ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ КАК АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

в

естник АПК

Агроинженерия . № 4(20), 2015 ■ ■

УДК 674.81:536.63

7

Аксенов А. А., Малюков С. В.

Aksenov A. A., Malyukov S. V.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ КАК АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

THE STUDY OF FUNDAMENTAL THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF MODIFIED WOOD AS AN ANTIFRICTION MATERIAL

Вопросы борьбы с перегревом рабочих зон в парах трения, предотвращение температурных деформаций вследствие перегрева, организация интенсивного теплоотвода и ряд других задач, возникающих при расчете и конструировании узлов трения в технической литературе еще не достаточно изучен.

Представлена методика экспериментальных исследований температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости модифицированной древесины. Были проведены эксперименты по изучению теплофизических свойств модифицированной древесины как на приборах ИТ-Х-400, ИТ-С-400, так и на созданной нами установке, работающей в квазистационарном режиме. Получены результаты исследований теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности в зависимости от температуры для модифицированной древесины из березы с 10 % влажностью и плотностью 1200 кг/м3. В результате экспериментов было выявлено, что теплопроводность и температуропроводность модифицированной древесины вдоль волокон в 1,5...2 раза больше, чем поперек волокон. Это можно объяснить тем, что древесное вещество имеет примерно в 20 раз выше коэффициент теплопроводности, чем воздух. Поэтому при определении теплофизических свойств модифицированной древесины вдоль волокон следует полагать, что основная масса теплового потока в древесине распространяется по древесному волокну вдоль ее капилляров. При исследовании же поперек волокон воздух, находящийся в капиллярах модифицированной древесины, оказывает значительно большее сопротивление распространению теплового потока. В случае замещения воздуха в капиллярах древесины на воду (повышение влажности) происходит существенное увеличение теплофизических свойств древесины, так как коэффициент теплопроводности воды намного больше коэффициента теплопроводности воздуха. Получен расчетно-экспериментальный метод определения коэффициента теплоотдачи а в подшипниках скольжения из модифицированной древесины, который является весьма простым, точным и позволяет определить a на любом участке охлаждаемой поверхности подшипника.

Ключевые слова: модифицированная древесина, те-плофизические свойства, плотность, эксперимент, влажность, результаты исследований.

Questions combat overheating work zones in friction pairs, preventing thermal deformation due to overheating, the organization of intense heat sink, and a number of other problems that arise in the calculation and design of the friction units in the technical literature is not yet sufficiently understood.

The technique of experimental studies of temperature-conductivity, thermal conductivity and heat capacity of the modified wood. Experiments were conducted to study the thermophysical properties of the modified wood as devices MT-X-400, MT-C-400, and the created contact unit operating in a quasi-stationary regime. The results of studies of the specific heat, thermal conductivity and thermal diffusivity as a function of temperature for the modified birch wood with 10 % moisture content and density of 1200 kg / m3. The experiments revealed that the thermal conductivity and thermal diffusivity of the modified wood along the grain, 1,5 ... 2 times greater than across the grain. This can be explained by the fact that the wood material has about 20 times higher thermal conductivity than air. Therefore, in determining the thermal properties of modified wood along the grain must be assumed that the bulk of the heat flow in the wood-propagation stranyaetsya of wood fiber along the capillary. In the study of the fibers across the air trapped in the capillaries of the modified wood, it has a much greater resistance to heat flow. When substituted the air in the capillaries of the wood in water (high humidity) there is a significant increase in the thermophysical properties of the wood, since the thermal conductivity of water is much greater than the coefficient of thermal conductivity of air. Calculated and experimental method of determining the heat transfer coefficient a in the bearings of the modified wood, which is very simple, accurate, and allows you to define a on any part of the cooling surface of the bearing.

Key words: modified wood, thermophysical properties, density, experiment, humidity, results of research.

