竹漿模塑成型熱壓干燥系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與成模仿真*

陳志強(qiáng)

（福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012）

竹漿模塑制品具有防潮、防油、抗菌、耐熱、防紫外線、無(wú)毒無(wú)味，以及較強(qiáng)的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)。但竹漿模塑產(chǎn)品尚未占據(jù)市場(chǎng)主要份額，主要是因?yàn)檫@類企業(yè)生產(chǎn)裝備自動(dòng)化程度低，規(guī)模化生產(chǎn)程度低，生產(chǎn)過(guò)程能耗高，產(chǎn)品生產(chǎn)成本高等。因此，發(fā)展高效低耗、自動(dòng)化程度高的竹漿模塑生產(chǎn)設(shè)備，是加快竹漿模塑產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的當(dāng)務(wù)之急。李正紅[1]分析了ZMC-1.5全自動(dòng)紙漿模塑制品生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)及其成型機(jī)構(gòu)、熱壓機(jī)構(gòu)等設(shè)計(jì)要點(diǎn)。廖澤順等[2]通過(guò)仿真的方式發(fā)現(xiàn)模具吸漿孔的孔徑和結(jié)構(gòu)、吸漿時(shí)間以及熱壓時(shí)間對(duì)紙塑產(chǎn)品的質(zhì)量有很大影響。林偉健[3]針對(duì)目前用于生產(chǎn)紙模制品的熱壓機(jī)，存在控制難、體積大等問(wèn)題，采用伺服熱壓機(jī)替代液壓缸為動(dòng)力控制壓合速度，優(yōu)化后的裝備體積小且方便維護(hù)。本研究通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備的工業(yè)參數(shù)，提高成型機(jī)和熱壓干燥機(jī)自動(dòng)化程度，并通過(guò)仿真分析優(yōu)化后的設(shè)備性能對(duì)成品質(zhì)量的影響，以期提高竹漿模塑成品合格率及生產(chǎn)效率。

1 生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)線設(shè)備組成

本著機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，便于布置，同時(shí)自動(dòng)化易于實(shí)現(xiàn)的原則，選用往復(fù)式吸漿成型工藝。由于成型時(shí)間約為熱壓所需時(shí)間的1/2，為確保生產(chǎn)線上成形與熱壓工藝的匹配，同時(shí)也為提高生產(chǎn)效率及機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在整機(jī)總體設(shè)計(jì)布置上，采用一臺(tái)成型機(jī)與兩臺(tái)熱壓機(jī)，并配備制漿、調(diào)漿、空壓站、真空站和熱壓模具油加熱系統(tǒng)等。生產(chǎn)線可根據(jù)制造不同空間結(jié)構(gòu)的成品，更換相應(yīng)的模具即可，滿足不同產(chǎn)品的需求[4]。

1.2 設(shè)備工作原理

竹漿模塑制品采用吸漿法及一次性熱壓成型[4]。工藝流程：連續(xù)將調(diào)制好的漿液送入漿池；將已布置好的成形網(wǎng)模的下模具通過(guò)氣缸推入料槽，真空后注滿漿液，將其上移，與上模合并，加壓脫水，再將上、下模具分開(kāi)，將濕坯送到上模具；將濕板料移到熱壓工位，將熱壓下模具和上模具結(jié)合，然后將濕坯料送到熱壓上模具中，與模具分開(kāi)；熱壓上模具和熱壓下模具結(jié)合，完成熱壓成型；成型后，將上模具和熱壓下模具分開(kāi)，將制品通過(guò)熱壓上模具送入接合機(jī)構(gòu)，完成1次循環(huán)[5]。

2 成型裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 成型部分分析

成形部分是竹漿模塑生產(chǎn)線上模塑成型的關(guān)鍵，氣液增壓缸、模具和流漿池是成型機(jī)的關(guān)鍵部分。成型機(jī)3D結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示，成型機(jī)的工作是成型下模將氣液增壓缸作為動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)吸漿、脫水和濕胚脫模、轉(zhuǎn)移等工序一系列移動(dòng)[6]。

