Контактном нагружении

Аппараты, устанавливаемые на выхлопных трактах и газоходах различных энергетических установок и предназначенные для нагрева воды в них при непосредственном контакте с уходящими из установки продуктами сгорания, называют обычно контактными экономайзерами. Нагретую в контактных экономайзерах воду применяют для отопления, горячего водоснабжения, питания котлов и тепловых сетей. Теоретическим пределом нагрева воды является температура газа по смоченному термометру tK. Для промышленных печей при температуре газов за ними 500 °С и давлении, близком к атмосферному, tM составляет 70—75 °С; для промышленных котлов с температурой газов за ними 250—300 °С ta составляет 65—70 °С и 50—60 °С — для контактных экономайзеров, устанавливаемых после котельных агрегатов с температурой уходящих газов 120—140 °С и после двигателей внутреннего сгорания с температурой выхлопных газов 350—450 °С. Воду выше этой температуры в контактном экономайзере нагреть нельзя. Это является одной из особенностей контакных экономайзеров.

Охлаждение дымовых газов водой в контактном экономайзере протекает по-иному.

DA — .нагрев газов в поверхностном теплообменнике; AL—'Охлаждение газов в контактном экономайзере при противотоке теплоносителей и температуре воды ниже точки росы; AM — то же при начальной температуре воды ниже, а конечной температуре воды выше точки росы; Л/С —то же при температуре воды выше точки росы; AN — охлаждение газов в контактном экономайзере при прямотоке теплоносителей и начальной температуре воды ниже, а конечной температуре выше точки росы.

Процесс взаимодействия дымовых газов с водой в контактном экономайзере можно считать адиабатическим, поскольку он практически происходит без подвода и отвода тепла извне. Из этого следует, что в случае испарения воды в дымовые газы, когда система из двухфазной становится однофазной, состояние дымовых газов можно приближенно считать изменяющимся по линии /= const, а точнее, с учетом энтальпии воды, процесс в Id-диаграмме изображается прямой йм = const, 20

Характер процессов, происходящих в контактном экономайзере, легко проследить, построив кривые изменения состояния дымовых газов в /^-диаграмме.

Рис. З-l. Изображение в /d- диаграмме процессов, происходящих в контактном экономайзере, при различных начальной и конечной температурах воды и противотоке теплоносителей.

В случаях, когда up<'0'2
Механизм процесса тепло- и массообмена в контактном экономайзере при соприкосновении горячих дымовых газов (ненасыщенной парогазовой смеси) с холодной водой весьма сложен. Здесь одновременно проходят процессы конвективного теплообмена, диффузии, теплообмена при изменении агрегатного состояния и теплопроводности. Движущей силой этих процессов являются не только разность температур газов и воды, но и разность парциальных давлений водяных паров в парогазовой смеси и у поверхности воды, т. е. в конечном счете разность энтальпий.

где k — суммарный коэффициент теплообмена, ккал/м2Х Хч-град, охватывающий все виды теплообмена в контактном экономайзере, — конвективный теплообмен, теплообмен при изменении агрегатного состояния водяных паров, теплопроводность водяной пленки, Из равенства

Анализ уравнения (3-5) свидетельствует о том, что коэффициент теплообмена между газами и водой в контактном экономайзере выше, чем при «сухом», т. е. чисто конвективном теплообмене. Необходимо отметить, что это увеличение весьма значительно в связи с высокими значениями коэффициента теплопередачи при «мокром» теплообмене, имеющем порядок сотен.

В контактном экономайзере вода непосредственно соприкасается с продуктами сгорания природного газа, состоящими при полном сгорании из углекислого газа, водяных паров, азота и кислорода, а при химическом недожоге — также из окиси углерода, водорода и метана. Кроме того, согласно [Л. 27], в продуктах сгорания в незначительном количестве имеется окись азота NO.

При контактном нагружении сила действует на малом участке поверхности, вследствие чего в. поверхностном слое металла возникают высокие локальные напряжения. Этот вид нагружения встречается при соприкосновении сферических и цилиндрических тел с плоскими, сферическими-или цилиндрическими поверхностями.

Основные схемы работы сочленений при контактном нагружении представлены в табл. 27 (в скобках приведены конструктивные аналоги).

Долговечность циклически нагруженных соединений определяется усталостной прочностью материала. Кривые уста'лостной прочности при контактном нагружении в общем близки к кривым усталости для случаев

Для случаев 3, 6 поверхностного контакта расчетное напряжение смятия стсм , очевидно, равно напряжению сжатия асж (для сферы сгсм = стсхг для цилиндра стсм = 0,785стсж). Так как допускаемые напряжения сг^ при контактном нагружении в среднем в 5 раз больше допускаемых напряжений смятия, то сравнительную прочность контактно-нагруженных сочленений и сочленений с поверхностным контактом оцениваем 'отношением сгтах/5стсм (вторая строка на рис. 226). '

Назначение — сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ. Ответственные детали, материал которых должен обладать повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, кручении, контактном нагружении, а также упругими свойствами.

