譚 晶 譚 敏 楊衛(wèi)民 安 瑛*

(北京化工大學(xué) 1.機(jī)電工程學(xué)院；2.輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029)

引 言

硫化是輪胎生產(chǎn)制造的最后一道關(guān)鍵工序，能夠賦予輪胎實(shí)際應(yīng)用所需的性能，而輪胎硫化機(jī)則是實(shí)現(xiàn)這一過程的設(shè)備。傳統(tǒng)硫化機(jī)多采用蒸汽、過熱水加熱的方式，含有柔性膠囊和蒸汽室，將過熱高壓蒸汽通入膠囊內(nèi)，通過熱傳導(dǎo)的方式將輪胎加熱硫化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，硫化工序耗能占輪胎生產(chǎn)過程總耗能的60%[1]，但能耗的有效利用率不到40%，絕大部分的熱能消耗在管路循環(huán)中，因此蒸汽傳熱效率低，能量浪費(fèi)嚴(yán)重。在硫化過程中過熱水的冷凝會(huì)導(dǎo)致輪胎上下部分溫差較大，造成輪胎硫化不均勻，影響最終輪胎成品的品質(zhì)。由于傳統(tǒng)硫化機(jī)采用蒸汽、過熱水等介質(zhì)來提供壓力和溫度，而介質(zhì)的溫度與壓力之間存在相互關(guān)系，所以在硫化過程中難以對(duì)溫度和壓力分別進(jìn)行精確控制。

直壓硫化技術(shù)通過將壓力與溫度的來源分開，采用液壓及可漲縮金屬模具提供壓力，使用電磁感應(yīng)加熱提供溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化過程中壓力和溫度的精準(zhǔn)控制[2]。其中，直壓電磁感應(yīng)加熱工藝將電磁線圈鋪設(shè)于鼓瓦內(nèi)表面，上下熱板通過高頻交流電產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在工件內(nèi)部產(chǎn)生渦流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的自生熱[3-4]。與傳統(tǒng)工藝相比，直壓電磁感應(yīng)加熱技術(shù)具有成型精密、耗能少、升溫速度快和控溫精確的優(yōu)點(diǎn)[5]。

電磁加熱與蒸汽加熱方式相比，由于鼓瓦作為熱源與輪胎直接接觸，從而提高了傳熱效率[6]。目前，直壓硫化工藝在穩(wěn)態(tài)時(shí)內(nèi)模具的溫差在±1.5 ℃以內(nèi)，相較蒸汽加熱，其升溫速率顯著提升[7]。但由于線圈結(jié)構(gòu)的局限性，現(xiàn)有鼓瓦電磁感應(yīng)線圈的鼓瓦渦流場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致胎胚受熱不均勻，與實(shí)際輪胎硫化需要的契合性不高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)溫發(fā)現(xiàn)鼓瓦肩部溫度比中間溫度高[8]，由于線圈生熱集中于鼓瓦肩部，導(dǎo)致輪胎胎肩處受熱多而胎冠受熱少，因此直壓硫化工藝中電磁感應(yīng)線圈的排布方式具有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

本文使用COMSOL軟件對(duì)現(xiàn)有的電磁感應(yīng)線圈進(jìn)行模擬仿真，分析加熱不均勻的原因，并針對(duì)實(shí)際硫化過程的需求及硫化機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了電磁感應(yīng)線圈的新型排布方式，使其更能滿足輪胎硫化加熱的實(shí)際需求。

1 有限元模型的建立

直壓硫化工藝中主要的電磁加熱裝置安裝于金屬內(nèi)模具中，內(nèi)模具由7組寬鼓瓦和窄鼓瓦組成[9]，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直壓硫化機(jī)內(nèi)模具的三維模型[9]Fig.1 Three-dimensional model of the inner mould of adirect-press vulcanizer[9]

在每一個(gè)鼓瓦內(nèi)表面對(duì)稱放置線圈，其排布結(jié)構(gòu)如圖2所示[10]。取其中寬鼓瓦為研究對(duì)象，在空間允許的范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 電磁感應(yīng)線圈的排布結(jié)構(gòu)[10]Fig.2 Structure of the electromagnetic induction coil[10]

