連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材輥壓機(jī)加熱輥的設(shè)計(jì)與計(jì)算

□ 李 楊 □ 賁小軍 □ 袁建東 □ 沈達(dá)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(qiáng)熱塑性片材具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、抗沖擊、抗疲勞、耐腐蝕、易成型等優(yōu)點(diǎn),在交通運(yùn)輸、新能源、建筑、航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,成為目前復(fù)合材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[1-2]。其中,連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材具有各向同性、抗移性好、浸潤(rùn)性好、機(jī)械剛度高等其它片材難以具備的優(yōu)勢(shì),成為當(dāng)今熱塑性材料研發(fā)的熱點(diǎn)。連續(xù)氈與上下淋膜層加熱、加壓后,熱塑性樹脂與連續(xù)氈充分浸潤(rùn),并經(jīng)冷卻定型復(fù)合而成的片材稱為連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材[3-4]。連續(xù)輥壓復(fù)合生產(chǎn)線因構(gòu)思獨(dú)特、結(jié)構(gòu)新穎、傳熱效率高、投資少等優(yōu)點(diǎn),在連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

加熱輥是連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材輥壓機(jī)的關(guān)鍵部件,其性能直接關(guān)系到熱塑片材的生產(chǎn)質(zhì)量和整條生產(chǎn)線的運(yùn)行速度。加熱輥的性能參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加熱能力、輥面溫度均勻度。加熱輥將加熱后的熱油循環(huán)輸送至加熱輥流道中,對(duì)輥面進(jìn)行加熱,通過鋼帶將熱量傳送至復(fù)合片材。因此,熱計(jì)算是加熱輥性能設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵步驟,良好的流道布置和合理的熱源供應(yīng)是連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材輥壓機(jī)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

2 加熱輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材輥壓機(jī)的加熱輥采用芯軸加輻板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(qiáng)板,與兩側(cè)端板共同支撐輥面強(qiáng)度。輥筒采用Q345B鋼,芯軸采用Q345B鋼鍛件,焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火。輥筒側(cè)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(diào)心滾子軸承,拆卸方便,采用稀油潤(rùn)滑。輥筒兩側(cè)及內(nèi)表面包覆保溫巖棉,可有效防止熱量散失。輥面設(shè)計(jì)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(zhuǎn)接頭,導(dǎo)熱油一端進(jìn)油,一端回油。輥筒壁流道采用鉆深孔方式,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),流道孔徑為25 mm,共設(shè)72個(gè)孔,每9個(gè)孔為一組,分為八組,沿φ3 450 mm圓周均布。輥筒采用導(dǎo)熱油加熱,熱油爐將導(dǎo)熱油加熱后,由循環(huán)泵使導(dǎo)熱油通過管道、旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入輥筒芯軸,分為八路進(jìn)入輥筒流道,將輥面加熱。油液流出后匯集成一路,經(jīng)輥筒芯軸內(nèi)孔、旋轉(zhuǎn)接頭回至熱油爐。導(dǎo)熱油在封閉狀態(tài)下以低壓進(jìn)行液相循環(huán)及傳遞熱量,使用溫度可達(dá)350 ℃。

采用導(dǎo)熱油加熱有四方面優(yōu)點(diǎn)[5]。

(1)導(dǎo)熱油系統(tǒng)具有較高的工藝適應(yīng)性和工藝可靠性。

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

(3)導(dǎo)熱油系統(tǒng)傳熱效率高,設(shè)備和管線投資成本低。

(4)操作簡(jiǎn)單,自動(dòng)化控制程度高。

4 加熱輥熱計(jì)算

4.1 輥筒預(yù)熱

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

輥筒從室溫預(yù)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(zhì)量;C為輥筒材質(zhì)比熱容;T2為輥筒工作時(shí)的工藝溫度;T1為輥筒預(yù)熱初始溫度,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況一般取室溫;t為設(shè)定的升溫時(shí)間,根據(jù)升溫梯度一般取4～5 h。

輥筒在預(yù)熱的同時(shí),以對(duì)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(duì)流散熱系數(shù);αr為輻射散熱系數(shù);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(zhǎng)度;TG為輥筒表面溫度;TK為輥筒周圍的環(huán)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(dǎo)熱系數(shù);λ2為軸承體導(dǎo)熱系數(shù);L為軸瓦與軸徑的接觸長(zhǎng)度;d1為軸瓦內(nèi)徑;d2為軸瓦外徑;TZ為軸承體溫度。

輥筒軸承座稀油潤(rùn)滑帶走的熱量Q4為:

Q4=qY(TH-TJ)C1

(7)

式中:qY為潤(rùn)滑油消耗量;TH為潤(rùn)滑油回油溫度;TJ為潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度;C1為潤(rùn)滑油比熱容。

