等壓氣浮動低壓短周期連續熱壓機設計計算*

朱長慶 張 健 羅 斌 李 黎

（北京林業大學材料科學與技術學院，北京 100083）

我國是木質人造板生產大國，2019年人造板產量為3.086億m3，其中膠合板18 006萬m3，纖維板6 199萬m3，刨花板2 980萬m3，其他人造板3 674萬m3[1]。木材工業中約80%的人造板被用于制造木質家具、室內裝修材料等，木質人造板在加工成各種日用木制品時，多數需要經過表面裝飾處理。目前人造板表面裝飾處理廣泛使用單層或多層短周期飾面熱壓機。周期間歇式的短周期貼面熱壓機存在貼面板受熱不均、板材易變形、生產過程自動化程度低、生產不連續、生產效率不高等問題[2-4]。此外，我國膠合板產量巨大，近年來膠合板連續自動化生產已經提上我國木材工業技術改造的日程，仿照刨花板和纖維板連續熱壓機生產線，研發膠合板用等壓連續熱壓機已有多方嘗試。

針對目前人造板飾面工藝和周期式飾面熱壓機存在的問題，借鑒人造板熱壓工藝中連續熱壓機的工作原理[5-6]，研究設計了一種用于人造板表面貼面裝飾或膠合板熱壓成型的雙鋼帶等壓氣浮動的連續平壓熱壓機，根據木質人造板貼面工藝，設計并分析了等壓氣浮動連續熱壓機的結構和基本工作性能。

1 等壓氣浮動短周期貼面熱壓機結構

本文研發的人造板連續熱壓飾面工藝摒棄了傳統的上、下熱壓板周期、間歇的熱壓方式，借鑒目前刨花板等人造板熱壓工藝采用的連續熱壓機，設計研發一種雙鋼帶連續平壓熱壓機，其結構如圖1所示，以實現飾面板材上、下面同時加熱加壓，板坯連續進給、熱壓膠合成型的生產過程。飾面連續熱壓機采用下熱壓板和鋼帶固定，上熱壓板和鋼帶下壓式加壓方式。由于短周期貼面熱壓機要求板面壓力低，僅1～2 MPa；溫度在200 ℃以內；板坯加熱時間和熱壓周期短；板坯運行速度高，生產效率高，故等壓氣浮動短周期貼面連續熱壓機采用高壓壓縮空氣在熱壓板或熱壓板襯板與鋼帶之間氣浮動式支撐，熱壓板與鋼帶間不用輥子鏈毯，而是在熱壓板襯板板面鉆削若干個小孔，在襯板背面充入一定壓力的熱空氣，熱空氣既是鋼帶的加熱介質和支撐加壓介質，也是熱壓板襯板與鋼帶之間的潤滑劑，鋼帶與熱壓板之間的熱壓縮空氣形成浮動氣墊，其工作原理類似于滑動軸承。熱壓板襯板四周和板面上按照一定間隔加工出縱、橫向的槽，槽內鑲填聚四氟乙烯條，這些聚四氟乙烯條由壓縮彈簧推動，其表面與鋼帶緊密接觸。作為熱壓縮空氣的密封件，聚四氟乙烯的摩擦系數很小，因此也是鋼帶運行的支撐件和固體潤滑件。聚四氟乙烯條將熱壓板襯板和鋼帶之間分割為若干個腔，形成氣墊腔，根據帕斯卡定律氣墊腔內空氣壓力各處相等，高壓的熱壓縮空氣在氣墊腔內垂直噴射到鋼帶表面，打破鋼帶表面空氣的滯流層，傳遞熱量至鋼帶，同時高壓熱壓縮空氣的壓力和噴出速度決定了氣墊的剛度和支撐力度。由于板坯壓縮量小，通過計算機數字控制系統實現下壓油缸位置控制，下壓油缸依據貼面板坯的厚度保持在確定的位置和一定的壓力，根據板坯材料和貼面材料的性質，調節上鋼帶和上熱壓板由前向后1～2°的傾斜度，以保證貼面板坯逐步壓縮，由于壓縮空氣有一定的彈性，根據負載被壓縮板坯的情況，熱壓縮空氣會使鋼帶有小范圍的浮動。

