贴面压机热压板的热耦合数值模拟研究

付春超， 曹平祥， 蔡 燚

(南京林业大学，江苏 南京 210037)

在人造板贴面生产线中，短周期贴面热压机是主要设备[1]。短周期贴面热压机由机架板、导向部件、柱塞油缸、平行部件、加热管道、上下热压板、液压站等主要部件组成[2]，作为木材加工机械中的高精尖设备，其主要应用于室内家具板的切割、组装等，还用来设计加工各种木板表面的形状和图案，为木材市场领域开辟出了一条新的道路，促进了木材设备的深层次发展。热压板是贴面压机上传递热量的重要载体，其将外部热源产生的热量通过换热系统均匀地散布到整个工作区域，使工件表面均匀受热，激活粘合剂的活性，再通过压力将表面装饰层与基材粘合成一个整体。由于各种粘合剂的活性、流动性等物理化学性能对温度都异常敏感，因此温度的均匀性和稳定性是影响产品压贴质量的第一核心因素。当出现热压板工作表面温度不均匀、不稳定时，会造成贴面板表面质量缺陷，如白斑、湿花、表面开裂、翘曲变形、变色、光泽不足、光泽不匀等[3]。在人造板贴面行业中，热压板作为热压机的核心关键部件，在二次循环系统的设计中往往依靠经验设计，从而造成热压板工作时表面温度的不均匀，降低了压贴后的成板表面质量和性能，给企业带来巨大的损失。为此，本文对二次循环系统与热压板之间热耦合模型进行定量定性地分析研究，确定二次循环系统与热压板之间的最佳匹配，最终达到经济性和功能性的统一。

1 单层孔道热压板传热模型及温度场仿真研究

1.1 热压板油路形式及模型

目前，在人造板贴面行业中，压机的热压板孔道大都以单层孔道的方式设计，本文以压贴四八尺板大小为例，建立热压板模型。压机的上下热压板对称，油路形式为多进多出形式的六进六出，孔道结构为横向排布方式，用深孔加工技术打通[4-5]，上压板进出油口在压板上表面，下压板进出油口在压板下表面，在压板四周打通口上焊接堵头密封形成循环回路。堵头密封结构示意图如图1所示。

图1 堵头密封结构示意图

热压板规格(长×宽×厚)为2 600 mm×1 400 mm×114 mm，相邻孔道之间的中心距为L=70 mm，油路孔道的直径为32 mm，热压板材质为Q235b，其物理性能参数见表1。热压板孔道中流体介质为高温导热油，以壳牌某型号导热油为例，其物理性能参数见表2，单层孔道压板孔道布置如图2所示。

表1 Q235b钢材主要物理性能参数

表2 导热油主要物理性能参数

图2 单层孔道压板孔道布置

1.2 热压板模型的假设和简化

在热压板的流体流动和传热过程中，需要对模型做出以下假设和简化[6]：① 环境温度恒定，初始温度和压板温度一样，都为296 K；② 热压板的非耦合面以对流方式与环境换热，固液耦合面以热流方式传递热量；③ 不考虑传热过程中的辐射换热；④ 管道中液态导热油为不可压缩流体，不考虑重力对导热油在管道中的影响；⑤ 导热油流入压板的温度恒定且均匀；⑥不考虑材料物理性能参数和边界条件随温度变化产生的影响[7]。

1.3 流体控制方程

流体的流动与热传递必须遵循物质运动的普遍规律，将这些规律应用于描述流体流动和传热中，就可以得到联系诸参数之间的关系式，这些关系式就是描写流体流动和传热问题的方程，分别称为质量守恒方程(或叫作连续性方程)、动量守恒方程、能量守恒方程[8-9]。在实际的工程案例中，建立这三种方程的主要数学描述，能有效深入分析流体流动和传热过程中各参数间的联系。

(1)质量守恒方程：

在充满流体质点的三维空间中任取一流体微元作为研究对象，流体系统中流体质量的变化量，等于流入和流出流体的变化量。

直角坐标系下表达式为：

(1)

稳态流动时表达式为：

(2)

(2)动量守恒方程：

任取系统所包含的一流体微元作为研究对象，控制体中流体动量对时间的变化率等于外界作用在微元体上的各种力之和，也就是牛顿第二定律，表达式为：

(3)

(3)能量守恒方程：

对于控制体，能量守恒定律在流体中可表述为：微单位时间控制体中总能量的增加率等于微元体的净热流量加上体积力与表面力对微元体所做的功，也就是热力学第一定律，表达式为：

(4)

式(1)～(4)中：t为时间；ρ为密度；u为x方向的速度分量；v为y方向的速度分量；w为z方向的速度分量；p为压强；τ为时间；V为流体体积；T为流体温度；a为导热系数。