選用COMSOL軟件中自帶的電磁感應(yīng)加熱耦合模塊研究鼓瓦加熱穩(wěn)態(tài)時(shí)磁通密度及溫度分布特點(diǎn)。為提高仿真效率，對(duì)鼓瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)COMSOL軟件中提供的線圈域功能，使用空心圓柱體代替線圈，可在極大程度上忽視線圈自熱，主要探究線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)工件生熱的影響，得到現(xiàn)有電磁感應(yīng)線圈的有限元模型(稱為Ⅰ型)，如圖3所示。

圖3 Ⅰ型電磁感應(yīng)線圈的有限元模型Fig.3 Finite element model of a type I electromagnetic induction coil

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在固定的電磁加熱功率、電流、頻率的情況下，形成的磁場(chǎng)只與線圈的分布方式有關(guān)。對(duì)于螺旋電磁線圈，其外部磁通的最密集處位于線圈兩端面，合理安排線圈分布使得線圈端面更接近工件，有利于工件內(nèi)部產(chǎn)生渦流，進(jìn)而提升生熱效率。觀察Ⅰ型線圈可知，當(dāng)線圈工作時(shí)生熱最明顯處為兩根磁芯與鼓瓦的接觸處，最終形成鼓瓦肩部溫度較高而中部溫度較低的情況，導(dǎo)致胎冠處在硫化時(shí)的溫度低于胎側(cè)，硫化速率小于胎側(cè)。為解決此問題，在保證總電感不變的情況下，將單條磁芯拆分成上下兩部分，并在中部設(shè)置線圈使其垂直于工件表面。調(diào)整繞線方向使得相鄰線圈之間的磁場(chǎng)方向相反，磁感線能夠在各線圈之間形成環(huán)路，使其盡可能多地通過工件內(nèi)部，得到結(jié)構(gòu)初步優(yōu)化的有限元模型(稱為Ⅱ型)，如圖4所示。

圖4 Ⅱ型電磁感應(yīng)線圈的有限元模型Fig.4 Finite element model of a type Ⅱ electromagnetic induction coil

設(shè)置空氣域包裹模型，研究穩(wěn)態(tài)時(shí)的鼓瓦溫度分布特點(diǎn)，設(shè)置空氣域邊界溫度為恒定室溫20 ℃。由于寬鼓瓦與窄鼓瓦設(shè)置的線圈一致，觀察圖1可知寬鼓瓦兩側(cè)應(yīng)處于窄鼓瓦的加熱范圍內(nèi)。為減小模擬誤差，設(shè)置寬鼓瓦的兩側(cè)截面為熱絕緣面以減少熱量流失，鼓瓦的其余部分為固體傳熱。當(dāng)空氣域各面的熱量溢散速率等于電磁感應(yīng)的生熱速率時(shí)認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

2 仿真結(jié)果與分析優(yōu)化

2.1 Ⅰ型和Ⅱ型線圈排布方式比較

為使模擬溫度與實(shí)際硫化溫度接近，不會(huì)出現(xiàn)溫度過高或過低的情況，選取電流為10 A，頻率為15 kHz，電磁感應(yīng)線圈的銅導(dǎo)線直徑為2 mm，磁芯選擇錳鋅鐵氧體，使用COMSOL軟件模擬得到Ⅰ型和Ⅱ型線圈的磁通密度及溫度分布，如圖5所示。

圖5 Ⅰ型和Ⅱ型線圈的磁通密度及溫度分布Fig.5 Magnetic flux density and temperature distributions of type Ⅰ and Ⅱ coils

