劉鳴宇，李軍霞，張弘玉，宋佳輝

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024)

煤炭資源作為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主要能源[1]，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力的保障。帶式輸送機(jī)作為煤炭現(xiàn)代化進(jìn)程中重要的運(yùn)輸設(shè)備[2]，輸送帶接頭質(zhì)量對(duì)其使用壽命有著決定性的影響。而傳統(tǒng)的硫化機(jī)所采用的加熱方式有電加熱管加熱、導(dǎo)熱油加熱、蒸汽加熱和硅橡膠加熱片加熱等，但在輸送帶的硫化加熱過(guò)程中，均存在熱板溫度不均勻現(xiàn)象，而這會(huì)導(dǎo)致輸送帶強(qiáng)度降低，因此通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高硫化機(jī)加熱板的溫度場(chǎng)均勻性，提升輸送帶力學(xué)性能，從而對(duì)減少生產(chǎn)安全事故的發(fā)生[3]具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)了大量的科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐。對(duì)于電加熱管加熱，文獻(xiàn)[4]、[5]分別通過(guò)調(diào)整熱管數(shù)目、間距以及功率等參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)加熱載體為導(dǎo)熱油時(shí)，調(diào)整熱板加熱油液通道結(jié)構(gòu)分布對(duì)改善加熱板溫度場(chǎng)有著積極的作用[6]。采用蒸汽加熱時(shí)，調(diào)整熱管間距來(lái)改善熱板的均勻性[7]。綜上所述，加熱載體的分布數(shù)目、間距以及功率決定著加熱板溫度場(chǎng)的均勻性，但縱觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用，相較于上述三類加熱方式，以硅橡膠加熱片為加熱載體的硫化機(jī)溫度場(chǎng)均勻性研究較少。

常規(guī)硅橡膠加熱片為單通道布置，而單通道加熱布置有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但不可避免存在著靈敏度低、穩(wěn)定性差以及無(wú)法靈活控制等問(wèn)題，正如文獻(xiàn)[8，9]所述。本文以B-1200硫化機(jī)為研究對(duì)象，其加熱裝置由硅橡膠加熱片和加熱板組成，如圖1所示。首先對(duì)單通道方案進(jìn)行試驗(yàn)探究，針對(duì)加熱板溫度不均勻性規(guī)律，提出以三通道回字型布置來(lái)代替單通道布置的方案，進(jìn)一步基于Comsol固體傳熱仿真技術(shù)對(duì)各環(huán)形回路間距及其對(duì)應(yīng)的熱流密度值等因素進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，探究了加熱板溫度分布和溫升規(guī)律，得到最佳設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行物理試驗(yàn)驗(yàn)證，為進(jìn)一步推廣硅橡膠加熱片在硫化機(jī)熱板中的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考，并奠定了一定的研究基礎(chǔ)。

圖1 B-1200硫化機(jī)

1 單通道方案加熱試驗(yàn)

1.1 搭建單通道方案加熱試驗(yàn)平臺(tái)

為探究單通道方案硫化加熱的熱板均勻程度，搭建的單通道方案試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，單通道硅橡膠加熱片的熱流密度值為5000W/m2，硅橡膠加熱片由鎳鉻合金電熱絲和硅橡膠高溫絕緣布組成，當(dāng)硅橡膠加熱片與加熱板相貼時(shí)，熱量經(jīng)由加熱板快速傳遞給輸送帶，在一定時(shí)間和壓力作用下，完成輸送帶接頭硫化[10]。

圖2 單通道方案試驗(yàn)平臺(tái)

1.2 單通道方案溫度監(jiān)測(cè)平臺(tái)

為探究加熱板表面溫度變化和不同位置的溫度，搭建了溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，其由K型熱電偶、TP1000多回路數(shù)據(jù)記錄儀組成，將K型熱電偶按照?qǐng)D3設(shè)計(jì)的測(cè)溫點(diǎn)在加熱板上進(jìn)行均勻排布，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地觀測(cè)加熱板的溫度場(chǎng)變化及分布。

