陳英紅 楊劍赟 從成龍 杜明坤

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)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(zhǎng)、耐腐性強(qiáng)、彎曲性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦こ讨?，因此，其焊接質(zhì)量的好壞與人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)[1-2]。熱熔焊機(jī)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(jiǎn)單，焊接質(zhì)量較好的特點(diǎn)。常見的熱熔焊機(jī)主要部件包括主機(jī)、加熱板、銑刀、機(jī)架、夾具、油管和數(shù)據(jù)傳輸線等連接線[3]。主機(jī)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(yùn)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(jī)的焊接過程主要分為準(zhǔn)備、加熱、加熱板移除、壓焊與冷卻階段四個(gè)階段，接頭性能的好壞與四個(gè)階段的溫度、壓力、加熱時(shí)間有關(guān)。但目前熱熔焊機(jī)由于缺乏定期的檢驗(yàn)維護(hù)，使用一段時(shí)間后各部件均會(huì)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(jī)與加熱板。加熱板存在以下問題：一是部分焊機(jī)的加熱板存在溫度均勻性及顯示偏差不能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，二是由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的加熱板的溫度波動(dòng)較大，三是加熱板的預(yù)熱需要一定的時(shí)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)中互相摩擦產(chǎn)生熱量，使端部達(dá)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(shì)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(shì)運(yùn)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(jì)了一套摩擦產(chǎn)熱，達(dá)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(dòng)電機(jī)、主動(dòng)輪、皮帶、從動(dòng)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(dòng)電機(jī)與支架之間通過定位孔用螺栓固定，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與主動(dòng)輪之間則通過聯(lián)軸器連接。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪間通過A型皮帶傳動(dòng)，運(yùn)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(dòng)輪帶動(dòng)。從動(dòng)輪上開設(shè)4個(gè)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(dǎo)、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(dǎo)，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(jì)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)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?yàn)橥恢睆教?，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(shí)，整個(gè)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(shí)施原理如下：驅(qū)動(dòng)電機(jī)開啟后，主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn)，由于從動(dòng)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(dòng)摩擦片一起高速旋轉(zhuǎn)，與產(chǎn)熱盤摩擦，以產(chǎn)生熱量。當(dāng)旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間，產(chǎn)熱盤上溫度足夠高時(shí)，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(jī)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(jì)計(jì)算

摩擦熱熔裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要是根據(jù)熱輸入量計(jì)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(dòng)電機(jī)功率2200W，轉(zhuǎn)速1500r/min，裝置設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速比為主動(dòng)輪：從動(dòng)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(shí)間的位移量，在本裝置中即單時(shí)間摩擦片直徑最大處的轉(zhuǎn)動(dòng)量（此處單位時(shí)間為1分鐘）；由磨具彈簧參數(shù)可知，4個(gè)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(dāng)于每分鐘產(chǎn)熱54000J能量。

由于裝置在設(shè)計(jì)過程中，已通過縮小產(chǎn)熱盤直徑墊入陶瓷纖維進(jìn)行隔熱，熱傳導(dǎo)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(duì)流散熱，輻射散熱損失Qr的計(jì)算公式可以由斯忒藩——波爾茨曼定律推導(dǎo)，對(duì)流散熱損失QC的計(jì)算公式可由牛頓冷卻公式推導(dǎo)，一般公式為3、4：

式中：

E——輻射體的發(fā)射率，一般由經(jīng)驗(yàn)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(shí)間，s。

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

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

根據(jù)文獻(xiàn)[11]h=5.34W/m2，計(jì)算得QC=289.4J。

由理論計(jì)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(dá)到下一步焊接的目的。

圖2為本裝置摩擦加熱測(cè)試圖，裝置所用電機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min，產(chǎn)熱盤上打孔均布6個(gè)熱電偶，以監(jiān)測(cè)升溫過程以及產(chǎn)熱盤溫度均勻性，溫控監(jiān)測(cè)器上方為速度監(jiān)測(cè)器，監(jiān)測(cè)從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。圖2a為裝置啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)熱盤的溫度，此時(shí)為常溫；圖2b為裝置轉(zhuǎn)動(dòng)60s后產(chǎn)熱盤的溫度，此時(shí)溫度達(dá)到170℃，6個(gè)熱電偶處溫度顯示偏差≤3℃，表明整個(gè)盤面的溫度均勻性較好；圖2c為裝置轉(zhuǎn)動(dòng)120s后產(chǎn)熱盤的溫度，此時(shí)溫度達(dá)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(shí)需60s產(chǎn)熱至260℃，若為750 r/min產(chǎn)熱至260℃應(yīng)約為120s，實(shí)測(cè)值為131s，相對(duì)誤差為9.2%，主要由于兩方面原因：一是熱傳導(dǎo)的影響并未考慮，二是對(duì)流換熱系數(shù)取值為經(jīng)驗(yàn)公式，不是理論解析值。雖然存在一定的誤差，但是與設(shè)計(jì)計(jì)算基本相符。

圖2 摩擦熱熔裝置升溫測(cè)試圖

4 結(jié)語

作為新型PE管熱熔裝置，運(yùn)用摩擦焊的原理具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(jì)時(shí)，主要要考慮運(yùn)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(jī)；安裝時(shí)要考慮磨具彈簧的壓力對(duì)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(jì)參數(shù)，摩擦產(chǎn)熱的計(jì)算方法，為后續(xù)的改進(jìn)提供了設(shè)計(jì)以及安裝的理論依據(jù)。

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