圖1 設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 成型部分改進(jìn)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線采用竹漿為原料，由于竹漿具有細(xì)小纖維含量多，成型性、濾水性差，附著力大且易粘網(wǎng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致成型困難。設(shè)計(jì)方案重點(diǎn)從漿料的成型性能、避免漿料黏網(wǎng)方面在原成型機(jī)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上來(lái)優(yōu)化。優(yōu)化方案如下：

(1)增加模具數(shù)，提高成型效率，提高竹漿制品的生產(chǎn)率，降低成本。

(2)在成型下模上布置一些合適的進(jìn)氣小孔，從而保證漿料均勻分布。根據(jù)成型效果勻度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出改進(jìn)參數(shù)：孔徑φ2.5、孔邊距10 mm、開(kāi)孔率為4.9%。

(3)為熱壓干燥后便于排水，將氣室內(nèi)的底面磨成3°～5°的坡度。

(4)成型網(wǎng)模下使用真空脫水，使用二位二通電磁閥控制成型模氣室轉(zhuǎn)換氣。

(5)為了使設(shè)備更加緊湊，摒棄掉液壓傳動(dòng)裝置，使用氣液增壓缸帶動(dòng)模具閉合去除成型游離水。氣液增壓缸氣動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2所示，一個(gè)電磁二位二通先導(dǎo)閥、一個(gè)三位五通電磁換向閥和一個(gè)氣動(dòng)差壓控制閥、溢流閥及單向閥組成了氣路控制系統(tǒng)[7]。

圖2 氣液增壓氣動(dòng)控制系統(tǒng)

2.3 成型氣缸計(jì)算

氣液增壓缸采用普通氣缸，缸徑則以所需最大壓力12000 kg進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]。缸徑D1為：

式中：F1為氣缸所受的總阻力，F(xiàn)1=12000 N；P為空氣工作壓力，P=5 kg/mm2；η為氣缸工作效率，取η=80%。

代入得：

按氣缸內(nèi)徑系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，取D1=630mm。

若采用增壓氣缸，則缸內(nèi)徑D2為：

式中：F2為氣缸上升所受的總阻力，F(xiàn)2=12722 N；

代入得：

按氣缸內(nèi)徑系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，取D2=220 mm。

由上面的計(jì)算可知普通氣缸是增壓氣缸耗氣量的8.2倍。因?yàn)槠胀飧椎暮难趿窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于增壓氣缸的耗氧量，故采用增壓氣缸。

3 熱壓干燥裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 熱壓干燥部分加熱方式選擇

在定型模上使用加熱媒介所得的熱能來(lái)烘干定型膜內(nèi)濕胚。通過(guò)表1的因數(shù)比較，采用油加熱方式是合理且成本最低的。

表1 三種不同加熱方式效果比較

采用油加熱，其主要優(yōu)勢(shì)為：1)具有較低的工作技術(shù)要求、不具有強(qiáng)烈的腐蝕性、發(fā)生穿孔等危害的可能性較低；2)通過(guò)參考模具型腔的外型要求，預(yù)先埋置合適的管道（圖3），可保證模具受熱十分均勻，降低生產(chǎn)能耗。

3.2 熱壓上模管道分布形式分析

導(dǎo)熱油對(duì)流換熱產(chǎn)生的熱量在一樣的條件情況下，管道沿模腔如圖3(a)的比沿水平方向如圖3(b)分布的高，因此管道分布優(yōu)化為沿模腔形狀分布。

圖3 預(yù)埋式熱壓凸模簡(jiǎn)圖

3.3 加熱板結(jié)構(gòu)分析

選擇以導(dǎo)熱油作為媒質(zhì)的加熱板結(jié)構(gòu)有U型和Z型兩類（圖4），分別對(duì)應(yīng)板內(nèi)預(yù)埋油管和板內(nèi)加工油槽[9]。只考慮管道為直管分布條件下，U型加熱板管道長(zhǎng)l1=4500 mm，Z型加熱板管道長(zhǎng)l2=8600 mm，U、Z型加熱板管道的直徑d=25mm，tf=270℃，tk=250℃，無(wú)需曲率修正，εr=1，εl=1，雷諾數(shù)Ref=104，Prf=84，λf=0.132 w/(m·℃)，計(jì)算熱量值為：

