（机械制造及其自动化专业论文）环形热管砂轮设计及其传热性能分析.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g e o fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s t r u c t u r a ld e s i g na n dh e a tt r a n s f e r a n a l y s i so fh e a t - p i p eg r i n d i n gw h e e l s at h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y q i a nk u n a d v i s e db y p r o f e s s o rx uj i u h u a s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 9 2 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其它个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 磨削加工中所做的功几乎全部转化为热能，且大部分热量积聚在磨削弧区，导致弧区温度 的急剧升高。若不能把积聚在磨削弧区的热及时地疏导出去，将影响工件加工表面质量，同时 还会影响砂轮的使用寿命。热管依靠工质的相变实现传热，可将大量热量通过很小的截面积远 距离的传输而无需外加动力，被称为热的“超导体”，已广泛应用于能源、电子、航空、医学 等领域。 本文利用旋转热管的工作原理，设计了环形热管砂轮并进行了传热性能分析，期望利用热 管优异的换热能力将磨削区热量及时地导出，有效控制弧区温度。完成的主要研究工作如下： ( 1 ) 在深入分析旋转热管的工作原理及特点的基础上，设计了环形热管砂轮，包括工质的 选择、管壁材料的选择、充液量的估算、热阻的分析及冷端的设计等。 ( 2 ) 提出热管砂轮基体的设计要求，建立热管砂轮结构分析有限元模型，通过应力分析对 其结构进行了强度校核。 ( 3 ) 进行了环形热管砂轮平面磨削温度场计算，分析了热管砂轮壁厚、砂轮转速和热流密 度对其温度场的影响，为热管砂轮的最终设计与制作提供了依据。 关键词：热管砂轮，温度场分析，有限元法 环形热管砂轮设计及其传热性能分析 a b s t r a c t i nt h eg r i n d i n gp r o c e s s ，t h eg r i n d i n ge n e r g ya l m o s te n t i r e l yc o n v e r t e dt ot h e r m a l e n e r g y m o s to f t h eh e a tg e n e r a t e di nt h eg r i n d i n gf l r e al e a d st oas h a r pr i s eo ft h et e m p e r a t u r eo fg r i n d i n ga r e a i tw i l l r e d u c et h ew o r k p i e c es u r f a c eq u a l i t ya n dg r i n d i n gw h e e lf i f ei ft h eh e a ta c c u m u l a t i n gi nt h eg r i n d i n g a r e ac a n n o tb er e l e a s e di nt i m e h e a tp i p ew o r k st h r o u g hw o r k i n gf l u i d sp h a s et r a n s i t i o n i tc a nt r a n s p o r th e a tf o ral o n g d i s t a n c ew i t h o u te x t e r n a lp o w e r s u p p l y i ti sc a l l e d ”h e a ts u p e r c o n d u c t o r ”a n dh a sb e e nw i d e l yu s e d i ne n e r g yf i e l d ，e l e c t r o n i c sf i e l d ，a v i a t i o nf i e l d ，m e d i c a lf i e l da n ds oo n i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fr o t a t i n gh e a tp i p e s ，s t r u c t u r a ld e s i g na n d h e a tt r a n s f e ra n a l y s i so fh e a tp i p ew h e e lw e r ed o n e ，i no r d e rt ou s et h ee x c e l l e n ta b i l i t yo ft h eh e a t p i p et oe x p o r tt h eh e a to u to ft h eg r i n d i n gz o n ei nt i m ea n dc o n t r o lt h ea r e at e m p e r a t u r ee f f e c t i v e l y t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nd e 印a n a l y s i so fo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i n gh e a tp i p e s ，t h e h e a tp i p eg r i n d i n gw h e e lw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fw o r k i n gf l u i da n dw a l lm a t e r i a l s ， e s t i m a t i o no ff l u i dv o l u m e ，t h ea n a l y s i so ft h e r m a lr e s i s t a n c ea n dd e s i g no ft h ec o o l i n g p a r t ( 2 ) t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ew h e e lm a t r i xw a sp r o p o s e d ，t h es t r u c t u r ea n a l y s i sf i n i t e e l e m e n tm o d e lo fh e a tp i p ew h e e lw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h es t r u c t u r es t r e n g t hw a sc h e c k e dt h r o u g ht h e s t r e s sa n a l y s i s ( 3 ) t h et e m p e r a t u r ef i e l do fh e a tp i p ew h e e li ns u r f a c eg r i n d i n gw a sc a l c u l a t e db yf e m t h e i n f l u e n c eo ft h eh e a tp i p ew a l lt h i c k n e s s ，t h er o t a t i o ns p e e do ft h ew h e e la n dh e a tf l u xo nt h e t e m p e r a t u r ef i e l dw a sa n a l y z e d ，p r o v i d i n gt h eb a s i sf o rt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no ft h eh e a tp i p e w h e e l k e y w o r d s - h e a tp i p eg r i n d i n gw h e e l ，a n a l y s i so ft h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) i i 士学位论文 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 磨削加工中的冷却技术1 1 2 热管技术及其在机械加工中的应用一3 1 2 1 热管技术。