热和力作用下灶具钢化玻璃面板力学特性研究

钟英杰，周 锐，徐 强，郑军妹，苏慧玲，李 辉，邓 凯

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州310014；2.方太集团有限公司浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室，浙江 宁波 315336)

热和力作用下灶具钢化玻璃面板力学特性研究

钟英杰1，周 锐1，徐 强2，郑军妹2，苏慧玲2，李 辉1，邓 凯1

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州310014；2.方太集团有限公司浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室，浙江 宁波 315336)

针对灶具钢化玻璃面板出现的爆裂问题，对两种不同结构尺寸的灶具钢化玻璃展开了实验研究，通过改变面板的热负荷、力负荷和受力点的位置等多方面的因素，获得了两种灶具面板的应力和位移的变化规律.实验表明：面板所受热负荷小于6 kW/m2时，钢化玻璃面板的应力随热负荷的增加而增加；面板垂直位移大于水平位移，最大位移值随热负荷的增加而增大；力负荷的作用点和大小可改变面板所受的压强，当压强减小时面板的应力减小；热负荷较小时，面板对压强变化的敏感性较大；不同结构形式的面板对力作用点和力大小变化的敏感性不同；在相同的力负荷和热负荷下，钢化玻璃面板的应力与其表面温度高低有较大关系.

灶具;钢化玻璃;爆裂;应力;力负荷;热负荷;结构

目前，燃气灶具面板常采用钢化玻璃材质和不锈钢材质两种，钢化玻璃材质的灶具由于款式新颖、外形别致和容易擦洗的原因，因而受到用户的广泛喜爱.根据燃气灶具及相应标准[1-2]，钢化玻璃需满足耐温差、耐热冲击和耐重力冲击等各方面的检验要求，然而钢化玻璃由于其材质的特殊性，自爆现象依然频发.据不完全统计，我国大部分钢化玻璃生产厂家生产的钢化玻璃自爆率为0.3%～0.5%，个别厂家生产的钢化玻璃自爆率还要高[3].其原因可归纳为内因和外因两种，内因是指由于玻璃成型工艺过程所形成的质量问题引起的破裂，外因是指灶具在一定的外力载荷、冲击或局部过热等情况下所形成的爆裂[4].

针对燃气灶具钢化玻璃面板力学研究的文章较为少见，Brungs等[5-6]通过研究发现硫化镍微粒是导致钢化玻璃自爆的主要原因.包亦望等[7]进一步证明了引起钢化玻璃自爆的主要原因与单质硅微粒周边玻璃的切向应力有关，而降温可以使这种应力增加并加大破裂危险.纳亚华等[8-9]提出面板结构、热负荷大小和通风条件等都与爆裂的发生有密不可分的关系.灶具面板爆裂的发生机理较为复杂，并未获得深入的研究.以某燃气灶具的两种典型钢化玻璃面板为实验对象，研究了两种不同结构尺寸的面板在不同热负荷、力负荷和力作用点下的应力位移变化规律，分析了钢化玻璃面板力学性能与温度的关系，以及面板的结构尺寸对力负荷和热负荷变化的敏感程度，研究结果为降低面板爆裂的发生提供了相应的设计思路.

1 灶具钢化玻璃面板结构及参数

1.1 J和H型灶具面板结构

J和H型两种灶具的钢化玻璃面板结构如图1所示，面板上各位置上分别设有承液盘、面板、底座支撑框等结构，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.图1给出了支架1和支架2与J和H型面板的安装配合形式，其中支架1与面板有接触，而支架2与面板无接触.

图1 不同型号玻璃面板结构及锅支架安装示意图Fig.1 Schematic diagram of different type glass panel structure and pot bracket installation

1.2 实验系统

实验系统由J型和H型两种型号的燃气灶、供气系统和温度、热负荷、应力和位移测量系统所构成，燃料为液化石油气，相应的锅为外径为33 cm的广口铸铁锅，实验状态下燃气灶采用右侧单灶运行模式，火力全开.

