Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы контактного теплообмена. Цель и задачи исследования 11
1.1 Общие сведения о контактном теплообмене. Контактное термическое сопротивление. '..: 11
1.2 Основные факторы, влияющие на процесс контактного теплообмена 18
1.3 Экспериментальные данные о термосопротивлении контакта окисленных поверхностей 29
1.4 Выводы и постановка задачи исследований 34
Глава 2. Математическое моделирование процесса теплообмена через зону контакта окисленных поверхностей 36
2.1 Общие сведения о природе образования и структуре оксидных пленок на металлических поверхностях 36
2.2 Математическое моделирование процесса формирования контактных термосопротивлений в соединениях с окисленными поверхностями 41
2.3 Моделирование процесса формирования контактного термосопротивления для окисленных поверхностей при наличии макронеровностей 62
2.4 Выводы 67
Глава 3. Постановка, программа и методики экспериментальных исследований 68
3.1 Характеристика и программа экспериментальных исследований 68
3.2 Объекты исследований 69
3.3Планирование экспериментов и статистическая обработка результатов испытаний 69
3.4 Методика и установка для исследования процесса теплообмена в зоне контакта поверхностей с оксидными пленками 73
3.5Методика и установка для исследования термосопротивления в зоне контакта окисленных периодически соприкасающихся поверхностей 78
3.6 Выводы 84
Глава 4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и их анализ 86
4.1 Теплообмен через контактные соединения с плоскошероховатыми поверхностями с оксидными пленками 86
4.2 Теплообмен через контактные соединения с окисленными поверхностями, имеющими волнистость или макроотклонения формы 93
4.3 Теплообмен в зоне контакта периодически соприкасающихся окисленных металлических поверхностей 98
4.4 Практические рекомендации по снижению и повышению контактного термосопротивления в зоне контакта окисленных поверхностей 105
4.5 Выводы 108
Основные выводы и результаты 109
Список использованной литературы 110
Приложения 120
- Основные факторы, влияющие на процесс контактного теплообмена
- Математическое моделирование процесса формирования контактных термосопротивлений в соединениях с окисленными поверхностями
- Методика и установка для исследования процесса теплообмена в зоне контакта поверхностей с оксидными пленками
- Теплообмен через контактные соединения с окисленными поверхностями, имеющими волнистость или макроотклонения формы
Введение к работе
В таких областях техники как авиация, космонавтика, энергетика, радиоэлектроника в процессе проектирования и создания теплонапряженных конструкций требуется информация о процессах, протекающих в зоне контакта между металлическими поверхностями деталей и узлов. Изучению подобных процессов посвящен отдельный раздел теплофизики, известный как контактный теплообмен. Исследованиям контактного теплообмена за последние несколько десятилетий посвящен большой объем экспериментальных и теоретических работ отечественных и зарубежных ученых [1-5]. Проведенными исследованиями установлено, что при прохождении теплового потока через зону контакта поверхностей твердых тел возникает контактное термическое сопротивление (КТС), обусловленное тем обстоятельством, что фактическая площадь контакта составляет незначительную часть номинальной площади соприкосновения поверхностей. Доказано, что на КТС оказывает влияние геометрия поверхностей контакта, усилие прижима, температура, природа контактирующих тел. Вместе с тем до настоящего времени влияние на КТС целого ряда факторов остается малоизученным. Среди последних определенный интерес представляет вопрос формирования КТС для соединений, поверхности которых покрыты малотеплопроводными оксидными пленками. Такого рода соединения встречаются в теплонапряженных конструкциях атомных реакторов, газовых турбин, конструкционных соединениях летательных аппаратов, аппаратов прямого преобразования энергии и др.
Данная работа выполнялась по плану НИР ВГЛТА в рамках темы: «Разработка и обоснование методов расчетов и способов изменения термических сопротивлений в контактных соединениях конструкций» (гос. per. 201.85.00.52.971).
Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка и исследование математической модели процесса теплообмена через зону кон такта металлических поверхностей с оксидными пленками и методики расчета контактного термосопротивления.
