壓光機電磁感應加熱的實驗研究

趙佳龍 鄭甲紅毛廷廷 霍啟新 劉杰林

（陜西科技大學機電工程學院，陜西西安，710021）

壓光機是用于提高紙張光澤度的設備，是壓光上光工藝的一種。從20世紀80年代開始，軟輥壓光機成功應用于造紙行業，因其性能優越，壓光后成紙質量高、工作速度快而得到快速發展[1-2]。

隨著自動化水平的提高，將壓光機應用于皮革、無紡布、防彈衣材料等的加工領域已成為發展趨勢。在造紙行業，國內外廠家廣泛采用的仍然是以傳統的蒸汽和導熱油加熱的方式進行加熱的造紙壓光機[3-4]。蒸汽和導熱油加熱方式的能源利用率較低、熱損失較大；加熱速度慢，預熱時間長。其中蒸汽加熱的方式其溫度與壓力有關，溫度越高，相應的水蒸氣壓力越大，對加熱系統的密封性能要求較高；同時蒸汽放熱冷凝成水，需要設置疏水系統排出生成的冷凝水。而導熱油加熱的方式對加熱輥的結構有很高的要求，最常見的是采用多孔加熱輥[5-6]，這種加熱輥結構復雜，制造成本大。采用傳統加熱方式，輥筒溫度越高，對系統的性能和結構要求越高，制造成本隨之提高，因此，需要尋找一種新型的加熱方式。

電磁感應加熱是一種很好的加熱方式，依靠高頻交流電流產生感應磁場，高頻交變磁場又在工件中產生渦流，從而使工件迅速發熱，達到加熱的目的。其加熱速度快、熱效率高、無污染，極大縮短預熱時間，同時可減少加熱輥的設計工作。

本實驗是將電磁感應加熱作為加熱方式，完成加熱輥的加熱工作。為研究電磁感應加熱裝置對加熱輥的加熱情況，本課題組設計制造了簡易壓光機樣機，并進行了實驗研究。選取加熱功率（簡稱功率）、加熱輥輥面與加熱裝置的間距（簡稱間距）和輥面線速度（簡稱線速度）3個因素進行實驗[7-8]，以得到最好的加熱參數，為電磁感應加熱式壓光機的設計提供相關數據理論。

1 實驗設備與方法

1.1 實驗設備

實驗所使用的設備包括自制的簡易壓光機樣機、變頻電磁加熱器和控制柜、溫控儀（REX-C700）和熱電偶（WRKM-301）等。

簡易壓光機樣機整體結構如圖1所示。樣機包括加熱輥筒、機架、步進電機、傳動裝置和加熱裝置。加熱輥筒由冷硬鑄鐵制成，直徑D=300 mm，長度L=500 mm，內部為空心結構。以步進電機作為動力源，經傳動裝置傳遞至輥筒，并通過控制步進電機實現不同線速度的要求；加熱裝置包括控制柜和加熱器，由控制柜將380 V、50 Hz的交流電轉化為所需要頻率的交流電，通過控制柜改變加熱功率，手動調節加熱器與輥筒的間距，并由加熱器完成對輥筒的加熱工作。

圖1 簡易壓光機樣機結構示意圖

1.2 實驗方法

（1）單因素實驗

首先，根據感應加熱理論確定影響加熱溫度的因素，選取各個因素的水平參數；其次，進行不同因素的單因素實驗，確定各因素對加熱溫度的影響，為進一步正交實驗的變量選取提供了實驗依據。

（2）正交實驗

以溫度360℃為限，研究在不同功率、間距和線速度下加熱輥輥面溫度的變化速率。以室溫至240℃為第Ⅰ階段，240～320℃為第Ⅱ階段，320～360℃為第Ⅲ階段。采用加權評分法對3個階段的加熱速率進行綜合計算，以各個階段的溫度范圍的比例為加權標準，以綜合評價值Rs作為實驗指標，計算公式見式(1)。

式中，Rs1為Ⅰ段的加熱速率；Rs2為Ⅱ段的加熱速率；Rs3為Ⅲ段的加熱速率；Rs為評價指標。

以綜合評價值Rs為實驗指標，選擇功率、間距、線速度3因素進行L9(34)正交實驗[9]。實驗因素水平表如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

（1）功率對溫度的影響

以間距為15 mm、線速度為36.75 m/min，選取功率為4、5、6、8 kW進行實驗，結果如圖2所示。

圖2 功率對溫度的影響

由圖2可以看出，在加熱初始階段，溫度變化隨時間不斷加劇，當溫度上升至一定值后，溫度變化逐漸變慢，最終趨于平穩；隨著加熱功率的增大，溫度變化越快，加熱速率明顯提高，最終達到的溫度也進一步提高。當功率為8 kW時，與其他功率下的加熱結果相比，溫度變化最快，最終趨于平穩的溫度也最高（達到400℃），可滿足高溫度的工藝要求；而功率為4 kW時，溫度變化慢，加熱時間過長，最終溫度遠低于功率為8 kW時的溫度。

