陳英紅 楊劍赟 從成龍 杜明坤

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519002）

（2.珠海市安粵科技有限公司，廣東 珠海 519002）

聚乙烯（PE）管道因其使用壽命長、耐腐性強、彎曲性能優(yōu)良等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃氣管道工程中，因此，其焊接質(zhì)量的好壞與人民群眾生命財產(chǎn)安全息息相關(guān)[1-2]。熱熔焊機是專門用于連接聚乙烯（PE）管的焊接設(shè)備，具有施工成本少、操作簡單，焊接質(zhì)量較好的特點。常見的熱熔焊機主要部件包括主機、加熱板、銑刀、機架、夾具、油管和數(shù)據(jù)傳輸線等連接線[3]。主機用于控制液壓系統(tǒng)與夾具位移，監(jiān)控焊接過程中各階段的其他參數(shù)的運行；加熱板用于給待焊PE管材端面提供熱量并使之熔融，是熱熔焊接過程中的關(guān)鍵部件[4]。研究表明[5]，熱熔焊機的焊接過程主要分為準備、加熱、加熱板移除、壓焊與冷卻階段四個階段，接頭性能的好壞與四個階段的溫度、壓力、加熱時間有關(guān)。但目前熱熔焊機由于缺乏定期的檢驗維護，使用一段時間后各部件均會出現(xiàn)不同程度的問題，根據(jù)吳文棟[6]研究可知，熱熔焊接過程存在的問題主要集中于主機與加熱板。加熱板存在以下問題：一是部分焊機的加熱板存在溫度均勻性及顯示偏差不能滿足國家標準要求，二是由于國家標準沒有明確規(guī)定加熱板的溫度穩(wěn)定性要求與允許工作溫度范圍，部分焊機的加熱板的溫度波動較大，三是加熱板的預熱需要一定的時間（一般為15分鐘），這在一定程度上影響了工程的效率。因此，尋求一種能夠控制溫度均勻性，波動性以及高效率的加熱方法以熔融PE管就顯得很有必要。

摩擦焊作為固態(tài)連接工藝，是利用工件接觸端面在相對運動中互相摩擦產(chǎn)生熱量，使端部達到塑化狀態(tài)，形成塑性層，然后施加頂鍛壓力，形成焊接接頭，完成焊接的一種焊接方法，其優(yōu)勢為效率高、摩擦面溫度均勻，焊接過程環(huán)保[7-8]。筆者將摩擦焊的優(yōu)勢運用于PE管熱熔焊接，研究出能夠解決加熱板這一關(guān)鍵問題短板的PE管熱熔新方法，設(shè)計了一套摩擦產(chǎn)熱，達到熱熔PE管的產(chǎn)熱裝置。

1 摩擦熱熔裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，摩擦熱熔裝置由支架、驅(qū)動電機、主動輪、皮帶、從動輪、齒輪軸、固定盤、摩擦片、套筒、磨具彈簧、產(chǎn)熱盤、定位螺栓、軸承等零件組成。驅(qū)動電機與支架之間通過定位孔用螺栓固定，驅(qū)動電機與主動輪之間則通過聯(lián)軸器連接。主動輪與從動輪間通過A型皮帶傳動，運行過程穩(wěn)定，低噪音。固定盤與摩擦片上均布了一圈沉孔，目的就是通過鉚釘使二者緊密連接。固定盤、摩擦片則通過花鍵被從動輪帶動。從動輪上開設(shè)4個套筒，用于放置磨具彈簧，磨具彈簧用以提供軸向壓力，迫使摩擦片與產(chǎn)熱盤緊密接觸，并在旋轉(zhuǎn)摩擦過程產(chǎn)熱。為保證摩擦片的壽命，根據(jù)工作環(huán)境，其材質(zhì)一般為粉末冶金摩擦材料。兩支架間用定位螺栓連接，定位螺栓上可加墊片，以調(diào)整磨具彈簧的壓縮量，控制軸向壓力。產(chǎn)熱盤則通過支架上4處通孔固定，考慮熱傳導、重量以及工作環(huán)境，產(chǎn)熱盤直徑略小于支架的開孔尺寸，且接觸面用陶瓷纖維隔開，避免與支架直接接觸，最大程度減少熱傳導，材質(zhì)則采用黃銅，支架本身可采用具有隔熱功能的工程塑料。

圖1 摩擦熱熔裝置

該摩擦熱熔裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個優(yōu)勢相比電加熱的加熱板在于，以花鍵為中心，產(chǎn)熱盤的相同直徑處，溫度是相同的，這是因為同一直徑處，摩擦線速度相同，產(chǎn)熱溫度相同。因此，待焊PE管與產(chǎn)熱盤接觸時，整個接觸面的受熱是均勻的。

2 摩擦熱熔裝置工作原理

該裝置的基本原理即為通過摩擦片的高速旋轉(zhuǎn)，摩擦產(chǎn)熱盤，以產(chǎn)生能使PE管熔融的溫度。具體實施原理如下：驅(qū)動電機開啟后，主動輪帶動從動輪高速旋轉(zhuǎn)，由于從動輪套筒內(nèi)裝設(shè)了被壓縮的磨具彈簧，提供了軸向摩擦壓力P，迫使固定盤、摩擦片、產(chǎn)熱盤三者能緊密接觸，固定盤帶動摩擦片一起高速旋轉(zhuǎn)，與產(chǎn)熱盤摩擦，以產(chǎn)生熱量。當旋轉(zhuǎn)一定時間，產(chǎn)熱盤上溫度足夠高時，即可熔融PE管，以完成后續(xù)的焊接過程。該后續(xù)過程與目前PE管熱熔焊方法一致，即PE管端面熔融后，由主機控制液壓系統(tǒng)與夾具位移，提供頂鍛壓力，使兩待焊PE管端面緊密接觸，相互結(jié)合，冷卻后形成接頭。

