馬 可，楊 杰，陳 煜

(1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022) (2.江蘇省特種機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213022)

近年來(lái)，隨著生活水平的提高，人們對(duì)家具美觀性的要求越來(lái)越高。其中表面高光或者超啞光板材的市場(chǎng)需求顯著增多，給高光輥涂生產(chǎn)工藝的發(fā)展提供了契機(jī)。輥涂操作的一般流程是先通過(guò)特定的機(jī)器將油漆涂料均勻地涂抹在基材表面，然后經(jīng)過(guò)物理固化或自然固化在表面形成裝飾層。其中主要的涂布方法有3種：輥筒涂布、幕式涂布(又稱淋涂)、噴霧涂布。輥涂的方式因具有節(jié)省油漆、生產(chǎn)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[1]。輥涂機(jī)作為輥筒涂布必要的機(jī)器，一直在輥涂行業(yè)占據(jù)重要位置，其所使用的輥筒涂布方法是目前輥涂生產(chǎn)工藝中最容易被客戶接受的二次加工方法之一。PUR(polyurethane，聚氨酯)熱熔膠是這種新型工藝必不可少的原料[2]，但傳統(tǒng)的輥涂設(shè)備主要用于皮革制造、塑料加工、紡織織布、鋼板涂層加工以及紙張修飾等行業(yè)，用于木材加工行業(yè)的輥涂機(jī)相對(duì)較少，并且無(wú)法對(duì)涂料進(jìn)行加熱[3]。為了實(shí)現(xiàn)在板材表面輥涂PUR熱熔膠的功能，本文設(shè)計(jì)了一種加熱輥筒，使輥筒輥涂時(shí)自帶加熱功能，避免熱熔膠在輥涂過(guò)程中發(fā)生冷卻凝固。

1 加熱輥筒初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 輥筒外形尺寸設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的輥涂機(jī)主要由5根輥筒構(gòu)成，具體旋轉(zhuǎn)方向和外形尺寸如圖1所示。外部熱油循環(huán)裝置將PUR熱熔膠注入定量輥和涂布輥的間隙中，通過(guò)定量輥和涂布輥的間隙流到板材表面，定量輥可以通過(guò)左右移動(dòng)控制間隙以控制落到板材表面的PUR熱熔膠的量，與此同時(shí)，涂布輥將熱熔膠均勻涂布在板材表面。

圖1 輥涂機(jī)輥筒示意圖

各輥的工藝要求如下：

定量輥和整平輥：外徑為260 mm，通導(dǎo)熱油。

涂布輥：外徑為260 mm，表面包覆硅膠，硅膠硬度65度(邵氏硬度)，淺藍(lán)色。

承壓輥：外徑為220 mm，表面包覆橡膠，EPDM橡膠耐溫75 ℃，黑色。

板材固定寬度為1 220 mm，考慮板材進(jìn)料時(shí)的位置偏差，輥筒的工作寬度應(yīng)大于1 220 mm，暫定為1 440 mm，為了安裝方便和控制成本，輥筒采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，避免了間接傳動(dòng)帶來(lái)的安裝不便和成本增加。由于輥筒需要進(jìn)熱油對(duì)表面PUR熱熔膠進(jìn)行加熱，因此在內(nèi)部需設(shè)計(jì)熱油流道。定量輥結(jié)構(gòu)可分為3部分：內(nèi)膽、外軸套、兩端頭。熱油從端頭導(dǎo)入，在內(nèi)膽循環(huán)的過(guò)程中通過(guò)熱傳遞的方式對(duì)外軸套進(jìn)行加熱。

一端軸頭用來(lái)驅(qū)動(dòng)輥筒，直接安裝電機(jī)，因?yàn)檫x用的電機(jī)自帶收縮盤(pán)，所以軸上不用開(kāi)鍵槽；另一端軸頭需要安裝旋轉(zhuǎn)接頭導(dǎo)入熱油，因此軸頭做成空心，軸頭材質(zhì)均為45鋼。為防止導(dǎo)熱油的熱量對(duì)電機(jī)工作造成影響，導(dǎo)熱油采用同側(cè)進(jìn)出的形式，即電機(jī)安裝側(cè)沒(méi)有導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)，這樣既避免了電機(jī)過(guò)熱帶來(lái)的工作不穩(wěn)定，也避免了過(guò)度走熱油管的麻煩。

通過(guò)分析市面上的各種內(nèi)膽流道可知，螺旋流道熱均勻性與穩(wěn)定性最好，螺旋流道具體形狀后續(xù)將由仿真結(jié)果確定。定量輥總體外形如圖2所示。