圖4 加熱板結(jié)構(gòu)

U型板產(chǎn)出的熱量Q1=98.1 kW/h

Z型板產(chǎn)出的熱量Q2=187.4 kW/h

由于向心力的存在，使其產(chǎn)生二次循環(huán)，熱交換時(shí)間與直管相比會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)，因此，選用Z型加熱板。該優(yōu)化方案有效降低了熱能消耗，從而降低了生產(chǎn)成本[10]。

4 餐具模流仿真實(shí)驗(yàn)

在設(shè)計(jì)模塑成型熱壓干燥系統(tǒng)時(shí)通過(guò)成型仿真實(shí)驗(yàn)，得到紙漿填充時(shí)間、各個(gè)方向的鎖模力等。成型仿真內(nèi)容包含：建立幾何模型、選定流動(dòng)區(qū)域；對(duì)模擬仿真區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分、確定仿真所需的邊界條件，初始條件和流動(dòng)條件；進(jìn)行流體模擬仿真，分析和處理模擬仿真的數(shù)據(jù)。

4.1 模型屬性

模流仿真研究對(duì)于實(shí)驗(yàn)仿真方面，選用餐具(竹材)作為仿真對(duì)象。利用SolidWorks軟件構(gòu)建餐具3D模型（圖5），使用SolidWorks Plastics進(jìn)行模流仿真分析[11]（表2）。

表2 模型基本信息

圖5 模具三維圖

4.2 工藝參數(shù)設(shè)定

仿真需要一定的前提條件，且需要進(jìn)行一定的成型參數(shù)設(shè)定[12]。

表3 工藝參數(shù)

4.3 仿真結(jié)果

4.3.1 流體仿真

流動(dòng)分析用于推測(cè)某一具體的物料和相關(guān)成形工藝條件下制品的充填性能[13-14]。充填分析結(jié)果是用于判定成品的充填行為是否合理、是否能完全充填及還可以進(jìn)行充填等。通過(guò)對(duì)充填過(guò)程的動(dòng)態(tài)觀察，可以看出充填過(guò)程中的熔體流動(dòng)特性，從而判定充填過(guò)程是否合理[15]。經(jīng)過(guò)對(duì)餐具模型的流體仿真，結(jié)果表明能完整流暢填充，填充過(guò)程合理，餐具的成型效率高。

4.3.2 成型仿真結(jié)果

熱壓工序設(shè)計(jì)中為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，需要綜合考慮熱壓過(guò)程中的壓力、溫度和時(shí)間等因素。圖6可以看出熱壓過(guò)程中，壓力和溫度符合成型規(guī)律與成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖6 熱壓過(guò)程中的壓力、溫度分布

從仿真時(shí)間看，在3 s就填充滿模具內(nèi)腔，成型效率可達(dá)1200 pec/h（圖7）。

圖7 成型填充時(shí)間

5 結(jié)論

根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有紙漿模塑制品生產(chǎn)線。對(duì)其成型裝置提出增加模具數(shù)、均勻分布模具氣孔、改用氣液增壓缸等優(yōu)化方案。對(duì)熱壓干燥裝置進(jìn)行導(dǎo)熱管布置形式和加熱板結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。理論計(jì)算結(jié)果表明，新生產(chǎn)線系統(tǒng)有助于改善竹模制品成型質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。利用Solidworks Plastics軟件模擬了餐盒成型過(guò)程，根據(jù)結(jié)果分析，對(duì)成型進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測(cè)，從中可以防止出現(xiàn)瑕疵，也可以縮少試模的回合和開(kāi)發(fā)所需時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)成品的核心優(yōu)勢(shì)。