PUR熱熔膠輥涂用加熱輥的設計與優化

馬 可，楊 杰，陳 煜

(1.河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022) (2.江蘇省特種機器人技術重點實驗室，江蘇 常州 213022)

近年來，隨著生活水平的提高，人們對家具美觀性的要求越來越高。其中表面高光或者超啞光板材的市場需求顯著增多，給高光輥涂生產工藝的發展提供了契機。輥涂操作的一般流程是先通過特定的機器將油漆涂料均勻地涂抹在基材表面，然后經過物理固化或自然固化在表面形成裝飾層。其中主要的涂布方法有3種：輥筒涂布、幕式涂布(又稱淋涂)、噴霧涂布。輥涂的方式因具有節省油漆、生產效率高、不污染環境等優點而被廣泛使用[1]。輥涂機作為輥筒涂布必要的機器，一直在輥涂行業占據重要位置，其所使用的輥筒涂布方法是目前輥涂生產工藝中最容易被客戶接受的二次加工方法之一。PUR(polyurethane，聚氨酯)熱熔膠是這種新型工藝必不可少的原料[2]，但傳統的輥涂設備主要用于皮革制造、塑料加工、紡織織布、鋼板涂層加工以及紙張修飾等行業，用于木材加工行業的輥涂機相對較少，并且無法對涂料進行加熱[3]。為了實現在板材表面輥涂PUR熱熔膠的功能，本文設計了一種加熱輥筒，使輥筒輥涂時自帶加熱功能，避免熱熔膠在輥涂過程中發生冷卻凝固。

1 加熱輥筒初步結構設計

1.1 輥筒外形尺寸設計

本文設計的輥涂機主要由5根輥筒構成，具體旋轉方向和外形尺寸如圖1所示。外部熱油循環裝置將PUR熱熔膠注入定量輥和涂布輥的間隙中，通過定量輥和涂布輥的間隙流到板材表面，定量輥可以通過左右移動控制間隙以控制落到板材表面的PUR熱熔膠的量，與此同時，涂布輥將熱熔膠均勻涂布在板材表面。

圖1 輥涂機輥筒示意圖

各輥的工藝要求如下：

定量輥和整平輥：外徑為260 mm，通導熱油。

涂布輥：外徑為260 mm，表面包覆硅膠，硅膠硬度65度(邵氏硬度)，淺藍色。

承壓輥：外徑為220 mm，表面包覆橡膠，EPDM橡膠耐溫75 ℃，黑色。

板材固定寬度為1 220 mm，考慮板材進料時的位置偏差，輥筒的工作寬度應大于1 220 mm，暫定為1 440 mm，為了安裝方便和控制成本，輥筒采用直接驅動的方式，避免了間接傳動帶來的安裝不便和成本增加。由于輥筒需要進熱油對表面PUR熱熔膠進行加熱，因此在內部需設計熱油流道。定量輥結構可分為3部分：內膽、外軸套、兩端頭。熱油從端頭導入，在內膽循環的過程中通過熱傳遞的方式對外軸套進行加熱。

一端軸頭用來驅動輥筒，直接安裝電機，因為選用的電機自帶收縮盤，所以軸上不用開鍵槽；另一端軸頭需要安裝旋轉接頭導入熱油，因此軸頭做成空心，軸頭材質均為45鋼。為防止導熱油的熱量對電機工作造成影響，導熱油采用同側進出的形式，即電機安裝側沒有導熱油經過，這樣既避免了電機過熱帶來的工作不穩定，也避免了過度走熱油管的麻煩。

通過分析市面上的各種內膽流道可知，螺旋流道熱均勻性與穩定性最好，螺旋流道具體形狀后續將由仿真結果確定。定量輥總體外形如圖2所示。

圖2 定量輥外形

1.2 輥筒內部流道結構設計

目前網上有很多其他行業使用的螺旋通道內單向流傳熱的例子[4-6]，本文所設計的加熱輥筒的流道截面為矩形。選取定量輥進行分析，定量輥軸套內徑為227 mm，將內部螺旋槽導流體的外徑設計為230 mm，裝配時用電熱棒加熱軸套，待軸套受熱膨脹后進行裝配，軸套冷卻后收縮,從而達到緊配合的目的。初步設計螺旋槽螺距P=100 mm，槽寬為30 mm，槽深為10 mm，三維模型如圖3所示。

