毛廷廷 鄭甲紅 李 均 王亞雄 陳 靜 劉杰林

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安，710021)

壓光機(jī)是用于提高紙面光澤度的設(shè)備，應(yīng)用于壓光上光工藝[1]。軟壓光機(jī)開發(fā)于20世紀(jì)80年代初，最早應(yīng)用于整飾要求較低和中等要求的紙種，目前的軟壓光機(jī)可以獲得以前只能用超級(jí)壓光機(jī)才能達(dá)到的壓光效果，且非常有效、經(jīng)濟(jì)。軟壓光機(jī)作為造紙機(jī)和涂布機(jī)的機(jī)內(nèi)或機(jī)外整飾設(shè)備，由于其性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)單、紙幅壓光斷頭少、壓光后成紙質(zhì)量提高、設(shè)備運(yùn)行效率高而得到迅速發(fā)展。在造紙行業(yè)中，國內(nèi)外大小廠家廣泛采用的仍然是傳統(tǒng)的油加熱和蒸汽加熱造紙壓光機(jī)。壓光機(jī)的主要加熱裝置是加熱輥，該輥主要由加熱輥筒、操作側(cè)軸頭、傳動(dòng)側(cè)軸頭、進(jìn)油內(nèi)管和兩端油路封盤組成。但發(fā)現(xiàn)沿輥面長(zhǎng)度各段溫度不均勻，因此使得輥面溫度分布不勻，加熱效率低[2- 7]。針對(duì)以上問題，本課題通過Solidworks進(jìn)行加熱輥三維建模，采用Fluent分析模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置以及熱流耦合分析，分別對(duì)壓光機(jī)加熱輥外表面溫度的影響進(jìn)行研究。加熱輥筒作為壓光機(jī)加工機(jī)床的關(guān)鍵部件，在現(xiàn)代造紙加工行業(yè)中占有極其重要的地位，為改善我國造紙行業(yè)現(xiàn)狀做出了突出貢獻(xiàn)[8]。熱流耦合問題越來越受到人們的重視，并逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)，其研究不僅有重大的理論意義，而且具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但耦合問題涉及到的內(nèi)容很多、范圍較廣、耦合機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，要想比較全面地解析熱流耦合理論和正確求解其數(shù)值模型，還需要做大量工作。其主要發(fā)展趨勢(shì)是：加強(qiáng)熱流耦合理論中流體-溫度場(chǎng)兩場(chǎng)耦合理論的研究。

1 結(jié)構(gòu)與原理介紹

壓光機(jī)主要由機(jī)架、軟輥、加熱輥、刮刀、引紙系統(tǒng)、弧形輥、張力輥、軟輥端部吹風(fēng)冷卻、軟輥膠面溫度檢測(cè)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、熱油系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成[9- 10]。加熱輥為合金冷硬鑄鐵硬面輥，要求組織細(xì)膩、硬度高、傳熱均勻性好、受熱變形小。輥體鑄造時(shí)通過成分控制、冷型工裝溫度控制以及鐵水溫度控制來保證材料分布均勻，輥面由表及里依次為：冷硬層、過渡層、灰口層[11]。

本課題中的壓光機(jī)硬輥采用導(dǎo)熱油三孔一循環(huán)的原理進(jìn)行加熱，壓光輥輥徑較大，輥面較長(zhǎng)，輥?zhàn)又虚g鉆一通孔，在離輥面約60 mm處鉆一串環(huán)狀孔，其直徑30 mm，孔數(shù)為21個(gè)，且這些小孔有斜孔與中間空腔溝通。加熱油在這些加熱輥的油道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，通過熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱量傳遞。

根據(jù)壓光機(jī)加熱輥的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，忽略細(xì)微的加工結(jié)構(gòu)，利用三維建模軟件Solidworks建立壓光機(jī)加熱輥與加熱油流體的三維實(shí)體模型(如圖1所示)，其中，輥筒長(zhǎng)L=1500 mm，輥筒半徑r1=300 mm，輥筒空腔半徑r2=142.5 mm，油道半徑r3=15 mm，進(jìn)油口直徑D0=30 mm，出油口內(nèi)圓直徑D1=40 mm，出油口外圓直徑D2=90 mm，生成的流體加熱源模型如圖2所示，加熱輥主要由操作側(cè)軸頭、傳動(dòng)側(cè)軸頭與中間熱輥筒組成，兩端的油路封盤起轉(zhuǎn)換油路的作用。當(dāng)給定加熱油時(shí)，加熱油由進(jìn)油管流入，充滿輥內(nèi)空腔，由另一端的配油盤分配進(jìn)入斜孔油道，斜孔油道與加熱輥周圍的環(huán)狀孔相連通，由斜孔進(jìn)入第一個(gè)孔，經(jīng)過油路封盤處與第二孔連通進(jìn)入第二孔，再通過另一端的油路封盤依次流入第三孔，第三孔與斜孔相連通，加熱油經(jīng)斜孔流過配油盤匯合流出加熱輥，一次循環(huán)結(jié)束。

