水冷式注塑機(jī)電磁感應(yīng)加熱料筒溫度場分析*

赫東鋒，陳麗娟，張君安（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710021）

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水冷式注塑機(jī)電磁感應(yīng)加熱料筒溫度場分析*

赫東鋒，陳麗娟，張君安
（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710021）

摘 要：旨在消除注塑機(jī)電磁感應(yīng)加熱料筒溫度控制精度和熱慣性對注塑質(zhì)量和效率的影響，提出了一種水冷式注塑機(jī)電磁感應(yīng)加熱料筒.基于水冷式注塑機(jī)電磁感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)，依據(jù)電磁感應(yīng)加熱原理建立了料筒結(jié)構(gòu)有限元模型.利用多物理場耦合分析軟件ANSYS對水冷式注塑機(jī)電磁感應(yīng)加熱料筒進(jìn)行了溫度場分析.結(jié)果表明：該加熱料筒在引入冷卻系統(tǒng)后相較于原有裝置，溫度控制精度得以提高；在加熱到額定工作溫度時(shí)，料筒內(nèi)壁溫差由61℃下降到約36℃；從額定工作溫度冷卻至室溫，所需時(shí)間由4 h下降到約40 min.

關(guān)鍵詞：注塑機(jī)；電磁感應(yīng)加熱；溫度場；熱慣性

注塑機(jī)是塑料加工行業(yè)使用的主要設(shè)備.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在正常工況下生產(chǎn)，全國每年傳統(tǒng)電阻式加熱注塑機(jī)總耗電量為310億k W·h，熱效率僅為20%～30%［1-2］，能源浪費(fèi)嚴(yán)重［3］.因此提高注塑機(jī)加熱的效率具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.電磁感應(yīng)加熱以其加熱快［4］、效率高、高熱能利用率［5］和運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，在注塑機(jī)加熱領(lǐng)域獲得了廣泛的研究［1］.文獻(xiàn)［6］提出了注塑機(jī)料筒節(jié)能技術(shù)的三種方案，并分析了每種方案的利弊.文獻(xiàn)［7］給出了電磁感應(yīng)加熱在注塑機(jī)料筒加熱的應(yīng)用，并分析了應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱的優(yōu)缺點(diǎn).文獻(xiàn)［8］通過對電熱絲式加熱和電磁感應(yīng)式加熱的料筒材料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高鉻合金是料筒的最佳選用材料，同時(shí)對高鉻合金磁性的影響因素及熱處理參數(shù)進(jìn)行分析，提出了較為合理的高鉻合金熱處理工藝參數(shù)，最大限度降低熱處理對電磁性的影響.

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)帶來上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也引發(fā)了降溫速度慢和熱慣性大的問題，導(dǎo)致生產(chǎn)中換料不及時(shí)和熱慣性大、溫度控制精度差等問題［9］.針對該問題，文獻(xiàn)［10］提出了一種水冷式電磁感應(yīng)加熱裝置.目前尚無文獻(xiàn)對水冷式電磁感應(yīng)加熱的機(jī)理和溫度分布規(guī)律做深入研究，為此文中利用有限元分析方法對水冷式電磁感應(yīng)加熱料筒的溫度場進(jìn)行分析，以期為水冷式電磁感應(yīng)加熱裝置的設(shè)計(jì)提供參考.

1　水冷式電磁感應(yīng)加熱料筒原理

水冷式電磁感應(yīng)加熱料筒工作原理如圖1所示，電磁感應(yīng)加熱料筒裝置如圖2所示.纏繞于料筒上的線圈加入交流電后，磁場發(fā)生變化，在料筒表面產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量一部分沿料筒徑向向內(nèi)流動(dòng)，對內(nèi)表面和物料進(jìn)行加熱；還有一部分熱沿料筒徑向向外流動(dòng)，被散熱片傳導(dǎo)到水流通道處，被水帶走.

圖1　水冷式電磁感應(yīng)加熱料筒原理Fig.1 Principle of water cooled electromagnetic induction heating barrel

圖2　電磁感應(yīng)加熱料筒裝置Fig.2 Electromagnetic induction heating cylinder

2　對流換熱數(shù)學(xué)模型的建立

在料筒上兩套水冷裝置分布時(shí)距離較近、散熱片間距較小、冷卻水水流速較大，因此可忽略不同位置的冷卻水溫度差異和散熱片之間區(qū)域的溫度差異，近似的認(rèn)為在周向無熱流流動(dòng)，熱流僅在軸向和徑向流動(dòng)，因此該問題可以簡化為二維問題來處理；料筒內(nèi)部為封閉空間，無空氣流動(dòng)；由于大部分熱量均通過冷卻水帶走，因此可忽略通過空氣散失的熱量；加熱線圈是均勻纏繞于保溫棉上.加熱料筒裝置的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示.根據(jù)加熱料筒裝置結(jié)構(gòu)模型，以下建立其對流換熱數(shù)學(xué)模型.

