1 绪 论
1.1 课题背景及实用意义
我国对水润滑橡胶轴承进行理论探索和试验研究和应用的时间较晚。沈阳滑动轴承研究所与西安交通大学润滑理论及轴承研究所组成的联合体在这方面做过一些有益的探索，重庆大学机械传动国家重点实验室与重庆奔腾科技发展有限公司在合作研发与推广应用上非常成功。1990 年成功开发出一种新型的 BTC 水润滑橡胶合金轴承，在轴承材料的物化性能、塑性弹性流体动压润滑与动密封的结构设计、轴承衬套与金属的粘结强度等关键技术方面，有重大突破和重要创新，取得了具有自主知识产权并处于国际领先水平的科技成果。水润滑复合橡胶轴承的生产工艺是模压成形，它具有成形装置简单、设备投资小、模具结构简单等特点。
然而，在模具的加热方法上是采用蒸汽热压式(或)电阻传导热压式，即通过上下加热平板进行模压加热，这样加热的效率低，电能消耗大，更重要的是存在硫化成形水润滑复合橡胶轴承时各部位热压不均匀，热压硫化时间长等问题，从而使工件在经过模压成形工艺后产品的承载能力、工作速度、摩擦因素、尺寸稳定性、表面粗糙度等关键技术性能指标很难达理想效果，而且生产效率低，操作强度大，可靠性较差。而且目前电力紧缺已严重制约我国经济的发展，政府大力扶持节能、环保型产业，而且随着中国经济的飞速发展，市场的竞争越来越激烈，因此怎样提高产品质量，降低产品成本，从而提高产品的竞争力，是每个企业面临的一个核心问题。因而，开发一种加热快、加热均匀、节能环保的水润滑复合橡胶轴承加热系统替代传统的加热方式已经迫在眉睫。
感应加热技术因具有加热效率高、加热速度快、温度容易控制、节能环保、被加热工件受热均匀等优点，应用范围越来越广。若将感应加热技术应用到水润滑复合橡胶轴承的硫化成形工艺中，设计成感应热压模具可以有效的解决加热不均匀，硫化时间长等技术难题，并且能起到节能环保的作用。而且如果将此技术推广到其他产品的模压成形工艺中，势必会产生很大的经济和社会效益。
1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 感应加热技术国内外现状
早在 19 世纪初，法拉第发现了电磁感应现象，发现了处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热。但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并且为了保护电气设备和提高效率而千方百计的减少这种发热。直到 19 世纪末，Foucault 、Heaviside 以及 Thomson 等人对涡流理论和能量由线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究后，并逐步建立了感应加热的基础，人们才开始意识到电磁感应中涡流效应的应用价值，开始了开发和利用这种热源。
随着人们对感应加热现象认识的不断加深，20 世纪初法国、意大利和瑞典等国开始研究使用感应加热技术。1890 年，瑞典人发明了第 1 台感应熔炼炉——开槽式有芯炉；1916 年，美国的 J.R.Wyatt 发明了“潜沟式”有心感应炉，也即现在广泛使用的有心炉的原型。1921 年，美国人 E.F.Northrup 又发明了无心感应炉，并尝试将已经问世的中频发电机组用于向感应加热负载供电。随着感应加热技术理论的逐步系统化，实践应用也有了很大的发展，此时正在广播通讯领域迅速推广的电子三极管也被引进到感应加热技术中。二次世界大战以后，由于能源紧张，以感应炉取代低效率的燃料炉取得了明显的节能效果；随着工业化进程的加快，人们环保意识的不断提高，世界各国都在大力发展感应加热技术以取代污染严重、劳动条件差、自动化程度低的燃料炉，这一系列因素促进了感应加热技术的迅速发展，使感应加热设备的应用数量不断增长，应用范围也不断扩大。
目前，在感应加热装置的研究方面，低频感应加热场合普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温。预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源虽然其效率、体积和性能均优于工频炉，但在功率容量、价格和可靠性方面还难以与简单的工频感应炉竞争；在中频(150kHz~10kHz)范围内，晶闸管感应加热装置已经完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量己达数十兆瓦；在超音频(10kHz~100kHz)范围内，晶闸管出现以后，一度曾采用晶闸管以时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。八十年代开始随着一系列新型功率器件的相继出现，以这些新型器件(主要有 GTO、GTR、MCT、IGBT、BSIT 和 SITH)构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以I-GBT 应用最为普遍。1994 年日本采用 IGBT 研制出了 1200kW/50kHz 的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控制。西班牙在 1993 年也已经报道了 3~600kW/100kHz 的 IGBT 电流型感应加热电源，欧、美地区的其它一些国家如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。在高频(100kHz 以上)领域，国外己从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。日本的 SIT 高频感应加热加热电源研究非常成熟，在 1987 年就已经研制1200kW/200kHz 的 SIT 电源。欧美各国采用 MOSFET 的高频感应加热电源的容量也在突飞猛进。例如，西班牙采用 MOSFET 的电流型感应加热电源制造水平可达 600kW/400kHz；比利时 Inductor Elphiac 公司生产的电流型 MOSFET 感应加热电源水平可达 1MW/15~600kHz；美国 Inductor heat 公司已经推出 2MW/400kHz的 MOSFET 高频感应加热电源。
