液壓支架缸體內(nèi)壁面再制造粉流場影響規(guī)律分析

郭辰光，孫瑜，呂寧，李強(qiáng)，岳海濤

液壓支架缸體內(nèi)壁面再制造粉流場影響規(guī)律分析

郭辰光1,2，孫瑜1,2，呂寧1，李強(qiáng)1，岳海濤1

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省大型工礦裝備重點(diǎn)實驗室，遼寧 阜新 123000）

開展液壓支架缸體內(nèi)壁面再制造粉流場規(guī)律分析，以提高液壓支架缸體內(nèi)壁面的修復(fù)效率，降低其修復(fù)成本。采用激光沉積技術(shù)修復(fù)液壓支架缸體內(nèi)壁面時，側(cè)向送粉粉流集聚性是影響液壓支架缸體內(nèi)壁面修復(fù)效率的重要因素。建立修復(fù)液壓支架缸體內(nèi)壁面的長懸伸激光沉積模型，基于DEM-CFD雙向氣固兩相流耦合模型，在送粉噴嘴位姿不變的條件下，分析送粉工藝參數(shù)（即載氣流速度、保護(hù)氣速度、送粉速率）對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響規(guī)律。隨著載氣流速度的增大，粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，粉流分布直徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。隨著保護(hù)氣速度的增大，粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，粉流分布直徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。隨著送粉速率的增大，粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度變大，粉流分布直徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)載氣流速度為4 m/s、保護(hù)氣速度為3 m/s、送粉速率為5 g/min時，粉流集聚效果好，粉體利用率高，有助于提高液壓支架缸體內(nèi)壁面的修復(fù)效率。

激光沉積；液壓支架缸體；內(nèi)壁面修復(fù)；DEM-CFD耦合；粉流分布

液壓支架是綜采作業(yè)的重要設(shè)備之一，其主要作用是支護(hù)頂板，有效保證井下作業(yè)的安全性。液壓支架立柱作為液壓支架的主要承載部件，往往承受周期性變化的負(fù)載作用，同時由于液壓支架的工作環(huán)境具有粉塵濃度大、環(huán)境濕度高、腐蝕性介質(zhì)多等特點(diǎn)，造成液壓支架缸體出現(xiàn)大量的腐蝕、磨損和起皮脫落等現(xiàn)象，提高缸體的修復(fù)效率對降低煤炭開采成本和提高井下開采作業(yè)的安全性有重要的意義。目前缸體修復(fù)主要采用電鍍工藝，但使用該工藝修復(fù)后的缸體使用壽命短，可再修復(fù)次數(shù)少，修復(fù)過程易造成環(huán)境污染。針對傳統(tǒng)修復(fù)工藝的弊端，學(xué)者們提出采用激光沉積再制造技術(shù)[1-4]修復(fù)液壓支架缸體。

與傳統(tǒng)工藝相比，激光沉積技術(shù)具有污染小、沉積層與基體結(jié)合效果好、加工靈活等特點(diǎn)，目前諸多學(xué)者對激光沉積技術(shù)修復(fù)液壓支架開展了研究。韓文靜等[5]結(jié)合煤礦環(huán)境特點(diǎn)，以單體液壓支柱為基體，采用激光沉積技術(shù)制備沉積層，并使用磨損實驗機(jī)和鹽霧試驗機(jī)對沉積層性能進(jìn)行分析研究。研究表明，沉積層與基體間為冶金結(jié)合，與基體材料相比，沉積層具有較高的硬度和較強(qiáng)的耐腐蝕性能。Tuominen等[6]采用激光沉積技術(shù)制備含有多種金屬材料的合金沉積層，并開展鹽霧腐蝕實驗和磨料磨損實驗研究沉積層的磨蝕性能。研究表明，沉積層的磨蝕性能優(yōu)于基體材料。黎文強(qiáng)等[7]采用半導(dǎo)體激光沉積技術(shù)對礦用液壓支架外表面進(jìn)行修復(fù)，并對激光沉積技術(shù)和使用性能進(jìn)行研究。研究表明，激光沉積技術(shù)成功修復(fù)礦用液壓支架，有效提高液壓支架的綜合性能并延長其使用壽命，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。楊慶東等[8]采用CO2激光器在液壓支架缸體外表面制備了合金沉積層，并對沉積層的性能進(jìn)行測定與分析。研究表明，采用激光沉積技術(shù)制備的沉積層具有較高的硬度和耐腐蝕性。劉混田等[9]分析了綜采工作面液壓支架缸體工況特點(diǎn)，采用激光沉積技術(shù)對缸體內(nèi)壁面進(jìn)行修復(fù)。研究表明激光沉積技術(shù)有效地提高了液壓支架缸體的使用性能，延長了其使用壽命。解文正等[10]對液壓支架外表面進(jìn)行激光沉積應(yīng)用研究。研究表明，成形的沉積層質(zhì)量滿足要求，具有較高的顯微硬度和較強(qiáng)的耐腐蝕性，達(dá)到液壓支架的使用要求。液壓支架缸體是較為典型的深長徑比構(gòu)件，其缸體內(nèi)壁面存在腐蝕、刮擦、磨損等失效形式，現(xiàn)有研究均圍繞液壓支架缸體、立柱外表面修復(fù)技術(shù)開展研究，對液壓支架缸體內(nèi)壁面激光沉積再制造技術(shù)卻鮮見報道。

德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所在深長徑比構(gòu)件內(nèi)壁面修復(fù)技術(shù)與工藝裝備研發(fā)領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。2016年該研究所在德國亞琛創(chuàng)立ACunity（亞琛聯(lián)合科技）公司，并于2018年將深長徑比構(gòu)件內(nèi)壁面修復(fù)技術(shù)與工藝裝備引入中國。圖1為該公司深長徑比構(gòu)件內(nèi)壁面修復(fù)用長懸伸激光頭核心組件。國內(nèi)相關(guān)企事業(yè)單位逐步加大該領(lǐng)域的研發(fā)力度，但在長懸伸激光光路傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定控制、長懸伸激光頭組件結(jié)構(gòu)設(shè)計（光、氣、粉、水冷管路空間布局設(shè)計）、長懸伸粉體輸運(yùn)與氛圍控制、長懸伸構(gòu)件內(nèi)壁面修復(fù)熱場分布與控制、長懸伸構(gòu)件內(nèi)壁面修復(fù)工藝與質(zhì)量控制、長懸伸構(gòu)件內(nèi)壁面修復(fù)狀態(tài)監(jiān)測、長懸伸構(gòu)件內(nèi)壁面修復(fù)層后處理技術(shù)等方面，均與德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所有一定的差距。在前期研究的基礎(chǔ)上[11-14]，本文重點(diǎn)開展液壓缸內(nèi)壁面修復(fù)長懸伸粉體輸運(yùn)集聚性研究，金屬粉流長距離輸運(yùn)集聚性的提高有助于液壓支架缸體內(nèi)壁面修復(fù)效率的提高、質(zhì)量的穩(wěn)定和修復(fù)成本的降低，這對于實現(xiàn)液壓支架缸體內(nèi)壁面修復(fù)層形貌、性能、質(zhì)量可控意義重大。

圖1 長懸伸激光頭的核心組件（ACunity）[15]

綜上所述，采用激光沉積技術(shù)修復(fù)液壓支架缸體外表面的研究較為成熟，對于應(yīng)用激光沉積修復(fù)技術(shù)開展液壓支架缸體內(nèi)壁面再制造的研究較少。金屬粉流集聚性的提高有助于液壓支架缸體內(nèi)壁面修復(fù)效率的提高和修復(fù)成本的降低，開展激光沉積過程中粉流集聚性分析對于修復(fù)液壓支架缸體內(nèi)壁面有著重要意義。本文考慮顆粒間和顆粒與模型壁面間的碰撞問題[16-18]，采用離散元-流體力學(xué)（Discrete Element Method-Computational Fluid Dynamics，DEM-CFD）雙向耦合模型[19-21]，建立歐拉氣固兩相流模型[22-25]，基于修復(fù)空間有限，送粉噴嘴角度調(diào)節(jié)、更換難度大等因素，送粉方式選擇側(cè)向送粉，建立長懸伸激光沉積模型，研究在激光沉積技術(shù)修復(fù)液壓支架缸體內(nèi)壁面過程中，在送粉噴嘴位姿不變的條件下，分別分析送粉工藝參數(shù)，即載氣流速度、保護(hù)氣速度、送粉速率，對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響規(guī)律。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 氣相控制方程

氣相的基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程[26]。激光沉積側(cè)向送粉過程中，輸粉氣流、保護(hù)氣均為溫度恒定、不可壓縮、穩(wěn)定的湍流[27-29]，不考慮粉流輸送期間的熱傳遞，本文不考慮能量方程。在DEM-CFD模型中采用Navier- Stokes控制方程，通過標(biāo)準(zhǔn)模型求解，氣相的質(zhì)量和動量守恒方程為：

式中：為氣體密度；為時間；為氣體速度；為氣體體積分?jǐn)?shù)；為氣體壓力；為氣體黏度；D為氣體與顆粒間的相互作用力；為一個CFD網(wǎng)格單元的體積。

湍流動能方程為：

(,=1, 2, 3) (3)

(,=1, 2, 3) (4)

式中：是湍流動能；是湍流耗散率；=0+t，0是分子黏度，t是紊流黏度；G表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；b表示由浮力產(chǎn)生的湍流動能；t為湍流普朗特數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)湍流模型可得修正系數(shù)：σ=1.0，s1.0，11.0，21.0。

1.2 固相控制方程

DEM-CFD耦合過程中將粉體視為離散相，根據(jù)牛頓第二定律求得粉體顆粒的固相控制方程，計算公式為：

式中：p為顆粒質(zhì)量；()為時刻顆粒的速度；()為時刻顆粒的旋轉(zhuǎn)速度；()為時刻顆粒間由接觸力產(chǎn)生的力矩；為顆粒間的轉(zhuǎn)動慣量。

2 DEM-CFD耦合模型構(gòu)建

長懸伸激光頭核心組件主要由光纖插口、準(zhǔn)直與同軸光學(xué)組件、加工頭主體、光束與粉末聚焦組件、粉末分流器等構(gòu)件組成。基于修復(fù)空間有限，送粉噴嘴角度調(diào)節(jié)、更換難度大等因素，送粉方式選擇側(cè)向送粉，建立內(nèi)壁激光懸伸頭三維仿真分析模型，如圖2所示。該模型主要包括送粉管路，保護(hù)氣管路和由準(zhǔn)直鏡、聚焦透鏡、保護(hù)鏡、反射銅鏡組成的激光傳輸路徑。為了提高數(shù)值分析的收斂性和計算效率，對仿真分析模型進(jìn)行簡化。圖3為簡化后的仿真模型，主要包含保護(hù)氣管路、載氣流管路、保護(hù)氣腔體、模擬缸體內(nèi)壁面4部分計算域。

圖2 內(nèi)壁激光懸伸頭模型的三維結(jié)構(gòu)

圖3 簡化后的仿真模型

圖4為激光與粉流交互作用示意圖。如圖4所示，載氣流攜帶粉體顆粒由載氣流管路運(yùn)輸至噴嘴，離開噴嘴后在空氣中噴射一段距離，在氣流曳力和粉體顆粒自身重力作用下進(jìn)入計算域。圖4中為激光的發(fā)散角；為粉流噴嘴中心至激光束中心的水平距離；為噴嘴出口處距離基體曲面的切平面之間的距離；為光斑半徑；為粉流與切平面之間的夾角，在激光與粉流交互作用過程中，由于噴嘴的安裝角度不同，粉流與切平面之間的角度也發(fā)生改變，存在兩個極限角度，分別為1和2。1為粉流未與激光交匯時粉流與切平面之間的夾角，2為粉流穿過激光束落在光斑之外時粉流與切平面之間的夾角。為了提高粉流的利用率，粉流與切平面之間的角度應(yīng)在[1,2]區(qū)間內(nèi)，1和2的計算公式為：

圖4 激光與粉流交互作用示意圖

采用Hypermesh軟件對簡化后的仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為提高計算網(wǎng)格質(zhì)量及計算效率，選擇六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于粉流在計算域中的運(yùn)行時間比在載氣流管路中的運(yùn)行時間短，為了提高計算域的分析精度，將計算域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其余部分在滿足計算要求的前提下適當(dāng)劃分稀疏的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對劃分后的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理，選取網(wǎng)格質(zhì)量在0.4及其以上的網(wǎng)格，縱橫比控制在0～1內(nèi)，雅可比在0.7以上。劃分網(wǎng)格的仿真模型如圖5所示。

2.1 DEM-CFD仿真分析模型構(gòu)建

在基于雙歐拉氣-固兩相流耦合模型的計算過程中，固相顆粒的守恒方程由DEM模型計算。將計算后的顆粒體積分?jǐn)?shù)、位置和速度等參數(shù)傳遞給CFD模型，CFD模型將流體作用于顆粒上的力引入耦合求解器，結(jié)合DEM傳遞的數(shù)據(jù)計算作用在顆粒表面上的力，將其傳遞給DEM模型并在新的計算步內(nèi)分析顆粒在力的作用下生成的位移和速度信息，計算完成后，將其傳遞給CFD模型進(jìn)行下一輪迭代，直至仿真分析收斂。

圖5 劃分網(wǎng)格的仿真模型

2.1.1 DEM模型參數(shù)設(shè)置

本文使用的金屬粉體為Ni60A，采用超景深顯微鏡觀察Ni60A粉末顆粒的細(xì)觀真實形貌。粉末顆粒為形狀相對均勻的球狀體，平均體積粒徑為0.05 mm。采用EDEM仿真軟件中的Hertz-Mindlin無滑移接觸模對金屬粉體進(jìn)行仿真分析，模型的具體參數(shù)如表1所示。

表1 EDEM仿真參數(shù)設(shè)置

Tab.1 EDEM simulation parameters setting

2.1.2 DEM-CFD耦合模型參數(shù)設(shè)置

采用EDEM-Fluent軟件進(jìn)行耦合運(yùn)算，耦合分析選擇Pressure Based 模型，速度公式選擇絕對速度公式。由于分析模型涉及氣固兩相流耦合問題，仿真過程為非穩(wěn)態(tài)，需對其進(jìn)行瞬態(tài)求解。Fluent中設(shè)定的重力大小和方向與EDEM中相同。由于仿真分析中載氣流、保護(hù)氣均為溫度恒定、不可壓縮、穩(wěn)定的黏性湍流，選擇標(biāo)準(zhǔn)standard湍流計算模型。邊界條件設(shè)置：粉流與保護(hù)氣入口設(shè)定為速度入口，速度方向垂直于邊界，載氣流速度g=4 m/s，保護(hù)氣速度1=1.5 m/s，噴嘴壁面設(shè)置為墻，噴嘴出口為壓力出口，設(shè)定壓力為0 Pa，仿真模型的邊界設(shè)定如圖6所示。

圖6 仿真邊界示意圖

在DEM-CFD耦合模型中，由于時間步長對DEM模型收斂性的影響大于對CFD模型的影響，首先確定DEM時間步長，CFD模型的時間步長為DEM模型時間步長的整數(shù)倍。由于DEM對顆粒速度和位置信息的計算是瞬態(tài)過程，假定一個時間步長內(nèi)顆粒的運(yùn)動屬性不變，時間步長的取值對顆粒接觸參數(shù)的計算和收斂性有較大的影響。為了提高DEM模型的精度，采用Rayleigh時間步長的百分比來確定模型的時間步長。Rayleigh時間步長為由顆粒接觸產(chǎn)生的偏振波傳遞半球面所需要的時間，計算公式為：

式中：為顆粒材料的剪切模量；為顆粒材料的密度。在滿足數(shù)值收斂的情況下設(shè)置時間步長，一般為Rayleigh時間步長的5%～40%。本文設(shè)定DEM模型的時間步長為Rayleigh時間步長的20%。CFD模型中，時間步長選取DEM模型時間步長的80倍，為8×10?5s。

2.2 仿真分析實驗方案

采用單因素實驗方法，在送粉噴嘴位姿和噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，開展載氣流速度g、保護(hù)氣速度1、送粉速度f對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響研究。具體實驗方案如表2所示。

表2 實驗方案參數(shù)

Tab.2 Experimental protocol parameters

3 結(jié)果分析

3.1 粉流集聚性評價指標(biāo)

為了量化粉流集聚性，引入單位體積粉流濃度p作為衡量指標(biāo)，即粉末顆粒在單位體積內(nèi)所占比率，如式(12)所示。

式中：p為單位體積內(nèi)粉末顆粒所占的體積；f為單位體積內(nèi)空氣所占的體積。單位體積粉流濃度p數(shù)值越大，則粉流集聚性越好。

3.2 載氣流速度vg對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響分析

在送粉噴嘴位姿、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、1=3 m/s、f= 5 g/min不變的條件下，研究g對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響規(guī)律。圖7為不同載氣流速度下液壓缸內(nèi)孔流域的粉流速度跡線圖。由圖7可知，隨著g增大，粉流與弧形基體接觸后發(fā)散程度變大，粉末顆粒的反彈現(xiàn)象更嚴(yán)重。圖8為不同載氣流速度下液壓缸內(nèi)孔流域粉流濃度分布圖。由圖8可知，隨著g增大，粉流與激光束匯聚點(diǎn)處的單位體積粉流濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，粉流分布直徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)g由3 m/s增大到4 m/s時，粉體顆粒在載氣流的曳力作用下顆粒的速度與載氣流速度接近，粉流場分布穩(wěn)定，隨著g繼續(xù)增大到6 m/s時，粉流場出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，粉末顆粒受到紊流的影響而失去原有的運(yùn)動方向，粉流發(fā)散導(dǎo)致粉流集聚性降低，粉體利用率降低。當(dāng)g=4 m/s時，粉流與激光束匯聚點(diǎn)處的單位體積粉流濃度最大，粉流分布直徑最小，粉流集聚性最好，粉體利用率最高。

3.3 保護(hù)氣速度v1對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響分析

在送粉噴嘴位姿、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、g=4 m/s、f= 5 g/min不變的條件下，研究1對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響規(guī)律。圖9為不同保護(hù)氣速度下液壓缸內(nèi)孔流域的粉流速度云圖。當(dāng)1=2 m/s時，由于保護(hù)氣速度過小，導(dǎo)致部分顆粒與弧形基體接觸后反彈，會對保護(hù)鏡造成污染，嚴(yán)重會劃傷鏡片，影響激光束的傳遞，所以保護(hù)氣速度不宜過小。隨著1增大，粉流整體偏向軸正方向的偏移量變大，當(dāng)1= 3.5 m/s時，由于保護(hù)氣速度過大，導(dǎo)致粉流大幅度偏向軸正方向，粉流與激光束交匯處的粉體濃度變小，所以保護(hù)氣速度不宜過大。當(dāng)1=3 m/s時，反彈后的粉末顆粒剛好避開了保護(hù)氣腔室的入口邊界，同時粉流與激光束的交匯面積較大，匯聚點(diǎn)處的顆粒濃度較高，粉末利用率提高。

圖7 不同載氣流速度下液壓缸內(nèi)孔流域粉流速度的跡線圖

圖8 不同載氣流速度下液壓缸內(nèi)孔流域粉流濃度的分布圖

圖9 不同保護(hù)氣速度下液壓缸內(nèi)孔流域粉流速度云圖

圖10為不同保護(hù)氣速度下液壓缸內(nèi)孔流域的粉流濃度分布圖。隨著1增大，粉流與激光束交匯 處的單位體積粉流濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，粉流分布直徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)1=3 m/s時，粉流與激光束匯聚點(diǎn)處的單位體積粉流濃度最大，粉流分布直徑最小，粉流集聚性最好，粉體利用率最高。

圖10 不同保護(hù)氣速度下液壓缸內(nèi)孔流域粉流濃度的分布圖

3.4 送粉速率vf對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響分析

在送粉噴嘴位姿、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、g=4 m/s、1= 3 m/s不變的條件下，研究f對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響規(guī)律。圖11為不同送粉速率下液壓缸內(nèi)孔流域的粉流速度云圖。圖11中虛線框部分為有效顆粒分布區(qū)域。由圖11可知，隨著f增加，有效顆粒分布區(qū)域內(nèi)的粉流濃度變大，當(dāng)f>5 g/min后，有效顆粒分布區(qū)域內(nèi)的粉流濃度由于顆粒反彈現(xiàn)象加劇而呈現(xiàn)平緩增加的趨勢。

圖12為不同送粉速率下液壓缸內(nèi)孔流域粉流體積濃度的分布圖。由圖12可知，隨著f增大，粉流與激光束交匯處的單位體積粉流濃度變大，當(dāng)f> 5 g/min后，粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度的

增幅變??；隨著f增大，粉流分布直徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：隨著f增加，有效顆粒分布區(qū)域內(nèi)的粉流濃度變大；當(dāng)f大于5 g/min后，有效顆粒分布區(qū)域內(nèi)的顆粒反彈現(xiàn)象加劇，部分顆粒碰撞脫離有效區(qū)域，導(dǎo)致粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度的增幅變小，粉流分布直徑降低。當(dāng)f=5 g/min時，粉流與激光束匯聚點(diǎn)處的單位體積粉流濃度較大，粉流分布直徑最小，粉流集聚性最好，粉體利用率最高。

3.5 送粉工藝參數(shù)對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響權(quán)重分析

本文從單因素角度出發(fā)，分析了載氣流速度g、保護(hù)氣速度1和送粉速率f等工藝參數(shù)對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響規(guī)律。為了明確分析載氣流速度g、保護(hù)氣速度1和送粉速率f對液壓缸內(nèi)孔流域粉流集聚性的影響權(quán)重，采用粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度均值主效應(yīng)圖13進(jìn)行分析。由圖13可知，載氣流速度g對粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度的影響最大，送粉速率f對粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度的影響次之，而保護(hù)氣速度1對粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度的影響最小。

圖11 不同送粉速率下液壓缸內(nèi)孔流域粉流速度云圖

圖12 不同送粉速率下液壓缸內(nèi)孔流域粉流體積濃度的分布圖

圖13 單位體積粉流濃度均值主效應(yīng)圖

4 結(jié)論

1）載氣流速度對液壓缸內(nèi)孔流域的粉流集聚性有較大影響，隨著載氣流速度的增大，粉末顆粒速度在載氣流曳力作用下隨之增大。當(dāng)載氣流速度大于4 m/s時，在激光輻照有效范圍內(nèi)粉末顆粒受紊流影響，顆粒反彈現(xiàn)象嚴(yán)重，粉流發(fā)散，粉體利用率降低，液壓支架缸體內(nèi)壁面修復(fù)效率降低。載氣流速度為4 m/s時，粉流與激光束匯聚點(diǎn)處的單位體積粉流濃度最大，粉流分布直徑最小，粉流集聚性最好，粉體利用率最高，有助于提高液壓支架缸體內(nèi)壁面的修復(fù)效率。

2）保護(hù)氣速度對液壓缸內(nèi)孔流域的粉流集聚性有較大影響，過小的保護(hù)氣速度導(dǎo)致粉流偏移量過小，粉流與弧形基體接觸后反彈進(jìn)入保護(hù)鏡腔室，污染保護(hù)鏡；過大的保護(hù)氣速度導(dǎo)致粉流偏移量過大，導(dǎo)致粉流與激光束交匯面積減小，粉體利用率降低；當(dāng)保護(hù)氣速度為3 m/s時，粉流的集聚性最好，粉體利用率最高，有助于提高液壓支架缸體內(nèi)壁面的修復(fù)效率。

3）送粉速率對液壓缸內(nèi)孔流域的粉流集聚性有較大影響，隨著送粉速率的增大，粉流與激光束交匯處單位體積粉流濃度變大，粉流分布直徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；送粉速率為5 g/min時，粉流的集聚性最好，粉體的利用率最高，有助于提高液壓支架缸體內(nèi)壁面的修復(fù)效率。

4）由粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度均值主效應(yīng)圖可知，載氣流速度對粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度的影響最大，送粉速率次之，而保護(hù)氣速度對粉流與激光交匯處單位體積粉流濃度的影響最小。

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Analysis of the Influence Law of the Remanufactured Powder Flow Field on the Inner Wall of Hydraulic Support

1,2,1,2,1,1,1

(1. Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. Liaoning Provincial Key Laboratory of Large-scale Industrial and Mining Equipment, Fuxin 123000, China)

This paper aims to analyze the flow field of remanufactured powder on the inner wall of hydraulic support cylinder, which is helpful to improve the repair efficiency and reduce the repair cost. When laser deposition technology was used to repair the inner wall of the hydraulic support cylinder, the powder flow concentration of lateral powder feeding was an important factor in improving the surface repair efficiency of the hydraulic support cylinder. The model of the long-distance powder feeding nozzle used to repair the inner wall of the hydraulic support cylinder body was established. Based on the DEM-CFD gas-solid two-phase flow coupling model, the influence of the powder feeding process parameters (carrier gas velocity, shielding gas velocity, powder feeding rate) on the agglomeration of powder flow was analyzed separately under the condition of the constant pose of the powder feeding nozzle. The research showed that as the speed of the carrier gas increased, the density of the powder flow per unit volume at the intersection of the powder flow and the laser showed a trend of first increasing and then decreasing. The distribution diameter of powder flow showed a trend of first decreasing and then increasing. As the speed of the shielding gas increased, the density of the powder flow per unit volume at the intersection of the powder flow and the laser showed a trend of first increasing and then decreasing. The distribution diameter of powder flow showed a trend of first decreasing and then increasing. As the powder feeding rate increased, the concentration of the powder flow per unit volume at the intersection of the powder flow and the laser became larger. The distribution diameter of powder flow showed a trend of first decreasing and then increasing. From the regression model of powder flow concentration per unit volume, it can be seen that when the carrier air velocity is 4 m/s, the shielding gas velocity is 3 m/s, and the powder feeding rate is 5 g/min, and the powder flow accumulation effect is good. At this time, the utilization rate of powder is high, which helps to improve the repair efficiency of the inner wall of the hydraulic support cylinder.

laser deposition; hydraulic support cylinder; repair of the inner wall; DEM-CFD coupling; distribution of powder flow

2021-01-27；

2021-09-30

GUO Chen-guang (1982—), Male, Ph. D., Associate professor, Research focus: coal equipment remanufacturing technology and hard rock tunneling technology and equipment.

郭辰光, 孫瑜, 呂寧, 等. 液壓支架缸體內(nèi)壁面再制造粉流場影響規(guī)律分析[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(3): 304-314.

V261.8

A

1001-3660(2022)03-0304-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.033

2021-01-27；

2021-09-30

國家自然科學(xué)基金（51674134）；遼寧省教育廳重點(diǎn)攻關(guān)項目（LJ2017ZL001，LJ2019ZL005）；遼寧省自然科學(xué)基金（20180550167）；遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊資助項目（LNTU20TD-06，LNTU20TD-28）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51674134); Key Projects of Education Department of Liaoning Province (LJ2017ZL001, LJ2019ZL005); Natural Science Foundation of Liaoning Province (20180550167); Subject Innovation Team Funded Project of Liaoning Technical University (LNTU20TD-06, LNTU20TD-28)

郭辰光（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向為煤炭裝備再制造技術(shù)、硬巖掘進(jìn)技術(shù)與裝備。

GUO Chen-guang, SUN Yu, Lyu Ning, et al. Analysis of the Influence Law of the Remanufactured Powder Flow Field on the Inner Wall of Hydraulic Support[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 304-314.