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(jī)械研究所，鄭州 450001）

磨粉機(jī)的啟動(dòng)性能和等溫性能是衡量磨粉機(jī)磨輥性能的重要指標(biāo)，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(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間工作的磨輥表面溫度可達(dá)到60～80℃[3]，面粉品質(zhì)在一定范圍內(nèi)會(huì)受到不同程度地影響，高溫會(huì)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(shí)磨輥表面溫差較大，同樣會(huì)影響面粉品質(zhì)不穩(wěn)定。

針對(duì)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(jī)制造企業(yè)和磨粉機(jī)設(shè)計(jì)人員提供參考。課題組在河南省鶴壁市?？h益民面粉廠及江蘇省泰興市曲霞面粉廠進(jìn)行了布勒MDDK1000/250型輥式磨粉機(jī)1M噴砂輥快輥的輥面溫度測(cè)試。

1 磨輥表面溫度測(cè)量試驗(yàn)

本次測(cè)試主要針對(duì)快輥輥面溫度從左至右進(jìn)行等距測(cè)量。

1.1 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

實(shí)驗(yàn)前要準(zhǔn)備好各溫度測(cè)量器材：熱電偶接觸式測(cè)溫儀、溫濕度測(cè)量?jī)x，并對(duì)各實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行校核和測(cè)試。

1.2 河南省鶴壁市益民面粉廠磨粉機(jī)快輥輥面測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

本次測(cè)量從磨粉機(jī)啟動(dòng)始一直到輥面溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)止。等距選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，60 min測(cè)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(diǎn)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(diǎn)溫度變化曲線如圖2所示：

圖2 5點(diǎn)溫度變化曲線

從圖2和表1可以看出5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度變化基本一致，但輥體兩端比中間略低1～2℃，這是因?yàn)槟ポ伓嗣嫣廄X輪和帶輪的導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射作用，說明5個(gè)測(cè)量點(diǎn)同時(shí)刻溫度相差不大；也可以看出輥體溫度較為均勻，磨粉機(jī)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(shì)，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(shí)輥面溫度增加到75℃時(shí)，溫度逐漸平穩(wěn)，輥體內(nèi)外溫度達(dá)到平衡。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，此時(shí)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(jī)快輥輥面測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

本次測(cè)量從磨粉機(jī)輥面溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)自左至右等距取點(diǎn)測(cè)量。環(huán)境溫度：29.5℃。1M噴砂輥輥面停機(jī)狀態(tài)溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2 1M噴砂輥輥面停機(jī)狀態(tài)溫度數(shù)據(jù) ℃

1M噴砂輥輥面停機(jī)狀態(tài)溫度變化見圖3。

圖3 1M噴砂輥輥面停機(jī)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(jī)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(shí)比停機(jī)狀態(tài)溫度高約10℃。

2 基于ANSYS Workbench磨輥溫度場(chǎng)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(rèn)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(chǎng)模型，計(jì)算磨輥輥體溫度場(chǎng)分布[6-7]。

2.1 基本條件假設(shè)

在磨粉機(jī)工作過程中，磨輥承受持續(xù)性摩擦，磨輥內(nèi)溫度場(chǎng)變化復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，減少計(jì)算時(shí)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(biāo)準(zhǔn)圓柱體高速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）由于強(qiáng)迫排風(fēng)的流速較大，而且排風(fēng)過程中，溫升很小，因此可以近似認(rèn)為排風(fēng)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(rèn)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(gè)輥體空冷。

2.2 磨輥三維模型的建立

針對(duì)快輥進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析，所選平臺(tái)為Solidworks2012及ANSYS Workbench14.0。在進(jìn)行磨輥溫度場(chǎng)有限元分析之前，需要利用Solidworks2012三維建模軟件對(duì)磨輥進(jìn)行三維建模，如圖5所示，為布勒MDDK1000/250型1M磨粉機(jī)噴砂輥裝配體三維模型。輥長(zhǎng)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(hào)鋼，左邊齒輪選用材料為45號(hào)鋼，右邊帶輪選用材料為灰鑄鐵。

圖5 布勒MDDK1000/250型1M磨粉機(jī)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(yàn)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(jì)算一次。對(duì)流參數(shù)、環(huán)境溫度及輻射參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)及磨輥實(shí)測(cè)溫度計(jì)算得出。

2.4 仿真結(jié)果

磨輥?zhàn)畲鬁囟茸兓€如圖6所示。

圖6 磨輥?zhàn)畲鬁囟茸兓€

磨輥溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度場(chǎng)如圖7所示。

圖7 磨輥溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度場(chǎng)

從磨輥?zhàn)畲鬁囟茸兓€可以看出此時(shí)磨輥溫度已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，磨輥溫度場(chǎng)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?zhàn)畲鬁囟瘸尸F(xiàn)先快后慢的變化趨勢(shì)，說明熱流傳遞亦是先快后慢，是一個(gè)先易后難的過程，及至輥面溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，輥面熱輻射亦相應(yīng)加強(qiáng)。

3 結(jié)論

對(duì)布勒MDDK1000/250型1M噴砂輥輥面進(jìn)行了實(shí)際溫度測(cè)量與有限元仿真分析。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dá)到穩(wěn)態(tài)。各個(gè)測(cè)量點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫度相差不大，說明輥體溫度較為均勻，磨粉機(jī)的等溫性能較好。對(duì)磨輥的溫度測(cè)量有利于對(duì)磨輥溫度場(chǎng)的進(jìn)一步研究，也為磨輥的降溫及糧機(jī)設(shè)計(jì)人員提供了依據(jù)。