Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы контактного теплообмена. Цель и задачи исследования 9
1.1. Основные понятия о тепловом контакте твердых тел. Контактное термическое сопротивление 10
1.2. Основные факторы, определяющие формирование контактных термосопротивлений для статических контактов 15
1.3. Состояние проблемы теплообмена в системах с нестатическими контактами 25
1.4. Выводы. Цель работы и задачи исследования 29
Глава 2. Моделирование процесса теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности 31
2.1. Задача о контактной теплопроводности двух периодически соприкасающихся стержней 31
2.2. Тепловая модель процесса теплообмена через периодически соприкасающиеся поверхности стержней при отсутствии контактного термосопротивления 45
2.3. Тепловая модель процесса теплообмена через периодически соприкасающиеся поверхности стержней при наличии контактного термосопротивления 50
2.4. Выводы 52
Глава 3. Постановка, программа, методика и установка для эксперимен тальных исследований 53
3.1. Характеристика и программа экспериментальных исследований 53
3.2. Объекты исследований 54
3.3. Планирование эксперимента 54
3.4. Методика и установка для исследования теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности и определения контактных термосопротивлений для замкнутых контактов 56
3.5. Статистическая обработка результатов исследований и методика определения погрешностей 64
3.6. Выводы 66
Глава 4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и их анализ 61
4.1. Теплообмен через периодически соприкасающиеся металлические поверхности при отсутствии контактных термосопротивлений 61
4.2. Теплообмен через периодически соприкасающиеся металлические поверхности при наличии контактного термосопротивления 71
4.3. Влияние макрогеометрии контактирующих поверхностей, природы материала контактных пар, температуры, усилия прижима и наличия окисных пленок на теплообмен через периодически соприкасающейся поверхности 74
4.4. Практическая реализация научных решений 86
4.5. Выводы 89
Основные выводы и результаты 90
Список использованной литературы 91
Приложения 100
- Основные факторы, определяющие формирование контактных термосопротивлений для статических контактов
- Тепловая модель процесса теплообмена через периодически соприкасающиеся поверхности стержней при отсутствии контактного термосопротивления
- Методика и установка для исследования теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности и определения контактных термосопротивлений для замкнутых контактов
- Теплообмен через периодически соприкасающиеся металлические поверхности при наличии контактного термосопротивления
Введение к работе
Развитие современной техники сопровождается интенсивным повышением тепловых нагрузок узлов и деталей конструкций. На тепловой режим таких технических систем значительное влияние оказывает контактное термическое сопротивление, обусловленное несовершенством механического соединения контактирующих металлических поверхностей. Этому вопросу в настоящее время посвящено большое количество исследований [1,2]. При этом в большинстве работ исследуются процессы теплообмена в соединениях со статическими контактами. В тоже время во многих энергетических установках (паро- и газотурбинные установки, двигатели внутреннего сгорания), металлообрабатывающих комплексах и других технических системах имеют место соединения с периодически контактирующими металлическими поверхностями, через которые проходят тепловые потоки высокой плотности.
К такого рода соединениям можно отнести контактные пары в виде седло клапана - гнездо в головке блока двигателей внутреннего сгорания, заготовка и пуансон при обработке металлов давлением, паяльник-заготовка и др.
В процессе проектирования, изготовления и эксплуатации указанных систем требуется информация о формировании температурных полей, характерных особенностях теплообмена и возможных мероприятиях по направленному регулированию протекания тепловых процессов.
Основываясь на известных положениях из теории контактного теплообмена [1], можно утверждать, что процесс теплопереноса через периодически контактирующие поверхности будет зависеть от температурных условий на поверхностях контакта, теплофизических характеристик материалов контактирующих тел, частоты и продолжительности контакта, а также от контактного термосопротивления в зоне сопряжения при замкнутых контактах.
Данная работа выполнялась по плану НИР ВГЛТА в рамках темы «Разработка и обоснование методов расчета и способов изменения термических со- противлении в контактных соединениях конструкций» (гос. per. 201.85.00. 52.971).
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование и разработка модели процесса теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
Получение аналитического решения математической модели процесса контактной теплопроводности через периодически контактирующие поверхности.
Разработка тепловой модели теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности при наличии и отсутствии контактного термосопротивления.
Установление влияния частоты и длительности контакта в течение цикла на процесс теплообмена.
Экспериментальное исследование влияния природы материалов, геометрии поверхностей контакта, температурных условий, усилий прижима и окисных пленок на термосопротивление тепловому потоку между периодически контактирующими поверхностями при наличии контактного термосопротивления.
