加热方式对注塑机性能影响的研究.pdf

第卷 第期沈 阳 化 工 大 学 学 报.收稿日期:作者简介:王立强()男辽宁北镇人副教授博士主要从事橡塑机械及工艺性能的研究.文章编号:()加热方式对注塑机性能影响的研究王立强 张绍恒(沈阳化工大学 机械与动力工程学院 辽宁 沈阳)摘 要:以注塑机机筒加热方式和物料的塑化过程为研究对象通过模拟和实验分析对比研究红外加热与电阻加热方式的温升过程对比研究不同加热方式和螺杆转速变化对注塑机塑化能力的影响.温升过程的模拟与实验结果表明红外加热模式可提升有效加热速度注塑机塑化能力的实验结果表明红外加热可略微提升塑化能力螺杆转数的增加可使塑化能力明显增强.因此采用红外加热方式可以有效提升加热效率又能在塑化能力提升方面有一定的辅助作用.关键词:注塑机 加热 模拟 塑化:./.中图分类号:文献标识码:自 世纪 年代以来塑料原材料的体积年产量已超过钢的体积年产量并保持强劲的增长势头.目前世界塑料原材料产量中 左右用于注塑生产其主要设备 注塑机向着高效、精密及智能化的方向发展 而其中的高效是指在低能耗下实现高产.为实现塑料在注塑机机筒内由固体颗粒转换成熔融的流体状态并完成注塑成型对机筒加热升温是实现高效注塑的重要手段.目前电阻加热是常见的加热方式其缺点是加热效率非常低.但随着科学技术的发展先后出现了高频电磁感应加热、红外加热等新型加热方式许多学者对其进行了研究.在高频电磁感应加热的研究中常士家、朱翠玉通过采用数值模拟、有限差分的研究方法对感应加热的电磁场和温度场的相互关系、相关的各物理量的相互影响进行了讨论和分析.由于高频电磁感应加热系统的电控系统复杂、温升过快、价格相对较高等因素在注射成型机的应用较少.而红外加热技术受益于热辐射的基尔霍夫定律、维恩位移定律和普朗克定律等基础理论的逐渐完善精确辐射的研究逐渐成为传热领域的一个独立分支.红外加热技术作为一种节能环保型技术具有加热速度快、物料内部发热和加热效率高、能源利用率高、环保、安全系数高、价格便宜等一系列优点近些年被应用到注塑机机筒上从而取代现有的电阻式加热.海天塑机集团通过改造红外加热器对注塑机机筒实施新型远红外加热测试结果表明节能效果显著.段强利用改造的红外加热装置对模具实施加热实验也取得良好效果.基于以上的讨论表明红外加热效果明显但是目前红外加热技术应用在实际生产设备上的较少.因此本文将电阻加热、红外加热应用在注塑机上对电阻加热方式、红外加热方式产生的加热效果进行模拟和实验研究对比加热方式对注塑机塑化性能的影响为注塑机高效、精密及智能化的发展提供参考.加热理论分析注塑机的机筒部分(图 所示)是完成塑料从固态颗粒状态到可实施注塑生产熔融状态转换场所是由螺杆、机筒和加热器组成.在螺杆螺纹沟槽与机筒内壁所组成的空间输送物料同时 第 期王立强等:加热方式对注塑机性能影响的研究 物料在外部加热器的作用下吸热(产热)达到熔融进而在螺杆的推送下完成注塑成型.因此机筒的加热方式和温度控制是注塑成型的重要工艺参数直接影响塑化性能.基于前文的讨论与分析本文采取实验分析与模拟对比的研究方法选择红外加热方式和电阻加热方式通过实验和模拟分析研究机筒在不同的螺杆转速下注塑机的预热时间、产量等性能参数的变化进而优化设计注塑机.注塑机在生产工作过程中按照物料沿中心轴线(向)上的状态变化分为喂料段、熔融段和均化段物料在 个阶段均受到外部加热的影响.鉴于加热方式的不同传热(产热)过程中的分析必须基于一定的条件由于电阻加热器和红外加热器的结构均为圆形且都是均布在机筒的外壁因此加热过程中温度场中各物理量在机筒圆周方向呈高度对称分布.假设机筒材料在轴向上均匀受热同时径向上受热沿半径(、向)变化同时考虑到稳定加热时加热器腔内沿加热器径向的温度场趋近均匀分布加热源视为连续型的环状加热源.基于以上的分析与假定如图 所示建立三维坐标选取机筒截面 设定边界条件建模求解.螺杆 机筒 加热器.图 机筒加热几何模型 ()电阻加热目前市场上的大部分注塑机仍然采用电阻式加热圈.电阻式加热圈是基于电流电阻热效应来产生热量即当电流通过导体时导体的电阻对电流有阻碍作用而电流需克服导体的阻力进行做功从而将电能转化成热能并通过接触式传导的方式进行热传递.故需将加热圈的内壁与料筒的外壁可靠且紧密接触将热能传递到料筒上.其内部结构主要由接线端、紧固螺钉、外壳、绝缘体、电阻丝组成详见图().考虑到加热器是一个高度几何对称的结构同时加热器单位面积提供的功率大小已知所以将加热器的加热功率转化为热流密度加载在料筒表面.