傳熱學(xué)在機(jī)械制造方面的應(yīng)用

1、傳熱學(xué)在機(jī)械制造方面的應(yīng)用摘要:傳熱學(xué)是研究由溫度差異引起的熱量傳遞過程的科學(xué).傳熱現(xiàn)象在我們的日常生活中司空見慣,早在人類文明之初,人們就學(xué)會(huì)了燒火取暖.隨著工業(yè)革命的到來,蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等熱動(dòng)力機(jī)械相繼出現(xiàn),傳熱研究更是得到了飛速的開展被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人們的日常生活之中.當(dāng)今世界,國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)是經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng).而伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速開展,也帶來了資源、人口與環(huán)境等重 大國(guó)際問題,傳熱學(xué)在促進(jìn)經(jīng)薪開展和增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)方面起著舉足輕重的作用.現(xiàn)在,機(jī)械工程仍不斷地向傳熱學(xué)提出大量新的課題.如澆鑄和冷凍技術(shù)中的相變導(dǎo)熱,切削加工中的接觸熱阻和噴射冷卻等.關(guān)鍵詞:熱傳遞,傳熱學(xué),機(jī)械領(lǐng)域,開展趨

2、勢(shì)1傳熱學(xué)傳熱學(xué)概念通常被稱為熱科學(xué)的工程領(lǐng)域包括熱力學(xué)和傳熱學(xué)1.傳熱學(xué)的作用是利用可以預(yù)測(cè)能量傳遞速率的一些定律去補(bǔ)充熱力學(xué)分析,因后者只討論在平衡狀態(tài)下的系統(tǒng).這些附加的定律是以 3種根本的傳熱方式為根底的,即導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射.傳熱學(xué)是研究不同溫度的物體或同一物體的不同局部之 間熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科.傳熱不僅是常見的自然現(xiàn)象,而且廣泛存在于工程技術(shù)領(lǐng)域.例如,提升鍋 爐的蒸汽產(chǎn)量,預(yù)防燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室過熱、減小內(nèi)燃機(jī)氣缸和曲軸的熱應(yīng)力、確定換熱器的傳熱面積 和限制熱加工時(shí)零件的變形等,都是典型的傳熱學(xué)問2.傳熱學(xué)開展傳熱學(xué)作為學(xué)科形成于 19世紀(jì)2.在熱對(duì)流方面,英國(guó)科學(xué)家牛頓于1701年在

3、估算燒紅鐵棒的溫度時(shí),提出了被后人稱為牛頓冷卻定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式,不過它并沒有揭示出對(duì)流換熱的機(jī)理.對(duì)流換熱的真正開展是 19世紀(jì)末葉以后的事情.1904年德國(guó)物理學(xué)家普朗特的邊界層理論和1915年努塞爾的因次分析,為從理論和實(shí)驗(yàn)上正確理解和定量研究對(duì)流換熱奠定了根底.1929年,施密特指出了傳質(zhì)與傳熱的類同之處.在熱傳導(dǎo)方面,法國(guó)物理學(xué)家畢奧于1804年得出的平壁導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果是導(dǎo)熱定律的最早表述.稍后,法國(guó)的傅里葉運(yùn)用數(shù)理方法,更準(zhǔn)確地把它表述為后來稱為傅里葉定律的微分形式熱輻射方面 的理論比擬復(fù)雜.1860年,基爾霍夫通過人造空腔模擬絕對(duì)黑體,論證了在相同溫度下以黑體的輻射率(黑度)為最大,

4、并指出物體的輻射率與同溫度下該物體的吸收率相等,被后人稱為基爾霍夫定律.1878年,斯忒藩由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輻射率與絕對(duì)溫度四次方成正比的事實(shí),1884年又為玻耳茲曼在理論上所證實(shí),稱為斯忒藩-玻耳茲曼定律,俗稱四次方定律.1900年,普朗克在研究空腔黑體輻射時(shí), 得出了普朗克熱輻射定律.這個(gè)定律不僅描述了黑體輻射與溫度、頻率的關(guān)系,還論證了維恩提出的 黑體能量分布的位移定律.傳熱的根本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種.2傳熱學(xué)與機(jī)械現(xiàn)代的機(jī)械加工工藝3已經(jīng)不再限于傳統(tǒng)的車、銃、包1J、磨等,像激光切割、激光鉆孔這類高熱流的新型加工手段已經(jīng)應(yīng)用于石油鉆井等有特殊要求的場(chǎng)合,而且取得了良好的效益,這類特