圖1 等壓氣浮動短周期貼面熱壓機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the short cycle and continuous hot press with isobaric and floating pressure of pneumatic

等壓氣浮動短周期貼面熱壓機具備以下優點： 1）自動連續進料，提高了熱壓速度和生產效率；省去了多層熱壓機裝卸料的時間，使生產效率進一步提高。2）板坯在熱壓機中沒有無壓受熱時間，加熱加壓均勻，膠黏劑同時受熱固化，膠合質量高。 3）鋼帶提供的板面單位壓力不高，適合于表面裝飾加工。 4）自動連續生產，降低了勞動強度，可減少用工數量。

2 等壓氣浮動短周期貼面熱壓機結構設計

2.1 鋼帶張緊力計算

鋼帶運行時的阻力包括夾持工件的驅動力與工件自身重量，如果連續熱壓機的下鋼帶位置固定，工件施壓是由上鋼帶、熱壓板部件完成，并夾持工件進給。以下按照工件長度10 000 mm，寬度2 500 mm進行設計與計算。

壓緊力P（kg）為：

式中：p為板面壓力，p=1.2 MPa；A為施壓面積，m2。

鋼帶牽引板坯的摩擦牽引力F（kg）為：

式中：μ1為鋼帶與實木的靜摩擦系數，取μ1=0.56。

鋼帶與熱壓板之間的摩擦力F（kg）為：

式中：μ2為鋼帶與聚四氟乙烯的動摩擦系數，取μ2=0.004。

鋼帶夾持板坯進給，板坯在鋼帶上不允許有相對滑動，鋼帶與熱壓板表面的聚四氟乙烯之間相對滑動產生摩擦力，作用于鋼帶的長度方向。鋼帶在驅動輥筒的驅動下至少要克服以上2項力的合力。

鋼帶與驅動輥筒之間的摩擦力為鋼帶運行的驅動力[7-9]。輥筒的驅動力F（kg）為：

式中：N為正壓力，N=11 200 000 kg；μ3為鋼帶與鋼制輥筒的靜摩擦系數，取μ3=0.15。

此處的正壓力，也就是鋼帶的張緊力。鋼帶與驅動輥筒的接觸長度為2 600 mm，故鋼帶與輥筒接觸處的線壓力為43 076 kg/cm。驅動輥筒的直徑為1 500 mm，則接觸面上的單位壓力為9.15 MPa。

實際上鋼帶驅動木質貼面板坯運行的牽引力，應該為在鋼帶夾持下，板坯從靜止狀態到勻速運動產生的作用力，按照鋼帶夾持板坯的體積為0.5 m3，如材料為高密度纖維板，密度以900 kg/m3計算，材料的質量為450 kg，在1/3 000 s內被加速到0.2 m/s（12 m/min）。按牛頓定律作用力為質量與加速度的積，此時的作用力為270 000 kg。熱壓機負載產生的作用力或鋼帶實際需要的張緊力應該不會大于前述計算的正壓力，板坯在上下鋼帶夾持的壓力作用下，上下鋼帶主動邊負載拉力低于按摩擦力計算的值。

2.2 張緊驅動輥筒直徑和鋼帶彎曲應力計算

如鋼帶厚度取2.0 mm,初步估算驅動輥筒直徑為750倍的鋼帶厚度。

驅動輥筒直徑D（mm）為：

鋼帶在驅動輥筒上的彎曲應力σ（MPa）為[10-11]：

式中：Es為鋼的彈性模量，取197 000 MPa；μ為鋼的泊松比，取0.27。

計算得到鋼帶的彎曲應力141.66 MPa。鋼帶的屈服強度極限為1 600 MPa，因此是安全的。在滿足張緊力要求和使用要求條件下，鋼帶厚度不宜過大，推薦鋼帶厚度選用2.0 mm。

