磨輥輥面溫度測量試驗及輥體溫度場有限元分析*

李 聰，賈華坡，武文斌，黃奇鵬，孟 樂，高楊楊

（1.鄭州科技學(xué)院，鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學(xué)糧油機械研究所，鄭州 450001）

磨粉機的啟動性能和等溫性能是衡量磨粉機磨輥性能的重要指標，磨輥輥面溫度的高低及均勻性能夠較大的影響面粉的品質(zhì)及口感[1]。磨輥熱量主要來源是快輥輥面與物料因相對運動產(chǎn)生的摩擦熱[2]。磨輥的吸熱段主要以熱傳導(dǎo)為主，服從傅里葉導(dǎo)熱定律，散熱段以有限空間的對流換熱和輻射換熱為主。但在生產(chǎn)過程中普遍存在著一些問題，長時間工作的磨輥表面溫度可達到60～80℃[3]，面粉品質(zhì)在一定范圍內(nèi)會受到不同程度地影響，高溫會造成蛋白質(zhì)變性面粉品質(zhì)下降[4]。如果輥體內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)不均勻，導(dǎo)致加工物料時磨輥表面溫差較大，同樣會影響面粉品質(zhì)不穩(wěn)定。

針對以上存在的問題，需要研究磨輥工作過程中輥面的溫度變化，以便于給磨粉機制造企業(yè)和磨粉機設(shè)計人員提供參考。課題組在河南省鶴壁市浚縣益民面粉廠及江蘇省泰興市曲霞面粉廠進行了布勒MDDK1000/250型輥式磨粉機1M噴砂輥快輥的輥面溫度測試。

1 磨輥表面溫度測量試驗

本次測試主要針對快輥輥面溫度從左至右進行等距測量。

1.1 實驗前的準備工作

實驗前要準備好各溫度測量器材：熱電偶接觸式測溫儀、溫濕度測量儀，并對各實驗測量儀器和環(huán)境參數(shù)進行校核和測試。

1.2 河南省鶴壁市益民面粉廠磨粉機快輥輥面測溫數(shù)據(jù)

本次測量從磨粉機啟動始一直到輥面溫度達到穩(wěn)態(tài)止。等距選取5個測量點，60 min測試1次。1M噴砂輥輥面正常工作狀態(tài)溫度數(shù)據(jù)見表1。

表1 1M噴砂輥輥面正常工作狀態(tài)溫度數(shù)據(jù)

5點平均值溫度變化曲線如圖1所示：

圖1 平均值溫度變化曲線

5點溫度變化曲線如圖2所示：

圖2 5點溫度變化曲線

從圖2和表1可以看出5個測量點的溫度變化基本一致，但輥體兩端比中間略低1～2℃，這是因為磨輥端面處齒輪和帶輪的導(dǎo)熱、對流及輻射作用，說明5個測量點同時刻溫度相差不大；也可以看出輥體溫度較為均勻，磨粉機的等溫性能較好。從圖1可以看出0～340 min內(nèi)輥面溫度變化呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，說明了因輥面和輥體內(nèi)部溫差的存在，熱流從輥面開始緩慢向輥體內(nèi)部傳遞，并在輥體內(nèi)部緩慢囤積，輥體內(nèi)部溫度漸漸上升，內(nèi)外溫度溫差逐漸縮小。340 min時輥面溫度增加到75℃時，溫度逐漸平穩(wěn)，輥體內(nèi)外溫度達到平衡。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，此時流入輥體的熱量等于流出輥體的熱量[5]。

1.3 江蘇省泰興市曲霞面粉廠磨粉機快輥輥面測溫數(shù)據(jù)

本次測量從磨粉機輥面溫度達到穩(wěn)態(tài)時自左至右等距取點測量。環(huán)境溫度：29.5℃。1M噴砂輥輥面停機狀態(tài)溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2 1M噴砂輥輥面停機狀態(tài)溫度數(shù)據(jù) ℃

1M噴砂輥輥面停機狀態(tài)溫度變化見圖3。

圖3 1M噴砂輥輥面停機狀態(tài)溫度變化

1M噴砂輥輥面正常工作狀態(tài)溫度數(shù)據(jù)見表3。

表3 1M噴砂輥輥面正常工作狀態(tài)溫度數(shù)據(jù) ℃

1M噴砂輥輥面正常工作狀態(tài)溫度變化見圖4。

圖4 1M噴砂輥輥面正常工作狀態(tài)溫度變化

從表2中看到1M噴砂輥輥面停機狀態(tài)溫度約66℃,從表3中看到1M噴砂輥輥面正常工作狀態(tài)溫度約76℃。說明了1M噴砂輥輥面正常工作時比停機狀態(tài)溫度高約10℃。