5、殊加工方式所涉及的熱量傳遞問題不能再用傳統(tǒng)的導(dǎo)熱理論來分析,必須參加對(duì)熱量傳輸速度的考慮,這類問題被稱為“非傅里葉導(dǎo)熱,這是在機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域的又一個(gè)里程碑.又如鈦及其合金的加工, 由于鈦及其合金傳熱率低,在其切削加工過程中,由切屑與刀具之間的滑動(dòng)摩擦、切屑的塑性變形等 產(chǎn)生熱量,不能及時(shí)散發(fā),而集中在刀具刀刃上,造成刀具壽命降低,加工質(zhì)量差等,很多類似的新 材料4都有不同的加工難題.因此正確選用加工條件,合理運(yùn)用傳熱學(xué)的理論進(jìn)行導(dǎo)熱,顯得非常重 要,不僅可以提升切削加工速率,延長(zhǎng)設(shè)備和刀具壽命,還可提升工件的加工質(zhì)量.各種材料的熱處 理,例如金屬材料的鍛造、鑄造、淬火、退火、回火,還有一些工

6、程塑料的注塑成型等都離不開溫度 的限制.傳熱學(xué)在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用(1)在鑄造、焊接、金屬熱處理等常規(guī)機(jī)械加工工藝過程中,熱應(yīng)力和熱變形量的預(yù)測(cè)、修正及 限制也同樣有賴于傳熱原理的指導(dǎo)；(2)在各類機(jī)械限制方面,近百年來單機(jī)容量從幾萬千瓦擴(kuò)大到百萬千瓦,很大程度上是靠冷卻 技術(shù)的不斷改良得以實(shí)現(xiàn)的,從空冷、氫冷開展到水冷,冷卻技術(shù)的進(jìn)步顯著提升了電磁負(fù)荷強(qiáng)度和 材料的利用率；(3)農(nóng)業(yè)機(jī)械是指在作物種植業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中,以及農(nóng)、畜產(chǎn)品初加工和處理過程中所使 用的各種機(jī)械.各種機(jī)械的研發(fā)設(shè)計(jì)都離不開?工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)?這一門學(xué)科.傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科,而機(jī)

7、械設(shè)計(jì)制造及使用的過程中與傳熱幾乎是形影不離的,我們通過機(jī)械設(shè)備把其他形式的能量轉(zhuǎn)化成我們需要的運(yùn)動(dòng)或者動(dòng)力,但最終那些能量還是要變成熱量散失到環(huán)境中去,當(dāng)然少不了傳熱學(xué)中所講的三種方式：對(duì)流換熱、導(dǎo)熱和輻射換熱.機(jī)械材料制備中與傳熱學(xué)關(guān)系密切機(jī)械材料制備5中與傳熱學(xué)關(guān)系密切.從機(jī)械制造的毛坯開始,金屬、非金屬等等各種材料中沒 有那幾種是可以直接拿過來用的,以應(yīng)用最廣泛的鑄造來說,澆注過程中的溫度限制和鑄件冷卻過程中的熱量傳遞直接影響了鑄件內(nèi)部晶相組織的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的切削加工性能與使用性能,以及鑄件的表面質(zhì)量上下.工件溫度場(chǎng)的測(cè)算和限制,不同工作條件、不同材料性質(zhì)及幾何形狀對(duì)工件溫度場(chǎng)變化 的影

8、響,工藝中缺陷的分析和預(yù)防,無不受到熱量傳遞規(guī)律的制約.機(jī)械設(shè)備使用中的傳熱問題機(jī)械設(shè)備使用中的傳熱問題也是不容無視的.在機(jī)械結(jié)構(gòu)中,摩擦做功產(chǎn)生的熱量的散失是影響機(jī)械系統(tǒng)使用性能的主要來源,當(dāng)系統(tǒng)由于溫度過高導(dǎo)致零件產(chǎn)生膨脹變形,使尺寸精度降低,從而 影響了零件之間的配合關(guān)系,在機(jī)床中那么使系統(tǒng)精度降低,影響工件加工精度.在液壓系統(tǒng)中傳熱問 題更為顯著.液壓油在系統(tǒng)中與管路的摩擦產(chǎn)生的熱量如果不及時(shí)散失,不僅使傳動(dòng)精度降低,液壓 油變質(zhì),嚴(yán)重者將使系統(tǒng)癱瘓,使設(shè)備存在平安隱患.傳熱學(xué)通過分析不同條件下物體中溫度分布和熱量傳遞規(guī)律,以及不同材料的傳熱特點(diǎn),并在熱加工工藝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中合理利用,在

