采用射流冷卻的撕碎機(jī)刀具熱特性仿真分析*

顧振業(yè)，顧書(shū)豪，夏 鵬，錢(qián)鵬飛*，林 蒙，謝方偉

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.張家港市新貝機(jī)械有限公司,江蘇 張家港 215600)

0 引 言

撕碎機(jī)又被稱為滾切式撕碎機(jī)，主要由刀片主軸、定刀、承載箱體、箱體支架、進(jìn)料系統(tǒng)、推料系統(tǒng)以及電器控制系統(tǒng)組成，常用于撕碎木材、橡膠、塑料及廢棄管材等廢棄物料[1]。撕碎機(jī)在工作過(guò)程中，由于刀具不斷撕扯物料，二者摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致撕碎倉(cāng)內(nèi)溫度逐步升高，此時(shí)刀具若繼續(xù)在高溫條件下工作，其金屬表面將會(huì)發(fā)生劇烈的氧化作用，從而導(dǎo)致刀具的機(jī)械性能和撕碎機(jī)倉(cāng)內(nèi)零件的幾何尺寸受到影響，甚至還會(huì)燒壞撕碎倉(cāng)內(nèi)零件表面。尤其在夏季，工人們往往不得不停機(jī)等待或往撕碎倉(cāng)中澆注冷水，待撕碎機(jī)冷卻一段時(shí)間后，方才繼續(xù)使用，這嚴(yán)重降低了撕碎機(jī)的工作效率。所以撕碎機(jī)在工作過(guò)程中，刀具溫度的高低成為影響其工作穩(wěn)定性和使用壽命的重要指標(biāo)[2]。

目前，人們通過(guò)有限元分析技術(shù)在降低刀具切削溫度方面做了大量工作。文懷興等[3]通過(guò)AdvantEdge軟件分析了常規(guī)冷卻和高壓冷卻不同車削方式下對(duì)刀具溫度的影響，結(jié)果表明高壓冷卻不僅可以顯著降低刀具切削刃的溫度，而且還可以減少刀具磨損；李天箭等[4]提出了一種將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與熱流固耦合設(shè)計(jì)這兩種設(shè)計(jì)分析方法相結(jié)合進(jìn)行內(nèi)冷車刀復(fù)合設(shè)計(jì)的方法，從仿真結(jié)果來(lái)看，與傳統(tǒng)內(nèi)冷刀具相比，在相同冷卻流量下，刀具結(jié)構(gòu)的整體剛度提高，在熱變形減少的同時(shí)，刀具最高溫度有所降低；杜勁等[5]基于Fluent軟件得出了涂層刀具在切削H13淬硬模具鋼時(shí)涂層材料對(duì)刀—屑接觸面?zhèn)鳠岬挠绊懸?guī)律，研究發(fā)現(xiàn)了較厚的刀具涂層能夠有效降低刀具體內(nèi)溫度，而且減小刀—屑實(shí)際接觸面積有利于降低刀具整體溫度。

為保證撕碎機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在高溫壞境下穩(wěn)定工作，本文提出一種采用射流沖擊的撕碎機(jī)刀具冷卻結(jié)構(gòu)，建立撕碎機(jī)刀具射流冷卻模型，基于Fluent軟件對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行初步分析[6]。

1 新型撕碎機(jī)刀具結(jié)構(gòu)

本文以一種雙軸臥式撕碎機(jī)為研究對(duì)象，如圖1所示。

圖1 一種雙軸臥式撕碎機(jī)

本研究所設(shè)計(jì)的新型撕碎機(jī)刀具冷卻結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 新型撕碎機(jī)刀具冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)原理為：撕碎機(jī)刀具通過(guò)螺栓固定在刀具主軸的刀盤(pán)上，冷卻流體(空氣或水)經(jīng)刀具主軸上的射流孔噴射到刀具表面，利用空氣或水流的強(qiáng)制對(duì)流換熱來(lái)降低刀具溫度，從而提高刀具使用壽命，保證撕碎機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間在高溫壞境下穩(wěn)定工作。

2 撕碎機(jī)刀具射流冷卻模型

2.1 物理模型

撕碎機(jī)刀具的射流冷卻模型如圖3所示。

圖3 撕碎機(jī)刀具的射流冷卻模型

其中，射流介質(zhì)分別為空氣或水，射流方向沿y軸負(fù)方向，刀具厚度70 mm，射流距離45 mm，出口區(qū)域?yàn)榈毒咚闹堋?/p>

為了簡(jiǎn)化模型，作如下假設(shè)：(1)射流口形狀為圓孔型，直徑5 mm，與其他形狀的射流口相比，圓孔型射流孔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工等優(yōu)點(diǎn)；(2)射流介質(zhì)為不可壓縮流體，同時(shí)忽略其粘度產(chǎn)生的熱耗散；(3)由于該冷卻方式為對(duì)稱式射流沖擊，同時(shí)降低仿真時(shí)間，取對(duì)稱軸的一半作為計(jì)算區(qū)域；(4)被沖擊刀具表面光滑。

