基于正交試驗的膠帶硫化機熱板溫度場研究

劉鳴宇，李軍霞，張弘玉，宋佳輝

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.礦山流體控制國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術研究中心，山西 太原 030024)

煤炭資源作為我國能源結構中的主要能源[1]，為經濟發展提供有力的保障。帶式輸送機作為煤炭現代化進程中重要的運輸設備[2]，輸送帶接頭質量對其使用壽命有著決定性的影響。而傳統的硫化機所采用的加熱方式有電加熱管加熱、導熱油加熱、蒸汽加熱和硅橡膠加熱片加熱等，但在輸送帶的硫化加熱過程中，均存在熱板溫度不均勻現象，而這會導致輸送帶強度降低，因此通過優化設計提高硫化機加熱板的溫度場均勻性，提升輸送帶力學性能，從而對減少生產安全事故的發生[3]具有重要的現實意義。國內外學者針對上述問題展開了大量的科學研究與生產實踐。對于電加熱管加熱，文獻[4]、[5]分別通過調整熱管數目、間距以及功率等參數進行相關性分析及進行優化設計。當加熱載體為導熱油時，調整熱板加熱油液通道結構分布對改善加熱板溫度場有著積極的作用[6]。采用蒸汽加熱時，調整熱管間距來改善熱板的均勻性[7]。綜上所述，加熱載體的分布數目、間距以及功率決定著加熱板溫度場的均勻性，但縱觀國內外研究現狀及工程應用，相較于上述三類加熱方式，以硅橡膠加熱片為加熱載體的硫化機溫度場均勻性研究較少。

常規硅橡膠加熱片為單通道布置，而單通道加熱布置有著結構簡單、成本低廉的優點，但不可避免存在著靈敏度低、穩定性差以及無法靈活控制等問題，正如文獻[8，9]所述。本文以B-1200硫化機為研究對象，其加熱裝置由硅橡膠加熱片和加熱板組成，如圖1所示。首先對單通道方案進行試驗探究，針對加熱板溫度不均勻性規律，提出以三通道回字型布置來代替單通道布置的方案，進一步基于Comsol固體傳熱仿真技術對各環形回路間距及其對應的熱流密度值等因素進行正交試驗分析，探究了加熱板溫度分布和溫升規律，得到最佳設計方案，并進行物理試驗驗證，為進一步推廣硅橡膠加熱片在硫化機熱板中的應用提供了設計參考，并奠定了一定的研究基礎。

圖1 B-1200硫化機

1 單通道方案加熱試驗

1.1 搭建單通道方案加熱試驗平臺

為探究單通道方案硫化加熱的熱板均勻程度，搭建的單通道方案試驗平臺如圖2所示，單通道硅橡膠加熱片的熱流密度值為5000W/m2，硅橡膠加熱片由鎳鉻合金電熱絲和硅橡膠高溫絕緣布組成，當硅橡膠加熱片與加熱板相貼時，熱量經由加熱板快速傳遞給輸送帶，在一定時間和壓力作用下，完成輸送帶接頭硫化[10]。

圖2 單通道方案試驗平臺

1.2 單通道方案溫度監測平臺

為探究加熱板表面溫度變化和不同位置的溫度，搭建了溫度數據監測平臺，其由K型熱電偶、TP1000多回路數據記錄儀組成，將K型熱電偶按照圖3設計的測溫點在加熱板上進行均勻排布，能夠實時準確地觀測加熱板的溫度場變化及分布。

圖3 測溫點的布置方式

1.3 試驗過程及分析

試驗加熱之前，必須進行適當的加壓，使輸送帶、加熱板和硅橡膠加熱片緊密接觸，確保硅橡膠加熱片產生的熱量及時的傳出，防止局部高溫，從而導致燒壞硅橡膠加熱片。當加熱板監測點溫度最高為145℃時，停止加熱，按照測溫點的相對位置記錄數據，見表1。

由于加熱板表面溫度需要控制在140～150℃之間，溫度越接近145℃越好，為了定量分析熱板的溫度均勻性，引入函數F來描述，F值不小于0，F的值越小，說明熱板的均勻性越好[11]。

式中，N為測溫點的個數；ei為對應點的溫度，℃；e0為熱板的各測溫點的平均溫度，℃。

結合表1，得出單通道方案加熱板最大溫度為145℃時，其最低溫度為133℃，下表面溫差為12℃，計算F值為2.3。加熱板呈現出中心溫度高和邊緣溫度低，對角處溫度差梯度大，加熱板的不均勻性明顯。導致此現象的關鍵在于加熱板四周與空氣存在熱交換。

