Спосіб визначення теплової провідності контакту з`єднань з натягом

Спосіб визначення теплової провідності контакту з'єднань з натягом, що включає термічну дію на одну з деталей з'єднання, формування з'єднання, вимірювання температури кожної з деталей і визначення кількості тепла, переданого від однієї деталі до іншої, який відрізняється тим, що після скріплення здійснюють додаткові термодії на одну з деталей з'єднання, кожна з яких відрізняється від попередньої не менше ніж на 30%, після зняття кожної з термодій із температури охоплюючої деталі віднімають температуру охоплюваної деталі, отриману різницю диференціюють, а результати запам'ятовують, після чого теплові провідності та їх складові знаходять за математичним виразом: } Дткі(1/Сі+1/С 2 ) Д е Т 2кі > Т1кі ' температури охоплюваної і охоплюючої деталей для к-тої термодії в І-тому вимірюванні; ВТ_ В . величини теплових провідностей розсіювання теплової енергії в навколишнє середовище від охоплюючої і охоплюваної деталей; Сі, Сг - теплоємності охоплюючої і охоплюваної деталей; - Т 1 ~ Т 2 . різниця температур деталей, що з'єднуються; -ДтІ. кі - похідна різниці температур. m Пропонована корисна модель відноситься до машинобудування, а саме, до процесів складання або розбирання багатоелементних з'єднань з натягом. При збиранні багатоелементних з'єднань натяг компенсується термічною дією на складальні елементи; або нагріванням охоплюючої деталі (втулки) збільшуючим її внутрішній діаметр d BH , або охолоджуванням охоплюваної деталі (валу або проміжної внутрішньої втулки) зменшуючим її зовнішній діаметр d H . Формування заданої складальної' одиниці - з'єднання з натягом відбувається протягом певного проміжку часу, який обумовлений перерозподілом теплової енергії між деталями, що з'єднують, через теплову провідність контакту посадочних поверхонь і розсіюванням тепла в навколишнє середовище. Час формування з'єднання є критерійною величиною, що визначає продуктивність складання. Для того, щоб вказати, коли дане конкретне з'єднання можна знімати з складального пристрою, необхідно знайти проміжок часу від моменту скріпляючого деталі, визначуваного досягненням складального зазору нуля, а також вказати інтенсивність утворення натягу. Ці важливі характеристики технологічного процесу складання можуть бути змодельовані тільки за умов відомих теплових провщностях розсіювання в навколишнє середовище від охоплюючої (Х-\) і охоплюваної ( І 2 ) деталей, а також при відомих складових кондуктивно'і та конвективно!' теплопередач деякої комплексної теплової' провідності iMz) У З О Н І контакту деталей. Якщо визначення перших двох теплових провідностей к-\ і ^2 не викликає значних складнощів при відомих геометричних параметрах деталей, що з'єднають і коефіцієнтів теплопередачі при складанні, то при знаходженні теплової провідності А.-|2 виникають серйозні проблеми. Ці проблеми пов'язані з тим, що в процесі формування з'єднання величина складального зазору, рівно як фактично теплопередавальна поверхня зони контакту змінюються в достатній мірі випадковим чином. Крім того, з причини крихти складальних зазорів, теплопередача між деталями, що з'єднуються, здійснюється як О) 10972 конвективним, так і кондуктивним шляхом, що і зумовлює складний, комплексний характер теплової1 провідності багатоелементного з'єднання. У першому наближенні теплову провідність зони контакту деталей многоелементного з'єднання можна представити у вигляді двох складових, обумовлених різними типом теплопровідності конвективним і кондуктивним, причому останній де SH - номінальна площа зони контакту; Дт/ДТц - відносне до початкової різниці температури деталей значення різниці температур; р коефіцієнт лінійного розширення; D - номінальний посадочний діаметр охоплюючої деталі; N - натяг з'єднання, а-| - коефіцієнт конвективної теплопередачі з врахуванням конкретних умов в зоні контакту; (Х2 - коефіцієнт кондуктивної теплопровідності, врахуванням конкретних умов в зоні контакту; К-і, Кг - коефіцієнти збільшення конвективного і кондуктивного теплопереносу в зоні контакту. Таким чином, для теплової провідності по моделі (1) необхідно визначити дві складові, кожна з яких, у свою чергу, характеризується двома параметрами (се-|; Кі) і (с(2 ; К 2 ). У науковій І технічній літературі відсутні відомості, що дозволяють теоретично розраховувати значення Х-\2 п 0 окремих її складових, у зв'язку з концептуальною новизною даної моделі. Для практичних цілей у використовуваних спрощених моделях значення Х-\2> такі необхідні для вищезазначених цілей, визначається різними експериментальними способами з різним ступенем точності та областю застосовності. Так у відомому технічному рішенні [А.