2 基于ANSYS Workbench磨輥溫度場有限元分析

磨輥與物料相接觸的輸入熱流主要來源于研磨區(qū)的摩擦熱，因此可以將摩擦熱看成等效熱源，認為等效摩擦熱源在輥面上均勻分布，磨輥輥面周向溫度相等。考慮到磨輥表面沿徑向傳熱，利用有限元分析方法建立三維磨輥瞬態(tài)溫度場模型，計算磨輥輥體溫度場分布[6-7]。

2.1 基本條件假設(shè)

在磨粉機工作過程中，磨輥承受持續(xù)性摩擦，磨輥內(nèi)溫度場變化復(fù)雜，為簡化計算過程，減少計算時間，作如下假設(shè)[3]。

（1）工作過程穩(wěn)定。

（2）不考慮變形，將輥體看成標準圓柱體高速勻速轉(zhuǎn)動。

（3）由于強迫排風的流速較大，而且排風過程中，溫升很小，因此可以近似認為排風溫度為常數(shù)。

（4）磨輥材料材質(zhì)均勻且為各向同性。

（5）因物料為熱的不良導(dǎo)體且輥速較高，可以認為摩擦生成熱全部傳給輥體。

（6）磨輥與軸承配合面絕熱，整個輥體空冷。

2.2 磨輥三維模型的建立

針對快輥進行非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析，所選平臺為Solidworks2012及ANSYS Workbench14.0。在進行磨輥溫度場有限元分析之前，需要利用Solidworks2012三維建模軟件對磨輥進行三維建模，如圖5所示，為布勒MDDK1000/250型1M磨粉機噴砂輥裝配體三維模型。輥長1 000 mm，直徑250 mm，輥體外層白口鑄鐵層選用材料為白口鑄鐵，內(nèi)層灰口鑄鐵層選用材料為灰口鑄鐵，左右兩軸選用材料為45號鋼，左邊齒輪選用材料為45號鋼，右邊帶輪選用材料為灰鑄鐵。

圖5 布勒MDDK1000/250型1M磨粉機噴砂輥裝配體三維模型

2.3 求解方法控制的設(shè)定

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，將初始溫度設(shè)為28.4℃，設(shè)置為90 000 s內(nèi)分析75次，20 min計算一次。對流參數(shù)、環(huán)境溫度及輻射參數(shù)可以根據(jù)實驗中采集到的數(shù)據(jù)及磨輥實測溫度計算得出。

2.4 仿真結(jié)果

磨輥最大溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 磨輥最大溫度變化曲線

磨輥溫度達到穩(wěn)態(tài)時溫度場如圖7所示。

圖7 磨輥溫度達到穩(wěn)態(tài)時溫度場

從磨輥最大溫度變化曲線可以看出此時磨輥溫度已達到穩(wěn)態(tài)，磨輥溫度場已恒定。從圖6、7可以看出，輥面因與物料摩擦產(chǎn)生的熱流自輥面向輥體內(nèi)部傳遞，造成輥體中間區(qū)域熱量囤積，于是中央囤積的熱量沿軸向向輥體兩側(cè)端面及軸部傳遞。磨輥兩端面熱量持續(xù)沿輥軸向齒輪及帶輪傳遞。從圖6可以看出，磨輥最大溫度呈現(xiàn)先快后慢的變化趨勢，說明熱流傳遞亦是先快后慢，是一個先易后難的過程，及至輥面溫度達到穩(wěn)態(tài)，輥面熱輻射亦相應(yīng)加強。

3 結(jié)論

對布勒MDDK1000/250型1M噴砂輥輥面進行了實際溫度測量與有限元仿真分析。通過對實驗數(shù)據(jù)及仿真的分析，結(jié)果表明輥體溫度自開始工作時起逐漸升高，熱流自輥面向輥體內(nèi)部傳遞，輥體中間區(qū)域熱量囤積，囤積的熱量沿軸向向輥體兩側(cè)端面及軸部傳遞，輥體內(nèi)外溫差逐漸縮小，漸趨平衡，至75℃左右達到穩(wěn)態(tài)。各個測量點穩(wěn)態(tài)溫度相差不大，說明輥體溫度較為均勻，磨粉機的等溫性能較好。對磨輥的溫度測量有利于對磨輥溫度場的進一步研究，也為磨輥的降溫及糧機設(shè)計人員提供了依據(jù)。