Для достижения сформулированной цели решались следующие задачи:
1. Анализ состояния вопроса теплообмена в зоне контакта с поверхностями, имеющими малотеплопроводные оксидные пленки.
2. Разработка модели процесса теплообмена через контактный элемент с оксидной пленкой.
3. Разработка методики расчета КТС для соединений с окисленными плоскошероховатыми поверхностями и поверхностями, имеющими волнистость и макроотклонения формы.
4. Экспериментальное исследование влияния различных факторов на формирование КТС в соединениях с окисленными металлическими поверхностями.
5. Исследование процесса формирования КТС в соединениях с периодически контактирующими окисленными металлическими поверхностями.
Научная новизна работы.
1. Получено аналитическое решение термосопротивления единичного микроконтакта при наличии малотеплопроводной пленки, отличающаяся учетом эффекта двойного стягивания теплового потока.
2. Разработаны методики расчета КТС соединений с окисленными плоскошероховатыми поверхностями и поверхностями, имеющими волнистость и макроотклонения, отличающиеся приближением к реальным условиям контактного теплообмена.
3. Экспериментально подтверждено определяющее влияние комплексе Я сов — и — на формирование КТС окисленных поверхностей, позволяющее прогнозировать процесс теплообмена в зоне контакта.
4. Разработана методика определения КТС для периодически контак тирующих окисленных металлических поверхностей, отличающаяся от методик для статических контактов учетом длительности контакта и периода. Адекватность. Адекватность математических моделей подтверждается приемлемой сходимостью результатов. Аналитическое моделирование для КТС окисленных поверхностей дает хорошую сходимость с экспериментальными данными автора и других исследователей.
Практическая значимость и реализация результатов. Результаты физического и математического моделирования процесса контактного теплообмена и экспериментальные данные, приведенные в работе, позволяют:
1. Проектировщикам и эксплуатационникам прогнозировать формирование КТС соединений с окисленными металлическими поверхностями различной топографии при различном давлении.
2. Путем подбора толщины материала и оксидной пленки, геометрии поверхностей и давления проводить операции по терморегулированию в теплонапряженных системах с контактными соединениями.
Предлагаемые методики приняты в практике предприятий ООО «PET Ф2» и ООО «Метизы Черноземья».
Материалы диссертационной работы используются при чтении курса лекций и проведении лабораторного практикума по дисциплине «Теплотехника» на кафедре электротехники, теплотехники и гидравлики Воронежской государственной лесотехнической академии. На защиту выносятся:
1. Математическая модель процесса формирования термосопротивления единичного микроконтакта с малотеплопроводимой (оксидной) пленкой.
2. Методика расчета КТС соединений с плоскошероховатыми окисленными металлическими поверхностями.
3. Методика определения КТС для соединений с окисленными металлическими поверхностями при наличии волнистости или макроотклонений формы. 4. Модель процесса формирования КТС в соединениях с периодически контактирующими металлическими поверхностями при наличии оксидных пленок.
Апробация работы. Апробация результатов исследований проводилась на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2006, 2007г.), на XXVII Российской школе «Наука и технологии» (г.Миасс ,2007г.) , школе-конференции «Восстановление эколого-ресурсного потенциала в Центральной лесостепи и юге России» (Воронеж-Сочи ,2007г.), XIV Тупо-левских чтениях (г.Казань ,2006г.) на Второй Всероссийской научно — технической конференции «Интенсификация тепломассообменых процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2008г.).
Тематика исследований входит в ежегодные планы научно-исследовательской работы кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики ВГЛТА.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 13 научных работ общим объемом 46 страниц в том числе 3 в издании, рекомендованном ВАК РФ. Из них лично автору принадлежат 29 страниц.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 118 страницах, в том числе 100 страниц машинописного текста. В диссертацию входят 44 рисунков, 4 таблиц, библиографический список литературы составляет 100 наименований.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, и данные по апробации работы.