С. СССР №1307317: МКИ4 G01N25/18, 30.04.87] для визначення теплової провідності пропонується термічно впливати на зібране з'єднання Імпульсом струму, що калібрується, протягом певного проміжку часу, після чого вимірюють частоту власних коливань з'єднання і одержаний результат запам'ятовують, а через деякий проміжок часу відбувається повторна зміна частоти власних коливань і по її зміні порівняно з первинно зміряною судять про величину теплової провідності зони контакту деталей. Недоліками описаного способу є: 1. Неможливість визначення окремих складових теплової провідності зони контакту. 2. Складність способу і пристрою, що його реалізовує. 3. Низька точність через відсутність врахування теплового розсіювання в навколишнє середовище. Відомий також спосіб визначення термічного опору R12 (величини зворотно! теплової провідності R=1/A.-|2;) клейових прошарків [В.М. Попов «Теплообмен через соединение на клеях» М.: Энергия, 1974г., С.18], відповідно до якого термічно впливають на зібрані деталі, після чого вимірюють температуру охоплюючої (т-\) і охоплюва тип теплопровідності пов'язаний з наявністю мікроточкового контакту, неодночасністю схоплювання деталей, що з'єднуються, неоднорідністю їх нагріву і термоелектронною емісією з нагрітої деталі. Кожна з теплових провідностей має постійні та залежні від величини зазору між деталями (або різниці температури між ними) частини: ної ( Т 2 ) деталей, а також визначають за допомогою тепломірів кількість тепла, що передається через зону контакту, після чого шуканий термічний опір знаходять по математичному виразу: gs (2> де g - щільність теплового потоку; S - площа посадочної поверхні. Недоліками даного способу визначення термічного опору (зворотного тепловій провідності) є: 1. Низька точність і достовірність одержуваних результатів, оскільки теплопередавальна площа посадочної поверхні (s) є неявною випадковою функцією різниці температур деталей, що з'єднуються. 2. Неможливість визначення конвективної та кондуктивної складових комплексної теплової провідності зони контакту. 3. Складність визначення теплового потоку за допомогою тепломірів. Відомий також спосіб визначення теплової провідності контакту між деталями, що з'єднуються, описаний в [книзі А.С. Зенкина, Б.М. Арпентьева «Сборка неподвижных соединений термическими методами», М.: Машиностроение, 1987г., С.54], який по технічній суті та числу співпадаючих ознак є найближчим до даного передбачуваної корисної моделі, а тому прийнятому нами за прототип. Згідно технічному рішенню-прототипу, спосіб визначення теплової провідності контакту з'єднання з натягом включає операції термічної дії на одну з деталей з'єднання і подальше їх складання, а також вимірювання в певний момент часу після складання і до початку скріпляє температури охоплюючої деталі (х-\) і температури охоплюваної деталі (т2), а також кількості переданого з врахуванням теплофізичних властивостей деталей, що скріпляються, тепла і знаходження шуканої величини теплової провідності по залежностях для визначення термічного контакту. Недоліками прототипу є: 1. Неможливість виділення конвективної та кондуктивної складових теплової провідності зони контакту. 2. Низька точність через неврахування теллорозсіювання в навколишнє середовище. 3. Складність визначення кількості тепла, що передається через зону контакту шляхом вимірювання зазору між деталями, що з'єднуються. У основу даної корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб визначення теплової провідності контакту з'єднань з натягом і шляхом врахування теплового розсіювання в навколишнє середовище, що дозволяє розширити можливості способу - визначати окремі складові комплексної теплової провідності з'єднань. Поставлена задача вирішується тим. що в способі визначення теплової провідності контакту з'єднань з натягом, що включає термічну дію на одну з деталей з'єднання, формування з'єднання, вимірювання температури кожної' з деталей і ви ? 