Тепловое проявление механической энергии

В производственных условиях пожароопасное повышение температуры тел в результате превращения механической энергии в тепловую наблюдается при ударах твердых тел (с образованием или без образования искр); при поверхностном трении тел во время их взаимного перемещения; при механической обработке твердых материалов режущими инструментами, а также при сжатии газов и прессовании пластмасс.

При взаимном трении тел за счет совершения механической работы происходит их разогрев. При этом механическая энергия переходит в тепловую. Тепловой нагрев, т.е. температура трущихся тел в зависимости от условий трения может быть достаточной для воспламенения горючих веществ и материалов. При этом нагретые тела выступают в качестве источника зажигания.

В производственных условиях наиболее распространенными случаями опасного нагрева тел при трении являются удары твердых тел с образованием искр, поверхностное трение тел и сжатие газов.

Температура, которая при этом достигается, зависит от многих факторов. Анализ такого разогрева затруднен тем, что процессы нагрева в этом случае протекают чаще всего в условиях нестационарного режима. В общем виде температура тел, нагревающихся от теплоты трения, будет зависеть от коэффициентов трения, массы соприкасающихся тел, удельной теплоемкости материала, коэффициентов теплопроводности, коэффициентов теплообмена с воздухом, температуры окружающей среды и т.д.

Удары твердых тел с образованием искр

При определенной силе удара некоторых твердых тел друг о друга могут образовываться искры, которые называют искрами удара или трения. Искры представляют собой нагретые до высокой температуры (раскаленные) частицы металла или камня (в зависимости от того, какие твердые тела участвуют в соударении) размером от 0,1 до 0,5 мм и более.

Воспламеняющая способность искры, находящейся в покое, выше летящей, так как неподвижная искра медленнее охлаждается, она отдает тепло одному и тому же объему горючей среды и, следовательно, может его нагреть до более высокой температуры. Поэтому искры, находящиеся в покое, способны воспламенить даже твердые вещества в измельченном виде (волокна, пыли).

Искры в условиях производства образуются при работе с инструментом ударного действия (гаечными ключами, молотками, зубилами и т.п.), при попадании примесей металла и камней в машины с вращающимися механизмами (аппараты с мешалками, вентиляторы, газодувки и т.п.), а также при ударах подвижных механизмов машины о неподвижные (молотковые мельницы, вентиляторы, аппараты с откидными крышками, люками и т.п.).

Количество тепла, отдаваемое искрой при охлаждении от начальной температуры t до температуры самовоспламенения t_св горючей среды, в которую она попала, вычисляется по формуле:

(2.14)

где V_u – объем искры металла, м³, определяется как

(2.15)

r_и – плотность металла, кг/м³;

с_и – теплоемкость расплава металла, Дж/(кг·К) ;

k – коэффициент, равный отношению тепла, отданного горючему веществу к энергии, запасенной искрой.

Для предупреждения опасного проявления искр удара и трения применяют искробезопасный инструмент, изготовленный из бронзы, фосфористой бронзы, латуни, бериллия, дюралей с содержанием магния не более 1,2-1,8%; обдув чистым воздухом места производства ремонтных и других работ, связанных с использованием искроопасного инструмента, при существовании возможности образования горючих смесей.

Поверхностное трение тел

Перемещение относительно друг друга соприкасающихся тел требует затраты энергии на преодоление сил трения. Эта энергия почти целиком превращается в теплоту, которая, в свою очередь, зависит от вида трения, свойств трущихся поверхностей (их природы, степени загрязнения, шероховатости), от давления, размера поверхности и начальной температуры. При нормальных условиях выделяющееся тепло своевременно отводится, и этим обеспечивается нормальный температурный режим. Однако при определенных условиях температура трущихся поверхностей может повыситься до опасных значений, при которых они могут стать источником зажигания.

Причинами роста температуры трущихся тел в общем случае является увеличение количества тепла или уменьшение теплоотвода. По этим причинам в технологических процессах производств происходят опасные перегревы; подшипников, транспортных лент и приводных ремней, волокнистых горючих материалов при наматывании их на вращающиеся валы, а также твердых горючих материалов при их механической обработке.

Все эти факторы должны учитываться коэффициентом трения. Так как почти вся энергия, затрачиваемая на преодоление работы сил трения, переходит в теплоту (лишь незначительная часть ее расходуется на износ поверхностей и колебательные движения), то можно определить количество тепла Q_TP:

, (2.16)

где f – коэффициент трения;

N – нагрузка, Н;

d – диаметр шейки вала, м;

n – частота вращения вала, с^-1;

При нормальном состоянии и правильной эксплуатации трущихся пар выделяющееся тепло своевременно отводится специальной системой охлаждения Q_охл и в окружающую среду Q_пот, обеспечивая поддержание температуры на заданном уровне, т. е., если

Нарушение этого равенства, т. е. увеличение количества выделяющегося тепла или уменьшение теплопотерь, приведет к повышению температуры трущихся тел. По этой причине происходят загорания в подшипниках машин и аппаратов, перегревы сильно затянутых сальников, перегревы и воспламенения транспортерных лент и приводных ремней, загорания волокнистых материалов при наматывании их на вращающиеся валы, перегревы при механической обработке твердых горючих материалов.

Большую опасность перегрева представляют подшипники скольжения (в сравнении с подшипниками качения) сильно нагруженных и высокооборотных валов машин и аппаратов.

Увеличение тепловыделения возможно при нарушении смазки, чрезмерной затяжке подшипников, перекосах и перегрузках валов. Уменьшение теплоотвода от подшипников возможно при загрязнении их поверхности отложениями пыли и волокон, обращающихся в технологическом процессе веществ и нарушении режима работы системы охлаждения.

Перегрев транспортных лент и приводных ремней связан с длительным проскальзыванием (пробуксовкой) шкива относительно ремня или ленты из-за слабого их натяжения или перегрузки. В результате этого лента и ремень могут сильно перегреваться.

Перегрев волокнистых материалов при наматывании их на вращающиеся валы происходит в результате постепенного уплотнения массы горючего материала и усиливающегося трения его о неподвижные части корпуса аппарата (машины). Этот процесс может привести к перегреву наматывающегося волокнистого материала.

Перегрев твердых горючих материалов при их механической обработке путем резания, фрезерования, строгания, шлифовки и т.п. связан с преодолением сил трения. Количество выделяющегося при этом тепла зависит от скорости резания и толщины стружки. На интенсивность тепловыделения также оказывает влияние острота и правильность заточки режущего инструмента (резца). Опасность воспламенения при механической обработке представляют такие материалы, как целлулоид, термореактивные пластмассы, резина, некоторые активные металлы (например, магний, титан и их сплавы) и т.п. Для предупреждения воспламенения твердых материалов при их механической обработке для каждого горючего материала устанавливают оптимальную (безопасную) скорость резания в зависимости от установленной толщины стружки на данном станке; своевременно и правильно затачивают режущий инструмент (резец); устраивают системы локального охлаждения места резания с использованием в качестве охлаждающей среды воды, масла, различных эмульсий, газов и т.п.