電磁感應(yīng)加熱過程中，感生渦流為內(nèi)熱源，其強(qiáng)度［11］為

式中：qv為內(nèi)熱源強(qiáng)度；ρ為料筒材料的電阻率；→I為感生電流面密度.

圖3　結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structural model

節(jié)點(diǎn)溫度的有限元方程［12］為

式中：K為熱傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；C為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；T為節(jié)點(diǎn)溫度向量；˙T為溫度對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)列陣；Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成.

根據(jù)牛頓冷卻定律，存在對流條件下的傳熱公式為

式中：q為通過冷卻水管路橫截面積的熱量；A為冷卻水管路橫截面積；Ts為料筒壁面的溫度；Tω為水流溫度；αc為對流換熱系數(shù).

在水冷情況下，對流換熱系數(shù)［13］為

式中：J為科伯恩系數(shù)，科伯恩系數(shù)與流體的雷諾數(shù)Re=ρv D／μ有關(guān)，D為冷卻水管路直徑；ρ為水流密度；v為水流平均流速；μ為水的黏度；Cp為比熱.

由式（4），可得層流狀態(tài)時(shí)的對流換熱系數(shù)αc1為

其中L為水流管路的長度.

紊流狀態(tài)時(shí)的對流換熱系數(shù)αc2為

3　有限元建模及分析

通過對整體裝置的合理假設(shè)，將三維模型轉(zhuǎn)化為二維模型進(jìn)行分析.有限元軟件ANSYS能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換.利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模，以ACIS文件格式導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析.

3.1有限元模型的建立

在ANSYS分析過程中，采用遠(yuǎn)場分析單元可使模型的外邊界不用強(qiáng)加邊界條件而說明磁場和熱場的遠(yuǎn)場消耗的問題.在電磁分析時(shí)文中采用八節(jié)點(diǎn)四邊形單元PLANE53，熱分析時(shí)采用四節(jié)點(diǎn)平面單元PLANE55，遠(yuǎn)場單元?jiǎng)t采用八節(jié)點(diǎn)無限遠(yuǎn)四邊形單元INFIN110.料筒豎直方向劃分20 份.散熱片的網(wǎng)格尺寸分別為0.005 m.劃分好單元格的幾何模型如圖4所示.

圖4　網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation

3.2加載和邊界條件的設(shè)立

水冷裝置主要材料為純銅，其物理參數(shù)見表1.

表1　純銅物理參數(shù)Tab.1 Various parameters of pure copper

根據(jù)物理模型的相關(guān)假設(shè)，設(shè)定邊界條件如下：磁力線平行條件強(qiáng)制磁力線平行于表面；在模型最邊界處，磁場為零；電流密度為1.55×106A· m—2；在保溫棉外側(cè)存在自然對流換熱，對流換熱系數(shù)為12.5 J·m—2·s—1·℃—1；外界溫度為30℃.

3.3結(jié)果分析

3.3.1水冷裝置對電磁感應(yīng)加熱料筒溫度分布影響

在傳統(tǒng)電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)中，料筒溫度可以很快上升，分析結(jié)果如圖5（a）所示.但在加熱線圈的中心和兩端會產(chǎn)生很大的溫差，對溫度的控制不利，溫度曲線如圖6（a）所示.這是由于電磁感應(yīng)加熱通過電磁感應(yīng)使料筒內(nèi)部金屬管自身發(fā)熱，加熱速度快，產(chǎn)生很大的熱量.但料筒兩端處于密封狀態(tài)，產(chǎn)生的熱量沒辦法很快分布均勻，導(dǎo)致料筒在加熱到額定工作溫度時(shí)，會產(chǎn)生約61℃的溫差.當(dāng)加入冷卻裝置后，加熱到相同溫度時(shí)，分析結(jié)果如圖5（b）所示.料筒內(nèi)壁溫差降低到約為36℃，溫度曲線如圖6（b）所示.

這是由于散熱裝置整體是由純銅制造的，而純銅又是熱的良導(dǎo)體.在加熱過程中，銅很好的把熱從料筒上電磁線圈中間的部分傳導(dǎo)到線圈兩端，從而降低加熱線圈的中心和兩端的溫差.