（2）間距對溫度的影響

以功率為6 kW、線速度為36.75 m/min，選取間距為10、15、20、25 mm進行實驗，結果如圖3所示。

圖3 間距對溫度的影響

由圖3可以看出，在加熱初始階段，溫度急劇變化，隨著間距的提高，溫度變化逐漸變慢，最終趨于平穩；隨著間距的減小，溫度變化加快，加熱溫度也有明顯的上升。當間距為10 mm時，溫度變化最快，且最終達到的溫度最高，達到400℃；當間距為15、20 mm時，溫度變化逐漸變慢，最終溫度降低；而當間距為25 mm時，溫度變化最慢，溫度達到320℃左右時，溫度再難以有大幅度的提升，且加熱時間長，加熱效率低。

（3）線速度對溫度的影響

以功率為6 kW、間距為15 mm，選取線速度為24.50、36.75、49.00、61.25 m/min進行實驗，結果如圖4所示。

圖4 線速度對溫度的影響

由圖4可以看出，在相同時刻，較高線速度下的溫度略高于較低線速度的溫度，但差距不明顯；不同線速度下，輥筒溫度變化趨勢基本相似，且輥筒溫度最終能達到的范圍基本相同；線速度的變化對加熱速率的影響較小。

2.2 正交實驗

2.2.1 正交實驗結果與分析

根據單因素實驗的結果，選用功率、間距、線速度為實驗因素進行正交實驗。實驗方案設計和實驗結果如表2所示。

表2 正交實驗設計與結果

表3 方差分析表

表4 驗證實驗結果

由表2可以看出，影響加熱速率Rs的因素主次順序為A（功率）、B（間距）、C（線速度）；功率和間距對加熱速率的影響較大，而線速度對加熱速率的影響較小。這與單因素實驗結果一致。在K值中，KA3、KB1、KC3的值相對最大，所以加熱速率提高最快的最優條件為：A3B1C3。

2.2.2 方差分析

本實驗為3因素3水平的正交實驗，不考慮交互作用，經過方差分析[10]得出如表3所示的結果。由表3可知，功率（A）和間距（B）對加熱速率的影響顯著，線速度（C）對加熱速率的影響顯著性不高。

2.2.3 效應趨勢圖

正交實驗的效應趨勢圖如圖5所示。從圖5可以看出，加熱速率隨功率的增大而不斷變大，當功率為8 kW時，加熱速率最大；加熱速率隨間距的增大而不斷變小，當間距為10 mm時，加熱速率最大；加熱速率隨線速度的變化基本變化不大。

圖5 正交實驗效應趨勢圖

2.2.4 驗證實驗

根據正交實驗所得的最優條件A3B1C3，即功率為8 kW、間距為10 mm、線速度為49.00 m/min，進行了3組最優條件的驗證實驗，實驗結果如表4所示。

由表4結果可知，最優條件下所做實驗結果均大于正交實驗（表2）中除最優條件外的實驗結果，即在功率8 kW、間距10 mm、線速度49.00 m/min條件下進行加熱，壓光機加熱速率最大。

3 結論

選取（加熱）功率、（加熱輥輥面與加熱裝置的）間距和（輥面）線速度3個因素進行實驗研究，以得到最好的加熱參數，為電磁感應加熱式壓光機的設計提供相關數據理論。

3.1 單因素實驗結果表明，功率和間距對加熱溫度的影響較大，線速度對加熱溫度的影響不顯著。當加熱功率為8 kW或間距為10 mm時，加熱輥溫度變化較快，最終溫度也較高；隨著功率的減小和間距的增大，溫度變化隨之變慢，最終溫度降低；當功率為4 kW或間距為25 mm時，加熱輥溫度變化較慢，趨于平穩后的溫度較低；線速度變化對加熱輥溫度變化的影響較小。

3.2 正交實驗和驗證實驗結果表明，當加熱功率為8 kW、間距為10 mm、線速度為49.00 m/min時，加熱速率最大。

3.3 在較高溫度（400℃左右）要求的工作環境下，宜采用大功率（8 kW）和小間距（10 mm）的方式，避免因功率過小或間距過大而造成溫度難以滿足工藝要求。

3.4 實驗結果只是針對現有的條件進行的研究，對于更大功率或線速度的影響還需進一步研究。