图2 实验系统及温度、应力和位移测点位置图Fig.2 Experimental system and measuring point of temperature, stress and displacement

如图2所示，在J型和H型两种不同类型的面板相应的位置上布置温度、热负荷、应力和位移测量位置点，4个测温点、4个应力测点和5个位移测点，其中T1～T4分别为温度的测点；P1～P4分别为应力的测点；S1(X)～S5(Y)分别为位移测点；括号内的X，Y，Z分别为位移所测量的方向.J型和H型均以其右侧炉头的中心孔为基准位置点，T1，P1和T4，P4测点分别为炉头中心点到上边线和右边线的投影点；T2，P2和T3，P3距炉头中心孔距离分别为120 mm和165 mm.

温度的测量采用PT100型薄膜热电阻，可测量温度范围为-70～500 ℃，通过连接2625A型Fluke温度采集仪进行数据读取.热负荷的测量采用JTR09A型辐射计，可测量辐射范围为0～10 kW.位移的测量由百分表获得，将初始状态设置为位移原点，通过与原点的对比获得该点处的位移值.

应力值通过DH3818静态电阻应变仪测量，应变仪外接直角应变花.点火后，记录应变仪上不同时刻的各测点应变值，将每个直角应变花测点上3个方向的应变值代入广义胡克定律，求得主应力，即

σ1,2=

(1)

式中：σ1,2为平面内的两个主应力；E为弹性模量；μ为泊松比；ε0，ε45，ε90分别为3个方向的应变值.

根据广义胡克定律求得的有两个主应力，取第一主应力.按照同样的操作重复3次，取平均值.

由于电阻应变片对温度变化十分敏感，当环境温度变化时，因应变片的线膨胀系数与被测构件的线膨胀系数不同，且敏感栅的电阻值随温度的变化而变化，所以测得应变将包含温度变化的影响，不能反映构件的实际应变，因此在测量中必须设法消除温度变化的影响.

采用温度补偿来消除温度的影响，应变片的温度补偿有两种方法[10]：线路补偿和应变片的自补偿.应变片的自补偿是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿，而线路补偿则是利用桥路补偿法，它是利用电桥特性进行温度补偿的.

本实验采用的是桥路中的半桥补偿(每一个工作片都有单独的补偿片，如图3所示)，由于工作片需要与补偿片处于同一温度场中，所以在本实验中，半桥相比1/4桥(一个补偿片补偿所有工作片)测量结果更加准确.

图3 应力温度补偿示意图 Fig.3 Schematic diagram of stress temperature compensation

1.3 实验工况

实验工况如表1所示，将J型面板与锅支架1和2的配合分别命名为J1和J2，将H型面板与锅支架1和2的配合分别命名为H1和H2，将锅内设置6 kg重物载荷状态与11.5 kg重物载荷状态分别命名为Q0和QF，通过正交实验法获得在热负荷变化区间为2～8 kW/m2下，6种不同工况下的应力、位移和温度结果.

表1 实验工况

热负荷的变化通过锅内水烧开、烧干直至干烧等状态来实现，力负荷的变化通过调整锅内铁块的重量来实现，力作用点的改变通过改变锅支架的形式来实现.

实验过程中每5 min读取1次数据，每次实验重复3次，取3次数据的平均值.

2 结果及分析

2.1 不同力作用点对面板应力及位移影响规律

图4给出了采用不同的锅支架来改变力作用点时，J型和H型面板的应力随热负荷的变化情况.由图4可知：1) 当面板的热负荷小于6 kW/m2时，J和H型面板应力均随热负荷的增大而增大；而当面板所受热负荷大于6 kW/m2时，J型面板应力在P1和P4测点出现了降低的趋势，H型应力依然持续增大.燃气灶具实际正常使用工况下，面板所受热负荷不会高于6 kW/m2，即在用户实际使用时，玻璃面板的应力会随热负荷的增大而增大.2) 在力大小一定的情况下，J型和H型面板表现出一致的规律，即改变力作用点时，采用锅支架1作用形式所产生的应力值小于采用锅支架2作用形式所产生的应力值.如图1所示，锅支架1与面板的作用面积大于锅支架2与玻璃面板的作用面积，即在力大小一定的情况下，当支架与面板作用点面积增大时，使得面板上所受压强减小时，此时玻璃的应力也相应的减小.3) 对于J型和H型面板而言，4个测点位置处应力的最大值都出现在的测点4处，即右侧边线的中心处.

