一種噴嘴快換裝置的設計及其自動化控制

張雪成，周存龍，張 婧，李 萌

(太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室， 山西 太原 030024)

一種噴嘴快換裝置的設計及其自動化控制

張雪成，周存龍，張 婧，李 萌

(太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室， 山西 太原 030024)

噴嘴作為射流沖擊的關鍵部件，由于所存在磨損問題使得更換噴嘴周期縮短，本文針對如何實現(xiàn)快速自動更換噴嘴進行研究。根據(jù)流體設備設計原理及設備特點開發(fā)了噴嘴快速更換裝置：將噴嘴安裝在轉動盤上，通過轉動盤的旋轉實現(xiàn)噴嘴的自動更換，同時設置伸縮閥解決了旋轉盤的密封性問題。該裝置的應用可解決頻繁更換噴嘴影響生產(chǎn)的問題。

噴嘴；噴嘴快速裝置；阻尼孔；密封；數(shù)值模擬

0 前言

噴嘴是進行噴射切割、表面清洗、表面噴涂、表面改進、表面強化等機械設備的關鍵部件之一，廣泛應用于機械、冶金、船舶、汽車、石油和化工等領域。實際應用過程中，噴嘴受到?jīng)_蝕磨損作用非常強烈，致使噴嘴的工作參數(shù)發(fā)生變化，從而無法完成相應的工作。生產(chǎn)過程中頻繁地更換噴嘴，不但降低生產(chǎn)效率，而且增加了工人的勞動強度。

近些年國內外學者對噴嘴的材料、結構形式、內壁面粗糙度、射流壓力等方面做了大量的研究工作，取得了顯著的成果。馮益華等[1]針對陶瓷材料噴嘴在抗沖擊磨損的機理等方面做了相關的研究；劉莉莉等[2]對梯度陶瓷噴嘴與非梯度陶瓷噴嘴在應力分布和抗磨損機制方面做了相關研究，提出梯度陶瓷噴嘴的抗磨損性能更好；湯積仁等[3]通過數(shù)值模擬和實驗的方法驗證了有過渡段的噴嘴可以使能量損失更小、壽命更長的結論。陳忠敏等[4]通過有限元軟件對噴嘴內流場進行了分析，提出收斂角小、聚焦管長的噴嘴的磨損相對較大的結論。任小增[5]針清洗用扇形噴嘴的結構形式進行了相關研究，并通過實驗得到了噴嘴磨損隨時間變化的規(guī)律。Madhusarathi等[6]通過實驗方法研究噴嘴長度、噴嘴入口角度、噴嘴直徑、水壓力等對噴嘴磨損的影響。Schwetz等[7]針對不同材料噴嘴的磨損情況進行了對比研究。左偉芹等[8]通過將噴嘴設計成可拆分形式，分析了不同時間噴嘴各斷面的磨損情況。

為了更好的適應連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)節(jié)奏的苛刻要求，在通過改進噴嘴的設計來延長其使用壽命的同時，研發(fā)一種能夠減少噴嘴更換時間、實現(xiàn)噴嘴自動更換的裝置，也是解決噴嘴更換與連續(xù)生產(chǎn)這一矛盾的有效途徑。本文就噴嘴快換裝置的實現(xiàn)方法及所帶來的密封性問題展開研究。

1 噴嘴快換裝置的結構

噴嘴快換裝置主要由噴嘴快換機構、傳動系統(tǒng)及相關輔助系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.噴嘴快換機構 2.高壓液體流入管 3.聯(lián)軸器 4.驅動電機 5.支架 6.電機支架圖1 噴嘴快換裝置整體圖Fig.1 Integrated graph of rapid replacement device of nozzles

1.1 噴嘴快換機構

噴嘴快換機構主要由旋轉盤、固定盤和伸縮閥組成，如圖2所示。

1.噴嘴 2.旋轉盤 3.壓緊螺柱 4.壓緊彈簧 5.壓緊球 6.壓緊支架 7.螺釘 8.固定盤 9.軸承 10.軸用擋圈 11.伸縮閥.A-液體進口圖2 噴嘴快換機構組成圖Fig.2 Composition diagram of rapid replacement mechanism of nozzles

