熱和力作用下灶具鋼化玻璃面板力學(xué)特性研究

鐘英杰，周 銳，徐 強(qiáng)，鄭軍妹，蘇慧玲，李 輝，鄧 凱

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州310014；2.方太集團(tuán)有限公司浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315336)

熱和力作用下灶具鋼化玻璃面板力學(xué)特性研究

鐘英杰1，周 銳1，徐 強(qiáng)2，鄭軍妹2，蘇慧玲2，李 輝1，鄧 凱1

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州310014；2.方太集團(tuán)有限公司浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315336)

針對灶具鋼化玻璃面板出現(xiàn)的爆裂問題，對兩種不同結(jié)構(gòu)尺寸的灶具鋼化玻璃展開了實(shí)驗(yàn)研究，通過改變面板的熱負(fù)荷、力負(fù)荷和受力點(diǎn)的位置等多方面的因素，獲得了兩種灶具面板的應(yīng)力和位移的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)表明：面板所受熱負(fù)荷小于6 kW/m2時(shí)，鋼化玻璃面板的應(yīng)力隨熱負(fù)荷的增加而增加；面板垂直位移大于水平位移，最大位移值隨熱負(fù)荷的增加而增大；力負(fù)荷的作用點(diǎn)和大小可改變面板所受的壓強(qiáng)，當(dāng)壓強(qiáng)減小時(shí)面板的應(yīng)力減??；熱負(fù)荷較小時(shí)，面板對壓強(qiáng)變化的敏感性較大；不同結(jié)構(gòu)形式的面板對力作用點(diǎn)和力大小變化的敏感性不同；在相同的力負(fù)荷和熱負(fù)荷下，鋼化玻璃面板的應(yīng)力與其表面溫度高低有較大關(guān)系.

灶具;鋼化玻璃;爆裂;應(yīng)力;力負(fù)荷;熱負(fù)荷;結(jié)構(gòu)

目前，燃?xì)庠罹呙姘宄２捎娩摶ＡР馁|(zhì)和不銹鋼材質(zhì)兩種，鋼化玻璃材質(zhì)的灶具由于款式新穎、外形別致和容易擦洗的原因，因而受到用戶的廣泛喜愛.根據(jù)燃?xì)庠罹呒跋鄳?yīng)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，鋼化玻璃需滿足耐溫差、耐熱沖擊和耐重力沖擊等各方面的檢驗(yàn)要求，然而鋼化玻璃由于其材質(zhì)的特殊性，自爆現(xiàn)象依然頻發(fā).據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國大部分鋼化玻璃生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的鋼化玻璃自爆率為0.3%～0.5%，個(gè)別廠家生產(chǎn)的鋼化玻璃自爆率還要高[3].其原因可歸納為內(nèi)因和外因兩種，內(nèi)因是指由于玻璃成型工藝過程所形成的質(zhì)量問題引起的破裂，外因是指灶具在一定的外力載荷、沖擊或局部過熱等情況下所形成的爆裂[4].

針對燃?xì)庠罹咪摶Ａ姘辶W(xué)研究的文章較為少見，Brungs等[5-6]通過研究發(fā)現(xiàn)硫化鎳微粒是導(dǎo)致鋼化玻璃自爆的主要原因.包亦望等[7]進(jìn)一步證明了引起鋼化玻璃自爆的主要原因與單質(zhì)硅微粒周邊玻璃的切向應(yīng)力有關(guān)，而降溫可以使這種應(yīng)力增加并加大破裂危險(xiǎn).納亞華等[8-9]提出面板結(jié)構(gòu)、熱負(fù)荷大小和通風(fēng)條件等都與爆裂的發(fā)生有密不可分的關(guān)系.灶具面板爆裂的發(fā)生機(jī)理較為復(fù)雜，并未獲得深入的研究.以某燃?xì)庠罹叩膬煞N典型鋼化玻璃面板為實(shí)驗(yàn)對象，研究了兩種不同結(jié)構(gòu)尺寸的面板在不同熱負(fù)荷、力負(fù)荷和力作用點(diǎn)下的應(yīng)力位移變化規(guī)律，分析了鋼化玻璃面板力學(xué)性能與溫度的關(guān)系，以及面板的結(jié)構(gòu)尺寸對力負(fù)荷和熱負(fù)荷變化的敏感程度，研究結(jié)果為降低面板爆裂的發(fā)生提供了相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路.

