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压光机电磁感应加热的实验研究

  • 赵佳龙
  • 郑甲红
  • 毛廷廷
  • 霍启新
  • 刘杰林
陕西科技大学机电工程学院，陕西西安，710021

中图分类号： TS734+.7

发布日期：2019-08-20

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.08.011

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摘要

为研究外置式的电磁感应加热装置对压光机加热辊的加热情况，选取（加热）功率、（加热辊辊面与加热装置的）间距、（辊面）线速度3个对直径为300 mm的加热辊影响因素进行了单因素实验和正交实验。实验结果表明，功率和间距对加热温度的影响较大，线速度对加热温度的影响不显著；随着功率的增大或间距的减小，加热辊温度变化加快，最终温度较高；当功率为8 kW、间距为10 mm、线速度为49.00 m/min时，加热速率最大。

压光机是用于提高纸张光泽度的设备，是压光上光工艺的一种。从20世纪80年代开始，软辊压光机成功应用于造纸行业，因其性能优越，压光后成纸质量高、工作速度快而得到快速发展[

1,2]。

随着自动化水平的提高，将压光机应用于皮革、无纺布、防弹衣材料等的加工领域已成为发展趋势。在造纸行业，国内外厂家广泛采用的仍然是以传统的蒸汽和导热油加热的方式进行加热的造纸压光机[

3,4]。蒸汽和导热油加热方式的能源利用率较低、热损失较大；加热速度慢，预热时间长。其中蒸汽加热的方式其温度与压力有关，温度越高，相应的水蒸气压力越大，对加热系统的密封性能要求较高；同时蒸汽放热冷凝成水，需要设置疏水系统排出生成的冷凝水。而导热油加热的方式对加热辊的结构有很高的要求，最常见的是采用多孔加热辊[5,6]，这种加热辊结构复杂，制造成本大。采用传统加热方式，辊筒温度越高，对系统的性能和结构要求越高，制造成本随之提高，因此，需要寻找一种新型的加热方式。

电磁感应加热是一种很好的加热方式，依靠高频交流电流产生感应磁场，高频交变磁场又在工件中产生涡流，从而使工件迅速发热，达到加热的目的。其加热速度快、热效率高、无污染，极大缩短预热时间，同时可减少加热辊的设计工作。

本实验是将电磁感应加热作为加热方式，完成加热辊的加热工作。为研究电磁感应加热装置对加热辊的加热情况，本课题组设计制造了简易压光机样机，并进行了实验研究。选取加热功率（简称功率）、加热辊辊面与加热装置的间距（简称间距）和辊面线速度（简称线速度）3个因素进行实验[

7,8]，以得到最好的加热参数，为电磁感应加热式压光机的设计提供相关数据理论。

1 实验设备与方法

1.1　实验设备

实验所使用的设备包括自制的简易压光机样机、变频电磁加热器和控制柜、温控仪（REX-C700）和热电偶（WRKM-301）等。

简易压光机样机整体结构如图1所示。样机包括加热辊筒、机架、步进电机、传动装置和加热装置。加热辊筒由冷硬铸铁制成，直径D=300 mm，长度L=500 mm，内部为空心结构。以步进电机作为动力源，经传动装置传递至辊筒，并通过控制步进电机实现不同线速度的要求；加热装置包括控制柜和加热器，由控制柜将380 V、50 Hz的交流电转化为所需要频率的交流电，通过控制柜改变加热功率，手动调节加热器与辊筒的间距，并由加热器完成对辊筒的加热工作。

图1 简易压光机样机结构示意图

1.2　实验方法

（1）单因素实验

首先，根据感应加热理论确定影响加热温度的因素，选取各个因素的水平参数；其次，进行不同因素的单因素实验，确定各因素对加热温度的影响，为进一步正交实验的变量选取提供了实验依据。

（2）正交实验

以温度360℃为限，研究在不同功率、间距和线速度下加热辊辊面温度的变化速率。以室温至240℃为第Ⅰ阶段，240~320℃为第Ⅱ阶段，320~360℃为第Ⅲ阶段。采用加权评分法对3个阶段的加热速率进行综合计算，以各个阶段的温度范围的比例为加权标准，以综合评价值Rs 作为实验指标，计算公式见式(1)。

Rs =0.64Rs 1+0.24Rs 2+0.12Rs 3 (1)

式中，Rs 1为Ⅰ段的加热速率；Rs 2为Ⅱ段的加热速率；Rs 3为Ⅲ段的加热速率；Rs 为评价指标。

以综合评价值Rs 为实验指标，选择功率、间距、线速度3因素进行L 9(34)正交实验[

9]。实验因素水平表如表1所示。

表1 正交实验因素水平表
水平（A）功率/kW（B）间距/mm（C）线速度/m·min－1
1 4 10 24.50
2 6 15 36.75
3 8 20 49.00

2 结果与讨论

2.1　单因素实验

（1）功率对温度的影响

以间距为15 mm、线速度为36.75 m/min，选取功率为4、5、6、8 kW进行实验，结果如图2所示。

图2 功率对温度的影响

由图2可以看出，在加热初始阶段，温度变化随时间不断加剧，当温度上升至一定值后，温度变化逐渐变慢，最终趋于平稳；随着加热功率的增大，温度变化越快，加热速率明显提高，最终达到的温度也进一步提高。当功率为8 kW时，与其他功率下的加热结果相比，温度变化最快，最终趋于平稳的温度也最高（达到400℃），可满足高温度的工艺要求；而功率为4 kW时，温度变化慢，加热时间过长，最终温度远低于功率为8 kW时的温度。