2.3 鋼帶與熱壓板耐磨襯板之間壓力和摩擦力確定

按照熱壓板長度為10 400 mm，寬度為2 600 mm計算，則熱壓板對鋼帶的壓緊力P（kg）為：

式中：p為板面壓力，p=1.2 MPa；A為施壓面積，m2。

熱壓板油缸按熱壓板橫向每排5個，熱壓板縱向16排，共計80個油缸，油缸缸徑以250 mm計算，油缸總缸徑面積A2=39 250 cm2，油缸液壓油的工作壓力p=8.27 MPa。

鋼帶張緊力為11 200 000 kg，熱壓板頂起鋼帶2 mm，熱壓板邊緣到鋼帶驅動輥筒中心距離為2 m。由于熱壓板頂起鋼帶2 mm，α=0.053 7°，鋼帶對熱壓板的反作用力=1 128 000×sinα=11 200 kg，鋼帶在熱壓板兩端的總作用力為22 400 kg。

因此，控制熱壓板作用部分的鋼帶比驅動輥筒最高和最低點處鋼帶高2 mm，采用機械結構限制油缸下壓和抬起的高度，同時監控工作部分鋼帶的位置，控制油缸的供油壓力[12-13]。

圖2 熱壓板與鋼帶相對位置關系Fig.2 The relative position of hot press plate and steel belt

熱壓板對鋼帶的作用力為3 244 800 kg，聚四氟乙烯條間隔1 000 mm，寬度40 mm，沿熱壓板四周均布，形成網格。聚四氟乙烯條的長度為48 600 mm，表面積為19 440 cm2，表面壓力為16.7 MPa。對聚四氟乙烯條的壓力顯然過大，單個支持聚四氟乙烯條彈簧承受的力過大，因此聚四氟乙烯條不能承受所有作用力。在熱壓板襯板與鋼帶之間，除聚四氟乙烯條與鋼帶接觸傳遞作用力外，熱壓板襯板與鋼帶之間氣墊腔充入的高壓壓縮空氣對熱壓板和鋼帶同時施加作用力，聚四氟乙烯條上作用力產生的壓力將不大于3 MPa，可以滿足要求。熱壓板、襯板和襯板上聚四氟乙烯條具體結構如圖2所示。熱壓板襯板上聚四氟乙烯鑲嵌結構如圖3所示。

圖3 聚四氟乙烯鑲嵌結構Fig.3 The structure of polytetrafluoroethylene mosaic

2.4 鋼帶受熱、受拉作用下的長度延展計算

鋼帶所選用的鋼材在受熱條件下會發生熱膨脹，在長度、寬度和厚度方向材料尺寸會增大。在長度方向上，鋼帶內周長增大會引起驅動張緊鼓輪的張緊力降低，鋼帶與鼓輪間的摩擦力減小，鋼帶在鼓輪上打滑，其線速度失調，因此張緊鼓輪需實時調整位置，以補償鋼帶內周長的增加，保持足夠大的張緊力[14-16]。

鋼帶材料的熱膨脹系數在20～200 ℃區間內為11.5×10-6m/m·℃，假如鋼帶溫度由室溫20 ℃升高至180 ℃，那么，12 m長度的鋼帶延展22.80 mm，2.6 m寬度的鋼帶延展4.78 mm，厚度膨脹的數值可忽略不計。

鋼帶由于張緊力拉伸而引起的延長和寬度方向收窄，其張緊力為270 000 kg，橫截面積為59 800 mm2。12 m鋼帶被拉伸后，其延展變形為26.95 mm。

在受熱、張緊條件下，鋼帶在長度方向的延展最重要，此條件下12 m長度的鋼帶有49.75 mm的延展，為保持鋼帶在工作過程有效一致的張緊力，鋼帶必須應具備實時自動張緊補償[17]。