4 1 2 2 热管技术在机械加： 中的应用6 1 3 基于热管技术的磨削加工强化换热方法的提出8 1 4 本课题拟开展的主要： 作8 第二章热管砂轮的设计1 0 2 1 热管砂轮的工作原理1 0 2 1 1 旋转热管的工作原理1 0 2 1 2 同轴径向热管的二 作原理1 1 2 1 3 热管砂轮的工作原理1 2 2 2 热管砂轮的设计1 3 2 2 1 工质的选择。1 4 2 2 2 管壁材料的选择1 5 2 2 3 充液量的估算1 s 2 2 4 热阻的分析1 6 2 2 5 冷端设计1 9 2 3 热管砂轮基体结构的设计2 3 2 3 1 结构尺寸要求2 3 2 3 2 基于有限元分析的强度分析2 3 2 4 本章小结2 8 第三章温度场的理论分析2 9 3 1 磨削温度场的理论分析2 9 i 环形热管砂轮设计及其传热性能分析 3 1 1 磨削温度的研究方法。2 9 3 1 2 热源法温度场分析方法3 0 3 2 基于热源法的平面磨削温度场传热学模型3 8 3 2 1 平面磨削工件的传热学模型3 8 3 2 2 平面磨削区温度场的理论计算3 8 3 2 3 平面磨削砂轮的传热学模型及温度场理论计算4 2 3 3 磨削温度场的有限元模型4 3 3 4 本章小结4 7 第四章基于a n s y s 热管砂轮传热性能分析4 8 4 1 有限元模型的建立4 8 4 2 移动热源及边界条件加载4 9 4 3 温度场仿真结果与分析5 1 4 3 1 温度场分布云图5 1 4 3 2 热源节点温度随时间的变化s 3 4 3 3 各参数对温度场的影响5 4 4 4 本章小结s 6 第五章总结与展望5 7 5 1 主要结论5 7 5 2 展望5 8 参考文献5 9 致谢一6 2 攻读硕士期间发表的主要论文一6 3 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 热管工作图4 图2 1 旋转热管工作原理1 1 图2 2 同轴径向传热热管的工作原理1 1 图2 3 环形旋转热管砂轮示意图1 2 图2 4 热管式砂轮等效热路图1 7 图2 5 低沸点介质间接制冷方式一2 0 图2 6 涡流管制冷方式2 0 图2 7 空气绝热膨胀直接制冷方式。2 l 图2 8 循环压缩式间接制冷方式。2 l 图2 9 涡流管实物照片2 l 图2 1 0 热管砂轮结构示意图2 3 图2 1 1 热管砂轮三维模型2 4 图2 1 2 热管砂轮强度校核简化模型2 5 图2 1 3 不同时刻下应力场云图2 7 图2 1 4 应力变化曲线2 7 图3 1 微元体。3 l 图3 2 瞬时无限长线热源3 3 图3 3 瞬时无限大面热源3 6 图3 4 平面磨削传热学模型那个3 8 图3 5 运动面热源温度场。3 9 图3 6 磨削区表面一维传热。4 0 图3 7 平面磨削砂轮传热学模型4 2 图4 1 砂轮实体与离散模型。4 9 图4 2 热源加载示意图5 0 图4 3 为温度场加载流程图一5 0 图4 4 砂轮外圈的温度场云图5 2 图4 5 砂轮外圈表面和内壁：爷点的温度变化5 3 图4 6 不同热流密度下内壁与表面的温度5 4 v 环形热管砂轮设计及其传热性能分析 图4 7 不同转速下内壁与表面的温度5 5 图4 8 不同厚度下表面温度和内壁温度。5 6 表清单 表2 1 热管砂轮的主要热阻1 9 表4 14 5 钢不同温度下物理性能4 8 表4 2 温度场分析采用的参数。51 注释表 单位 r m i n m m i n m m w w m m 2 n 吼 m 3 w n s m 2 ，m i n k j 姆 w m 中文名称 砂轮转速 工件进给速度 磨削深度 总发热量 热源强度 蒸汽腔直径 旋转热管的总充液量 蒸发段与冷凝段之间平均管壁温差 热管砂轮总热阻 温度 液体粘度 温度差 旋转角速度 修正的汽化潜热 液体导热系数 口丐 一 褂聆 q 巩g 缸 r r m 见 缈一毛 度急 产生 式， 法上 型砂 1 1 同， 在磨 可高 工件 导致烧伤、合金元素的再沉积、表面物理化学性能的变化、应力腐蚀、产生残余拉应力、表面 次表面裂纹和疲劳寿命降低等缺陷【2 】。 随着航空航天、石油化工、兵器工业以及核工业等的蓬勃发展，对产品零部件材料的性能 提出了更高的要求，各种具有优良性能的难加工材料，如钛合金、高锰钢、高温合金等用量日 益增加。尽管它们具有优良的物理机械性能，但其切削加工性极差，磨削热与加工效率和加工 质量的矛盾变得更加尖锐。 为了有效控制磨削区温度，加工过程中都要采用一定的冷却方法来降低磨削弧区的温度。 常用的冷却方法主要是将冷却液注入磨削弧区。冷却液不仅可以起到润滑和冷却的作用，而且 有洗涤作用，因此对改善砂轮堵塞时十分有益的。