表1 單通道方案測溫點溫度

2 加熱板溫度場優化

2.1 三通道回字型布置圖設計

常規硅橡膠加熱片為單通道布置，由一個控制器連接，當電壓變大或者減小時，加熱板的功率相應的增大或者減小，無法改善加熱板的均勻性。根據試驗結果分析后，硅橡膠加熱片改為三通道回字型布置，每個通道由單獨的控制器連接，可分別控制功率。

設計的硅橡膠加熱片回字型區域布置如圖4所示，加熱區域依次分為X區域、Y區域和Z區域，同時也保持各區域長寬比不變，故加熱區域的平行四邊形邊長關系：

圖4 硅橡膠加熱板區域布置圖

2.2 正交試驗設計

正交實驗可以短時間內用較少試驗次數確定最佳的匹配關系[12]。考慮電路設計、高溫絕緣布的壽命以及耐壓程度，對上述因素進行篩選，以探究各因素對熱板表面溫度影響情況，設計的因素水平表見表2。

表2 正交試驗因素水平表

表中A為長度L1，mm；B為長度L4=L2-L1，mm；C為X區域的熱流密度q1，W/m2；D為Y區域的熱流密度q2，W/m2；E為Z區域的熱流密度q3，W/m2。

2.3 仿真及數據分析

B-1200的加板熱尺寸為1380×870×19mm，材料為鋁合金5052，其上端平行四邊形銳角為72.7°，在其下端導入各試驗方案的電熱絲布置圖。

傳熱模型基本假設為：

1)加熱板板四周溫度恒定，空氣與熱板的初始溫度為20℃。

2)加熱板溫度為145℃，熱板輻射小，因此不考慮熱輻射。

3)加熱板與硅橡膠加熱片接觸的邊界面為第二類邊界條件，規定了邊界面的熱流密度值，關系式為：

式中，qw為熱流密度值；λ為導熱物體的導熱系數；t為溫度；n為表面的法線方向。

4)硅橡膠加熱片由于兩邊導熱，所以硅橡膠加熱片產生的一半熱量均勻傳遞至加熱板。在Comsol中進行網格劃分，采用非結構化網格，網格格數為70萬，設置單元材料屬性，加熱板材料選為鋁合金，型號為5052。設置邊界條件，在下表面施加相應的各區域的熱源線載荷，四周為自然對流，硅橡膠加熱片給加熱板下表面施加相應的熱流密度載荷，即：

式中，qw為有效熱流密度值，W/m2；p為硅橡膠加熱片有效功率，W；S為硅橡膠加熱片接觸面積，m2。

當加熱板的最高溫度145℃時停止，根據設置的測溫點采集數據。根據因素個數與水平數，由正交試驗原理最終得到27組方案[13]，分別對每組方案進行數值模擬，其結果見表3。

表3 正交試驗的試驗方案及仿真結果

對正交試驗的結果進行極差計算(表4)，各因素i各水平之和的均值為ki。

表4 熱板F值極差計算

由表4得到的極差值和ki值，可以分析出：

1)正交試驗的27組仿真結果中，根據直接分析法，F值最小的因素水平組合為32113，其值為1.073，溫度分布最均勻，F值最大的因素水平組合為11331，其值為1.581，溫度分布最不均勻。

2)極差越大，該因素對熱板均勻性影響最大。在影響熱板均勻性的因素中，Z區域熱流密度載荷影響最大，其影響因素大小排序為E>C>B>A>D。

3)觀察各列ki值，A、B、C、D、E的最優水平分別為3、3、1、1、3，經極差分析使熱板均勻性最優的組合為A3B3C1D1E3。

通過直接分析法和極差分析法得到的F值不同，因此對因素水平組合為A3B3C1D1E3進行仿真分析，得到F值為1.071，而直接法得到的最佳組合A3B2C1D1E3的F值為1.0732，通過極差分析法得到的F值更小，熱板更加均勻。

2.4 優化結果及分析

當熱板表面最高溫度到145℃時，單通道方案和因素水平組合為A3B3C1D1E3的三通道方案的熱板表面的溫度分布云圖，如圖5所示。

圖5 熱板的溫度分布云圖

圖5(a)中單通道方案熱板最大溫度為145℃時，其最低溫度為136.6℃，下表面溫差為8.4℃，而圖5(b)中三通道方案熱板最大溫度為145℃時，其最低溫度為140.36℃，表面溫差為4.64℃。通過正交試驗分析和優化，溫差從8.4℃降到4.64℃，F值由1.67降到1.07。

