付春超， 曹平祥， 蔡 燚

(南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

在人造板貼面生產(chǎn)線中，短周期貼面熱壓機(jī)是主要設(shè)備[1]。短周期貼面熱壓機(jī)由機(jī)架板、導(dǎo)向部件、柱塞油缸、平行部件、加熱管道、上下熱壓板、液壓站等主要部件組成[2]，作為木材加工機(jī)械中的高精尖設(shè)備，其主要應(yīng)用于室內(nèi)家具板的切割、組裝等，還用來設(shè)計加工各種木板表面的形狀和圖案，為木材市場領(lǐng)域開辟出了一條新的道路，促進(jìn)了木材設(shè)備的深層次發(fā)展。熱壓板是貼面壓機(jī)上傳遞熱量的重要載體，其將外部熱源產(chǎn)生的熱量通過換熱系統(tǒng)均勻地散布到整個工作區(qū)域，使工件表面均勻受熱，激活粘合劑的活性，再通過壓力將表面裝飾層與基材粘合成一個整體。由于各種粘合劑的活性、流動性等物理化學(xué)性能對溫度都異常敏感，因此溫度的均勻性和穩(wěn)定性是影響產(chǎn)品壓貼質(zhì)量的第一核心因素。當(dāng)出現(xiàn)熱壓板工作表面溫度不均勻、不穩(wěn)定時，會造成貼面板表面質(zhì)量缺陷，如白斑、濕花、表面開裂、翹曲變形、變色、光澤不足、光澤不勻等[3]。在人造板貼面行業(yè)中，熱壓板作為熱壓機(jī)的核心關(guān)鍵部件，在二次循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計中往往依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計，從而造成熱壓板工作時表面溫度的不均勻，降低了壓貼后的成板表面質(zhì)量和性能，給企業(yè)帶來巨大的損失。為此，本文對二次循環(huán)系統(tǒng)與熱壓板之間熱耦合模型進(jìn)行定量定性地分析研究，確定二次循環(huán)系統(tǒng)與熱壓板之間的最佳匹配，最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和功能性的統(tǒng)一。

1 單層孔道熱壓板傳熱模型及溫度場仿真研究

1.1 熱壓板油路形式及模型

目前，在人造板貼面行業(yè)中，壓機(jī)的熱壓板孔道大都以單層孔道的方式設(shè)計，本文以壓貼四八尺板大小為例，建立熱壓板模型。壓機(jī)的上下熱壓板對稱，油路形式為多進(jìn)多出形式的六進(jìn)六出，孔道結(jié)構(gòu)為橫向排布方式，用深孔加工技術(shù)打通[4-5]，上壓板進(jìn)出油口在壓板上表面，下壓板進(jìn)出油口在壓板下表面，在壓板四周打通口上焊接堵頭密封形成循環(huán)回路。堵頭密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 堵頭密封結(jié)構(gòu)示意圖

熱壓板規(guī)格(長×寬×厚)為2 600 mm×1 400 mm×114 mm，相鄰孔道之間的中心距為L=70 mm，油路孔道的直徑為32 mm，熱壓板材質(zhì)為Q235b，其物理性能參數(shù)見表1。熱壓板孔道中流體介質(zhì)為高溫導(dǎo)熱油，以殼牌某型號導(dǎo)熱油為例，其物理性能參數(shù)見表2，單層孔道壓板孔道布置如圖2所示。

表1 Q235b鋼材主要物理性能參數(shù)

表2 導(dǎo)熱油主要物理性能參數(shù)

圖2 單層孔道壓板孔道布置

1.2 熱壓板模型的假設(shè)和簡化

在熱壓板的流體流動和傳熱過程中，需要對模型做出以下假設(shè)和簡化[6]：① 環(huán)境溫度恒定，初始溫度和壓板溫度一樣，都為296 K；② 熱壓板的非耦合面以對流方式與環(huán)境換熱，固液耦合面以熱流方式傳遞熱量；③ 不考慮傳熱過程中的輻射換熱；④ 管道中液態(tài)導(dǎo)熱油為不可壓縮流體，不考慮重力對導(dǎo)熱油在管道中的影響；⑤ 導(dǎo)熱油流入壓板的溫度恒定且均勻；⑥不考慮材料物理性能參數(shù)和邊界條件隨溫度變化產(chǎn)生的影響[7]。

