本文是一篇模具毕业论文，本研究根据育苗盘成型工艺要求和成型机理，了解国内外模具加热方式和冷却方式研究进展后，对比分析放弃感应加热以电加热棒加热和水冷冷却方式来实现育苗盘加热工艺要求。确定出育苗盘热压成型装置的整体设计方案后对整体及模具部分进行三维建模，根据传热学理论和有限元理论建立了育苗盘加热温度空间分布模型，并验证了模型的准确性，进行压制试验验证了试验台各项性能并通过育苗盘评价指标判断压制的育苗盘合格，完成了电加热棒加热水冷冷却方育苗盘热压成型装置的设计与试验研究。
1 绪论
1.1 研究目的与意义
发布于 2021 年的中央一号文件《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》，意见提出深入推进农业供给侧结构性改革，要求稳定粮食播种面积、提高单产水平，深入推进优势粮食工程[1]。黑龙江省位于中国北方春玉米种植区，春播玉米播期在五月上旬和中旬，约 10 天，播种晚易导致贪青晚熟，遇霜会导致减产[2]。在其播期较短以及农业种植结构调整趋势背景下，玉米育苗移栽提高作物单产和品质的优势就得以被重视起来。
育苗盘又称钵盘、秧盘或穴盘，是一种主要应用于种苗生产技术中的器具。种苗便是在育苗盘中培育到适宜程度后再进行移栽的，钵盘育苗后进行移栽种植玉米有利于躲避像春季低温和倒春寒这样的自然灾害，同时进行气候补偿，保证种苗生长的一致性。育苗盘与播种机、移栽机等配套使用，可提升工作效率，增加幼苗成活率[3]。玉米种植技术主要分为玉米直播和玉米育苗移栽两种模式，田间试验表明：玉米植质钵育栽植技术相比直播可显著增产[4]。按制备材料玉米秧盘可分为多种：塑料制品难以分解，会造成白色污染，2020 年 1 月，国家发展改革委、生态环境部公布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，意见中提出包括全国禁止生产、销售厚度小于 0.01 毫米的聚乙烯农用地膜等一系列要求[5]，对一次性塑料制品又有了新限制，随着限塑令逐渐推进，势必在农田中掀起一场绿色革命并推动相关产业链发展；秸秆苗盘可降低白色污染，减少秸秆焚烧，但为保证强度在成型中需添加粘土或生物胶[6]；纸钵除应用在玉米制品外，更多应用在蔬菜钵上，纸钵的直立性透气性好，弊端为成本较高，且高温环境下使用效果不佳[7]；以动物粪便为主材料的生物质盘形态上为单体钵或育苗块，其可以完全降解，但其无序性不利于满足自动化移栽的自动有序供苗[8]。
木质素是由三类不同比例的结构单元组成的芳香族聚合物，处于植物的纤维素纤维之间[9]，存在于木质组织中，功能是通过形成交织网增加细胞壁硬度[10]，除纤维素外，木质素是植物界中最丰富的天然高分子化合物之一[11]。其具有玻璃化转变性质，是一种天然粘合剂。在玻璃化温度以下，木质素为玻璃状固态，在玻璃化转变温度以上，分子链移动，木质素软化变黏具有附着力[12-14]。
1.2 国内外模具加热冷却技术研究进展
1.2.1 模具加热技术研究进展
模具加热方式多种多样，包括电热棒加热、蒸汽加热、电磁感应加热、导热油加热和红外加热等[20]。其中使用最广泛的为电加热棒直接加热，其加热速度快，维修方便，与此同时加热棒通电自热，模具不需要任何外设热源，成本低廉。存在问题是模具整体温度不均匀，加热棒的分布决定模具表面温度均匀性，为获得更好均匀性需针对具体使用要求对加热棒的位置进行研究。孔寅等[21]模拟了模具中的传热过程，对加热棒热传递情况分析，对导致加热棒损坏的因素进行研究。这是以热棒自体为研究对象进行的研究，可以指导加热棒的生产。
蒸汽为一种良好热载体。可利用蒸汽将热量传递给被加热物体，日本小野产业株式会社开发出用蒸汽快速加热模具[22]方法。优点是模具温度可快速升高，但加热温度受限，蒸汽加热常用于 200℃以下加热，当加热温度达到 200℃以上需进行增压等处理，加热温度达 300℃就没办法满足需求了[23]；Ming-Chang 等[24]利用水蒸气提高注塑模腔内温度，后冷水降温，将蒸汽加热的效果应用于电视机壳模具研究。赵健等[25]采用蒸汽加热和冷却水冷却，研究了四种加热时间下注塑位置处压力改变状态以及制件冷凝层的变化规律，研究时输入的蒸汽温度值为 180℃。