2 水润滑复合橡胶轴承成形工艺分析
水润滑复合橡胶轴承成形工艺主要指的是它的硫化成形过程，在设计模具之前很有必要对硫化成形的工艺过程和基本特性进行分析，从中找出水润滑复合橡胶轴承传统成形工艺所存在的问题，从而为设计电感应热压模具奠定一定的理论基础。
2.1 水润滑复合橡胶轴承成形工艺过程
水润滑复合橡胶轴承成形传统工艺采用的是平板硫化机的模压硫化工艺。模压硫化是将胶料装入模内，在加压条件下进行硫化。由于橡胶具有热积累的特性，所以胶料的实际焦烧时间，包括焦烧时间是 A1和剩余时间 A2。操作焦烧时间是指橡胶加工过程中由于热积累效应所消耗掉的焦烧时间，它取决于加工条件(如胶料混炼、热炼、压延和压出等工艺条件)。剩余焦烧时间是指胶料在模型加热时保持流动性的时间。在操作焦烧时间与剩余焦烧时间之间不可能有固定界限，它随胶料操作和停放而变化。一个胶料经历的加工次数越多，它的操作时间就越长(如图中 A1所示)，缩短了剩余焦烧时间(如图中 A2所示)，也即减少了胶料在模具中的流动时间，因此一般的胶料都应避免经受多次的机械作用。
3 工程复合材料精密成形电感应热压..................... 26-42
3.1 感应加热基本理论..................... 26-31
3.1.1 电磁感应与感应加热..................... 26-28
3.1.2 感应加热的电磁效应..................... 28-31
3.2 感应器设计..................... 31-41
3.2.1 感应器的结构设计..................... 31-32
3.2.2 感应器的参数计算 .....................32-41
3.3 本章小结 .....................41-42
4 工程复合材料精密成形电感应热压.....................42-50
4.1 引言 .....................42
4.2 自动脱模方案设计..................... 42-43
4.3 工程复合材料精密成形电感应热压..................... 43-49
4.3.1 感应器结构设计..................... 43-45
4.3.2 模体设计..................... 45-49
4.4 本章小结 .....................49-50
5 工程复合材料精密成形电感应热压..................... 50-64
5.1 引言 .....................50
5.2 电磁场有限元数学模型 .....................50-55
5.3 感应加热温度场数学模型 .....................55-57
5.4 电感应热压模具加热过程数值仿真..................... 57-63
5.5 本章小结..................... 63-64
结论
水润滑复合橡胶轴承的使用已经有较长时间，但是水润滑复合橡胶轴承成形传统工艺中仍旧存在各部位热压不均匀，热压硫化时间长，劳动强度大等问题。针对这些问题，本文在重庆大学机械传动国家重点实验室王家序教授等人发明的一种精密工程塑胶制品感应热压成形模具（专利申请号：200510057234.0）的基础上，研究提出了水润滑橡胶橡胶轴承自动脱模设计方案，并设计了一套工程复合材料精密成形电感应热压模具，并结合工程实际，得出如下结论：
①通过研究复合橡胶模压硫化成形的基本特性和水润滑复合橡胶轴承成形传统工艺，得出传统成形工艺中存在硫化温度有很大的滞后性、温度控制困难、受热不均匀（存在两头过硫，中间欠硫）、能耗大、环境干扰大等问题，进而导致了产品的质量控制难、硫化效率低。
②通过比较了几种成形加热方式，提出了在水润滑复合橡胶轴承成形工艺中使用感应加热代替传统电阻加热的可行性方案。
③针对传统水润滑橡胶复合轴承成形工艺中存在的劳动强度大，不能自动脱模的问题，提出了自动脱模设计方案，并基于方案对工程复合材料精密成形电感应热压模具的结构进行了设计。
④针对规格为40 × 60 × 160mm水润滑复合橡胶轴承，结合成形工艺实际要求，计算了工程复合材料精密成形电感应热压模具的物理参数，主要参数为：工作频率工频（50Hz），电压 220v，电源功率 5kw，螺线管匝数 13 匝，感应器内电流为1.274× 10 A。
⑤提出了利用电磁-热双向耦合对工程复合材料精密成形电感应热压模具加热过程进行数值分析方案。
⑥通过对工程复合材料精密成形电感应热压模具加热过程的仿真，验证了感应器设计的正确性。
虽然本文在水润滑复合橡胶轴承传统硫化成形工艺改进方面取得了较大的进展，但在还有待于进一步研究，比如在感应热压模具电源的设计，硫化温度的精确控制，自动脱模设备的进一步研发等方面还需要深入的研究。
参 考 文 献
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