Лесотехнический журнал Научный журнал 2012 г. №1 (5)
жүктеу/скачать 6.27 Mb.
|
|
Лесотехнический журнал Научный журнал 2012 г. № 1 (5) Учредитель – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ВГЛТА)
Forestry Engineering Journal Scientific Journal 2012, № 1 (5) Founder – Federal State Budget Educational Institution of High Professional Education «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies» (VSAFT)
СОДЕРЖАНИЕ
contentS
УДК 536.241 ТЕПЛОВОЕ КОНТАКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ОКСИДНЫМИ ПЛЕНКАМИ В. М. Попов, Е. Н. Лушникова, П. А. Черноухов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» etgvglta@mail.ru В процессе создания надежных теплонапряженных конструкций необходимо уметь рассчитывать контактное термосопротивление (КТС), возникающее за счет дискретного характера касания реальных металлических поверхностей и вследствие этого из-за стягивания и удлинения линий теплового потока к пятнам фактического контакта. При этом повышается градиент температур в зоне раздела, что снижает теплопередающую способность через контактный переход и вызывает термические расширения контактирующих элементов систем, сопровождающиеся относительными сдвигами и их короблениями. За последние три десятилетия проведен большой объем экспериментальных и теоретических исследований отечественными и зарубежными учеными процессов формирования КТС в зависимости от таких факторов, как природа материала контактирующих тел, среда между поверхностями соприкосновения, температурные условия, усилия прижима поверхностей и др. [1-3]. Вместе с тем остаются малоизученными целый ряд вопросов, связанных с операциями по прогнозированию процессов контактного теплообмена. Так, до настоящего времени нет законченных рекомендаций по установлению влияния на контактный теплообмен оксидных пленок на поверхностях контактов. Из опубликованных на сегодняшний день работ по этой проблеме следует, что наличие оксидных пленок на контактных поверхностях по данным одних исследований [4, 5] значительно повышает КТС, у других [6] практически не оказывает влияния на величину КТС. Естественно возникает необходимость более тщательной проработки этой проблемы. Ранее данный вопрос нашел теоретическую оценку путем рассмотрения модели процесса теплопереноса через элементарный тепловой канал, имитирующий единичный контакт соприкасающихся металлических поверхностей, покрытых оксидной пленкой [7]. Установлено, что влияние оксидной пленки на КТС соединения возрастает с увеличением отношений толщины пленки к радиусу пятна контакта и коэффициента теплопроводности материала контактной пары к коэффициенту теплопроводности оксидной пленки. Сделать окончательный вывод о влиянии оксидной пленки на соприкасающихся металлических поверхностях на формирование полного КТС соединения можно только путем постановки физического эксперимента. Реализация поставленной задачи проводилась на экспериментальной установке стержневого типа [2], применяемой для исследования контактного теплообмена (рис. 1). 
Рис. 1. Принципиальная схема установки для определения контактного термосопротивления: 1 – нагреватель; 2 – нагревательный элемент; 3 – адиабатическая боковая поверхность; 4 – горячий спай; 5 – переключатель позиций; 6 – осциллограф самопишущий; 7 – холодный спай; 8 – сосуд Дьюара; 9 – потенциометр; 10 – холодильник; 11 – штатив; 12 – набор грузов; 13 – реостат
Основным элементом установки является рабочий участок, состоящий из двух металлических стержней, один из которых выполняет роль нагревателя, второй – холодильника. Нагрев верхнего стержня производится электрическим нагревателем, мощность которого регулируется автотрансформатором и реостатом. Охлаждение нижнего стержня осуществляется проточной водой. Боковые поверхности стержней теплоизолированы. На каждом стержне тепломере устанавливались в специально приготовленные радиальные сверления по пять хромель–копелевых термопар. Электродвижущая сила, развиваемая термопарами, измерялась компенсационным методом при помощи потенциометра. Нагружение контактных поверхностей осуществлялось набором грузов. Стержни изготавливались из меди марки М2 и алюминиевого сплава Д16Т. Особое внимание уделялось подготовке поверхностей контактов к экспериментам. Шероховатость поверхностей определялась на профилометре – профилограмме «Калибр ВЭИ» с пределами измерений по  . По специальной технологии производилась операция по выращиванию оксидных пленок на торцевых поверхностях стержней путем нагрева. Толщина оксидных пленок находилась по цветным картам [8].
Контактное термосопротивление находилось стационарным методом, основанным на законе Фурье и дифференциальном уравнении теплопроводности для неограниченной пластины с изотермическими поверхностями  . (1)
Температурный перепад в зоне контакта Величину среднего теплового потока вычисляли по градиенту температур в верхнем и нижнем стержнях – тепломерах по формулам:
где  и  – температуры в смежных точках стержней, где установлены термопары;
 и  – расстояния между смежными точками.
Анализ полученных опытных данных позволяет сделать следующие выводы. Увеличение толщины оксидной пленки приводит к росту КТС (рис. 2). Из опытных данных также следует, что с увеличением отношения суммы толщин оксидных пленок к сумме средних высот микронеровностей контактирующих поверхностей растет контактное сопротивление (рис. 3). 
Рис. 2. Зависимость КТС от нагрузки при отсутствии (1) и наличии на поверхностях контактной пары из меди М2 оксидных пленок (2, 3): чистота обработки поверхностей – Рис. 3. Зависимость КТС от нагрузки при отсутствии (1) и наличии (2, 3) на поверхностях контактной пары из сплава Д16Т оксидных пленок: чистота обработки поверхностей – Для реальных теплонапряженных технических систем контактирующие поверхности в составных элементах зачастую имеют макронеровности, которые, как показывают специальные исследования [2, 3], способствуют значительному повышению общего КТС. Соответственно возникает необходимость изучения формирования КТС для подобных тепловых контактов при наличии покрытий из оксидов. С этой целью были проведены исследования зависимости КТС от нагрузки для контактной пары из сплава Д16Т с поверхностями, имеющими относительную неплоскостность  – общая эквивалентная неплоскостность, равная  и  – радиус макроконтактного элемента).
Результаты проведенных исследований приведены на рис. 4. 
Рис. 4. Зависимость КТС от нагрузки при отсутствии (1) и наличии (2,3) оксидных пленок на поверхностях контактной пары из сплава Д16Т: чистота обработки поверхностей Характер кривых  (рис. 4) идентичен, как и для контактов с плоскими поверхностями (рис. 2, 3). Вместе с тем общее КТС в последнем случае значительно выше, что объясняется наличием на поверхностях контактов неплоскостности.
Полученные экспериментально данные позволяют прогнозировать КТС при проведении тепловых расчетов в технических системах с составными элементами, имеющими окисленные поверхности. жүктеу/скачать 6.27 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
определялся по графику изменения температур по длине тепломеров.
; (2)
(3)
, 
– соответственно коэффициенты теплопроводности материалов верхнего и нижнего стержней;
, 
; температура в зоне контакта 
; толщина оксидных пленок: 
; 
; среда – воздух
, 
; температура в зоне контакта – 
, 
; среда – воздух
, 
; температура в зоне контакта –
; толщина оксидных пленок: 
, 
; среда – воздух