基于ANSYS的电加热硫化机热板结构优化的研究

徐楠楠，王怀国，刘培华，崔媛媛，桑秀凤，孙贺

(青岛双星橡塑机械有限公司，山东 青岛 266400)

硫化机作为轮胎最后一道工序的生产设备，严重影响着轮胎的质量和生产效率[1]。轮胎硫化机的上下加热板是硫化室热传导的关键部件，加热板传热的均匀性直接影响所硫化轮胎的质量，尤其是轮胎定型硫化机对加热板传热均匀性要求更高[2]。目前，为生产出更高质量的轮胎，各厂家对加热板传热均匀性的关注越来越多。

随着社会发展，能源消耗飞速增长，在节能减排背景下，效率更高、更清洁的电能进入越来越多的行业。因轮胎蒸汽硫化耗能多，电加热代替蒸汽加热作为轮胎硫化主要能源成为一种趋势[3]。电加热管因成本低、热量损失少，作为加热元件被广泛用于硫化机。目前，国内常见的向心式电加热管热板一直存在着加热不均匀和温差大的问题。针对此现象，青岛双星橡塑机械有限公司提出了一种电加热硫化机热板的新方案——平行式直插热板。

本文利用ANSYS软件对已有的向心式直插热板和新提出的平行式直插热板进行分析，对其分析结果进行对比，并将新方案做成热板进行试验，验证新结构的合理性和可行性，验证本文提出的基于ANSYS软件的硫化机热板热分析方法的正确性。

1 硫化机电加热管热板方案

热板为轮胎硫化提供热源，保证硫化温度要求，热板的温度均匀性是判断热板好坏的重要指标[4]。电加热管加热过程易于控制，采用电加热管的热板容易实现温度的均匀性。

电加热管热板温控原理：电加热管通电产热，热通过热传导的方式传给热板，热板的热量再传递出去，最终传递给轮胎，热板内埋有测温点，温控箱根据测温点反馈的温度对电加热管进行实时的调控，从而实现热板温度的均匀性，进而实现轮胎硫化温度的均匀性。

2 向心式直插热板及其温度场有限元分析

本文以48＂硫化机电加热管热板为例进行研究，其中，向心式直插热板外形图如图1所示，剖视图如图2所示。

图1 向心式直插热板外形图

图2 向心式直插热板剖视图

有限元分析施加载荷和边界条件：①周围空气恒温，空气与热板初始温度为25℃；②每一热板所有电加热孔面共施加12 kW的热流量；③本文对流换热系数取0.4 W/(m2.K)，由于在所需硫化温度（140～180℃）下热板辐射小，并且辐射分析的高度非线性导致计算量大，计算效率低[5～6]，因此本文不考虑热板的热辐射。

采用ANSYS 对向心式直插上、下热板进行热分析的温度场云图如图3、4所示。由分析结果可得：热板的温差约为17℃，温差大，超过轮胎硫化工艺的要求；热板中心区域温度高，四周温度低，这是由向心式结构电加热管在热板中心密集，四周稀疏决定的。其实，若采用向心式结构，无论怎么排布，都不能保证电加热管分布的均匀性，进而不能保证热板温度的

该热板材料选择导热性能较好的201不锈钢，直径1 240 mm，厚度60 mm，加热孔向心排布，从结构上保证加热管分布的均匀性。上热板总功率为12 kW，下热板总功率为12 kW，上、下热板电加热管总数均为16根，输入电压是380 V/50 Hz，通过圆周热电阻反馈温度值。

为验证该向心式直插热板结构的合理性和传热均匀性，运用ANSYS软件对其进行温度场热分析。均匀性。另外，向心式的加热孔加工困难，加热管绕线复杂。鉴于此，本文提出一种新结构——平行式直插热板。

图3 向心式上热板温度场云图

图4 向心式下热板温度场云图

3 平行式直插热板及其温度场有限元分析

平行式直插热板如图5、6所示，该结构简单容易加工，可实现自动换模，热板材料选择201不锈钢，隔热环材料选择G3300，方形外侧板材料选择Q235，热板外形尺寸、功率与向心式直插热板相同，热板内有一排等距纵向孔道（见图7、8），以便装入电加热管，加热孔间距均为80 mm，电加热管输入电压是380 V/50 Hz，通过测温点的热电阻反馈温度值。

采用ANSYS对平行式直插上、下热板进行热分析，分析方法与向心式直插热板相同，分析结果如图9、10所示。由分析结果可得：热板的温度在（180±1）℃的范围内，温度分布均匀，满足轮胎硫化工艺要求。

图5 平行式直插上热板

图6 平行式直插下热板

图7 平行式直插上热板剖视图

将向心式直插热板和平行式直插热板的分析结果进行比较得：平行式直插结构大大提高了热板加热的均匀性，理论上对轮胎的硫化效果更好，并且平行式直插热板更易加工，有利于成本的降低。

图8 平行式直插下热板剖视图

图9 平行式上热板温度云图

图10 平行式下热板温度云图

4 实验

为验证平行式直插热板的实际加热效果，青岛双星橡塑机械有限公司对该热板进行生产制造，并对热板进行试验，热板实物如图11所示。由于，硫化机内空间密闭，热量相对室温环境散失少，因此，只要在室温下能保证热板温度稳定在一个范围之内，就能保证热板安装在硫化机上时温度稳定在这个范围之内。鉴于此，也为降低成本，本文设计在室温中对热板进行测试，热板试验接线图如图12所示。

图11 平行式直插热板实物图

图12 热板试验接线图

本实验中，电加热管通电产热，热量通过热传导的方式传递给热板，热板热量主要通过热对流的方式向空气中散失，温控箱根据热板中测温点的反馈信息对电加热管加以控制，从而实现热板温度的均匀性。

实验结果如图13所示，平行式直插热板8个测温点的温度均在（180±1）℃范围之内，满足轮胎硫化的工艺要求，平行式直插热板方案是合理的。

值得说明的是，该实验的实验环境、实验条件与仿真分析时设置的条件基本一致，实验结果与仿真结果契合，这表明本文提出的基于ANSYS软件的热分析方法是正确的。

5 结论

本文提出了一种易于加工，能够实现自动换模的平行式直插硫化机热板，并采用ANSYS软件对已有的向心式直插热板和新设计的平行式直插热板进行了热分析，分析结果表明，新设计的平行式直插热板传热均匀性有了很大的提升，温度在(180±1)℃的范围内，热板能够满足轮胎硫化工艺的要求。

本文对平行式直插热板进行试验，实验结果热板8个测温点温度均在(180±1)℃范围内，进一步验证了本文提出的平行式直插热板方案的可行性。另外，实验结果与仿真分析结果一致，证明了本文提出的基于ANSYS软件的硫化机热板热分析方法的正确性。

[1]Ken Rogers，张学山.世界轮胎硫化工艺及硫化机技术最新发展趋势[J]. 橡塑技术与装备，2003,(05):19～21.

[2]李玉炳.我国轮胎定型硫化机现状及发展趋势[J].橡塑技术与装备，2003,(12):21～25.

[3]马振国.新型液压定型硫化机的研究与仿真[D].青岛科技大学，2006.

[4]汪通悦，王蔚，李鑫，李璐.硫化机热板的多软件联合分析与结构优化[J].机械设计与制造，2017,(03):233～235.

[5]李爽，董林福.平板硫化机热板温度场有限元分析[J].沈阳化工学院学报，2005,(04):280～284.

[6]汪传生，吕炜帅，边慧光.平板硫化机热板温度场有限元分析优化[J]. 橡胶工业，2012,(11):680～682.