常见的方法有：常规浇注、高压射流冲击冷 却、砂轮内冷却以及利用开槽砂轮的供液法【3 】。 ( 1 ) 常规浇注法 将冷却液由低压泵经喷嘴以一定流速，流量浇注到磨削弧区，由于砂轮旋转后产生巨大的 气流阻碍了冷却液进入磨削区，从而会导致磨削过程的“事后”冷却【4 】，冷却液对磨削区温度 不起作用。 ( 2 ) 高压射流冲击 环形热管砂轮设计及其传热性能分析 此法提高了供液压力，把冷却液高速喷出，使其冲破气障进入弧区，但喷液压力提高有一 定的限度，且砂轮速度越高，所需压力越大，设备成本增加，而且实际效果不理想； ( 3 ) 砂轮内冷却法 利用砂轮自身的多孔性，将冷却液引入砂轮架法兰与砂轮间的空隙，使之在随砂轮旋转所 造成的离心力作用下通过砂轮内部的气孔直接到达磨削区。对此种方法哈尔滨工业大学机制工 艺教研室的陆纪培做了多次实验，提出对其消除磨削烧伤效果的商榷。他指出由于磨削液受到 磨削高温汽化形成蒸汽泡堵塞用以传输磨削液的孔隙，导致磨削液不能b 很z 好直接到达磨削斟5 1 。 并且此方法要求砂轮有足够孔隙，冷却液应较好的过滤，停机后冷却液分布不均，易产生偏心 振动： ( 4 ) 开槽砂轮 将冷却液在离心力作用下，从侧面储液腔内直接通过液孔进入弧区。由于冷却液从通液孔 流出的径向速度低，在高速旋转时全部沿砂轮切向甩出，其冷却效果与常规浇注法并无本质区 别。 在以上四种方法中，不约而同的都在加工过程使用了冷却液。但是切削液的制造、使用、 处理及排放需占有和消耗大量的能源和资源，且造成一系列的负面影响 6 1 ：严重污染环境；增 加生成成本；危害工人健康。鉴于冷却液使用的负面影响，并从能源的节省方面考虑，人们纷 纷寻找能替代原有冷却液浇注方法的绿色冷却技术。人们在寻找替代原有冷却液浇注方法的绿 色冷却技术的过程中，进行了多方面有益的尝试，发展出了多种具有代表性的绿色冷却技术： 蒸汽冷却、液氮冷却、低温冷风射流冷却、m q l 以及高压射流冲击冷却、低温气动喷雾射流冲 击冷却等【刀。 ( 1 ) 蒸汽冷却 采用蒸汽作为金属切削加工时冷却润滑剂是俄罗斯专家在1 9 8 8 年首次提出的，并获得专 利。传统切削液是依靠液体蒸发为气体吸收并带走大部分切削热，但液态切削液进入高温切削 区后，迅速蒸发为一层蒸汽膜。一方面蒸汽膜的存在阻碍了新的切削液进入高温切削区，使得 冷却过程变为断续冷却；另一方面，蒸汽膜也阻碍了切削区内的热量向外散发，影响了切削液 的冷却效果。而蒸汽冷却理论是建立在以下假设基础上的：冷却剂的冷却效果不是归纳于单纯 的对流热迁移，而是润滑效应造成的间接冷却，因此利用水蒸汽冷却时，则不存在蒸汽膜的问 题，蒸汽以气体形态喷射到高温切削区并散失，同时带走热量，无汽化过程，自然也就不存在 蒸汽膜的阻碍现剔钔。但其是基于润滑效应而造成的间接冷却，换热效果毕竟有限； ( 2 ) 液氮冷却 利用液氮冷却工件使之处于一种低温状态进行加工的方式。由于液氮介质温度极低，又称 之低温力n - r _ 或超低温加工。液氮冷却主要有两种方式：一种是将液氮像冷却液一样利用自身压 2 南京航空航天人学硕士学位论文 力喷射至工作区；另一种是利用液氮受热蒸发循环来间接冷却刀具或工件【卜1 0 1 。这种加工方式 利用材料的低温脆性，使其在韧性降低、塑性减小的情况下完成切屑与工件的分离，显著提高 了一些材料的可加工性和加工质量，但其成本、安全性、稳定性和方便性还有待改善和提高； ( 3 ) 低温冷风射流冷却 低温气体射流冷却是指将一定压力的气体，通过冷却装置冷却至一4 帖一5 0 ，再以一定 的方式冲刷加工区的冷却方式。该方式由于采用射流方式，增大了动态的换热面积，强化了热 和周围环境的交流。同时，降低冷却介质气体的温度，必然扩大冷却介质和切削区的温差，促 进冷却介质从切削区吸热、换热的强度。实验证明该方式对提高工件表面质量，延长刀具使用 寿命等方面有显著的作用。但低温气体射流冷却目前也存在以下一些问题：切屑收集困难；纯 气体冷却时刀具没有得到润滑；已加工工件表面的防锈问题；气体射流时的噪声问题等。除上 述几点外，气体的比热小，因而换热系数低，这也是制约此种冷却方式推广的一个重要因素。 目前低温气体射流冷却切削研究的主要方向有：提高冷却能力，减少冷却空气量；降低射流时 的噪声；开发润滑性好的刀具；研究高效的切屑收集方法。： ( 4 ) m q l ( m i n i m a lq u a n t i t i e so fl u b r i c a n t ) m q l ( 极微量润滑技术) 是将压缩气体与极微量润滑液混合雾化后，喷射到加工区，对刀 具和工件之间的加工部位进行有效的润滑，以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同时也冷却了 加工区( 油雾在力n - r 区汽化会吸收大量切削热) 并有利于排屑，从而显著地改善切削加工条件。 