2.2 控制方程

假設(shè)射流介質(zhì)為不可壓縮的定常流動(dòng)，流體力學(xué)的基本控制方程如下[7-9]：

(1)連續(xù)性方程：

(1)

(2)動(dòng)量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

(3)能量守恒方程：

(5)

式中：μx，μy，μz—x、y、z3個(gè)方向上的速度分量，m/s；t—時(shí)間，s；ρ—密度，kg/m3；p—流體微元上的壓強(qiáng)，Pa；fx，fy，fz—3個(gè)方向的單位質(zhì)量力，m/s2，由于質(zhì)量力只受重力影響，沿y軸垂直向下，故fx=fz=0，fy=-g；μ—流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；CP—比熱容，J/(kg·K)；T—熱力學(xué)溫度，K；λ—流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

此外，為準(zhǔn)確描述射流沖擊的流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律，不論是空氣射流還是水射流，均采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型的湍流能量輸運(yùn)方程和能量耗散輸運(yùn)方程分別為：

(6)

(7)

式中：Gk—平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；Gb—由于浮力影響引起的湍動(dòng)能；YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；μt—湍流粘度；C1ε,C2ε,C3ε—默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44,C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk，σε—湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)，默認(rèn)值為1.0和1.3。

另外，對(duì)于水射流冷卻模型，為模擬水在空氣中的射流冷卻，筆者在選擇Standardk-ε湍流模型和開(kāi)啟能量方程后，選用VOF模型模擬水射流冷卻，并定義空氣為基本相，水為第二相[10]。

2.3 邊界條件

整個(gè)射流場(chǎng)的入口和出口均采用壓力邊界條件，其中，射流口壓力為0.1 MPa，環(huán)境大氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，出口相對(duì)壓力為0 Pa，環(huán)境溫度為25 ℃[11-13]；射流介質(zhì)分別為空氣和水，撕碎機(jī)刀具材料為碳鋼。

相關(guān)材料的物理性質(zhì)具體如表1所示。

表1 相關(guān)材料的物理性質(zhì)

本文中的撕碎機(jī)主要用來(lái)切削PVE管材，刀具主軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，通過(guò)金屬切削仿真軟件AdvantEdge進(jìn)行刀具傳熱邊界分析，得到撕碎機(jī)刀具前端發(fā)熱量為107W/m3[14]。

3 撕碎機(jī)刀具熱特性分析

3.1 不同冷卻方式對(duì)刀具冷卻效果的影響

本文基于上文所建立的撕碎機(jī)刀具熱流耦合分析模型，在特定工況下對(duì)其進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得到不同射流介質(zhì)下撕碎機(jī)刀具的溫度云圖，如圖4所示。

圖4 不同射流介質(zhì)下撕碎機(jī)刀具的溫度云圖

從圖4中可以看出：刀具在不同射流冷卻方式下，其冷卻效果存在著顯著差異。

為便于分析空氣射流和水射流的冷卻差異，本文選取撕碎機(jī)刀具表面作為刀具溫度檢測(cè)面，再根據(jù)仿真結(jié)果，提取出不同冷卻方式下刀具表面上的溫度數(shù)據(jù)，得到不同冷卻方式下刀具表面溫度分布，如圖5所示。

圖5 不同冷卻方式下刀具表面溫度分布

由于撕碎機(jī)刀具主要在前端面產(chǎn)生熱量，在射流冷卻模型中射流口指向刀具前端面，導(dǎo)致刀具前端面降溫效果顯著，而離前端面越遠(yuǎn)則降溫效果越差。從圖5可以看出：在未冷卻前，撕碎機(jī)刀具表面最高溫度位于刀具前端，最低溫度位于刀具底部；在空氣射流冷卻模型中，與未冷卻的撕碎機(jī)刀具相比，溫度下降了11%到26%；在水射流冷卻模型中，同樣與未冷卻的撕碎機(jī)刀具相比，溫度下降了48%到55%。

此外，在研究不同冷卻方式下刀具的冷卻效果時(shí)，還需考慮刀具冷卻時(shí)溫度的不均勻性。因?yàn)榈毒吆芸赡苡捎跓釕?yīng)力加劇而發(fā)生變形，進(jìn)而影響刀具使用壽命。從圖5可以看出各個(gè)曲線的平緩程度，結(jié)合具體數(shù)據(jù)：未射流冷卻前刀具表面最大溫差約為83 ℃，采用空氣射流冷卻方式后刀具表面最大溫差為54 ℃左右，而采用水射流冷卻后刀具表面最大溫差約為35 ℃。從仿真結(jié)果可知：撕碎機(jī)刀具在射流冷卻后，刀具表面的溫度不均勻性得到一定程度的改善，其中，采用水射流冷卻的刀具表面的溫度均勻性要好于空氣射流冷卻。

