連續氈增強熱塑性片材輥壓機加熱輥的設計與計算

□ 李 楊 □ 賁小軍 □ 袁建東 □ 沈達泉 □ 徐偉偉 □ 郭紅亮

江蘇正威新材料有限公司 江蘇如皋 226500

1 研究背景

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、易成型等優點,在交通運輸、新能源、建筑、航空、航天等領域得到廣泛應用,成為目前復合材料領域研究的重點[1-2]。其中,連續氈增強熱塑性片材具有各向同性、抗移性好、浸潤性好、機械剛度高等其它片材難以具備的優勢,成為當今熱塑性材料研發的熱點。連續氈與上下淋膜層加熱、加壓后,熱塑性樹脂與連續氈充分浸潤,并經冷卻定型復合而成的片材稱為連續氈增強熱塑性片材[3-4]。連續輥壓復合生產線因構思獨特、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生產領域得到廣泛應用。

加熱輥是連續氈增強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生產線的運行速度。加熱輥的性能參數主要包括結構強度、加熱能力、輥面溫度均勻度。加熱輥將加熱后的熱油循環輸送至加熱輥流道中,對輥面進行加熱,通過鋼帶將熱量傳送至復合片材。因此,熱計算是加熱輥性能設計時的關鍵步驟,良好的流道布置和合理的熱源供應是連續氈增強熱塑性片材輥壓機生產效率和產品質量的保證。

2 加熱輥結構設計

連續氈增強熱塑性片材輥壓機的加熱輥采用芯軸加輻板的結構設計,輥筒外徑為3 500 mm,壁厚為50 mm,輥面寬度為1 800 mm,中間均勻布置三道加強板,與兩側端板共同支撐輥面強度。輥筒采用Q345B鋼,芯軸采用Q345B鋼鍛件,焊后進行去應力退火。輥筒側板與芯軸采用Z2型脹緊套連接,加工后校靜平衡,表面粗糙度Ra為0.4 μm。芯軸軸承采用帶緊定套的雙列調心滾子軸承,拆卸方便,采用稀油潤滑。輥筒兩側及內表面包覆保溫巖棉,可有效防止熱量散失。輥面設計溫度為150～250 ℃,表面溫度均勻度不大于5 K。

3 加熱輥流道布置和加熱方式選擇

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。輥筒壁流道采用鉆深孔方式,根據經驗,流道孔徑為25 mm,共設72個孔,每9個孔為一組,分為八組,沿φ3 450 mm圓周均布。輥筒采用導熱油加熱,熱油爐將導熱油加熱后,由循環泵使導熱油通過管道、旋轉接頭進入輥筒芯軸,分為八路進入輥筒流道,將輥面加熱。油液流出后匯集成一路,經輥筒芯軸內孔、旋轉接頭回至熱油爐。導熱油在封閉狀態下以低壓進行液相循環及傳遞熱量,使用溫度可達350 ℃。

采用導熱油加熱有四方面優點[5]。

(1)導熱油系統具有較高的工藝適應性和工藝可靠性。

(2)使用安全。導熱油系統可以在常壓條件下獲得很高的傳熱介質溫度,導熱油溫度為180～250 ℃,導熱油壓力為0.3～0.5 MPa,工作壓力低。

(3)導熱油系統傳熱效率高,設備和管線投資成本低。

(4)操作簡單,自動化控制程度高。

4 加熱輥熱計算

4.1 輥筒預熱

設備在工作前,需要將加熱輥從室溫預熱至工作溫度。加熱輥的工作溫度由連續氈增強熱塑性片材復合工藝溫度決定,一般為160～250 ℃。加熱輥在預熱的同時伴隨熱量散失,散失的熱量主要包括輥筒以對流和輻射方式散失的熱量、輥筒的軸承體和軸瓦以傳導方式散失的熱量、冷卻油液帶走的熱量等[6-7]。加熱輥預熱的溫度梯度一般取50 K/h,預熱時間一般為4～5 h。由于地域差別,冬天和夏天的預熱時間可能會相差1～2 h。

輥筒從室溫預熱至工作溫度需要的熱量Q1為:

Q1=G1C(T2-T1)/t

(1)

式中:G1為輥筒質量;C為輥筒材質比熱容;T2為輥筒工作時的工藝溫度;T1為輥筒預熱初始溫度,根據現場情況一般取室溫;t為設定的升溫時間,根據升溫梯度一般取4～5 h。

輥筒在預熱的同時,以對流和輻射方式散失的熱量Q2為:

Q2=3.6(αK+αr)A(TG-TK)

(2)

(3)

(4)

A=πDL

(5)