1 灶具鋼化玻璃面板結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 J和H型灶具面板結(jié)構(gòu)

J和H型兩種灶具的鋼化玻璃面板結(jié)構(gòu)如圖1所示，面板上各位置上分別設(shè)有承液盤、面板、底座支撐框等結(jié)構(gòu)，其中J型灶具玻璃面板尺寸850 mm×440 mm×6 mm，H型灶具玻璃面板尺寸：820 mm×450 mm×6 mm.圖1給出了支架1和支架2與J和H型面板的安裝配合形式，其中支架1與面板有接觸，而支架2與面板無接觸.

圖1 不同型號玻璃面板結(jié)構(gòu)及鍋支架安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of different type glass panel structure and pot bracket installation

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由J型和H型兩種型號的燃?xì)庠?、供氣系統(tǒng)和溫度、熱負(fù)荷、應(yīng)力和位移測量系統(tǒng)所構(gòu)成，燃料為液化石油氣，相應(yīng)的鍋為外徑為33 cm的廣口鑄鐵鍋，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下燃?xì)庠畈捎糜覀?cè)單灶運(yùn)行模式，火力全開.

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及溫度、應(yīng)力和位移測點(diǎn)位置圖Fig.2 Experimental system and measuring point of temperature, stress and displacement

如圖2所示，在J型和H型兩種不同類型的面板相應(yīng)的位置上布置溫度、熱負(fù)荷、應(yīng)力和位移測量位置點(diǎn)，4個(gè)測溫點(diǎn)、4個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)和5個(gè)位移測點(diǎn)，其中T1～T4分別為溫度的測點(diǎn)；P1～P4分別為應(yīng)力的測點(diǎn)；S1(X)～S5(Y)分別為位移測點(diǎn)；括號內(nèi)的X，Y，Z分別為位移所測量的方向.J型和H型均以其右側(cè)爐頭的中心孔為基準(zhǔn)位置點(diǎn)，T1，P1和T4，P4測點(diǎn)分別為爐頭中心點(diǎn)到上邊線和右邊線的投影點(diǎn)；T2，P2和T3，P3距爐頭中心孔距離分別為120 mm和165 mm.

溫度的測量采用PT100型薄膜熱電阻，可測量溫度范圍為-70～500 ℃，通過連接2625A型Fluke溫度采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取.熱負(fù)荷的測量采用JTR09A型輻射計(jì)，可測量輻射范圍為0～10 kW.位移的測量由百分表獲得，將初始狀態(tài)設(shè)置為位移原點(diǎn)，通過與原點(diǎn)的對比獲得該點(diǎn)處的位移值.

應(yīng)力值通過DH3818靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測量，應(yīng)變儀外接直角應(yīng)變花.點(diǎn)火后，記錄應(yīng)變儀上不同時(shí)刻的各測點(diǎn)應(yīng)變值，將每個(gè)直角應(yīng)變花測點(diǎn)上3個(gè)方向的應(yīng)變值代入廣義胡克定律，求得主應(yīng)力，即

σ1,2=

(1)

式中：σ1,2為平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)力；E為彈性模量；μ為泊松比；ε0，ε45，ε90分別為3個(gè)方向的應(yīng)變值.

根據(jù)廣義胡克定律求得的有兩個(gè)主應(yīng)力，取第一主應(yīng)力.按照同樣的操作重復(fù)3次，取平均值.

由于電阻應(yīng)變片對溫度變化十分敏感，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，因應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)與被測構(gòu)件的線膨脹系數(shù)不同，且敏感柵的電阻值隨溫度的變化而變化，所以測得應(yīng)變將包含溫度變化的影響，不能反映構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)變，因此在測量中必須設(shè)法消除溫度變化的影響.

采用溫度補(bǔ)償來消除溫度的影響，應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償有兩種方法[10]：線路補(bǔ)償和應(yīng)變片的自補(bǔ)償.應(yīng)變片的自補(bǔ)償是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片(稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片)來補(bǔ)償，而線路補(bǔ)償則是利用橋路補(bǔ)償法，它是利用電橋特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)?

本實(shí)驗(yàn)采用的是橋路中的半橋補(bǔ)償(每一個(gè)工作片都有單獨(dú)的補(bǔ)償片，如圖3所示)，由于工作片需要與補(bǔ)償片處于同一溫度場中，所以在本實(shí)驗(yàn)中，半橋相比1/4橋(一個(gè)補(bǔ)償片補(bǔ)償所有工作片)測量結(jié)果更加準(zhǔn)確.

圖3 應(yīng)力溫度補(bǔ)償示意圖 Fig.3 Schematic diagram of stress temperature compensation

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況如表1所示，將J型面板與鍋支架1和2的配合分別命名為J1和J2，將H型面板與鍋支架1和2的配合分別命名為H1和H2，將鍋內(nèi)設(shè)置6 kg重物載荷狀態(tài)與11.5 kg重物載荷狀態(tài)分別命名為Q0和QF，通過正交實(shí)驗(yàn)法獲得在熱負(fù)荷變化區(qū)間為2～8 kW/m2下，6種不同工況下的應(yīng)力、位移和溫度結(jié)果.

表1 實(shí)驗(yàn)工況

熱負(fù)荷的變化通過鍋內(nèi)水燒開、燒干直至干燒等狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，力負(fù)荷的變化通過調(diào)整鍋內(nèi)鐵塊的重量來實(shí)現(xiàn)，力作用點(diǎn)的改變通過改變鍋支架的形式來實(shí)現(xiàn).

實(shí)驗(yàn)過程中每5 min讀取1次數(shù)據(jù)，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取3次數(shù)據(jù)的平均值.

2 結(jié)果及分析

2.1 不同力作用點(diǎn)對面板應(yīng)力及位移影響規(guī)律

圖4給出了采用不同的鍋支架來改變力作用點(diǎn)時(shí)，J型和H型面板的應(yīng)力隨熱負(fù)荷的變化情況.由圖4可知：1) 當(dāng)面板的熱負(fù)荷小于6 kW/m2時(shí)，J和H型面板應(yīng)力均隨熱負(fù)荷的增大而增大；而當(dāng)面板所受熱負(fù)荷大于6 kW/m2時(shí)，J型面板應(yīng)力在P1和P4測點(diǎn)出現(xiàn)了降低的趨勢，H型應(yīng)力依然持續(xù)增大.燃?xì)庠罹邔?shí)際正常使用工況下，面板所受熱負(fù)荷不會高于6 kW/m2，即在用戶實(shí)際使用時(shí)，玻璃面板的應(yīng)力會隨熱負(fù)荷的增大而增大.2) 在力大小一定的情況下，J型和H型面板表現(xiàn)出一致的規(guī)律，即改變力作用點(diǎn)時(shí)，采用鍋支架1作用形式所產(chǎn)生的應(yīng)力值小于采用鍋支架2作用形式所產(chǎn)生的應(yīng)力值.如圖1所示，鍋支架1與面板的作用面積大于鍋支架2與玻璃面板的作用面積，即在力大小一定的情況下，當(dāng)支架與面板作用點(diǎn)面積增大時(shí)，使得面板上所受壓強(qiáng)減小時(shí)，此時(shí)玻璃的應(yīng)力也相應(yīng)的減小.3) 對于J型和H型面板而言，4個(gè)測點(diǎn)位置處應(yīng)力的最大值都出現(xiàn)在的測點(diǎn)4處，即右側(cè)邊線的中心處.

圖5給出了采用支架1作用形式和支架2作用形式兩種情況下，J型與H型的位移隨熱負(fù)荷的變化情況，J型和H型位移測點(diǎn)位置及方向均如圖2所示.

圖4 不同力作用點(diǎn)下面板的應(yīng)力隨熱負(fù)荷的變化規(guī)律Fig.4 The stress of the glass panel change with thermal load under different force acting positions

圖5 不同力作用點(diǎn)下面板位移隨熱負(fù)荷的變化規(guī)律Fig.5 The displacement of the glass panel change with the thermal load under different force acting positions

