直壓硫化工藝金屬內模電磁感應加熱均勻性的試驗研究

焦志偉，孫嘉樂，張金云，王 雷，于 源，閻 華，楊衛(wèi)民

（1.北京化工大學 機電工程學院，北京 100029；2.輪胎設計與制造工藝國家工程實驗室，北京 100029；3.三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

為了滿足高性能汽車的需求，輪胎正向著高耐磨、低滾動阻力、抗?jié)窕偷驮肼?個方面發(fā)展[1]。硫化作為使得橡膠內部線性大分子結構發(fā)生交聯(lián)的輪胎關鍵制造工藝，對于提升輪胎各項性能起著十分重要的作用[2-3]。但是傳統(tǒng)硫化工藝存在兩大問題，即硫化不均勻和成品輪胎硫化精度低，膠料分布不均勻。由于傳統(tǒng)硫化工藝大多采用蒸汽作為介質，為輪胎硫化提供所需的壓力和溫度，而硫化過程中蒸汽會產生冷凝水，影響溫度場，導致輪胎硫化不均勻。此外，膠囊作為傳統(tǒng)硫化工藝所采用的中心機構，由于其自身的高彈性和低剛性，勢必難以獲得均勻的幾何結構及質量分布，并且存在著膨脹不完全、不對稱、材料易老化等問題，從而導致輪胎的硫化精度不高，動平衡和均勻性較差[4]。針對傳統(tǒng)硫化工藝的種種缺點，相關研究人員提出了一種新型的直壓硫化技術。

直壓硫化技術采用可脹縮金屬內模代替膠囊作為硫化工藝的中心機構，使用電磁感應加熱技術為硫化提供溫度。高剛性的金屬內模為硫化提供了足夠的硫化壓力，保證了輪胎的硫化精度；同時電磁感應加熱耗能小、升溫速度快、控溫精確，為實現(xiàn)輪胎均勻硫化提供了可能性[5]。

本工作以直壓硫化內模為研究對象，通過理論和試驗分析影響直壓硫化內模溫度場的因素。

1 直壓硫化內模電磁感應加熱系統(tǒng)

直壓硫化內模的電磁感應加熱系統(tǒng)主要由鼓瓦、線圈繞組和導磁體組成[6]，每一塊鼓瓦背部固定一組線圈繞組，線圈繞組拆分為兩段，左右對稱布置，每段線圈中內置導磁體（見圖1）。工作時，高頻電流通入線圈繞組產生高頻交變磁場，金屬鼓瓦處于高頻交變磁場中會產生渦流，由于鼓瓦自身存在電阻，在渦流的作用下會產生焦耳熱，由此實現(xiàn)電能到熱能的轉換。

圖1 直壓硫化內模電磁感應加熱系統(tǒng)示意

電磁感應加熱系統(tǒng)中導磁體的作用是通過控制磁通方向，使鼓瓦端部也能產生感應電動勢，并產生渦流[7]。目前，電磁感應加熱系統(tǒng)中導磁體尺寸為15 mm×15 mm×192 mm，其長度與鼓瓦內側兩端的距離相當，這導致纏有線圈繞組的導磁體在通電后上下兩端的交變磁力線要比其他部位更密集，如圖2所示。同時這必然導致鼓瓦兩側與端部渦流熱效應的不均勻[8]。為保證內模兩側與端部的溫升趨于同步，提高鼓瓦表面電磁感應加熱的均勻性，研究導磁體對鼓瓦表面溫度場的影響是十分必要的。

圖2 內模磁力線分布示意

2 實驗

導磁體也稱磁通集中器，具有非線性的磁導率，因其磁阻較小而易于通過磁通，并且能夠控制磁通的密度和方向，改變感應器中的電流分布，可以在較大程度上降低所處區(qū)域的磁阻[9]。

為研究導磁體對溫度場的影響，本工作以試驗為基礎，以導磁體的長度和截面面積為對象，研究其對鼓瓦表面溫度場的影響。

2.1 導磁體長度

目前，直壓硫化內模電磁感應加熱系統(tǒng)采用的電磁線圈布線方案為每根導磁體上只有單段的電磁線圈繞組且居中布置，由于耦合效應，這種布線方式會使得鼓瓦中部的溫度過高。通過將單段電磁線圈繞組拆分成兩段，增大鼓瓦中部與線圈的距離，雖然降低了鼓瓦中部電磁感應加熱的溫度，但兩段式繞組的布線方案拉近了繞組與鼓瓦兩端的距離，并且鼓瓦兩端自身的磁力線密度本就高于其他部位，在兩個因素的耦合作用下導致鼓瓦兩端的溫度過高。通過減小導磁體長度可以減小鼓瓦兩端磁力線的密度，進而降低鼓瓦兩端的溫度。但減小導磁體長度的同時會影響導磁體的磁阻（Rm），計算公式如下：

式中，l為磁路的長度，μ為磁路的相對導磁率，s為磁路的截面面積[10]。

在磁路的長度和截面面積不變的情況下，減小導磁體長度相當于增大磁路在空氣中的穿越長度，減小了相對導磁率，使得磁阻大幅度增加，導致鼓瓦整體的加熱功率隨之降低，從而對溫度場產生影響。

為研究不同長度導磁體對溫度場的影響，準備了長度為160，165，170和192 mm的導磁體作為電磁感應加熱試驗材料。電磁感應加熱試驗的儀器有溫控器、時間繼電器、測溫儀、加熱器和鼓瓦。

