基于K型熱電偶的輸送帶接頭硫化感應加熱系統的溫度監測

李 康，李軍霞，劉立波，高利榮

(1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西太原 030024；2.礦山流體控制國家地方聯合工程實驗室，山西太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術研究中心，山西太原 030024)

0 引言

輸送帶接頭硫化機將接頭兩端無連接的鋼絲繩在高溫高壓下用橡膠連接起來，形成一條完整的輸送帶[1]。接頭的強度主要取決于硫化階段對膠料與鋼絲繩物理成形的加熱控制，而作為硫化機主要部件的加熱板的表面溫度均勻性會影響到接頭的質量，對于輸送帶接頭的硫化加熱，目前存在多種方式：電加熱、蒸汽加熱、導熱油加熱等[2]。

蒸汽加熱的缺點是在加熱過程中，升溫歷程存在滯后性，可控性較差；電加熱容易造成電能的浪費且升溫較慢；導熱油加熱的缺陷在于整體結構設計較復雜。對于橡膠的硫化，有學者通過調整電磁的熱參數解決了輪胎硫化的不均勻問題，但是對于電磁感應加熱方式應用于輸送帶接頭硫化的研究較少。

本文搭建了以電磁加熱控制器調節線圈和電磁參數為基礎的輸送帶接頭硫化感應加熱系統，通過COMSOL仿真得出感應加熱下的熱板溫度分布規律，研究加熱板發熱的均勻性，并在實驗平臺中的加熱板不同位置布置K型熱電偶，以多路溫度記錄儀實時監測溫度數據并顯示出來，用以驗證仿真結果的準確性。溫度監測的結果表明電磁感應加熱方式能夠有效解決硫化加熱不均勻的問題。

1 輸送帶接頭硫化感應加熱系統的組成

電磁感應加熱系統主要由線圈、加熱鋼板、電磁加熱控制器以及溫控儀組成，電磁加熱控制器與溫控儀相連，溫控儀的設定溫度為150 ℃，此為硫化溫度，其作用是使電磁加熱控制器加熱的溫度穩定在±3 ℃范圍內波動，使加熱控制器以脈沖形式對鋼板加熱，達到均勻硫化的效果。

1.1 電磁加熱控制器

如圖1所示，采用半橋單管5-8 kW功率的電磁加熱控制器，它可以將低頻三相交流電以高頻形式輸出，具有IGBT過流保護功能[3]，同時有輸出過流保護自動調節負反饋的功能(其中5 kW功率下的電流保護點為22 A，8 kW功率下的電流保護點為30 A)，其內部采用高速輸出電流霍爾傳感器，能更精確地檢測相位和電流大小[4]。采用高性能IGBT驅動芯片驅動，可以自動識別負載及鎖相功能，以使負載端得到最高功率因數，也使電路精確控制在弱感區保持高效率工作?？刂泼姘迳嫌泄δ苕I，能夠顯示諧振狀態、頻率、電流、IGBT溫度等。

(a)電磁加熱控制器電路板結構

(b)電磁加熱控制器控制面板圖1 電磁加熱控制器

1.2 線圈和加熱鋼板

電磁加熱控制器可以通過控制流過線圈電流的大小和頻率來控制加熱鋼板的升溫速率，線圈通電后，由于交流電的影響，在其內外會產生與電流變化相同的交變磁場，鋼板置于這一范圍內，鋼板上就會產生與線圈相反的感應電流，感應電流在鋼板上會形成封閉的回路，一般被稱為渦流，渦流的作用是使電能轉換為熱能，鋼板才會發熱[5]。接頭硫化感應加熱系統工作流程圖如圖2所示。

圖2 接頭硫化感應加熱系統工作流程

按照電磁加熱控制器上的電路板的接線方式，依次將電磁加熱控制器與電源線、溫控儀和線圈相連，將溫控儀調節到硫化所需的溫度，接通總電源后調節電磁參數即可讓系統正常工作，溫控儀上設有傳感器，將該傳感器置于鋼板上，用于探測鋼板的溫度是否達到所需的硫化溫度，若未達到硫化溫度，會控制加熱器為線圈繼續供電，直至測得鋼板溫度達到硫化溫度，若已升溫至目標值，溫控儀將會使電磁加熱控制器間斷性地提供電流，以脈沖的形式進行加熱，使溫度保持在一穩定值。所設計的加熱系統整體結構如圖3所示。

圖3 輸送帶接頭硫化感應加熱系統整體結構框架

2 加熱仿真模型的建立與分析

電磁感應加熱仿真模型主要簡化為線圈和加熱鋼板，由電磁加熱控制器的參數設定線圈的電感量，布置好線圈的排布方式，調節線圈與加熱鋼板之間的距離，建立線圈和鋼板的三維模型(圖4)，表1為鋼板的物理性能參數。