圖2 定量輥外形

1.2 輥筒內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前網(wǎng)上有很多其他行業(yè)使用的螺旋通道內(nèi)單向流傳熱的例子[4-6]，本文所設(shè)計(jì)的加熱輥筒的流道截面為矩形。選取定量輥進(jìn)行分析，定量輥軸套內(nèi)徑為227 mm，將內(nèi)部螺旋槽導(dǎo)流體的外徑設(shè)計(jì)為230 mm，裝配時(shí)用電熱棒加熱軸套，待軸套受熱膨脹后進(jìn)行裝配，軸套冷卻后收縮,從而達(dá)到緊配合的目的。初步設(shè)計(jì)螺旋槽螺距P=100 mm，槽寬為30 mm，槽深為10 mm，三維模型如圖3所示。

圖3 30 mm×10 mm螺旋槽導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)圖

加熱時(shí)導(dǎo)熱油從入口處進(jìn)入，經(jīng)過(guò)入流流道給導(dǎo)流體外套筒加熱，導(dǎo)流體右端設(shè)計(jì)有連接通道，導(dǎo)熱油到達(dá)右端時(shí)通過(guò)連接通道進(jìn)入回流流道，然后從回流流道流到導(dǎo)流體左端，進(jìn)而流入加熱設(shè)備加熱，以供下次循環(huán)使用。

2 仿真前處理

2.1 模型的簡(jiǎn)化

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，起關(guān)鍵作用的是加熱輥的中間部分。因此，為便于計(jì)算和網(wǎng)格劃分，本文主要研究加熱輥中間部分的溫度，其余部分的影響忽略不計(jì)。

在SolidWorks中將模型另存為iges格式，再導(dǎo)入ANSYS中，并抽取其中的流體計(jì)算域，將原始模型簡(jiǎn)化為流體部分和固體部分，如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化后的物理模型

2.2 計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS FLUENT自帶的網(wǎng)格劃分工具mesh對(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分器選擇CFD，固體部分網(wǎng)格約50萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，流體部分約10萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。固體和流體網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 固體和流體網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件的設(shè)置

在FLUENT中設(shè)置套筒和導(dǎo)流體材料為45鋼，導(dǎo)熱油為長(zhǎng)城牌320導(dǎo)熱油，采用速度入口、壓力出口邊界條件，通入的導(dǎo)熱油流速為40 L/min，導(dǎo)熱油溫度為446.0 K，通過(guò)計(jì)算得輥筒外表面換熱系數(shù)為4.85 W/(m2·K)，外界環(huán)境溫度為300.0 K。

3 熱力學(xué)仿真及結(jié)果優(yōu)化

3.1 初步模型仿真結(jié)果

圖6所示為輥筒外表面溫度分布云圖，由云圖可知，輥筒中間部分熱量分布較均勻，且中間部分溫度高于兩端溫度，這是因?yàn)橹虚g部分是集中進(jìn)行熱量交換的地方，兩端為輥筒端頭焊接處，相對(duì)溫度較低。輥筒主要工作部分是中間，這樣的溫度分布較符合工作要求和預(yù)期。

圖6 輥筒外表面溫度分布云圖

輥筒表面最大溫差為34.0 K，輥筒工作部分溫度穩(wěn)定在439.0 K，且越靠近中間工作部分溫度越高。在實(shí)際應(yīng)用中，輥筒表面的最佳工作溫度為(443.0±2.5) K，目前輥筒表面溫度不滿足實(shí)際工作需求，需要進(jìn)一步提高輥筒表面溫度。

3.2 探究影響溫度分布的因素

根據(jù)實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)可知，流體流速、換熱系數(shù)、流體黏度以及流道橫截面尺寸可能會(huì)對(duì)輥面溫度產(chǎn)生影響。在其他條件不變的前提下，分別設(shè)置不同的流體流速、換熱系數(shù)、流體黏度以及流道橫截面尺寸，得到的輥面溫度情況如圖7所示。

圖7 輥面溫度變化情況

由圖7可知，隨著流體流速、換熱系數(shù)、流體黏度的變化，輥面溫度呈現(xiàn)出細(xì)微的變化，可見(jiàn)其溫度受這些因素影響較小，因此不考慮從這些方面優(yōu)化輥面溫度。而在保持恒定的橫截面積的前提下，橫截面長(zhǎng)寬比對(duì)輥面溫度影響較大，橫截面尺寸由30.0 mm×10.0 mm變?yōu)?0.0 mm×15.0 mm，輥面溫度下降了10.2 K。通過(guò)董野[7]對(duì)流道截面尺寸對(duì)輥筒換熱影響的研究可知，在保證矩形流道截面面積一定的情況下，矩形截面的長(zhǎng)寬比不同，輥筒的換熱效果也不同。流道的長(zhǎng)寬比越大，流道越長(zhǎng)，導(dǎo)熱油與螺旋槽和輥筒的接觸面積也就越大，導(dǎo)熱油與輥筒的對(duì)流換熱[8-10]能力也會(huì)增強(qiáng)，所以30.0 mm×10.0 mm的橫截面的傳熱效果明顯優(yōu)于20.0 mm×15.0 mm。