В первой главе приведены основные сведения о контактном теплообмене и факторы, влияющие на формирование контактного термосопротивле ния. Проанализированы данные экспериментальных исследований по контактному теплообмену в соединениях с окисленными металлическими поверхностями. На основании проведенного анализа сделан вывод о необходимости разработки модели процесса теплообмена в зоне контакта поверхностей различной геометрии при наличии оксидных пленок и проведения экспериментальных исследований на образцах, имитирующих реальные контакты с окисленными поверхностями.
Вторая глава работы посвящается математическому моделированию процесса теплообмена через зону контакта поверхностей с оксидными пленками. Проведен анализ сведений о природе образования и структуре оксидных пленок на металлических поверхностях. Полученные сведения позволяют проводить моделирование процесса теплообмена для условий, максимально приближенных к реальным. В итоге получены расчетные зависимости для определения контактных термосопротивлений в соединениях с плоскошероховатыми поверхностями и поверхностями, имеющими макронеровности, при наличии на них оксидных пленок.
В третьей главе диссертации описывается программа, методики экспериментальных исследований, дается описание опытных установок для определения контактных термосопротивлений для статических и нестатических контактов с металлическими поверхностями при наличии оксидных пленок.
В четвертой главе приводятся результаты и дается анализ теоретических и экспериментальных исследований. Анализируются данные опытов по контактному теплообмену через соединения с окисленными поверхностями различной геометрии при различной толщине оксидных пленок и различной природы материала образцов. Приводятся практические рекомендации по использованию результатов исследований в технике.
Основные выводы и результаты исследований представлены в конце диссертации.
Основные факторы, влияющие на процесс контактного теплообмена
Из анализа формулы (1.14), выражающей полное сопротивление в зоне контакта в общем виде, видно, что на КТС оказывает влияние природа материалов контактной пары и межконтактной среды, геометрия поверхностей, усилия прижима поверхностей, температурные условия. Также из обширной программы проведенных экспериментов отечественными и зарубежными исследователями, выявлен целый ряд других факторов, оказывающих влияние на формирование КТС. В ранних [13,14] и более поздних [15-24] работах по контактному теплообмену проводились экспериментальные исследования по зависимости КТС от нагрузки на контактные поверхности. Из приведенных на рис. 1.3 и 1.4 графиков видно, что для контактных соединений в среде воздуха при различной температуре и разной шероховатости поверхностей с увеличением усилий прижима образцов КТС снижается (или повышается тепловая проводимость через зону контакта). При этом наблюдается особенно резкое снижение величины КТС при увеличении сжатия для поверхностей с грубой обработкой. Для более чистых поверхностей зависимость КТС от давления более слабая. Характер кривых оск = /(Р) и R = /(Р) объясняется ростом фактической площади контакта под действием нагрузки. Специально исследовалось влияние материала контактных пар на формирование КТС. Так, в работах [14,15] получены данные для КТС в контактных парах из сплава Д16Т и стали ЗОХГСА (рис. 1.5). Из приведенных результатов опытов следует, что при практически одинаковой чистоте обработки поверхностей контактов КТС для малотеплопроводной пары из стали ЗОХГСА значительно выше, чем для пары из высокотеплопроводного сплава Д16Т. Объяснить такой характер кривых Rk= /(Р) можно только превалирующим вкладом от тепловой проводимости через микроконтакты. Из этих же данных хорошо просматривается зависимость КТС от температуры в зоне контакта.
С ростом температуры КТС заметно снижается, что объясняется увеличением фактической площади контакта за счет снижения твердости и изменения геометрических размеров контактной пары. Заметное влияние на процесс контактного теплообмена оказывает природа газовой среды в межконтактной полости. На рис Л .6 приведены результаты экспериментов в различных газовых средах [25]. Как и следовало ожидать, наибольшее КТС имеет место для вакуума и наименьшее у контактной пары в среде водорода, как наиболее теплопроводного газа. Эти результаты свидетельствуют о влиянии теплопроводности газовых сред. Выше отмечалось, что встречающиеся на практике поверхности кроме шероховатости часто имеют крупномасштабные отклонения от идеальной плоскости в виде волн и макронеровностей [7,8]. Наличие на контактных поверхностях таких макроотклонений, как правило, значительно повышает КТС переходов. Об этом свидетельствуют данные специальных исследований [3,5,23,26,34]. При нахождении термического сопротивления фактического контакта (в вакууме) для соединений с поверхностями, имеющими макроотклонения формы, исследователями [27] предложена тепловая модель, в основу которой положен эффект двойного стягивания теплового потока. Согласно этой модели тепловой поток при подходе к зоне контакта вначале концентрируется у крупномасштабных контактных областей, а затем стягивается к микроскопическим контактным пятнам в пределах макроскопической области, т.е имеет место двойное стягивание теплового потока. Исходя из этих положений, контактное сопротивление фактического контакта выражается в форме где КмакрДмикр - соответственно термосопротивления от стягивания линий теплового потока к макро - и микроконтактам.
