1.1课题研究背景、意义

随着工业尤其是制造业的发展，摩擦学知识及技术得到了越来越高的重视。据2006年中国工程院对中国八个领域的一项调查，如果正确运用摩擦学的相关知识，可以节约3270亿元人民币，相当于我国当年GDP总量的1．55％^【1】。滑动摩擦过程中，因摩擦所消耗的机械能约有85％～95％转化为热能^【2，3】。摩擦热在接触界面及其亚表面产生，导致接触界面出现显著温升；同时，热量向四周传导并形成一个非均匀，非稳定的温度场^[4]。这种高温及温度梯度会对摩擦副的摩擦学性能带来巨大的影响，例如构成摩擦副的材料会因此产生热疲劳裂纹、塑性变形、晶体化^【5-7】，以及导致润滑剂的性能蜕化等，这种高温及温度梯度在相当大的程度上决定了机械零部件的稳定性和使用寿命。因此，研究并掌握摩擦温度场(尤其是滑动接触界面)变化规律与摩擦副摩擦学特性之间的关系至关重要。滑动摩擦热效应及其温度场受到载荷、滑动速度、摩擦力、表面形貌、摩擦副材料的属性、润滑条件以及摩擦副结构等因素的综合影响^【8】。由于试样盘在工作过程中处于运动状态，且互相接触，因此无论使用接触式或非接触式：都很难准确测量接触界面的温度；而常用的数值计算方法将摩擦热流作为边界条件引入模型，需要进行大量的简化和假设，因而很难获得精度较高的瞬态温度场。因此，如何获取滑动摩擦接触界面瞬态温度场是摩擦学领域研究的重点和难点。

摩擦热主要来自于摩擦接触界面表层及其亚表层材料的塑性及粘弹性形变。物体实际表面并不是完全光滑的，摩擦副两表面的接触实际上是很多微凸体间的接触(尤其在接触应力并不是很高的情况下)，摩擦产生的热通过这些接触点向两构件传导。为了评估摩擦热及其温度场对摩擦学性能的影响，通常使用闪温、体积平均温度和温度梯度等参数表征。目前，获取摩擦温度场主要依靠直接或间接测量、数值计算及结合测量数据的数值计算等方法。其中，由于闪温的特殊性质，以现有的技术很难测得，一般只能通过计算获得。本文研究主要涉及体积平均温度和温度梯度两个参数。

1.2国内外研究现状

滑动摩擦表面温度是一个很复杂的问题，涉及的学科面很广，需要多学科综合运用。特别是计算机、数学、物理、化学、材料学等学科的灵活运用。摩擦温度特性的研究在这些学科研究的带动下，取得的长足的发展然而，随着社会的发展，人们对环境的要求越来越高。在满足稳定性能的同时，同时必须满足其他方面的要求，比如环保、节能等。

关于滑动摩擦表面温度模型，国内外的学者都进行过研究在国外，Chichinadze等认为表面温度等于与均匀热流相关的平均温度和局部热流产生的闪点温度之和。对于平均温度，由于是均匀热流，一般采用一维热传导方程求解；对于闪点温度的模型就比较复杂了，通常采用的是假设一刚性绝热体在半无限平面上滑动这个模型来求解。在国内，基于以下假设：(一)接触粗糙，热源随机分布；(二)各个热源互相不影响；认为接触表面温度由三部分组成，即局部表面温升、名义表面温升及体积温度。局部表面温升是指摩擦热在实际接触点附近的局部范围内释放时由局部热流所引起的表面温升；名义表面温升是指由整体摩擦热流所引起的表面温升；体积温度指接触界面上没有任何摩擦热部分的温度。表面温度模型的提出，对于建立热传导模型有重要的意义，特别是研究温度场。如果是均匀热流密度边界条件，那么得到的是表面的平均温度；如果建立的是单个接触区域的模型，那么可以得到闪点温度。当然，未来希望能同时得到包含平均温度和闪点温度的模型。

1.3滑动摩擦温度场测量方法现状

a.接触式测量

热电偶是最常见的接触式测温元件，具有结构简单、便于布置、测量精度较高、测温范围宽等优点。在研究试样盘和滑块摩擦实验中，将热电偶埋入相对静止的制动块中靠近滑动接触界面的位置，实现了目标点温度测量^[8]。在对磨削加工温度场的测量中，将热电偶布置在静止工件靠近加工表面的位置。在研究往复摩擦副温升时，热电偶布置在运动并不剧烈的的下试样中，对摩擦界面亚表层位置的温度实现了测量^[9,10]。近年来，随着无线发射技术的进步，也出现了带有无线发射模块的热电偶测量高速运动件温度的应用，如将若干热电偶及无线发射模块布置在高速转动的试样盘中，可对其亚表层温度实现了测量^[12]。

综上所述，滑动摩擦界面处于极端复杂的物理环境(较高的压力和速度，磨屑)和化学环境(润滑脂)，同时热电偶直接接触摩擦界面也会影响到摩擦副的摩擦学性能。