又称之为准干式切削( n e a r - d r y c u t t i n g ) 。它需要油气混合装置和确定最佳切削油量，对机床系 统要求较高且不适宜于难加工材料的加工 ( 5 ) 低温气动喷雾射流冲击冷却 南京航空航天大学高精密加工研究所综合考虑了常规浇注和低温冷风两种方式的优缺点， 提出了低温气动喷雾射流冲击冷却。其原理是通过低温气流运载少量绿色冷却液，以喷雾射流 冲击的形式到达加工区实现强化换热，凭借低温气、液、固三相强对流、射流冲击和充分汽化 三重强化的换热优势，充分发挥冷却介质的换热潜力，以获得最佳的强化换热效果【7 】。但是由 于低温雾状冷却液的存在，依然会对工作环境和工人造成污染，此问题的解决必须依赖绿色冷 却液的发展。 1 2 热管技术及其在机械加工中的应用 热管依靠工质的相变实现传热，可将大量热量通过其很小的截面积远距离的传输而无需外 加动力，被称为热的“超导体”，广泛应用于能源、电子，航空，医学等领域。随着热管技术 应用研究的不断深入，也出现了一些在机械加工方面应用热管技术的研究报道。 3 环形热管砂轮设计及其传热性能分析 1 2 1 热管技术 在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热组件之一。热管的原理首先是由美 国俄亥俄州通用发动机公司( t h eg e n e r a lm o t o r sc o r p o r a t i o n ，o h i o ，u s a ) 的r s g a u g l e r 于 1 9 4 4 年在美国专利( n o 2 3 5 0 3 4 8 ) 中提出的【1 1 1 。1 9 6 3 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室的 g m o r o v e r t l 2 1 重新独立发明了类似r s g a u g l e r 提出的传热元件，并进行了性能测试实验，在美 国应用物理杂志上公开发表了第一篇论文，并正式将此传热元件命名为热管“h e a tp i p e ”， 指出它的热导率已远远超过任何一种己知金属。1 9 6 9 年g r a y t l 3 1 研究了一种新型热管旋转 热管，这一发明是热管技术的重大进展。 作为超导热组件，热管与原予能反应堆的不同之处在于它只能转移热量而不产生热量，而 且热管本身也不一定是热的。其工作温度可以从一2 0 0 ( 低温热管) - 2 0 0 0 ( 高温热管) 。 热管的基本工作原理如图1 1 所示。 篓汽液体 图1 1 热管工作图 典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1 3 x ( 1 0 一1 0 - 4 ) p a 的负压后充以适 量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发 段( 加热段) ，另一端为冷凝段( 冷却段) ，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。在热管 的一端加热后，管内空间处于负压状态下，吸液芯中的液体因吸收外界热量而汽化为蒸汽，在 微小的压差下流向热管的另一端，并向外界放出热量且凝结为液体。该液体借助于贴壁金属丝 网的毛细抽吸力返回到加热段，并再次受热汽化。如此反复循环，连续不断地将热量由一端传 向另一端。由于是相变传热，因此热管的内部热阻很小，能以较小的温差获得较大的传热率。 根据热管的特性及工作原理，可以把热管技术分为八个方面，每一个方面都可以按实际情 况发挥它的作用 1 4 , 1 5 】： ( 1 ) 温度展平 4 南京航空航天大学硕士学位论文 温度展平又称为均温技术，即利| l i 热管本身的等温性，把一个温度不均匀的温度场展平成 为一个均匀的温度场。用它来保持所要求的恒温环境是很适宜的。例如设想一块多层平板，里 面被许多互相连通的蜂窝状热管填满。这些热管能使局部的热流很快散开，从而使平板保持均 匀的温度分布。 ( 2 ) 源汇分隔 所谓源汇分隔是指利用热管将热源和热汇( 冷源) 分隔在两个场所进行热交换，分隔的距 离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定，可以从几米到几十米。