圖3 30 mm×10 mm螺旋槽導流體結構圖

加熱時導熱油從入口處進入，經過入流流道給導流體外套筒加熱，導流體右端設計有連接通道，導熱油到達右端時通過連接通道進入回流流道，然后從回流流道流到導流體左端，進而流入加熱設備加熱，以供下次循環使用。

2 仿真前處理

2.1 模型的簡化

在實際生產過程中，起關鍵作用的是加熱輥的中間部分。因此，為便于計算和網格劃分，本文主要研究加熱輥中間部分的溫度，其余部分的影響忽略不計。

在SolidWorks中將模型另存為iges格式，再導入ANSYS中，并抽取其中的流體計算域，將原始模型簡化為流體部分和固體部分，如圖4所示。

圖4 簡化后的物理模型

2.2 計算模型的網格劃分

本文采用ANSYS FLUENT自帶的網格劃分工具mesh對整體模型進行網格劃分，網格劃分器選擇CFD，固體部分網格約50萬個節點，流體部分約10萬個節點。固體和流體網格模型如圖5所示。

圖5 固體和流體網格模型

2.3 邊界條件的設置

在FLUENT中設置套筒和導流體材料為45鋼，導熱油為長城牌320導熱油，采用速度入口、壓力出口邊界條件，通入的導熱油流速為40 L/min，導熱油溫度為446.0 K，通過計算得輥筒外表面換熱系數為4.85 W/(m2·K)，外界環境溫度為300.0 K。

3 熱力學仿真及結果優化

3.1 初步模型仿真結果

圖6所示為輥筒外表面溫度分布云圖，由云圖可知，輥筒中間部分熱量分布較均勻，且中間部分溫度高于兩端溫度，這是因為中間部分是集中進行熱量交換的地方，兩端為輥筒端頭焊接處，相對溫度較低。輥筒主要工作部分是中間，這樣的溫度分布較符合工作要求和預期。

圖6 輥筒外表面溫度分布云圖

輥筒表面最大溫差為34.0 K，輥筒工作部分溫度穩定在439.0 K，且越靠近中間工作部分溫度越高。在實際應用中，輥筒表面的最佳工作溫度為(443.0±2.5) K，目前輥筒表面溫度不滿足實際工作需求，需要進一步提高輥筒表面溫度。

3.2 探究影響溫度分布的因素

根據實際生活經驗可知，流體流速、換熱系數、流體黏度以及流道橫截面尺寸可能會對輥面溫度產生影響。在其他條件不變的前提下，分別設置不同的流體流速、換熱系數、流體黏度以及流道橫截面尺寸，得到的輥面溫度情況如圖7所示。

圖7 輥面溫度變化情況

由圖7可知，隨著流體流速、換熱系數、流體黏度的變化，輥面溫度呈現出細微的變化，可見其溫度受這些因素影響較小，因此不考慮從這些方面優化輥面溫度。而在保持恒定的橫截面積的前提下，橫截面長寬比對輥面溫度影響較大，橫截面尺寸由30.0 mm×10.0 mm變為20.0 mm×15.0 mm，輥面溫度下降了10.2 K。通過董野[7]對流道截面尺寸對輥筒換熱影響的研究可知，在保證矩形流道截面面積一定的情況下，矩形截面的長寬比不同，輥筒的換熱效果也不同。流道的長寬比越大，流道越長，導熱油與螺旋槽和輥筒的接觸面積也就越大，導熱油與輥筒的對流換熱[8-10]能力也會增強，所以30.0 mm×10.0 mm的橫截面的傳熱效果明顯優于20.0 mm×15.0 mm。

