磨辊辊面温度测量试验及辊体温度场有限元分析*

李 聪，贾华坡，武文斌，黄奇鹏，孟 乐，高杨杨

（1.郑州科技学院，郑州 450064；2.河南工业大学粮油机械研究所，郑州 450001）

磨粉机的启动性能和等温性能是衡量磨粉机磨辊性能的重要指标，磨辊辊面温度的高低及均匀性能够较大的影响面粉的品质及口感[1]。磨辊热量主要来源是快辊辊面与物料因相对运动产生的摩擦热[2]。磨辊的吸热段主要以热传导为主，服从傅里叶导热定律，散热段以有限空间的对流换热和辐射换热为主。但在生产过程中普遍存在着一些问题，长时间工作的磨辊表面温度可达到60～80℃[3]，面粉品质在一定范围内会受到不同程度地影响，高温会造成蛋白质变性面粉品质下降[4]。如果辊体内在组织结构不均匀，导致加工物料时磨辊表面温差较大，同样会影响面粉品质不稳定。

针对以上存在的问题，需要研究磨辊工作过程中辊面的温度变化，以便于给磨粉机制造企业和磨粉机设计人员提供参考。课题组在河南省鹤壁市浚县益民面粉厂及江苏省泰兴市曲霞面粉厂进行了布勒MDDK1000/250型辊式磨粉机1M喷砂辊快辊的辊面温度测试。

1 磨辊表面温度测量试验

本次测试主要针对快辊辊面温度从左至右进行等距测量。

1.1 实验前的准备工作

实验前要准备好各温度测量器材：热电偶接触式测温仪、温湿度测量仪，并对各实验测量仪器和环境参数进行校核和测试。

1.2 河南省鹤壁市益民面粉厂磨粉机快辊辊面测温数据

本次测量从磨粉机启动始一直到辊面温度达到稳态止。等距选取5个测量点，60 min测试1次。1M喷砂辊辊面正常工作状态温度数据见表1。

表1 1M喷砂辊辊面正常工作状态温度数据

5点平均值温度变化曲线如图1所示：

图1 平均值温度变化曲线

5点温度变化曲线如图2所示：

图2 5点温度变化曲线

从图2和表1可以看出5个测量点的温度变化基本一致，但辊体两端比中间略低1～2℃，这是因为磨辊端面处齿轮和带轮的导热、对流及辐射作用，说明5个测量点同时刻温度相差不大；也可以看出辊体温度较为均匀，磨粉机的等温性能较好。从图1可以看出0～340 min内辊面温度变化呈现缓慢上升趋势，说明了因辊面和辊体内部温差的存在，热流从辊面开始缓慢向辊体内部传递，并在辊体内部缓慢囤积，辊体内部温度渐渐上升，内外温度温差逐渐缩小。340 min时辊面温度增加到75℃时，温度逐渐平稳，辊体内外温度达到平衡。根据热力学第一定律，此时流入辊体的热量等于流出辊体的热量[5]。

1.3 江苏省泰兴市曲霞面粉厂磨粉机快辊辊面测温数据

本次测量从磨粉机辊面温度达到稳态时自左至右等距取点测量。环境温度：29.5℃。1M喷砂辊辊面停机状态温度数据见表2。

表2 1M喷砂辊辊面停机状态温度数据 ℃

1M喷砂辊辊面停机状态温度变化见图3。

图3 1M喷砂辊辊面停机状态温度变化

1M喷砂辊辊面正常工作状态温度数据见表3。

表3 1M喷砂辊辊面正常工作状态温度数据 ℃

1M喷砂辊辊面正常工作状态温度变化见图4。

图4 1M喷砂辊辊面正常工作状态温度变化

从表2中看到1M喷砂辊辊面停机状态温度约66℃,从表3中看到1M喷砂辊辊面正常工作状态温度约76℃。说明了1M喷砂辊辊面正常工作时比停机状态温度高约10℃。

2 基于ANSYS Workbench磨辊温度场有限元分析

磨辊与物料相接触的输入热流主要来源于研磨区的摩擦热，因此可以将摩擦热看成等效热源，认为等效摩擦热源在辊面上均匀分布，磨辊辊面周向温度相等。考虑到磨辊表面沿径向传热，利用有限元分析方法建立三维磨辊瞬态温度场模型，计算磨辊辊体温度场分布[6-7]。

2.1 基本条件假设

在磨粉机工作过程中，磨辊承受持续性摩擦，磨辊内温度场变化复杂，为简化计算过程，减少计算时间，作如下假设[3]。

（1）工作过程稳定。

（2）不考虑变形，将辊体看成标准圆柱体高速匀速转动。

（3）由于强迫排风的流速较大，而且排风过程中，温升很小，因此可以近似认为排风温度为常数。

（4）磨辊材料材质均匀且为各向同性。

（5）因物料为热的不良导体且辊速较高，可以认为摩擦生成热全部传给辊体。

（6）磨辊与轴承配合面绝热，整个辊体空冷。

2.2 磨辊三维模型的建立

针对快辊进行非稳态导热分析，所选平台为Solidworks2012及ANSYS Workbench14.0。在进行磨辊温度场有限元分析之前，需要利用Solidworks2012三维建模软件对磨辊进行三维建模，如图5所示，为布勒MDDK1000/250型1M磨粉机喷砂辊装配体三维模型。辊长1 000 mm，直径250 mm，辊体外层白口铸铁层选用材料为白口铸铁，内层灰口铸铁层选用材料为灰口铸铁，左右两轴选用材料为45号钢，左边齿轮选用材料为45号钢，右边带轮选用材料为灰铸铁。

图5 布勒MDDK1000/250型1M磨粉机喷砂辊装配体三维模型

2.3 求解方法控制的设定

根据试验数据，将初始温度设为28.4℃，设置为90 000 s内分析75次，20 min计算一次。对流参数、环境温度及辐射参数可以根据实验中采集到的数据及磨辊实测温度计算得出。

2.4 仿真结果

磨辊最大温度变化曲线如图6所示。

图6 磨辊最大温度变化曲线

磨辊温度达到稳态时温度场如图7所示。

图7 磨辊温度达到稳态时温度场

从磨辊最大温度变化曲线可以看出此时磨辊温度已达到稳态，磨辊温度场已恒定。从图6、7可以看出，辊面因与物料摩擦产生的热流自辊面向辊体内部传递，造成辊体中间区域热量囤积，于是中央囤积的热量沿轴向向辊体两侧端面及轴部传递。磨辊两端面热量持续沿辊轴向齿轮及带轮传递。从图6可以看出，磨辊最大温度呈现先快后慢的变化趋势，说明热流传递亦是先快后慢，是一个先易后难的过程，及至辊面温度达到稳态，辊面热辐射亦相应加强。

3 结论

对布勒MDDK1000/250型1M喷砂辊辊面进行了实际温度测量与有限元仿真分析。通过对实验数据及仿真的分析，结果表明辊体温度自开始工作时起逐渐升高，热流自辊面向辊体内部传递，辊体中间区域热量囤积，囤积的热量沿轴向向辊体两侧端面及轴部传递，辊体内外温差逐渐缩小，渐趋平衡，至75℃左右达到稳态。各个测量点稳态温度相差不大，说明辊体温度较为均匀，磨粉机的等温性能较好。对磨辊的温度测量有利于对磨辊温度场的进一步研究，也为磨辊的降温及粮机设计人员提供了依据。