[发明专利]一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法

摘要

本发明涉及一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法，属于金属热加工工艺参数设计领域。本发明包括以下步骤:采用钢轨为淬火构件,实验测试出钢轨内部点的冷却曲线；基于有限元软件ABAQUS平台利用其脚本语言Python建立钢轨的有限元模型，迭代计算温度场，算出钢轨表面综合换热系数，将钢轨内部的实测温度与计算值进行对比验证，确保求解的准确性。本发明用于计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法。

主权项

一种计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的方法，其特征在于：所述计算钢轨喷雾过程表面综合换热系数的具体过程为:步骤1，在待测钢轨（1）的对称面上距离钢轨上表面5‑11mm处1#钻孔，钻孔内放置热电偶（2），将带有热电偶（2）的钢轨（1）在加热炉中加热到900‑980℃保温均匀后，以不超过60s的时间迅速转移到喷雾装置中，轨头喷嘴距钢轨上表面距离S₁为0‑300mm处，水流量为0‑1.800 m³/h，气压为0‑0.40Mpa，水雾温度设定20‑25℃，喷雾150‑300s，热电偶（2）将测得钢轨（1）内部特征点温度通过ADAM采集卡发送到计算机，并绘制冷却曲线，即得到钢轨（1）1#处的冷却曲线； 步骤2，把上述钢轨（1）1#点处的冷却曲线按时间t分成时间步，以便计算每步的综合换热系数；步骤3，基于ABAQUS有限元平台，建立钢轨（1）的几何模型，赋给钢轨（1）的导热系数、膨胀系数、定压比热密度为7800kg/m³，发生潜热的固态温度为570℃，液态温度为620℃，相变潜热为78200J，设定初始温度900‑980℃，设定水雾的温度为20‑25℃，创建三个时间步，第一时间步的时间最初t，然后每计算出一个综合换热系数，第一时间步的时间就增加t，第二、第三时间步的时间均为t，以1‑5mm的尺寸大小划分单元格，设定钢轨（1）截面的周边上的综合换热系数为h；步骤4，给第一个时间步长时温度所对应的综合换热系数h一个初始值h₁，带入钢轨（1）计算模型，算出在第一个时间步长时1#点的计算温度值T₁；步骤5，增加综合换热系数h为h₂= h₁+50，再代入钢轨（1）计算模型，算出在第一个时间步长时1#点处的计算温度值T₂，判断计算温度值T₂与实验值T₀之差的绝对值是否小于或等于0‑1℃，如果小于或等于0‑1℃，则认为该温度所对应的综合换热系数为h₂；步骤6，若大于0‑1℃，根据温度随着综合换热系数变化的比例 (h₂‑h₁)/(T₂‑ T₁) ，修改综合换热系数h为h₃= h₁+(h₂‑h₁)(T₀‑ T₁)/(T₂‑ T₁)，再代入钢轨（1）计算模型，算出第一个时间步长时1#点处的计算温度值T₃，判断计算温度值T₃与实验温度值T₀之差的绝对值是否小于或等于0‑1℃，如果小于或等于0‑1℃，则认为该温度所对应的综合换热系数为h₃；步骤7，若大于0‑1℃，就按照步骤6迭代，直到温度误差达到允许范围，此时的综合换热系数h_n为钢轨（1）在该温度时所对应的表面的综合换热系数；步骤8，把前N个时间步算出来的综合换热系数均代入钢轨（1）计算模型，并从初始温度开始，按照步骤3～步骤7相同的计算方法，计算出第N+1时间步时钢轨的表面综合换热系数；步骤9，以此类推，最终计算出在该喷雾条件下钢轨（1）的表面综合换热系数随温度的变化曲线；步骤10，把钢轨（1）综合换热系数随温度变化曲线代入钢轨（1）计算模型，计算钢轨（1）喷雾冷却过程，求出温度场，并与实验值对比。