9、保證工藝實(shí)施,提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等方面起著關(guān)鍵作用.機(jī)械加工過程6中的散熱問題也是限制制造業(yè)開展的重要因素.金屬切削刀具的散熱問題與刀具的強(qiáng)度決定了刀的使用壽命和被加工外表的質(zhì)量與加工精度.金屬切削加工時(shí),材料彈性和塑形變形做的功以及前后刀面與工件外表的摩擦做功產(chǎn)生的熱量都需要通 過切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)散失到環(huán)境中,而切削刃的磨損情況與散熱的快慢最為密切.當(dāng)工件 材料或者刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)大時(shí),切削區(qū)散熱良好,刀具的磨損減輕,使用壽命較長(zhǎng),反之,刀具 因溫度過高發(fā)生組織性能轉(zhuǎn)變,磨損加劇,因而需要使用不同的切削液來加快散熱,延長(zhǎng)刀具壽命.同時(shí),刀具的散熱影響了切削用量的選擇,進(jìn)而影響加工

10、外表的質(zhì)量,通過對(duì)刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)建立 傳熱模型進(jìn)行分析,可以更合理的設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)和選擇切削量,從而提升零件的加工精度,這方面在 超精密加工中顯得尤為重要.傳熱學(xué)在金屬切削方面的應(yīng)用金屬切削加工時(shí),產(chǎn)生彈性和塑性變形而做功,同時(shí),前刀面與后刀面之間的摩擦也要做功, 這些功幾乎都轉(zhuǎn)變成熱,與此相應(yīng),切削時(shí)共有三個(gè)生熱區(qū),即剪切面區(qū)、切屑與前刀面接觸區(qū)、后 刀面與加工外表接觸區(qū).所以切削熱來源于切削時(shí)所消耗的變形功和刀具與切屑、刀具與工件間的摩擦功.切削熱可由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳導(dǎo)出去.影響熱傳導(dǎo)的主要因素是工件和刀具材料 的導(dǎo)熱系數(shù)及周圍介質(zhì)狀況.傳熱學(xué)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用液壓是研究的重要

11、方向.目前,大功率場(chǎng)合只能采用液壓系統(tǒng)解決運(yùn)動(dòng)問題,這是液壓的一個(gè)優(yōu) 點(diǎn),然而我們不得不成認(rèn),液壓系統(tǒng)的工作效率低,后果是產(chǎn)生熱的功率很大,往往達(dá)十幾個(gè)千瓦, 這么多的熱量都在液壓油中存儲(chǔ)著,經(jīng)過一段時(shí)間,液壓油的溫度就會(huì)升到一個(gè)很嚴(yán)重的程度,液壓 油膨脹,高壓下易發(fā)生氣穴現(xiàn)象,發(fā)出噪音.因此我們必須研究液壓油的散熱問題,來減輕危害.目 前常用的方法往往都是在液壓回油的路程中加水冷裝置,如何才能更有效的帶走熱量.熱傳遞現(xiàn)象無時(shí)無處不在,它的影響幾乎普及現(xiàn)代所有的工業(yè)部門,也滲透到農(nóng)業(yè)、林業(yè)等許多 技術(shù)部門中.可以說除了極個(gè)別的情況以外,很難發(fā)現(xiàn)一個(gè)行業(yè)、部門或者工業(yè)過程和傳熱完全沒有 任何關(guān)系.不僅傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域,像能源動(dòng)力、冶金、化工、交通、建筑建材、機(jī)械以及食品、輕工、 紡織、醫(yī)藥等要用到許多傳熱學(xué)的有關(guān)知識(shí),而且諸如航空航天、核能、微電子、材料、生物醫(yī)學(xué)工 程、環(huán)境工程、新能源以及農(nóng)業(yè)工程等很多高新技術(shù)領(lǐng)域也都在不同程度上有賴于應(yīng)用傳熱研究的最 新成果,并涌現(xiàn)出像相變與多相流傳熱、超低溫傳熱、微尺度傳熱、生物傳熱等許多交叉分支學(xué)科.在某些環(huán)節(jié)上,傳熱技術(shù)及相關(guān)材料設(shè)備的研制開發(fā)甚至成為整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素.參考文獻(xiàn)1楊世銘.傳熱學(xué)根底【M .北京：高等教育出版社,20222戴鍋生?傳熱學(xué)?高等教育出版社,第二版 1998P2-4 M3錢建平.?工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)?在機(jī)械領(lǐng)域