旋轉盤可以繞自身軸線自由轉動，旋轉盤一端有多個噴嘴安裝位，可以一次安裝多個噴嘴；旋轉盤另一端為長軸形，并通過鍵槽和聯(lián)軸器等部件與傳動系統(tǒng)相連接。固定盤固定不動，對旋轉盤起支撐作用，固定盤通過軸承和壓緊支架等部件來限制旋轉盤多余的自由度；同時固定盤上裝有伸縮閥可以在噴嘴快換機構工作時起到密封的作用。

1.2 傳動系統(tǒng)

旋轉盤上均勻分布的多個噴嘴安裝位，需要驅動源帶動旋轉盤轉動時能夠精確的定位，同時可以有較好的時間響應和方向控制。綜合旋轉盤驅動精度和控制成本等方面的因素，本裝置采用開環(huán)控制的步進電機[9]作為驅動源。

步進電機相對于其它控制用途電機的最大區(qū)別是它接收數(shù)字控制信號(電脈沖信號)并轉化成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉化的執(zhí)行元件。它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量。步進電機的角位移量與輸入從脈沖個數(shù)嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉角、速度和方向。這種增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，成本明顯降低，而且?guī)缀醪槐剡M行系統(tǒng)調整。

2 噴嘴快換原理及自動控制的實現(xiàn)

2.1 噴嘴快換

該裝置工作時只有一個噴嘴的入口通過旋轉盤和固定盤上的流動與外部通入的高壓液體接通，其它噴嘴處于待命狀態(tài)。當需要更換噴嘴時控制系統(tǒng)給驅動電機發(fā)送信號，驅動電機帶動旋轉盤轉過相應的角度，使下一個噴嘴處于工作位實現(xiàn)噴嘴的快速更換。

2.2 噴嘴更換后密封

為了實現(xiàn)噴嘴快速更換后的自動快速密封，在固定盤中安裝了特制的伸縮閥，如圖2所示。由于伸縮閥入口直徑比固定盤的入口直徑小，可起到一定的阻尼作用，流體流過伸縮閥時有一定的壓降，從而使伸縮閥兩端形成一定的壓差；此外伸縮閥入口側受力面積比出口側受力面積大。伸縮閥兩側壓差和受力面積差共同作用，使其克服伸縮閥彈簧的彈簧力伸出固定盤而與旋轉盤相接觸并壓緊密封；伸縮閥與旋轉盤上加工有相同錐度的錐面，當二者接觸時可以起到很好的密封和定位作用。

2.3 自動控制

控制單元控制傳動系統(tǒng)實現(xiàn)噴嘴自動更換需要三個條件：(1)固定盤入口液體壓力降低，伸縮閥回到固定盤內，避免伸出的伸縮閥對旋轉盤的轉動有干涉。高壓液體入口管安裝的壓力傳感器采集相關信息，為控制單元的控制提供依據(jù)；(2)控制系統(tǒng)存貯的噴嘴累積工作時間達到了更換周期；(3)對每一個安裝在旋轉盤上的噴嘴進行編號，通過控制輸出脈沖數(shù)來實現(xiàn)噴嘴盤上所有噴嘴都能準確旋轉到工作位。

3 密封原理及仿真驗證

3.1 伸縮閥密封原理

(1)密封原理。由于伸縮閥與轉動盤之間的密封為定期密封式的活動連接結構[10-12]，所以采用了剛性金屬密封面所組成的平面密封結構。當外界的壓緊力F大于液體對密封面的作用力時，在結合的密封面上會產(chǎn)生一定的比壓，使接觸的密封平面產(chǎn)生變形。如果變形是在材料的彈性極限范圍內，并產(chǎn)生不大的殘余變形時，那么接觸面每當施加力F時，便可保證其密封性。本例中伸縮閥的施加力為由于兩側壓差和截面積差對其作用力。

(2)密封性要求。液體常溫閉路閥密封面上的密封比壓值公式[10]可以表示為

(1)

式中，qMF為密封面上的密封比壓值，MPa；c為與密封面材料有關的系數(shù)，鋼和硬質合金c=3.5；K為在給定密封面材料條件下，考慮介質壓力對比壓值的影響系數(shù)，鋼、硬質合金K=1；p為介質工作壓力，MPa；bM為密封面寬度，mm。

圖3 伸縮閥結構示意圖Fig.3 Structural diagram of the moving valve

3.2 仿真計算

(1)物理模型。確定壓差參數(shù)，初步假設伸縮閥的幾何參數(shù)如表1所示。仿真參數(shù)如表2所示。

表1 伸縮閥的幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of the moving valve mm

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

(2)流體控制方程。采用標準κ-ε方程湍流模型，該模型是建立在湍流動能κ及其耗散率ε的輸運方程基礎之上的半經(jīng)驗模型。κ、ε的輸運方程如式(2)～(3)所示。

Gκ+Gb-ρε-YM+Sκ

(2)

(3)

式中，t為時間；ρ為流體密度；xi， xj為分布i，j方向坐標；ui為i方向流速；μ為流體的動力黏度；ut為湍流黏度系數(shù)；σκ，σε分別為與湍動能κ和耗散率ε對應的Prandtl數(shù)；Gκ為平均速度梯度引起的湍動能κ的產(chǎn)生項；Gb為浮力引起的湍動能κ的產(chǎn)生項；YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻；Sκ，Sε為用戶根據(jù)計算工況定義的源項；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗常數(shù)。

湍流黏度系數(shù)ut，通過κ和ε計算得到

(4)

式中，Cμ為經(jīng)驗常數(shù)。

(3)伸縮閥的仿真模型。采用Gambit前處理軟件建立伸縮閥前后流場的二維模型，生成有限元網(wǎng)格如圖4所示。由于模型網(wǎng)格的類型與尺度直接影響數(shù)值模擬結果的精度、穩(wěn)定性以及耗用CPU時間，所以模型整體采用結構化網(wǎng)格。

圖4 伸縮閥有限元網(wǎng)格模型Fig.4 Finite element mesh model of the moving vavle

邊界條件設置如下：

(1)入口邊界條件：采用速度入口，根據(jù)所選泵流量和入口截面積計算出流體流速，設定速度為17 m/s；

(2)出口邊界條件：采用壓力出口，依據(jù)工藝參數(shù)選定壓力值，設定壓力值為10 MPa；

(3)壁面邊界條件：壁面采用無滑移邊界條件，近壁面區(qū)域采用標準壁面函數(shù)法計算。

選用κ-ε湍流模型，離散方程求解采用一階迎風格式及SIMPLE算法，其他參數(shù)默認。

(4)仿真結果與分析

圖5為伸縮閥流場的速度流線圖。由圖可知，流體從大直徑的管道流往小直徑的管道，流線發(fā)生彎曲，流束發(fā)生收縮。當流體進入小直徑管道后，由于流體的慣性作用，流束將繼續(xù)收縮直至最小截面(稱為縮頸)，而后又逐漸擴張，直至充滿整個小直徑截面。在縮頸附近的流束與管壁之間有一充滿著小旋渦的低壓區(qū)。在大直徑截面與小直徑截面連接的凸肩處，也常有旋渦形成。所以的旋渦運動都要消耗能量，形成流動阻力。而在流線彎曲、流體的加速和減速過程中，由于流體質點的碰撞等原因也都要增加額外的能量損失。

圖6為伸縮閥流場的壓力分布圖。由圖可知，對應于速度流線圖中緊縮部位，可以明顯的看到一個低壓區(qū)。流體在由大直徑流到小直徑入口處時壓力出現(xiàn)了明顯的梯度減小的變化，在流到小直徑管道后壓力又有一定的升高，但是整體壓力還是有明顯的下降。通過Fluent中的Reports讀取入口的平均壓力為11778951 Pa，出口的壓力為10 MPa，兩側壓差為1778951 Pa。

