張 震， 鄭 檁， 張 雷， 靳 曄*

(1.河北省機(jī)電一體化中試基地， 石家莊 050000； 2.衡水中鐵建土工材料制造有限公司， 河北 衡水 053000)

噴涂工藝關(guān)鍵在于自粘膠的噴膠系統(tǒng)，噴膠系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備是自粘膠槍，自粘膠槍運行的穩(wěn)定性直接影響噴膠效果和噴膠精度。自粘膠需要經(jīng)過加熱達(dá)到一定流動性后，在經(jīng)過膠槍噴出，最后黏附在防排水板凸殼頂部。自粘膠的流動性受溫度影響較大，同時長時間高溫加熱容易使自粘膠產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，從而堵塞針閥。針閥堵塞后，會嚴(yán)重影響噴膠精度和凸殼表面的有效膠量。因此，針對自粘膠膠槍進(jìn)行熱分析，找出合適加熱策略，能夠避免上述問題出現(xiàn)。本文通過不同膠槍熱分析對比，得出經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)的材質(zhì)作為膠槍基材，通過數(shù)值分析，得出最佳測溫點、最佳加熱時間、保溫功率等數(shù)據(jù)?？蔀橹笇?dǎo)膠槍的設(shè)計和熱應(yīng)力與熱變形等計算提供依據(jù)。

1 熱分析原理

熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度(熱通量)等。

ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。ANSYS可以進(jìn)行兩種熱力學(xué)分析，即穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析和瞬態(tài)熱力學(xué)分析。

1.1 穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析

穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析是指系統(tǒng)的溫度場不隨時間變化，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量。在穩(wěn)態(tài)熱分析中，任一節(jié)點的溫度不隨時間變化。穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析一般方程為

[K]{I}={Q}

(1)

式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包括熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射系數(shù)和形狀系數(shù)；{I}為節(jié)點溫度向量；{Q}為節(jié)點熱流向量，包含熱生成。

1.2 瞬態(tài)熱力學(xué)分析

瞬態(tài)熱力學(xué)分析是指系統(tǒng)的溫度場隨時間明顯變化，常用來分析一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時間都有明顯變化。瞬態(tài)熱力學(xué)分析一般方程為

(2)

基本傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射3種。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律，熱對流則滿足牛頓冷卻方程，熱輻射可用斯蒂芬玻爾茲曼方程來計算。

2 計算模型

2.1 分析構(gòu)架及有限元模型

針對膠槍的熱分析，按照分析順序進(jìn)行了構(gòu)架整理，首先對模型進(jìn)行前處理和材料定義，其次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱分析。如圖1所示。

圖1 分析構(gòu)架圖

自粘膠膠槍外形尺寸為：長150 mm，寬 64.5 mm，高75 mm。中間開有1條直徑10 mm進(jìn)膠流道，5條直徑5 mm出膠流道，10條直徑5 mm電磁閥氣動流道，若干安裝螺紋孔。

在分析模型之前，將無關(guān)外形參數(shù)簡化，將有利于函數(shù)的解析求解。在幾何尺寸方面，可以用簡化的無限擴(kuò)展代替有限尺寸方法。在相應(yīng)的方向上，構(gòu)件的尺寸越大，研究的熱傳播周期越短，熱擴(kuò)散率越低，研究的區(qū)域離熱源越近，及傳熱系數(shù)越大時，效果越好。

因此，將膠槍的倒角、圓角、氣動流道、安裝孔進(jìn)行簡化，將不必要的特征去除，有利于迭代收斂。自粘膠膠槍網(wǎng)格劃分如圖2所示。

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果，不適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，可能導(dǎo)致大的單元尺寸變化、縱橫比和偏斜。采用Skewness的方式進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量分析，從圖3分析得出，Skewness平均值為0.365 8，膠槍網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好，能夠滿足分析要求。

2.2 邊界條件

自粘膠膠槍采用懸掛安裝，膠槍通過其上的安裝螺紋孔連接至懸臂支架，同時采取了隔熱措施，防止自粘膠槍與其他金屬接觸傳熱。因此，在工作狀態(tài)下，可以只考慮自粘膠膠槍對空氣的熱傳遞和對空氣的熱輻射。

膠槍加熱熱源采用400 W加熱棒，膠槍內(nèi)部裝有測溫傳感器，實時對膠槍溫度進(jìn)行監(jiān)控。由于自粘膠的物理特性，其溫度保持在190 ℃至210 ℃具有最佳流動性。因此指定升溫策略必須考慮自粘膠流道的溫度情況。

2.3 材料性能

從經(jīng)濟(jì)性、導(dǎo)熱性能方面考慮，選取6061鋁合金、黃銅、碳鋼3種材料作為膠槍基材，進(jìn)行熱力學(xué)性能對比。3種材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

3.1 溫度場計算結(jié)果

通過對3種材質(zhì)的熱穩(wěn)態(tài)分析，能夠發(fā)現(xiàn)溫度分部相對均勻，自粘膠各流道溫度差值在5 ℃以內(nèi)，說明選取的加熱棒安放位置較為合理。但仍有優(yōu)化空間，最佳加熱位置應(yīng)該使得各自粘膠流道溫差值達(dá)到最小。圖4為3種材質(zhì)穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖。

圖4 3種材質(zhì)穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖

3.2 瞬態(tài)分析結(jié)果

3.2.1 不同材質(zhì)對膠槍溫度的影響

首先仿真了不同材質(zhì)的膠槍，在800 W加熱源狀態(tài)下持續(xù)加熱3 600 s，圖5為3種材料在加熱到2 000 s時的溫度場分布圖，圖6為3種材料在3 600 s時間內(nèi)升溫曲線圖，從圖中可以分析得知膠槍在相同熱源持續(xù)加熱狀態(tài)下的溫度趨勢。

圖5 3種材質(zhì)在2 000 s時瞬態(tài)溫度分布圖

圖6 3種材質(zhì)瞬態(tài)恒功率升溫曲線圖

通過分析，3種材質(zhì)均在2 000 s之后升溫速率降低，逐漸趨于穩(wěn)定。同時通過分析升溫曲線，碳鋼材質(zhì)膠槍內(nèi)部最大溫度值與最小溫度值差值最大，溫差最大超過64 ℃，在2 640 s時最高溫度點為3種材質(zhì)最大值，最低溫度點為3種材質(zhì)最小值，說明碳鋼導(dǎo)熱性能相對較差，且易產(chǎn)生加熱不均的情況。黃銅材質(zhì)膠槍在2 640 s之前升溫速率非常優(yōu)秀，為3種材質(zhì)之首，但黃銅材質(zhì)膠槍內(nèi)部最大溫度值與最小溫度值差值相對較大，在趨于穩(wěn)態(tài)時，溫差接近60 ℃，易產(chǎn)生加熱不均情況。6061材質(zhì)膠槍雖然在升溫速率上沒有黃銅材質(zhì)膠槍升溫快，但其升溫速率相對穩(wěn)定，且最大溫度值與最小溫度值差值最小，在20 ℃左右，在3種材料中加熱最均勻。

考慮到生產(chǎn)成本問題，價格從高到低排序為黃銅>6061>碳鋼。加工難易程度從難到易排序為碳鋼>黃銅>6061。

綜合考慮性能與成本問題，選擇6061材質(zhì)作為自粘膠膠槍基材，要優(yōu)于另外兩種材質(zhì)。

3.2.2 膠槍熱源位置及升溫策略的確定

由于加熱棒成品規(guī)格限制，每根加熱棒加熱功率為400 W，可以選擇單根加熱或多根加熱方式。根據(jù)加熱棒外形尺寸和膠槍空間位置及其內(nèi)部構(gòu)造，選定4個熱源為指點作為研究對象，對比不同熱源位置對膠槍溫度分布的影響，從而確定最優(yōu)熱源位置。熱原位置如圖7所示。

