王 慧，王 芳，徐志鑫，普加紹

（中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249）

在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)是不可或缺的設(shè)備，用于引導(dǎo)煙塵及氣體的流動(dòng)，促使整個(gè)機(jī)器設(shè)備系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)[1]。但是，風(fēng)機(jī)中的氣體物質(zhì)在實(shí)際生產(chǎn)中溫度較高，風(fēng)機(jī)軸單向受熱而引起膨脹伸長(zhǎng)，此時(shí)，與軸緊密配合的軸承內(nèi)環(huán)被帶動(dòng)，與外環(huán)發(fā)生相對(duì)位移，造成軸承內(nèi)的滾珠、支撐架以及內(nèi)、外圈間的磨損，從而縮短了風(fēng)機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重的造成工廠的停產(chǎn)[2]。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)每年發(fā)電廠因風(fēng)機(jī)的損壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失將近3 000萬(wàn)元。

本課題以此實(shí)際工程問(wèn)題為探究的背景，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際生產(chǎn)中的軸單項(xiàng)受熱情況，對(duì)其溫度與伸長(zhǎng)量的關(guān)系進(jìn)行研究，希望得到溫度與金屬軸承形變之間的定量關(guān)系，從而優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)并將其運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)中，減輕軸承的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高工廠的作業(yè)效率，從而在生產(chǎn)實(shí)際中得到更高的效益。

1 主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及設(shè)計(jì)：

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)按圖1進(jìn)行安裝[3]，安裝時(shí)注意加熱帶的纏繞，應(yīng)保證其纏繞均勻細(xì)密，并把熱電偶的感溫棒包裹嚴(yán)密；望遠(yuǎn)鏡經(jīng)過(guò)粗調(diào)和細(xì)調(diào)后能清晰看見(jiàn)刻度尺刻度，并與叉絲刻線之間無(wú)視差；在整個(gè)試驗(yàn)中注意保證無(wú)振動(dòng)，以免造成實(shí)驗(yàn)誤差；測(cè)量溫度時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，記錄一次數(shù)據(jù)，此時(shí)停止加熱，待溫度升高后又回到此溫度時(shí)再次記錄數(shù)據(jù)，以減少因受熱不均造成的誤差。

圖1 裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)中主要包括3部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，加熱部分設(shè)計(jì)、測(cè)量部分設(shè)計(jì)以及光杠桿的設(shè)計(jì)。

1.2.1 加熱部分設(shè)計(jì)

金屬軸為剛性材料，選用加熱帶對(duì)其加熱，通過(guò)改變加熱帶對(duì)軸的纏繞長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)加熱長(zhǎng)度的控制，并利用熱電偶，實(shí)現(xiàn)智能溫控，以便模擬金屬軸在實(shí)際生產(chǎn)中的單向恒溫受熱情況[4]。

1.2.2 測(cè)量設(shè)計(jì)

對(duì)金屬軸進(jìn)行一定長(zhǎng)度的單向加熱，軸受熱后產(chǎn)生微小伸長(zhǎng)（小于1mm），由于伸長(zhǎng)量過(guò)小，不易直接測(cè)量，所以運(yùn)用光杠桿原理，參照物理實(shí)驗(yàn)《拉伸法測(cè)鋼絲的彈性模量》，對(duì)微小伸長(zhǎng)量進(jìn)行放大，達(dá)到較為精準(zhǔn)的測(cè)量。見(jiàn)圖2。

圖2 光杠桿放大法原理圖

1.2.3 光杠桿設(shè)計(jì)

光杠桿是由平面反射鏡M、望遠(yuǎn)鏡T和標(biāo)尺W組成的，如圖1和圖2所示。平面反射鏡M到標(biāo)尺W的水平距離為D，反射鏡M到金屬軸伸長(zhǎng)端點(diǎn)B的距離為I，未加熱時(shí)，標(biāo)尺經(jīng)平面鏡M，反射回的刻度值為P。當(dāng)金屬軸受熱伸長(zhǎng)后，反射鏡M轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)微小的角度α，這時(shí)再由望遠(yuǎn)鏡看標(biāo)尺的刻度值為Q。在標(biāo)尺上，刻度值的改變量為δn＝Q P，可直接讀出。由于金屬軸伸長(zhǎng)量L很小，反射鏡M的偏轉(zhuǎn)角也很小，如圖2所示，故

