传热学在机械领域的应用

传热学在机械领域的应用

摘要：通过课堂学习和查找各种资料书籍，分析传热学与机械专业的关系，并详细讨论传热学在机械领域的应用。

关键词：传热学机械领域应用

早在人类文明之初，人类就会用火取暖，传热现象在我们的日常生活中到处可见，从18世纪发明近代动力机械以来，人类的生产力有了巨大的飞跃。随后的蒸汽轮机、内燃机乃至燃气轮机的陆续应用，更使能源的转换和利用技术达到了前所未有的阶段。传热学科在以上过程中发挥了巨大的作用。而热传递更是无时无处不在，它影响了几乎所有的工业部门，更涉及到农业、林业等许多部门。

如今科技的发展与进步与当初的工业革命是分不开的，而工业生产更是离不开机械，机械与传热学这两个在当今各领域应用广泛的学科之间更是有着密不可分的关系，下面就来介绍传热学在机械领域各方面的应用。

1.传热学在农业机械和工业机械中的应用

在传统工业中的铸造、金属热处理等机械加工过程中，存在大量的非稳态导热、移动边界的固液相变传热以及各类对流换热问题；在一些精密机械制造和使用过程中，热应力和热变形量的预测、修正及控制也需要传热学的支持；在机械的控制中，元器件的冷却和设备的更新换代都与强化传热研究有关；另外各种农业机械的研发设计也都离不开传热学。

2、传热学在机械高新技术领域的应用

据美国航空和宇宙航行局所作的技术分析，美国航天飞机的技术关键大部分是所谓“热防护系统”，即以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构，而这个系统必然离不开传热学基础，而航空航天领域是当今世界上各领域高技术、新材料研究最集中的体现，可见传热学在其中所起的作用是相当大的。

现代的机械加工工艺已经不再限于传统的车、铣、刨、磨等，像激光切割、激光钻孔这类高热流的新型加工手段已经应用于石油钻井等有特殊要求的场合，而且取得了良好的效益，这类特殊加工方式所涉及的热量传递问题不能再用传统的导热理论来分析，必须加入对热量传输速度的考虑，这类问题被称为“非傅里叶导热”，这是在机械生产设备领域的又一个里程碑。又如钛及其合金的加工，由于钛及其合金传热率低，在其切削加工过程中，由切屑与刀具之间的滑动摩擦、切屑的塑性变形等产生热量，不能及时散发，而集中在刀具刀刃上，造成刀具寿命降低，加工质量差等，很多类似的新材料都有不同的加工难题。因此正确选用加工条件，合理运用传热学的理论进行导热，显得非常重要，不仅可以提高切削加工速率，延长设备和刀具寿命，还可提高工件的加工质量。各种材料的热处理，例如金属材料的锻造、铸造、淬火、退火、回火，还有一些工程塑料的注塑成型等都离不开温度的控制。

3.传热学在金属切削方面的应用

金属切削加工时，产生的弹性和塑性变形以及前刀面与后刀面之间的摩擦会发热，切削热可由工件、切屑、刀具等传导出去。影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数及周围介质状况。

工件导热系数大，由切削区传导到切屑和工件的热量较多，切削区的温度较

低，但是整个工件升温较快。例如，切削导热系数较大的铜或铝时，切削区温度较低，使得刀具的寿命较长，但是工件升温快，由于热变形，切削时测量的尺寸与冷至室温时的尺寸往往出现偏差，同时刀具的尺寸也可能发生尺寸变化，由于刀具加工的方向又是误差产生的敏感方向，由于刀具的形变，尺寸的变化就会被加工过程放大，造成的误差必将达到一个无法忍受的程度。反之，工件导热系数小，热量不易从工件和切屑传导出去，切削区温度高，刀具磨损加剧，寿命降低。例如，切削导热系数小的不锈钢和高温合金时，切削区温度高，刀具磨损快，必须采用耐热和耐磨性能好的刀具材料，并且浇注充分的冷却液。

刀具材料的导热系数大，切削区的热量从刀具传导出去，能降低切削区的温度。例如，YG类硬质合金的导热系数普遍大于YT类硬质合金的导热系数，并且抗弯强度较高，所以在切削导热系数较小、热强性好的不锈钢和高温合金时，在缺少新型高性能硬质合金的情况下，多采用YG6X等牌号的YG类硬质合金。

另外，切削用量、刀具几何参数、冷却液对切削温度有影响，结合传热学理论，通过控制和改变相应参数或选用合适的冷却液，可以达到合理控制切削温度的目的。

传热学在切削温度测量方面的应用。目前，传热学知识在高速切削时切削温度的测量和模拟仿真方面应用广泛。例如，切削应力场和温度场的有限元模型，通过数值仿真技术，将切削过程的应力场和温度场精确而生动地模拟出来。在此基础上分析金属切削过程切屑的形成过程，从而得到了金属切削过程初始状态和稳定状态的应力场和温度场分布，还有应用人工热电偶法和有限元传热仿真相结合测量车削温度。利用传热学理论建立切削区温度场的传热模型，得出切削速度、切削厚度和刀具前角对切削温度的影响曲线。由此可见传热学模型对分析金属切削温度非常有帮助。

4.传热学在液压系统中的应用

我所在的专业模块是流体控制及其自动化，其中液压是我们研究的重要方向。目前，大功率场合我们只能采用液压系统解决运动问题，这是液压的一个优点，然而我们不得不承认，液压系统的工作效率低，后果是产生热的功率很大，往往达十几个千瓦，这么多的热量都在液压油中存储着，经过一段时间，液压油的温度就会升到一个很严重的程度，液压油膨胀，高压下易发生气穴现象，发出噪音。因此我们必须研究液压油的散热问题，来减轻危害。目前常用的方法往往都是在液压回油的路程中加水冷装置，如何才能更有效的带走热量。这就要应用到传热学。

可见，传热学在机械领域是不可或缺的，机械领域的发展与进步必定离不开传热学的发展。

参考文献

[1]杨世铭著. 传热学基础. 北京：高等教育出版社，2003

[2]李旦.机械制造技术基础【M】.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2009

[3]章熙民等.传热学.北京：中国建筑工业出版社.2014

[4]刘战强切削温度测量方法综述[期刊论文] -工具技术2002(03)

[5]金属切削温度场数值模拟的若干问题研究 - 合肥工业大学学报(自然科学版) - 2004, 27(9)