2.5 壓縮空氣量消耗計算

2.5.1 等靜壓條件下壓縮空氣耗量計算

根據帕斯卡定律的靜壓力基本方程，密閉容器內，施加于靜止液體上的壓強將以等值同時傳到各點，這就是靜壓傳遞原理。木質人造板表面裝飾貼面的熱壓機工作原理是一種雙向加壓的軸向壓制方法[10-12]。此處，鋼帶相當于彈性模具在受到流體介質壓縮空氣的壓力時，將壓力傳遞給貼面材料和基材，被壓人造板坯料幾乎不變形，貼面材料厚度很小，密度分布一致，坯料受力均勻，產品性能有保障。

木質工件表面裝飾貼敷熱壓溫度在200 ℃以內，常用溫度在160 ℃左右，通常單位壓力在1.2～1.5 MPa。板坯組坯后，板坯基材上下表面敷貼的貼面裝飾材料，可以是實木單板或三聚氰胺裝飾紙。經過預壓，板坯基本已經成型，連續進入熱壓機后，在上下鋼帶夾持下進料，同時受壓和受熱，貼面材料在壓力和熱量作用下通過膠黏劑膠合固化成型。鋼帶的熱量來自于驅動張緊鼓輪、熱壓板和熱壓縮空氣，壓力來自于熱壓板和鋼帶與熱壓板之間作用的高壓壓縮空氣。壓縮空氣在鋼帶表面形成各點等壓的作用力，使被貼敷板坯在上下平面獲得各點相等的壓力，板坯平面上獲得類似等靜壓，該等靜壓主要來自于壓縮空氣。因此上熱壓板下壓到確定位置后固定，壓力主要來自壓縮空氣。

貼面熱壓機中，熱壓板的作用主要是傳遞熱量和施加作用力，為覆面材料和基材提供充分的接觸和膠黏劑固化條件。而上下雙鋼帶連續貼面熱壓機中熱壓板的主要作用是承受載荷，確保鋼帶在相對穩定的運行狀態中的運行軌跡。上下雙鋼帶連續貼面熱壓機與靜壓軸承具有相似的工作原理，空氣靜壓軸承是在軸瓦和軸微小的間隙之間形成空氣膜，在非接觸狀態下支承負荷。

氣壓浮動指的是通過氣壓將鋼帶從熱壓板表面微微抬起，以減少熱壓板對鋼帶的壓力，從而減少摩擦阻力。但是浮動力不宜過大或過小。浮動力過大鋼帶運行可能發生顫震現象；浮動力過小可能達不到減壓效果，使驅動負載過大。因此，要對氣壓浮動系統進行特別設計。氣壓浮動結構設計在于熱壓板的防磨襯板，襯板表面加工有溝槽，溝槽內嵌入聚四氟乙烯條，聚四氟乙烯條在彈簧推動下頂在鋼帶表面上，將熱壓板與鋼帶之間分隔為若干個空腔，聚四氟乙烯與鋼帶之間存在相對滑動，但其摩擦系數小，同時自身具有潤滑性。襯板內部加工出若干縱橫方向相連通的氣孔，氣孔通過氣管接頭氣動裝置的氣泵相接。每個聚四氟乙烯條在熱壓板與鋼帶之間分隔出的空腔與垂直襯板表面的若干氣孔聯通。工作時，通過氣動裝置向襯板的氣孔內供入帶有一定壓力的壓縮空氣，壓縮空氣進入聚四氟乙烯條在熱壓板與鋼帶之間分隔出的空腔，在熱壓板與鋼帶的結合面處形成氣體靜壓軸承，對鋼帶產生一定的作用力。該作用力抵消了熱壓板的一部分壓力，使熱壓板與鋼帶之間的接觸面壓力減小，從而減小了摩擦力。

熱壓板面壓為1.2 MPa，液壓系統油缸在熱壓板上方輸出的作用力為3 000 000 kg。熱壓板與鋼帶之間充入壓縮空氣壓力為0.8 MPa，熱壓板與鋼帶之間的摩擦力為40 000 kg。壓縮空氣耗量為45 L，壓縮空氣的流量45 L/min。

