基于FLUENT 的高效銑床除塵系統(tǒng)吸風罩優(yōu)化設(shè)計*

林鈺珍 陳 瀾 楊 帆 徐文俊

(①衢州職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，浙江 衢州 324000;②浙江萬里揚變速器股份有限公司，浙江 金華 321042)

隨著機械干加工技術(shù)(干切、干銑、干磨等)的推廣，干加工粉塵問題也逐漸凸顯。機械干加工粉塵擴散后不僅危害人體健康，還會影響加工設(shè)備和加工質(zhì)量。為了對機械干加工粉塵進行控制和處理，就要配置通風除塵系統(tǒng)。吸風罩在通風除塵系統(tǒng)中處于前沿陣地，它主要借助于風機在罩口造成一定的吸氣速度而有效地將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵和有害氣體吸走，吸風罩設(shè)計是否正確、合理對整個除塵系統(tǒng)的效率有著至關(guān)重要的影響。本文以設(shè)計具有高吸附效果的臥式銑床除塵系統(tǒng)的吸風罩為目的，提出一種利用FLUENT 軟件對除塵系統(tǒng)吸風罩進行優(yōu)化設(shè)計的方法。設(shè)計中考慮了干銑削加工時氣流速度場的分布情況，所設(shè)計的3 種吸風罩具有相同的罩口尺寸、連接管口尺寸、安裝尺寸和連接管口風速，而除塵系銑擴散角分別為40°、50°和60°。通過對3 種吸風罩所產(chǎn)生的抽吸氣流速度場進行對比，優(yōu)選出其中的一種作為臥式銑床的吸風罩。其研究成果對提高吸風罩這類產(chǎn)品的工作效率都具有參考價值。

1 粉塵擴散與吸收機理

在臥式銑床上銑削端面，見圖1，銑削時會產(chǎn)生大量的粉塵。粉塵在擴散時，由于振動力和溫度的作用，擴散的狀態(tài)是等速曲線，如圖2a，在同一條曲線上，各個點的擴散速度相同，用vk表示。吸風罩抽吸靜態(tài)空氣時，氣流向罩口內(nèi)擴散，擴散的狀態(tài)也是等速曲線，如圖2b，在同一曲線上，各個點的擴散速度相同，用vx表示。罩口吸氣時，罩口外的速度衰減很快，罩口處的平均速度用v0表示。把吸風罩置于揚塵處，在任意一點處，只要vx＞vk，吸風罩就可以把該點的含塵氣體吸入罩內(nèi)，如圖2c，vk=20 m/s 的曲線的一部分被vx=20 m/s的曲線包圍，被包圍的部分各點的含塵氣體可以被抽吸。當vk=20 m/s 曲線上的含塵氣體繼續(xù)向外擴散，擴散速度隨之下降，待下降到vk=10 m/s 的位置時，vk=10 m/s 的曲線大部分被vx=10 m/s 的曲線包圍，大部分含塵氣體可以被抽吸［1］。

2 基于FLUENT 的干銑削氣流速度場分析

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

研究中應(yīng)用GAMBIT 軟件進行幾何建模和網(wǎng)格劃分。銑刀直徑為200 mm，刀齒數(shù)為10 個，軸向尺寸為63 mm，其幾何模型見圖3。計算域是以銑刀回轉(zhuǎn)軸心線為軸的半徑為1 m 的圓柱側(cè)面、與距銑刀軸心線為300 mm 的下水平面圍成的近似半圓柱體，該近似半圓柱體的軸線長度為126 mm，劃分網(wǎng)格后的計算域見圖4。由于被加工端面的尺寸一般比銑刀直徑略小，將銑刀右端面設(shè)置成開放面，并將半圓柱側(cè)面和左端面也設(shè)置成開放面;考慮到機床底面尺寸較大，為了將下水平面模擬成機床底面，將下水平面設(shè)置成固壁面。

2.2 求解與結(jié)果分析

將網(wǎng)格化模型導入至FLUENT 軟件，對銑削過程中銑刀周圍的氣流速度場進行數(shù)值模擬。在臥式銑床上銑削端面時，銑削運動主要是銑刀的高速旋轉(zhuǎn)和走刀，走刀運動與銑刀的旋轉(zhuǎn)運動相比是非顯著運動，對銑削氣流的影響較小，因此設(shè)置銑刀轉(zhuǎn)速為150 rad/s，而忽略走刀運動。假設(shè)銑刀周圍氣體流動過程為粘性、穩(wěn)態(tài)絕熱、不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)，并選擇壓力基求解器和標準的k-ε 雙方程湍流模型進行求解，得出氣流在三維空間的速度場分布情況如圖5 所示。