圖3 測(cè)溫點(diǎn)的布置方式

1.3 試驗(yàn)過(guò)程及分析

試驗(yàn)加熱之前，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訅海馆斔蛶?、加熱板和硅橡膠加熱片緊密接觸，確保硅橡膠加熱片產(chǎn)生的熱量及時(shí)的傳出，防止局部高溫，從而導(dǎo)致燒壞硅橡膠加熱片。當(dāng)加熱板監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度最高為145℃時(shí)，停止加熱，按照測(cè)溫點(diǎn)的相對(duì)位置記錄數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

由于加熱板表面溫度需要控制在140～150℃之間，溫度越接近145℃越好，為了定量分析熱板的溫度均勻性，引入函數(shù)F來(lái)描述，F(xiàn)值不小于0，F(xiàn)的值越小，說(shuō)明熱板的均勻性越好[11]。

式中，N為測(cè)溫點(diǎn)的個(gè)數(shù)；ei為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度，℃；e0為熱板的各測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度，℃。

結(jié)合表1，得出單通道方案加熱板最大溫度為145℃時(shí)，其最低溫度為133℃，下表面溫差為12℃，計(jì)算F值為2.3。加熱板呈現(xiàn)出中心溫度高和邊緣溫度低，對(duì)角處溫度差梯度大，加熱板的不均勻性明顯。導(dǎo)致此現(xiàn)象的關(guān)鍵在于加熱板四周與空氣存在熱交換。

表1 單通道方案測(cè)溫點(diǎn)溫度

2 加熱板溫度場(chǎng)優(yōu)化

2.1 三通道回字型布置圖設(shè)計(jì)

常規(guī)硅橡膠加熱片為單通道布置，由一個(gè)控制器連接，當(dāng)電壓變大或者減小時(shí)，加熱板的功率相應(yīng)的增大或者減小，無(wú)法改善加熱板的均勻性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析后，硅橡膠加熱片改為三通道回字型布置，每個(gè)通道由單獨(dú)的控制器連接，可分別控制功率。

設(shè)計(jì)的硅橡膠加熱片回字型區(qū)域布置如圖4所示，加熱區(qū)域依次分為X區(qū)域、Y區(qū)域和Z區(qū)域，同時(shí)也保持各區(qū)域長(zhǎng)寬比不變，故加熱區(qū)域的平行四邊形邊長(zhǎng)關(guān)系：

圖4 硅橡膠加熱板區(qū)域布置圖

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交實(shí)驗(yàn)可以短時(shí)間內(nèi)用較少試驗(yàn)次數(shù)確定最佳的匹配關(guān)系[12]?？紤]電路設(shè)計(jì)、高溫絕緣布的壽命以及耐壓程度，對(duì)上述因素進(jìn)行篩選，以探究各因素對(duì)熱板表面溫度影響情況，設(shè)計(jì)的因素水平表見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表中A為長(zhǎng)度L1，mm；B為長(zhǎng)度L4=L2-L1，mm；C為X區(qū)域的熱流密度q1，W/m2；D為Y區(qū)域的熱流密度q2，W/m2；E為Z區(qū)域的熱流密度q3，W/m2。

2.3 仿真及數(shù)據(jù)分析

B-1200的加板熱尺寸為1380×870×19mm，材料為鋁合金5052，其上端平行四邊形銳角為72.7°，在其下端導(dǎo)入各試驗(yàn)方案的電熱絲布置圖。

傳熱模型基本假設(shè)為：

1)加熱板板四周溫度恒定，空氣與熱板的初始溫度為20℃。

2)加熱板溫度為145℃，熱板輻射小，因此不考慮熱輻射。

3)加熱板與硅橡膠加熱片接觸的邊界面為第二類邊界條件，規(guī)定了邊界面的熱流密度值，關(guān)系式為：

式中，qw為熱流密度值；λ為導(dǎo)熱物體的導(dǎo)熱系數(shù)；t為溫度；n為表面的法線方向。

4)硅橡膠加熱片由于兩邊導(dǎo)熱，所以硅橡膠加熱片產(chǎn)生的一半熱量均勻傳遞至加熱板。在Comsol中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格格數(shù)為70萬(wàn)，設(shè)置單元材料屬性，加熱板材料選為鋁合金，型號(hào)為5052。設(shè)置邊界條件，在下表面施加相應(yīng)的各區(qū)域的熱源線載荷，四周為自然對(duì)流，硅橡膠加熱片給加熱板下表面施加相應(yīng)的熱流密度載荷，即：