由圖5可知：1) 兩種不同類型的玻璃面板，垂直方向的位移大于水平方向的位移，位移最大點(diǎn)發(fā)生在S4測點(diǎn)處(右上角沿Z方向)，其值為負(fù)，即右上角往下沉.2) 隨著熱負(fù)荷的增大，J型和H型的最大位移點(diǎn)處數(shù)值增大，其膨脹變形量隨熱負(fù)荷增大而增大.3) 以最大的位移位置點(diǎn)(S4)來看，比較J1Q0和J2Q0，H1Q0和H2Q0的相對大小可知，采用鍋支架1作用形式所產(chǎn)生的位移量要大于采用鍋支架2作用形式所產(chǎn)生的位移量.由于力作用點(diǎn)的變化會改變壓強(qiáng)的大小，作用于爐頭位置的向下壓強(qiáng)會使玻璃面板四周產(chǎn)生向上的位移，這與面板四周受熱膨脹所產(chǎn)生的向下位移的方向相反.因此當(dāng)鍋支架1變化為鍋支架2時(shí)，減小了力作用的面積從而增大了力載荷的壓強(qiáng)，使面板的向上位移量增大，抵消了由于熱膨脹所產(chǎn)生的向下位移量，則整體上采用支架2時(shí)面板的位移量較小.

2.2 不同力負(fù)荷大小對面板應(yīng)力和位移的影響規(guī)律

J2Q0與J2QF，H1Q0與H1QF工況相比較，均增加了5.5 kg的力負(fù)荷，其結(jié)果如圖6所示.對兩種面板而言，力負(fù)荷的增加均使其應(yīng)力增大.這是由于當(dāng)力負(fù)荷增大，而鍋支架的作用形式不變時(shí)，玻璃面板上所受力的壓強(qiáng)增大，使其應(yīng)力增大.進(jìn)一步比較圖6中兩種面板的結(jié)果，其中J型采用鍋支架2，而H型采用鍋支架1，表明采用鍋支架1時(shí)應(yīng)力隨熱負(fù)荷增大的趨勢更為顯著；面板熱負(fù)荷低于6 kW/m2，增加力負(fù)荷后，玻璃面板的應(yīng)力仍會隨熱負(fù)荷的增大而增大.

如圖7所示，增加力負(fù)荷后，兩種面板的垂直位移仍然大于水平位移，右上角最大位移點(diǎn)處隨熱負(fù)荷增大位移增大；玻璃面板的右上角最大位移點(diǎn)處其數(shù)值減小，即力負(fù)荷增大了向上的位移值，使得整體向下位移減小.

2.3 面板對力作用點(diǎn)和力大小的敏感性分析

設(shè)定面板對作用于其上壓強(qiáng)的敏感性為參數(shù)，其中，下標(biāo)J和H分別表示J型和H型，下標(biāo)A和F分別表示通過改變力作用點(diǎn)和力大小來改變壓強(qiáng)，其敏感性與熱負(fù)荷的關(guān)系如圖8所示.

如圖8所示，整體而言，當(dāng)熱負(fù)荷小于4 kW/m2時(shí)，兩種類型的面板對壓強(qiáng)變化的敏感性均較大，表現(xiàn)為當(dāng)壓強(qiáng)改變時(shí)，應(yīng)力的變化率較大.表明熱負(fù)荷較小時(shí)，面板對壓強(qiáng)的敏感程度較大.

對比圖8(a,b)兩張圖，兩種不同結(jié)構(gòu)尺寸的面板對力作用點(diǎn)的改變和力大小改變的敏感程度是不一致的.對于J型而言，面板對于受力大小更為敏感；對于H型而言，面板對于力作用點(diǎn)更為敏感.這說明，對于兩種結(jié)構(gòu)形式(長寬比、開孔大小)不同的面板而言，對力作用點(diǎn)和力大小的敏感程度不同.

圖6 不同力負(fù)荷下面板應(yīng)力隨熱負(fù)荷的變化規(guī)律Fig.6 The stress of the glass panel change with the thermal load under different force values

圖7 不同力負(fù)荷下面板位移隨熱負(fù)荷的變化規(guī)律Fig.7 The displacement of the glass panel change with the thermal load under different force values

(a) J型

(b) H型

圖8 不同型號面板對力作用點(diǎn)和力負(fù)荷大小的敏感性分析

Fig.8 Sensitivity analysis of different type panel to the force acting positions and force values

2.4 玻璃面板的溫度和應(yīng)力的關(guān)系

在兩種灶具正常使用狀態(tài)下，對J型和H型的四個(gè)測點(diǎn)位置處的溫度進(jìn)行比較.由圖9可知：測點(diǎn)2處溫度最高，測點(diǎn)3處溫度最低，即靠近爐頭孔處的溫度較高.而四個(gè)測點(diǎn)位置處H型的溫度均要高于J型的溫度，且隨著熱負(fù)荷的增大，該溫度增大的趨勢更為顯著.