Рисунок 1.6. Зависимость КТС для контактной пары из стали 45 с чистотой поверхностей Rz 3,0 мкм в различных газовых средах: 1-вакуум; 2-двуокись углерода; 3- воздух; 4- водород. Тогда полное КТС для теплопроводной межконтактной среды с учетом выражения (1.2) принимает вид Входящие в (1.17) R-макр , R-микр и Re определяются для рассматриваемых контактных пар с учетом геометрии поверхностей, нагрузки, температуры и физико-механических свойств материалов. Влияние макроотклонений на поверхностях контактов на КТС исследовалось экспериментальным путем. На рис 1.7 и 1.8 представлены данные опытов из работ [31] и [23].
Видно, что наличие неплоскостности или волнистости приводит к значительному росту КТС. Так, наличие на поверхностях контактов образцов из стали ЗОХГСА неплоскостности порядка 0,6 мм/м повышает КТС в 3 и более раз по сравнению с контактами, имеющими плоскошероховатые поверхности. Еще в ранних работах [17,18,35] в процессе экспериментальных исследований отмечалось, что КТС при плавном снятии нагрузки на контактные пары отстает от его значений при нагружении. Отмеченный эффект более детально рассмотрен в работах авторов [36-38]. На рис 1.9 приведены данные опытов для образцов из латуни, подвергнутых первоначальному и последующим нагружениям. Характер зависимости Rk = f(P) при таких нагружениях представляется различным. Во время первоначального нагружения имеет место смятие максимальных выступов микронеровностей. Отсюда при повторном нагружении за счет большей площади фактического контакта и меньшей толщины прослойки КТС имеет меньшую величину. Значительный объем экспериментальных работ по контактному теплообмену занимают исследования по вопросам терморегулирования в зоне контакта. Исследованиями, носящими в основном практический характер, разработан ряд рекомендаций по изменению величины КТС в контактных соединениях [1,3,5,25,26].
Математическое моделирование процесса формирования контактных термосопротивлений в соединениях с окисленными поверхностями
Ранее отмечалось [6,7], что при соприкосновении металлических поверхностей за счет шероховатости и макронеровностей площадь фактического контакта составляет малую часть номинальной поверхности. Отсюда за счет дискретного характера касания при прохождении теплового потока через зону контакта возникает дополнительное контактное термосопротивление. При контакте плоскошероховатых поверхностей, как правило, пятна фактического контакта равномерно распределяются по номинальной поверхности. При этом контактирующие тела можно рассматривать как плотную упаковку одинаковых правильных шестиугольных призм, каждая из которых имеет одно пятно контакта. Отсюда принято рассматривать оба соприкасающихся тела как бы составленными из элементарных параллельных тепловых каналов с замкнувшимися контактами. Поскольку перенос тепла во всех каналах происходит идентично, то считается, что теплообмен на боковых границах отсутствует и происходящие в отдельном тепловом канале тепловые процессы отражают в целом особенности контактного теплообмена для всей поверхности. В качестве модельного теплового канала в ряде работ [79-83] принимался контактный элемент в форме прямого кругового цилиндра с кольцевой проточкой (рис. 2.1). В основу рассматриваемой модели положено понятие о представительном элементе (микроконтакте) системы конечных размеров (рис. 2.2), имитирующем контакт микровыступов сферической формы, как наиболее близкой к реальной [7,8]. С каждым микроконтактом коаксиально связан круговой цилиндрический канал из материала смежных тел. Поскольку передача тепла во всех каналах идентична, то считаем боковые поверхности адиабатическими и процесс теплообмена в отдельном тепловом канале типичным для всей системы.
