基于ANSYS的電加熱硫化機(jī)熱板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究

徐楠楠，王懷國(guó)，劉培華，崔媛媛，桑秀鳳，孫賀

(青島雙星橡塑機(jī)械有限公司，山東 青島 266400)

硫化機(jī)作為輪胎最后一道工序的生產(chǎn)設(shè)備，嚴(yán)重影響著輪胎的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1]。輪胎硫化機(jī)的上下加熱板是硫化室熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵部件，加熱板傳熱的均勻性直接影響所硫化輪胎的質(zhì)量，尤其是輪胎定型硫化機(jī)對(duì)加熱板傳熱均勻性要求更高[2]。目前，為生產(chǎn)出更高質(zhì)量的輪胎，各廠家對(duì)加熱板傳熱均勻性的關(guān)注越來(lái)越多。

隨著社會(huì)發(fā)展，能源消耗飛速增長(zhǎng)，在節(jié)能減排背景下，效率更高、更清潔的電能進(jìn)入越來(lái)越多的行業(yè)。因輪胎蒸汽硫化耗能多，電加熱代替蒸汽加熱作為輪胎硫化主要能源成為一種趨勢(shì)[3]。電加熱管因成本低、熱量損失少，作為加熱元件被廣泛用于硫化機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的向心式電加熱管熱板一直存在著加熱不均勻和溫差大的問(wèn)題。針對(duì)此現(xiàn)象，青島雙星橡塑機(jī)械有限公司提出了一種電加熱硫化機(jī)熱板的新方案——平行式直插熱板。

本文利用ANSYS軟件對(duì)已有的向心式直插熱板和新提出的平行式直插熱板進(jìn)行分析，對(duì)其分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將新方案做成熱板進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，驗(yàn)證本文提出的基于ANSYS軟件的硫化機(jī)熱板熱分析方法的正確性。

1 硫化機(jī)電加熱管熱板方案

熱板為輪胎硫化提供熱源，保證硫化溫度要求，熱板的溫度均勻性是判斷熱板好壞的重要指標(biāo)[4]。電加熱管加熱過(guò)程易于控制，采用電加熱管的熱板容易實(shí)現(xiàn)溫度的均勻性。

電加熱管熱板溫控原理：電加熱管通電產(chǎn)熱，熱通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳給熱板，熱板的熱量再傳遞出去，最終傳遞給輪胎，熱板內(nèi)埋有測(cè)溫點(diǎn)，溫控箱根據(jù)測(cè)溫點(diǎn)反饋的溫度對(duì)電加熱管進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)熱板溫度的均勻性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輪胎硫化溫度的均勻性。

2 向心式直插熱板及其溫度場(chǎng)有限元分析

本文以48＂硫化機(jī)電加熱管熱板為例進(jìn)行研究，其中，向心式直插熱板外形圖如圖1所示，剖視圖如圖2所示。

圖1 向心式直插熱板外形圖

圖2 向心式直插熱板剖視圖

有限元分析施加載荷和邊界條件：①周圍空氣恒溫，空氣與熱板初始溫度為25℃；②每一熱板所有電加熱孔面共施加12 kW的熱流量；③本文對(duì)流換熱系數(shù)取0.4 W/(m2.K)，由于在所需硫化溫度（140～180℃）下熱板輻射小，并且輻射分析的高度非線性導(dǎo)致計(jì)算量大，計(jì)算效率低[5～6]，因此本文不考慮熱板的熱輻射。

采用ANSYS 對(duì)向心式直插上、下熱板進(jìn)行熱分析的溫度場(chǎng)云圖如圖3、4所示。由分析結(jié)果可得：熱板的溫差約為17℃，溫差大，超過(guò)輪胎硫化工藝的要求；熱板中心區(qū)域溫度高，四周溫度低，這是由向心式結(jié)構(gòu)電加熱管在熱板中心密集，四周稀疏決定的。其實(shí)，若采用向心式結(jié)構(gòu)，無(wú)論怎么排布，都不能保證電加熱管分布的均勻性，進(jìn)而不能保證熱板溫度的

該熱板材料選擇導(dǎo)熱性能較好的201不銹鋼，直徑1 240 mm，厚度60 mm，加熱孔向心排布，從結(jié)構(gòu)上保證加熱管分布的均勻性。上熱板總功率為12 kW，下熱板總功率為12 kW，上、下熱板電加熱管總數(shù)均為16根，輸入電壓是380 V/50 Hz，通過(guò)圓周熱電阻反饋溫度值。

