Характеристики рабочего элемента, выполненного из термобиметаллического материала

В статье рассматриваются характеристики рабочего элемента, выполненного из термобиметаллического материала при его прямом электронагреве. Приведены зависимости упругих перемещений и напряжений при изменении температуры на ΔТ=150°С.

Ключевые слова: термобиметалл, рабочий ход, прямой электронагрев.

Термобиметаллы относят к композиционным материалам, по физико-механическим свойствам, технологии изготовления и области применения их выделяют в отдельную группу прецизионных сплавов [1]. Они широко используются во многих отраслях промышленности.

Термобиметаллический рабочий элемент представляет собой две или несколько жестко соединенных сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, сваренных между собой по всей плоскости соприкосновения [2]. При нагреве биметаллическая пластинка изгибается за счет различного удлинения ее составляющих.

Вычисления будем проводить для рабочего элемента длиной l=1000 мм, толщиной и шириной da= 10 мм, dp=7 мм соответственно.

Рассмотрим варианты, когда рабочий элемент будет выполнен из термобиметаллов стандартной номенклатуры (по ГОСТ 10533–86). В качестве основного инструмента исследования используются программный комплекс MathCAD.

Исходные данные рассматриваемых марок представлены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные характеристики

Пусть температура термобиметала будет изменяться по закону, показанному на рис.1.

Рис. 1. Нагрев рабочего элемента

Для расчета упругих перемещений воспользуемся формулой:

,

где — упругое перемещение рабочего элемента, мм;

— температурный коэффициент линейного расширения активного слоя рабочего элемента, °С;

— длина рабочего элемента, мм.

Рис. 2. Зависимость рабочего хода от температуры нагрева

Рис. 3. Перемещение рабочего элемента во времени

Максимальные напряжения определяем по формуле:

где — напряжение, МПа;

— модуль упругости активного слоя.

Рис. 4. Изменение напряжения рабочего элемента

Результаты вычислений представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты вычислений

1. Башнин Ю. А., Улановский Ф. Б., Перепелица И. В., Мосалов А. Н. Термобиметаллы: Композиции, обработка, свойства — М.: Машиностроение, 1986. — 136 с., ил.
2. ГОСТ 10533–86 Лента холоднопрокатная из термобиметаллов. Технические условия/ М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. — 12 с.
3. Материалы в машиностроении. Выбор и применение: справочник в 5-и т. Т.1. Цветные металлы и сплавы/ Под ред. И. В. Кудрявцева. — М.: Машиностроение, 1967. — 304 с.: ил.
4. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов: справочное руководство — М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1959. — 356 с.