Научная новизна работы.
Получено аналитическое решение математической модели процесса контактной теплопроводности через периодически контактирующие металлические поверхности, позволяющее понять физическую сущность процесса.
Разработана тепловая модель теплопереноса через периодически контактирующие металлические поверхности отличающаяся учетом влияния контактного теплообмена.
Установлено влияние частоты и длительности контакта в течение цикла на процесс теплообмена в таких системах.
4. Экспериментально установлено влияние природы материалов, геометрии поверхностей контакта, температурных условий, усилий прижима и окисных пленок на термосопротивление тепловому потоку через периодически контактирующие поверхности при наличии контактного термосопротивления.
Указанные составляющие научной новизны являются положениями, выносимыми на защиту.
Практическая значимость работы и реализация результатов
Приведенные в работе результаты исследований позволяют в производственных условиях:
Варьируя частотой и длительностью контакта в течение цикла направленно регулировать процессом теплообмена между периодически контактирующими теплонапряженными элементами технических систем.
Рассчитывать термосопротивление между периодически контактирующими металлическими поверхностями при наличии и отсутствии контактного термосопротивления.
Путем изменения природы материалов, геометрии поверхностей контакта, температурных условий и усилий прижима создавать системы с периодически контактирующими элементами с прогнозируемыми условиями протекания процессов теплообмена.
Результаты диссертационной работы непосредственно используются при проведении лабораторно-практических занятий по дисциплине «теплотехника» на кафедре «электротехники, теплотехники и гидравлики» Воронежской государственной лесотехнической академии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены на XXX Гагаринских чтениях (Москва, 2004г.), на 24 Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева (Екатеринбург, 2004г.), на XII Туполевских чтениях (Казань, 2004г.), Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию лесоинженерного факультета (Воронеж, 2004г.), на научных конференциях Воронежской государственной лесотехнической академии (Воронеж, 2003, 2004гг.).
Тематика исследований входит в ежегодные планы научно-исследовательской работы кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики ВГЛТА.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 109 страниц, основное содержание работы изложено на 99 страницах машинописного текста, включает 29 рисунков и 6 таблиц.
Основные факторы, определяющие формирование контактных термосопротивлений для статических контактов
Как отмечалось выше, основные исследования по контактному теплообмену проводились для технических систем со статическими контактами. Из анализа формулы (1.11), описывающей полное КТС в общем виде, видно, что на формирование Доказывают влияние природа материалов контактной пары и межконтактной среды, давление на поверхности контакта, геометрия поверхностей, температурные условия и ряд других, установленных в процессе экспериментов, факторов. На графиках рис. 1.3 по данным авторов работ [11... 13] представлены зависимости КТС в воздушной среде для контактной пары из стали Э1Х13 от усилий прижима. 0 20 40 60 80 Р,МПа Рисунок 1.3. Зависимость КТС для образцов из стали Э1Х13 в воздушной среде от давления при различной чистоте обработки поверхностей. 1 - Rz = 3,1 мкм; 2 - RZi = 11 мкм, R = 3,1 мкм; Из расположения кривых видно, что с увеличением усилий сжатия образцов КТС снижается и тем интенсивнее, чем больше шероховатость контактных поверхностей. Повышение чистоты обработки сопровождается уменьшением величины КТС. Характер кривых RK = f{P) для образцов с различной чистотой обработки поверхностей объясняется ростом фактической площади контакта под действием давления на образцы. На графиках рис. 1.4 представлены результаты исследований из работ [14,15] для образцов из стали ЗОХГСА и алюминиевого сплава Д16Т. Из расположения кривых видно, что при практически одинаковой чистоте обработки поверхностей контактов КТС для малотеплопроводной пары из стали ЗОХГСА значительно выше, чем для пары из сплава Д16Т. Этот факт также свидетельствует о превалирующем вкладе проводимости непосредственно через микрокон- такты. Из этого же рисунка видна зависимость КТС от температуры в зоне контакта. С увеличением температуры КТС заметно снижается, что можно объяснить ростом фактической площади контакта при снижении твердости материалов контактной пары. Заметное влияние на КТС оказывает природа газовой среды в межконтактной области [16. ..20]. Как видно из графиков рис. 1.5, наибольшее термосопротивление имеет место для вакуума, наименьшее у контактной пары с водородом в межконтактной зоне. Таким образом, величина КТС определяется в известной мере коэффициентом теплопроводности межконтактной среды при одинаковых значениях остальных факторов.
