连续毡增强热塑性片材辊压机加热辊的设计与计算

□ 李 杨 □ 贲小军 □ 袁建东 □ 沈达泉 □ 徐伟伟 □ 郭红亮

江苏正威新材料有限公司 江苏如皋 226500

1 研究背景

纤维增强热塑性片材具有密度低、比强度高、比模量高、抗冲击、抗疲劳、耐腐蚀、易成型等优点,在交通运输、新能源、建筑、航空、航天等领域得到广泛应用,成为目前复合材料领域研究的重点[1-2]。其中,连续毡增强热塑性片材具有各向同性、抗移性好、浸润性好、机械刚度高等其它片材难以具备的优势,成为当今热塑性材料研发的热点。连续毡与上下淋膜层加热、加压后,热塑性树脂与连续毡充分浸润,并经冷却定型复合而成的片材称为连续毡增强热塑性片材[3-4]。连续辊压复合生产线因构思独特、结构新颖、传热效率高、投资少等优点,在连续毡增强热塑性片材生产领域得到广泛应用。

加热辊是连续毡增强热塑性片材辊压机的关键部件,其性能直接关系到热塑片材的生产质量和整条生产线的运行速度。加热辊的性能参数主要包括结构强度、加热能力、辊面温度均匀度。加热辊将加热后的热油循环输送至加热辊流道中,对辊面进行加热,通过钢带将热量传送至复合片材。因此,热计算是加热辊性能设计时的关键步骤,良好的流道布置和合理的热源供应是连续毡增强热塑性片材辊压机生产效率和产品质量的保证。

2 加热辊结构设计

连续毡增强热塑性片材辊压机的加热辊采用芯轴加辐板的结构设计,辊筒外径为3 500 mm,壁厚为50 mm,辊面宽度为1 800 mm,中间均匀布置三道加强板,与两侧端板共同支撑辊面强度。辊筒采用Q345B钢,芯轴采用Q345B钢锻件,焊后进行去应力退火。辊筒侧板与芯轴采用Z2型胀紧套连接,加工后校静平衡,表面粗糙度Ra为0.4 μm。芯轴轴承采用带紧定套的双列调心滚子轴承,拆卸方便,采用稀油润滑。辊筒两侧及内表面包覆保温岩棉,可有效防止热量散失。辊面设计温度为150～250 ℃,表面温度均匀度不大于5 K。

3 加热辊流道布置和加热方式选择

加热辊芯轴的两端连接中心回转接头,导热油一端进油,一端回油。辊筒壁流道采用钻深孔方式,根据经验,流道孔径为25 mm,共设72个孔,每9个孔为一组,分为八组,沿φ3 450 mm圆周均布。辊筒采用导热油加热,热油炉将导热油加热后,由循环泵使导热油通过管道、旋转接头进入辊筒芯轴,分为八路进入辊筒流道,将辊面加热。油液流出后汇集成一路,经辊筒芯轴内孔、旋转接头回至热油炉。导热油在封闭状态下以低压进行液相循环及传递热量,使用温度可达350 ℃。

采用导热油加热有四方面优点[5]。

(1)导热油系统具有较高的工艺适应性和工艺可靠性。

(2)使用安全。导热油系统可以在常压条件下获得很高的传热介质温度,导热油温度为180～250 ℃,导热油压力为0.3～0.5 MPa,工作压力低。

(3)导热油系统传热效率高,设备和管线投资成本低。

(4)操作简单,自动化控制程度高。

4 加热辊热计算

4.1 辊筒预热

设备在工作前,需要将加热辊从室温预热至工作温度。加热辊的工作温度由连续毡增强热塑性片材复合工艺温度决定,一般为160～250 ℃。加热辊在预热的同时伴随热量散失,散失的热量主要包括辊筒以对流和辐射方式散失的热量、辊筒的轴承体和轴瓦以传导方式散失的热量、冷却油液带走的热量等[6-7]。加热辊预热的温度梯度一般取50 K/h,预热时间一般为4～5 h。由于地域差别,冬天和夏天的预热时间可能会相差1～2 h。

辊筒从室温预热至工作温度需要的热量Q1为:

Q1=G1C(T2-T1)/t

(1)

式中:G1为辊筒质量;C为辊筒材质比热容;T2为辊筒工作时的工艺温度;T1为辊筒预热初始温度,根据现场情况一般取室温;t为设定的升温时间,根据升温梯度一般取4～5 h。