Аксенов Алексей Александрович -

кандидат технических наук, доцент кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова», г. Воронеж

Тел.: (8473) 253-73-11 E-mail: aaa-aksenov@mail.ru

Малюков Сергей Владимирович -

кандидат технических наук, доцент кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова», г. Воронеж

Тел.: (8473) 253-72-51

E-mail: maljukov-sergejj@rambler.ru

Aksenov Alexey Aleksandrovich -

PhD in Engineering, Docent of Production, Repair and Maintenance of Machinery Department «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G. F. Morozov», Voronezh

Tel.: (8473) 253-73-11 E-mail: aaa-aksenov@mail.ru

Malyukov Sergey Vladimirovich -

PhD in Engineering, Docent of Department of Forestry Mechanization and Machine Design «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G. F. Morozov», Voronezh

Tel.: (8473) 253-72-51

E-mail: maljukov-sergejj@rambler.ru.

Ежеквартальный

научно-практический

журнал

В

естник ЛПК

Ставрополья

Производство и использование изделий из модифицированной древесины (ДМ) в последнее десятилетие получило значительное развитие как в области создания фундаментально-прикладных теорий по разработке высоких, экологически чистых технологий модифицирования древесины, так и в области исследований по повышению работоспособности, надежности и долговечности изделий из ДМ, что способствовало успешному их внедрению в ряде отраслей промышленности взамен изделий из цветных и черных металлов, а также других дорогостоящих дефицитных материалов (нефтекачалки в нефтедобывающей отрасли, штампы в электротехнической отрасли промышленности, в сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях народного хозяйства) [1].

Методика экспериментальных исследований температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости.

Исследования температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости в зависимости от температурного режима имеют большое научное и практическое значение. В результате этих экспериментальных исследований можно установить закономерности изменения те-плофизических свойств ДМ от температуры для различных значений влажности и плотности [2].

Для успешного решения этой задачи необходимо совершенствовать известные и создавать новые эффективные методы изучения тепло-физических свойств веществ при разнообразных тепловых, механических и других внешних воздействиях. Существенной особенностью применяемых теплофизических измерений является их высокая трудоемкость и сравнительно низкая точность.

В настоящее время имеются уже серийно изготовляемые приборы для теплофизических исследований материалов, такие как ИТ-Х-400 и ИТ-С-400 разработанные в лаборатории тепловых приборов и измерений Ленинградского института точной механики и оптики (ЛИТМО) [3]. В основу этих приборов положены закономерности приближенного анализа линейного уравнения теплопроводности:

V2? +

1 (К

г ■

К

где V2 =

Ж

(э

г

V4

2

1 э г

а

Ф-1

э

л

(1)

/

а - коэффициент температуропроводности тела, м2/с; х - время, с.

Приборы ИТ-Х-400 и ИТ-С-400 имеются в лаборатории ВГЛТУ и используются при исследовании теплофизических свойств ДМ в широком температурном диапазоне. Они работают в монотонном тепловом режиме, который подробно изучен Е. С. Платуновым [4]. Под монотонным тепловым режимом принято понимать плавный нагрев или охлаждение тел в широком диапазоне изменения температуры со слабо переменным полем скоростей изменения температуры внутри образца.

Приборы ИТ-Х-400 и ИТ-С-400, работающие в монотонном тепловом режиме, состоят из блока питания и регулирования, а также измерительного блока, работающих совместно с микровольт амперметром Ф-136. Перед измерениями данные приборы проходят градуировку, в результате которой получают поправочные коэффициенты, учитывающие контактные термические сопротивления образца и заделки термопар, динамические погрешности и идентичность градуировки термопар. В качестве та-рировочных образцов используются аттестованные ВИИИМом плавленый кварц марки КВ по ГОСТ 15130-69 и медь. Диаметры как тари-ровочных, так и исследуемых образцов должен соответствовать 15 мм, а высота от 2 до 10 мм.