В ряде экспериментальных работ [21...23] отмечалось, что КТС при постепенном снятии нагрузки несколько отстает от его значений при нагружении. Более детально этот эффект рассмотрен в работах [23.. .26]. На графиках рис. 1.6. представлены данные, относящиеся к первоначальному нагружению образцов до предельного давления и разгрузке и повторному нагружению и разгрузке также до предельного давления. Характер зависимости КТС от нагрузки при первоначальном и повторном нагружении оказывается различным. Здесь сказывается процесс смятия максимальных выступов микронеровностей при первоначальном нагружении образцов. По этой причине в большинстве экспериментальных исследований по контактному теплообмену для лучшей воспроизводимости данных опытов принято образцы предварительно подвергать обжатию при максимальных нагрузках. Как отмечалось ранее, для встречающихся на практике поверхностей часто характерны, кроме шероховатости, крупномасштабные искажения формы, а именно, волнистость и отклонение от плоскости. Такие отклонения от идеально плоской поверхности заметно влияют на КТС [2,9,14,27...33]. При определении термического сопротивления фактического контакта (в вакууме) для соединений с поверхностями, имеющими макроотклонения формы, в работе [28] предложена тепловая модель, основанная на проявлении эффекта двойного стягивания теплового потока. Считается, что тепловой поток при подходе к зоне раздела вначале концентрируется у крупномасштабных контактных областей, затем еще больше стягивается к микроскопическим контактным пятнам в пределах макроскопической области, т.е. претерпевает двойное стягивание. Отсюда контактное сопротивление фактического контакта выражается в форме где RMaKp и RMUKp - соответственно термосопротивления стягивания к макро-и микроконтактам. Полное КТС для теплопроводной межконтактной среды с учетом уравнения (1.3) имеет вид
Тепловая модель процесса теплообмена через периодически соприкасающиеся поверхности стержней при отсутствии контактного термосопротивления
Решенная выше задача контактной теплопроводности двух периодически соприкасающихся стержней описывает физику процесса теплообмена для положений соединенных и разъединенных поверхностей. Для реализации инженерной задачи рассмотрим модель процесса теплообмена при известных показаниях термодатчиков по длине стержней. Вначале обратимся к задаче с условием отсутствия контактного термосопротивления при соединенных контактах. На рис. 2.3,а приведена система из двух идентичных по размерам и материалам контактирующих торцами стержней А В и С D, оси которых находятся на одной прямой. Температуры на противоположных от зоны контакта торцах ТА и TD постоянные и ТА TD. При условии адиабатности боковых поверхностей стержней при прохождении теплового потока распределение температур по длине стержней при их контактировании изобразится линией AOD и при разъединении стержней линией АС/сУ Д (рис. 2.3,6). Можно полагать, что в условиях прерывистого контакта с постоянной частотой распределение температуры будет укладываться между отмеченными крайними значениями. На рис. 2.4, б показано мгновенное распределение температуры для условий, когда поверхности контактируют (линия AajOdiD) и когда поверхности разъединены (линия Aa C/C diD).
Рассмотрим распределение усредненных по времени температур в горячем стержне, для чего разделим его на конечные элементы в соответствии с местами заделки термодатчиков, как это представлено на рис. 2.5, а. Приведенные на рис 2.5 значения температур по длине стержня Тіпр, .... ,Т5пр получены в процессе эксперимента для режима периодического контактирования при условии идеального контакта (RK - 0). Появляется возможность графической интерпретации длины участка стержня hnp, представляющего собой термическое сопротивление вследствие периодического прерывания теплового потока. По сути дела на пути теплового потока в этом случае возникает термосопротивление, состоящее из двух независимых термосопротивлений Ri и R.2. При этом Ri представляет сопротивление, создаваемое непосредственно материалом стержня длиной h в условиях постоянного контакта. Сопротивление R2 выражает собой термосопротивление за счет периодического прерывания теплового потока при разъединении стержней. Это сопротивление может быть выражено частью этого же стержня - Н .
Данные рис. 2.5 позволяют выразить аналитически потери теплового потока при периодическом прерывании теплового потока за счет разъединения стержней. В этом случае разность между тепловыми потоками для стационарного и квазистационарного состояний запишется характеризующие собой термосопротивле ние вследствие периодического прерывания процесса теплообмена при разъединении стержней и непосредственно стержня, а также соотношение длительности контакта к длительности периода. Особый практический интерес представляет установление зависимости Установление зависимости (2.63) для условий, близких к реальным, возможно лишь при проведении специальных экспериментальных исследований.