基于法拉第电磁感应原理的电磁感应加热，依靠集肤效应（趋肤效应）和邻近效应，将感应涡流集中在模具型腔表面做功发热。模具感应加热方法有 5 种，分别是感应加热管加热、机械手辅助感应加热、模芯通电感应加热、模芯内嵌线圈感应加热和模具内置线圈感应加热[26]。在电加热中，这种加热方式可以提高能源利用率，但改装后会降低电气安全性，同时高频感应加热存在一定电磁辐射，高频下长期使用对人体危害较大[27]。Hyun-Joong Lee 等[28]在压铸阶段采用高频感应加热，加热对象为低熔点金属合金，通过数值研究了加热条件对结晶器温度的影响，确定了相应感应加热条件。
2 育苗盘成型机理分析及成型装置设计
2.1 物料热物特性的测定研究
物料的热物性能参数是模具设计研究的重要前提，物料的形态决定模具种类的选择和填料方式。近年来，热力仿真技术已广泛用于温度场模拟中，在研究中需要利用物料的物理特性参数补全育苗盘加热温度空间分布模型中的边界条件，基于木质素黏结特性的生物质育苗盘在前期理论研究中已确定了最优物料配比[19]和加工工艺，按照前期研究的粪秸质量比及含水率要求配比物料如图 2-1 所示，对常温压制成的育苗盘物料测定其导热系数、比热及密度值，为后续研究提供数据支持。
（1）导热系数的测定
导热系数是表征材料热传导性能的物理量，反映了材料的导热程度，一般根据材料性质选择不同的测量方法，测量方法参照测试原理分为稳态测量法和非稳态测量法两类[52]。在被测材料达到热平衡状态，即温度场稳定无变化时测量其内部的温度梯度和热流，据此计算导热系数的方法称作稳态测量法。非稳态即瞬态，任意时间都为瞬态，对比可知两种测量法中稳态测量法热平衡时间较长，对于导热系数较小的材料来讲较适用，考虑仪器精度和控温范围，参照 GB/T10294-2008 标准[53]，采用保护热板法测量物料常温挤压成育苗盘后的导热系数。
2.2 育苗盘热压成型机理分析
该种育苗盘物料为牛粪和水稻秸秆颗粒，按特定的粪秸质量比和含水率在压缩模具下热挤压成型，秧盘模具根据原材料的性状特征选用溢式压缩模（敞开模）[55]，动力来源为如图 2-5 所示液压活塞式压力机，通过液压缸开启和关闭模具，完成物料的压缩。加热温度根据木质素玻璃化转变温度和防止纤维素热解温度定为 170℃~260℃，即加热时育苗盘温度最低要达到 170℃以上，但不超过 260℃，理论最优加热温度为 240℃[19]。开模前要保证育苗盘温度降至 70 摄氏度以下，最低保压时间为 30 秒，成型压强 20MPa，开模取出后干燥存放备用。
生产时生物质物料中牛粪颗粒与秸秆在模具作用下首先挤压变形镶嵌在一起。加热后，物料内木质素逐渐达到玻璃化转变温度，从脆性晶体形态逐渐软化，被压实的物料内牛粪颗粒与秸秆形变产生的内应力随着木质素的软化延展逐步减小。木质素在压力下从纤维素和半纤维素间液化析出。接触模具内壁的物料最先升温，成型物料外表面的木质素最先软化和液化，被挤压析出填充生物质物料与模具内壁间的间隙，随着物料内部的木质素进一步液化，木质素由内而外渗出，在生物质物料与模具内壁间形成一层木质素膜。当被压缩的物料温度低于木质素玻璃化转变温度以下时，物料内部的木质素丧失流动性，将由液化状态重新塑化成晶体状态，育苗盘外表面的木质素层也稳定固化，去除压力后，生物质物料便在其自身木质素黏结和包裹的双重作用下稳定成型[19]。
3 虚拟样机建立与仿真分析..................................... 23
3.1 温度空间分布模型的建立................................................... 23
3.1.1 有限元理论及传热学理论应用............................................ 23
3.1.2 边界条件的确定........................................ 28