表1 加熱鋼板的物理參數

圖4 感應加熱系統模型

在COMSOL軟件中研究線圈通電狀態下熱板的升溫規律。鋼板的尺寸設定為400 mm×400 mm×10 mm。仿真的求解域是電磁場和溫度場的耦合場，在軟件中設置電磁參數，包括電流大小、頻率、線圈匝數，在頻域-瞬態的研究中將電磁損耗作為溫度場求解的初始條件，最終可以得到感應電流的分布情況以及溫度隨時間的變化過程。仿真選取多種參數下的組合，設定線圈匝數為固定值，將電流大小和工作頻率進行組合，設置的參數組合如表2所示。

表2 感應加熱系統參數組合

對表2不同組合下的線圈工作參數進行設置，可以得出4種條件下鋼板的升溫規律和溫度分布云圖，如圖5所示。

可以看出，由于感應電流的作用，鋼板表面的溫度會逐漸升高，由于線圈中部位置的磁場強度近似為邊緣端部的2倍，所以鋼板4個邊角處的穩定溫度是最低的，由于渦流分布是由中心向邊緣逐漸擴大，從而鋼板中心位置處會出現加熱死區，即中間部分某一

(a)I=19 A，f=8 000 Hz (b)I=15 A，f=10 000 Hz

(c)I=12 A，f=13 500 Hz (d)I=10 A，f=15 000 Hz圖5 感應加熱分度分布云圖

區域的溫度低于其周圍溫度。圖5中4種工況下的溫度分布趨勢基本一致，電流越小，中間加熱死區的面積也逐漸減小，與周圍區域的溫差也逐漸縮小。圖中沿加熱死區向鋼板邊緣端部過渡，會出現溫度的極大值，原因是由于此處磁通密度較大，所產生的感應電流在此處匯聚密集，導致溫度升高較快。由邊角向中心區域分析，溫度是逐漸升高的，由仿真看出，隨著電流的減小和頻率的增大，鋼板表面的整體溫差是逐漸縮小的。

3 輸送帶接頭硫化加熱系統的溫度監測

3.1 K型熱電偶與多路溫度記錄儀

如圖6所示，LK系列多路溫度記錄儀主要由觸控液晶屏、按鍵、ARM微處理器為核心的主板、主電源、智能通道板、大容量FLASH等構成。記錄儀的采樣周期為1 s，能實時顯示數據圖、柱狀圖、曲線圖等?？梢愿鶕贾玫腒型熱電偶的數量，設置通道數目，對于每一路的溫度補償，支持補償信號的輸入，能夠提供多種補償模式[6]。含有與上位計算機通訊的標準接口，將數據傳輸至計算機中，便于對后期數據的收集與整理。

圖6 LK-S多路溫度記錄儀

K型熱電偶主要包括感溫元件、接線盒與保護套管等，將其與多路溫度記錄儀配套使用[7]，可以保證溫度數據采集的準確性，主要用于監測電磁感應加熱方式下加熱鋼板的溫度變化情況[8]。

針對不同位置處的溫度變化，結合仿真的4種電流下的溫度分布云圖，對多個K型熱電偶進行排布，將其置于加熱板的下表面，測溫點的布置如圖7所示。選取了12個測溫點，分別對應溫度監測系統的12個通道。研究沿鋼板中心線方向(測溫點1、2、3)、對角線方向(測溫點4、5、7)、中心區域(測溫點6、7、8、9)以及鋼板下半部分(測溫點9、10、11、12)的溫度變化趨勢，可以得到不同電流數值的工作狀態下的溫升曲線。

圖7 鋼板上K型熱電偶測溫點的布置方式

3.2 溫度數據的監測及分析

將傳感器排布到鋼板上，從平板硫化機的下加壓板向上，依次布置下加熱鋼板、待硫化生膠、上加熱鋼板、上加壓板，并按順序對所需儀器進行接線，搭建好實驗平臺，輸送帶接頭硫化感應加熱的溫度監測系統如圖8所示。

圖8 接頭硫化感應加熱的溫度監測系統

實驗平臺搭建完成后，扳動電源開關，電磁加熱控制器開始工作。調節其控制面板上的螺旋變位旋鈕，可以對電流、頻率、電壓等參數值進行設定。調整不同的電流(10、12、15、19 A)后，多路溫度記錄儀會記錄溫度數據的變化(圖9)，得到沿中心線方向在不同電流下的溫度變化。