2.5.2 模仿氣墊船浮壓條件下壓縮空氣耗量計算

氣墊船在水面和船底之間采用高壓下圍擋封成一個空氣層，利用空氣產生的靜壓力支撐全部或部分船體，以減少船體在移動中的摩擦力[18]。按照氣墊船墊升性原理，計算與分析熱壓板與鋼帶之間充入壓縮空氣產生的浮動抬升力，以及受壓面積和空氣流量[19-20]。

圖4 氣墊面積圍線尺寸試件（mm）Fig.4 Air cushion size （mm）

根據總布置圖，得到的氣墊面積圍線尺寸如圖4所示。熱壓板與鋼帶在熱壓板全面積接觸，氣墊長Lc=10.00 m，寬Bc=2.60 m，面積Sc=26.00 m2，有效氣墊長Lce（m）為：

氣墊周長Lc=25.20 m，熱壓板的作用力相當于氣墊船的滿載排水量W=3 120 t時，氣墊壓力為：

壓長比：Pˉc=kPc/(ρgLce)=8 800，其中k為修正系數，g為重力加速度，g=9.81 m/s2，k通常為0.85～90，取0.88，空氣密度ρ取1.2 kg/m3。

參考氣墊船泄流高度[19-22]，即氣墊船有效抬起高度he的計算公式如下：

如果鋼帶在熱壓板上被抬起的距離相當于氣墊船的有效抬起高度，he=0.1 mm。則壓縮空氣的流量應該保持Qc=2.5 m3/s，約等于41 L/min.。與上述等靜壓條件計算出的壓縮空氣耗量基本相當。

3 鋼帶有限元熱構耦合作用下的力學性能計算

3.1 建立有限元模型

建立鋼帶與熱壓板熱構耦合作用力計算模型[21-23]，鋼帶厚度為2 mm，鋼帶其他技術參數如表1所示，熱壓板最終溫度為200 ℃，熱壓板和壓縮空氣作用在鋼帶上的均布壓力為1.2～1.6 MPa。鋼帶體積為2 600 mm ×10 000 mm × 2 mm，壓制的木質貼面坯料2 500 mm ×10 000 mm × 20 mm，底部固定。鋼帶上最高壓力為2.3 MPa，有限元模型如圖5所示。模型中沿鋼帶長度方向定義為X軸，鋼帶寬度方向定義為Y軸，X和Y軸構成鋼帶平面，垂直于鋼帶平面，從鋼帶表面起定義為Z軸。

表1 鋼帶材料物理力學性能參數Tab.1 Physical and mechanical properties parameters of steel belt materials

采用shell單元劃分鋼帶模擬網格[24-25]，賦予厚度2 mm；以熱壓機壓制的木質坯料基材為中密度纖維板，飾面材料為水曲柳刨切單板，厚度1 mm為例，不考慮坯料熱效應，水曲柳彈性模量15 790 MPa，泊松比0.5，密度0.67 g/cm3。復制鋼帶shell網格單元到壓制的木質貼面坯料上，下移2 mm，拉伸厚度為20 mm，結構上為3層體單元。

由于實際工況條件下，鋼帶、熱壓板和工件的約束條件變化較多，各種加工條件下工作狀況難以準確一致，因此建模時要考慮鋼帶、熱壓板和工件相對惡劣的工作約束情況。鋼帶X方向右端、Z方向設定存在水平方向和垂直方向平動的自由度TX、TZ，空間三個方向存在所有維度的轉動約束RX、RY、RZ。鋼帶左端設定存在X方向和Z方向轉動自由度約束RX、RZ。鋼帶中央一列節點設定存在平動自由度約束TY。設定工件底部X、Y、Z三個方向上存在平動自由度約束。模擬鋼帶驅動回轉鼓輪牽拉鋼帶的拉力，在鋼帶左端施加270 000 N的拉力FX，對于鋼帶左側的131個節點，相當于每個節點施加2 061 N的拉力。鋼帶上表面施加2.3 MPa的均布壓力。