式中:αK為對流散熱系數;αr為輻射散熱系數;A為輥筒工作表面散熱面積;D為輥筒工作部分直徑;L為輥筒工作面長度;TG為輥筒表面溫度;TK為輥筒周圍的環境溫度,一般取室溫。

輥筒軸承體與軸瓦帶走和散失的熱量Q3為:

(6)

式中:λ1為軸瓦導熱系數;λ2為軸承體導熱系數;L為軸瓦與軸徑的接觸長度;d1為軸瓦內徑;d2為軸瓦外徑;TZ為軸承體溫度。

輥筒軸承座稀油潤滑帶走的熱量Q4為:

Q4=qY(TH-TJ)C1

(7)

式中:qY為潤滑油消耗量;TH為潤滑油回油溫度;TJ為潤滑油進油溫度;C1為潤滑油比熱容。

輥壓機運行速度為20～50 m/min,加熱輥的轉速為1.5～4.5 r/min,為簡化計算,忽略加熱輥軸承在運轉中產生的熱量。

綜上所述,加熱輥預熱時需要的熱量QY為:

QY=Q1+Q2+2Q3+Q4

(8)

4.2 生產過程中加熱輥需要的熱量

在生產過程中,加熱輥的外表面通過鋼帶將熱量傳至物料,用于熔融熱塑性樹脂及連續氈進行充分浸潤。另一部分熱量通過輥筒其余表面自然散失。若導熱油提供給輥筒的熱量不足以滿足片材復合需要的熱量及各種散失的熱量,則輥筒需要持續加熱,直至二者達到熱平衡,加熱輥不再需要加熱。

生產過程中片材復合需要的熱量QL為:

QL=qC2(T2-T1)

(9)

式中:q為輥壓機產量;C2為片材比熱容;T2為復合后片材溫度;T1為復合前基體樹脂溫度。

在生產過程中,加熱輥及復合片材向周圍空氣散失的熱量QS為:

QS=(αK+αr)A(TG-TK)

(10)

綜上所述,在生產過程中,加熱輥消耗的總熱量QG為:

QG=QL+QS

(11)

在生產過程中,熱塑性樹脂受到反復擠壓,物料自身產生內能,這部分熱量與物料復合所需的熱量相比,可忽略不計。另外,上述計算忽略了管道散失及機架散失的熱量等,因此對生產過程中的加熱輥總功耗進行適當修正,修正因數一般取1.2～1.3,有:

QH=(1.2～1.3)QG

(12)

4.3 導熱油消耗量

加熱輥為中空結構,采用導熱油加熱,根據熱量平衡原則進行計算。

預熱過程中導熱油的消耗量WY為:

WY=QY/(CYΔTρY)

(13)

式中:CY為預熱時導熱油比熱容;ΔT為預熱時導熱油進出口溫差;ρY為預熱時導熱油密度。

生產過程中導熱油的消耗量WG為:

WG=QH/(CY1ΔT1ρY1)

(14)

式中:CY1為生產過程中的導熱油比熱容;ΔT1為生產過程中的導熱油進出口溫差;ρY1為工作過程中的導熱油密度。

導熱油的消耗量與進出口溫差有關,在實際生產中,根據產品的工藝需求,進出口溫差盡可能選取較大值,從而降低導熱油的消耗量。由此,比較WY與WG的大小,在實際生產中取較大值。

5 導熱油系統設計

導熱油系統一般包括熱油爐、儲油槽、膨脹槽、油氣分離器、導熱油循環泵等設備[8-9]。熱油爐是整個熱油系統的關鍵設備,目前多采用電加熱,效率可以達到95%。熱油爐選擇時需要有足夠的升溫能力,并考慮管道系統的散熱損失,一般按照供熱能力的5%來考慮散熱損失。導熱油選取主流品牌的合成導熱油,導熱油沸點為350 ℃。導熱油泵選擇時考慮兩種工況:正常工況和冬季工況。在使用過程中,可以利用工藝管道上的調節閥對導熱油的循環流量實施控制,在節能的同時節約投資成本。

6 結束語

加熱輥的性能直接關系到連續氈增強熱塑性片材輥壓機的生產能力和產品質量,筆者從加熱輥的結構及流道布置形式入手,分析了采用導熱油加熱的優勢。在預熱狀態下,加熱輥的熱量供給加熱輥的溫升和各種熱量散失。在工作狀態下,加熱輥提供物料復合所需要的熱量及各種熱量散失。當加熱輥達到熱平衡時,加熱輥不再需要加熱。比較預熱狀態和工作狀態的導熱油流量,為導熱油系統的設計提供理論依據。