电阻加热可通过焦耳定律表达.()其中:为电阻产热 为通过加热器的电流 为电阻丝的电阻 为加热时间.由于这种传热机理外表面的温度总是高于内表面的温度.除此之外由于电阻加热器始终处于高温状态大量热量会散失到环境中.()红外加热红外加热的原理是:将红外线发射到被加热的物体上当发射的远红外线波长与被加热物体吸收的波长一致时物体内部的分子和原子发生“共振”现象即产生强烈的振动、旋转.由于振动和旋转会使物体温度升高从而达到加热的目的.红外加热器由红外发热元件、镜面反射层和隔热保温层等结构组成详见图().采用红外发热元件代替电阻丝加热圈热能传递方式由传导变成了辐射镜面反射层向料筒表面汇聚反射红外光以加强辐射效果隔热保温层隔绝空气避免高温料筒直接暴露在空气中从而减少能量损失.由于红外加热过程同时存在热辐射和热吸收过程它们之间传递的净热流量可以用斯蒂芬波尔兹曼方程计算().()式中:为净热流量 为发射率(黑度)无量纲 为斯蒂芬 波尔兹曼常数约为 /()为辐射面 的面积由加热圈的内径(或机筒外径)与加热圈的宽度(机筒长度)决定与电阻加热的热传导传热面积相同为由辐射面 到辐射面 的形状系数、为分别为辐射面、的绝对温度.根据净热流量的定义即单位时间内通过某一给定面积的热量则红外加热器在加热时间 内产生的热能 与净热流量 有下列关系:().()红外加热技术的传热是一种辐射传热能量通过电磁波传递无需介质中间没有能量损失因此在市场上的应用比较广泛特别是在塑胶行业受到越来越多的重视.沈 阳 化 工 大 学 学 报 年 模拟方案 温度场理论与边界条件由图 所示塑料在注塑机机筒内由固态转成可实施注塑的熔融态过程中塑料熔体的内能发生变化.增加内能主要来自外部的加热器(或)和螺杆转动产生的压力能转化的内能.根据热力学第一定律不同形式的能量在传递与转换过程中是守恒的因此()式成立.(或).()式中:为系统增加的内能即塑料在注塑机机筒内由固态转成可实施注塑的熔融态过程所需要的总能量 为螺杆驱动功螺杆转动产生的压力能转化的内能()依据注射机的螺杆驱动功率经验公式可知 .()其中:为螺杆直径 为螺杆塑化转速/为经验修正系数受螺杆参数、间隙、机头结构、物料性质、口型截面形状及工艺条件等因素影响在研究中上述参数不变故螺杆驱动功仅与转数 和时间 相关.基于温度场导热微分方程的实体有限元软件分析温度()随时间的变化则第三类边界条件下可以表达为.()式中:为导热系数/()为材料比热容/()为材料密度/.同时机筒外表面在受到加热器热辐射的同时还与周围热空气进行对流换热因此机筒外表面边界条件可以表示为().()式中:/为沿边界面外法线方向的温度梯度 为换热系数/()为物体表面温度为周围介质温度.模拟边界条件设定基于以上分析结合实验注塑机的实际参数(机筒材料为 机筒内径为 外径为 长度 )将两种加热器与机筒外表面直接紧密接触电阻加热为直接接触传热红外加热由于其特点加热方式为热辐射.由于加热器直接暴露在空气中因此需要考虑热对流.由于红外加热器有隔热层而电阻加热器结构密封性相对于红外加热器较差故两种加热方式下模拟应设置不同热对流系数红外加热条件下热对流系数更小.红外加热器的辐射面积即为加热器内表面.为实现模拟的统一性热源均施加恒定热载荷 /.考虑实验时设备周边的环境因素电阻加热方式和红外加热方式模拟边界条件的具体设定分别如图、图 所示.图 电阻加热条件下模拟参数 第 期王立强等:加热方式对注塑机性能影响的研究 图 红外加热条件下模拟参数 实验部分 实验装置实验装置系统基于朗亿 注塑机(如图 所示).针对塑化料筒部分的加热器分别采用电阻加热器和红外加热器.注射聚丙烯()时测量记录料筒的温升变化和时间对比分析两种加热方式的加热效率以及塑化能力.电阻加热、红外加热器的相关技术参数如表 所示.机座 合模机构 控制面板 塑化机筒可替换()红外加热器、()电阻加热器 料斗 温度测量仪电器控制系统.图 基于朗亿 注塑机的实验装置 表 加热器参数 加热器种类单个加热器功率/加热器数量加热总功率/电阻加热器.红外加热器.实验方法()温升实验与模拟基于 实 际 生 产 情 况 实 验 设 定 温 度 为.在预热阶段分别采取电阻加热、红外加热方式进行加热对机筒预热温升速度进行监测.温升过程通过注塑机系统的内部传感器对料筒内表面温升过程进行记录并反馈到注塑机控制面板监视器上直接监测.将实验结果与两种加热方式的模拟结果进行相应的比较分析.