менных напряжений называется выносливостью (при контактном нагружении эта способность называется контактной выносливость ю). Наибольшее по абсолютной величине напряжение, которое материал в состоянии выдержать при данной характеристике R неограниченно большое число циклов, называется пределом выносливости*. Предел выносливости можно указать для большинства черных металлов и некоторых других металлов и сплавов. Практикой установлено, что образцы из таких материалов, выдержавшие достаточно большое число циклов напряжений, при дальнейшем увеличении числа циклов не разрушаются. В связи с этим в качестве предела выносливости принимается то наибольшее напряжение, при котором материал выдерживает определенное, так называемое базовое число циклов NQ. В соответствии с ГОСТ 2860—65 следует принимать Л^б = Ю7 циклов.

В зоне контактирования образца и контртела возникают нормальные и касательные напряжения. В отличие от нормальных напряжений, монотонно снижающихся по мере удаления вглубь от поверхности, распределение касательных напряжений является более сложным. Кривая зависимости касательных напряжений от расстояния до поверхности имеет максимум. В работах [72, 73] показано, что усталостные трещины, возникшие при контактном нагружении, распространяются в направлении, совпадающем с действием касательных напряжений.

Существенное влияние на особенности разрушения материалов с покрытиями и на характеристики контактной усталости оказывают условия деформирования, толщина покрытий и другие факторы. Для электролитических покрытий, по данным В. С. Калмуцкого/количество таких факторов достигает 15. Для газотермических покрытий их, вероятно, значительно больше. В. С. Калмуцкий предлагает решать задачу повышения контактной прочности металлов с покрытиями с учетом вероятностно-статистического характера реальных условий получения и нагружения покрытий [53, 54, 75, 76]. Оптимизация условий формирования и последующих обработок некоторых электролитических покрытий позволила повысить ресурс покрытий при контактном нагружении на 15—20%. Работоспособность деталей с покрытиями оценивалась по вероятности разрушения композиции «сталь — покрытие» или покрытия при Заданном уровне контактного нагружения.

В лабораторных условиях наиболее надежной проверкой правильности выбора покрытия и основного металла для работы при контактном нагружении являются испытания, которые с наибольшим приближением моделируют условия эксплуатации реальных конструкций. К переменным факторам, действующим при испытани-ях, относятся характер нагружения образца, состав, толщина и структура покрытия, чистота обработки рабочей поверхности образца, формы и размеры концентраторов напряжений, температура,; наличие или отсутствие смазки и др. Многообразие схем испытаний обусловливает различие в конструкциях испытательных установок. Однако все они должны [62, 71]: позволять моделировать схему нагружения образцов; обеспечивать при необходимости подачу смазки; регулировать величину нагрузки на образец (она может .отличаться от заданной не более чем на 2%); автоматически выключаться при резком увеличении или уменьшении нагрузки, либо при прекращении подачи смазочного материала; автоматически выключаться и фиксировать, согласно принятому критерию разрушения, момент выкрашивания на рабочей поверхности образца. :

В Кишиневском политехническом институте при определении долговечности и предела выносливости стали с покрытиями при контактном нагружении использовали двухконтактную роликовую машину вертикального типа [76]. Образцы из нормализованной стали 45 покрывали слоем электролитического железа толщиной 0,2 мм. Испытывали роликовые образцы с длиной контактной линии 10 мм. Температуру поверхности образца измеряли хромель-копелевой термопарой, горячий спай которой приваривали к поверхности ролика. Для повышения точности испытаний и уменьшения погрешностей перед началом исследований машина «прогревалась», т. е. вместо испытуемого образца устанавливали ролик, который обкатывали до тех пор, пока температура контртела не достигала 45—48°0. Кроме того, предварительно проводили приработку поверхности образца по методике ступенчатого нагружения. Шероховатость контролировали по ГОСТу 2789—73. Приработанные образцы подвергали испытанию по схеме качения без проскальзывания при суммарной скорости качения 8,4 м/с при подаче в зону качения моторного масла. Испытания моделировали работу шеек коленчатого вала двигателя ЯМЗ-240. Начало прогрессирующего .выкрашивания поверхности фиксировали как визуально, так и при помощи специальной аппаратуры.

Большую информацию о кинетике и механизме разрушения образцов при повторно-контактном нагружении дают испытания на установке, представленной на рис. 3.17 [79]. Сущность испытаний заключается в обкатке замкнутого контура из шести образцов стальными закаленными шариками из стали ШХ15. Образцы 2 укладываются в виде шестиугольника на кольцевой зазор магнитной плиты 1 и дополнительно закрепляются механическими упорами во избежание сдвига. На образцах устанавливается нагружающий узел, состоящий из сепаратора 3 с тремя шариками 4 и обоймы 5 упорного подшипника. При вращении обоймы шпинделем 6 сверлильного станка С-25 шарики получают вращательное движение и перемещаются по поверхности образцов. Необходимое контактное давление создается грузом 7.