熱和力作用下灶具鋼化玻璃面板力學特性研究

鐘英杰，周 銳，徐 強，鄭軍妹，蘇慧玲，李 輝，鄧 凱

(1.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州310014；2.方太集團有限公司浙江省健康智慧廚房系統集成重點實驗室，浙江 寧波 315336)

熱和力作用下灶具鋼化玻璃面板力學特性研究

鐘英杰1，周 銳1，徐 強2，鄭軍妹2，蘇慧玲2，李 輝1，鄧 凱1

(1.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州310014；2.方太集團有限公司浙江省健康智慧廚房系統集成重點實驗室，浙江 寧波 315336)

針對灶具鋼化玻璃面板出現的爆裂問題，對兩種不同結構尺寸的灶具鋼化玻璃展開了實驗研究，通過改變面板的熱負荷、力負荷和受力點的位置等多方面的因素，獲得了兩種灶具面板的應力和位移的變化規律.實驗表明：面板所受熱負荷小于6 kW/m2時，鋼化玻璃面板的應力隨熱負荷的增加而增加；面板垂直位移大于水平位移，最大位移值隨熱負荷的增加而增大；力負荷的作用點和大小可改變面板所受的壓強，當壓強減小時面板的應力減小；熱負荷較小時，面板對壓強變化的敏感性較大；不同結構形式的面板對力作用點和力大小變化的敏感性不同；在相同的力負荷和熱負荷下，鋼化玻璃面板的應力與其表面溫度高低有較大關系.

灶具;鋼化玻璃;爆裂;應力;力負荷;熱負荷;結構

目前，燃氣灶具面板常采用鋼化玻璃材質和不銹鋼材質兩種，鋼化玻璃材質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.根據燃氣灶具及相應標準[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要求，然而鋼化玻璃由于其材質的特殊性，自爆現象依然頻發.據不完全統計，我國大部分鋼化玻璃生產廠家生產的鋼化玻璃自爆率為0.3%～0.5%，個別廠家生產的鋼化玻璃自爆率還要高[3].其原因可歸納為內因和外因兩種，內因是指由于玻璃成型工藝過程所形成的質量問題引起的破裂，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].

針對燃氣灶具鋼化玻璃面板力學研究的文章較為少見，Brungs等[5-6]通過研究發現硫化鎳微粒是導致鋼化玻璃自爆的主要原因.包亦望等[7]進一步證明了引起鋼化玻璃自爆的主要原因與單質硅微粒周邊玻璃的切向應力有關，而降溫可以使這種應力增加并加大破裂危險.納亞華等[8-9]提出面板結構、熱負荷大小和通風條件等都與爆裂的發生有密不可分的關系.灶具面板爆裂的發生機理較為復雜，并未獲得深入的研究.以某燃氣灶具的兩種典型鋼化玻璃面板為實驗對象，研究了兩種不同結構尺寸的面板在不同熱負荷、力負荷和力作用點下的應力位移變化規律，分析了鋼化玻璃面板力學性能與溫度的關系，以及面板的結構尺寸對力負荷和熱負荷變化的敏感程度，研究結果為降低面板爆裂的發生提供了相應的設計思路.

1 灶具鋼化玻璃面板結構及參數

1.1 J和H型灶具面板結構

J和H型兩種灶具的鋼化玻璃面板結構如圖1所示，面板上各位置上分別設有承液盤、面板、底座支撐框等結構，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構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 實驗系統

實驗系統由J型和H型兩種型號的燃氣灶、供氣系統和溫度、熱負荷、應力和位移測量系統所構成，燃料為液化石油氣，相應的鍋為外徑為33 cm的廣口鑄鐵鍋，實驗狀態下燃氣灶采用右側單灶運行模式，火力全開.

