噴油器噴孔液力擠壓研磨加工過程仿真關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

李梅

摘要：柴油機(jī)噴油器油嘴噴孔的加工工藝精度影響噴油量，發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放要求的不斷提高，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很難保證加工的精確度，對(duì)噴油量和均勻性存在較大的偏差。而擠壓研磨技術(shù)作為一種新的加工工藝，利用流體中的磨粒作為切削刀具，可對(duì)噴油器的油嘴部分的去毛刺、倒孔、倒圓角等加工，對(duì)難以接觸或者精密的部件表面有較好的拋光作用。本文利用分析噴孔處液力加壓研磨加工工藝控制過程的關(guān)鍵參數(shù)，利用仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化，為噴孔處液力加壓研磨加工工藝控制過程提供理論依據(jù)，進(jìn)而進(jìn)一步指導(dǎo)擠壓研磨技術(shù)應(yīng)用于噴油器加工工藝。

1.引言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放要求的不斷提高，柴油機(jī)電控技術(shù)的核心控制部分電控燃油噴射系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟，有電控噴油泵和電控噴油器等主要控制部件。而柴油機(jī)電控噴油器噴孔的制造精度對(duì)噴油量和均勻性都有影響，但傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很難保證加工的精確度，對(duì)噴油量和均勻性存在較大的偏差。而擠壓研磨技術(shù)作為一種新的加工工藝，利用流體中的磨粒作為切削刀具，可對(duì)噴油器的油嘴部分的去毛刺、倒孔、倒圓角等加工，對(duì)難以接觸或者精密的部件表面有較好的拋光作用。為提高電控噴油器油嘴噴孔加工的精度，需要優(yōu)化噴孔處液力加壓研磨加工工藝控制過程的關(guān)鍵參數(shù)。

本文主要是利用噴油器油嘴的三維模型和實(shí)際工藝參數(shù)，建立三維模型的仿真模型，從而對(duì)擠壓研磨模擬計(jì)算，分析得到磨粒的運(yùn)動(dòng)云圖，從而分析噴孔處液力加壓研磨加工工藝控制過程的關(guān)鍵參數(shù)，利用仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化，為噴孔處液力加壓研磨加工工藝控制過程提供理論依據(jù)，進(jìn)而進(jìn)一步指導(dǎo)擠壓研磨技術(shù)應(yīng)用于噴油器加工工藝。

2.基礎(chǔ)模型及設(shè)置

2.1離散相模型

本文計(jì)算采用離散相兩相流模型。該模型的優(yōu)點(diǎn)可以詳細(xì)地分析粒子/液滴間的作用力以及流體間復(fù)雜的作用力，不僅可以避免應(yīng)用大量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，又避免離散相數(shù)值解的擴(kuò)散問題，缺點(diǎn)計(jì)算量龐大。

研磨加工過程的模擬采用軟件fluent18.。將模擬過程分為兩個(gè)階段：第一階段采用工程上最常用的RNG k-epsilon模型，以獲得純流場單相流穩(wěn)態(tài)模擬的定常解，計(jì)算采用SIMPLE算法，離散格式為二階差分，在基本收斂時(shí)進(jìn)入第二階段加入顆粒離散相的兩相流磨蝕計(jì)算，以獲得較高的收斂效果和精度。

計(jì)算選擇RNG k-epsilon模型，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)。離散相選擇液-固兩相耦合，并選取erosion/accretion磨蝕模型。

2.2模型參數(shù)設(shè)置

柴油物性參數(shù)：密度為809kg/m3，黏度為0.00225kg/m-s

設(shè)置入口：壓力為14.0Mpa，湍流強(qiáng)度為6.01%，水力直徑為4mm。

設(shè)置出口：壓力出口表壓為0，湍流強(qiáng)度設(shè)置為5%，水力直徑為0.6mm。

壁面邊界條件設(shè)置：壁面條件設(shè)置為wall，壁面溫度為環(huán)境溫度，設(shè)置為40℃，離散相與壁面碰撞行為設(shè)置為反射reflect。碰撞特性用恢復(fù)系數(shù)來描述，即碰撞前后顆粒速度分量的比值。

法向和切向恢復(fù)系數(shù)分別設(shè)置為1，假設(shè)小顆粒為彈性碰撞，動(dòng)能無損失.

2.3 2D網(wǎng)格繪制

噴油器三維模型用hypermesh軟件對(duì)模型進(jìn)行抽殼，得到內(nèi)腔模型如圖1所示。

2.4磨蝕模型介紹

通常采用磨蝕率來描述零件材料的磨蝕切削，磨蝕率為單位時(shí)間單位面積上部件表面材料磨蝕的質(zhì)量，用表示。定義磨蝕率有較多的經(jīng)驗(yàn)公式，本次模擬選用廣島大學(xué)Oka基于大量顆粒沖擊靶材的實(shí)驗(yàn)提出的公式，如下：

其中是角度，、是沖擊角函數(shù)的指數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)資料[1-2]，各指數(shù)取值如表1：

是噴油器材料18CrNi8的為維氏硬度635，換算后為6.227Gpa

3.計(jì)算結(jié)果分析

3.1固體顆粒軌跡和流速

經(jīng)過仿真計(jì)算，顆粒基本都能跟著流體的運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)，說明顆粒跟隨性較好，并且通過噴孔的速度比較高。其中在靠近壁面的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，尤其是噴孔內(nèi)及圓角處，粒子速度相對(duì)較慢，停留時(shí)間相對(duì)稍長，粒子運(yùn)動(dòng)軌跡比較密集。

3.2?研磨液體流場分析

由壓力云圖可以看出，在噴油器油嘴壓力室內(nèi)壓強(qiáng)保持著穩(wěn)定狀態(tài)，均處于入口壓強(qiáng)。由于噴油嘴流道直徑與小孔直徑相差很大，壓強(qiáng)在接近小孔的圓角處發(fā)生明顯變化，說明流場在此處變化劇烈。在噴孔內(nèi)由于孔徑保持不變，故壓強(qiáng)又基本保持均勻。

由速度云圖可以看出，速度在流道內(nèi)保持基本穩(wěn)定，在接近小孔時(shí)，由于截面積變小，速度開始變大，其中圓角處變化明顯，說明此處流場運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化劇烈。

3.3磨蝕率分析

由磨蝕率公式（1）可知，磨蝕率是與碰撞壁面顆粒數(shù)、顆粒碰撞壁面的角度和速度相關(guān)的，而這些參數(shù)在各處是不同的。如果某些壁面處顆粒數(shù)多，速度大，且顆粒碰撞壁面的角度適度，那么該處就會(huì)有大的磨蝕率，反之，磨蝕率就小。這就解釋了同一個(gè)噴孔中磨蝕率結(jié)果可以是不連續(xù)。

從磨蝕率分布云圖看，由各噴孔結(jié)構(gòu)和布置上的差異導(dǎo)致各噴孔壁面磨蝕率的分布表現(xiàn)出了某些程度上的不一致性，各孔處的最大磨蝕率主要發(fā)生于噴孔入口圓角處，還有一些磨蝕發(fā)生在噴孔近出口端。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：北油電控燃油噴射系統(tǒng)（天津）有限公司）