選取如圖5 所示兩個平面上的氣流速度場進行分析，圖5a 所示平面位于銑刀刀尖上并與半圓柱兩近似半圓面互相平行，圖5b 所示平面位于銑刀軸線上并與半圓柱下水平面互相平行。由圖5 可知，刀片安裝在銑刀盤上形成的凸起與凹坑對氣流的影響比較大，氣流在凸起與凹坑處的速度已達到10 m/s;在刀片周圍有一環(huán)形區(qū)域，氣流速度在環(huán)形區(qū)域內(nèi)比較高，而氣流速度在環(huán)形區(qū)域外衰減的很快，當計算域中某點至銑刀軸線的徑向距離超過200 mm 時，氣流速度基本上為零。

3 吸風罩優(yōu)化設(shè)計

3.1 吸風罩的設(shè)計計算

對于圖1 所示的臥式銑床，為了方便工人操作，同時使罩口盡量接近塵源，將吸風罩安裝在銑刀上方。本文采用無邊圓形吸風罩，吸風罩與銑刀的相對位置如圖6 所示。

3.1.1 圓形吸風罩罩口面積的設(shè)計計算［2］

式中:R 為罩口半徑，m;r 為設(shè)備或粉塵源的半徑(見圖6)，m;h 為設(shè)備或粉塵源至罩口的軸向距離(見圖6)，m;A 為罩口面積，m2。

3.1.2 圓形吸風罩抽吸風量的計算

式中:vx為軸線上距罩口x 處的風速(見圖6)，m/s;x為從粉塵飛揚點到吸風罩口的距離(見圖6)，m;Q 為抽吸風量，m3/h;v'為吸風罩連接管管口處的平均風速(見圖6)，m/s;A'為連接管管口面積，A'=πr'2，m2;r'為管口半徑，m。

3.1.3 臥式銑床吸風罩參數(shù)選取

取吸風罩罩口至銑刀回轉(zhuǎn)中心的軸向距離為200 mm以便安裝與拆卸被加工工件，由于氣流速度在銑刀周圍的環(huán)形區(qū)域內(nèi)較大，因此將銑刀回轉(zhuǎn)中心看作粉塵源，認為粉塵由銑刀回轉(zhuǎn)中心向外擴散，于是吸風罩罩口至粉塵源的距離h=200 mm，根據(jù)式(1)和(2)得出吸風罩罩口半徑為R=150 mm，吸風罩罩口面積為A=0.07 m2。由2.2 的分析結(jié)果可知，當氣流至銑刀回轉(zhuǎn)軸線的距離超過200 mm 時，氣流的速度基本上為零。因此將距離銑刀回轉(zhuǎn)軸線下方200 mm的點作為控制點，取控制點處的軸吸風速vx=1 m/s，此時x=400 mm，根據(jù)式(3)得出吸風罩的抽風量Q=6012 m3/h;取吸風罩連接管口直徑為80 mm，根據(jù)公式(4)得出吸風罩連接管口處的平均風速v'大小為332.5 m/s。

3.2 吸風罩優(yōu)選

根據(jù)上述參數(shù)，應(yīng)用GAMBIT 軟件對擴散角分別為40°、50°和60°的吸風罩進行幾何建模和網(wǎng)格劃分，圖7 所示為擴散角為40°時吸風罩的二維網(wǎng)格模型，AB 表示連接管口，CD 表示吸風罩口，AC 和BD 表示收縮壁面，EF 表示機床底面。將AB 設(shè)置成速度進口，進口速度v'=-332.5 m/s;AC、BD 和EF 設(shè)置成固壁面，CE 和DF 設(shè)置成開放面。

將建立好的網(wǎng)格模型導入至FLUENT 軟件中，選擇壓力基求解器和標準的k-ε 雙方程湍流模型進行求解，得出圖8 所示3 種吸風罩所產(chǎn)生抽吸氣流的速度場分布情況。

3 種吸風罩內(nèi)的抽吸氣流都是中間流速較大，靠近收縮壁面流速較小，當擴散角為60°時，吸風罩內(nèi)的氣流速度比較均勻，靠近收縮壁面的低速氣流占據(jù)的空間最小。另外，由于擴散角為60°時吸風罩長度較短，抽吸氣流從連接管口至罩口的速度衰減量較小。因此宜采用擴散角為60°的吸風罩作為干銑削除塵系統(tǒng)的吸風罩。

4 結(jié)語

利用FLUENT 軟件對干銑削加工過程中氣流的速度場進行數(shù)值模擬，根據(jù)氣流速度的分布范圍與大小確定圓形吸風罩的安裝位置、罩口面積、連接管口面積、控制點和控制風速，并計算出抽吸風量和連接管口的平均風速，進而設(shè)計出擴散角為40°、50°和60°的吸風罩。最后對3 種吸風罩罩口內(nèi)外氣流的分布情況進行對比分析，結(jié)果表明當擴散角為60°時吸風罩罩口內(nèi)氣流速度分布比較均勻，氣流能夠較好的充滿罩內(nèi)空間，且氣流從連接管口至罩口的速度衰減量較小，更加有利于提高吸風罩對粉塵的吸附效率。

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