輥壓機(jī)加熱輥熱仿真分析

□ 李 楊

江蘇正威新材料有限公司 江蘇如皋 226500

1 分析背景

纖維增強(qiáng)熱塑性片材具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、抗沖擊、抗疲勞、耐腐蝕、易成形等優(yōu)點(diǎn),在交通運(yùn)輸、新能源、建筑、航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,成為復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材具有各向同性、抗移性好、浸潤(rùn)型好、機(jī)械剛度高等其它片材難以代替的優(yōu)勢(shì),受到業(yè)界關(guān)注。連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材是在連續(xù)氈與上下淋膜層加熱、加壓情況下,由熱塑性樹(shù)脂與連續(xù)氈充分浸潤(rùn)并經(jīng)冷卻定型生成的片材[3-4]。連續(xù)輥壓復(fù)合生產(chǎn)線具有構(gòu)思獨(dú)特、結(jié)構(gòu)新穎、傳熱效率高、投資少等優(yōu)點(diǎn),在連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材復(fù)合領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

加熱輥是熱塑性片材輥壓機(jī)的關(guān)鍵部件,其性能直接關(guān)系到熱塑片材的生產(chǎn)質(zhì)量和整條連續(xù)輥壓復(fù)合生產(chǎn)線的運(yùn)行速度。加熱輥的主要性能參數(shù)包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加熱能力、輥面溫度均勻度,通過(guò)將加熱后的熱油循環(huán)輸送至加熱輥流道中,對(duì)輥面加熱,由鋼帶將熱量傳遞至熱塑性片材。加熱輥的熱計(jì)算是加熱輥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,良好的流道布置和充分的熱源供應(yīng)是連續(xù)輥壓復(fù)合生產(chǎn)線生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的保證,筆者對(duì)加熱輥進(jìn)行熱仿真分析。

2 加熱輥流道設(shè)計(jì)

加熱輥采用芯軸+輻板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),外徑為3 500 mm,壁厚為50 mm,輥面寬度為1 800 mm。加熱輥的流道采用鉆深孔方式制造。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),加熱輥流道孔徑為25 mm,沿直徑為3 450 mm的圓周均布,共有72個(gè)孔,每九個(gè)孔為一組,分為八組。加熱輥芯軸的兩端連接中心回轉(zhuǎn)接頭,導(dǎo)熱油一端進(jìn)油,一端回油。加熱輥輥筒材料為Q345B鋼,芯軸采用Q345B鋼鍛件,焊后去應(yīng)力退火,加工后校靜平衡。加熱輥輥面設(shè)計(jì)溫度為150～250 ℃,輥面溫度均勻度不大于5 K。

3 加熱輥傳熱理論

導(dǎo)熱油與主加熱輥的傳熱屬于熱對(duì)流,加熱輥與物料的傳熱屬于熱傳導(dǎo),加熱輥與周圍非接觸物體的換熱屬于熱輻射[5-6]。三維無(wú)內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)在直角坐標(biāo)系中的微分方程為:

(1)

式中:t為溫度,是空間坐標(biāo)(x,y,z)的函數(shù)。

傳熱問(wèn)題常見(jiàn)的邊界條件可以歸納為三類。第一類邊界條件為:

T|Γ=T0

(2)

式中:T為傳熱物體溫度場(chǎng);Γ為物體邊界;T0為物體邊界上的溫度。

第二類邊界條件為:

(3)

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù);n為Γ(x,y,z)處的法向分量;q為給定邊界的熱流密度常數(shù)。

第三類邊界條件為:

(4)

式中:h為邊界上物體與周圍流體的表面對(duì)流換熱系數(shù);tw為物體給定邊界的溫度;tf為周圍流體的溫度。

加熱輥傳熱過(guò)程中的假設(shè)條件如下[7]:周圍空氣溫度恒定,加熱輥非工作面與周圍空氣以對(duì)流方式進(jìn)行熱量交換,工作表面以熱傳導(dǎo)方式對(duì)物料傳遞熱量,不考慮傳熱過(guò)程中的熱輻射散熱,不考慮物料的物性參數(shù)和邊界條件隨溫度的變化。

對(duì)于已知導(dǎo)熱系數(shù)的各向同性連續(xù)介質(zhì),導(dǎo)熱油與輥筒符合第一類邊界條件,單位長(zhǎng)度圓筒壁熱流量Ql為:

(5)

式中:Q為圓筒壁熱流量;l為圓筒長(zhǎng)度;t1為圓筒壁最內(nèi)層表面溫度;t2為圓筒壁最外層表面溫度;Rλi為每一層材料的熱阻。

對(duì)流換熱包括流經(jīng)固體表面的流體熱對(duì)流和緊貼固體壁面底層的流體導(dǎo)熱兩種基本方式,由牛頓冷卻公式計(jì)算對(duì)流換熱量Qd,為:

Qd=Ah(tω-tf)

(6)

式中:A為固體發(fā)生對(duì)流換熱的表面積。

為計(jì)算對(duì)流換熱量,需要先計(jì)算平均表面對(duì)流換熱系數(shù)[8-9]。對(duì)于自然對(duì)流換熱,利用瑞利準(zhǔn)則判斷空氣沿水平圓柱的自然對(duì)流,瑞利準(zhǔn)則為:

Ra=GrPr

(7)

式中:Gr為格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù);Pr為普朗特準(zhǔn)則數(shù)。

相關(guān)計(jì)算式如下:

h=λNu/L

(8)

式中:Nu為努謝爾常數(shù);L為傳熱面幾何特征長(zhǎng)度。

Nu=C(GrPr)n1

(9)

式中:C為流態(tài)因數(shù);n1為流態(tài)指數(shù)。

Gr=gβΔtL3/γ2

(10)

