輥壓機加熱輥熱仿真分析

□ 李 楊

江蘇正威新材料有限公司 江蘇如皋 226500

1 分析背景

纖維增強熱塑性片材具有密度低、比強度高、比模量高、抗沖擊、抗疲勞、耐腐蝕、易成形等優點,在交通運輸、新能源、建筑、航空、航天等領域得到廣泛應用,成為復合材料領域的研究熱點[1-2]。連續氈增強熱塑性片材具有各向同性、抗移性好、浸潤型好、機械剛度高等其它片材難以代替的優勢,受到業界關注。連續氈增強熱塑性片材是在連續氈與上下淋膜層加熱、加壓情況下,由熱塑性樹脂與連續氈充分浸潤并經冷卻定型生成的片材[3-4]。連續輥壓復合生產線具有構思獨特、結構新穎、傳熱效率高、投資少等優點,在連續氈增強熱塑性片材復合領域具有良好的應用前景。

加熱輥是熱塑性片材輥壓機的關鍵部件,其性能直接關系到熱塑片材的生產質量和整條連續輥壓復合生產線的運行速度。加熱輥的主要性能參數包括結構強度、加熱能力、輥面溫度均勻度,通過將加熱后的熱油循環輸送至加熱輥流道中,對輥面加熱,由鋼帶將熱量傳遞至熱塑性片材。加熱輥的熱計算是加熱輥設計的關鍵,良好的流道布置和充分的熱源供應是連續輥壓復合生產線生產效率和產品質量的保證,筆者對加熱輥進行熱仿真分析。

2 加熱輥流道設計

加熱輥采用芯軸+輻板的結構設計,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。根據經驗,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個孔,每九個孔為一組,分為八組。加熱輥芯軸的兩端連接中心回轉接頭,導熱油一端進油,一端回油。加熱輥輥筒材料為Q345B鋼,芯軸采用Q345B鋼鍛件,焊后去應力退火,加工后校靜平衡。加熱輥輥面設計溫度為150～250 ℃,輥面溫度均勻度不大于5 K。

3 加熱輥傳熱理論

導熱油與主加熱輥的傳熱屬于熱對流,加熱輥與物料的傳熱屬于熱傳導,加熱輥與周圍非接觸物體的換熱屬于熱輻射[5-6]。三維無內熱源穩態溫度場在直角坐標系中的微分方程為:

(1)

式中:t為溫度,是空間坐標(x,y,z)的函數。

傳熱問題常見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;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為導熱系數;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。

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流換熱系數;tw為物體給定邊界的溫度;tf為周圍流體的溫度。

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

對于已知導熱系數的各向同性連續介質,導熱油與輥筒符合第一類邊界條件,單位長度圓筒壁熱流量Ql為:

(5)

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

對流換熱包括流經固體表面的流體熱對流和緊貼固體壁面底層的流體導熱兩種基本方式,由牛頓冷卻公式計算對流換熱量Qd,為:

Qd=Ah(tω-tf)

(6)

式中:A為固體發生對流換熱的表面積。

為計算對流換熱量,需要先計算平均表面對流換熱系數[8-9]。對于自然對流換熱,利用瑞利準則判斷空氣沿水平圓柱的自然對流,瑞利準則為:

Ra=GrPr

(7)

式中:Gr為格拉曉夫準則數;Pr為普朗特準則數。

相關計算式如下:

h=λNu/L

(8)

式中:Nu為努謝爾常數;L為傳熱面幾何特征長度。

Nu=C(GrPr)n1

(9)

式中:C為流態因數;n1為流態指數。

Gr=gβΔtL3/γ2

(10)

式中:g為重力加速度;β為體脹系數;Δt為流體上下面溫度差;γ為運動黏度。

當Ra不小于109時,流體為紊流。

實際應用中,流道的表面并不是絕對光滑的,于是斯坦登準則數St為:

(11)

式中:Re為雷諾數;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。

由此計算得到導熱油放熱對流熱交換系數h為1 157.47 W/(m2·K)。

加熱輥安裝在車間內,加熱輥的工作溫度遠高于車間的環境溫度,由此加熱輥會向車間輻射散熱,散熱量Qs為:

(13)

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

4 加熱輥熱仿真

應用SolidWorks軟件對加熱輥進行建模,為便于計算和劃分網格,只對加熱輥輥筒外壁進行建模。應用SolidWorks軟件自帶的Flow Simulation插件進行仿真分析,實現建模與仿真無縫對接[10]。對加熱輥模型進行封蓋處理,設置流道進口導熱油速度為2.5 m/s,入口壓力為0.2 MPa,導熱油溫度為280 ℃,流道出口壓力為0.1 MPa,出口溫度為20 ℃。導熱油的牌號為HD-330,其密度為1 157.47 kg/m3,比熱容為2 240 J/(kg·K),運動黏性系數為2.6 MPa·s,導熱系數為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),導熱系數為49.8 W/(m·K)。加熱輥的初始溫度設置為20℃。

為保證計算精度并適當減小計算量,網格劃分采用五級,封閉細孔縫。加熱輥模型網格劃分如圖1所示。導熱油流動區域分為八組,流道循環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。根據加熱輥的使用和驗收要求,在加熱輥兩側距邊緣各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測量點,這24個測量點的溫度最高值與最低值之差即為輥面溫度均勻度的測量值。加熱輥輥面溫度測量值見表1。

表1 加熱輥輥面溫度測量值

由表1可知,加熱輥輥面溫度均勻度為4.23 K,滿足設計要求。

加熱輥在工作過程中,輥面會向周圍輻射散熱,加熱輥熱輻射區域如圖4所示。為有效減少熱量散失,改善周圍的工作環境,加熱輥外層要加防護罩。

根據設計經驗,導熱油流速、導熱油溫度、導熱油黏度、流道直徑都會對加熱輥輥面溫度產生影響。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,隨著導熱油黏度的變化,加熱輥輥面溫度變化很小,導熱油黏度對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,即導熱油過流面積對加熱輥輥面溫度影響明顯,兩者之間呈線性關系。

導熱油流速與導熱油溫度對加熱輥輥面溫度的影響較大。在設計時,主要通過對流道直徑進行優化來控制加熱輥輥面溫度。在實際生產中,主要通過模溫機比例積分微分閉環控制調節導熱油溫度和流速,以達到控制加熱輥輥面溫度的目的。

5 結束語

加熱輥是熱塑性片材輥壓機的重要部件,加熱輥的設計質量直接關系到連續輥壓復合生產線的效率和產品質量。傳統的加熱輥設計主要依靠經驗,存在一定的盲目性。筆者通過對加熱輥導熱油加熱傳遞理論進行分析,明確加熱輥熱設計的影響因素,并對加熱輥進行三維建模,應用SolidWorks軟件Flow Simulation插件進行仿真。仿真分析結果表明,在八組流道、流道直徑25 mm、導熱油流速2.5 m/s的情況下,加熱輥輥面溫度均勻度為4.23 K,滿足設計要求。在實際應用中,通過對導熱油溫度和流速進行比例積分微分控制,可以實現加熱輥輥面溫度的準確控制。