Кроме этого, для исследования теплофизических свойств ДМ изготовлена установка, работающая в квазистационарном режиме. В основу работы данной установки положен принцип, предложенный А. В. Лыковым [5] и в последующем получивший развитие в работе А. Б. Вержинской [6]. Эта установка дает возможность комплексно и в широком температурном диапазоне исследовать теплофизиче-ские характеристики ДМ, методом источника постоянной мощности.

Исходное уравнение для определения теплопроводности и температуропроводности ДМ имеет вид:

2д>/Г

(2)

Мх = г(х; Г)-го =

х

(3)

а

- Лапласан

для тел с одномерными полями;

г - текущая координата тела, м;

Ф - коэффициент формы (Ф = 1 для пластин,

Ф = 2 для цилиндра и Ф = 3 для шара); г - температура в произвольной точке тела, °С;

X - коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м- °С);

При температуре поверхности нагревателя (х = 0) уравнение принимает вид:

Мн = г(0; г)-го = • 1ег/е—

Ь^/п 2у<

где Агх - температурный перепад между температурой точки с координатой х и окружающей среды с температурой г0, °С; г - температура в произвольной точке образца с координатой х, °С; д - удельный тепловой поток, Вт/м2; Ь - коэффициент тепловой активности; Агн - температурный перепад между температурой поверхности нагревателя (х = 0) и температурой окружающей среды г0.

IS

еетнпк ЛПК

Ставрополья

№ 4(20), 2015

Из уравнения (3) легко вычислить коэффициент тепловой активности Ь

2g^/Г

х+ Г■ (4)

АtЯ>| п

Если в момент времени т в сечении х температура равна

b

Aíx = ^ • ierfc

2jc

(5)

то такая же температура на нагревателе будет в момент времени т^ Коэффициент температуропроводности а определяется по времени, которое будет характеризоваться разностью температуры в сечении х от температуры нагревателя (Ал/х = - ^), т.е. а = х2• /(Л; л/^7) (рис. 1).

Агроинженерия

9

чим следующую формулу по определению коэффициента теплопроводности X, Х =

(0;х )-г (Я;х )' (6)

а для определения коэффициента тепловой активности образца из ДМ Ь1

b = Ь2

At

(7)

t (0;x )-1 (H ;г )' где b2- тепловая активность стержней из те-трафторэтилена

7 2q Ал/г" b2 =(8) 2 лМ At0

Коэффициент теплоусвоения S равен S = 0,51 • biy¡X Cp. Откуда теплоемкость равна

(0,51 • b1 )2

c = ^-, (9)

A p

где р - плотность образца, .

Коэффициент температуропроводности по термограмме (рис. 1) определяется по формуле

H2

а =

4tg 71 (г)

(10)

Рисунок 1 - Термограмма

Установка из симметричной двухсоставной системы тел использует нагреватель с постоянным тепловым потоком д. Исследуемый образец из ДМ представляет собой пластину толщиной Я с определенными теплофизическими коэффициентами X!, а!, Ь1. Полуограниченные стержни, выполненные из тетрафторэтилена и расположенные симметрично относительно нагревателя, имеют теплофизические коэффициенты Х2, а2, Ь2. Боковая поверхность рассматриваемой системы имеет идеальную тепловую изоляцию.

Эксперимент проводится следующим образом: включается питание и фиксируется изменение электродвижущей силы (ЭДС) по времени. По этим значениям строится термограмма, по которой и определяются необходимые параметры. При чем, при наступлении квазистационарного режима температурная кривая t(0; х)= /(г) преобразуется в параллельную прямую t(Я; х)= /2(х) (рис. 1). Из рисунка 1 следует, что аЬ = t(0; х )-1 (Я; х );ое = Аt. ad = Аto, ^^ = Ал/Т.