(a)電流為10 A

(b)電流為12 A

(c)電流為15 A

(d)電流為19 A圖9 沿中心線上點的溫度變化

分析沿中心線位置的溫度變化，電流為10 A和12 A時，1點位置溫度最高，觀察圖5的仿真結果，1點處于整塊鋼板溫度最高區域的核心部位，2點位于高溫區域的邊緣，3點處于加熱死區的邊緣，所以3點溫度最低，隨著電流的增大，電流由12 A增大至15 A，高溫區域的熱量分布會向鋼板邊角擴散，導致測溫點1處的溫度低于2處的溫度，與加熱死區接觸部分的熱量逐漸向外圍擴散，導致測溫點3處的溫度較高，隨著時間的推移最終高于2處的溫度，由圖9(d)看出，當電流為19 A時，3個測溫點在升溫過程中的溫差較大，強電流不易于保證升溫的均衡性。

然后分析沿對角線方向(4、5、7點)在不同電流下的溫度變化，得到如圖10所示的曲線圖。

由圖10分析可知，當電流由10 A向19 A變化時，4點溫度是最低的，原因是該點在鋼板的邊緣位置，受電磁感應影響較小，測溫點7表示的是鋼板的最中心位置，10 A電流條件下，當熱板溫度穩定后，測溫點5的溫度高于7點，說明此時加熱死區的面積較小，弱電流會使中心加熱死區面積縮小，隨著電流由12 A向15 A增大，中心加熱死區的面積逐漸擴大，測溫點5逐漸成為了加熱死區的邊緣部位，邊緣部位熱交換頻繁，故此時其溫度低于測溫點7，當電流為19 A時，如圖10(d)所示，在強電流的作用下，由于加熱死區外圍溫度升溫較快，5點受其他區域熱傳導的影響，溫度逐漸高于7點。

分析沿對角線區域的溫度變化，隨著電流的增大，在鋼板加熱過程中，不同點升溫的快慢也不一致，4點溫升波動幅度較大，因為4點處于鋼板邊角部位，受感應電流影響較小，且與其他區域進行熱交換不明顯。電流增大的過程中鋼板的升溫時間逐漸縮短，且溫度不均勻性也越明顯。4種電流下(10、12、15、19 A)下鋼板升溫至硫化溫度所需的時間分別是29、25、18、12 min。

分析中心區域處(6、7、8、9點)在不同電流下的溫度變化，得到如圖11所示的曲線圖。

分析在熱板中心區域，也就是加熱死區部位的溫度，以測溫點6、7、8、9的溫度變化來反映。由圖11中可以得出，6、8點位于加熱死區邊緣，隨著電流的變化，加熱死區面積也在改變，所以與周圍區域進行的熱交換較頻繁，6 點和 8 點能夠較快速地吸收高溫區域的溫度，所以兩者溫度變化很頻繁。

最后分析鋼板下半部分(9、10、11、12點)在不同電流下的溫度變化，得到如圖12所示的曲線圖。

(a)電流為10 A

(b)電流為12 A

(c)電流為15 A

(d)電流為19 A圖10 沿對角線上點的溫度變化

(a)電流為10 A

(b)電流為12 A

(c)電流為15 A

(d)電流為19 A圖11 中心區域點的溫度變化

(a)電流為10 A

(b)電流為12 A

(c)電流為15 A

(d)電流為19 A圖12 鋼板下半部分點的溫度變化

分析在熱板下部分中間區域，以測溫點9、10、11、12的溫度變化來反映。由圖12中可以看出，最終溫度穩定后，測溫點9、10的溫度高于測溫點11、12的溫度。這是由于點11位于鋼板下部邊角與高溫區域的接觸處，此處是整塊鋼板溫差最大處，測溫點12位于接近鋼板邊緣處，此位置與空氣之間會產生部分熱交換，故此處溫度偏低。而測溫點9接近鋼板中心，且其周邊溫度熱量較均衡，熱損失較少，測溫點10是鋼板熱量最大處向周邊蔓延的過渡點，所以兩者溫度較測溫點11和12高。

結合圖9～圖12的數據，最終溫度穩定后均能保持較小的溫差，體現了加熱效果的均勻性。

4 結束語

針對現有輸送帶接頭硫化加熱方式存在的加熱不均勻、接頭質量差、加熱時間長等問題，本文以電磁加熱控制器為基礎，設計出了一種基于電磁感應的加熱系統，并通過仿真分析，建立了基于K型熱電偶和多路溫度記錄儀的12通道監測系統，得到了鋼板不同位置的溫度變化規律和溫升曲線，證明了此種加熱方式能夠使鋼板快速達到硫化溫度，且能使溫度均衡分布，調節相應電磁參數可以最大限度降低溫差，所設計的溫度監測系統能準確地采集處理溫度數據，這可以為后期構建高可靠性硫化系統的全息表達方式、形成硫化系統智能監測平臺提供了參考。