10972 значення кількості тепла, переданого від однієї деталі до іншої, згідно даної корисної моделі після скріплення здійснюють додаткові термодії на одну з деталей з'єднання, кожна з яких відрізняється від попередньої не менше ніж на 30%, після зняття кожної з термодій, із температури охоплюючої" деталі віднімають температуру охоплюваної деталі, отриману різницю диференціюють, а результати запам'ятовують, після чого теплові провідності та їх складові знаходять за математичними виразами: Лт К і(1/С 1 + 1/С 2 ) г А н.Дт Z 1 n ? SH a 1 K 1 + «1 pDATm-N n fУЛТ* "( -. 1 " a + си + a 2( 2^2 2 ) [}DAT H1 -N 2 П 1 і n 1 1 П ИІХД^і ' величини термодій зони контакту для першої і другої термодн, визначені при різних різницях температури між деталями, що з'єднуються; Ат-|,, Дт2і - різниці температури між деталями, що з'єднуються, при і-том вимірюванні; п - число точок визначення в часі. Суттю запропонованого способу визначення комплексної теплової провідності в багатоелементних з'єднаннях є виділення в зоні контакту двох різних по фізичній природі складових теплопереносу між деталями, кожна з яких характеризується двома незалежними параметрами, один з яких не залежить від величини зазору (різниці температур) між деталями, а інший залежить від різниці температур ЛІНІЙНО. Новими відмітними ознаками запропонованої корисної моделі є операції': 1. Додаткова термодія на одну з деталей з'єднання або термодія на друге з'єднання, параметри якого ідентичні першому. n 1 2. Розбіжність додаткової та першої термодії не менше ніж на 30%. 3. Збільшення числа точок визначення величини теплових провідностей не менше, ніж до п'яти. 4. Отримання безперервної інформацм про різницю температур між деталями. 5. Визначення швидкості зміни різниці температур між охоплюючою і охоплюваною деталями шляхом диференціювання сигналу різниці. 6. Обробка фізично виміряних величин за новим математичним виразом для концептуально нової моделі теплопровідності в зоні контакту з'єднань з натягом. У основі запропонованої корисної моделі лежать теоретичні і експериментальні дослідження за визначенням величин теплової провідності зони контакту багатоелементних з'єднань Поточне значення теплової провідності для конкретних умов збирання і геометричних параметрів деталей, що сполучаються, може бути знайдене методами параметричної ідентифікації, виходячи з відрізковолінійної двохмасової моделі нестаціонарного нагріву деталей з'єднання [А К. Дука, Б.М. Арпентьев «Расчет теплового режима составных соединений, собранных с нагревом», М.: Машиностроение, №2, 1989г., С.115-120] в процесі їх складання або роз 8 10972 ючий підсилювач 14 зв'язаний одним входом 15, на інший вхщ якого поданий сигнал з виходу цифро-аналогового перетворювача 16, пов'язаного з цифровим дільником 17. Вихід помножувача 15 dip C2 —f- = -T2) сполучений з входом аналого-цифрового перетвоat рювача 18, що вводить інформацію про поточне де Xgy, XQ , • величини теплових провідносзначення теплової провідності в мікропроцесорну тей розсіювання теплової енергії від охоплюючої систему 19. Виходом мікропроцесорної системи 19 деталі (втулки) і охоплюваної' деталі (валу) в нає пристрій відображення 20. вколишнє середовище; Сі, С2 - теплоємності втулУ якості датчиків температури 3, 4 можуть бути ки і валу; т-|, т.2 ' температура втулки і валу. використані також термістори, термоконденсатори або пірометри, а для вимірювання різниці темпеПровівши нескладні перетворення над початратури охоплюючої 1 і охоплюваної 2 деталей моковою системою диференційних рівнянь, можна же бути використана голографічна установка для знайти вимірювання зазору між деталями, як пропорційсІДт л л ний різниці температури між ними. Поєднання гоeft Сі С2 лографічної установки з пірометрами є найзручнішим, оскільки при тому виключається контакт датчиків з елементами з'єднання, проте подібна де Дт = т-] -Т2 - різниця температури деталей, установка є дорогою і вимагає спеціального перщо сполучаються. соналу. З останнього