圖5　有無水冷裝置料筒溫度分布對比Fig.5 Comparison of temperature distribution of cylinder with or without water cooling

圖6　料筒加熱溫度曲線Fig.6 Heating temperature curve of cylinder

3.3.2 水冷裝置對降溫過程中料筒溫度的影響

加入水冷裝置后的料筒溫度分布如圖7所示，料筒內(nèi)壁的溫差約3℃，符合注塑加工過程對料筒溫度的要求.在注塑加工過程中料筒溫度會影響塑料的塑化和流動(dòng)，溫度過高物料容易分解，溫度過低則不利于塑化.

圖7　料筒溫度分布（℃）Fig.7 Cylinder temperature distribution（℃）

同時(shí)在料筒中間部位也要保證溫度的均勻性，避免料筒因加入水冷裝置而導(dǎo)致溫差過大.水冷裝置中的水流保持一定的溫度，保證了每秒帶走的熱量是恒定的.純銅是熱的良導(dǎo)體，在降溫過程中可以很好的傳遞熱量，保持料筒表面溫度的均勻性.

當(dāng)兩套裝置同時(shí)從室溫加熱到相同的額定工作溫度時(shí)，使用不同的方法使其冷卻到室溫，溫度曲線對比如圖8所示.

圖8　加熱-冷卻溫度曲線Fig.8 Heating and cooling temperature curve

當(dāng)整體裝置不加入散熱片，使其自然冷卻時(shí)，所需的時(shí)間約4 h，當(dāng)整體裝置加入散熱片后，冷卻時(shí)間大大縮短，大約需要40 min.這是由于原有裝置中，在料筒和加熱線圈之間添加一層保溫棉，使熱量無法及時(shí)散失，導(dǎo)致了降溫速度慢的弊端.冷卻裝置貼在料筒外壁，且裝置內(nèi)為流動(dòng)水，可源源不斷地帶走由散熱片導(dǎo)出的熱量，從而提高了散熱速度.

4　結(jié)論

電磁感應(yīng)加熱料筒時(shí)，料筒內(nèi)壁的溫差隨注塑機(jī)電磁感應(yīng)加熱裝置加熱過程的進(jìn)行逐漸增加.在由室溫加熱到額定工作溫度條件下，未加入冷卻裝置的加熱料筒內(nèi)壁溫差約為61℃；引入水冷裝置后，料筒內(nèi)壁溫差降低到約為36℃.料筒加熱到額定工作溫度后以兩種方式冷卻至室溫，未加入冷卻裝置的降溫時(shí)間約為4 h，加入冷卻裝置后的降溫時(shí)間減小到約為40 min，節(jié)省了料筒換料時(shí)間.降溫過程中，引入冷卻裝置的料筒內(nèi)壁溫差控制在3℃之內(nèi)，提高了料筒溫度的均勻性.在注塑機(jī)電磁感應(yīng)加熱中加入水冷裝置有效消除了降溫速度和熱慣性對注塑質(zhì)量和效率的影響.

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（責(zé)任編輯、校對 張 超）

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英文摘要：不出現(xiàn)以下情況：①一對一翻譯.避免出現(xiàn)中國式英語，專業(yè)詞匯要用專業(yè)詞語翻譯；②主謂不一致；③時(shí)態(tài)不一致.

（張立新）

Analysis of Induction Heating Temperature Field of Water Cooled Cylinder Injection Molding Machinery

HE Dongfeng，CHEN Lijuan，ZHANG Junan
（School of Mechatronic Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

Abstract：In order to eliminate the influence of the temperature control precision and the thermal inertia of the electromagnetic induction heating barrel of the injection molding machine on the quality and efficiency of injection，a kind of electromagnetic induction heating barrel for injection machine is put forward.Based on the structure of electromagnetic induction heating device of the water cooling injection machine，the finite element model of the cylinder structure was established according to the principle of electromagnetic induction heating.The temperature field analysis of the electromagnetic induction heating tube of the water cooled injection machine is made by using the multi physical field coupling analysis software ANSYS.The results show that the temperature control precision is improved by the introduction of cooling system compared with the original equipment.The temperature difference between the inner wall of the barrel is decreased from 61℃to about 36℃at the temperature of heating to the rated working temperature.The time required from the rated working temperature to room temperature is reduced from 4 h to about 40 min.

Key Words：injection molding machine；electromagnetic induction heating；temperature field；thermal inertia

作者簡介：赫東鋒（1975—），男，西安工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)械、高等工程教育研究.E-mail：16461197＠qq.com.

基金資助：富士康注塑機(jī)專項(xiàng)研究資助項(xiàng)目

*收稿日期：2015-11-27

DOI：10.16185／j.jxatu.edu.cn.2016.02.004

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖號： TQ320 A

文章編號：1673-9965（2016）02-0108-06