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，渦流的產(chǎn)生源自磁場(chǎng)的變化，渦流的大小與磁場(chǎng)的變化率有關(guān)。在頻率固定的情況下產(chǎn)生的渦流大小只與磁通量有關(guān)，磁通量越大，產(chǎn)生的渦流越大。工件表面的磁通密度反映了單位面積通過的磁通量的多少，故觀察磁通密度便可知渦流的大小和分布情況。Ⅰ型線圈的磁通密度最大處集中于上下兩端面，中部磁通密度狀態(tài)呈現(xiàn)出細(xì)小而雜亂的情況，故渦流集中于鼓瓦上下部。Ⅰ型線圈的整體磁通密度低，故鼓瓦升溫速率低，最終鼓瓦溫度較低。與Ⅰ型線圈相比，Ⅱ型線圈具有更高的磁通密度和溫度，其磁通密度在鼓瓦中部及上下部分布較為規(guī)則，能夠在鼓瓦中部及上下部均形成大量渦流，提升整體升溫速率，并且可避免熱源過于集中在鼓瓦上下兩側(cè)。

2.2 Ⅱ型線圈排布結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由2.1節(jié)可得，在保證總線圈電感一致的前提下，將單一線圈拆分成多個(gè)貼近工件的小型線圈可以有效提升鼓瓦的生熱效率及溫度。通過在鼓瓦中部設(shè)置不同組數(shù)的線圈來探究在線圈電感固定的情況下，不同組數(shù)的線圈對(duì)鼓瓦生熱的影響。分別在中部設(shè)置2、3及4組線圈，得到對(duì)應(yīng)的磁通密度及溫度分布如圖6所示。

圖6 不同組數(shù)線圈的磁通密度及溫度分布Fig.6 Magnetic flux density and temperature distributions of different sets of coils

對(duì)比1～4組線圈的溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，中部設(shè)置的線圈組數(shù)由1組增加為2組時(shí)鼓瓦的溫度明顯上升，當(dāng)組數(shù)繼續(xù)增加時(shí)溫度下降。

當(dāng)線圈設(shè)置為1組時(shí)，鼓瓦中部由1組線圈單獨(dú)加熱，線圈所能加熱的面積有限，不利于被加熱輪胎的溫度均勻上升。

當(dāng)線圈設(shè)置為3組時(shí)，鼓瓦的整體溫度低于2組時(shí)的溫度，這是由于線圈電感即總匝數(shù)的限制，單個(gè)線圈的纏繞匝數(shù)下降導(dǎo)致磁通密度下降。磁通密度的最大值由2組的0.447 T下降至0.385 T，雖然磁通面積有所增加，但不足以彌補(bǔ)磁通密度下降引起的損失。

當(dāng)線圈設(shè)置為4組時(shí)，與3組相比，單個(gè)線圈的磁通密度下降不明顯，但鼓瓦中部的磁通面積明顯增加，故整體溫度較3組出現(xiàn)回升。線圈數(shù)量進(jìn)一步增多使得熱源分布更加分散，溫度分布更加均勻，但整體溫度仍低于2組時(shí)的溫度。當(dāng)線圈設(shè)置為3組以上時(shí)，整體鼓瓦的內(nèi)部空間變得擁擠，不利于實(shí)際加工與安裝。

當(dāng)線圈設(shè)置為2組時(shí)鼓瓦具有最高溫度。相對(duì)于1組線圈， 2組線圈的鼓瓦中部的磁通密度及面積增加。相對(duì)于3組線圈，2組線圈保證了單個(gè)線圈匝數(shù)及其本身所能產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)中部線圈之間具有較大的空間以便進(jìn)行后續(xù)調(diào)整?，F(xiàn)有2組線圈的分布方式存在鼓瓦中部熱量集中的問題，本文通過增大中部?jī)山M線圈的間距，優(yōu)化得到如圖7所示的磁通密度及溫度分布。由結(jié)果可知，中部?jī)山M線圈間距增大后，與增大前(圖6(a))相比，鼓瓦整體呈現(xiàn)出較好的溫度均勻性，中部高溫區(qū)消失。最高溫度較未調(diào)整前僅出現(xiàn)少量下降，但仍明顯高于其他組數(shù)的線圈。在中部設(shè)置線圈解決了當(dāng)前直壓硫化機(jī)在硫化過程中輪胎中部沒有直接熱源的問題。

圖7 優(yōu)化后2組線圈的磁通密度及溫度分布Fig.7 Magnetic flux density and temperature distributions of the two sets of coils after optimization