單通道方案中加熱板被施加均勻的熱流密度載荷，熱板四周與空氣接觸，產生了熱交換，導致導致邊緣溫度較中心偏低。同時加熱板四個角為尖角，較其他四周散熱量大，導致尖角處溫度更低。由于中心溫度較邊緣溫度高，則存在一定的溫度梯度，從而產生高溫向低溫的擴散趨勢。采用三通道電路方案和正交試驗方法，單通道F值為1，7，三通道F值為1.07，均勻性提高了44.76%，驗證了此方法的可靠性。

3 實驗驗證

3.1 搭建三通道方案試驗平臺

為了驗證三通道方案的加熱板比單通道方案的更均勻，硅橡膠加熱片為三通道加熱片，其中L1=806mm，L2=1169mm，L3=1169mm，三通道加熱片中X、Y、Z區域的熱流密度均為4900W/m2，經調壓器調壓后Z區域達到5100W/cm2，圖6為三通道方案試驗平臺，其加熱系統由CHB3智能溫控箱、TSGC2調壓器以及三通通回字型硅橡膠加熱片組成。而溫度監測系統由TP1000多回路數據記錄儀和K型熱電偶組成。

圖6 三通道方案試驗平臺

CHB3智能溫控箱采用3通道獨立控制如圖7所示，每通道配單獨一個CHB智能溫度控制器、接觸器和旋鈕開關。打開旋鈕開關，380V電源進入接觸器，之后通過TSGC2調壓器調壓。改變硅橡膠加熱板Z區域的電壓，達到改變Z區域功率，從而改變熱流密度值，要達到5100W/m2，根據功率和電壓的關系，調壓器旋鈕設定為387V。當熱板的監測點最高溫度達到145℃時，停止試驗。

圖7 CHB3路溫度控制器和調壓器

3.2 溫度數據的監測與分析

利用該試驗平臺進行三通道方案的硫化加熱試驗，按照測溫點的相對位置填熱板溫度，三通道方案的溫度及其與原單通方案的溫度對比見表5。當熱板的最大溫度達到145℃時，三通道優化方案各點溫度比常規方案的更接近145℃。通過計算，常規方案的熱板溫差和F值分別為12℃和2.3，優化方案分別為3.8℃和1.0，可知優化后F值降低，熱板溫度的均勻性提高。

表5 三通道方案監測結果

優化后溫度差值可以看出，通過提高Z區域熱流密度值，對熱板邊緣溫度進行了提高，進行溫度補償，使得熱板的均勻性得到改善。

測溫區域中選擇溫度變化最大的對角線方向(測溫點5、9、13)進行監測，與仿真數據進行對比。從圖8(a)可以看出，隨著加熱板的溫度升高，四周與外界換熱量增加，導致升溫速度降低。物理試驗時，由于長時間的加熱，硅橡膠絕緣布軟化，與加熱板貼合較緊，導致更多熱量流入加熱板，升溫速度比理想狀態下有所上升，導致高于仿真測溫點。圖8(b)中三通道方案對角線方向溫差較小，加熱較均勻。

圖8 對角線上的點溫升圖

試驗誤差包括測試環境、測試工具誤差及人為誤差對測試結果的影響，對有限元模擬優化進行的驗證表明正交試驗方法合理可靠。相同時間下，平均誤差為2.5%。小于5%，說明建模、網格劃分與仿真參數設置可以反映實驗的真實情況。

4 結 論

1)通過對單通道方案進行物理試驗，說明了加熱板存在熱板不均勻，下表面溫差為12℃，F值為2.3。

2)利用正交試驗法和極差分析法對影響熱板溫度均勻性參數進行模擬優化，分析出影響加熱板均勻性最為顯著的因素為邊緣熱流密度。通過物理試驗得出優化后方案溫差為3.8℃以及F值為1.0，而單通道方案熱板溫差為12℃以及F值為2.3，優化后溫差降低了9.7℃，均勻性指標F值降低了1.3。

3)通過三通道優化方案測試數據與原單通道方案的進行對比，加熱板均勻性提高了，驗證了正交試驗優化結果的可靠性，可以硅橡膠加熱片在硫化機熱板中的應用提供了研究方法與理論依據。