圖5 伸縮閥流場的速度跡線圖Fig.5 Velocity path line of the flow inside the moving valve

圖6 伸縮閥流場的壓力分布圖Fig.6 Pressure profile of the flow field inside the moving valve

由以上得到的壓差值結合表1中的參數(shù)，并運用式(1)對伸縮閥與轉動盤壓緊面密封壓力進行計算。密封面寬度bM為1.5 mm，工作壓力p為1778951Pa，計算得兩側壓差所需的密封比壓約為14 MPa。顯然如表1所示結構參數(shù)產(chǎn)生的壓差約為1.77 MPa的情況下，伸縮閥兩側截面積相差不大的情況下無法實現(xiàn)壓緊密封。提高伸縮閥作用在轉動盤上壓力的另一個方法是在伸縮閥其他參數(shù)不變的情況下，增大入口的受力面積，利用面積差產(chǎn)生的壓力差來實現(xiàn)壓緊密封。在其他參數(shù)不變的情況下，需要將伸縮閥入口外徑截面直徑d1增大到71 mm。

3.3 伸縮閥截面突變參數(shù)對壓降的影響

為了更深入的了解管道截面突變的相關參數(shù)對壓降的影響，用Fluent軟件對改變參數(shù)后的模型進行對比分析。各工況下伸縮閾主要參數(shù)見表3。

表3 各工況下伸縮閥主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of the moving valve in different working conditions mm

經(jīng)過對不同工況伸縮閥用Fluent進行分析，得到各工況下進、出口壓力及壓差的分布情況如表4所示。

表4 各工況下進、出口壓力及壓差Tab.4 Pressure difference and pressure of the inlet and outlet in different working conditions

圖7 不同工況下伸縮閥壓力分布Fig.7 Pressure profile of the flow inside moving valve in different working conditions

對比1#、2#、3#、4#工況可以看出，當伸縮閥小直徑d3逐漸增大時，兩側壓差會減小；對比1#、5#、6#工況可以看出，當伸縮閥長度l1逐漸減小時，兩側壓差會減小。

4 結論

(1)電機驅動裝有多個噴嘴的旋轉盤轉動可以實現(xiàn)噴嘴自動快速更換，提高生產(chǎn)效率；

(2)開環(huán)控制步進電機，通過控制輸出的脈沖數(shù)即可準確選擇盤上下一個工作噴嘴；

(3)噴嘴更換后的密封依靠由于壓降而產(chǎn)生的壓差和截面差二者共同作用形成的壓力；

(4)減小伸縮閥小直徑尺寸，增大小直徑段長度都可以使壓降升高。

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A device of nozzles rapid replacement design and automatic control

ZHANG Xue-cheng, ZHOU Cun-long, ZHANG Jing, LI Meng

(Shanxi Provincial Key Laboratory of Metallurgical Device Design Theory and Technology,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Nozzle is an important component in the field of jet impingement; the wear makes the replacement of nozzles cycle shorten. In this paper, it researches on how to realize the rapid automatic replacement of nozzles. According to the design principle of fluid equipment and the characteristics of the equipment, the rapid replacement device of nozzles is developed. Nozzles are arranged on the turning disc, and the automatic replacement of nozzles is realized through rotating the disc. In order to deal with the sealing problem of the turning disc, it has designed and installed the moving valve. The application of the device can be used to solve the adverse effects caused by the frequency change of nozzles to the production rhythm.

nozzle; rapid replacement device of nozzle; damping hole; sealing; numerical simulation

2015-11-25；

2016-01-10

太原市人才專項科技明星專題(20121073)；太原科技大學研究生科技創(chuàng)新項目(20134019)

張雪成(1985-)，男，太原科技大學研究生，研究方向：現(xiàn)代軋制設備設計理論與關鍵技術。

周存龍(1965-)，男，博士，教授，研究方向：板帶軋制及精整技術研究。

TG 335.5

A

1001-196X(2016)02-0015-06