Методика и установка для исследования теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности и определения контактных термосопротивлений для замкнутых контактов
Поставленная в работе задача изучения процесса теплообмена между периодически контактирующими металлическими поверхностями требует создания экспериментальной установки, позволяющей (как это следует из главы 2) определять комплексно общее термосопротивление на пути теплового потока через периодически контактирующие поверхности и контактное термосопроти вление для замкнутых контактов. Для реализации данной задачи создана экспериментальная установка общий вид и принципиальная схема которой представлены на рис. 3.1 и 3.2.
Установка включает в себя камеру, в которой установлены исследуемые стержни диаметром 24 мм и длиной 120 мм с тепловой изоляцией, позволяющей снизить до минимума радиальные потери тепла. В верхнем стержне установлен электронагреватель, мощность которого регулируется реостатом. Конструкция крепления верхнего стержня предусматривает возможность его замены. Этот стержень совершает возвратно-поступательное движение с помощью электродвигателя через вал с кулачком. Время контакта стержней регулируется специальным таймерным устройством, позволяющим отключать электродвигатель на заданный период времени. Заданное давление в зоне контакта стержней поддерживается сменными пружинами. Нижний стержень охлаждается холодильным устройством, питаемым с помощью ультратермостата.
Температурный режим по длине стержней и в зоне контакта фиксировался с помощью четырех для каждого стержня хромель-копелевых термопар с диаметром электродов 0,2 мм. Одна термопара устанавливалась со стороны нагревателя. Термопары изготавливались электродуговой сваркой в насыщенном растворе хлористого натрия. Полученные спаи были прокованы, отшлифованы до определенных размеров, так что форма спая соответствовала эллипсоиду. Поверхность эллипсоида была полирована. При тарировке термопар использовалась стандартная методика, измерительный мост 1111 -63 и термометры ТМ -6Л по ГОСТу 112-78 с ценой деления 0,2С.
Термопары заделывались в специальные сверления диаметром до 0,3 мм на глубину радиуса стержней и крепились с помощью специальных полимерных зажимов. Места заделки термопар располагались согласно данным рис. 3.3 для «горячего стержня». Расстояние между термопарами измерялось с помощью микроскопа с точностью ± 0,05 мм. Графическая экстраполяция при наличии четырех термопар на каждом стержне вносит погрешность, равную 20% отклонения температуры за счет погрешности эксперимента, т.е. 0,06С. В ряде слу чаев при малых тепловых потоках и малых градиентах температур на длине стержней относительная погрешность доходит до 25.. .27%. Для фиксации показаний термопар использовался самопишущий потенциометр марки КСП -4 и осцилограф. В роли контролирующего инструментария выступал гальванометр марки М -95.
Особое внимание уделялось вопросам подготовки поверхностей контактов к экспериментам. Как показывает практика получение заданной геометрии металлических поверхностей, создание плоскошероховатых поверхностей особенно при чистовых операциях (шлифование, притирка, доводка) для ограниченных площадей труднореализуемо. Поэтому применялось специальное приспособление в виде различных блоков с посадочными местами для образцов и стяжными болтами [2]. Для получения на торцах стержней волнистых поверхностей также использовалось специальное приспособление, позволяющее создавать регулярную волнистость. Обработка контактных поверхностей стержней без указанного выше приспособления позволяла получать поверхности с неплоскостностью. 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 ± 10%.
Волнистость поверхностей оценивалась по волнограммам, снятым на том же профилометре - профилографе «Калибр ВЭИ» с плоской опорой на головке прибора. Отклонения формы плоской поверхности, которые оцениваются неплоскостностью, замерялись на оптиметре ИКВ с ценой деления шкалы 0,001м и погрешностью показаний ± 0,0003 мм.
Частота и длительность непосредственного контакта стержней замерялись с помощью секундомера. Усилие прижима между стержнями предварительно рассчитывалось путем тарировки отдельных пружин.
Постановка экспериментов осуществлялась в следующем порядке. Для каждой серии опытов перед включением нагревателя осуществлялся пуск электродвигателя и проводилось порядка 50 циклов контактирования и разъединения стержней. После такого механического тренинга включались электронагреватель, холодильник и потенциометр. С помощью реостата и таймера задавались частота и длительность контакта. По достижении выраженного квазистационарного 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 8 термопарам в горячем и холодном стержнях и температуры по термопаре, установленной в области нагревателя (рис. 3.4). Схематичное распределение температур по длине стержней представлено на рис. 2.5. Здесь температуры TV..T4 характерны для состояния замкнутых контактов и температуры Т1пр...Т4пр для состояния, когда стержни разъединены. Термопара у нагревателя показывает значение температуры ТА. По полученным значениям температур с помощью выражений (2.61) и (2.62) находится длина участка стержня, представляющее термосопротивление вследствие периодического прерывания теплового потока. Входящее в (2.62) значение длины стержня принимается из конкретного размера горячего стержня до термопары в области нагревателя.