Известно [7], что величина максимального угла наклона микровыступа не превышает 10 — 12, поэтому можно принять поверхность контакта за плоскость. Сложный характер взаимодействия реальных поверхностей накладывает ограничения на моделирование процесса контактного теплообмена, поэтому введем ряд ограничений: - контактируют плоско-шероховатые поверхности; - все микроконтактные площадки имеют форму круга с постоянным в данный момент радиусом а; - физические свойства поверхностного слоя не отличаются от свойств основного тела; в межконтактнои полости — вакуум; подобного контактного элемента сводится к определению температурного поля для полуограниченной области в цилиндрической системе координат (рис. 2.2) со смешанными граничными условиями. Точное аналитическое решение такой задачи сопряжено со значительными трудностями. Вместе с тем, поскольку находится только величина термосопротивления контакта, а не точное температурное распределение, то можно, несколько видоизменив постановку задачи, получить решение. Для этого перейдем от смешанных граничных условий к условию в форме распределения температурного градиента на области 0 г а при Z = 0, которое практически приводит к почти постоянной температуре в этой области. При ос малых значениях — температурный градиент имеет форму Еще более упростим задачу, принимая условие отсутствия теплового потока на всех поверхностях кроме контактной площадки (контакт в вакууме). Тогда для половины теплового канала эта задача сводится к решению уравнения Лапласа в цилиндрических координатах: Решение уравнения (2.5) представляется в форме: Здесь рп — собственные значения и с учетом (2.8) являются корнями уравнения Если принять условия (2.6) и (2.10), ортогональные свойства функций Бесселя, а также интегральную зависимость то получим Принятые выше граничные условия затрудняют нахождение значения С0. В тоже время из анализа (2.10) и (2.12) можно видеть, что для Z = 0 С0 выражает среднее значение температуры.
Тогда, используя уравнение (2.10), среднюю температуру в области 0 г а при Z = 0 можно представить в виде откуда Коэффициент р находим из условия равенства теплового потока через поверхность izrQ2 потоку тепла через площадку контакта лсс , т.е. или Подставляя (2.13) и (2.14) в (2.12), получаем выражение, описывающее температурное поле в тепловом канале Если проанализировать физическую сущность слагаемых уравнения (2.15), то можно видеть, что при Z — оо независимо от г описывает изменение температуры по длине теплового канала сечением тиг02, при Z = 0 обращается в ноль. Первый член этого уравнения имитирует дополнительное повышение температуры ATiq = Tz=0 в области Z » г0, компенсирующее повышение термосопротивления за счет сужения канала при прохождении теплового потока, т.е. носит название коэффициента стягивания [4]. Так как термосопротивление стягивания при отсутствии теплопроводной среды в зазоре равняется то, заменив Д Тк1 из (2.16), получаем Для контакта из разнородных материалов Полученное решение не исчерпывает всех возможных условий процесса контактного теплообмена. В практических задачах возможны условия постоянства теплового потока через площадку контакта. Заменим граничные условия (2.6) на
Методика и установка для исследования процесса теплообмена в зоне контакта поверхностей с оксидными пленками
Для апробации предложенных выше моделей процесса контактного теплообмена через соединения с окисленными поверхностями разработана соответствующая методика и установка, общий вид и принципиальная схема которой приведены на рис. 3.1 и 3.2. Основным элементом установки является рабочий участок, состоящий из двух металлических стержней специальной геометрии (рис. 3.3), один из которых выполняет роль нагревателя, а второй - холодильника. Нагрев верхнего стержня осуществляется электрическим нагревателем, нагрузка которого регулируется автотрансформатором и реостатом. Охлаждение нижнего стержня производится водой с помощью специальной камеры, в которую крепится этот стержень. Стержни по вей длине имеют хорошую теплоизоляцию. Таким образом, по стержням транспортируются тепловые потоки заданной величины. Каждый стержень имеет по пять радиальных сверлений диаметром 1,5 мм на глубину 15 мм для хромель-копелевых термопар на расстоянии 10 мм друг от друга и 5 мм от поверхности контакта. Спаи термопар заделывались в сверления