这种技术在连续生产的 工程换热中有十分重要的意义。 ( 3 ) 变换热流密度 热管能以小的加热面输入热量，而以大的冷却面输出热量，或者相反，即以大的加热面输 入热量，以小的冷却面输出热量。如此，可使单位面积上的热流量发生变化。因而可为某些工 厂中需要供热或放热的场所提供新的技术。 ( 4 ) 热控制( 可变热导热管) 可变热导热管可用来做恒温控制。所谓可变热导热管即是热阻可变的热管。因此当热量输 入增加，热量输出也增加：热量输入减少，热量输出也减小。如此可保持热管工作温度不变。 在工程上可变导热管技术可以用来控制热源或热汇的温度。 ( 5 ) 单向导热( 热二极管) 利用重力热管的传热原理，可把热管作为单向导热组件，应用于太阳能取暖上，已取得了 很好的效果。将重力热管的加热段置于室外，并以一定的角度倾斜，使在室内的散热段位置高 于室外加热段位置。当太阳照射加热段时，热管将热量传入室内。当夜晚太阳落山时，室内温 度高于室外。但由于这时加热段已处于冷却段之上，因而热管不工作，室内热量就不会散出去。 ( 6 ) 旋转组件的传热( 旋转热管) 一般热管是一种静止的传热组件，旋转热管则是在旋转运动中传热的组件，其原理及结构 将在第二章中进行介绍。在工程中可用作高速旋转轴件的传热组件，如用旋转热管做电机轴可 在体积不变、温升相同的情况下，使电机输出负荷提高一倍。 ( 7 ) 微型热管技术 随着电子、电器工程的迅速发展，微型电子器件及组件的散热己成为一个重要的问题，在 容积受限的条件下，普通的换热措施无法实现，一般热管也难以安置，微型热管的研究正是适 应于这种要求而发展的。微型热管一般指直径l o - - - 5 0 0 # m ，长约l o - 3 0 m m 、无吸液芯的热管。 微型热管在半导体芯片、集成电路板、笔记本计算机c p u 的散热方面有很重要的应用。 ( 8 ) 高温热管技术 5 环形热管砂轮设计及其传热性能分析 在温度超过7 0 0 c 的换热条件下，使用普通的换热器会有许多困难，如无温差应力、材料 高温蠕变、高温腐蚀等问题。高温热管则可以解决这些问题。其工作液体是液态金属( 钠、钾、 锂、铯等) ，其特点是饱和蒸汽压力很低，所以在高温条件下，工作的热管只承受高温而不承 受管内高压。 与常规换热技术相比，热管技术之所以能不断受到工程界的欢迎，是因为热管还具有以下 的重要特点。 ( 1 ) 热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行这一特点对连续性生产的工 程，如化工、冶金、动力等部门具有特别重要的意义。常规换热设备一般都有间壁换热，冷热 流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄露，则将造成停产损失。由热管组成的换热设 备，则是二次问壁换热，则热流要通过热管的蒸发段和冷凝段管壁才能传到冷流体，而热管一 般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。 ( 2 ) 热管管壁的温度可调性热管管壁温度的可以调节，这在低温余热回收或热交换中是 相当重要的，因为可以通过适当的热流交换把热管管壁温度调整在低温流体的露点以上，从而 可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。 ( 3 ) 冷、热段结构和位置布置灵活 由热管组成的换热设备的受热部分和位置非常灵活， 可适应于各种复杂的场合。由于结构紧凑占地空间小。因此特别适合于工程改造及地面空间狭 小和设备拥挤的场合，且维修工作量小。 ( 4 ) 热管换热设备效率高，节能效果显著。 1 2 2 热管技术在机械加工中的应用 热管以其优良的性能首先在卫星的温度控制上使用，随即在电子、电机的散热冷却和余利 用等诸方面得到普遍应用。目前，在世界范围内，从空间到地面，从军工到民用，在航天、航 空、电子、电机、核工业、热工、建筑、医疗、温度调节、余热回收以及太阳能与地热利用等 方面已有数以万计的热管正在运行中。 国外在热管技术的研究要早于我国，并且有一些关于热管冷却技术用于机械加工及相关领 域的文献可供参考。 r l j u d d 1 6 , 1 7 1 等人构想出用于车削加工的一套热管冷却系统，将热管置于硬质合金刀具中， 在不同的条件下进行切削加工，并通过热电偶法测温，试验结果表明了热管车刀这一个构想的 可行性。此外，他们还研究了将热管安装在铣床主轴上，以减少由主轴轴承产生的热量，防止 轴承过热引起的热变性和加工误差，并通过试验的方法验证了它的可行性。