图5给出了采用支架1作用形式和支架2作用形式两种情况下，J型与H型的位移随热负荷的变化情况，J型和H型位移测点位置及方向均如图2所示.

图4 不同力作用点下面板的应力随热负荷的变化规律Fig.4 The stress of the glass panel change with thermal load under different force acting positions

图5 不同力作用点下面板位移随热负荷的变化规律Fig.5 The displacement of the glass panel change with the thermal load under different force acting positions

由图5可知：1) 两种不同类型的玻璃面板，垂直方向的位移大于水平方向的位移，位移最大点发生在S4测点处(右上角沿Z方向)，其值为负，即右上角往下沉.2) 随着热负荷的增大，J型和H型的最大位移点处数值增大，其膨胀变形量随热负荷增大而增大.3) 以最大的位移位置点(S4)来看，比较J1Q0和J2Q0，H1Q0和H2Q0的相对大小可知，采用锅支架1作用形式所产生的位移量要大于采用锅支架2作用形式所产生的位移量.由于力作用点的变化会改变压强的大小，作用于炉头位置的向下压强会使玻璃面板四周产生向上的位移，这与面板四周受热膨胀所产生的向下位移的方向相反.因此当锅支架1变化为锅支架2时，减小了力作用的面积从而增大了力载荷的压强，使面板的向上位移量增大，抵消了由于热膨胀所产生的向下位移量，则整体上采用支架2时面板的位移量较小.

2.2 不同力负荷大小对面板应力和位移的影响规律

J2Q0与J2QF，H1Q0与H1QF工况相比较，均增加了5.5 kg的力负荷，其结果如图6所示.对两种面板而言，力负荷的增加均使其应力增大.这是由于当力负荷增大，而锅支架的作用形式不变时，玻璃面板上所受力的压强增大，使其应力增大.进一步比较图6中两种面板的结果，其中J型采用锅支架2，而H型采用锅支架1，表明采用锅支架1时应力随热负荷增大的趋势更为显著；面板热负荷低于6 kW/m2，增加力负荷后，玻璃面板的应力仍会随热负荷的增大而增大.

如图7所示，增加力负荷后，两种面板的垂直位移仍然大于水平位移，右上角最大位移点处随热负荷增大位移增大；玻璃面板的右上角最大位移点处其数值减小，即力负荷增大了向上的位移值，使得整体向下位移减小.

2.3 面板对力作用点和力大小的敏感性分析

设定面板对作用于其上压强的敏感性为参数，其中，下标J和H分别表示J型和H型，下标A和F分别表示通过改变力作用点和力大小来改变压强，其敏感性与热负荷的关系如图8所示.

如图8所示，整体而言，当热负荷小于4 kW/m2时，两种类型的面板对压强变化的敏感性均较大，表现为当压强改变时，应力的变化率较大.表明热负荷较小时，面板对压强的敏感程度较大.

对比图8(a,b)两张图，两种不同结构尺寸的面板对力作用点的改变和力大小改变的敏感程度是不一致的.对于J型而言，面板对于受力大小更为敏感；对于H型而言，面板对于力作用点更为敏感.这说明，对于两种结构形式(长宽比、开孔大小)不同的面板而言，对力作用点和力大小的敏感程度不同.

图6 不同力负荷下面板应力随热负荷的变化规律Fig.6 The stress of the glass panel change with the thermal load under different force values

图7 不同力负荷下面板位移随热负荷的变化规律Fig.7 The displacement of the glass panel change with the thermal load under different force values

(a) J型

(b) H型

图8 不同型号面板对力作用点和力负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 玻璃面板的温度和应力的关系

在两种灶具正常使用状态下，对J型和H型的四个测点位置处的温度进行比较.由图9可知：测点2处温度最高，测点3处温度最低，即靠近炉头孔处的温度较高.而四个测点位置处H型的温度均要高于J型的温度，且随着热负荷的增大，该温度增大的趋势更为显著.