圖2 實驗系統及溫度、應力和位移測點位置圖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的位置上布置溫度、熱負荷、應力和位移測量位置點，4個測溫點、4個應力測點和5個位移測點，其中T1～T4分別為溫度的測點；P1～P4分別為應力的測點；S1(X)～S5(Y)分別為位移測點；括號內的X，Y，Z分別為位移所測量的方向.J型和H型均以其右側爐頭的中心孔為基準位置點，T1，P1和T4，P4測點分別為爐頭中心點到上邊線和右邊線的投影點；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溫度采集儀進行數據讀取.熱負荷的測量采用JTR09A型輻射計，可測量輻射范圍為0～10 kW.位移的測量由百分表獲得，將初始狀態設置為位移原點，通過與原點的對比獲得該點處的位移值.

應力值通過DH3818靜態電阻應變儀測量，應變儀外接直角應變花.點火后，記錄應變儀上不同時刻的各測點應變值，將每個直角應變花測點上3個方向的應變值代入廣義胡克定律，求得主應力，即

σ1,2=

(1)

式中：σ1,2為平面內的兩個主應力；E為彈性模量；μ為泊松比；ε0，ε45，ε90分別為3個方向的應變值.

根據廣義胡克定律求得的有兩個主應力，取第一主應力.按照同樣的操作重復3次，取平均值.

由于電阻應變片對溫度變化十分敏感，當環境溫度變化時，因應變片的線膨脹系數與被測構件的線膨脹系數不同，且敏感柵的電阻值隨溫度的變化而變化，所以測得應變將包含溫度變化的影響，不能反映構件的實際應變，因此在測量中必須設法消除溫度變化的影響.

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

本實驗采用的是橋路中的半橋補償(每一個工作片都有單獨的補償片，如圖3所示)，由于工作片需要與補償片處于同一溫度場中，所以在本實驗中，半橋相比1/4橋(一個補償片補償所有工作片)測量結果更加準確.

圖3 應力溫度補償示意圖 Fig.3 Schematic diagram of stress temperature compensation

1.3 實驗工況

實驗工況如表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，將鍋內設置6 kg重物載荷狀態與11.5 kg重物載荷狀態分別命名為Q0和QF，通過正交實驗法獲得在熱負荷變化區間為2～8 kW/m2下，6種不同工況下的應力、位移和溫度結果.

表1 實驗工況

熱負荷的變化通過鍋內水燒開、燒干直至干燒等狀態來實現，力負荷的變化通過調整鍋內鐵塊的重量來實現，力作用點的改變通過改變鍋支架的形式來實現.

實驗過程中每5 min讀取1次數據，每次實驗重復3次，取3次數據的平均值.

2 結果及分析

2.1 不同力作用點對面板應力及位移影響規律

圖4給出了采用不同的鍋支架來改變力作用點時，J型和H型面板的應力隨熱負荷的變化情況.由圖4可知：1) 當面板的熱負荷小于6 kW/m2時，J和H型面板應力均隨熱負荷的增大而增大；而當面板所受熱負荷大于6 kW/m2時，J型面板應力在P1和P4測點出現了降低的趨勢，H型應力依然持續增大.燃氣灶具實際正常使用工況下，面板所受熱負荷不會高于6 kW/m2，即在用戶實際使用時，玻璃面板的應力會隨熱負荷的增大而增大.2) 在力大小一定的情況下，J型和H型面板表現出一致的規律，即改變力作用點時，采用鍋支架1作用形式所產生的應力值小于采用鍋支架2作用形式所產生的應力值.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，當支架與面板作用點面積增大時，使得面板上所受壓強減小時，此時玻璃的應力也相應的減小.3) 對于J型和H型面板而言，4個測點位置處應力的最大值都出現在的測點4處，即右側邊線的中心處.

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型的位移隨熱負荷的變化情況，J型和H型位移測點位置及方向均如圖2所示.