r i c h a r dy c h i o u 1 8 】 等人进一步研究了热管的使用对硬质合金刀具在加工过程时对温度和磨损的影响，a n s y s 仿 真的结果和试验结果基本吻合。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 t c j e n 1 9 1 等人运用理论以及试验相结合的方法来研究了将热管用于钻削加工。他们首先建 立了数学模型，根据给定的一些参数并进行计算，然后通过对近似的实物模型的试验，证实了 理论计算和试验结果的相吻合，为后续研究提供了必要的几何参数。j o r g eg u s t a v og u t i e r r e z t 2 0 】 在他的博士论文中则更系统化的对热管应用于钻削加工进行了研究，从不同参数的对比、数学 模型的建立和实验结果比较，表明了采用热管进行传热是有效可行的，同时还可以提高加工质 量，实现绿色加工。 l a m bt e c h n i e o n 公司( 位于美国密执安州c h e s t e r f i e l dt o w n s h i p 市) 的研究和新产品开发 组开发了一种新的钻头，它可以实用地进行干钻加工。这种热管使钻头的寿命比直接进行干钻 的钻头寿命延长了4 0 - - 6 0 。 y c a o t 2 1 】等人在普通热管和旋转热管的基础上，提出了一种新型涡轮盘一叶片冷却方法， 它是将传统空气冷却技术与径向旋转微型高温热管相结合，冷却气体涡轮盘一叶片。j i a n l i n g t 2 2 】 在其博士论文中通过应用适当的传热模型对微型径向旋转热管进行了分析并与试验模型比较。 证明了此热管的传热能力强，其传热效率是铜的6 0 - - 1 0 0 倍。 我国自2 0 世纪7 0 年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在冷却方面的应用研究。 石秉_ 三1 2 3 , 2 4 1 论述了热管的基本工作原理及特点，介绍了热管技术在吸收式制冷机、冷风系统、 冰贮冷系统、空调系统、电冰箱、土壤冷库等方面的应用，以及在机械制造业中的推广应用， 如：切削刀具、硬模铸造和磨床上的应用。在他的介绍中，热管应用于磨床指的是用热管来冷 却磨床主轴上的轴承，从而提高功率与工作可靠性。 叶伟昌2 5 1 ，邓定瀛2 叼等人分别介绍了干式切削加二 出现的原因及其应用，分析了实现干式 切削加二i = = 需要解决的相关技术问题并介绍了干切削刀具及其在生产中的应用。提出了一种自冷 却刀具一热管刀具，它可以大大降低切削温度，提高冷却效果。 陈光杰【27 】通过翻译( c t a h k hhi i h c t p y m e h t ) ) ，介绍了托里扬金工艺研究所研制出的一种具 有内部冷却功能的刀具。这种刀具主要用于车床和立式车床粗车难加工的钢材，可以提高工具 的冷却效率，并排除了从外部提供冷却剂的必要性，刀具寿命要比无冷却功能刀具的寿命增加 o 8 1 5 倍。 南京航空航天大学高效精密加工研究所对热管技术应用于磨削加工进行了有益的探索，本 课题组在总结国内外热管技术在加工中应用成功经验的同时，提出了全新概念热管磨头的研制， 并进行了干磨钛合金的实验研究。实验结果表明：在相同磨削用量的条件下，热管式磨头所测 得的平均温度要比普通磨头所测得的温度要低5 0 - 1 0 0 【：研，证明了热管可以有效疏导磨削弧区 的热量，降低磨削温度，初步得出热管技术在磨削加工中应用的可行性。 7 环形热管砂轮设计及其传热性能分析 1 3 基于热管技术的磨削加工强化换热方法的提出 关于磨削烧伤的系列研究已经揭示，发生在弧区的换热机理由于涉及到沸腾与气液两相流 动过程而显得极为复杂。通常，在磨削热流密度接近但不超过临界热流密度磨削液处于泡核沸 腾状态时，由于磨削液可以直接从工件表面吸收大量的汽化潜热，不仅换热效率高，而且工件 表面温度亦可稳定维持在磨削液的临界成膜温度以下。但磨削热流密度是随着砂轮钝化而增长 的，因而这种理想的换热事实上很难稳定维持，只要磨削热流密度一旦等于或超过临界值，弧 区发生了成膜沸腾，磨削液就会因汽膜的阻隔而无法再与工件表面接触，于是原本可由磨削液 汽化带走的大量磨削热便将被迫改道进入工件，从而导致工件表面急剧升温，发生零件表面烧 伤2 1 。 在应对弧区大热流密度的情况下，比如难加工材料的磨削和高效磨削加工，使用磨削液时 由于膜态沸腾的存在，只能通过调整工艺参数的方法将热流密度控制在临界热流密度以下，加 工效率到达了一个由磨削液物性决定的瓶颈。现有的研究大多集中在冷却液的注入方法上，希 望通过外在压力冲破汽膜，但效果均不佳。