1.3 流體控制方程

流體的流動與熱傳遞必須遵循物質(zhì)運(yùn)動的普遍規(guī)律，將這些規(guī)律應(yīng)用于描述流體流動和傳熱中，就可以得到聯(lián)系諸參數(shù)之間的關(guān)系式，這些關(guān)系式就是描寫流體流動和傳熱問題的方程，分別稱為質(zhì)量守恒方程(或叫作連續(xù)性方程)、動量守恒方程、能量守恒方程[8-9]。在實(shí)際的工程案例中，建立這三種方程的主要數(shù)學(xué)描述，能有效深入分析流體流動和傳熱過程中各參數(shù)間的聯(lián)系。

(1)質(zhì)量守恒方程：

在充滿流體質(zhì)點(diǎn)的三維空間中任取一流體微元作為研究對象，流體系統(tǒng)中流體質(zhì)量的變化量，等于流入和流出流體的變化量。

直角坐標(biāo)系下表達(dá)式為：

(1)

穩(wěn)態(tài)流動時表達(dá)式為：

(2)

(2)動量守恒方程：

任取系統(tǒng)所包含的一流體微元作為研究對象，控制體中流體動量對時間的變化率等于外界作用在微元體上的各種力之和，也就是牛頓第二定律，表達(dá)式為：

(3)

(3)能量守恒方程：

對于控制體，能量守恒定律在流體中可表述為：微單位時間控制體中總能量的增加率等于微元體的凈熱流量加上體積力與表面力對微元體所做的功，也就是熱力學(xué)第一定律，表達(dá)式為：

(4)

式(1)～(4)中：t為時間；ρ為密度；u為x方向的速度分量；v為y方向的速度分量；w為z方向的速度分量；p為壓強(qiáng)；τ為時間；V為流體體積；T為流體溫度；a為導(dǎo)熱系數(shù)。

1.4 熱壓板有限元分析

用三維軟件Solid Works對熱壓板建立幾何模型，在建立模型時對模型合理簡化，去除槽口、螺紋孔、圓孔、倒角等細(xì)節(jié)，以便有限元求解時網(wǎng)格的劃分。建立的熱壓板幾何模型如圖3所示，用于有限元分析的網(wǎng)格劃分如圖4所示，約109萬個節(jié)點(diǎn)和675萬個單元。熱壓板管道與導(dǎo)熱油接觸面為對流邊界條件，屬于第3類邊界條件，熱壓板工作表面輸出熱流屬于第2類邊界條件，熱壓板非工作面與環(huán)境的對流換熱系數(shù)H為8.45 W/(m2·K)，設(shè)定導(dǎo)熱油進(jìn)入熱壓板上表面進(jìn)油口溫度為483 K，進(jìn)油口平均流速公式為v=Q/(3 600·2πnr2)[10-11]，式中Q為油泵流量；n為熱壓板個數(shù)；r為孔道直徑。計算得出v=2.8 m/s，方向?yàn)榇怪惫ぷ鞅砻妗?/p>

圖3 熱壓板幾何模型

圖4 網(wǎng)格劃分

采用Fluent軟件對熱壓板進(jìn)行仿真分析，以熱壓板一邊腳為原點(diǎn)，x軸表示壓板長度方向，y軸表示壓板寬度方向，z軸表示壓板厚度方向，計算后單層孔道熱壓板工作表面溫度分布云圖如圖5所示，工作表面縱向溫度分布點(diǎn)圖如圖6所示，溫度數(shù)值為靜力學(xué)溫度。

