黄婉娴
广东圣特斯数控设备有限公司 广东佛山 528000
摘要：电热板是制袋机热封装置的重要部件，为解决制袋机热封装置中烫刀热封表面温度差偏大的这一问题，本文采用SolidWorks 软件建立了制袋机热封装置简化模型，以及进行稳态温度模拟仿真，分析其温度场的分布情况等，并对电热板内部结构进行优化设计，经试验验证，改进后的烫刀表面温差降低了1.5 ℃，取得了满意的效果。
关键词：制袋机；热封装置；优化设计
引言
制袋机是一种制作各种塑料包装袋或其他材料包装袋的机器，其加工范围为各种大小厚薄规格不同的塑料或其他材料的包装袋，一般以塑料包装袋为主要产品。在制袋机中，热封烫刀表面温差是影响塑料薄膜热封质量的一项重要因素，所以降低烫刀表面温差尤为重要。而电热板是制袋机热封装置的重要部件，因制袋机电热板设计忽略了热板的传热特性，导致烫刀出现较高的表面温差。因此，从电热板的内部结构设计来考虑对热封烫刀温度场分布的影响，是降低制袋机热封温度场温差的一种途径。鉴于此，本文就对电热板结构的改进设计进行研究。
1.制袋机热封装置温度场模拟
1.1 热封装置三维模型
将某企业一款制袋机的热封装置作为研究模型，热封装置由电热板和热封烫刀2 部分组成，该装置由2 根对称布置的与电热板等长的电热管提供热源。由于实际的温度系统比较复杂，且电热板和烫刀均为薄壁零件，厚度尺寸小，因此层流所引起的温度差极小。根据传热学原理，短时间内环境温度的变化对电热板温度场影响不会太明显，因此为了简化问题，对模型作几点假设：周围环境温度保持不变；同一根电热管上各点温度均匀，并且热量全部传递给电热板；不考虑热辐射这一热传导方式；材料物性参数和边界条件在传热过程中不发生变化；热封装置在加热过程中，温度随时间的变化而变化，一段时间后温度达到动态平衡，假定整个分析为稳态问题[1]。用SolidWorks建立的热封装置简化模型见图1。
图1 制袋机热封装置简化模型
1.2 温度场数学模型
常物性、无内热源的三维稳态温度场在直角坐标系中导热微分方程为：
2.电热板优化设计
分析烫刀的温度分布，由于烫刀两端与外界空气对流性好而电热板中央易产生热量积聚，其中心温度比两端温度高，因此可改变电热板的内部结构。改进后的电热板见图3。
考虑到沿x 方向上对流换热系数高，电热板中间留出一部分实心区域，选择4 根1500 W 的电热管放置见图3（原装置中2 根1500 W 电热管的放置样式见图1），电热板中留给电热管安装孔的长度将是影响烫刀表面温差的重要因素[3]。以电热板内安装电热管孔的长度为设计变量，烫刀底面温差为目标函数进行优化设计。电热管安装孔长度的确定均分别基于电热板的两端面所测量的长度为准。优化设计的流程见图4。其中为了使调用的Ansys Workbench 软件能够识别SolidWorks 中的参数化尺寸，在SolidWorks中对电热管安装孔的长度这一参数进行参数化建模，从而Ansys Workbench 可以对定义的该参数进行参数优化设计。
图3 电热板结构改进
优化的目的是使烫刀下表面的温度分布尽可能均匀，因此将热封装置的最大温差θ=|Ta−Tb|作为优化的目标函数，其中Ta 为装置中最大温度，Tb 为装置中最小温度。优化设计的数学模型为：
3.温度实测
为了验证基于Workbench 的有限元仿真模拟是否与工程实际相符合，在实际机器的热封装置上进行温度测量。在制袋机上选择2 组相同横封装置，其中第1 组使用原始的电热板，第2 组使用改进后的电热板，当电热板温度达到稳定值后，快速地用TES-1310便携式热电偶测温仪分别对2 组横封烫刀（640mm×60 mm）的下表面上的一些点进行温度测量。测量位置分布见图8，剔除不合理温度值的数据见图9。由图9 分析第2 组试验结果可知，原结构热封面温度差为4.4 ℃，改进后温差为2.9 ℃，即热封面最大温差降低了1.5 ℃，比模拟仿真结果1.8 ℃差了一些。产生这个现象的原因可能是模拟仿真简化了环境温度的影响、实际的电热板存在加工误差等。改进前后的数据对比可以很明显地看出试验与仿真结果基本吻合。
图8 烫刀上测量点的位置
4.结语
总之，研究降低制袋机热封装置温度场温差，对于制袋机的正常运行具有重大意义。通过对电热板结构的改进设计，模拟分析改进前后热封烫刀表面的稳态温差，并进行实验验证，结果表明：热封装置的热封面温度差由原来的4.4 ℃降低至2.9 ℃，基于温度场模拟的电热板结构的改进设计取得了较好的热封面温差效果。此研究对制袋机热封装置的温度场研究有一定的意义，并对今后同类产品的设计也提供了一个有效的方法。
参考文献：
[1] 魏银文, 朱磊, 高贯虹. 基于SolidWorks 96孔薄膜热封板温度场模拟与优化设计[J]. 包装工程, 2013(17):9-11.
[2] 刘红, 阮灵伟, 蒋兰芳,等. 基于ANSYS的热板温度场模拟与优化设计[J]. 模具工业, 2010, 36(9):18-21.
[3] 姚振宇. 自动烫印机电热板的温度场分析及其优化设计[D]. 上海交通大学, 2014.
论文作者:黄婉娴
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/21
标签：装置论文; 热封论文; 电热板论文; 温度论文; 温差论文; 制袋机论文; 优化设计论文; 《防护工程》2018年第10期论文;