1.4 热压板有限元分析

用三维软件Solid Works对热压板建立几何模型，在建立模型时对模型合理简化，去除槽口、螺纹孔、圆孔、倒角等细节，以便有限元求解时网格的划分。建立的热压板几何模型如图3所示，用于有限元分析的网格划分如图4所示，约109万个节点和675万个单元。热压板管道与导热油接触面为对流边界条件，属于第3类边界条件，热压板工作表面输出热流属于第2类边界条件，热压板非工作面与环境的对流换热系数H为8.45 W/(m2·K)，设定导热油进入热压板上表面进油口温度为483 K，进油口平均流速公式为v=Q/(3 600·2πnr2)[10-11]，式中Q为油泵流量；n为热压板个数；r为孔道直径。计算得出v=2.8 m/s，方向为垂直工作表面。

图3 热压板几何模型

图4 网格划分

采用Fluent软件对热压板进行仿真分析，以热压板一边脚为原点，x轴表示压板长度方向，y轴表示压板宽度方向，z轴表示压板厚度方向，计算后单层孔道热压板工作表面温度分布云图如图5所示，工作表面纵向温度分布点图如图6所示，温度数值为静力学温度。

图5 单层孔道压板表面温度分布云图

图6 单层孔道压板纵向温度分布点图

由温度分布云图5可知，热压板工作表面温度分布不均匀，压板两端温度低，中间温度高，进油口处温度高，出油口处温度低，热压板工作表面的最低温度在压板端部为475.5 K，最高温度在进油口端为482.3 K，整个工作表面的温差达6.8 ℃。由温度分布点图6可以看出，压板表面温度的波动性大，在压板工作表面的核心区，温度跳动大极易引起贴面缺陷，也不符合行业所要求的压板工作表面温差≤±2 ℃的要求。同时，热压板整体加热温度分布不均匀，也会引发压板应力不平衡，产生压板翘曲、弯曲的问题。

2 热压板改进优化

2.1 结构优化方案

根据得出的热压板温度分布图，对热压板进行优化处理，在原有的热压板结构基础上，在厚度方向上再建立一层热油循环通道，从而建立双层的热压板孔道热油循环通道系统。靠近工作表面的为加热层，孔道横向排列密集，靠近非工作上表面的为平衡层，孔道横向排列分散，每层热油孔道都是独立的流道，有各自的油源供应。热压板平衡层油路结构上和加热层类似，进油口都在压板非工作面上，油路形式设为三进三出，油道用深孔钻打通后用堵头焊接，密封形成循环油道，油道相邻孔道之间的中心距为L=114 mm，孔道的直径为32 mm。用Solid Works建立三维模型，改进后的热压板模型示意图如图7所示。

图7 双层孔道压板模型示意图

2.2 优化方案仿真分析

对上述优化的热压板模型进行网格划分，导入到Fluent中进行温度场的仿真分析，设置条件和单层通道热压板相同，得出的仿真模拟结果如图8、图9所示。

图8 双层孔道压板表面温度分布云图

图9 双层孔道压板纵向温度分布点图

从图8和图9分析可知，热压板工作表面温度最低温度为480.6 K，最高温度为482.2 K，温差为1.6 ℃，热压核心区温度的波动性在1 ℃以内。对比单层孔道热压板，双层孔道热压板的温差有明显降低，压板温度精度提高了67%，符合行业对热压板温度均匀性、稳定性的要求。这是由于在相同的热油、相同的进油口流速条件下，双层孔道循环的热压板中流道更多，压板中循环热油热量更高，在加热层上再加一层平衡层热油流道，降低了压板工作表面温度的波动性，温度传递到压板表面也就更加稳定。优化后的压板温度分布更加均匀、合理，提高了贴面过程中的热压质量。

3 小结

对短周期贴面压机的热压板热耦合进行仿真分析，研究了热压板工作表面温度场的分布规律，并提出双层孔道热压板结构的优化方案，结论如下。

(1)对热压板中导热油的流动和传热进行了数值模拟，对压板工作表面的温度分布情况进行了分析，单层孔道的热压板工作表面最高温度为482.3 K，最低温度为475.5 K，温差达6.8 K，不满足企业贴面高质量要求和行业标准。

(2)对热压板结构提出优化方案，建立双层孔道的循环回路，靠近工作表面的为加热层，靠近非工作表面的为平衡层。优化后的热压板工作表面温度最高为482.2 K，最低为480.6 K，温差为1.6 K，温度场均匀性提高，温度的波动性降低，压板温度精度提高了67%，优化后的效果显著，符合企业高标准要求。

(3)用Fluent仿真分析贴面压机热压板结构优化，可以在实际试验前得出仿真结果，降低试验成本，指导试验的方向，为以后贴面压机热压板的进一步优化提供借鉴。