（2）间距对温度的影响

以功率为6 kW、线速度为36.75 m/min，选取间距为10、15、20、25 mm进行实验，结果如图3所示。

图3 间距对温度的影响

由图3可以看出，在加热初始阶段，温度急剧变化，随着间距的提高，温度变化逐渐变慢，最终趋于平稳；随着间距的减小，温度变化加快，加热温度也有明显的上升。当间距为10 mm时，温度变化最快，且最终达到的温度最高，达到400℃；当间距为15、20 mm时，温度变化逐渐变慢，最终温度降低；而当间距为25 mm时，温度变化最慢，温度达到320℃左右时，温度再难以有大幅度的提升，且加热时间长，加热效率低。

（3）线速度对温度的影响

以功率为6 kW、间距为15 mm，选取线速度为24.50、36.75、49.00、61.25 m/min进行实验，结果如图4所示。

图4 线速度对温度的影响

由图4可以看出，在相同时刻，较高线速度下的温度略高于较低线速度的温度，但差距不明显；不同线速度下，辊筒温度变化趋势基本相似，且辊筒温度最终能达到的范围基本相同；线速度的变化对加热速率的影响较小。

2.2　正交实验

2.2.1　正交实验结果与分析

根据单因素实验的结果，选用功率、间距、线速度为实验因素进行正交实验。实验方案设计和实验结果如表2所示。

表2 正交实验设计与结果
实验编号（A）功率/kW（B）间距/mm（C）线速度/ m·min－1 空白列 Rs 1/℃·min－1 Rs 2/℃·min－1 Rs 3/℃·min－1 Rs /℃·min－1
1 1 1 1 1 18.89 7.08 2.22 14.055
2 1 2 2 2 18.14 6.63 1.68 13.402
3 1 3 3 3 12.94 6.15 1.54 9.942
4 2 1 2 3 33.21 16.99 10.55 26.598
5 2 2 3 1 32.20 19.54 10.82 26.596
6 2 3 1 2 14.67 8.00 3.64 11.746
7 3 1 3 2 38.48 21.01 11.03 30.993
8 3 2 1 3 36.70 19.84 10.37 29.494
9 3 3 2 1 18.20 9.43 4.75 14.481
K 1 12.466 23.882 18.432 18.377
K 2 21.647 23.164 18.160 18.714
K 3 24.989 12.056 22.510 22.011
极差R 12.523 11.826 4.350 3.634
因素主→次 A→B→C
最优组合 A 3 B 1 C 3

由表2可以看出，影响加热速率Rs 的因素主次顺序为A（功率）、B（间距）、C（线速度）；功率和间距对加热速率的影响较大，而线速度对加热速率的影响较小。这与单因素实验结果一致。在K值中，KA 3、KB 1、KC 3的值相对最大，所以加热速率提高最快的最优条件为：A 3 B 1 C 3。

2.2.2　方差分析

本实验为3因素3水平的正交实验，不考虑交互作用，经过方差分析[

10]得出如表3所示的结果。由表3可知，功率（A）和间距（B）对加热速率的影响显著，线速度（C）对加热速率的影响显著性不高。

表3 方差分析表
因素离差平方和自由度平均离差平方和 F值 F临界值显著性
A 252.277 2 126.139 10.427 9.00 *
B 263.742 2 131.871 10.901 9.00 *
C 35.632 2 17.816 1.473 9.00
e 24.194 2 12.097
注：

注   选取α=0.10，*表示显著。

2.2.3　效应趋势图

正交实验的效应趋势图如图5所示。从图5可以看出，加热速率随功率的增大而不断变大，当功率为8 kW时，加热速率最大；加热速率随间距的增大而不断变小，当间距为10 mm时，加热速率最大；加热速率随线速度的变化基本变化不大。

图5 正交实验效应趋势图

2.2.4　验证实验

根据正交实验所得的最优条件A 3 B 1 C 3，即功率为8 kW、间距为10 mm、线速度为49.00 m/min，进行了3组最优条件的验证实验，实验结果如表4所示。

表4 验证实验结果
实验编号（A）功率/kW（B）间距/mm（C）线速度/m·min－1 Rs 1/℃·min－1 Rs 2/℃·min－1 Rs 3/℃·min－1 Rs /℃·min－1
1 8 10 49.00 38.30 19.85 13.00 30.836
2 8 10 49.00 37.38 21.29 9.83 30.212
3 8 10 49.00 37.29 20.93 10.02 30.091

由表4结果可知，最优条件下所做实验结果均大于正交实验（表2）中除最优条件外的实验结果，即在功率8 kW、间距10 mm、线速度49.00 m/min条件下进行加热，压光机加热速率最大。

3 结 论

选取（加热）功率、（加热辊辊面与加热装置的）间距和（辊面）线速度3个因素进行实验研究，以得到最好的加热参数，为电磁感应加热式压光机的设计提供相关数据理论。

3.1 单因素实验结果表明，功率和间距对加热温度的影响较大，线速度对加热温度的影响不显著。当加热功率为8 kW或间距为10 mm时，加热辊温度变化较快，最终温度也较高；随着功率的减小和间距的增大，温度变化随之变慢，最终温度降低；当功率为4 kW或间距为25 mm时，加热辊温度变化较慢，趋于平稳后的温度较低；线速度变化对加热辊温度变化的影响较小。

3.2 正交实验和验证实验结果表明，当加热功率为8 kW、间距为10 mm、线速度为49.00 m/min时，加热速率最大。

3.3 在较高温度（400℃左右）要求的工作环境下，宜采用大功率（8 kW）和小间距（10 mm）的方式，避免因功率过小或间距过大而造成温度难以满足工艺要求。

3.4 实验结果只是针对现有的条件进行的研究，对于更大功率或线速度的影响还需进一步研究。

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