и укреплялись жаропрочным цементом, что предохраняло термопары от перемещения, а также изолировало их от контакта с материалом стержней. Электродвижущая сила, развиваемая термопарой, измерялась компенсационным методом при помощи потенциометра. Стержни длиной 100 мм и диаметром 30 мм изготавливались из латуни марки Л80 и сплава Д16Т. Как видно при проведении модельных исследований, зона контакта стержней имитирует геометрию отдельного контакта. Оксидная пленка в ряде случаев заменялась прокладкой или покрытием из соответствующего малотеплопроводного материала. Специальное рычажное приспособление позволяло создавать заданное усилие прижима стержней. При определении КТС применялись стержни с плоскими поверхностями (рис. 3.3,а). Для реализации экспериментальной программы по исследованию процесса формирования КТС использовался стационарный метод, основанный на законе Фурье и дифференциальном уравнении теплопроводности для неограниченной пластины с изотермическими поверхностями при стационарных условиях теплового режима, то есть 7ср
Величину среднего теплового потока определяли по градиенту температур в верхнем и нижнем стержнях по формулам: где X], A? - коэффициенты теплопроводности материалов верхнего и нижнего стержней; Тп и Тп + ь Тт и Тт +1 - температуры в смежных точках стержня, где установлены термопары; /п - /п + і и 1т - 1т + і - расстояния между смежными точками (рис. 3.3,в). Средний тепловой поток через единицу поверхности находился из выражения: Рисунок 3.2 - Принципиальная схема установки для модельного исследования теплообмена в зоне контакта поверхностей с оксидными пленками и определения КТС. 1 — рабочий участок; 2 - автотрансформатор с реостатом; 3 - вольтметр; 4 - амперметр; 5 - щеточный переключатель термопар; 6 - потенциометр; 7 - сосуд Дьюара; 8 - самопишущий потенциометр; 9 - емкость Входящий в (3.14) температурный скачок АТК непосредственно измерить в процессе эксперимента невозможно, так как заделка спая термопар в плоскости контакта сложна в реализации и не гарантирует надежность и точность. Поэтому используется косвенный способ определения температурного скачка. Для этого в каждом опыте по показаниям заделанных термопар строятся графики изменения температуры по длине образцов. Поскольку теплопроводность материала образцов в небольшом интервале температур изменяется незначительно, то температурная кривая близка к прямой линии (рис. 3.3). Как отмечалось ранее, помимо статических контактов в теплонапря-женных системах встречаются металлические соединения, работающие в режиме периодического контактирования [56-58]. В таких соединениях могут иметь место контакты с поверхностями, покрытыми оксидными пленками. Для получения достоверной информации о процессе формирования КТС таких соединений требуется проведение экспериментальных исследований.
Исследования проводились на установке, общий вид и принципиальная схема которой приведены на рисунках 3.4 и 3.5. В состав установки входит камера, в которой установлено два стержня диаметром 24 мм и длиной 120 мм с теплоизолированными боковыми поверхностями. В верхнем взаимозаменяемом стержне установлен электронагреватель, мощность которого регулируется реостатом. Этот стержень совершает возвратно-поступательное движение с помощью электродвигателя через вал с кулачком. Время контакта стержней регулируется специальным таймерным устройством, позволяющим отключить электродвигатель на заданный период времени. Заданное давление в зоне контакта стержней поддерживается сменными пружинами. Нижний стержень выполняет функции холодильника, питаемого подаваемой че рез ультратермостат водой. Показания температур по длине стержней фиксируются потенциометром с помощью четырех для каждого стержня хромель-копелевых термопар. Девятая термопара устанавливалась в районе электронагревателя. Термопары заделывались в специальные сверления диаметром до 0,5 мм на глубину радиуса стержней и крепились с помощью специальных полимерных зажимов. Применялись стержни из меди марки М2 и сплава Д16Т. Особое внимание уделялось вопросам подготовки поверхностей контактов к экспериментам. Поскольку планировалось исследовать окисленные контакты с плоскошероховатыми поверхностями, при обработке торцевых поверхностей стержней применялись специальные приспособления в форме различных блоков с посадочными местами для образцов [3].
Шероховатость поверхностей находилась из профилограмм, снятых контактным методом на профилометре-профилографе «Калибр ВЭИ» с пределами измерений по Rz = 40 - 0,04 мкм и погрешностью показаний 110%. Частота и длительность непосредственного контакта стержней замерялись с помощью секундомера, усилие прижима между стержнями предварительно рассчитывалось путем тарировки отдельных пружин. Порядок постановки опытов осуществлялся следующим образом. Для каждой серии опытов перед включением нагревателя осуществлялся пуск электродвигателя и проводилось порядка 50 циклов контактирования и разъединения стержней. После подобного механического тренинга включались электронагреватель, холодильник и измерительная аппаратура. С помощью реостата и таймера задавались частота и длительность контакта. По достижении выраженного квазистациоиарного теплового режима по длине стержней осуществлялся замер температур в период непосредственного контакта и в период размыкания концов стержней. Производились три замера температур для рассматриваемого режима по восьми термопарам в горячем и холодном стержнях и температуры по термопаре, установленной в области нагревателя.
Теплообмен через контактные соединения с окисленными поверхностями, имеющими волнистость или макроотклонения формы
Как отмечалось ранее, в реальных контактных соединениях теплона пряженных технических систем особенно с развернутой поверхностью кон такта имеет место контактный теплообмен через зону раздела с макроконтактами за счет наличия на поверхностях соприкосновения волн или макроотклонений формы. Экспериментально установлено значительное повышение КТС в таких соединениях по сравнению с контактными соединениями из плоскошероховатых поверхностей [3,5,2,3]. Анализ проведенных ранее исследований процессов контактного теплообмена показывает, что исследовались в основном контактные пары с чистыми поверхностями. В тоже время для науки и практики несомненный интерес представляют данные по формированию КТС в соединениях с поверхностями, имеющими макронеровности и покрытыми оксидными пленками. Исследования проводились на образцах из сплава Д16Т с волнистыми, поверхностями, полученными по методике, описанной в работе [3] и стали Ст.2. Контактные поверхности обрабатывались фрезерованием. Параметры поверхностей находились по снятым с них продольным и поперечным про-филограммам. Для выращивания оксидных пленок применялся термический способ. Толщина оксидных пленок определялась по цветным картам. Данные проведенных опытов представлены на рис.4.5. Из расположения кривых зависимости Rk=f(P) видно, во - первых, что для контактов с волнистыми поверхностями КТС значительно выше, чем для контактных пар с плоскошероховатыми поверхностями. Во — вторых, наличие на поверхностях контакта из сплава Д16Т оксидных пленок ведет к повышению общего КТС. При этом увеличение толщины оксидной пленки как и для плоскошероховатых поверхностей приводит к повышению КТС по абсолютной величине.