3 摩擦熱熔裝置設(shè)計計算

摩擦熱熔裝置的設(shè)計計算，主要是根據(jù)熱輸入量計算公式1[9]、2確定：

式中：

Pw——熱輸入量（kW）；

A——振幅（mm）；

f——頻率（Hz）；

P——摩擦壓力（MPa）；

S——摩擦面積（mm2），即產(chǎn)熱盤面積；

Q=cmΔt (2)

式中：

Q——熱量；

c——比熱容，J/(kg·℃)；

m——質(zhì)量，kg；

Δt——溫差，K。

現(xiàn)以PE100 SDR11管徑110mm為例，相關(guān)參數(shù)如下：PE管熔融溫度為260℃，所選磨具彈簧為Sh10×5×55mm，裝置中壓縮量為10mm，剛度為2.27 kgf/mm，黃銅的比熱容C為390J/（kg·℃），產(chǎn)熱盤直徑160mm，厚3mm，假設(shè)驅(qū)動電機功率2200W，轉(zhuǎn)速1500r/min，裝置設(shè)計的轉(zhuǎn)速比為主動輪：從動輪=3：1。

由公式2可知，黃銅從常溫20℃升高到260℃，需要熱量Q為50335J。

公式1中，Af的乘積，可理解為單位時間的位移量，在本裝置中即單時間摩擦片直徑最大處的轉(zhuǎn)動量（此處單位時間為1分鐘）；由磨具彈簧參數(shù)可知，4個磨具彈簧提供的軸向力F為908N，摩擦壓力P=F/S=0.45MPa；S即為產(chǎn)熱盤面積，套入公式1可知，Pw為0.9kW，即相當于每分鐘產(chǎn)熱54000J能量。

由于裝置在設(shè)計過程中，已通過縮小產(chǎn)熱盤直徑墊入陶瓷纖維進行隔熱，熱傳導的影響很小，因此產(chǎn)熱盤的散熱方式主要有兩種：輻射散熱和對流散熱，輻射散熱損失Qr的計算公式可以由斯忒藩——波爾茨曼定律推導，對流散熱損失QC的計算公式可由牛頓冷卻公式推導，一般公式為3、4：

式中：

E——輻射體的發(fā)射率，一般由經(jīng)驗確定，無量綱；

A——輻射面積，m2；

R——斯忒藩——波爾茨曼常數(shù)，其值為5.67×10-8W（/m2·K4）

T——輻射體溫度，K；

T0——環(huán)境溫度，K；

t——時間，s。

由于裝置產(chǎn)熱盤材料為黃銅，與文獻10和文獻11材料一致，因此，根據(jù)文獻[10]表7-2，取E=0.22，T為533K，T0為293K，t為60s，計算得Qr=1100J。

式4中，A、T、T0、t含義同式3，h為對流換熱系數(shù)，單位為W/m2·K。

根據(jù)文獻[11]h=5.34W/m2，計算得QC=289.4J。

由理論計算可知，裝置在摩擦產(chǎn)熱過程中，熱損失為每分鐘1389.4J。產(chǎn)生熱量54000J-熱損失1389J=52611J＞所需熱量50335J。因此，1分鐘左右，即可使黃銅產(chǎn)熱盤從常溫20℃升高到260℃，熔融PE管，達到下一步焊接的目的。

圖2為本裝置摩擦加熱測試圖，裝置所用電機轉(zhuǎn)速為750 r/min，產(chǎn)熱盤上打孔均布6個熱電偶，以監(jiān)測升溫過程以及產(chǎn)熱盤溫度均勻性，溫控監(jiān)測器上方為速度監(jiān)測器，監(jiān)測從動輪的轉(zhuǎn)速。圖2a為裝置啟動時產(chǎn)熱盤的溫度，此時為常溫；圖2b為裝置轉(zhuǎn)動60s后產(chǎn)熱盤的溫度，此時溫度達到170℃，6個熱電偶處溫度顯示偏差≤3℃，表明整個盤面的溫度均勻性較好；圖2c為裝置轉(zhuǎn)動120s后產(chǎn)熱盤的溫度，此時溫度達到焊接溫度260℃且顯示偏差≤3℃。根據(jù)上文的分析，轉(zhuǎn)速1500 r/min時需60s產(chǎn)熱至260℃，若為750 r/min產(chǎn)熱至260℃應(yīng)約為120s，實測值為131s，相對誤差為9.2%，主要由于兩方面原因：一是熱傳導的影響并未考慮，二是對流換熱系數(shù)取值為經(jīng)驗公式，不是理論解析值。雖然存在一定的誤差，但是與設(shè)計計算基本相符。

圖2 摩擦熱熔裝置升溫測試圖

4 結(jié)語

作為新型PE管熱熔裝置，運用摩擦焊的原理具有以下優(yōu)點：一是PE管的待焊面受熱均勻；二是效率有所提高，從原先的電加熱銅板熔融PE管的15分鐘可縮短到1-2分鐘。整套裝置在設(shè)計時，主要要考慮運行過程的穩(wěn)定性，確定磨具彈簧的軸向壓力，選用合適的電機；安裝時要考慮磨具彈簧的壓力對安裝過程的影響，確保2支架間平行，這可以通過調(diào)節(jié)定位螺栓控制。本文給出了摩擦裝置的基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)，摩擦產(chǎn)熱的計算方法，為后續(xù)的改進提供了設(shè)計以及安裝的理論依據(jù)。

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