()塑化能力实验基于螺杆转数相同的条件下考察不同加热方式对塑化能力(单位时间内的注射量/)的影响.实验设定转数为 /、/、/、/同时结合设备生产条件机筒均化温度设定 背压力设定为 .实验中记录每一个转速条件下的储料时间 对空进行注射收集、测量喷射物质量 求得实际塑化能力.结果与分析 实验温升与 模拟结果分析在模拟过程中热载荷均施加恒热源 /达到设定条件后电阻加热和红外加热下该段机筒的温度沿径向的模拟仿真结果如图 所示.由图 模拟结果可以看出电阻加热方式和红外加热方式升温到设定温度的时间分别为 和 红外加热方式比电阻加热方式节省了 节省时间占比 .电阻加热和红外加热方式下实验测定结果与模拟分析结果的比较如图 所示.沈 阳 化 工 大 学 学 报 年图 达到设定条件后红外加热与电阻加热方式下模拟仿真结果对比.图 红外加热与电阻加热方式下实验与模拟仿真温升对比.实验结果显示电阻加热方式和红外加热方式升温到设定温度 的时间分别为 、红外加热方式比电阻加热方式节省了 节省时间占比 .同时考察红外加热方式、电阻加热方式的实验与模拟分析结果.由图 可以看出实验结果都低于模拟分析结果实验范围内温度差基本在 之间且温度差随着机筒温度升高而加大.造成实验结果与模拟分析结果差距加大的原因在于模拟过程忽略了热损失但热损失始终存在且随着机筒温度升高机筒对外散热的速度加快热损失也加大由此导致这一现象的出现.通过对以上模拟与实验数据的分析可知红外加热方式效果明显优于电阻加热方式.模拟分析可以用来指导注塑机的生产与设计但要明确随着温度的升高实际生产条件下实际温度要低于模拟温度且与模拟结果产生的差距会越来越大.综上所述红外加热方式比电阻加热具有更好的热效率温升快有利于提高生产效率.不同加热方式下螺杆转速对塑化能力的影响塑化能力表现为塑化质量即为单位时间内的注射质量(/).红外加热与电阻加热方式下不同螺杆转速条件下的塑化能力实验结果如图 所示.图 注塑机塑化能力与螺杆转速的关系.塑化能力实验结果表明螺杆转数分别为/、/、/、/时红外加热方式相对于电阻加热方式塑化能力提升分别为 、.两种加热方式下随着螺杆转速的提高螺杆的塑化能力增加在红外加热下螺杆转速每提高 /塑化能力分别提升 、在电阻加热下螺杆转速每提高 /塑化能力分别提升 、.由公式()可知在更快的螺杆转速条件下螺杆转动做功更多使得压力能转化为内能的能量更多更容易发挥螺杆的机械效率提升注塑机的塑化能力.基于上述数据分析可知:在实验条件下采用红外加热方式较电阻加热方式其塑化效果提升 表明加热方式的改变对注塑机塑化能力影响不大但红外加热方式下的注塑机的塑化能力略微高于电阻加热方式提高螺杆转速对塑化能力的影响明显实验条件下提升效果均在 以上因此提升螺杆转速有助 第 期王立强等:加热方式对注塑机性能影响的研究 于提升注塑机的塑化能力.结 论()红外加热方式温升速度高于电阻加热方式可有效节省加热时间()注塑机塑化能力的实验结果表明红外加热可略微提升塑化能力螺杆的转数增加塑化能力明显增强采用红外加热方式在提升注塑机的塑化能力方面有一定的辅助作用.综上所述在未来注塑机的设计制造中采用红外加热方式可以有效提升热效率节省塑化时间辅助提升塑化能力.参考文献:李政.注塑机基础能耗及其实验研究.北京:北京化工大学:.郭静原袁勇.新塑料产业迎来“黄金时代”可降解塑料制品市场调查.联合日报 ().石则满.由注塑机行业窥视国内基础工业的现状与未来之路.橡塑技术与装备():.刘浩.注塑机领域的研究进展.合成树脂及塑料():.常士家.注射机料筒电磁感应加热温度数学模型及数值模拟的研究.北京:北京化工大学:.朱翠玉.感应加热技术的应用及有限差分研究.沈阳:沈阳航空航天大学:.郭建松包建东朱建晓等.低压注塑机注射装置智能化温度控制研究.工业仪表与自动化装置():.马小刚鲍建辉沈玉梅等.我国注塑机能耗标准及节能技术研究进展.塑料():.翟海波陈明华毕宏伟.最新塑机用“机筒加热器”的特性分析.橡塑技术与装备():.石则满.注塑机节能技术研究.工程建设与设计():.阎伟顾建华吴俊等.注塑机机筒加热节能技术.轻工机械():.阎伟陈明华.一种新型双效加热节能技术在注射成型机上的应用.中国科技信息():.段强仇中军房丰洲.微注塑模具近红外加热方法及装置研究.塑料工业():.赵梓良.等能耗均匀塑化方法及低压注射成型工艺研究.北京:北京化工大学:.李政杨卫民谢鹏程等.注塑机塑化工艺参数对塑化能耗的影响.塑料():.():.: