Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные уравнения, входящие в систему, решение которой позволяет определить коэффициент теплоотдачи.

2. Что такое характерный размер твердого тела и как его выбирают?

3. Что такое определяющая температура? Почему следует знать, для какой определяющей температуры написано критериальное уравнение?

4. В чем различие процессов теплообмена при естественной и вынужденной конвекции?

5. В каком случае коэффициент теплоотдачи от поверхности нагретой плиты в спокойный воздух больше: если она поставлена на короткое ребро или на длинное?

Задачи

1. Ш пиндельная бабка станка имеет размеры, показанные на рисунке. При длительной работе средняя температура поверхностей равна Θ_S = 32°С. Пользуясь методикой ЭНИМС, определить суммарную мощность теплоотдачи поверхности бабки в атмосферу.

Рис. 5.5 – Схема шпиндельной бабки

Справочные данные для воздуха при температуре 20 °С:

β₀ = 34,1·10 ^–4 1/°C; ν₀ = 15,06·10 ^–6 м²/с; λ₀ = 2,59·10 ^–2 Вт/м°С.

2. Рабочий орган станка перемещается двумя горизонтальными винтами наружным диаметром d₀ = 63 мм и внутренним диаметром резьбы d_P = 53 мм длиной 2000 мм. Средняя температура винтов 40 °С, температура воздуха 20 °С. Пользуясь методикой ЭНИМС, определить количество теплоты, отведенной с поверхности винтов при естественной конвекции за время 10 минут.

Справочные данные для воздуха при температуре 20°С:

β₀ = 34,1·l0 ^–41/°C; ν₀ = 15,06·10 ^–6 м²/с; λ₀ = 2,59·10 ^–2 Вт/м°С.

3. Гидравлический бак гидропривода имеет размеры, показанные на рисунке. Средняя температура стенок бака Θ_S = 55°С. Температура окружающей среды Θ₀ = 20°С. Размеры бака – а = 400 мм, b = 600 мм., h = 400 мм. Пользуясь методикой ЭНИМС, определить суммарную мощность теплоотдачи с поверхности вертикальных стенок бака в атмосферу. Конвекцию считать естественной.

Для воздуха:

β₀ = 34,1·l0 ^–41/°C; ν₀ = 15,06·10 ^–6 м²/с; λ₀ = 2,59·10 ^–2 Вт/м°С.

Рис. 5.6 – Схема гидравлического бака

4. Сливной трубопровод гидропривода имеет длину 1,5 м и диаметр d = 30 мм и расположен вертикально. Средняя температура стенок трубопровода 60°С. Температура окружающего воздуха 20°С. Пользуясь методикой ЭНИМС, определить мощность теплоотдачи с поверхности трубопровода в атмосферу при естественной конвекции (трубопровод можно принять как вал).

Для воздуха:

β₀ = 34,1·l0 ^–41/°C; ν₀ = 15,06·10 ^–6 м²/с; λ₀ = 2,59·10 ^–2 Вт/м°С.

6. Теплообмен в зоне резания металлов

[2] с.67-85

При обработке металлов резанием возникает теплота как результат превращения механической энергии в тепловую. Возникая как результат деформации и трения, теплота, свою очередь, оказывает влияние на ход процесса резания. Повышение температуры ведет к изменению физических свойств обрабатываемого металла, что изменяет силы резания. С повышением температуры изменяются условия трения на контактных площадках инструмента, вызывая изменение характера его износа.

Как известно из курса «Теория резания», основным источником теплоты является зона стружкообразования (рис. 6.1).

Рис. 6.1 – Схема зоны стружкообразования

На рисунке 6.1. показаны – OL – длина контакта стружки и передней поверхности, OS – длина контакта задней поверхности и поверхности резания, ON – поверхность сдвига.

На рисунке показаны источники теплообразования в зоне резания – I₁ – поверхность сдвига, где протекают пластические деформации и срезаемый слой превращается в стружку, I₂ – контактная площадка на передней поверхности и I₃ – на задней поверхности, где теплота возникает как результат работы сил трения.

Стружка перемещается по передней поверхности со скоростью v_c. В результате усадки стружки скорость v_c меньше скорости резания v.

,

где k_l – коэффициент укорочения стружки.

В зоне стружкообразования действуют силы – Р_z – главная составляющая, совпадающая со скоростью резания, Т₁ и Т₂ – силы трения на контактных площадках лезвия. Общая мощность тепловыделения в зоне резания

W = P_zν

В свою очередь, общая мощность тепловыделения эквивалентна механической работе

, (6.1)

где – мощность, затрачиваемая на пластическое деформирование срезаемого слоя,

W_T1, W_T2 – мощности, затрачиваемые на трение контактных площадок. Составляющие общей мощности тепловыделения могут быть определены следующим образом.

Тепловая мощность источников I₂ и I₃

(6.2)

(6.3)

Тепловую мощность источника I₁ можно определить как

(6.4)

Силы P_z, T₁ и T₂ рассчитываются по формулам теории резания или определяются экспериментально.

Различные участки зоны резания нагреваются неодинаково. В связи с этим внутри зоны стружкообразования проходят тепловые потоки различной интенсивности и направления. Наибольший интерес вызывают тепловые потоки, проходящие через лезвие инструмента, так как они непосредственно влияют на его работоспособность.

Через лезвие инструмента проходят два итоговых тепловых потока. Итоговые тепловые потоки представляют собой сумму потоков от всех трех источников теплоты. Итоговый тепловой поток q_n через переднюю поверхность всегда направлен в лезвие. Итоговый тепловой поток q₃ через заднюю поверхность складывается из потоков, направленных в разные стороны, и при определенных условиях может иметь направление как в лезвие, так и в заготовку. Направление итогового потока q₃ в большой степени зависит от износа инструмента h₃ по задней поверхности.

На рисунке 6.2 показана типичная картина изменения во времени плотности итоговых потоков q_n и q₃.

Рис. 6.2 – Схема изменения плотности итоговых тепловых потоков во времени.

На рисунке 6.2 в верхней части показана схема износа лезвия инструмента по задней поверхности. Период времени от 0 до τ₁ – носит название периода приработки, период τ₁ – τ₂ – период установившегося износа, период более τ₂ – период катастрофического износа. Как видно из схемы, поток q_n во все время работы инструмента направлен в лезвие и мало изменяется с течением времени. В период приработки тепловой поток q₃ направлен в лезвие, пока инструмент холодный. Затем в момент τ₁ поток меняет направление из лезвия в заготовку, т.е. заготовка является охладителем. В период τ₁ – τ₂ тепловой поток q₃ меняется мало. Это соответствует периоду установившегося износа и установившемуся теплообмену. По мере увеличения ленточки износа по задней поверхности h₃ интенсивность теплового источника I₃ увеличивается, и в момент τ₂ тепловой поток q₃ изменяет направление, теплота поступает в лезвие. Это ведет к резкому возрастанию температуры, наступает катастрофический износ.