Преобразуя уравнения, которые взяты из работы А. Б. Вержинской [6], для пластины полу-

Тепловой поток во всех опытах поддерживается постоянным и равным д = 1000 Вт/м2

Эксперименты по изучению теплофизиче-ских свойств ДМ проводились одновременно как на приборах ИТ-Х-400, ИТ-С-400, так и на сделанной нами установке, работающей в квазистационарном режиме. Замеры проводились по выше описанной методике. Для исследования использовалась ДМ породы береза с 10 % влажностью. Результаты исследований теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности в зависимости от температуры для ДМ из березы с 10 % влажностью и плотностью 1200 кг/л*3 представлены на рис. 2, 3 и 4.

с„

Дж

кг°с

1700

1600

1500

1400

1300

1200

25

50

75

100

125

Рисунок 2 - Зависимость теплоемкости с1 от

температуры t для ДМ породы березы: влажность Ж = 10%, плотность р = 1200 кг/мъ

2

|^ Ставрополья

научно-практическии журнал

На рис. 2 представлена зависимость теплоемкости от температуры. На рис. 3 - зависимость теплопроводности вдоль волокон X II и поперек волокон X _1_, а на рис. 4 - зависимость температуропроводности вдоль волокон а II и поперек волокон а_!_. На рис. 5 представлена зависимость между коэффициентом температуропроводности поперек волокон X _!_ и плотностью р для ДМ березы с 10 % влажностью.

масса теплового потока в древесине распространяется по древесному волокну вдоль ее капилляров. При исследовании же поперек волокон воздух, находящийся в капиллярах ДМ, оказывает значительно большее сопротивление распространению теплового потока. В случае замещения воздуха в капиллярах древесины на воду (повышение влажности) происходит существенное увеличение теплофизических свойств древесины, т.к. X вод >> X возд.

Рисунок 3 - Зависимость теплопроводности вдоль волокон X II (кривая 1) и поперек волокон X_I_ (кривая 2) от температуры для ДМ березы: влажность Ж = 10%, плотность р = 1200кг/л*3

а-10,-

5,5

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

1Й ыг 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2

: 1

2 2,0

100

Рисунок 4 - Зависимость температуропроводности вдоль волокон а II (кривая 1) и поперек волокон а_[_ (кривая 2)

от температуры для ДМ из березы: влажность Ж = 10%, плотность р = 1200 кг/ м3

Из анализа графиков исследования следует, что теплопроводность и температуропроводность ДМ вдоль волокон в 1,5...2 раза больше, чем поперек волокон. Это объясняется тем, что древесное вещество имеет примерно в 20 раз выше коэффициент теплопроводности, чем воздух (X воз=0,023 Вт/(м- °С)). Поэтому при определении теплофизических свойств ДМ вдоль волокон следует полагать, что основная

Рисунок 5 - Зависимость теплопроводности поперек волокон X_I_ от плотности р для ДМ березы, влажностью Ж = 10%

Определение коэффициента теплоотдачи.

Вопросы борьбы с перегревом рабочих зон в парах трения, предотвращение температурных деформаций вследствие перегрева, организация интенсивного теплоотвода и ряд других задач, возникающих при расчете и конструировании узлов трения с подшипниками из ДМ, не могут быть решены без данных об условиях те-плорассеивания и отдачи тепла с поверхности элементов узла трения.

Вопрос отвода тепла с зоны трения подшипника скольжения в окружающую среду в технической литературе еще не достаточно изучен. Изучение вопросов теплового режима, сопровождающего работу подшипников скольжения, требует определения коэффициента теплоотдачи, который зависит от многих индивидуальных, конструктивных, эксплуатационных факторов, а так же размеров и конфигураций охлаждаемых деталей узла трения, их теплопроводности, температуры и т.д.