2.3 Ⅰ型和Ⅱ型線圈在加熱下輪胎各面溫度對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證Ⅱ型2組線圈在硫化中的加熱性能，根據(jù)實(shí)際加熱工況添加花紋塊、簡(jiǎn)易輪胎模型與外模具，模擬得到硫化過程中輪胎與內(nèi)模具接觸的各個(gè)表面的溫度分布趨勢(shì)。內(nèi)模具及外模具的有限元結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 內(nèi)模具及外模具的有限元結(jié)構(gòu)Fig.8 Finite element structures of the inner and outer moulds

在實(shí)際工況中硫化機(jī)為連續(xù)生產(chǎn)，內(nèi)外模具的初始溫度均不為室溫。設(shè)置外模具、花紋塊及內(nèi)模具的初始溫度為150 ℃，輪胎的初始溫度為20 ℃。上下添加固定邊界熱源替代上下熱板，將復(fù)雜的輪胎結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使輪胎內(nèi)表面與內(nèi)模具完整貼合，外表面與花紋塊完整貼合，以滿足在硫化過程中由于高壓使各面緊密貼合的工況。模擬極端加熱的情況有利于區(qū)分各面的加熱趨勢(shì)以及得到各面的最大溫差。選取電磁線圈電流為60 A，頻率最大值為28 kHz，第一段加熱時(shí)間為100 s。將輪胎內(nèi)表面分為A、B、C、D、E這5面，如圖9所示。

圖9 輪胎內(nèi)表面的選取Fig.9 Selection of the tire inner surface

使用COMSOL軟件瞬態(tài)模擬得到Ⅰ型和Ⅱ型加熱線圈在10～100 s內(nèi)各面的平均溫度，并繪制溫度曲線如圖10所示。從圖中可以看出，Ⅱ型線圈較Ⅰ型線圈具有更高的加熱速率和整體溫度，A面的升溫速率提升約40%，其余各面的升溫速率提升約20%。與Ⅰ型線圈相比，Ⅱ型線圈輪胎A面的溫度更高并接近最高溫度，更能滿足輪胎硫化時(shí)各面對(duì)熱量的需求，彌補(bǔ)了Ⅰ型線圈在溫度分布上的不足，有利于提高輪胎溫度的均勻性。

圖10 10～100 s內(nèi)Ⅰ型和Ⅱ型線圈各面的平均溫度Fig.10 Average temperatures of all sides of type Ⅰ and Ⅱ coils in the time range 10-100 s

由圖10可知，采取固定頻率工作時(shí)各面的溫度持續(xù)上升且溫差較為固定。各面之間存在溫差的根本原因在于輪胎各部分熱源的溫度存在一定差異，由圖7可知，即使達(dá)到穩(wěn)態(tài)依舊會(huì)出現(xiàn)近熱源處溫度高于遠(yuǎn)離熱源處溫度的情況，因此熱源存在本身也是導(dǎo)致溫度不均的原因。若采用變頻加熱，隨著溫度升高而降低頻率，在一定程度上能減小高溫處與低溫處的溫差，但無(wú)法解決熱源存在本身所引起的溫差。采用變頻加熱會(huì)使近熱源處與遠(yuǎn)熱源處的硫化速率不一致，導(dǎo)致近熱源處過硫化或遠(yuǎn)熱源處欠硫化，最終影響輪胎的整體性能。由于所需的硫化溫度為180 ℃，并且希望各面之間的溫差小于2 ℃，故單純的持續(xù)加熱無(wú)法滿足實(shí)際需求。本文選擇停止加熱以消除熱源，并觀察此時(shí)輪胎各面的溫度變化趨勢(shì)，設(shè)置模擬過程為在加熱至100 s時(shí)線圈停止工作，上下熱板固定熱源不變，得到Ⅰ型及Ⅱ型線圈在100～200 s內(nèi)輪胎各面的平均溫度，如圖11所示。

圖11 100～200 s內(nèi)Ⅰ型和Ⅱ型線圈各面的平均溫度Fig.11 Average temperatures of all sides of type Ⅰ and Ⅱ coils in the time range 100-200 s