圖4 不同力作用點下面板的應力隨熱負荷的變化規律Fig.4 The stress of the glass panel change with thermal load under different force acting positions

圖5 不同力作用點下面板位移隨熱負荷的變化規律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，位移最大點發生在S4測點處(右上角沿Z方向)，其值為負，即右上角往下沉.2) 隨著熱負荷的增大，J型和H型的最大位移點處數值增大，其膨脹變形量隨熱負荷增大而增大.3) 以最大的位移位置點(S4)來看，比較J1Q0和J2Q0，H1Q0和H2Q0的相對大小可知，采用鍋支架1作用形式所產生的位移量要大于采用鍋支架2作用形式所產生的位移量.由于力作用點的變化會改變壓強的大小，作用于爐頭位置的向下壓強會使玻璃面板四周產生向上的位移，這與面板四周受熱膨脹所產生的向下位移的方向相反.因此當鍋支架1變化為鍋支架2時，減小了力作用的面積從而增大了力載荷的壓強，使面板的向上位移量增大，抵消了由于熱膨脹所產生的向下位移量，則整體上采用支架2時面板的位移量較小.

2.2 不同力負荷大小對面板應力和位移的影響規律

J2Q0與J2QF，H1Q0與H1QF工況相比較，均增加了5.5 kg的力負荷，其結果如圖6所示.對兩種面板而言，力負荷的增加均使其應力增大.這是由于當力負荷增大，而鍋支架的作用形式不變時，玻璃面板上所受力的壓強增大，使其應力增大.進一步比較圖6中兩種面板的結果，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時應力隨熱負荷增大的趨勢更為顯著；面板熱負荷低于6 kW/m2，增加力負荷后，玻璃面板的應力仍會隨熱負荷的增大而增大.

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

2.3 面板對力作用點和力大小的敏感性分析

設定面板對作用于其上壓強的敏感性為參數，其中，下標J和H分別表示J型和H型，下標A和F分別表示通過改變力作用點和力大小來改變壓強，其敏感性與熱負荷的關系如圖8所示.

如圖8所示，整體而言，當熱負荷小于4 kW/m2時，兩種類型的面板對壓強變化的敏感性均較大，表現為當壓強改變時，應力的變化率較大.表明熱負荷較小時，面板對壓強的敏感程度較大.

對比圖8(a,b)兩張圖，兩種不同結構尺寸的面板對力作用點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，面板對于力作用點更為敏感.這說明，對于兩種結構形式(長寬比、開孔大小)不同的面板而言，對力作用點和力大小的敏感程度不同.

圖6 不同力負荷下面板應力隨熱負荷的變化規律Fig.6 The stress of the glass panel change with the thermal load under different force values

圖7 不同力負荷下面板位移隨熱負荷的變化規律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和力負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力的關系

在兩種灶具正常使用狀態下，對J型和H型的四個測點位置處的溫度進行比較.由圖9可知：測點2處溫度最高，測點3處溫度最低，即靠近爐頭孔處的溫度較高.而四個測點位置處H型的溫度均要高于J型的溫度，且隨著熱負荷的增大，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荷和作用點的情況下，J型與H型應力值的比較結果.在測點1/2/4，H型的應力值均大于J型的值，表明面板表面溫度會對其應力值有較大影響.為防止玻璃發生爆裂后碎片飛濺，灶具公司會在玻璃面板的背面貼相應的防爆板或防爆膜，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，同時該防爆膜也會對面板上表面的散熱和溫度分布產生一定的影響，在設計時需考慮溫度與應力的影響關系.強化玻璃面板散熱的過程可減小其應力.

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

3 結 論

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

[1] 中華人民共和國建設部標準定額研究所.家用燃氣灶具用涂層鋼化玻璃面板：CJ/T 157—2002[S].北京：中國標準出版社，2003.

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(責任編輯：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，博士生導師，研究方向為熱能工程，E-mail:zhong_yingjie@zjut.edu.cn.

TK174

A

1006-4303(2017)04-0370-06