Приведенные на рис.4.5 данные расчетов по формуле (2.67) в виде штриховой кривой дают удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными. Из анализа данных рис.4.5 можно сделать также вывод, что отмеченные ранее для плоскошероховатых поверхностей снижение КТС для контактных пар с окисленными поверхностями при уменьшении отношения О. Рисунок 4.5 Зависимость КТС от нагрузки при отсутствии (1,4) и наличии (2,3,5,6) оксидных пленок на поверхности образца из сплава Д16Т контактной пары Д16Т — Ст 2. Чистота обработки поверхностей первой контактной пары (1,2,3) Rzi = 5,6 -10"6 м, RZ2 = 4,7 -10 6 м; средняя высота волны HBi = 28- 10 6 м. Для второй пары (4,5,6) RZ1 = 4,3 10"6 м; RZ2 = 2,1 -Ю-6 м; HBi = 12- 10"6 м. Среда - воздух; Тк = 403 К. Толщина окисной пленки на поверхности Д16Т: 2,5-50 = (500-550) 10"6 м; 3,6 - 50 = (1050-1100) -10"6 м. Штриховая линия расчет для позиции 3. Рисунок 4.7 Зависимость КТС от нагрузки при отсутствии (1) и наличии оксидных пленок (2,3) на поверхностях контактной пары из стали Ст 2. Чистота обработки поверхностей - Rz( = 1,53 10 6 м, Rz2 = 1,4 10"бм. Относительная неплоскостность оУвн = 63-10"5; d = 32 10 6 м. Среда - воздух. Тк = 393К. Штриховая линия - расчет для позиции 3. толщины оксидных пленок к средней высоте микронеровностей имеет место и для соединений с волнистой поверхностью. В конкретном случае КТС снижается с уменьшением отношения 01+ 2 при контакте плоской и волни стой поверхностей или при контакте двух волнистых поверхностей. Специальная серия опытов была проведена на образцах с контактными поверхностями, имеющими неплоскостность. Для получения таких поверхностей применялась методика, описанная в работе [3]. Исследовалось формирование КТС для контактных пар из сплава Д16Т и стали Ст 2. Для выращивания оксидных пленок применялся термический метод. Толщина оксидных пленок как и в предыдущих случаях находилась с помощью цветных карт. Результаты проведенных испытаний приведены на рис.4.6 и 4.7. Из анализа опытных данных видно, что для контактных соединений с окисленными поверхностями, имеющими макроотклонения формы, характер кривых зависимости Rk = f(P) практически не изменяется, если сравнивать с контактными парами с плоскошероховатыми и волнистыми поверхностями. Можно отметить только общее повышение КТС, которое можно объяснить уменьшением площади фактического контакта поверхностей с макроотклонениями. Как и для контактов с волнистыми поверхностями, в данном случае имеет место меньший эффект снижения КТС для пар с окисленными металлическими поверхностями при увеличении сжимающей нагрузки по сравнению с контактными парами из плоскошероховатых поверхностей. Объяснить подобную тенденцию формирования КТС можно меньшим ростом площади фактического контакта под действием нагрузки [7,8].
Как отмечалось ранее, определенный научный и практический интерес представляют экспериментальные данные по формированию термосопротивления в зоне контакта окисленных периодически соприкасающихся металлических поверхностей. На специальной установке, описанной в параграфе 3.5, проводились испытания стержневых образцов из сплава Д16Т и меди М2 при наличии и отсутствии на поверхностях контактов оксидных пленок различной толщины. Определялась зависимость термосопротивления за счет прерывания теплового потока от отношения длительности контакта к длительности периода для случая, когда имеет место КТС в зоне контакта при непосредственном сопряжении поверхностей. Для получения образцов с окисленными поверхностями контакта последние подвергались предварительной термообработке. Основные характеристики материалов образцов, геометрические параметры контактирующих поверхностей , условия экспериментов, и результаты приведены в таблицах 4.1 и 4.2. Исследования проводились при фиксированной частоте, усилии прижима и коэффициенте температуропроводности для образцов в виде стержней из сплава Д16Т и меди М2. Испытывались контактные пары с чистыми и окисленными поверхностями контакта. В процессе экспериментов менялось время непосредственного контакта образцов тк. Приведенные в таблицах 4.1 v/i2 и 4.2 значения контактного термосопротивления RK и комплекса (—f-) находились по трем замерам для каждого частного случая по значению частоты. Анализируя графики рис. 4.8 и 4.9 можно видеть, что, как и следовало ожидать, наличие оксидной пленки на поверхностях контакта сопровождает ся ростом безразмерного комплекса (——), характеризующего контактное термосопротивление. При этом следует, что общее термосопротивление тепловому потоку через периодически контактирующие поверхности образцов в виде комплекса (——) зависит от КТС и тем заметнее, чем больше отношение длительности контакта к длительности периода VTK.
