基于EDEM-Fluent耦合計(jì)算的噴砂機(jī)磨損特性的影響因素研究

惠志全，黃 思，黃家興，李茂東，葉偉文

（1.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510663；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

噴砂機(jī)廣泛應(yīng)用于石化［1-2］、船舶［3］及土木［4-5］等行業(yè)。噴砂機(jī)主要由壓力罐和噴槍組成，其工作原理是以壓縮空氣形成高速射流將磨料砂粒噴射到工件表面，使其機(jī)械性能發(fā)生變化以達(dá)到加工的目的。噴砂機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)屬于高濃度的復(fù)雜氣固兩相流，工作中因磨料砂粒持續(xù)地沖擊噴砂機(jī)表面，導(dǎo)致噴砂機(jī)出現(xiàn)磨損甚至失效。目前對(duì)于噴砂機(jī)的研究，主要集中于噴砂機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。張彥東等［2］針對(duì)石油管材內(nèi)壁除銹需求設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)噴砂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了噴砂除銹、磨料回收、粉塵處理的自動(dòng)化。韓東熙［6］設(shè)計(jì)了一種汽車自帶式防滑噴砂機(jī)，對(duì)汽車后輪進(jìn)行噴砂以防止打滑。劉志強(qiáng)［7］設(shè)計(jì)了一種用于特定管型工件內(nèi)腔除銹的噴砂機(jī)，其能對(duì)不可旋轉(zhuǎn)工件內(nèi)腔進(jìn)行很好的清理，增加內(nèi)腔附著力，而有關(guān)噴砂機(jī)內(nèi)磨損規(guī)律的研究報(bào)導(dǎo)尚未看到。

本文運(yùn)用EDEM-Fluent軟件，采用連續(xù)流體介質(zhì)與固體顆粒離散元耦合計(jì)算方法［8-14］，通過引入磨損模型，改變顆粒粒徑、密度、硬度、堆積高度及入口壓力等參數(shù)，研究噴砂機(jī)內(nèi)各部分的磨損規(guī)律，為優(yōu)化噴砂機(jī)設(shè)計(jì)及操作方法、延長設(shè)備的使用壽命提供理論依據(jù)。

1 模型和方法

1.1 EDEM-Fluent耦合方法

計(jì)算中將噴砂機(jī)內(nèi)氣體視為連續(xù)相，固體顆粒視為離散相。使用FLUENT軟件對(duì)液相的瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，求解時(shí)均Navier-Stokes方程并將流場(chǎng)數(shù)據(jù)傳遞到EDEM軟件中，考慮顆粒的形狀大小、材料屬性等因素，根據(jù)牛頓第二定律求解每個(gè)顆粒的受力、位置、速度和碰撞特性。

1.2 磨損模型

有關(guān)固體顆粒磨損計(jì)算的常用模型有Finnie等［17］、Tabakoff等［18］和Archard等［19］提出的模型，其中EDEM軟件內(nèi)置了Archard的磨損模型，該模型使用磨損體積W表征磨損量大小，具體公式見式（1）。

式中：K為磨損系數(shù)；L為滑動(dòng)行程（m）；Fn為法向載荷（N）；H為材料表面硬度。在EDEM軟件中將磨損體積表示為單位面積的磨損量h。

式中A為固體顆粒與各部分的接觸面積（m2）。

為了更直觀地表示各部分的磨損關(guān)系，引入一個(gè)量綱為一的相對(duì)磨損量W*：

式中Wi為各部分的磨損體積（m3）。

1.3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

選取如圖1所示的某造船廠噴砂機(jī)作為研究對(duì)象，噴砂機(jī)罐體是上下兩層結(jié)構(gòu)，上層用于儲(chǔ)存?zhèn)溆蒙傲＃聦邮枪ぷ魃傲?。為減少計(jì)算量略去上層空間，使用SolidWorks建模，得到如圖2所示的流動(dòng)計(jì)算域。該計(jì)算域由罐體、進(jìn)氣管和底部管路等部分組成，罐體圓柱段內(nèi)徑810 mm，錐段半錐角為48°，進(jìn)氣管內(nèi)徑55 mm，出口管內(nèi)徑34 mm。

這天晚上，桃花又來敲門，高木不開，叫她走吧。桃花邊敲邊哭泣道：“高木，我是梨花，你開門嘛?！备吣締枺骸澳愕降资侨诉€是鬼？”桃花繼續(xù)哭泣道：“高木，求求你，開開門，我是梨花?！备吣韭犓诳诼暵曊f自己是梨花，心就軟了。他開門出去，問她到底想干什么？桃花癱坐在地上，嗚嗚直哭，傷心得像個(gè)孩子似的。高木叫她起來，桃花已軟在地上；高木抱她進(jìn)屋，把她放到竹椅上，但桃花反抱著他不肯下來；高木沒有辦法，抱進(jìn)房里，放到床上，桃花這才松開手。