圖7 熱源位置

按照圖7位置分布的不同組合方式，分別仿真單熱源和雙熱源的加熱升溫曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，升溫階段的單熱源與雙熱源，在加熱時間相同情況下，升溫最高溫度相差2倍左右；加熱到相同溫度，所需時間相差2倍左右。恒溫階段的單熱源與雙熱源效率相差不足2倍。

圖8 不同熱源位置的加熱曲線

通過分析圖8數(shù)據(jù)，兼顧升溫效率及空間尺寸，選擇3、4升溫點作為熱源位置最佳。

為了能夠避免自粘膠在膠槍中出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，同時降低膠槍功耗，必須對加熱策略進(jìn)行修訂，結(jié)合圖8分析，擬定表2升溫策略。

分析結(jié)果如圖9所示。膠槍在加熱3 600 s后，最大溫差值為4.79 ℃。自粘膠流道溫度203 ℃至204 ℃，溫差在1 ℃以內(nèi)。滿足自粘膠流動性要求。

圖9 變功率加熱溫度分布云圖

表2 膠槍升溫策略

3.2.3 膠槍測溫點的確定

對膠槍溫度的監(jiān)測，無論在膠槍升溫過程中還是在恒溫過程中，都至關(guān)重要。膠槍測溫點的選取直接影響膠槍溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性，能夠有效避免由于過加熱致使自粘膠碳化現(xiàn)象出現(xiàn)。綜合考慮溫度傳感器的安裝、維護(hù)，膠槍外形尺寸、內(nèi)部構(gòu)造的情況，選定5個測溫點進(jìn)行比較，通過分析確定最佳測溫點位置。如圖10、圖11所示。

圖10 測溫點位置分布

圖11 測溫點溫度曲線

通過數(shù)據(jù)分析，測溫點5的仿真數(shù)值最接近流道的平均溫度值，恒溫穩(wěn)定階段，兩者溫差在2.5 ℃左右，因此，測溫點5的位置是比較理想的測溫位置點。

3.3 自粘膠膠槍實驗驗證結(jié)果

按照上述分析，使用6061鋁合金材質(zhì)加工制成自粘膠膠槍，并按照表2升溫策略，進(jìn)行了升溫試驗。試驗現(xiàn)場如圖12所示，數(shù)據(jù)對比圖如圖13所示。

圖12 試驗現(xiàn)場

圖13 理論溫度與實際溫度曲線

通過圖13的對比，理論分析溫度數(shù)值與實際測量值較吻合，實際溫度出現(xiàn)微小波動可能是受到環(huán)境和加熱功率穩(wěn)定性的影響，需要進(jìn)一步研究。同時，升溫策略可以進(jìn)一步優(yōu)化，減小能耗，提高效率。

4 結(jié)論

1)6061鋁合金、黃銅和碳鋼作為膠槍材料，綜合考慮加熱性能和經(jīng)濟(jì)性，選擇6061作為膠槍材料要優(yōu)于黃銅和碳鋼材質(zhì)。

2)在800 W恒功率加熱狀態(tài)下，3種材質(zhì)膠槍在加熱2 000 s后，逐漸趨于穩(wěn)定。黃銅升溫速率最快，6061升溫速率最慢。碳鋼最高溫度與最低溫度溫差值最大，3 600 s時可達(dá)64 ℃。6061鋁合金最高溫度與最低溫度溫差值最小，3 600 s時為22 ℃。

3)6061鋁合金材質(zhì)膠槍最佳加熱位置在熱源位置3和位置4，熱源位置靠近自粘膠流道處，且采用雙加熱源方式效率最高。

4)測溫點5為最佳測溫點位置。

5)6061鋁合金材質(zhì)膠槍可通過恒功率170 W，使自粘膠達(dá)到適合的工作溫度。

6)研究方法得到了試驗數(shù)據(jù)驗證，可為膠槍的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。