而绿色冷却技术由于其使用条件的限制和换热能力 的有限不能得到广泛推广。 南京航空航天大学高精密加工研究所在总结以往强化换热的研究工作，结合热管的工作原 理，提出利用热管技术来控制磨削弧区温度的构想，并进行了一些前期的探索研究工作。所谓 热管砂轮就是利用环形热管的工作原理对磨削弧区进行强化换热的思想，试图将磨削弧区中产 生的热量通过热管迅速传导出去，以有效控制磨削温度，冷却的重心由工件变为工具。不仅能 满足高效换热的要求，还能达到绿色、低能耗的目的，同时能够避免在磨削加工中磨具和工件 表面的热损伤，不仅能提高磨具的使用寿命，而且可以改善被加工材料表面质量。 1 4 本课题拟开展的主要工作 根据上述国内外研究现状，结合课题组现有研究成果，本文拟开展以下研究工作： ( 1 ) 热管砂轮结构的设计 结合砂轮的工作方式，借鉴旋转热管和同轴径向热管的工作原理，提出直接在砂轮内部形 成热管结构。分析环形旋转热管的工作原理，在此基础上设计环形热管砂轮，包括工质的选择、 管壁材料的选择、冲液量的估算、热阻的分析以及冷端的设计。 ( 2 ) 根据砂轮的安装使用特点，结合环形旋转热管的工作原理，提出热管砂轮基体的结构 尺寸要求，并利用有限元分析的方法对其关键尺寸，即热管砂轮壁厚进行强度校核，得出其可 用范围。 ( 3 ) 基于有限元方法热管砂轮的传热性能分析 8 南京航空航天大学硕士学位论文 利用有限元分析软件建立热管砂轮的传热离散模型，加载移动热源，通过改变砂轮转速， 热流密度和砂轮壁厚，得出不同条件下的温度场分布，并且分析各参数对温度场的影响，评价 热管砂轮的换热性能及其在磨削加工中应用的可行性。 9 环形热管砂轮设计及其传热性能分析 第二章热管砂轮的设计 本章结合砂轮的工作方式，借鉴旋转热管和同轴径向热管的工作原理，提出直接在砂轮内 部形成热管结构的思路。文中根据环形旋转热管的工作原理，设计环形热管砂轮，包括工质的 选择、管壁材料的选择、冲液量的估算、热阻的分析以及冷端的设计。根据热管砂轮的安装使 用对其结构尺寸提出设计要求，并利用有限元分析方法对其关键尺寸，即外圈壁厚进行强度校 核。 2 1 热管砂轮的工作原理 2 1 1 旋转热管的工作原理 旋转热管是由一沿旋转轴旋转的封闭壳体组成，如图2 1 所示，其内部有一封闭空腔【2 9 】。 空腔内具有初始的真空度，并充有少量的工作液体。在足够高的转速下，工作液体在离心力的 作用下将会聚集在旋转热管的蒸发段。若在旋转热管的蒸发段加热，使蒸发段的液体蒸发、液 膜变薄，所产生的蒸汽将流到旋转热管的另一端冷凝段。蒸汽在冷凝段放出潜热而凝结成 液体，由于冷凝液受离心力的作用，将沿着内壁面返回到蒸发段。这样连续地蒸发、蒸汽流动、 凝结与液体的回流把热量从蒸发段送到冷凝段。因此，它不需要像普通热管那样安装毛细材料， 而能在不同的角度下回流，达到连续运行的目的。这一特性为热管式砂轮的冷却提供了客观条 件。 图2 1 是旋转热管的工作原理图。它和普通热管一样可以划分为蒸发段、绝热段和冷凝段 三个区域。旋转热管除了具备普通热管的基本特点相变传热、无需外加动力，还具有如下 优越性【1 5 】：由于工质回流靠离心力或重力推动，不需要吸液芯结构，因此结构简单且减小了 热流回路上吸液芯引起的热阻；离心力场加强了蒸发段的对流作用，提高了蒸发段管内的换 热系数，沸腾时将提高极限热流密度。在冷凝段，在离心力作用下，工质回流能力提高，减薄 了液膜厚度，从而提高了管内换热系数；由于旋转热管自身的转动，同时也强化了和周围环 境的热交换，因而换热效果更好。 1 0 形的外管2 和内 管3 封住，在内、外两圆管间形成的环形空腔4 中，沿内管外壁和外管内壁及两管之间放置了多 孔毛细吸液芯6 和毛细吸液芯搭桥5 ，对内、外两圆管间形成的环形空腔抽真空，然后充入一定 数量的工作介质并封口。当热量从外管2 的外壁面输入时，外管内壁面上多孔吸液芯中的 二作介 质就受热汽化，经环形空腔4 到达内管外壁释放汽化潜热，并冷凝为液体进入内管外壁面上的吸 液芯中，然后经内、外管之间的毛细吸液芯搭桥5 ，在毛细力的作用下回流到外管内壁面的吸液 芯中，再次受热汽化，如此反复循环，连续不断地将热量从加热段外管外壁面传向冷凝段内管 内壁面【3 0 】。 qq 1 环形封头；2 夕 管；3 内管；4 环形空腔；5 毛细吸液芯搭桥；6 一毛细吸液芯 图2 2 同轴径向传热热管的工作原理 同轴径向热管在传热性能上较轴向传热热管有许多优点： 首先，同轴径向传热热管具有高度的等温性能。就轴向传热热管而言，当工作介质沿轴向 流动时，就将热量沿轴向从加热段向冷却段传递，因管子横截面的限制，当传递高密度热流时，