)，導致瞬態修正效果也不能明顯地改善。

4　結論

(1)利用文中所述的實驗裝置，能夠對環形摩擦接觸界面的發射率實現測量，其測量結果的準確性也得到了驗證。

(2)在本文提到的實驗條件下，涂抹潤滑脂(含質量分數為10%的二硫化鉬)的端面滑動摩擦副，上試樣接觸界面發射率隨摩擦時間和溫度變化具有先下降后上升的趨勢，總體數值在0.88附近波動。

(3)在穩定摩擦階段(即摩擦因數變化較平穩時)，利用本文提到的方法研究端面滑動摩擦副接觸界面發射率變化規律，以及在此基礎上進行的紅外測溫儀數據修正，得到了較好的結果，修正結果的平均相對誤差達到了1.11%。

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(編輯王旻玥)

Research on Wideband Emissivity of End-face Sliding Friction Pair Interfaces

Wei Wei1Yu Jianwei1Wang Lifei2Gao Genghu1Yu Xiaofen1

1.Hefei University of Technology, Hefei, 230009 2.Chery Automobile Co., Ltd.，Wuhu,Anhui, 241009

In order to investigate the wideband emissivity changing rules of the sliding contact interfaces during the friction, a set of experiments were conducted. Taking the end-face sliding interface as the study object, its wideband emissivity after different friction times was measured using thermal imager and self-made device under constant load, constant velocity and molybdenum disulfide grease lubrication. The change regulation of the emissivity was used to correct the brightness temperature obtained by infrared thermometer. The measurement results of the wideband emissivity show a comparatively accurate ones of the self-made devices. The emissivity of the friction contact interface(with lubricating grease and abrasive dust) fluctuates within a certain range in general, and decreases firstly and then increases during the friction processes. The correction of the brightness temperature shows a high precision in the stable friction stage.

end-face sliding friction; contact interface; wideband emissivity; thermal imager; brightness temperature

2015-11-10

國家自然科學基金資助項目(51075114)

TH117.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.17.005

魏巍，男，1986年生。合肥工業大學儀器科學與光電工程學院博士研究生。主要研究方向為摩擦溫度場的測量及重建。俞建衛，男，1956年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院研究員。王禮飛，男，1991年生。奇瑞汽車股份有限公司助理工程師。郜庚虎，男，1990年生。合肥工業大學機械與汽車工程碩士研究生。余曉芬，女，1954年生。合肥工業大學儀器科學與光電工程學院教授、博士研究生導師。