式中，qw為有效熱流密度值，W/m2；p為硅橡膠加熱片有效功率，W；S為硅橡膠加熱片接觸面積，m2。

當(dāng)加熱板的最高溫度145℃時(shí)停止，根據(jù)設(shè)置的測(cè)溫點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。根據(jù)因素個(gè)數(shù)與水平數(shù)，由正交試驗(yàn)原理最終得到27組方案[13]，分別對(duì)每組方案進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)的試驗(yàn)方案及仿真結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差計(jì)算(表4)，各因素i各水平之和的均值為ki。

表4 熱板F值極差計(jì)算

由表4得到的極差值和ki值，可以分析出：

1)正交試驗(yàn)的27組仿真結(jié)果中，根據(jù)直接分析法，F(xiàn)值最小的因素水平組合為32113，其值為1.073，溫度分布最均勻，F(xiàn)值最大的因素水平組合為11331，其值為1.581，溫度分布最不均勻。

2)極差越大，該因素對(duì)熱板均勻性影響最大。在影響熱板均勻性的因素中，Z區(qū)域熱流密度載荷影響最大，其影響因素大小排序?yàn)镋>C>B>A>D。

3)觀察各列ki值，A、B、C、D、E的最優(yōu)水平分別為3、3、1、1、3，經(jīng)極差分析使熱板均勻性最優(yōu)的組合為A3B3C1D1E3。

通過(guò)直接分析法和極差分析法得到的F值不同，因此對(duì)因素水平組合為A3B3C1D1E3進(jìn)行仿真分析，得到F值為1.071，而直接法得到的最佳組合A3B2C1D1E3的F值為1.0732，通過(guò)極差分析法得到的F值更小，熱板更加均勻。

2.4 優(yōu)化結(jié)果及分析

當(dāng)熱板表面最高溫度到145℃時(shí)，單通道方案和因素水平組合為A3B3C1D1E3的三通道方案的熱板表面的溫度分布云圖，如圖5所示。

圖5 熱板的溫度分布云圖

圖5(a)中單通道方案熱板最大溫度為145℃時(shí)，其最低溫度為136.6℃，下表面溫差為8.4℃，而圖5(b)中三通道方案熱板最大溫度為145℃時(shí)，其最低溫度為140.36℃，表面溫差為4.64℃。通過(guò)正交試驗(yàn)分析和優(yōu)化，溫差從8.4℃降到4.64℃，F(xiàn)值由1.67降到1.07。

單通道方案中加熱板被施加均勻的熱流密度載荷，熱板四周與空氣接觸，產(chǎn)生了熱交換，導(dǎo)致導(dǎo)致邊緣溫度較中心偏低。同時(shí)加熱板四個(gè)角為尖角，較其他四周散熱量大，導(dǎo)致尖角處溫度更低。由于中心溫度較邊緣溫度高，則存在一定的溫度梯度，從而產(chǎn)生高溫向低溫的擴(kuò)散趨勢(shì)。采用三通道電路方案和正交試驗(yàn)方法，單通道F值為1，7，三通道F值為1.07，均勻性提高了44.76%，驗(yàn)證了此方法的可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 搭建三通道方案試驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證三通道方案的加熱板比單通道方案的更均勻，硅橡膠加熱片為三通道加熱片，其中L1=806mm，L2=1169mm，L3=1169mm，三通道加熱片中X、Y、Z區(qū)域的熱流密度均為4900W/m2，經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓后Z區(qū)域達(dá)到5100W/cm2，圖6為三通道方案試驗(yàn)平臺(tái)，其加熱系統(tǒng)由CHB3智能溫控箱、TSGC2調(diào)壓器以及三通通回字型硅橡膠加熱片組成。而溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由TP1000多回路數(shù)據(jù)記錄儀和K型熱電偶組成。

