壓光機電磁感應(yīng)加熱的實驗研究

趙佳龍 鄭甲紅毛廷廷 霍啟新 劉杰林

（陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安，710021）

壓光機是用于提高紙張光澤度的設(shè)備，是壓光上光工藝的一種。從20世紀(jì)80年代開始，軟輥壓光機成功應(yīng)用于造紙行業(yè)，因其性能優(yōu)越，壓光后成紙質(zhì)量高、工作速度快而得到快速發(fā)展[1-2]。

隨著自動化水平的提高，將壓光機應(yīng)用于皮革、無紡布、防彈衣材料等的加工領(lǐng)域已成為發(fā)展趨勢。在造紙行業(yè)，國內(nèi)外廠家廣泛采用的仍然是以傳統(tǒng)的蒸汽和導(dǎo)熱油加熱的方式進行加熱的造紙壓光機[3-4]。蒸汽和導(dǎo)熱油加熱方式的能源利用率較低、熱損失較大；加熱速度慢，預(yù)熱時間長。其中蒸汽加熱的方式其溫度與壓力有關(guān)，溫度越高，相應(yīng)的水蒸氣壓力越大，對加熱系統(tǒng)的密封性能要求較高；同時蒸汽放熱冷凝成水，需要設(shè)置疏水系統(tǒng)排出生成的冷凝水。而導(dǎo)熱油加熱的方式對加熱輥的結(jié)構(gòu)有很高的要求，最常見的是采用多孔加熱輥[5-6]，這種加熱輥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本大。采用傳統(tǒng)加熱方式，輥筒溫度越高，對系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)要求越高，制造成本隨之提高，因此，需要尋找一種新型的加熱方式。

電磁感應(yīng)加熱是一種很好的加熱方式，依靠高頻交流電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場，高頻交變磁場又在工件中產(chǎn)生渦流，從而使工件迅速發(fā)熱，達(dá)到加熱的目的。其加熱速度快、熱效率高、無污染，極大縮短預(yù)熱時間，同時可減少加熱輥的設(shè)計工作。

本實驗是將電磁感應(yīng)加熱作為加熱方式，完成加熱輥的加熱工作。為研究電磁感應(yīng)加熱裝置對加熱輥的加熱情況，本課題組設(shè)計制造了簡易壓光機樣機，并進行了實驗研究。選取加熱功率（簡稱功率）、加熱輥輥面與加熱裝置的間距（簡稱間距）和輥面線速度（簡稱線速度）3個因素進行實驗[7-8]，以得到最好的加熱參數(shù)，為電磁感應(yīng)加熱式壓光機的設(shè)計提供相關(guān)數(shù)據(jù)理論。

1 實驗設(shè)備與方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗所使用的設(shè)備包括自制的簡易壓光機樣機、變頻電磁加熱器和控制柜、溫控儀（REX-C700）和熱電偶（WRKM-301）等。

簡易壓光機樣機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。樣機包括加熱輥筒、機架、步進電機、傳動裝置和加熱裝置。加熱輥筒由冷硬鑄鐵制成，直徑D=300 mm，長度L=500 mm，內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)。以步進電機作為動力源，經(jīng)傳動裝置傳遞至輥筒，并通過控制步進電機實現(xiàn)不同線速度的要求；加熱裝置包括控制柜和加熱器，由控制柜將380 V、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)化為所需要頻率的交流電，通過控制柜改變加熱功率，手動調(diào)節(jié)加熱器與輥筒的間距，并由加熱器完成對輥筒的加熱工作。

圖1 簡易壓光機樣機結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實驗方法

（1）單因素實驗

首先，根據(jù)感應(yīng)加熱理論確定影響加熱溫度的因素，選取各個因素的水平參數(shù)；其次，進行不同因素的單因素實驗，確定各因素對加熱溫度的影響，為進一步正交實驗的變量選取提供了實驗依據(jù)。

（2）正交實驗

以溫度360℃為限，研究在不同功率、間距和線速度下加熱輥輥面溫度的變化速率。以室溫至240℃為第Ⅰ階段，240～320℃為第Ⅱ階段，320～360℃為第Ⅲ階段。采用加權(quán)評分法對3個階段的加熱速率進行綜合計算，以各個階段的溫度范圍的比例為加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，以綜合評價值Rs作為實驗指標(biāo)，計算公式見式(1)。

式中，Rs1為Ⅰ段的加熱速率；Rs2為Ⅱ段的加熱速率；Rs3為Ⅲ段的加熱速率；Rs為評價指標(biāo)。

以綜合評價值Rs為實驗指標(biāo)，選擇功率、間距、線速度3因素進行L9(34)正交實驗[9]。實驗因素水平表如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