圖5 單層孔道壓板表面溫度分布云圖

圖6 單層孔道壓板縱向溫度分布點(diǎn)圖

由溫度分布云圖5可知，熱壓板工作表面溫度分布不均勻，壓板兩端溫度低，中間溫度高，進(jìn)油口處溫度高，出油口處溫度低，熱壓板工作表面的最低溫度在壓板端部為475.5 K，最高溫度在進(jìn)油口端為482.3 K，整個工作表面的溫差達(dá)6.8 ℃。由溫度分布點(diǎn)圖6可以看出，壓板表面溫度的波動性大，在壓板工作表面的核心區(qū)，溫度跳動大極易引起貼面缺陷，也不符合行業(yè)所要求的壓板工作表面溫差≤±2 ℃的要求。同時，熱壓板整體加熱溫度分布不均勻，也會引發(fā)壓板應(yīng)力不平衡，產(chǎn)生壓板翹曲、彎曲的問題。

2 熱壓板改進(jìn)優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

根據(jù)得出的熱壓板溫度分布圖，對熱壓板進(jìn)行優(yōu)化處理，在原有的熱壓板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在厚度方向上再建立一層熱油循環(huán)通道，從而建立雙層的熱壓板孔道熱油循環(huán)通道系統(tǒng)?？拷ぷ鞅砻娴臑榧訜釋?，孔道橫向排列密集，靠近非工作上表面的為平衡層，孔道橫向排列分散，每層熱油孔道都是獨(dú)立的流道，有各自的油源供應(yīng)。熱壓板平衡層油路結(jié)構(gòu)上和加熱層類似，進(jìn)油口都在壓板非工作面上，油路形式設(shè)為三進(jìn)三出，油道用深孔鉆打通后用堵頭焊接，密封形成循環(huán)油道，油道相鄰孔道之間的中心距為L=114 mm，孔道的直徑為32 mm。用Solid Works建立三維模型，改進(jìn)后的熱壓板模型示意圖如圖7所示。

圖7 雙層孔道壓板模型示意圖

2.2 優(yōu)化方案仿真分析

對上述優(yōu)化的熱壓板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行溫度場的仿真分析，設(shè)置條件和單層通道熱壓板相同，得出的仿真模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 雙層孔道壓板表面溫度分布云圖

圖9 雙層孔道壓板縱向溫度分布點(diǎn)圖

從圖8和圖9分析可知，熱壓板工作表面溫度最低溫度為480.6 K，最高溫度為482.2 K，溫差為1.6 ℃，熱壓核心區(qū)溫度的波動性在1 ℃以內(nèi)。對比單層孔道熱壓板，雙層孔道熱壓板的溫差有明顯降低，壓板溫度精度提高了67%，符合行業(yè)對熱壓板溫度均勻性、穩(wěn)定性的要求。這是由于在相同的熱油、相同的進(jìn)油口流速條件下，雙層孔道循環(huán)的熱壓板中流道更多，壓板中循環(huán)熱油熱量更高，在加熱層上再加一層平衡層熱油流道，降低了壓板工作表面溫度的波動性，溫度傳遞到壓板表面也就更加穩(wěn)定。優(yōu)化后的壓板溫度分布更加均勻、合理，提高了貼面過程中的熱壓質(zhì)量。

3 小結(jié)

對短周期貼面壓機(jī)的熱壓板熱耦合進(jìn)行仿真分析，研究了熱壓板工作表面溫度場的分布規(guī)律，并提出雙層孔道熱壓板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，結(jié)論如下。

(1)對熱壓板中導(dǎo)熱油的流動和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，對壓板工作表面的溫度分布情況進(jìn)行了分析，單層孔道的熱壓板工作表面最高溫度為482.3 K，最低溫度為475.5 K，溫差達(dá)6.8 K，不滿足企業(yè)貼面高質(zhì)量要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)對熱壓板結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案，建立雙層孔道的循環(huán)回路，靠近工作表面的為加熱層，靠近非工作表面的為平衡層。優(yōu)化后的熱壓板工作表面溫度最高為482.2 K，最低為480.6 K，溫差為1.6 K，溫度場均勻性提高，溫度的波動性降低，壓板溫度精度提高了67%，優(yōu)化后的效果顯著，符合企業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)用Fluent仿真分析貼面壓機(jī)熱壓板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以在實(shí)際試驗(yàn)前得出仿真結(jié)果，降低試驗(yàn)成本，指導(dǎo)試驗(yàn)的方向，為以后貼面壓機(jī)熱壓板的進(jìn)一步優(yōu)化提供借鑒。