圖1 噴砂機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 噴砂機(jī)流動(dòng)計(jì)算域

1.4 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

設(shè)定顆粒為球形，顆粒與顆粒間的接觸模型選取Hertz-Mindlin無滑移模型，顆粒與噴砂機(jī)的接觸采用Hertz-Mindlin模型結(jié)合Archard磨損模型，在式（1）中選取磨損常數(shù)K／H＝10-12［20-22］。噴砂機(jī)、顆粒的有關(guān)參數(shù)見表1，顆粒-顆粒和顆粒-噴砂機(jī)間的相互作用系數(shù)見表2，顆粒初始堆積高度H0為420～660 mm，入口壓力P為0.45～0.65 MPa。

表1 材料屬性

表2 材料的相互作用

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 噴砂機(jī)內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3給出噴砂機(jī)內(nèi)砂粒在不同時(shí)刻的分布情況（dp＝1 mm，G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。從圖3中可以看出：在工作開始階段，罐內(nèi)靜止砂粒被氣流掀起，在入口處被高速氣流吹向?qū)γ嬉粋?cè)，大部分顆粒在氣流的帶動(dòng)下繞罐壁做周期性的環(huán)向運(yùn)動(dòng)，少數(shù)顆粒經(jīng)過底部管路從罐內(nèi)噴出。

圖3 噴砂機(jī)內(nèi)砂粒分布情況

2.2 噴砂機(jī)磨損分布情況

圖4給出t＝1.5 s時(shí)噴砂機(jī)的單位面積磨損量h分布云圖（dp＝1mm，G＝100MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。從圖4中可以看出，噴砂機(jī)的磨損部位主要集中在罐體入口對(duì)面一側(cè)上部、錐體初始段、罐體底部以及出口管路。

圖4 噴砂機(jī)整體磨損情況（t＝1.5 s）

為能具體地了解噴砂機(jī)磨損情況，將噴砂機(jī)分為頂蓋、圓柱段、錐段和底部管路等部分。圖5為t＝1.5 s時(shí)噴砂機(jī)各部分的磨損情況。圖5（a）為頂蓋部分的俯視圖，可以看出：頂蓋的磨損部位主要在入口附近及入口對(duì)面一側(cè)與圓柱段連接處。由圖5（b）可以看出：圓柱段的磨損主要發(fā)生在入口對(duì)面一側(cè)上部與入口一側(cè)下方。由圖5（c）可以看出：錐段的磨損部位主要在入口及其對(duì)面?zhèn)扰c圓柱段過渡處和錐段底部。這是因?yàn)轭w粒在這些位置處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且存在運(yùn)動(dòng)方向的突變，造成嚴(yán)重的磨損。由圖5（d）可以看出：在出口管前段，顆粒沿管螺旋式下降，導(dǎo)致顆粒與管路不斷摩擦造成磨損。此外，出口管后段也存在很嚴(yán)重的磨損，這是因?yàn)閺牡撞咳肟谶M(jìn)入的高壓氣體使得顆粒速度急劇增加，磨損也隨之增加。

圖6給出了噴砂機(jī)各部分的磨損體積W隨時(shí)間t的變化曲線。由圖6可以看出：噴砂機(jī)各部分磨損體積W從大到小的順序?yàn)榈撞抗苈罚惧F段＞圓柱段＞頂蓋，且t＝0.3 s后，各部分的磨損率（dW／dt）基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，以下有關(guān)磨損的討論都是在磨損率穩(wěn)定的條件下進(jìn)行的。

圖5 噴砂機(jī)各部分磨損情況（t＝1.5 s）

圖6 噴砂機(jī)各部分磨損體積隨時(shí)間的變化

2.3 顆粒粒徑對(duì)磨損的影響

圖7給出的是噴砂機(jī)磨損率穩(wěn)定后的總磨損體積W隨顆粒粒徑dp的變化（G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。從圖7中可以看出，總磨損體積隨顆粒粒徑近似線性增大。

圖7 總磨損體積隨顆粒粒徑的變化（t＝1.5 s）

圖8給出了不同顆粒粒徑下噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量W*（t＝1.5 s）。從圖8中可以看出：底部管路的相對(duì)磨損最大，占總磨損的50%左右，其次是錐段，占30%左右。隨著顆粒粒徑增加，頂蓋及圓柱段相對(duì)磨損量的變化幅度不大；錐段的相對(duì)磨損顯著增大，由23%增加到36%，這是因?yàn)轭w粒半徑增大的同時(shí)重量隨之增加，在下落階段對(duì)錐段造成更大的沖擊。雖然底部管路的磨損體積處于上升趨勢(shì)，但其相對(duì)磨損仍表現(xiàn)出較大程度的下降，由57%下降到46%。

