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滑动接触界面温度

发布日期:2015-01-28 21:01:54  点击量:1046   信息来源:原创

表面接触的很多属性都与温度有关[1]。这很容易理解,因为原子尺度上机械、化学、电子现象大多数依赖于热能来促进或激活。界面温度升高后很多材料的机械属性如弹性模量和硬度以及润滑属性都会变动从而影响摩擦学性能。因此设计界面时要对界面温升有个较为准确的估计。

在滑动接触中,大多数的摩擦能蕴藏在塑性变形中,直接转化为靠近界面的材料内部的热量。塑性变形导致原子晶格振动,表现为声波,被称为声子。声能最终转化为热量。在界面弹性变形过程中会有一小部分能量损失。声子也会产生0.1-10%范围的能量损失。粘弹性变形中,弹性迟滞损失也产生热。无润滑的情况下,热量通过热点contact spots传递到两滑动体中。

两物体间接触可近似成一个单点接触或多点接触。在高接触应力情况下,实际接触面积AR与表观接触面积AA近似。两个非常光滑的表面间的接触,即时在相对低的载荷下,也可能近似成一个单点接触Single contact。在工程应用中也存在一些低接触应力情况。低接触应力滑动情况下,粗糙峰间的接触会产生无数的、在约几微米直径的尺寸、瞬态的约几百摄氏度度的高温度闪点(temperature flashes)。滑动过程中,这些闪温从一个位置转移到另一个位置。微接触过程中热量会耗散,微粗糙峰接触处的温升可能非常高[2]。如果其中一个接触体较软compliant如一个聚合物,温升会较小。这是因为这样会产生一个很大的实际接触面积,降低了单位面积上的热量生成[3]。

出现了一些研究工作来预测粗糙峰接触时的闪温,如1937年Blok[4],1987a Bhushan[5]等。1942年Jaeger提出了一个较为完整的求解方法,将温升看做半无限体上热量的移动源的结果[6]。基于Blok提出的热比例(partition of heat)的概念,可以计算出界面温度。这种计算方法对于实际接触面积约等于表观接触面积的高接触应力情况是足够的。低接触应力滑动接触中会产生多点接触。Bhushan研究了多粗糙峰接触的温升累积效应。分析中忽略了热的对流及辐射作用,而仅考虑了物体内热量的传导。

大接触面积的温升可以测量得到。微接触上的温升很难被测量。也涌现出一些技术测量滑动接触的瞬态温升[7]但效果有限。因此瞬态温升一般通过理论计算而非实验测量得到。


[1] B. Bhushan, Introduction to tribology: John Wiley & Sons, 2013.

[2] J. Griffioen, "Infrared surface temperature measurements in a sliding ceramic--ceramic contact," Mechanisms and Surface Distress. Global Studies of Mechanisms and Local Analyses of Surface Distress Phenomona, Institut National des Sciences Appliquees, pp. 238-245, 1985.

[3] R. Gulino, B. Bhushan, S. Bair, and W. O. Winer, "Temperature measurement of microscopic areas within a simulated head/tape interface using infrared radiometric technique," Journal of tribology, vol. 108, pp. 29-34, 1986.

[4] H. Blok, "Theoretical study of temperature rise at surfaces of actual contact under oiliness lubricating conditions," in Proc. General Discussion on Lubrication and Lubricants, 1937, pp. 222-235.

[5] B. Bhushan, "Magnetic head-media interface temperatures: Part 1—analysis," Journal of tribology, vol. 109, pp. 243-251, 1987.

[6] J. Jaeger, "Moving sources of heat and the temperature of sliding contacts," in J. and Proc. Roy. Soc. New South Wales, 1942, p. 202.


[7] F. E. Kennedy, "Surface temperature measurement," in Friction, lubrication and wear technology, P. J. Blau, Ed., ed Metals Park, Ohio: ASM International, 1992.


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