3.3 輥面溫度優化

在橫截面尺寸為30.0 mm×10.0 mm時，輥筒表面工作部分溫度在439.0 K左右，為增強熱傳遞，需要增加橫截面的長寬比。由于螺旋槽截面的長寬比直接影響導熱油與輥筒表面的熱量傳遞情況，因此在保證橫截面積不變的情況下，將橫截面尺寸變為40.0 mm×7.5 mm。在其他各項輸入不變的情況下，運用FLUENT軟件仿真模擬出輥筒表面的溫度梯度，如圖8所示。

圖8 輥筒表面溫度分布折線圖

在螺旋槽橫截面尺寸為40.0 mm×7.5 mm時，輥筒表面工作部分溫度穩定在443.0 K，基本滿足使用要求。進油端的溫度明顯大于傳動端的溫度，這也是符合常理的，靠近熱油入口處溫度理應高一些。因此本文設計的螺旋槽流道輥可初步將橫截面尺寸設計為40.0 mm×7.5 mm，且允許些許誤差，因為輥筒表面的工作溫度有上下2.5 K的可浮動范圍。只要在這個范圍內，PUR熱熔膠都是可以正常工作的。

在產品開發過程中，為方便設計、生產，往往需要把同一種機型標準化和通用化[11]，以此來提高設計效率、減少設計錯誤、降低勞動力成本。不同地區的客戶，自然條件不同，意味著輥筒表面的換熱系數也不一樣，這樣就會造成同種螺旋槽截面尺寸無法滿足不同地區實際生產使用要求的問題。因此需要一種在設計、使用過程中能夠控制輥筒表面溫度的辦法，以避免對輥筒作結構上的修改。

改變導熱油的初始溫度，對輥筒的外表面有很明顯的影響[12]，且改變導熱油的初始溫度也比較容易，只需要控制外部的熱油循環系統就可以實現。這可能是因為熱量在徑向上的傳導能力要優于在軸向上的傳導能力。在其他條件不變的前提下，通過改變導熱油的初始溫度來控制輥筒表面的工作溫度，這樣輥涂機就能適應各種不同外部環境下的作業要求，也避免了為不同地區的客戶定制不同截面尺寸輥筒的麻煩，減少了不必要的工作量，同時也做到了輥涂機對某尺寸板材的通用化。當有客戶需要在相同或者類似尺寸板材表面輥涂PUR熱熔膠時，就可以直接套用本文的設計文檔和流道輥參數，大大提高了設計效率，增強了企業盈利能力。

4 實驗驗證

為了驗證仿真結果的準確性，在該款輥涂機生產完成之后，使用手持式溫度測試儀在輥筒表面均勻選取5個測溫點進行測溫，得到輥筒表面溫度分布情況，同時記錄輥面溫度從常溫升高至穩定溫度的時間，圖9和圖10分別為測溫點取樣和輥筒溫度分布情況。由輥筒表面溫度分布情況可知，輥筒表面工作溫度穩定在442.0～443.0 K，與仿真結果基本一致，在該溫度下，PUR熱熔膠能夠正常工作。但輥面從常溫升高至穩定溫度需要1.5 min，板材從上板到運送至輥涂機前只需要1.2 min，為避免板材停留等待輥筒加熱，需提前啟動輥涂機對輥面進行加熱，以保證板材抵達工位時能夠直接開始輥涂。

1,2,3,4,5—測溫取樣點圖9 輥筒測溫取樣點

圖10 輥面溫度分布

5 結束語

傳統的加熱輥筒設計完全依賴制造經驗，只需加熱效果滿足使用要求即可，并未考慮其中的熱傳遞效率。通過軟件對加熱輥內部流道進行設計仿真和優化，可有效地指導設計和生產，避免完全依賴經驗造成的設計偏差和能源浪費。本文設計的加熱輥筒端部的保溫性能不佳，使得輥筒兩端各有一段溫度無法滿足使用要求，未來可在結構上進行更進一步的優化，提高端部的保溫性能，使得輥筒全長度范圍都可有效工作。