鋁箔剪切機(jī)碎屑收集管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉躍，常玲玲，李會(huì)榮，管小榮

(1. 陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，陜西 西安710300；2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

鋁箔廣泛應(yīng)用于機(jī)械、食品、醫(yī)療、電子等行業(yè)，其需求量逐年上升。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足發(fā)展，我國(guó)鋁箔生產(chǎn)設(shè)備已逐步系統(tǒng)化、完善化，其中，鋁箔剪切機(jī)是根據(jù)不同行業(yè)需求將鋁箔分切成不同尺寸的關(guān)鍵設(shè)備[1]。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)剪切機(jī)關(guān)鍵零部件如碟形刀等[2]進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化，這些成果對(duì)鋁箔生產(chǎn)設(shè)備的升級(jí)起到了良好的促進(jìn)作用。但在觀察剪切機(jī)工作流程時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，由于鋁箔比較輕薄，分切時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)碎屑，較長(zhǎng)時(shí)間的碎屑堆積會(huì)明顯影響鋁箔產(chǎn)品質(zhì)量。查閱文獻(xiàn)可知，針對(duì)鋁箔剪切機(jī)碎屑收集問(wèn)題，目前主要有三類方法：將剪切機(jī)按時(shí)停機(jī)進(jìn)行碎屑清掃；使用負(fù)壓管路；使用專用設(shè)計(jì)裝置[3]。其中，按時(shí)停機(jī)為最常用方法，但對(duì)生產(chǎn)效率影響最大；專用設(shè)計(jì)裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的缺陷；負(fù)壓管方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其思路為由鼓風(fēng)機(jī)向管內(nèi)輸送氣流，通過(guò)管內(nèi)局部尺寸變化產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而在支管口產(chǎn)生吸力。負(fù)壓管方法為目前兼顧效率及耗費(fèi)的較好選擇，但相關(guān)設(shè)計(jì)還不成熟，不能保證雙支管吸力均勻要求。

本文根據(jù)鋁箔剪切機(jī)工作特點(diǎn)及氣體輸送原理[4]，對(duì)現(xiàn)有鋁箔剪切機(jī)碎屑收集負(fù)壓管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用目前工程中常用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD)對(duì)不同管路結(jié)構(gòu)的壓力-速度耦合流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，在對(duì)比管內(nèi)壓力-速度分布特征及規(guī)律基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討獲得支管均勻吸力的管路設(shè)計(jì)方法，為鋁箔剪切機(jī)優(yōu)化升級(jí)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 模型設(shè)置

圖1為常用的LT1350鋁箔剪切機(jī)碎屑收集負(fù)壓管樣品，主要由主管和適應(yīng)于剪切機(jī)雙碟形刀設(shè)計(jì)的兩個(gè)支管組成。管路總長(zhǎng)為1 000mm，主管直徑為70mm，支管直徑為40mm，兩支管相距500mm。仿真模型及局部網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格為分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在壁面及支管處進(jìn)行加密處理。在邊界設(shè)置方面，進(jìn)口處為速度邊界，具體值為5m/s，出口及兩個(gè)支管P1與P2設(shè)置為壓力邊界，具體值為0 Pa。使用流體商業(yè)軟件Fluent作為求解器[5]進(jìn)行方程迭代。

圖1 鋁箔碎屑收集負(fù)壓管樣品

圖2 仿真模型及局部網(wǎng)格劃分

在支管口獲得均勻吸力的前提是在支管附近區(qū)域獲得相近的負(fù)壓分布，根據(jù)流體“伯努利”方程[5]，同一水平面的壓力與速度分布呈反比例關(guān)系，因此可通過(guò)改變主管內(nèi)過(guò)流面積達(dá)到產(chǎn)生負(fù)壓的目的。根據(jù)這一思路，文中主要設(shè)計(jì)了兩個(gè)擋板型及等距型兩種管路結(jié)構(gòu)。其中，兩個(gè)檔板型(圖3)在兩個(gè)支管前設(shè)置擋板，具有各自的流動(dòng)區(qū)域；等距型(圖4)為兩個(gè)支管連通，共用一個(gè)氣流出口。

圖3 兩個(gè)擋板型

圖4 等距型

1.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中數(shù)值模型對(duì)鋁箔碎屑收集管路計(jì)算的適用性，課題組設(shè)計(jì)加工出兩個(gè)擋板型等高度擋板管路樣品(具體尺寸見(jiàn)后文)，并使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量了兩個(gè)支管的氣流流量，經(jīng)過(guò)換算可得P1、P2支管縱向速度v的測(cè)量值(v=Q/A，Q為氣流流量，A為截面面積)，約定v的方向?yàn)榱魅牍軆?nèi)為正，流出管外為負(fù)。兩個(gè)支管口平均縱向速度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如圖5所示。模擬結(jié)果具體為1.59m/s和-4.35m/s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體為1.51m/s和-4.20m/s。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)模擬值與實(shí)驗(yàn)值誤差相差在5%左右，這說(shuō)明了本文中使用數(shù)值方法是可行的。

圖5 數(shù)值模型驗(yàn)證

1.3 計(jì)算工況介紹

兩種類型管路初始過(guò)流面積一致，擋板總高均為h=35mm，為了探討擋板高度設(shè)置對(duì)管內(nèi)局部負(fù)壓分布及吸力大小的影響規(guī)律，文中對(duì)兩種結(jié)構(gòu)管路在不同過(guò)流面積下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為了后文敘述方便，對(duì)不同的計(jì)算工況進(jìn)行以下文字約定。

1)兩個(gè)擋板型P1與P2擋板高度相等：L1；

2)兩個(gè)擋板型P1與P2擋板高度比例為1/3：L2；

3)兩個(gè)擋板型P1與P2擋板高度比例為1/2：L3；

4)等距型擋板高度為35mm：D1；

5)等距型擋板高度為40mm：D2。

2 結(jié)果分析

文中為準(zhǔn)定常計(jì)算，為了獲得收斂的分析數(shù)據(jù)，方程殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10-5，并且當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)(P1、P2出口中心點(diǎn)壓力值)不再變化時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)束。

圖6給出了不同計(jì)算條件時(shí)管路中心截面的壓力分布云圖，可以看到通過(guò)改變過(guò)流面積在支管附近均出現(xiàn)了與理論分析一致的負(fù)壓區(qū)域。對(duì)比圖6(a)兩個(gè)擋板型L3及圖6(b)等距型D1、圖6(c)等距型D2可以看到兩種結(jié)構(gòu)時(shí)支管負(fù)壓值均較為接近，但仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)等距型相差更小。進(jìn)一步分析表現(xiàn)較優(yōu)的等距型結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，隨著擋板高度的增加，支管負(fù)壓值增大。這進(jìn)一步證明了擋板改變壓力分布的有效性及前文根據(jù)“伯努利方程”理論分析的正確性。

圖6 壓力云圖

圖7給出了兩類管路結(jié)構(gòu)中心截面的縱向速度及流線分布，可以看到兩種結(jié)構(gòu)下，支管縱向速度均流向管內(nèi)，說(shuō)明在支管口產(chǎn)生了吸力。支管口處速度與壓力分布結(jié)果類似，支管口速度相差較小，而等距型相差更小，說(shuō)明支管吸力更相近。此外，分析圖7(b)、圖7(c)可知，當(dāng)擋板高度增加時(shí)，局部負(fù)壓增加，從而使支管口產(chǎn)生更大氣流速度及吸力。

圖7 速度云圖及流線

圖8為不同擋板高度時(shí)兩個(gè)擋板型及等距型管路特征線上的壓力與速度沿程量化值。

圖8 特征線上的壓力及速度沿程分布

分析圖8(a)兩個(gè)擋板型計(jì)算結(jié)果可知：L1條件下即兩個(gè)擋板高度相等時(shí)，兩個(gè)支管間為正壓，說(shuō)明第2個(gè)擋板對(duì)第1個(gè)擋板后部氣流產(chǎn)生了“阻礙”作用，進(jìn)而導(dǎo)致P1支管速度方向?yàn)榱飨蚬芡?速度為正)，無(wú)法產(chǎn)生吸力。隨著第2個(gè)擋板高度降低，由L2、L3結(jié)果對(duì)比可以看到擋板的“阻礙”作用逐步減小，第2個(gè)支管附近負(fù)壓呈降低趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)第1個(gè)支管附近負(fù)壓呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，從而對(duì)應(yīng)速度及吸力也呈現(xiàn)出平衡趨勢(shì)。這說(shuō)明通過(guò)降低第2個(gè)擋板高度實(shí)現(xiàn)支管吸力相近的方法是有效的。分析圖8(b)可以看到等距型管路支管連通區(qū)域負(fù)壓分布一致性較高，對(duì)應(yīng)管路速度值及吸力值較為相近，且通過(guò)擋板高度增加，支管負(fù)壓及吸力呈一致的遞增趨勢(shì)。

綜合以上分析可知，兩個(gè)擋板型及等距型管路均可完成鋁箔碎屑收集任務(wù)，但兩者也存在不同特點(diǎn)，兩個(gè)擋板型結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，但需要調(diào)整擋板高度比例，如表1所示。高度比例為1/3(L2)時(shí)，P1與P2支管口速度相差35%，此時(shí)，P2支管口速度較大；高度比例為1/2(L3)時(shí)，P1與P2支管口速度相差33%，P1支管口速度較大，說(shuō)明第2個(gè)擋板與第1個(gè)擋板高度比例控制在1/3～1/2為合適范圍。等距型結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，但計(jì)算D1、D2時(shí)支管口速度相差不到1%，且通過(guò)控制過(guò)流面積大小，可有效控制吸力大小。等距型管路可理想地達(dá)到支管吸力均勻要求。

表1 不同擋板結(jié)構(gòu)時(shí)支管縱向速度比較 單位：m/s

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用CFD方法探討了通過(guò)改變負(fù)壓管路結(jié)構(gòu)完成鋁箔剪切機(jī)碎屑收集任務(wù)的可行性，對(duì)比了不同管路結(jié)構(gòu)對(duì)管內(nèi)壓力-速度分布的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)兩個(gè)擋板型及等距型均可通過(guò)改變過(guò)流面積，進(jìn)而影響壓力-速度耦合值的方式達(dá)到支管口產(chǎn)生相近負(fù)壓及吸力的目的，此外，通過(guò)數(shù)值結(jié)果比較主要得出以下結(jié)論：

1) 兩個(gè)擋板型管路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但須調(diào)整擋板高度比例，以避免第2個(gè)擋板對(duì)第1個(gè)支管區(qū)域的“阻礙”作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)支管口吸力均勻目標(biāo)；

2) 等距型管路結(jié)構(gòu)可使兩個(gè)支管共用負(fù)壓區(qū)域，支管口速度及吸力相差≤1%，且隨著擋板高度增加，吸力值差距保持一致，吸力值增加，可較好地完成鋁箔剪切機(jī)碎屑收集任務(wù)。