Влияние гидростатического давления рабочих жидкостей на теплообмен в трибосистеме

УДК 621.891 В.Ф. Вагнер

ВЛИЯНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ НА ТЕПЛООБМЕН В ТРИБОСИСТЕМЕ

Рассмотрена природа влияния гидростатического давления на интенсивность теплообмена в трибосистеме. Приведены экспериментально-расчетные данные по теплофизическим характеристикам рабочих жидкостей, как элементов трибосистемы, в условиях избыточного давления.

Интенсивность теплообмена, возникающего в трибосистеме (например, пластина-статор пластинчатого насоса [1]), является одним из основных факторов, обуславливающим тот или иной температурный режим поверхностей трения деталей. Следовательно, выяснение характера изменения теплообмена между элементами трибосистемы под воздействием различных ее параметров будет весьма полезным при разработке методов повышения долговечности трибоузлов.

К важнейшим параметрам характеристики любой трибосистемы относятся: вид относительного движения, сжимающая нагрузка, скорость относительного движения элементов, температура фрикционного контакта трибоэлеменов, температура и давление смазочного материала (рабочей среды). Из перечисленных параметров наименьшее внимание при исследовании их влияния на трибопроцессы уделено избыточному гидростатическому давлению. В отношении к тем трибосистемам, где избыточное давление среды невелико, такой подход в методиках исследования трения, изнашивания и смазки вполне оправдан. Однако при значительных его величинах, характерных, например, для рабочих жидкостей гидроприводов мобильных машин, гидростатическое давление необходимо уже рассматривать как существенный параметр - рабочую переменную трибосистемы.

Свое влияние на интенсивность теплообмена в трибосистеме гидростатическое давление оказывает воздействием на величину коэффициента теплоотдачи а в окружающую на трущиеся элементы среду. Коэффициент а зависит от трех групп факторов:

1-я - геометрические, связанные с конфигурацией и характерными размерами охлаждаемой поверхности;

2-я - гидродинамические, определяемые характером и скоростью движения среды;

3-я - теплофизические свойства среды: плотность р, изобарная теплоемкость Ср, вязкость к и теплопроводность Л.

Факторы первой группы не зависят от давления и остаются постоянными (если не поставлена задача выяснения их роли в процессе теплообмена). Третья группа факторов от величины гидростатического давления зависит. Следовательно, изменение давления среды будет влиять на интенсивность теплообмена (на а) и температурный режим поверхностей трения деталей через ее теплофизические свойства. Гидродинамические факторы (2-я группа) также изменяются при варьировании давления среды, но уже вследствие воздействия последнего (давления) на физические свойства жидкости.

Определение коэффициента теплоотдачи а для трибосистемы - весьма трудная задача, так как он представляет собой сложную функцию тепловых и динамических процессов, происходящих вблизи поверхности теплообмена:

а=/

где и - скорость движения жидкости;

/п, /ж - соответственно температура поверхности твердого тела и жидкости;

Л, а - соответственно коэффициент теплопроводности и температуро-проводности жидкости;

Ср - изобарная теплоемкость жидкости;

Ф - параметр формы;

/1, /2,...,/п - характерные размеры.

В проведенных нами экспериментальных исследованиях образцы (элементы трибосистемы) имели простые геометрические формы: шар и цилиндр [2]. Для определения коэффициентов теплоотдачи таких тел можно воспользоваться известными в теплообмене закономерностями:

для шара №=2+0^е0'54 Р/0’33 +0,35^58 Р/°’356

при 0,3<Re<3105 и 0,6^<Рг<8-103;

для цилиндра №=

при 1^е<4.105 С=0,55 п=0,5;

при 4 103<яе<4 104 с=0,25 п=0,62, где Re, Рг, - соответственно числа (критерии) Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля;

£ - поправочный коэффициент, учитывающий степень турбулентности набегающего потока (по условиям эксперимента е = 1,00 ... 1,03);

Nu=ad/A, Re=ud/v, Р=/а,

где а - коэффициент теплоотдачи;

V - кинематическая вязкость жидкости; d - диаметр шара или цилиндра.

Из зависимостей (2)-(3) легко получить расчетные формулы для определения коэффициентов теплоотдачи шара аш и цилиндра ац.

В качестве смазочных материалов, как элементов трибосистемы, в эксперименте были использованы рабочие жидкости: гидравлические масла малой, средней и высокой вязкости [3] и дизельные моторные масла групп В2 и Г2. Температура рабочих жидкостей составляла 60 °С, избыточное давление ррж изменялось от 0 до 30 МПа. При таких значениях рабочих переменных (температуры и давления) для вязкости, теплоемкости теплопроводности и температуропроводности указанных масел были получены значения, приведенные в таблице.

Технические параметры масел

Марка масла Показатель

V, мм 2/с при Ср, Дж/(кг0С)при А, Вт/(м 0С) при а, м 2/с108 при

0МПа 30МПа 0 МПа 30 МПа 0 МПа 30 МПа 0 МПа 30 МПа

Масла гидравлические

МГ-5-Б 3,2 5,12 2526 2510 0,1420 0,1460 6,90 7,03

МГ-10-Б 6,8 10,88 2512 2463 0,1410 0,1450 6,87 7,07

МГ-15-В 8,0 12,60 2060 2021 0,1390 0,1480 8,10 8,62

МГ-22-В 15,0 24,00 2016 1977 0,1300 0,1330 7,45 7,63

МГ-46-В 20,0 35,34 2016 1977 0,1300 0,1330 7,45 7,63

Масла моторные

М-8-В2 27,0 51,30 1986 1950 0,1258 0,1288 7,23 7,68

М-10-В2 40,0 76,00 1980 1948 0,1260 0,1290 7,25 7,68

М-8-Г2 27,0 52,50 1987 1950 0,1258 0,1288 7,23 7,68

М-10-Г 2(К) 47,0 89,30 1981 1945 0,1260 0,1290 7,26 768

С ростом величины избыточного давления Рг от 0 до 30 МПа критерии Рейнольдса Re и Прандтля Рг изменяются следующим образом:

- при обтекании образцов гидравлическими маслами Re уменьшается в 1,56-1,76 раза, Рг увеличивается в 1,42-1,86 раза;

- при обтекании образцов моторными маслами Re уменьшается в 1,90-1,97 раза, Рг увеличивается в 1,62-1,83 раза.

