直壓硫化工藝金屬內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱均勻性的試驗(yàn)研究

焦志偉，孫嘉樂，張金云，王 雷，于 源，閻 華，楊衛(wèi)民

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

為了滿足高性能汽車的需求，輪胎正向著高耐磨、低滾動(dòng)阻力、抗?jié)窕偷驮肼?個(gè)方面發(fā)展[1]。硫化作為使得橡膠內(nèi)部線性大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生交聯(lián)的輪胎關(guān)鍵制造工藝，對(duì)于提升輪胎各項(xiàng)性能起著十分重要的作用[2-3]。但是傳統(tǒng)硫化工藝存在兩大問題，即硫化不均勻和成品輪胎硫化精度低，膠料分布不均勻。由于傳統(tǒng)硫化工藝大多采用蒸汽作為介質(zhì)，為輪胎硫化提供所需的壓力和溫度，而硫化過程中蒸汽會(huì)產(chǎn)生冷凝水，影響溫度場(chǎng)，導(dǎo)致輪胎硫化不均勻。此外，膠囊作為傳統(tǒng)硫化工藝所采用的中心機(jī)構(gòu)，由于其自身的高彈性和低剛性，勢(shì)必難以獲得均勻的幾何結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分布，并且存在著膨脹不完全、不對(duì)稱、材料易老化等問題，從而導(dǎo)致輪胎的硫化精度不高，動(dòng)平衡和均勻性較差[4]。針對(duì)傳統(tǒng)硫化工藝的種種缺點(diǎn)，相關(guān)研究人員提出了一種新型的直壓硫化技術(shù)。

直壓硫化技術(shù)采用可脹縮金屬內(nèi)模代替膠囊作為硫化工藝的中心機(jī)構(gòu)，使用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)為硫化提供溫度。高剛性的金屬內(nèi)模為硫化提供了足夠的硫化壓力，保證了輪胎的硫化精度；同時(shí)電磁感應(yīng)加熱耗能小、升溫速度快、控溫精確，為實(shí)現(xiàn)輪胎均勻硫化提供了可能性[5]。

本工作以直壓硫化內(nèi)模為研究對(duì)象，通過理論和試驗(yàn)分析影響直壓硫化內(nèi)模溫度場(chǎng)的因素。

1 直壓硫化內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)

直壓硫化內(nèi)模的電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)主要由鼓瓦、線圈繞組和導(dǎo)磁體組成[6]，每一塊鼓瓦背部固定一組線圈繞組，線圈繞組拆分為兩段，左右對(duì)稱布置，每段線圈中內(nèi)置導(dǎo)磁體（見圖1）。工作時(shí)，高頻電流通入線圈繞組產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，金屬鼓瓦處于高頻交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生渦流，由于鼓瓦自身存在電阻，在渦流的作用下會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，由此實(shí)現(xiàn)電能到熱能的轉(zhuǎn)換。

圖1 直壓硫化內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)示意

電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)中導(dǎo)磁體的作用是通過控制磁通方向，使鼓瓦端部也能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并產(chǎn)生渦流[7]。目前，電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)中導(dǎo)磁體尺寸為15 mm×15 mm×192 mm，其長度與鼓瓦內(nèi)側(cè)兩端的距離相當(dāng)，這導(dǎo)致纏有線圈繞組的導(dǎo)磁體在通電后上下兩端的交變磁力線要比其他部位更密集，如圖2所示。同時(shí)這必然導(dǎo)致鼓瓦兩側(cè)與端部渦流熱效應(yīng)的不均勻[8]。為保證內(nèi)模兩側(cè)與端部的溫升趨于同步，提高鼓瓦表面電磁感應(yīng)加熱的均勻性，研究導(dǎo)磁體對(duì)鼓瓦表面溫度場(chǎng)的影響是十分必要的。

圖2 內(nèi)模磁力線分布示意

2 實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)磁體也稱磁通集中器，具有非線性的磁導(dǎo)率，因其磁阻較小而易于通過磁通，并且能夠控制磁通的密度和方向，改變感應(yīng)器中的電流分布，可以在較大程度上降低所處區(qū)域的磁阻[9]。

為研究導(dǎo)磁體對(duì)溫度場(chǎng)的影響，本工作以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以導(dǎo)磁體的長度和截面面積為對(duì)象，研究其對(duì)鼓瓦表面溫度場(chǎng)的影響。