3.3 輥面溫度優(yōu)化

在橫截面尺寸為30.0 mm×10.0 mm時(shí)，輥筒表面工作部分溫度在439.0 K左右，為增強(qiáng)熱傳遞，需要增加橫截面的長(zhǎng)寬比。由于螺旋槽截面的長(zhǎng)寬比直接影響導(dǎo)熱油與輥筒表面的熱量傳遞情況，因此在保證橫截面積不變的情況下，將橫截面尺寸變?yōu)?0.0 mm×7.5 mm。在其他各項(xiàng)輸入不變的情況下，運(yùn)用FLUENT軟件仿真模擬出輥筒表面的溫度梯度，如圖8所示。

圖8 輥筒表面溫度分布折線圖

在螺旋槽橫截面尺寸為40.0 mm×7.5 mm時(shí)，輥筒表面工作部分溫度穩(wěn)定在443.0 K，基本滿足使用要求。進(jìn)油端的溫度明顯大于傳動(dòng)端的溫度，這也是符合常理的，靠近熱油入口處溫度理應(yīng)高一些。因此本文設(shè)計(jì)的螺旋槽流道輥可初步將橫截面尺寸設(shè)計(jì)為40.0 mm×7.5 mm，且允許些許誤差，因?yàn)檩佂脖砻娴墓ぷ鳒囟扔猩舷?.5 K的可浮動(dòng)范圍。只要在這個(gè)范圍內(nèi)，PUR熱熔膠都是可以正常工作的。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為方便設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，往往需要把同一種機(jī)型標(biāo)準(zhǔn)化和通用化[11]，以此來(lái)提高設(shè)計(jì)效率、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、降低勞動(dòng)力成本。不同地區(qū)的客戶，自然條件不同，意味著輥筒表面的換熱系數(shù)也不一樣，這樣就會(huì)造成同種螺旋槽截面尺寸無(wú)法滿足不同地區(qū)實(shí)際生產(chǎn)使用要求的問(wèn)題。因此需要一種在設(shè)計(jì)、使用過(guò)程中能夠控制輥筒表面溫度的辦法，以避免對(duì)輥筒作結(jié)構(gòu)上的修改。

改變導(dǎo)熱油的初始溫度，對(duì)輥筒的外表面有很明顯的影響[12]，且改變導(dǎo)熱油的初始溫度也比較容易，只需要控制外部的熱油循環(huán)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)。這可能是因?yàn)闊崃吭趶较蛏系膫鲗?dǎo)能力要優(yōu)于在軸向上的傳導(dǎo)能力。在其他條件不變的前提下，通過(guò)改變導(dǎo)熱油的初始溫度來(lái)控制輥筒表面的工作溫度，這樣輥涂機(jī)就能適應(yīng)各種不同外部環(huán)境下的作業(yè)要求，也避免了為不同地區(qū)的客戶定制不同截面尺寸輥筒的麻煩，減少了不必要的工作量，同時(shí)也做到了輥涂機(jī)對(duì)某尺寸板材的通用化。當(dāng)有客戶需要在相同或者類似尺寸板材表面輥涂PUR熱熔膠時(shí)，就可以直接套用本文的設(shè)計(jì)文檔和流道輥參數(shù)，大大提高了設(shè)計(jì)效率，增強(qiáng)了企業(yè)盈利能力。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在該款輥涂機(jī)生產(chǎn)完成之后，使用手持式溫度測(cè)試儀在輥筒表面均勻選取5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，得到輥筒表面溫度分布情況，同時(shí)記錄輥面溫度從常溫升高至穩(wěn)定溫度的時(shí)間，圖9和圖10分別為測(cè)溫點(diǎn)取樣和輥筒溫度分布情況。由輥筒表面溫度分布情況可知，輥筒表面工作溫度穩(wěn)定在442.0～443.0 K，與仿真結(jié)果基本一致，在該溫度下，PUR熱熔膠能夠正常工作。但輥面從常溫升高至穩(wěn)定溫度需要1.5 min，板材從上板到運(yùn)送至輥涂機(jī)前只需要1.2 min，為避免板材停留等待輥筒加熱，需提前啟動(dòng)輥涂機(jī)對(duì)輥面進(jìn)行加熱，以保證板材抵達(dá)工位時(shí)能夠直接開(kāi)始輥涂。

1,2,3,4,5—測(cè)溫取樣點(diǎn)圖9 輥筒測(cè)溫取樣點(diǎn)

圖10 輥面溫度分布

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的加熱輥筒設(shè)計(jì)完全依賴制造經(jīng)驗(yàn)，只需加熱效果滿足使用要求即可，并未考慮其中的熱傳遞效率。通過(guò)軟件對(duì)加熱輥內(nèi)部流道進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真和優(yōu)化，可有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，避免完全依賴經(jīng)驗(yàn)造成的設(shè)計(jì)偏差和能源浪費(fèi)。本文設(shè)計(jì)的加熱輥筒端部的保溫性能不佳，使得輥筒兩端各有一段溫度無(wú)法滿足使用要求，未來(lái)可在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化，提高端部的保溫性能，使得輥筒全長(zhǎng)度范圍都可有效工作。