С учетом полученных значений V, А а, Re и Рг по вышеприведенным формулам были рассчитаны коэффициенты теплоотдачи и получены их функциональные зависимости от гидростатического давления для шара (рис. 1) и цилиндра (рис. 2) при обтекании их рабочими жидкостями (гидравлическими и дизельными моторными маслами). При этом в расчеты, касающиеся масел с относительно низким индексом вязкости (85-95), была введена поправка (Рг/Ргс)025, где Ргс - число Прандтля с учетом температуры теплоотдающей поверхности. Величина указанной поправки рассчитывалась для шара и цилиндра исходя из продолжительности их контакта по номинальной площади, а также с учетом зависимости вязкости масла от температуры.

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи аш шара от величины избыточного давления ррж

рабочей жидкости

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи ац цилиндра от величины избыточного давления ррж

рабочей жидкости

Зависимость коэффициента теплоотдачи цилиндра ац от давления ррж рабочих жидкостей имеет два участка (показаны только для масел МГ-10-Б и МГ-15-В, рис. 2). Это объясняется тем, что при повышении давления масла от 0 до 30 МПа числа Рейнольдса также возрастают и достигают при определенной величи-

не ррж критического значения. В этот момент изменяется режим обтекания цилиндра жидкостью и, следовательно, это сказывается на интенсивности теплообмена в трибосистеме.

Анализ зависимостей аш = /(ррж) (см. рис. 1) показывает, что с ростом избыточного давления масла коэффициенты аш значительно убывают, т е. интенсивность теплообмена снижается. Следовательно, температура поверхности трения шара возрастает, что сказывается соответствующим образом на трибопроцес-сах всей системы. Это весьма убедительно подтверждают проведенные нами анализы структурных слоев поверхностей трения шара и фотографии указанных поверхностей, полученных с помощью микроскопа.

Следует также отметить, что коэффициент теплоотдачи цилиндра ац значительно меньше зависит от изменения величины избыточного давления масла, чем коэффициент теплоотдачи шара аш. Это объясняется тем, что в первом случае время контакта по номинальной площади намного меньше, чем во втором (цилиндр вращается, шар неподвижен).

Изложенный материал о влиянии гидростатического давления на интенсивность теплообмена в трибоси-стеме подчеркивает, что давление рабочей жидкости является важной ее рабочей переменной. Следовательно, гидростатическое давление необходимо учитывать во всех случаях, когда под его воздействием происходят достаточно значительные изменения физических и теплофизических свойств рабочих жидкостей. Это позволит разработать способы повышения долговечности не только системы низшего уровня сложности (например, пар трения), но и систем более высокого уровня сложности или триботехнической системы в целом.

Литература

1. Вагнер, В.Ф. Применение системного анализа для изучения трибологичес-ких процессов объемного гидропривода / В.Ф. Вагнер // Химико-лесной комплекс: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск, 2003. - С. 234-238.

2. Сорокин, Г.М. Установка для триботехнических испытаний материалов в жидких средах под давлением / Г.М. Сорокин, В.Ф. Вагнер // Заводская лаборатория. - 1990. - Т.56. - №2. - С. 100-103.

3. Вагнер, В.Ф. О влиянии гидростатического давления на теплофизические свойства рабочих жидкостей и окислительное изнашивание / В.Ф. Вагнер // Материалы, технологии, конструкции: межвуз. сб.

- Красноярск, 1995. - С. 263-265.

---------♦'-----------

УДК 630*237.1:631.312.87 В.Н. Коротких

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ДИСКА С ПРИВОДОМ ОТ ГИДРОМОТОРА ЛЕСНОГО ПЛУГА С ПОЧВОЙ

Авторами статьи разработана имитационная компьютерная модель взаимодействия дискового плуга с почвой на основе метода конечных элементов. Модель позволяет по заданным параметрам плуга, почвы и условий эксплуатации определить энергетические затраты и качество обработки почвы. Лесной дисковый плуг оснащен отвалом и приводом диска от гидромотора. Принудительное вращение диска с угловой скоростью 240 град/с приводит к улучшению качества обработки почвы на 6 %, облегчению поступательного перемещения плуга на 15 %.

Оснащение плуга отвалом дает существенное улучшение качества обработки почвы: на 14 % увеличивается оборачиваемость пласта, уменьшается фрагментация пласта, борозда имеет более четкую округлую форму, а вырезанный пласт отбрасывается дальше в поперечном направлении, что уменьшает вероятность ссыпания пласта обратно в борозду.

В лесном хозяйстве для обработки почвы на нераскорчеванных вырубках применяются лемешные и дисковые плуги. Лемешные плуги хорошо оборачивают пласт почвы, но плохо преодолевают препятствия, а дисковые плуги хорошо преодолевают препятствия, но плохо оборачивают пласт.