輥壓機(jī)運(yùn)行速度為20～50 m/min,加熱輥的轉(zhuǎn)速為1.5～4.5 r/min,為簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略加熱輥軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量。

綜上所述,加熱輥預(yù)熱時(shí)需要的熱量QY為:

QY=Q1+Q2+2Q3+Q4

(8)

4.2 生產(chǎn)過程中加熱輥需要的熱量

在生產(chǎn)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(xù)氈進(jìn)行充分浸潤(rùn)。另一部分熱量通過輥筒其余表面自然散失。若導(dǎo)熱油提供給輥筒的熱量不足以滿足片材復(fù)合需要的熱量及各種散失的熱量,則輥筒需要持續(xù)加熱,直至二者達(dá)到熱平衡,加熱輥不再需要加熱。

生產(chǎn)過程中片材復(fù)合需要的熱量QL為:

QL=qC2(T2-T1)

(9)

式中:q為輥壓機(jī)產(chǎn)量;C2為片材比熱容;T2為復(fù)合后片材溫度;T1為復(fù)合前基體樹脂溫度。

在生產(chǎn)過程中,加熱輥及復(fù)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(chǎn)過程中,加熱輥消耗的總熱量QG為:

QG=QL+QS

(11)

在生產(chǎn)過程中,熱塑性樹脂受到反復(fù)擠壓,物料自身產(chǎn)生內(nèi)能,這部分熱量與物料復(fù)合所需的熱量相比,可忽略不計(jì)。另外,上述計(jì)算忽略了管道散失及機(jī)架散失的熱量等,因此對(duì)生產(chǎn)過程中的加熱輥總功耗進(jìn)行適當(dāng)修正,修正因數(shù)一般取1.2～1.3,有:

QH=(1.2～1.3)QG

(12)

4.3 導(dǎo)熱油消耗量

加熱輥為中空結(jié)構(gòu),采用導(dǎo)熱油加熱,根據(jù)熱量平衡原則進(jìn)行計(jì)算。

預(yù)熱過程中導(dǎo)熱油的消耗量WY為:

WY=QY/(CYΔTρY)

(13)

式中:CY為預(yù)熱時(shí)導(dǎo)熱油比熱容;ΔT為預(yù)熱時(shí)導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫差;ρY為預(yù)熱時(shí)導(dǎo)熱油密度。

生產(chǎn)過程中導(dǎo)熱油的消耗量WG為:

WG=QH/(CY1ΔT1ρY1)

(14)

式中:CY1為生產(chǎn)過程中的導(dǎo)熱油比熱容;ΔT1為生產(chǎn)過程中的導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫差;ρY1為工作過程中的導(dǎo)熱油密度。

導(dǎo)熱油的消耗量與進(jìn)出口溫差有關(guān),在實(shí)際生產(chǎn)中,根據(jù)產(chǎn)品的工藝需求,進(jìn)出口溫差盡可能選取較大值,從而降低導(dǎo)熱油的消耗量。由此,比較WY與WG的大小,在實(shí)際生產(chǎn)中取較大值。

5 導(dǎo)熱油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)熱油系統(tǒng)一般包括熱油爐、儲(chǔ)油槽、膨脹槽、油氣分離器、導(dǎo)熱油循環(huán)泵等設(shè)備[8-9]。熱油爐是整個(gè)熱油系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,目前多采用電加熱,效率可以達(dá)到95%。熱油爐選擇時(shí)需要有足夠的升溫能力,并考慮管道系統(tǒng)的散熱損失,一般按照供熱能力的5%來考慮散熱損失。導(dǎo)熱油選取主流品牌的合成導(dǎo)熱油,導(dǎo)熱油沸點(diǎn)為350 ℃。導(dǎo)熱油泵選擇時(shí)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(diào)節(jié)閥對(duì)導(dǎo)熱油的循環(huán)流量實(shí)施控制,在節(jié)能的同時(shí)節(jié)約投資成本。

6 結(jié)束語

加熱輥的性能直接關(guān)系到連續(xù)氈增強(qiáng)熱塑性片材輥壓機(jī)的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量,筆者從加熱輥的結(jié)構(gòu)及流道布置形式入手,分析了采用導(dǎo)熱油加熱的優(yōu)勢(shì)。在預(yù)熱狀態(tài)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(tài)下,加熱輥提供物料復(fù)合所需要的熱量及各種熱量散失。當(dāng)加熱輥達(dá)到熱平衡時(shí),加熱輥不再需要加熱。比較預(yù)熱狀態(tài)和工作狀態(tài)的導(dǎo)熱油流量,為導(dǎo)熱油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。