圖8 不同顆粒粒徑下噴砂機(jī)各部分相對(duì)磨損量（t＝1.5 s）

2.4 顆粒密度對(duì)磨損的影響

圖9給出的是不同顆粒密度（ρp）下噴砂機(jī)總磨損體積（W）的變化情況（dp＝1 mm，G＝100 MPa，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。由圖9可以看出：隨著顆粒密度增大，總磨損體積存在一定幅度的增加。

圖9 總磨損體積隨顆粒密度的變化（t＝1.5 s）

圖10給出了不同顆粒密度（ρp）下噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量（W*）（t＝1.5 s）。由圖10可以看到：隨著顆粒密度增加，頂蓋及圓柱段相對(duì)磨損量的變化較小，錐段的相對(duì)磨損增加十分明顯，由20%增加到36%，而底部管路的相對(duì)磨損出現(xiàn)較大幅度的下降，由63%下降到47%。其原因與上述的顆粒粒徑增加的情況類似。

圖10 不同顆粒密度下噴砂機(jī)各部分相對(duì)磨損量（t＝1.5 s）

2.5 顆粒硬度對(duì)磨損的影響

EDEM中不能直接指定顆粒硬度，但可通過改變剪切模量來改變顆粒的硬度，剪切模量越大，顆粒硬度越高。圖11給出的是不同顆粒剪切模量下噴砂機(jī)的磨損情況（dp＝1 mm，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。由圖11可以看出：隨著顆粒剪切模量的增大，總磨損體積隨之增加，但磨損率（dW／dt）有所下降。

圖11 總磨損體積隨顆粒剪切模量的變化（t＝1.5 s）

圖12給出了不同顆粒剪切模量G下噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量W*（t＝1.5 s）。由圖12可以看到：隨著顆粒剪切模量的增加，噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量的變化幅度不大，說明顆粒硬度只影響磨損體積的大小而不影響各部分磨損體積的分布。

圖12 不同顆粒剪切模量下噴砂機(jī)各部分相對(duì)磨損量（t＝1.5 s）

2.6 顆粒初始堆積高度對(duì)磨損的影響

圖13為不同顆粒初始堆積高度（H0）下噴砂機(jī)的磨損情況（dp＝1 mm，G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，P＝0.55 MPa）。由圖13可以看出，隨著顆粒堆積高度的增大，總磨損體積呈線性增加。

圖14給出了不同顆粒初始堆積高度（H0）下噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量W*（t＝1.5 s）。由圖14可以看到：隨著顆粒初始堆積高度的增加，噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量只發(fā)生小范圍的變化，說明顆粒初始堆積高度雖然對(duì)磨損體積的大小影響顯著，但基本不影響各部分磨損體積的分布。

圖13 總磨損體積隨顆粒初始堆積高度的變化（t＝1.5 s）

圖14 不同顆粒初始堆積高度下噴砂機(jī)各部分相對(duì)磨損量（t＝1.5 s）

2.7 入口壓力對(duì)磨損的影響

圖15給出不同入口壓力下噴砂機(jī)總磨損體積的變化情況（dp＝1 mm，G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm）。由圖15可以看出；隨著入口壓力的增大，總磨損體積存在比較明顯的增加趨勢(shì)。

圖16給出了不同入口壓力下噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量（t＝1.5 s）。由圖16可以看到：隨著入口壓力的增大，噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量的變化幅度很小，說明入口壓力不會(huì)影響各部分磨損體積的分布。

圖15 總磨損體積隨入口壓力的變化（t＝1.5 s）

圖16 不同入口壓力下噴砂機(jī)各部分相對(duì)磨損量（t＝1.5 s）

3 結(jié)論

1）噴砂機(jī)的磨損部位主要集中在罐體入口對(duì)面一側(cè)上部、錐體初始段、罐體底部以及出口管路。噴砂機(jī)各部分磨損體積從大到小的順序?yàn)榈撞抗苈罚惧F段＞圓柱段＞頂蓋。

2）隨著顆粒粒徑、密度、硬度、堆積高度及入口壓力的增大，噴砂機(jī)的磨損體積均呈增大趨勢(shì)。顆粒粒徑對(duì)磨損體積的影響最大，顆粒堆積高度和入口壓力次之，其余顆粒參數(shù)的影響相對(duì)較小。

3）當(dāng)顆粒粒徑或密度增加時(shí)，頂蓋及圓柱段相對(duì)磨損量的變化幅度不大，錐段的相對(duì)磨損顯著增大而底部管路的相對(duì)磨損顯著減少。當(dāng)顆粒硬度或堆積高度或入口壓力增加時(shí)，噴砂機(jī)各部分的相對(duì)磨損量的變化幅度不大。