辊筒在预热的同时,以对流和辐射方式散失的热量Q2为:

Q2=3.6(αK+αr)A(TG-TK)

(2)

(3)

(4)

A=πDL

(5)

式中:αK为对流散热系数;αr为辐射散热系数;A为辊筒工作表面散热面积;D为辊筒工作部分直径;L为辊筒工作面长度;TG为辊筒表面温度;TK为辊筒周围的环境温度,一般取室温。

辊筒轴承体与轴瓦带走和散失的热量Q3为:

(6)

式中:λ1为轴瓦导热系数;λ2为轴承体导热系数;L为轴瓦与轴径的接触长度;d1为轴瓦内径;d2为轴瓦外径;TZ为轴承体温度。

辊筒轴承座稀油润滑带走的热量Q4为:

Q4=qY(TH-TJ)C1

(7)

式中:qY为润滑油消耗量;TH为润滑油回油温度;TJ为润滑油进油温度;C1为润滑油比热容。

辊压机运行速度为20～50 m/min,加热辊的转速为1.5～4.5 r/min,为简化计算,忽略加热辊轴承在运转中产生的热量。

综上所述,加热辊预热时需要的热量QY为:

QY=Q1+Q2+2Q3+Q4

(8)

4.2 生产过程中加热辊需要的热量

在生产过程中,加热辊的外表面通过钢带将热量传至物料,用于熔融热塑性树脂及连续毡进行充分浸润。另一部分热量通过辊筒其余表面自然散失。若导热油提供给辊筒的热量不足以满足片材复合需要的热量及各种散失的热量,则辊筒需要持续加热,直至二者达到热平衡,加热辊不再需要加热。

生产过程中片材复合需要的热量QL为:

QL=qC2(T2-T1)

(9)

式中:q为辊压机产量;C2为片材比热容;T2为复合后片材温度;T1为复合前基体树脂温度。

在生产过程中,加热辊及复合片材向周围空气散失的热量QS为:

QS=(αK+αr)A(TG-TK)

(10)

综上所述,在生产过程中,加热辊消耗的总热量QG为:

QG=QL+QS

(11)

在生产过程中,热塑性树脂受到反复挤压,物料自身产生内能,这部分热量与物料复合所需的热量相比,可忽略不计。另外,上述计算忽略了管道散失及机架散失的热量等,因此对生产过程中的加热辊总功耗进行适当修正,修正因数一般取1.2～1.3,有:

QH=(1.2～1.3)QG

(12)

4.3 导热油消耗量

加热辊为中空结构,采用导热油加热,根据热量平衡原则进行计算。

预热过程中导热油的消耗量WY为:

WY=QY/(CYΔTρY)

(13)

式中:CY为预热时导热油比热容;ΔT为预热时导热油进出口温差;ρY为预热时导热油密度。

生产过程中导热油的消耗量WG为:

WG=QH/(CY1ΔT1ρY1)

(14)

式中:CY1为生产过程中的导热油比热容;ΔT1为生产过程中的导热油进出口温差;ρY1为工作过程中的导热油密度。

导热油的消耗量与进出口温差有关,在实际生产中,根据产品的工艺需求,进出口温差尽可能选取较大值,从而降低导热油的消耗量。由此,比较WY与WG的大小,在实际生产中取较大值。

5 导热油系统设计

导热油系统一般包括热油炉、储油槽、膨胀槽、油气分离器、导热油循环泵等设备[8-9]。热油炉是整个热油系统的关键设备,目前多采用电加热,效率可以达到95%。热油炉选择时需要有足够的升温能力,并考虑管道系统的散热损失,一般按照供热能力的5%来考虑散热损失。导热油选取主流品牌的合成导热油,导热油沸点为350 ℃。导热油泵选择时考虑两种工况:正常工况和冬季工况。在使用过程中,可以利用工艺管道上的调节阀对导热油的循环流量实施控制,在节能的同时节约投资成本。

6 结束语

加热辊的性能直接关系到连续毡增强热塑性片材辊压机的生产能力和产品质量,笔者从加热辊的结构及流道布置形式入手,分析了采用导热油加热的优势。在预热状态下,加热辊的热量供给加热辊的温升和各种热量散失。在工作状态下,加热辊提供物料复合所需要的热量及各种热量散失。当加热辊达到热平衡时,加热辊不再需要加热。比较预热状态和工作状态的导热油流量,为导热油系统的设计提供理论依据。