圖9 J型與H型正常工作時(shí)其溫度的對比Fig.9 The comparison of temperature between J type and H type glass panel under working conditions

圖10給出了在相同的力負(fù)荷和作用點(diǎn)的情況下，J型與H型應(yīng)力值的比較結(jié)果.在測點(diǎn)1/2/4，H型的應(yīng)力值均大于J型的值，表明面板表面溫度會對其應(yīng)力值有較大影響.為防止玻璃發(fā)生爆裂后碎片飛濺，灶具公司會在玻璃面板的背面貼相應(yīng)的防爆板或防爆膜，該板或膜由金屬制成，厚度約為1 mm，通過膠粘貼于面板下表面，同時(shí)該防爆膜也會對面板上表面的散熱和溫度分布產(chǎn)生一定的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮溫度與應(yīng)力的影響關(guān)系.強(qiáng)化玻璃面板散熱的過程可減小其應(yīng)力.

圖10 不同支架下J型與H型面板其應(yīng)力的對比Fig.10 The comparison of stress between J type and H type glass panel under different bracket

3 結(jié) 論

為了研究J型灶具鋼化玻璃爆裂的機(jī)理，通過改變力作用點(diǎn)、力負(fù)荷大小和熱負(fù)荷等多方面的因素，獲得了J型和H型灶具面板的應(yīng)力和位移的分布趨勢.結(jié)果表明：當(dāng)熱負(fù)荷小于6 kW/m2時(shí)，鋼化玻璃面板的應(yīng)力隨熱負(fù)荷的增加而增加；垂直位移大于水平位移，最大位移值隨熱負(fù)荷的增大而增大；力負(fù)荷的作用點(diǎn)和大小對面板的應(yīng)力有較大影響，當(dāng)外力負(fù)荷在面板上所產(chǎn)生的壓強(qiáng)減小時(shí)，面板的應(yīng)力減小.力負(fù)荷所產(chǎn)生的壓強(qiáng)可分別通過改變力作用點(diǎn)和力大小而變化，當(dāng)力作用點(diǎn)使得面板與鍋支架的接觸面積增大時(shí)，面板的應(yīng)力減?。划?dāng)力負(fù)荷增大時(shí)，面板的應(yīng)力增大.熱負(fù)荷越小，面板對壓強(qiáng)變化的敏感性越大.不同結(jié)構(gòu)形式(長寬比、開孔大小)的面板對力作用點(diǎn)和力大小變化的敏感性不同.在相同的力作用和熱負(fù)荷下，鋼化玻璃面板的應(yīng)力與其表面溫度大小有較大關(guān)系.綜上，在用戶正常使用情況下，通過減小面板受到的壓強(qiáng)(選用可增大與面板的接觸面積的鍋支架、減小外力負(fù)荷)、改進(jìn)玻璃面板的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化面板表面的散熱過程均可以減小玻璃面板所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而降低其爆裂率.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

Investigation on mechanical properties of tempered glass panel for cooking appliances under heat and force

ZHONG Yingjie1, ZHOU Rui1, XU Qiang2, ZHENG Junmei2,SU Huiling2, LI Hui1, DENG Kai1

(1.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2.Key Laboratory of Healthy & Intelligent Kitchen System Integration of Zhejiang Province, Ningbo 315336, China)

In order to investigate spontaneous breakage of the tempered glass panel for cooking appliances, the experiments were conducted on two different glass panels. Changing some factors such as thermal load, force load, and the location of force, the law of stress and displacement of these two types of panel for cooking appliances were obtained. The experiments show that when thermal load on glass panel is less than 6 kW/m2, vertical displacement of panel are more than its displacement in horizontal direction, in addition, the maximum displacement of tempered glass panel increases with the rising of the thermal load, so does the stress. The pressure on the panel changes with both the value and location of the force, and the stresses of the panel decrease with the pressures. The panels are more sensitive to the pressure under the low thermal load, and different structures of panels appear different sensitive levels about the variation on the sizes of force action area and force load. The stress of tempered glass panel is closely related to its surface temperature, when it suffers the same force or thermal load.

cooking appliances; tempered glass; spontaneous breakage; stress; force load; thermal load; structure

2016-09-18

鐘英杰(1962—)，男，浙江杭州人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊崮芄こ?，E-mail:zhong_yingjie@zjut.edu.cn.

TK174

A

1006-4303(2017)04-0370-06