3.2 不同冷卻方式對(duì)刀具熱變形的影響

撕碎機(jī)刀具在工作過(guò)程中，刀具由于受到切削熱的影響，溫度升高而產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致刀具磨損，降低刀具使用壽命。因此，有必要分析該冷卻模型以及不同冷卻方式對(duì)刀具熱變形的影響。

基于上文所建立的撕碎機(jī)刀具射流冷卻模型，本文通過(guò)Workbench軟件進(jìn)行熱流固耦合分析，進(jìn)一步研究不同冷卻方式對(duì)撕碎機(jī)刀具熱變形的影響。

由于刀具通過(guò)螺栓固定在刀具主軸上，本研究在靜力學(xué)模塊中對(duì)刀具螺栓孔施加約束，得到撕碎機(jī)刀具在不同冷卻方式下刀具的總熱變形對(duì)比，如圖6所示。

圖6 不同冷卻方式下刀具的總熱變形對(duì)比

由圖6可以看出：刀具最大熱變形發(fā)生在刀具前端，具體位于刀尖部位；在未冷卻前，刀具最大熱變形為64.35 μm；在空氣射流冷卻后最大熱變形下降為49.64 μm，減少了22.6%；在水射流冷卻后最大熱變形降至22 μm，減少了65.8%。由此可知：該冷卻結(jié)構(gòu)可使刀具最大熱變形得到一定程度的改善，尤其是采用水射流冷卻后的刀具最大熱變形最小。

3.3 冷卻參數(shù)對(duì)刀具熱特性的影響

在本文中，撕碎機(jī)刀具溫升和最大熱變形的控制參數(shù)主要是射流口的壓力，故采用有限元法研究射流口壓力對(duì)刀具溫升和最大熱變形的影響。

當(dāng)?shù)毒咧鬏S轉(zhuǎn)速為120 r/min(射流口直徑5 mm，射流介質(zhì)25 ℃)時(shí)，在5組不同壓力工況下(0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa)，不同冷卻方式下射流口壓力與刀具溫升的情況如圖7所示。

圖7 不同冷卻方式下射流口壓力與刀具溫升的情況

不同冷卻方式下射流口壓力與刀具最大熱變形的情況圖8所示。

圖8 不同冷卻方式下射流口壓力與刀具最大熱變形的情況

由圖(7，8)可知：不管是空氣射流冷卻還是水射流冷卻，刀具的溫升和最大熱變形都隨著射流口壓力的增加而下降且二者下降趨勢(shì)基本一致。以空氣射流冷卻為例，射流口壓力從0.1 MPa增至0.2 MPa后，刀具的溫升降低了13 ℃，最大熱變形降低了8.3 μm；而射流口壓力從0.2 MPa增至0.5 MPa過(guò)程中，刀具的溫升降只低了15 ℃，最大熱變形僅降低了9 μm。由此可見(jiàn)，射流口壓力高于0.2 MPa后，繼續(xù)提高壓力對(duì)刀具溫升和最大熱變形的降低效果不顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)撕碎機(jī)刀具長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作導(dǎo)致其使用壽命下降等問(wèn)題，本文提出了一種采用射流沖擊的撕碎機(jī)刀具冷卻結(jié)構(gòu)；為驗(yàn)證該冷卻結(jié)構(gòu)及不同射流介質(zhì)對(duì)撕碎機(jī)刀具熱特性的影響，本研究通過(guò)Fluent軟件作了相應(yīng)模擬，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于采用射流沖擊的撕碎機(jī)刀具結(jié)構(gòu)，無(wú)論是空氣射流冷卻還是水射流冷卻都能顯著降低撕碎機(jī)刀具的溫度和熱變形，尤其是刀具發(fā)熱嚴(yán)重的前端部分，均降低了20%以上，而且刀具溫度的不均勻性得到改善；

(2)在相同工況下，采用水射流的冷卻效果明顯好于空氣射流，而且水射流冷卻后刀具溫度的均勻性更好。故相較于空氣射流，采用水射流的冷卻方式更能滿足撕碎機(jī)刀具的冷卻要求；

(3)不論是空氣射流還是水射流，隨著射流口壓力的逐漸增大，刀具的溫升和最大熱變形呈下降趨勢(shì)且降幅趨于平緩。

該仿真研究可指導(dǎo)合理選取實(shí)際冷卻系統(tǒng)參數(shù)，以控制撕碎機(jī)刀具的溫升和最大熱變形在設(shè)定的目標(biāo)范圍內(nèi)。