Необходимость определения коэффициента теплоотдачи опытным путем обусловлена тем, что в теории теплообмена на сегодня нет универсальных формул, устанавливающих численную зависимость между отдаваемым охлаждаемой поверхностью теплом и условиями теплообмена. Для решения задач в этой области рекомендуется применять упрощенную схему механизма теплообмена, предполагающую, что передача тепла в среду, окружающую узел трения, происходит по закону Ньютона. По этому закону тепло 0, отдаваемое в единицу

в

естник АПК

Ставрополья

№ 4(20), 2015

Агроинженерия

11

времени т пропорционально площади поверхности теплоотдачи разности средних температур между нагреваемой поверхностью tF и охлаждаемой средой t0, а так же в большой степени зависит от переменной величины коэффициента теплоотдачи а.

Дифференциальное уравнение отдачи тепла в окружающую среду имеет вид:

dQ = а - to )• dFdх. (11)

С другой стороны, количество тепла внутри охлаждаемого тела, проходящее через ту же поверхность в единицу времени, также пропорционально ее площади, градиенту температуры

по нормали к этой площади-- и коэффици-

Э п

енту теплопроводности X данного материала.

Дифференциальное уравнение имеет вид:

^ л Э t ^

dQ = -Х---dFdх. (12)

Э И

Приравнивая правые части этих двух дифференциальных уравнений, получим выражение для определения коэффициента теплоотдачи:

-X Э—^ dFdх = а ((р - to )dFdт. (13)

Коэффициент теплопроводности X, как правило, известен для ДМ, температуры нагрева поверхности tF и окружающей среды t0 опре-

Г Э t

деляются экспериментально. Градиент -

может быть определен графическим способом. Для определения градиента температуры необходимо построить график зависимости изменения температуры по толщине подшипника скольжения, которая определяется экспериментально тонкими термопарами, расположенными по нормали к поверхности трения. По построенной графической зависимости определяют тангенс угла наклона касательной и соответствующие масштабы температур и длин.

-—- = tg(3 • т, (С1мм)1(м1мм) (14) Э И т2

где т1 и т2 - масштабы температур и длин.

В конечном виде формула по определению коэффициента теплоотдачи экспериментальным путем запишется:

. „ т, 1 а = X ^3—-—. (15)

т2 (tF - to )

Предлагаемый расчетно-эксперименталь-ный метод определения коэффициента теплоотдачи а в подшипниках скольжения из ДМ является весьма простым, точным и позволяет определить а на любом участке охлаждаемой поверхности подшипника.

Литература

1. Белокуров В. П. Температурный режим узла трения лесных машин и их работоспособность. Воронеж : ВГУ, 1997. 184 с.

2. Белокуров В. П., Винник Н. И., Аксенов А. А. Конструкции и расчет подшипников скольжения из композиционных материалов на основе древесины, их технология, структура, свойства и конструкции из них // Тез. докл. Международн. конф. М., 1997. С. 43-45.

3. Винник Н. И. Модифицированная древесина. М. : Лесная промышленность, 1980. 159 с.

4. Платунов Е. С. Теплофизические измерения и приборы. Л., 1986. 256 с.

5. Лыков А. В. Тепломассообмен. М., 1972. 560 с.

6. Вержинская А. Б. Исследование тепло-физических характеристик материалов в форме пластин и покрытий методом источника постоянной мощности // ИФЖ. 1964. Т 7, № 4. С. 58-66.

References

1. Belokurov V. P. Temperature of the friction of forest machines and their performance. Voronezh : Voronezh state University, 1997. 184 p.

2. Belokurov V. P., Vinnik N. I., Aksenov A. A. Design and calculation of sliding bearings made of composite materials based on wood, their technology, structure, properties and structures of them // Proc. Dokl. Intern. Conf. M., 1997. pp. 43-45.

3. Vinnik N. I. Modified wood. M.: «Wood manufacturing», 1980. 159 p

4. PlatunovE. S.Thermophysical measurements and devices. L., 1986. 256 p.

5. Lykov A. V. Heat And Mass Transfer. M., 1972. 560 p.

6. Verzhinskay A. B. Investigation of thermophysical characteristics of materials in the form of plates and coatings using the method of constant power source // Journal of engineering physics. 1964. Vol. 7. № 4. pp. 58-66.