采用磁吸式熱電阻直接貼附在鼓瓦表面的方法進行測溫，如圖3所示。相較于熱電偶，熱電阻準確度高（可達1 mk），并且輸出信號大、靈敏度高、測溫范圍廣、穩(wěn)定性好。熱電阻測溫無需參考點，溫度值可由測得的電阻值直接求出，輸出線性好。而熱電偶測溫必須有參考端并且溫度要保持恒定，在高溫或長期使用時，因受被測介質影響或氣氛腐蝕作用（如氧化、還原）等而發(fā)生劣化，因此不適合在工作環(huán)境較差的條件下進行測溫。

圖3 磁吸式熱電阻

由于測溫儀端口有限，選取5個有代表性的點作為鼓瓦的測溫點，測溫點布置如圖4所示。為方

圖4 測溫點位置示意

便對照，4種長度導磁體的電磁線圈繞組布線方式均采用兩段式，總電磁線圈圈數均為24，并且加熱同一塊鼓瓦。

2.2 導磁體截面尺寸

在電磁感應加熱過程中，導磁體在高頻電流作用下會發(fā)熱，當導磁體承受過高的功率時會產生比較嚴重的鐵損。在之前試驗中所使用導磁體的截面尺寸均為15 mm×15 mm，導磁體兩端會產一定程度的鐵損，雖然不嚴重，但不利于導磁體的長期使用。

磁滯損耗的機理是磁通密度滯后于驅動磁場[11]。其功率損耗為

式中，Ph為磁滯損耗，Ca，x和y為常數，f為交變磁場頻率，B為磁通密度峰值。

而渦流損耗是由磁通在導磁體中引起的小渦流造成的，這些渦流以熱的形式損耗，其能量的損耗可以表示為

式中，Pe為渦流損耗，Cb為常數，Ae為導磁體的有效截面面積，ρ為電阻率。在f和B一定的情況下，可以通過增大Ae或采用高電阻率的材料來減小渦流損耗，降低導磁體自身的功率損耗，從而達到降低其工作溫度的目的。

為減小導磁體的鐵損，延長導磁體的使用壽命，通過增大其截面面積來減小渦流損耗，試驗準備了長度為170 mm，截面尺寸分別為20 mm×15 mm和25 mm×15 mm的導磁體。

3 結果與討論

3.1 導磁體長度

不同導磁體長度電磁感應加熱鼓瓦的溫升曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，當導磁體長度從192 mm減小至170 mm時，鼓瓦兩端（4和5號點）的溫度從152 ℃降低至143 ℃，與鼓瓦其他部位的最大溫差從30 ℃降低至10 ℃。分析可得減小導磁體的長度能夠降低鼓瓦兩端磁力線的密度，從而降低鼓瓦兩端的溫度，使得鼓瓦表面的電磁感應加熱更加均勻。

從圖5還可以看出：隨著導磁體長度的減小，鼓瓦兩側（1和3號點）溫升曲線的升溫速率逐漸減小，當導磁體長度從170 mm減小至160 mm時，鼓瓦兩側的最終溫度從137 ℃降低至125 ℃，與此同時鼓瓦兩端的最終溫度只下降了6 ℃，使得鼓瓦表面的最大溫差從10 ℃增加到16 ℃。分析原因為導磁體長度減小，磁路磁阻增大，從而導致加熱功率減小。

圖5 不同導磁體長度電磁感應加熱鼓瓦的溫升曲線

綜上所述，當導磁體長度為170 mm時，直壓硫化內模電磁感應加熱最為均勻。

3.2 導磁體截面尺寸

不同導磁體截面尺寸的電磁感應加熱鼓瓦的溫升曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，截面尺寸為20 mm×15 mm和25 mm×15 mm導磁體的最高加熱溫度分別為152和155 ℃，相較于截面尺寸為15 mm×15 mm導磁體的最高加熱溫度（143 ℃），均有大幅度提升。這是因為導磁體的截面面積增大，導磁體自身的功率損耗減小，整體加熱功率提高。在溫度均勻性方面，由于導磁體截面尺寸的變化對鼓瓦表面溫度場產生影響，導致截面尺寸為20 mm×15 mm和25 mm×15 mm導磁體的最大溫差分別增大至12和15 ℃。雖然增大了導磁體的截面尺寸后，電磁感應加熱的溫度均勻性有所降低，但導磁體鐵損的問題得到了解決。

圖6 不同導磁體截面尺寸的電磁感應加熱鼓瓦的溫升曲線

在經歷了多輪電磁感應加熱試驗，導磁體的兩端只有輕微變色，并未出現(xiàn)鐵損現(xiàn)象，這證明增大導磁體的截面尺寸可以減小其渦流損耗和功率損耗，有效解決了導磁體鐵損的問題。在充分考慮導磁體的使用壽命后可得，導磁體截面尺寸為20 mm×15 mm時直壓硫化內模電磁感應加熱效果最好。

4 結論

（1）減小導磁體的長度可使得鼓瓦兩端磁力線密度下降，降低鼓瓦兩端過高的溫度，使電磁感應加熱更均勻，但同時會增大磁路中的磁阻，導致鼓瓦的加熱功率下降。鼓瓦兩側的溫度對于導磁體長度的減小更加靈敏，當導磁體的長度小于170 mm時，相比于鼓瓦兩端的溫度下降，鼓瓦兩側溫度下降的幅度更大。當導磁體長度為170 mm時，直壓硫化金屬內模電磁感應加熱最為均勻。

（2）增大導磁體的截面尺寸雖然會使得電磁感應加熱均勻性有所降低，但可以減小導磁體的渦流損耗和功率損耗，有效解決了導磁體鐵損的問題。當導磁體的截面尺寸為20 mm×15 mm時，直壓硫化金屬內模電磁感應加熱效果最好。