圖6 三通道方案試驗(yàn)平臺(tái)

CHB3智能溫控箱采用3通道獨(dú)立控制如圖7所示，每通道配單獨(dú)一個(gè)CHB智能溫度控制器、接觸器和旋鈕開(kāi)關(guān)。打開(kāi)旋鈕開(kāi)關(guān)，380V電源進(jìn)入接觸器，之后通過(guò)TSGC2調(diào)壓器調(diào)壓。改變硅橡膠加熱板Z區(qū)域的電壓，達(dá)到改變Z區(qū)域功率，從而改變熱流密度值，要達(dá)到5100W/m2，根據(jù)功率和電壓的關(guān)系，調(diào)壓器旋鈕設(shè)定為387V。當(dāng)熱板的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高溫度達(dá)到145℃時(shí)，停止試驗(yàn)。

圖7 CHB3路溫度控制器和調(diào)壓器

3.2 溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與分析

利用該試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行三通道方案的硫化加熱試驗(yàn)，按照測(cè)溫點(diǎn)的相對(duì)位置填熱板溫度，三通道方案的溫度及其與原單通方案的溫度對(duì)比見(jiàn)表5。當(dāng)熱板的最大溫度達(dá)到145℃時(shí)，三通道優(yōu)化方案各點(diǎn)溫度比常規(guī)方案的更接近145℃。通過(guò)計(jì)算，常規(guī)方案的熱板溫差和F值分別為12℃和2.3，優(yōu)化方案分別為3.8℃和1.0，可知優(yōu)化后F值降低，熱板溫度的均勻性提高。

表5 三通道方案監(jiān)測(cè)結(jié)果

優(yōu)化后溫度差值可以看出，通過(guò)提高Z區(qū)域熱流密度值，對(duì)熱板邊緣溫度進(jìn)行了提高，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使得熱板的均勻性得到改善。

測(cè)溫區(qū)域中選擇溫度變化最大的對(duì)角線方向(測(cè)溫點(diǎn)5、9、13)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。從圖8(a)可以看出，隨著加熱板的溫度升高，四周與外界換熱量增加，導(dǎo)致升溫速度降低。物理試驗(yàn)時(shí)，由于長(zhǎng)時(shí)間的加熱，硅橡膠絕緣布軟化，與加熱板貼合較緊，導(dǎo)致更多熱量流入加熱板，升溫速度比理想狀態(tài)下有所上升，導(dǎo)致高于仿真測(cè)溫點(diǎn)。圖8(b)中三通道方案對(duì)角線方向溫差較小，加熱較均勻。

圖8 對(duì)角線上的點(diǎn)溫升圖

試驗(yàn)誤差包括測(cè)試環(huán)境、測(cè)試工具誤差及人為誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)有限元模擬優(yōu)化進(jìn)行的驗(yàn)證表明正交試驗(yàn)方法合理可靠。相同時(shí)間下，平均誤差為2.5%。小于5%，說(shuō)明建模、網(wǎng)格劃分與仿真參數(shù)設(shè)置可以反映實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情況。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)單通道方案進(jìn)行物理試驗(yàn)，說(shuō)明了加熱板存在熱板不均勻，下表面溫差為12℃，F(xiàn)值為2.3。

2)利用正交試驗(yàn)法和極差分析法對(duì)影響熱板溫度均勻性參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，分析出影響加熱板均勻性最為顯著的因素為邊緣熱流密度。通過(guò)物理試驗(yàn)得出優(yōu)化后方案溫差為3.8℃以及F值為1.0，而單通道方案熱板溫差為12℃以及F值為2.3，優(yōu)化后溫差降低了9.7℃，均勻性指標(biāo)F值降低了1.3。

3)通過(guò)三通道優(yōu)化方案測(cè)試數(shù)據(jù)與原單通道方案的進(jìn)行對(duì)比，加熱板均勻性提高了，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的可靠性，可以硅橡膠加熱片在硫化機(jī)熱板中的應(yīng)用提供了研究方法與理論依據(jù)。