由圖11可知，無(wú)論是Ⅰ型還是Ⅱ型線圈，在停止加熱后，除Ⅰ型線圈的A面外，各面溫度在停止加熱初期均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。其原因?yàn)榫€圈雖然停止工作，但此時(shí)鼓瓦溫度依舊高于輪胎內(nèi)表面溫度，故輪胎內(nèi)表面繼續(xù)升溫。當(dāng)鼓瓦溫度與輪胎內(nèi)表面溫度一致后，熱量開始由輪胎表面向輪胎內(nèi)部傳遞，故輪胎各面的溫度下降，此時(shí)鼓瓦與接觸面具有相同的溫度趨勢(shì)。在停止加熱后期，除E面外，各面溫度均保持下降趨勢(shì)，由于E面處于最外側(cè)受熱板加熱明顯，故溫度出現(xiàn)上升。但Ⅱ型與Ⅰ型的不同之處在于，Ⅱ型的A面具有更高的起始溫度。在各面熱量由高溫處向低溫處傳遞時(shí)，Ⅱ型線圈會(huì)在約175 s時(shí)實(shí)現(xiàn)各面溫度基本一致，此時(shí)各面溫差≤0.5 ℃，在170～180 s時(shí)各面溫差≤1 ℃。而Ⅰ型線圈由于A面不存在熱源，在溫度平衡的過程中A面的起始溫度低且無(wú)后續(xù)熱量補(bǔ)充，導(dǎo)致A面與其余各面之間始終存在溫差，這個(gè)溫差是由結(jié)構(gòu)引起的根本性問題。Ⅱ型線圈增加了中部線圈，為A面提供了單獨(dú)的熱源，解決了Ⅰ型線圈由結(jié)構(gòu)缺陷所引起的問題，并提升了輪胎硫化時(shí)各面溫度的均勻性。

根據(jù)Ⅱ型線圈在停止工作一段時(shí)間后，輪胎各面溫度會(huì)在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到基本一致的特點(diǎn)，本文提出間歇式加熱的工藝，流程圖如圖12所示。設(shè)置目標(biāo)溫度為180 ℃，當(dāng)溫度傳感器反饋達(dá)到此溫度時(shí)停止加熱，當(dāng)各溫度傳感器反饋各面溫度達(dá)到基本一致時(shí)，根據(jù)當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度的差值重新設(shè)定工作頻率并重復(fù)上述過程。通過該工藝可以及時(shí)消除各面溫差，維持各面的硫化速率相對(duì)一致，并穩(wěn)步提升溫度至目標(biāo)溫度，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

圖12 加熱工藝流程圖Fig.12 Flow chart of the heating process

3 結(jié)論

(1)依據(jù)電磁感應(yīng)原理，使用COMSOL軟件模擬分析在不同電磁線圈的排布方式下鼓瓦內(nèi)的磁通密度和溫度分布，并設(shè)計(jì)得到多段式電磁線圈的新型排布方式(Ⅱ型)。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的電磁線圈排布方式(Ⅰ型)相比，新型線圈排布方式具有更高的升溫速率并避免了熱源過于集中在鼓瓦上下兩側(cè)。

(2)在Ⅱ型線圈鼓瓦中部分別設(shè)置1～4組線圈，對(duì)比其磁通密度及溫度分布，結(jié)果表明2組線圈的鼓瓦具有最高溫度；增大鼓瓦中部2組線圈的距離，得到比優(yōu)化前的溫度分布更加均勻的線圈排布方式。

(3)通過模擬得到Ⅰ型和優(yōu)化后的Ⅱ型2組線圈在加熱下輪胎各面硫化時(shí)的溫度趨勢(shì)，結(jié)果顯示Ⅱ型線圈解決了Ⅰ型線圈在加熱時(shí)輪胎胎冠處(A面)無(wú)熱源所引起的問題。根據(jù)在Ⅱ型2組線圈的排布方式下停止加熱后輪胎各面的溫度趨勢(shì)特點(diǎn)，提出間歇式加熱的工藝流程，可解決當(dāng)前直壓硫化電磁感應(yīng)加熱過程中各面存在溫差以及胎冠處無(wú)熱源的問題。