圖1 加熱輥與加熱油流體三維模型

圖2 流體加熱源模型

2 流場(chǎng)的控制方程組

為了更好地理解對(duì)流傳遞過程中各主要物理量之間的關(guān)系以及邊界條件在其中的作用，并說明對(duì)流換熱問題理論求解的基本思路，有必要給出對(duì)流換熱過程完整的數(shù)學(xué)描述。該數(shù)學(xué)描述由質(zhì)量守恒(即連續(xù)性方程)、動(dòng)量守恒和能量守恒方程組成。流場(chǎng)中的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程組放在一起，稱為控制方程組[12- 14]。

2.1 質(zhì)量守恒方程

將流體視為連續(xù)介質(zhì)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，由此得到不可壓縮流體的質(zhì)量守恒定律表達(dá)式，即質(zhì)量守恒方程(1)。

(1)

式中，ρ為流體密度；υ為流體軸向速度矢量；u為流體徑向速度矢量；t為流體通道內(nèi)一個(gè)循環(huán)的時(shí)間；r為通道半徑;x為流速在x方向的分量。

2.2 動(dòng)量守恒方程

描述流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的動(dòng)量守恒方程實(shí)際上是針對(duì)流體的牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。按照守恒關(guān)系推出動(dòng)量守恒方程(2)。

(2)

式中，P為靜壓力;g為重力加速度；M為流體黏性系數(shù)。

2.3 能量守恒方程

能量守恒方程用來描述流體發(fā)生對(duì)流換熱時(shí)的溫度場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，能量守恒方程可以簡(jiǎn)化為方程(3)。

(3)

式中，T為流體溫度;a為導(dǎo)熱系數(shù);y為流體在y方向上的分量。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型簡(jiǎn)化

壓光機(jī)加熱輥的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，曲面和不規(guī)則形狀較多，完全把真實(shí)的實(shí)體模型作為計(jì)算模型來進(jìn)行計(jì)算非常困難。因此，根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，在保證對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的前提條件下，為避免在網(wǎng)格劃分時(shí)產(chǎn)生網(wǎng)格尺度的巨大差異，對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理。由于加熱輥的油路通道為21孔，且采用三孔一循環(huán)的原理進(jìn)行加熱，所以共分為7個(gè)循環(huán)組，每一組都一樣，在分析計(jì)算時(shí)，可選取加熱輥筒以及流體三維模型的1/7進(jìn)行分析計(jì)算，簡(jiǎn)化模型如圖3所示，將簡(jiǎn)化后的三維Solidworks模型以.x_t格式導(dǎo)入Fluent進(jìn)行前處理并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖3 加熱輥與流體的三維簡(jiǎn)化模型

3.2 網(wǎng)格劃分

依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)與數(shù)值傳熱理論，采用 Ansys workbench 軟件的Fluent模塊對(duì)加熱輥進(jìn)行仿真分析，首先將需要仿真的流體添加到建立好的三維模型中，即在加熱輥油道內(nèi)填充加熱油組成完整的流固耦合模型，并導(dǎo)入Fluent仿真模塊，然后將加熱輥以及流體模型進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，選擇界面左側(cè)Outline中的Mesh選項(xiàng)，在Details of “Mesh”下面的Sizing中的Relevance Center中設(shè)置為Coarse，其余采用默認(rèn)設(shè)置，在Outlines中的Mesh選項(xiàng)右擊，在彈出的快捷菜單中選擇Generate Mesh命令，完成網(wǎng)格劃分，劃分后的有限元模型如圖4所示，模型中共有249304個(gè)節(jié)點(diǎn)、1264991個(gè)單元。

圖4 加熱輥與流體模型的網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

選擇一個(gè)1092型號(hào)的小輥體，進(jìn)行邊界條件設(shè)置，雙擊Fluent面板中的Setup，選擇界面左側(cè)的Problem Setup中的Models設(shè)置為Energy-On，選擇Materials進(jìn)行材料設(shè)置，輥筒采用冷硬鑄鐵材料，加熱介質(zhì)為混合加熱油，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式。選擇Boundary Conditions進(jìn)行邊界條件設(shè)置，入口邊界條件采用速度進(jìn)口，出口邊界條件采用壓力出口，加熱油初始流速為20 m/s，加熱油的入口溫度為200℃。加熱油從內(nèi)管流入滾筒空腔內(nèi)以及輥筒壁的21個(gè)油道的速度和溫度由輥體油道流動(dòng)計(jì)算結(jié)果獲得。輥筒油道出口邊界為壓力出口，在計(jì)算中，加熱油在油道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)是三維黏性湍流流動(dòng)，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

4 流體-傳熱耦合數(shù)值計(jì)算模型

4.1 溫度場(chǎng)結(jié)果分析

當(dāng)加熱輥筒轉(zhuǎn)速為1450 m/min時(shí)，進(jìn)行加熱油加熱，采用Fluent模塊對(duì)加熱輥及流體加熱油耦合的1/7模型進(jìn)行分析，同時(shí)求解質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和湍流方程得到收斂結(jié)果，并對(duì)固體部件的溫度場(chǎng)、流體的速度場(chǎng)等進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[15- 16]。輥筒壁計(jì)算結(jié)果的溫度分布云圖如圖5所示，從圖5中壓光機(jī)輥筒內(nèi)部的情況可以看出，經(jīng)加熱油加熱后的加熱輥筒溫差較大，油道壁面最高溫度為469.3 K，明顯高于其他區(qū)域，兩端軸頭溫度較低，操作側(cè)軸頭的溫度高于傳動(dòng)側(cè)軸頭的溫度，輥筒外壁最高溫度463.4 K，輥筒外表面中間溫度略高于兩端溫度，且三孔一循環(huán)中每個(gè)油道的溫度也不同，都存在溫差，表面溫度分布不均勻，存在一定的溫度差。

圖5 輥筒壁溫度場(chǎng)分析

4.2 速度場(chǎng)結(jié)果分析

圖6為加熱油速度場(chǎng)分析圖。從圖6中可以看出，加熱輥筒內(nèi)的加熱油流速分布不均勻，總的趨勢(shì)是進(jìn)口流速較快，流入加熱輥筒內(nèi)空腔后流速緩慢，從空腔進(jìn)入傳動(dòng)側(cè)軸頭后速度增大，當(dāng)流入斜孔油道后由于油道直徑小，速度急劇增加，加熱油在3個(gè)孔內(nèi)依次流動(dòng)，但在3個(gè)孔軸向流動(dòng)時(shí)速度比斜孔油道速度要低，在第一個(gè)孔、第二個(gè)孔和第三個(gè)孔之間都有一個(gè)換油路的油路封盤，此處速度都會(huì)增大，在從第三個(gè)孔流入斜孔時(shí)，速度急劇增大，繼而流出加熱輥筒，完成一個(gè)循環(huán)回路。

圖6 加熱油速度場(chǎng)分析

5 影響因素研究

加熱油初始速度不變時(shí)對(duì)升溫的影響以及對(duì)加熱輥筒外壁升溫的控制主要通過調(diào)節(jié)加熱油的初始溫度進(jìn)行，但卻忽略了在一定小范圍內(nèi)加熱油初始溫度不變時(shí)加熱油初始速度對(duì)升溫的影響，因此可以嘗試在調(diào)節(jié)的小范圍內(nèi)從調(diào)節(jié)加熱油初始速度的角度來調(diào)節(jié)加熱輥外壁的升溫。在只改變加熱油初始速度的條件下，保持其他初始值和邊界條件不變，通過仿真結(jié)果分析得出加熱輥筒外壁溫度的變化趨勢(shì)如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)初始速度不變時(shí)，改變加熱油的初始溫度對(duì)輥筒外壁溫度影響非常大，呈直線上升趨勢(shì)。當(dāng)保持初始溫度不變，改變加熱油的初始速度時(shí)，輥筒外壁溫度變化不太明顯，呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，因?yàn)槌跏妓俣容^低時(shí)，加熱油與外壁的熱對(duì)流較強(qiáng)，流體能量損失較嚴(yán)重，所以外壁溫度較低，但當(dāng)初始速度太快時(shí)，導(dǎo)致流體對(duì)流現(xiàn)象較弱，帶走大量能量，外壁溫度呈下降趨勢(shì)。改變加熱油初始溫度和初始速度都可以達(dá)到影響加熱輥筒外壁溫度的效果，但是加熱油初始速度的改變對(duì)加熱輥筒外壁溫度的改變作用不明顯，改變加熱油初始溫度對(duì)輥筒外壁的溫度改變較明顯。由于熱量在徑向方向上的傳導(dǎo)要比在軸向方向上傳導(dǎo)更快，當(dāng)流速保持不變時(shí)，升高加熱油的初始溫度，加熱輥在徑向方向上熱傳導(dǎo)的熱量將增加，最終增強(qiáng)對(duì)流換熱[17- 19]。

圖7 初始速度與溫度對(duì)外壁溫度的影響

6 結(jié) 語

本課題通過對(duì)加熱輥的結(jié)構(gòu)、尺寸等計(jì)算和選擇，采用Solidworks軟件建立加熱輥的三維模型，根據(jù)熱傳導(dǎo)等相關(guān)知識(shí)，利用Fluent模塊做加熱輥的熱態(tài)分析，來驗(yàn)證加熱輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

6.1 加熱油的初始溫度與初始速度對(duì)加熱輥筒外壁的溫度都有影響，但初始溫度比初始速度的影響較大。

6.2 根據(jù)Fluent軟件對(duì)加熱輥筒做熱態(tài)特性分析，得出輥筒外壁最高溫度463.4K，輥筒外表面中間溫度略高于兩端溫度，外壁溫度分布不均勻，加熱效率低，壓光質(zhì)量不理想。

根據(jù)以上所述，壓光機(jī)加熱輥筒有良好的熱態(tài)特性。但是外壁溫度分布不均勻，工作效率低，不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，有待進(jìn)一步改進(jìn)，提高壓光效果。