2.1 導(dǎo)磁體長度

目前，直壓硫化內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)采用的電磁線圈布線方案為每根導(dǎo)磁體上只有單段的電磁線圈繞組且居中布置，由于耦合效應(yīng)，這種布線方式會(huì)使得鼓瓦中部的溫度過高。通過將單段電磁線圈繞組拆分成兩段，增大鼓瓦中部與線圈的距離，雖然降低了鼓瓦中部電磁感應(yīng)加熱的溫度，但兩段式繞組的布線方案拉近了繞組與鼓瓦兩端的距離，并且鼓瓦兩端自身的磁力線密度本就高于其他部位，在兩個(gè)因素的耦合作用下導(dǎo)致鼓瓦兩端的溫度過高。通過減小導(dǎo)磁體長度可以減小鼓瓦兩端磁力線的密度，進(jìn)而降低鼓瓦兩端的溫度。但減小導(dǎo)磁體長度的同時(shí)會(huì)影響導(dǎo)磁體的磁阻（Rm），計(jì)算公式如下：

式中，l為磁路的長度，μ為磁路的相對(duì)導(dǎo)磁率，s為磁路的截面面積[10]。

在磁路的長度和截面面積不變的情況下，減小導(dǎo)磁體長度相當(dāng)于增大磁路在空氣中的穿越長度，減小了相對(duì)導(dǎo)磁率，使得磁阻大幅度增加，導(dǎo)致鼓瓦整體的加熱功率隨之降低，從而對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響。

為研究不同長度導(dǎo)磁體對(duì)溫度場(chǎng)的影響，準(zhǔn)備了長度為160，165，170和192 mm的導(dǎo)磁體作為電磁感應(yīng)加熱試驗(yàn)材料。電磁感應(yīng)加熱試驗(yàn)的儀器有溫控器、時(shí)間繼電器、測(cè)溫儀、加熱器和鼓瓦。

采用磁吸式熱電阻直接貼附在鼓瓦表面的方法進(jìn)行測(cè)溫，如圖3所示。相較于熱電偶，熱電阻準(zhǔn)確度高（可達(dá)1 mk），并且輸出信號(hào)大、靈敏度高、測(cè)溫范圍廣、穩(wěn)定性好。熱電阻測(cè)溫?zé)o需參考點(diǎn)，溫度值可由測(cè)得的電阻值直接求出，輸出線性好。而熱電偶測(cè)溫必須有參考端并且溫度要保持恒定，在高溫或長期使用時(shí)，因受被測(cè)介質(zhì)影響或氣氛腐蝕作用（如氧化、還原）等而發(fā)生劣化，因此不適合在工作環(huán)境較差的條件下進(jìn)行測(cè)溫。

圖3 磁吸式熱電阻

由于測(cè)溫儀端口有限，選取5個(gè)有代表性的點(diǎn)作為鼓瓦的測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)布置如圖4所示。為方

圖4 測(cè)溫點(diǎn)位置示意

便對(duì)照，4種長度導(dǎo)磁體的電磁線圈繞組布線方式均采用兩段式，總電磁線圈圈數(shù)均為24，并且加熱同一塊鼓瓦。

2.2 導(dǎo)磁體截面尺寸

在電磁感應(yīng)加熱過程中，導(dǎo)磁體在高頻電流作用下會(huì)發(fā)熱，當(dāng)導(dǎo)磁體承受過高的功率時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的鐵損。在之前試驗(yàn)中所使用導(dǎo)磁體的截面尺寸均為15 mm×15 mm，導(dǎo)磁體兩端會(huì)產(chǎn)一定程度的鐵損，雖然不嚴(yán)重，但不利于導(dǎo)磁體的長期使用。

磁滯損耗的機(jī)理是磁通密度滯后于驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)[11]。其功率損耗為

式中，Ph為磁滯損耗，Ca，x和y為常數(shù)，f為交變磁場(chǎng)頻率，B為磁通密度峰值。

而渦流損耗是由磁通在導(dǎo)磁體中引起的小渦流造成的，這些渦流以熱的形式損耗，其能量的損耗可以表示為

式中，Pe為渦流損耗，Cb為常數(shù)，Ae為導(dǎo)磁體的有效截面面積，ρ為電阻率。在f和B一定的情況下，可以通過增大Ae或采用高電阻率的材料來減小渦流損耗，降低導(dǎo)磁體自身的功率損耗，從而達(dá)到降低其工作溫度的目的。

為減小導(dǎo)磁體的鐵損，延長導(dǎo)磁體的使用壽命，通過增大其截面面積來減小渦流損耗，試驗(yàn)準(zhǔn)備了長度為170 mm，截面尺寸分別為20 mm×15 mm和25 mm×15 mm的導(dǎo)磁體。