4 加热冷却试验与育苗盘压制试验.......................................... 37
4.1 试验台搭建................................................ 37
4.2 加热冷却试验.......................................... 39
5 结论与展望....................................... 53
5.1 结论.................................................53
5.2 展望..............................54
4 加热冷却试验与育苗盘压制试验
4.1 试验台搭建
对设计的零件加工采购，搭建试验台如图 4-1 所示，工作电压 220 伏，根据电路总功率，电路主线选用 4 平电线，其他电源线选用 1.5 平耐高温电线，温控仪采用内置 pid 算法对测温元件儿传回的数据进行处理，根据设定的温度上限与下限，多项输出控制电加热棒、循环水泵及气泵。
工作过程为闭合总电路开关，交流接触器随即吸合，先依次闭合 1、2、3 路空气断路器，加热棒工作，温控仪温度示数随即升高，当大于(AL4+AH4)值时闭合第 4 路空气断路器，之后控制器便可根据设定参数自动对热压成型装置工作过程中温度进行控制。液压机上单独的制动按钮控制模具的开闭。
温控仪选用 PID 控制器，PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。3 个字母依次代表比例单元、积分单元和微分单元，比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。选定温控仪如图 4-2，为河北正润仪表有限公司生产，型号 ZWP-C803-02-23-HL-P，量程 0~1000℃，输入输出均为 4~20mA，参数组有报警预警值 AL，报警预警回差值 AH,报警方式 PH，根据工艺要求，具备 1 路信号输入，四路控制输出。
5 结论与展望
5.1 结论
针对基于木质素黏结特性的育苗盘热压成型时利用电磁感应加热模具，加热后无冷却装置自然降温等问题，本研究根据育苗盘成型工艺要求和成型机理，了解国内外模具加热方式和冷却方式研究进展后，对比分析放弃感应加热以电加热棒加热和水冷冷却方式来实现育苗盘加热工艺要求。确定出育苗盘热压成型装置的整体设计方案后对整体及模具部分进行三维建模，根据传热学理论和有限元理论建立了育苗盘加热温度空间分布模型，并验证了模型的准确性，进行压制试验验证了试验台各项性能并通过育苗盘评价指标判断压制的育苗盘合格，完成了电加热棒加热水冷冷却方育苗盘热压成型装置的设计与试验研究，具体结论如下：
（1）设计了育苗盘热压成型装置，装置分为动力部分、成型部分、加热冷却部分和温度控制 4 部分。加热总功率 4800W，加热棒两层布置在料框处共 8 根，单根功率600W，加热棒直径 10mm，单根长 185mm，旋入料框内发热部分为 180mm，头部留出5mm 增加散热量，距型腔表面距离 9mm，，加热棒组间距 40mm，水道孔径为 8mm，水路设计采用典型平衡水路，水道三层分布数量为 6，并联后单条回路长为 1122mm，中间水道距型腔表面距离为 12mm，冷却水道间距选为水道直径的 5 倍为 40mm，冷却水流速为 1.04m/s，成型压强 20MPa。
（2）根据有限元思想和导热微分方程及对流传热方程组建立了育苗盘加热温度空间分布模型，根据空间分布模型和边界条件模拟优选出加热棒组间距为 40mm；选用 PT100 贴片式温度传感器作为测温元件，测温点在料框上平面长边侧中间，根据模拟结果可知，加热完成时传感器放置位置即凹槽面处平均温度为209.5℃，冷却完成时传感器放置凹槽面平均温度为 29.3℃；温控仪温度参数据此设置；成型压强 20MPa 下加热料框最大应力值为 66MPa，极值分别出现在冷却水道接口处，远小于其屈服强度，满足工作强度条件。
参考文献（略）