рівняння безпосередньо витікає Відповідно до запропонованої корисної моделі перше рівняння системи математичних виразів: теплову провідність зони контакту в багатоелементних з'єднаннях визначають таким чином. Піддають термодії мінімум одну з деталей з'єднання, наприклад, нагрівають охоплюючу деталь 1, за Інші рівняння системи математичних виразів допомогою індукційного нагріву протягом певного витікають безпосередньо з рівняння (1). З цією проміжку часу або охолоджують охоплювану деметою на підставі рівняння (1) одержана система таль 2, наприклад, за допомогою "сухого льоду" перевизначених щодо шуканих невідомих парамеабо рідкого азоту. Формують з'єднання в центруютрів ( щ ; К і ; аз ; К2) складових теплової провідночому пристрої, переважно вертикального типу. сті рівнянь, яка дозволена в значенні методу якВимірюють температуру кожної деталі, а також найменших квадратів для зменшення впливу різницю температур між ними і кількість тепла, що погрішностей локальних вимірювань в часі. передається від однієї деталі до іншої шляхом визначення ШВИДКОСТІ ЗМІНИ різниці температур Аналіз патентної і науково-технічної літератудеталей з врахуванням еквівалентної теплоємносри не виявив вітчизняних і зарубіжних аналогів, що ті з'єднання С1С2 . Величина сигналу на виході володіють схожими ознаками і дозволяють досягати одержуваного за допомогою запропонованої помножувача 15 пропорційна величині теплової корисної моделі ефекту, що дає можливість ввапровідності зони контакту у теперішній момент жати запропоноване технічне рішення задовольчасу. При цьому, якщо на вході вузла порівняння няючим критерію "істотні відмінності". 13 заблокувати сигнали від масштабуючих підсиНа графічному зображенні показана, як прилювачів 10, 11 і 12, то одержана величина теплоклад, функціональна схема технічного пристрою, вої провідності виявиться ідентичною по способуза допомогою якого можлива реалізація запропопрототипу без урахування теплового розсіювання нованого способу. Пристрій містить з'єднання, що в навколишнє середовище. З виходу помножувача складається з охоплюючої деталі (втулки) 1 і охо15 через аналого-цифровий перетворювач 9 поплюваної деталі (валу) 2, в зоні контакту яких ступають на вхід мікропроцесорної системи 19, встановлені датчики температури (термопари) 3 і працюючої в режимі опиту даних через рівні про4. Термопари 3 між собою, рівно як і термопари 4, міжки часу, що задаються власним таймером. Досполучені послідовно згідно, а щодо один одного сягши малих величин різниці температури деталей освічені пари термопар 3 і 4 сполучені послідовно 1 і 2 знімання інформації припиняється до другої стрічне, що автоматично дозволяє реалізувати термодії. Як друге з'єднання може бути узяте з'єдбезперервно в часі операцію віднімання темперанання, що вийшло після проведення першого циктури охоплюючої і охоплюваної деталей. Виходи лу з'єднань. Для цього на нього подають другу термопар 3 і 4 подані на входи підсилювачівтермодію, достатню для розбирання і відмінне від реєстраторів 5, 6 і 7. Вихід підсилювачапопередньої термодії1 на 30%. Після зняття цієї реєстратора 5 пов'язаний з входами диференціютермодії проводиться другий цикл вимірювань ючого підсилювача 8, який реалізовує операцію аналогічно першому і введення інформації в мікдиференціювання одержаної різниці температур, І ропроцесорну систему 19, по закінченню якого на аналого-цифрового перетворювача 9, а виходи приладі відображення 20 фіксуються шукані велипідсилювачів-реєстраторів 6 і 7 подані на входи чини теплових провідностей і окремих її складових. масштабуючих підсилювачів 10 і 11, причому вихідний сигнал останнього інвертується підсилюваОбробка результатів вимірювань термодатчичем 12. Виходи диференціюючого підсилювача 8 і ків 3 і 4 може бути проведена також в дискретному масштабуючих підсилювачів 10, 11 і 12 подані на режимі в ручну без пристрою, проте при цьому вузол порівняння 13, вихід якого через масштабубирання: J 10 10972 зростають трудомісткість і знижується точність вимірювань. Як бачимо з розширеного опису в операціях запропонованого способу при порівнянні з прототипом є: а) проведення додаткового циклу вимірювань при термодії відмінній віл першого циклу