為驗(yàn)證該向心式直插熱板結(jié)構(gòu)的合理性和傳熱均勻性，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)熱分析。均勻性。另外，向心式的加熱孔加工困難，加熱管繞線復(fù)雜。鑒于此，本文提出一種新結(jié)構(gòu)——平行式直插熱板。

圖3 向心式上熱板溫度場(chǎng)云圖

圖4 向心式下熱板溫度場(chǎng)云圖

3 平行式直插熱板及其溫度場(chǎng)有限元分析

平行式直插熱板如圖5、6所示，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易加工，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換模，熱板材料選擇201不銹鋼，隔熱環(huán)材料選擇G3300，方形外側(cè)板材料選擇Q235，熱板外形尺寸、功率與向心式直插熱板相同，熱板內(nèi)有一排等距縱向孔道（見(jiàn)圖7、8），以便裝入電加熱管，加熱孔間距均為80 mm，電加熱管輸入電壓是380 V/50 Hz，通過(guò)測(cè)溫點(diǎn)的熱電阻反饋溫度值。

采用ANSYS對(duì)平行式直插上、下熱板進(jìn)行熱分析，分析方法與向心式直插熱板相同，分析結(jié)果如圖9、10所示。由分析結(jié)果可得：熱板的溫度在（180±1）℃的范圍內(nèi)，溫度分布均勻，滿足輪胎硫化工藝要求。

圖5 平行式直插上熱板

圖6 平行式直插下熱板

圖7 平行式直插上熱板剖視圖

將向心式直插熱板和平行式直插熱板的分析結(jié)果進(jìn)行比較得：平行式直插結(jié)構(gòu)大大提高了熱板加熱的均勻性，理論上對(duì)輪胎的硫化效果更好，并且平行式直插熱板更易加工，有利于成本的降低。

圖8 平行式直插下熱板剖視圖

圖9 平行式上熱板溫度云圖

圖10 平行式下熱板溫度云圖

4 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證平行式直插熱板的實(shí)際加熱效果，青島雙星橡塑機(jī)械有限公司對(duì)該熱板進(jìn)行生產(chǎn)制造，并對(duì)熱板進(jìn)行試驗(yàn)，熱板實(shí)物如圖11所示。由于，硫化機(jī)內(nèi)空間密閉，熱量相對(duì)室溫環(huán)境散失少，因此，只要在室溫下能保證熱板溫度穩(wěn)定在一個(gè)范圍之內(nèi)，就能保證熱板安裝在硫化機(jī)上時(shí)溫度穩(wěn)定在這個(gè)范圍之內(nèi)。鑒于此，也為降低成本，本文設(shè)計(jì)在室溫中對(duì)熱板進(jìn)行測(cè)試，熱板試驗(yàn)接線圖如圖12所示。

圖11 平行式直插熱板實(shí)物圖

圖12 熱板試驗(yàn)接線圖

本實(shí)驗(yàn)中，電加熱管通電產(chǎn)熱，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞給熱板，熱板熱量主要通過(guò)熱對(duì)流的方式向空氣中散失，溫控箱根據(jù)熱板中測(cè)溫點(diǎn)的反饋信息對(duì)電加熱管加以控制，從而實(shí)現(xiàn)熱板溫度的均勻性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，平行式直插熱板8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度均在（180±1）℃范圍之內(nèi)，滿足輪胎硫化的工藝要求，平行式直插熱板方案是合理的。

值得說(shuō)明的是，該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件與仿真分析時(shí)設(shè)置的條件基本一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果契合，這表明本文提出的基于ANSYS軟件的熱分析方法是正確的。

5 結(jié)論

本文提出了一種易于加工，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)換模的平行式直插硫化機(jī)熱板，并采用ANSYS軟件對(duì)已有的向心式直插熱板和新設(shè)計(jì)的平行式直插熱板進(jìn)行了熱分析，分析結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的平行式直插熱板傳熱均勻性有了很大的提升，溫度在(180±1)℃的范圍內(nèi)，熱板能夠滿足輪胎硫化工藝的要求。

本文對(duì)平行式直插熱板進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果熱板8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度均在(180±1)℃范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的平行式直插熱板方案的可行性。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，證明了本文提出的基于ANSYS軟件的硫化機(jī)熱板熱分析方法的正確性。

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