式中:g為重力加速度;β為體脹系數(shù);Δt為流體上下面溫度差;γ為運(yùn)動(dòng)黏度。

當(dāng)Ra不小于109時(shí),流體為紊流。

實(shí)際應(yīng)用中,流道的表面并不是絕對(duì)光滑的,于是斯坦登準(zhǔn)則數(shù)St為:

(11)

式中:Re為雷諾數(shù);v為流體速度;Cp為流體比熱容;ρ為流體密度。

StPr2/3=f/8

(12)

式中:f為流道摩擦因數(shù)。

由此計(jì)算得到導(dǎo)熱油放熱對(duì)流熱交換系數(shù)h為1 157.47 W/(m2·K)。

加熱輥安裝在車間內(nèi),加熱輥的工作溫度遠(yuǎn)高于車間的環(huán)境溫度,由此加熱輥會(huì)向車間輻射散熱,散熱量Qs為:

(13)

式中:ε為黑度,無(wú)量綱量;A1為加熱輥表面積;σ為玻爾茲曼常數(shù);Ts為加熱輥的表面溫度;Tsur為車間的環(huán)境溫度。

4 加熱輥熱仿真

應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)加熱輥進(jìn)行建模,為便于計(jì)算和劃分網(wǎng)格,只對(duì)加熱輥輥筒外壁進(jìn)行建模。應(yīng)用SolidWorks軟件自帶的Flow Simulation插件進(jìn)行仿真分析,實(shí)現(xiàn)建模與仿真無(wú)縫對(duì)接[10]。對(duì)加熱輥模型進(jìn)行封蓋處理,設(shè)置流道進(jìn)口導(dǎo)熱油速度為2.5 m/s,入口壓力為0.2 MPa,導(dǎo)熱油溫度為280 ℃,流道出口壓力為0.1 MPa,出口溫度為20 ℃。導(dǎo)熱油的牌號(hào)為HD-330,其密度為1 157.47 kg/m3,比熱容為2 240 J/(kg·K),運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)為2.6 MPa·s,導(dǎo)熱系數(shù)為0.113 0 W/(m·K)。加熱輥輥筒的材料選用Q345B鋼,其密度為7 850 kg/m3,比熱容為460 J/(kg·K),導(dǎo)熱系數(shù)為49.8 W/(m·K)。加熱輥的初始溫度設(shè)置為20℃。

為保證計(jì)算精度并適當(dāng)減小計(jì)算量,網(wǎng)格劃分采用五級(jí),封閉細(xì)孔縫。加熱輥模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。導(dǎo)熱油流動(dòng)區(qū)域分為八組,流道循環(huán)路線及溫度分布如圖2所示。

加熱輥輥面溫度分布云圖如圖3所示。由圖3可以看出,加熱輥輥面溫度最高值為279.65 ℃,最低值為260.69 ℃,最大溫差為18.96 K。根據(jù)加熱輥的使用和驗(yàn)收要求,在加熱輥兩側(cè)距邊緣各200 mm位置和輥中間位置沿輥面圓周方向非均勻分布各取八個(gè)測(cè)量點(diǎn),這24個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度最高值與最低值之差即為輥面溫度均勻度的測(cè)量值。加熱輥輥面溫度測(cè)量值見(jiàn)表1。

表1 加熱輥輥面溫度測(cè)量值

由表1可知,加熱輥輥面溫度均勻度為4.23 K,滿足設(shè)計(jì)要求。

加熱輥在工作過(guò)程中,輥面會(huì)向周圍輻射散熱,加熱輥熱輻射區(qū)域如圖4所示。為有效減少熱量散失,改善周圍的工作環(huán)境,加熱輥外層要加防護(hù)罩。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)熱油流速、導(dǎo)熱油溫度、導(dǎo)熱油黏度、流道直徑都會(huì)對(duì)加熱輥輥面溫度產(chǎn)生影響。加熱輥輥面溫度隨上述影響因素的變化情況如圖5～圖8所示。

由仿真分析可知,隨著導(dǎo)熱油黏度的變化,加熱輥輥面溫度變化很小,導(dǎo)熱油黏度對(duì)加熱輥輥面溫度的影響較小。在其它條件不變的情況下,流道直徑,即導(dǎo)熱油過(guò)流面積對(duì)加熱輥輥面溫度影響明顯,兩者之間呈線性關(guān)系。

導(dǎo)熱油流速與導(dǎo)熱油溫度對(duì)加熱輥輥面溫度的影響較大。在設(shè)計(jì)時(shí),主要通過(guò)對(duì)流道直徑進(jìn)行優(yōu)化來(lái)控制加熱輥輥面溫度。在實(shí)際生產(chǎn)中,主要通過(guò)模溫機(jī)比例積分微分閉環(huán)控制調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油溫度和流速,以達(dá)到控制加熱輥輥面溫度的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

加熱輥是熱塑性片材輥壓機(jī)的重要部件,加熱輥的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到連續(xù)輥壓復(fù)合生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)的加熱輥設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn),存在一定的盲目性。筆者通過(guò)對(duì)加熱輥導(dǎo)熱油加熱傳遞理論進(jìn)行分析,明確加熱輥熱設(shè)計(jì)的影響因素,并對(duì)加熱輥進(jìn)行三維建模,應(yīng)用SolidWorks軟件Flow Simulation插件進(jìn)行仿真。仿真分析結(jié)果表明,在八組流道、流道直徑25 mm、導(dǎo)熱油流速2.5 m/s的情況下,加熱輥輥面溫度均勻度為4.23 K,滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)對(duì)導(dǎo)熱油溫度和流速進(jìn)行比例積分微分控制,可以實(shí)現(xiàn)加熱輥輥面溫度的準(zhǔn)確控制。