2 驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在不同加熱長(zhǎng)度、不同溫度下測(cè)量，并計(jì)算得到的金屬軸的伸長(zhǎng)量如表1所示。

表1 金屬軸實(shí)際伸長(zhǎng)量L與加熱長(zhǎng)度及加熱溫度的關(guān)系

由表1分析可得出以下兩方面結(jié)論：

2.1 伸長(zhǎng)量與加熱溫度成明顯線性關(guān)系

依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，描繪伸長(zhǎng)量L／mm與加熱溫度t／℃的圖像如圖3所示：

由圖3線性擬合，得到每組數(shù)據(jù)伸長(zhǎng)量L與溫度關(guān)系的表達(dá)式：

式中：L為伸長(zhǎng)量；t為溫度

圖3 伸長(zhǎng)量與溫度的關(guān)系圖

2.2 伸長(zhǎng)量與單端加熱長(zhǎng)度成明顯線性關(guān)系

觀察圖3可知：加熱長(zhǎng)度越長(zhǎng)，擬合直線的斜率越大，因此特引入斜率k來(lái)表征伸長(zhǎng)量與單端加熱長(zhǎng)度的關(guān)系，如表2所示：

表2 加熱長(zhǎng)度與斜率關(guān)系表

由表2可知加熱長(zhǎng)度L1與k呈線性關(guān)系，初步得相關(guān)線性表達(dá)式為：

經(jīng)過(guò)對(duì)以上公式的修改模擬，可得伸長(zhǎng)量L與加熱長(zhǎng)度L1及溫度t的關(guān)系表達(dá)式為 ：

2.3 得出經(jīng)驗(yàn)公式

公式（8）不僅反映了伸長(zhǎng)量L與加熱長(zhǎng)度L1的關(guān)系，而且也反映了伸長(zhǎng)量L與溫度t的關(guān)系。為驗(yàn)證所得公式正確性，將實(shí)際趨勢(shì)線與擬合趨勢(shì)線進(jìn)行比較，可觀測(cè)其模擬的準(zhǔn)確性。例如將上公式繪制的標(biāo)準(zhǔn)圖形分別與加熱長(zhǎng)度為10cm（圖4）、15cm（圖5）、20cm（圖6）及25cm（圖7）時(shí)原始數(shù)據(jù)所繪制的圖形進(jìn)行比較。

圖4 擬合線與加熱長(zhǎng)度為10cm時(shí)的實(shí)際線對(duì)比

由圖4、圖5、圖6、圖7觀察到，由模擬公式得到的模擬曲線與不同單端加熱長(zhǎng)度下加熱得到的身長(zhǎng)量與溫度關(guān)系的模擬線擬合得比較好。并且隨著單端加熱長(zhǎng)度越長(zhǎng)擬合得越好。因此，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的得到的你和公式（8）較為準(zhǔn)確地反應(yīng)了單端加熱金屬軸時(shí)溫度、加熱長(zhǎng)度與伸長(zhǎng)量的關(guān)系。具體地是伸長(zhǎng)量隨溫度的升高而增長(zhǎng)、隨加熱長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，呈現(xiàn)的是近似的線性關(guān)系。

圖5 擬合線與加熱長(zhǎng)度為15cm時(shí)的實(shí)際線對(duì)比

圖6 擬合線與加熱長(zhǎng)度為20cm時(shí)的實(shí)際線對(duì)比

圖7 擬合線與加熱長(zhǎng)度為25cm時(shí)的實(shí)際線對(duì)比

3 結(jié) 論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)，得到了溫度與伸長(zhǎng)量及加熱長(zhǎng)度的關(guān)系，即伸長(zhǎng)量隨溫度的升高而增長(zhǎng)、隨加熱長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，呈現(xiàn)的是近似的現(xiàn)行關(guān)系。因此，本文首次定量地分析了單端加熱一定長(zhǎng)度的金屬桿與其伸長(zhǎng)量的關(guān)系。這種關(guān)系可以借鑒于單端受熱伸長(zhǎng)的金屬軸的實(shí)際情況，對(duì)火力發(fā)電廠中由于軸單向受熱造成軸承磨損情況的改進(jìn)和優(yōu)化具有非常重要的指導(dǎo)意義。

[1]王朝暉.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007.

[2]何銘新，錢可強(qiáng).機(jī)械制圖[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]孫為，唐軍杰.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2007.

[4]李立碑，孫玉福.金屬材料物理性能手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.