Теплообмен через периодически соприкасающиеся металлические поверхности при наличии контактного термосопротивления
Ранее, в главе 1 работы, особо отмечалось существенное влияние на контактное термосопротивление наличия на контактирующих поверхностях различного рода макроотклонений и волнистости [28...33]. Очевидно, что и в системах с периодически контактирующими поверхностями могут иметь место такого рода макронеровности и естественно возникает необходимость исследования процесса теплообмена в таких системах. Исследовались контактные пары стержней, у которой верхний (горячий) стержень имел поверхность контакта с волнами и неплоскостями. Как следует из теории механического контактирования металлических поверхностей [5,6], в зоне контакта образуются макроконтактные площадки, причем площадь непосредственного касания значительно меньше, чем у рассматриваемых в предыдущем случае плоскошероховатых поверхностей. Отсюда следует ожидать повышения термосопротивления на пути теплового потока. Основные характеристики образцов контактных пар в виде стержней из стали 12Х18Н10Т, условий опытов и полученные результаты в виде контактно- го термосопротивления RK и комплекса ка2 , представлены в табл. 4.3.
Особое внимание уделялось созданию на контактной поверхности стержня так называемой регулярной волнистости. Для этих целей применялось устройство для горизонтального перемещения образца на столе станка. Образец помещался на стол станка и с помощью второго приспособления сдвигался на величину шага волны L после каждого врезания инструмента. Так, при шлифовании даже появлялась возможность заранее подсчитать высоту волны по формуле Нв = /on, где R - радиус шлифования круга. Волнистость поверхности оценивалась по волнограммам, снятым на профилометре - профилографе «Калибр ВЭИ» с плоской опорой на головке прибора. Основным параметром волнистой поверхности принималась средняя высота волны Нв. Отклонения формы плоской поверхности в виде неплоскостности замерялись на оптиметре ИКВ. В качестве определяющего параметра неплоскостности принималась относительная эквивалентная неплоскостность с1жв/в, где dwa - эквивалентная неплоскостность, в - длина половины неплоскостности. Тепловые исследования проводились также при фиксированных частоте, усилии прижима и коэффициенте температуропроводности. Результаты проведенных испытаний приведены кроме таблицы 4.3 на графиках рис. 4.3. Анализируя эти данные, можно видеть заметное влияние на об- 75 щее термосопротивление тепловому потоку через периодически контактирующие поверхности со стороны контактного термосопротивления. Особо следует отметить в этой связи реакцию общего термосопротивления на наличие на поверхностях контактов волн и неплоскостности. Как и для статических контактов в данном случае наличие макронеровностей в виде волн и неплоскостности приводит к многократному увеличению контактного термосопротивления и соответственно повышает общее термосопротивление.
Так, из рис. 4.3 следует, что для контактов с плоскошероховатыми поверхностями общее термосопротивление минимально (кривая 1). Наличие волн и неплоскостности сопровождается увеличением общего термосопротивления. При этом увеличение высоты волны Нв и относительной неплоскостности экв/ приводит к еще более вы- сокому значению термосопротивления на пути теплового потока (кривые 2 и 4). В теплонапряженных технических системах, работающих в режиме периодического контактирования отдельных деталей и узлов, последние изготавливаются из различных металлов и сплавов. Естественно возникает необходимость исследования возможного влияния природы контактирующих тел на контактное термосопротивление и общее сопротивление тепловому потоку через периодически соприкасающиеся поверхности. Исследовались стержни, изготовленные из стали 12Х18Н10Т, меди М2 и сплава Д16Т. Характеристики образцов и условия экспериментов приведены а таблице 4.4. При этом следует отметить следует отметить, что в целях сопоставления данных экспериментов чистота обработки контактирующих поверхностей, усилия прижима, температура в зоне контакта и частота поддерживались в одном уровне. Как видно из расположения кривых рис. 4.4 и данных по значениям ком- плекса ,а\ и контактного сопротивления RK, природа материала стержней оказывает определенное влияние на формирование общего термосопротивления тепловому потоку для периодически контактирующих поверхностей.