图9 J型与H型正常工作时其温度的对比Fig.9 The comparison of temperature between J type and H type glass panel under working conditions

图10给出了在相同的力负荷和作用点的情况下，J型与H型应力值的比较结果.在测点1/2/4，H型的应力值均大于J型的值，表明面板表面温度会对其应力值有较大影响.为防止玻璃发生爆裂后碎片飞溅，灶具公司会在玻璃面板的背面贴相应的防爆板或防爆膜，该板或膜由金属制成，厚度约为1 mm，通过胶粘贴于面板下表面，同时该防爆膜也会对面板上表面的散热和温度分布产生一定的影响，在设计时需考虑温度与应力的影响关系.强化玻璃面板散热的过程可减小其应力.

图10 不同支架下J型与H型面板其应力的对比Fig.10 The comparison of stress between J type and H type glass panel under different bracket

3 结 论

为了研究J型灶具钢化玻璃爆裂的机理，通过改变力作用点、力负荷大小和热负荷等多方面的因素，获得了J型和H型灶具面板的应力和位移的分布趋势.结果表明：当热负荷小于6 kW/m2时，钢化玻璃面板的应力随热负荷的增加而增加；垂直位移大于水平位移，最大位移值随热负荷的增大而增大；力负荷的作用点和大小对面板的应力有较大影响，当外力负荷在面板上所产生的压强减小时，面板的应力减小.力负荷所产生的压强可分别通过改变力作用点和力大小而变化，当力作用点使得面板与锅支架的接触面积增大时，面板的应力减小；当力负荷增大时，面板的应力增大.热负荷越小，面板对压强变化的敏感性越大.不同结构形式(长宽比、开孔大小)的面板对力作用点和力大小变化的敏感性不同.在相同的力作用和热负荷下，钢化玻璃面板的应力与其表面温度大小有较大关系.综上，在用户正常使用情况下，通过减小面板受到的压强(选用可增大与面板的接触面积的锅支架、减小外力负荷)、改进玻璃面板的结构和强化面板表面的散热过程均可以减小玻璃面板所产生的应力，从而降低其爆裂率.

[1] 中华人民共和国建设部标准定额研究所.家用燃气灶具用涂层钢化玻璃面板：CJ/T 157—2002[S].北京：中国标准出版社，2003.

[2] 国家质量监督检验检疫总局国家标准化管理委员会.家用燃气灶具：GB 16410—2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3] 张建海，刘文博，陈军.厨具用钢化玻璃自爆原因及解决方法[J].煤气与热力，2014，34(4)：A36-A38.

[4] 李春丽.灶具玻璃面板破裂原因浅析及测试方法探讨[J].科学时代，2015(14)：161-162.

[5] BRUNGS M P，SUGENG X Y，Some solutions to the nickel sulphide problem in toughened glass[J].Glass technology，1995，36(4)：107-110.

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[7] 包亦望,刘立忠,韩松，等.钢化玻璃自爆机理的新发现——单质硅微粒引裂[J].硅酸盐学报，2007，35(9)：1273-1276.

[8] 纳亚华.浅析嵌入式玻璃面板燃气灶爆裂问题[J].家用燃气具，2011(5)：34-35.

[9] 顾小锋.燃气灶钢化玻璃面板破裂原因浅析及测试方法的探讨[J].家用燃气具，2011(5)：34-35.

[10] 张宁.应变式传感器的温度误差及补偿方法[J].价值工程，2012，31(4)：11-12.

(责任编辑：刘 岩)

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

钟英杰(1962—)，男，浙江杭州人，教授，博士生导师，研究方向为热能工程，E-mail:zhong_yingjie@zjut.edu.cn.

TK174

A

1006-4303(2017)04-0370-06