（1）功率對溫度的影響

以間距為15 mm、線速度為36.75 m/min，選取功率為4、5、6、8 kW進行實驗，結(jié)果如圖2所示。

圖2 功率對溫度的影響

由圖2可以看出，在加熱初始階段，溫度變化隨時間不斷加劇，當(dāng)溫度上升至一定值后，溫度變化逐漸變慢，最終趨于平穩(wěn)；隨著加熱功率的增大，溫度變化越快，加熱速率明顯提高，最終達(dá)到的溫度也進一步提高。當(dāng)功率為8 kW時，與其他功率下的加熱結(jié)果相比，溫度變化最快，最終趨于平穩(wěn)的溫度也最高（達(dá)到400℃），可滿足高溫度的工藝要求；而功率為4 kW時，溫度變化慢，加熱時間過長，最終溫度遠(yuǎn)低于功率為8 kW時的溫度。

（2）間距對溫度的影響

以功率為6 kW、線速度為36.75 m/min，選取間距為10、15、20、25 mm進行實驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 間距對溫度的影響

由圖3可以看出，在加熱初始階段，溫度急劇變化，隨著間距的提高，溫度變化逐漸變慢，最終趨于平穩(wěn)；隨著間距的減小，溫度變化加快，加熱溫度也有明顯的上升。當(dāng)間距為10 mm時，溫度變化最快，且最終達(dá)到的溫度最高，達(dá)到400℃；當(dāng)間距為15、20 mm時，溫度變化逐漸變慢，最終溫度降低；而當(dāng)間距為25 mm時，溫度變化最慢，溫度達(dá)到320℃左右時，溫度再難以有大幅度的提升，且加熱時間長，加熱效率低。

（3）線速度對溫度的影響

以功率為6 kW、間距為15 mm，選取線速度為24.50、36.75、49.00、61.25 m/min進行實驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 線速度對溫度的影響

由圖4可以看出，在相同時刻，較高線速度下的溫度略高于較低線速度的溫度，但差距不明顯；不同線速度下，輥筒溫度變化趨勢基本相似，且輥筒溫度最終能達(dá)到的范圍基本相同；線速度的變化對加熱速率的影響較小。

2.2 正交實驗

2.2.1 正交實驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，選用功率、間距、線速度為實驗因素進行正交實驗。實驗方案設(shè)計和實驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交實驗設(shè)計與結(jié)果

表3 方差分析表

表4 驗證實驗結(jié)果

由表2可以看出，影響加熱速率Rs的因素主次順序為A（功率）、B（間距）、C（線速度）；功率和間距對加熱速率的影響較大，而線速度對加熱速率的影響較小。這與單因素實驗結(jié)果一致。在K值中，KA3、KB1、KC3的值相對最大，所以加熱速率提高最快的最優(yōu)條件為：A3B1C3。

2.2.2 方差分析

本實驗為3因素3水平的正交實驗，不考慮交互作用，經(jīng)過方差分析[10]得出如表3所示的結(jié)果。由表3可知，功率（A）和間距（B）對加熱速率的影響顯著，線速度（C）對加熱速率的影響顯著性不高。

2.2.3 效應(yīng)趨勢圖

正交實驗的效應(yīng)趨勢圖如圖5所示。從圖5可以看出，加熱速率隨功率的增大而不斷變大，當(dāng)功率為8 kW時，加熱速率最大；加熱速率隨間距的增大而不斷變小，當(dāng)間距為10 mm時，加熱速率最大；加熱速率隨線速度的變化基本變化不大。

圖5 正交實驗效應(yīng)趨勢圖

2.2.4 驗證實驗

根據(jù)正交實驗所得的最優(yōu)條件A3B1C3，即功率為8 kW、間距為10 mm、線速度為49.00 m/min，進行了3組最優(yōu)條件的驗證實驗，實驗結(jié)果如表4所示。

由表4結(jié)果可知，最優(yōu)條件下所做實驗結(jié)果均大于正交實驗（表2）中除最優(yōu)條件外的實驗結(jié)果，即在功率8 kW、間距10 mm、線速度49.00 m/min條件下進行加熱，壓光機加熱速率最大。

3 結(jié)論

選?。訜幔┕β?、（加熱輥輥面與加熱裝置的）間距和（輥面）線速度3個因素進行實驗研究，以得到最好的加熱參數(shù)，為電磁感應(yīng)加熱式壓光機的設(shè)計提供相關(guān)數(shù)據(jù)理論。

3.1 單因素實驗結(jié)果表明，功率和間距對加熱溫度的影響較大，線速度對加熱溫度的影響不顯著。當(dāng)加熱功率為8 kW或間距為10 mm時，加熱輥溫度變化較快，最終溫度也較高；隨著功率的減小和間距的增大，溫度變化隨之變慢，最終溫度降低；當(dāng)功率為4 kW或間距為25 mm時，加熱輥溫度變化較慢，趨于平穩(wěn)后的溫度較低；線速度變化對加熱輥溫度變化的影響較小。

3.2 正交實驗和驗證實驗結(jié)果表明，當(dāng)加熱功率為8 kW、間距為10 mm、線速度為49.00 m/min時，加熱速率最大。

3.3 在較高溫度（400℃左右）要求的工作環(huán)境下，宜采用大功率（8 kW）和小間距（10 mm）的方式，避免因功率過小或間距過大而造成溫度難以滿足工藝要求。

3.4 實驗結(jié)果只是針對現(xiàn)有的條件進行的研究，對于更大功率或線速度的影響還需進一步研究。