徐楠楠，王懷國，劉培華，崔媛媛，桑秀鳳，孫賀

(青島雙星橡塑機械有限公司，山東 青島 266400)

硫化機作為輪胎最后一道工序的生產(chǎn)設(shè)備，嚴重影響著輪胎的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1]。輪胎硫化機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對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，各廠家對加熱板傳熱均勻性的關(guān)注越來越多。

隨著社會發(fā)展，能源消耗飛速增長，在節(jié)能減排背景下，效率更高、更清潔的電能進入越來越多的行業(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[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。目前，國內(nèi)常見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題。針對此現(xiàn)象，青島雙星橡塑機械有限公司提出了一種電加熱硫化機熱板的新方案——平行式直插熱板。

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

1 硫化機電加熱管熱板方案

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[4]。電加熱管加熱過程易于控制，采用電加熱管的熱板容易實現(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)埋有測溫點，溫控箱根據(jù)測溫點反饋的溫度對電加熱管進行實時的調(diào)控，從而實現(xiàn)熱板溫度的均勻性，進而實現(xiàn)輪胎硫化溫度的均勻性。

2 向心式直插熱板及其溫度場有限元分析

本文以48＂硫化機電加熱管熱板為例進行研究，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)致計算量大，計算效率低[5～6]，因此本文不考慮熱板的熱輻射。

采用ANSYS 對向心式直插上、下熱板進行熱分析的溫度場云圖如圖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，若采用向心式結(jié)構(gòu)，無論怎么排布，都不能保證電加熱管分布的均勻性，進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，通過圓周熱電阻反饋溫度值。

為驗證該向心式直插熱板結(jié)構(gòu)的合理性和傳熱均勻性，運用ANSYS軟件對其進行溫度場熱分析。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云圖

圖4 向心式下熱板溫度場云圖

3 平行式直插熱板及其溫度場有限元分析

平行式直插熱板如圖5、6所示，該結(jié)構(gòu)簡單容易加工，可實現(xiàn)自動換模，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，通過測溫點的熱電阻反饋溫度值。

采用ANSYS對平行式直插上、下熱板進行熱分析，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 實驗

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

圖11 平行式直插熱板實物圖

圖12 熱板試驗接線圖

本實驗中，電加熱管通電產(chǎn)熱，熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞給熱板，熱板熱量主要通過熱對流的方式向空氣中散失，溫控箱根據(jù)熱板中測溫點的反饋信息對電加熱管加以控制，從而實現(xiàn)熱板溫度的均勻性。

實驗結(jié)果如圖13所示，平行式直插熱板8個測溫點的溫度均在（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。

值得說明的是，該實驗的實驗環(huán)境、實驗條件與仿真分析時設(shè)置的條件基本一致，實驗結(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)自動換模的平行式直插硫化機熱板，并采用ANSYS軟件對已有的向心式直插熱板和新設(shè)計的平行式直插熱板進行了熱分析，分析結(jié)果表明，新設(shè)計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。

本文對平行式直插熱板進行試驗，實驗結(jié)果熱板8個測溫點溫度均在(180±1)℃范圍內(nèi)，進一步驗證了本文提出的平行式直插熱板方案的可行性。另外，實驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，證明了本文提出的基于ANSYS軟件的硫化機熱板熱分析方法的正確性。

[1]Ken Rogers，張學(xué)山.世界輪胎硫化工藝及硫化機技術(shù)最新發(fā)展趨勢[J]. 橡塑技術(shù)與裝備，2003,(05):19～21.

[2]李玉炳.我國輪胎定型硫化機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].橡塑技術(shù)與裝備，2003,(12):21～25.

[3]馬振國.新型液壓定型硫化機的研究與仿真[D].青島科技大學(xué)，2006.

[4]汪通悅，王蔚，李鑫，李璐.硫化機熱板的多軟件聯(lián)合分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造，2017,(03):233～235.

[5]李爽，董林福.平板硫化機熱板溫度場有限元分析[J].沈陽化工學(xué)院學(xué)報，2005,(04):280～284.

[6]汪傳生，呂煒帥，邊慧光.平板硫化機熱板溫度場有限元分析優(yōu)化[J]. 橡膠工業(yè)，2012,(11):680～682.