摘 要

本次毕业设计的计划是搭建一个摩擦自激振动的试验台，该试验台是用于模拟火车轨道与车轮间由于蠕滑产生的摩擦自激振动现象，并且用于摩擦自激振动的相关数据的测量。我的毕业论文题目是自激振动试验台制热和温度测量方法的研究及摩擦生热的分析，目的是基于这个搭建起来的摩擦自激振动试验台，对试验台的圆盘进行加温用于摩擦改进剂对摩擦相关参数的影响的分析。并且选用一种合适的温度传感器及采集系统对质量块在工作状态下的温度进行测量并且采集到计算机系统之中，用于后续的结果分析。本文较为详细的对现有的几种制热器进行了原理的介绍与分析并选择出了适合于本次实验的制热器，同时对热电阻、热电偶、红外线测温三种温度传感装置进行了原理的介绍分析并选择出了最合适的一种方案。并且利用ANSYS软件对摩擦生热进行了仿真分析。

关键词：摩擦自激振动；制热；温度传感器；Ansys仿真

Abstract

The graduation project is designed to build a friction self-excited vibration test rig, The test rig is used to simulate the friction between the train track and the wheel due to creep friction self-excited vibration phenomenon, and the measurement of the relevant data for friction self-excited vibration. The subject of my thesis is the study of the method of heating and temperature measurement of self-excited vibration test bed and the analysis of friction and heat generation, the purpose of the design is based on this built-up friction self-excited vibration test rig, The analysis of the influence of friction modifier on the friction parameter was applied to the disc of the test rig. And a suitable temperature sensor and acquisition system are used to measure the temperature of the mass in the working state and to collect the computer system, used in subsequent analysis of the results. This thesis detailed the existing several kinds of heating apparatus principle is introduced and analyzed, and select the suitable for this experiment of heating apparatus, as well as the thermal resistance, thermocouple and infrared temperature measuring three analyzes principle of temperature sensing device and select the one of the most appropriate solution.And use ANSYS software to simulate the friction heat generation.

Key words：Friction Self-excitation；Heating； Temperature Sensors； The Ansys Simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题预期目标 5

第2章 摩擦自激振动试验台 7

2.1 摩擦自激振动 7

2.2 试验台搭建 9

2.3 本章小结 13

第3章 试验台圆盘的制热方法的分析选择 14

3.1 红外线制热 14

3.2 电磁感应制热 15

3.3 本章小结 16

第4章 温度测量方法的分析 17

4.1 温度传感器 17

4.1.1 热电偶 17

4.1.2 热电阻 20

4.1.3 红外线测温仪 22

4.2 本章小结 23

第5章 摩擦生热仿真分析与测温方案 24

5.1 摩擦生热的仿真分析 24

5.1.1 ANSYS软件介绍及有限元分析 24

5.1.2 圆盘与质量块摩擦热的ANSYS分析 25

5.2 温度数据的采集方法 38

5.3 本章小结 41

第6章 总结与展望 41

参考文献 43

致谢 45

第1章 绪论

1.1 课题目的及意义

本次毕业设计的计划是搭建一个摩擦自激振动的试验台，该试验台是用于模拟火车轨道与车轮间由于蠕滑产生的摩擦自激振动现象，并且用于摩擦自激振动相关数据的测量。我的毕业论文题目是自激振动试验台制热和温度测量方法的研究及摩擦生热的分析，目的是基于这个搭建起来的摩擦自激振动试验台，对试验台的圆盘进行非接触式的加温，用于摩擦改进剂对摩擦相关参数的作用的分析。并且使用热电偶对质量块在工作状态下的温度进行测量并且采集到计算机系统之中，用于后续的结果分析。

我的毕业设计的意义就是模拟轮轨系统的摩擦自激振动，使用相应的仪器元件对摩擦自激振动相关温度参数的收集，并在后续工作中对这些数据进行系统的分析，分析出由于轮轨系统自身摩擦导致温度变化对摩擦自激振动相关参数的影响。

摩擦自激振动在干摩擦和有摩擦改进剂的条件下的情况是有很大不同的，而温度对于摩擦改进剂有着重要的影响。我的设计内容中关于试验台的制热就是用于研究在不同温度条件下同种或者异种摩擦改进剂对同一个轮轨系统的摩擦自激振动的影响情况。由于试验台的主要部分是一个圆盘，在工作状态下是处于一个绕轴旋转的情况，所以制热的方式受到了一定的限制，接触式的制热方式因为圆盘的旋转会面临很多技术性的难题，所以需要设计出一个非接触式的制热方式。所以在这篇文章中，我较为详细的分析了几种制热方式的原理及优缺点，并且做出了最适合本次实验的选择。

两个发生摩擦的物体会因为摩擦的原理产生温度的变化，因此需要对摩擦热进行热结构耦合分析，并且基于这个试验台设计开发出一套测量试验台温度的温度测量装置。现在已被工程实际应用的温度测量装置有很多种，例如热电阻温度传感器及配套的采集装置，热电偶及配套的采集装置，还有红外测温仪及相应的采集装置。所以我需要对现存在的几种温度传感器进行原理上的分析，并为这个摩擦自激振动试验台选择出最合适的温度采集方案。

1.2 国内外研究现状

本次毕业论文目标是对试验台的制热和测温方法进行分析选择。搭建这个试验台是为了验证一个关于轮轨的摩擦自激振动的理论。

车轮与轨道系统作为轨道车辆动力学范畴中的一种系统，是一种有摩擦存在的典型系统^[1]。当带锥度的一对车轮沿着直线车轨行进时，表现出一边前进一边左右摆动的蛇的运动方式现象，车轮与车轨之间发生这一种特殊的相对运动方式就是自激振动导致的。摩擦自激振动会让轮轨摩擦面磨损十分明显并且严重，同时会让车轨形成波形面、产生裂纹和并且让车轮变得有很多的边，这一系列的后果会导致车辆失稳，并且让轮缘打击钢轨，产生轮轨啸叫噪声，对车辆和铁轨有超级大的破坏，有时候很严重的话甚至可能造成行车事故。干摩擦对于机械系统的自激振动起着十分巨大的作用^[2-5]。轮轨系统是一种十分复杂的非线性系统，这恰巧满足了摩擦自激振动产生的一系列条件。相对于小的扰动来说，轮轨系统处于稳定状态，如果扰动加大到超过一个阈值，系统就会产生周期性振动或混沌振动^{[1, 6-8]}。轮轨系统产生摩擦自激振动必不可少的条件之一即是由于横向蠕滑所主导的反馈机制。引发其发生摩擦自激振动的能量是列车前进也就是动力系统提供的能量的一部分，这一部分能量通过车轮车轨纵向和横向蠕滑的调节作用输入到一对车轮中。而轮对横向自激振动能否保持不变取决于轮轨系统耗散的能量和输入的能量。