3.2 計算結果分析

鋼帶在兩端拉力、上表面均布壓力、溫度由20 ℃升高至200 ℃的作用下，空間三維方向都發生了變形，在X方向，即鋼帶的長度方向上變形最大，延伸23.34 mm，延展率0.23%。在Y方向，即鋼帶的寬度方向變形不大，延伸5.2 mm，延展率0.20%。在力和熱的作用下，鋼帶在縱、橫方向上，延展率相差不大。在Z方向，即鋼帶的厚度方向變形很小，膨脹8.31×10-3mm，延展率為0.42%。鋼帶整體變形量為23.49 mm，如圖6所示。

由單純受熱條件下鋼帶變形量的結果：U1=20.69 mm；U2=5.38 mm，可以看出，如果僅僅考慮力的作用，而不考慮鋼帶熱變形，鋼帶在X方向的變形量僅為2.8 mm，Y方向的變形量為-0.178 mm。

圖6 溫度由20 ℃升至200 ℃，同時施加拉力和壓力的鋼帶整體變形（mm）Fig.6 The overall deformation of the steel belt when temperature increased from 20 ℃ to 200 ℃, under tensile force and pressing force simultaneously（mm）

以上結果表明，如果僅僅在鋼帶兩端施加張緊力，同時在鋼帶上表面施加壓力，鋼帶的延伸變形很小，在受力和受熱過程中，溫度變化引起鋼帶體積膨脹而造成的長度、寬度和厚度方向的延展是主要的變形，鋼帶受力引起的拉伸和壓縮變形，小于熱變形。并且鋼帶寬度上熱變形和張緊變形可以互相補償抵消。

基于以上分析和計算，在兩端受拉、表面受壓和升溫180 ℃的作用下，鋼帶長度方向變形最大。因此，設計時，鋼帶兩端的驅動和張緊鼓輪中主動輪一端采用固定軸承座，被動鼓輪端采用滑動軸承座，軸承座安裝在機身的導軌內，油缸推動軸承座保持足夠的張緊力，按0.23%的延展率確定導軌的行程。

圖7 溫度由20 ℃升至200 ℃，同時施加拉力和壓力鋼帶的應力值（MPa）Fig.7 The stress value of the steel strip when temperature increased from 20 ℃ to 200 ℃, under tensile force and pressing force simultaneously (MPa)

鋼帶在兩端拉力，上表面均布壓力，升溫180 ℃的作用下，鋼帶在最左端拉伸處，即鋼帶與被動鼓輪接觸線處出現最大應力為65.35 MPa，如圖7所示。與鋼帶接觸受到壓力作用的木質工件最大應力發生在工件的周邊，最大應力為3.24 MPa，如圖8所示。

圖8 溫度由20 ℃升至200 ℃，同時施加拉力和壓力木質工件的應力值（MPa）Fig.8 The stress value of the wood workpiece when temperature increased from 20 ℃ to 200 ℃, under tensile force and pressing force simultaneously (MPa)

4 結論

1）理論設計計算結果表明：等壓氣浮動低壓短周期連續熱壓機鋼帶厚度選用2.0 mm為宜。熱壓機的聚四氟乙烯條不足以承擔鋼帶的壓力和摩擦力，因此必須要形成氣墊以支撐鋼帶運行。在兩端張緊、受熱作用下，長度12 m鋼帶的縱向最大延展為49.75 mm，鋼帶必須具備實時自動補償張緊裝置。等靜壓和模仿氣墊船浮壓條件計算壓縮空氣耗量為40 ～45 L/min。

2）鋼帶有限元熱構耦合模型計算結果表明：鋼帶兩端張緊、上表面均布壓力、溫升180 ℃作用下，鋼帶長度方向延展23.34 mm，寬度方向延展5.2 mm，整體變形23.49 mm。鋼帶與被動張緊鼓輪接觸線出應力最大為65.35 MPa。理論設計計算和模型計算分析結果表明等壓浮動低壓短周期連續熱壓機設計方案具有可行性。