3 結(jié)果與討論

3.1 導(dǎo)磁體長度

不同導(dǎo)磁體長度電磁感應(yīng)加熱鼓瓦的溫升曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)導(dǎo)磁體長度從192 mm減小至170 mm時(shí)，鼓瓦兩端（4和5號(hào)點(diǎn)）的溫度從152 ℃降低至143 ℃，與鼓瓦其他部位的最大溫差從30 ℃降低至10 ℃。分析可得減小導(dǎo)磁體的長度能夠降低鼓瓦兩端磁力線的密度，從而降低鼓瓦兩端的溫度，使得鼓瓦表面的電磁感應(yīng)加熱更加均勻。

從圖5還可以看出：隨著導(dǎo)磁體長度的減小，鼓瓦兩側(cè)（1和3號(hào)點(diǎn)）溫升曲線的升溫速率逐漸減小，當(dāng)導(dǎo)磁體長度從170 mm減小至160 mm時(shí)，鼓瓦兩側(cè)的最終溫度從137 ℃降低至125 ℃，與此同時(shí)鼓瓦兩端的最終溫度只下降了6 ℃，使得鼓瓦表面的最大溫差從10 ℃增加到16 ℃。分析原因?yàn)閷?dǎo)磁體長度減小，磁路磁阻增大，從而導(dǎo)致加熱功率減小。

圖5 不同導(dǎo)磁體長度電磁感應(yīng)加熱鼓瓦的溫升曲線

綜上所述，當(dāng)導(dǎo)磁體長度為170 mm時(shí)，直壓硫化內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱最為均勻。

3.2 導(dǎo)磁體截面尺寸

不同導(dǎo)磁體截面尺寸的電磁感應(yīng)加熱鼓瓦的溫升曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，截面尺寸為20 mm×15 mm和25 mm×15 mm導(dǎo)磁體的最高加熱溫度分別為152和155 ℃，相較于截面尺寸為15 mm×15 mm導(dǎo)磁體的最高加熱溫度（143 ℃），均有大幅度提升。這是因?yàn)閷?dǎo)磁體的截面面積增大，導(dǎo)磁體自身的功率損耗減小，整體加熱功率提高。在溫度均勻性方面，由于導(dǎo)磁體截面尺寸的變化對(duì)鼓瓦表面溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致截面尺寸為20 mm×15 mm和25 mm×15 mm導(dǎo)磁體的最大溫差分別增大至12和15 ℃。雖然增大了導(dǎo)磁體的截面尺寸后，電磁感應(yīng)加熱的溫度均勻性有所降低，但導(dǎo)磁體鐵損的問題得到了解決。

圖6 不同導(dǎo)磁體截面尺寸的電磁感應(yīng)加熱鼓瓦的溫升曲線

在經(jīng)歷了多輪電磁感應(yīng)加熱試驗(yàn)，導(dǎo)磁體的兩端只有輕微變色，并未出現(xiàn)鐵損現(xiàn)象，這證明增大導(dǎo)磁體的截面尺寸可以減小其渦流損耗和功率損耗，有效解決了導(dǎo)磁體鐵損的問題。在充分考慮導(dǎo)磁體的使用壽命后可得，導(dǎo)磁體截面尺寸為20 mm×15 mm時(shí)直壓硫化內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱效果最好。

4 結(jié)論

（1）減小導(dǎo)磁體的長度可使得鼓瓦兩端磁力線密度下降，降低鼓瓦兩端過高的溫度，使電磁感應(yīng)加熱更均勻，但同時(shí)會(huì)增大磁路中的磁阻，導(dǎo)致鼓瓦的加熱功率下降。鼓瓦兩側(cè)的溫度對(duì)于導(dǎo)磁體長度的減小更加靈敏，當(dāng)導(dǎo)磁體的長度小于170 mm時(shí)，相比于鼓瓦兩端的溫度下降，鼓瓦兩側(cè)溫度下降的幅度更大。當(dāng)導(dǎo)磁體長度為170 mm時(shí)，直壓硫化金屬內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱最為均勻。

（2）增大導(dǎo)磁體的截面尺寸雖然會(huì)使得電磁感應(yīng)加熱均勻性有所降低，但可以減小導(dǎo)磁體的渦流損耗和功率損耗，有效解決了導(dǎo)磁體鐵損的問題。當(dāng)導(dǎo)磁體的截面尺寸為20 mm×15 mm時(shí)，直壓硫化金屬內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱效果最好。