вимірювань, б) величини першої і другої термодіі повинні співвідноситися як 1:1,3; в) спрощення вимірювання кількості тепла за рахунок введення операції диференціювання легко вимірюваних величин різниці температур деталей, що сполучаються; г) уточнення визначення величини поточних значень теплової провідності по новій системі математичних виразів. Для ілюстрації механізму дії запропонованої корисно'] моделі приведемо приклад визначення складових теплової провідності зони контакту сталевої втулки з валом, що має наступні геометричні параметри зовнішній і внутрішній діаметр втулки -0,16/0,1м довжина посадки -0,11м довжина валу -0,3м натяг з'єднання -0,06мм Значення температури деталей зафіксованих термодатчиками 3 і 4 дискретні проміжки часу при першій і другій термоді'і наведені в табл.1. Таблиця 1 Час (с) 0 40 80 120 160 Перша термодія Ч 327 282 250 215 190 ^2 55 100 123 150 173 Друга термодія Ах ті Дт 272 182 127 65 17 236 190 145 55 91 118 181 99 27 За наслідками визначення величин теплових провщностей зони контакту при першій і другій термодіях набуті наступні значення (табл.2) Таблиця 2 Дх к Перша термодія Друга термодія 270 20,4 180 34,5 34 100 50 50 59 64 88 Значення правих частин рівняння (3) по чотирьох крапках для першої' термодії і трьом крапкам для другої рівні відповідно 1,33*103Вт/м2*°с; 1,91*ЮЗВт/м2*°с і 2,08*103Вт/м2*°с, 2,95*103ВтУм2*°с. Таким чином маємо наступну систему рівнянь алгебри : для першої термодії аіК-і + 2сс2К2 /(11" 1120 - 6 * 0,10270 - 60 * 10 - 6) = 1,33 * 103 для другої термодії 1 0 - 6 ' 0 , 1 * 1 8 0 - 6 0 * 10-6) =2,08* 103 * 1 0 - 6 * 0,1*180-60 * 10-6) = 2,95*103 Об'єднавши перші рівняння для кожної з термодій, знаходимо мультіплІкати: а 2 К2=0,13Вт/м2**°с Об'єднавши другі рівняння для кожної з термодій і підставивши в них знайдені значення мультіплікатів a-jK-j, і а 2 К 2 знайдемо значення а-\ =90Вт/м2**°с а2 -0,056 Вт /м2**°с Останнім етапом є знаходження Кі=2,6 і Кг=2,3 з раніше знайдених мул ьті плі катів. Для перевірки одержаних даних складових теплової провідності була проведена третя термодія, відмінна від першої у бік збільшення на 50% і експериментально визначені значення теплових провідностей при формуванні з'єднання для цих умов. З другого боку для цих умов були розраховані по математичному виразу (1) значення теплових провідностей, результати яких поміщені в таблицю 3. Таблиця З Ах 360 270 180 100 50 І12 Третя термодія 16 26 35 42 48,5 По формулі(1)та знайденими значеннями a-j; 14,6 23,2 31,5 39,3 44 Мг Кь а г ; К 2 Проведений експериментальний аналіз дозволяє оцінити точність визначення складових теплової провідності зони контакту не гірше 10%, тоді як за всіма іншими відомими способами визначення при одній і тій самій різниці температур деталей значення теплової провідності лежить, наприклад, для Дт=50° у діапазоні від 88Вт/°3 до 48,5Вт/°3. Перевагами запропонованої корисної моделі в частині способу визначення теплової провідності зони контакту багатоелементних з'єднань в порівнянні з прототипом є: а) підвищена точність за рахунок врахування 11 10972 12 чинників теплового розсіювання в навколишнє ких як нагрівання деталі, що охоплюється або охосередовище і зниження погрішностей вимірювання лоджування охоплюваної, оскільки в математичв окремо взятих точках; них виразах враховується знак температури деталі б) розширення функціональних можливостей щодо навколишнього середовища і величини тепза рахунок застосування отриманих величин для лових провідностей, отже, будуть однаковими як розрахунку теплових провідностей при різних діапри збірці з нагрівом, так і при збірці з охолоджуметрах посадки (D), початковому температурному ванням, а не розрізнятися як в прототипі до 18%. натиску {ДТн) і заданому натягу з'єднання (N); Для технічної реалізації пристрою достатні стандартні засоби мікропроцесорної техніки типу в) зниження трудомісткості і спрощення виміперсональних комп'ютерів, що мають цифрорювальної апаратури, за рахунок виключення аналогові входи. складних засобів вимірювання кількості тепла або вимірювання зазору між деталями; г) застосовність для різних видів термодій та Комп'ютерна верстка В Мацело Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ-42,01601