吹油器進(jìn)氣口排布方式的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅 健，張 韜，伏明將，薛 喆，黃國(guó)棟

(1.無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214100)(2.江蘇海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 連云港 222000)(3.張家港市微納新材料科技有限公司，江蘇 蘇州 201316)

1 吹油器研究意義

在磨削加工過(guò)程中，為降低工件表面溫度、減少磨削力、改善工件表面質(zhì)量，常常用到磨削液。零件磨削加工完成后，需對(duì)磨削液及廢屑進(jìn)行清除。若工件為簡(jiǎn)單常規(guī)零件，氣槍對(duì)其可起到較好的清潔作用，但當(dāng)加工形狀復(fù)雜的工件時(shí)，如圖1所示，該零件具有復(fù)雜的凹槽及螺旋結(jié)構(gòu)，磨削液與較小廢屑易附著在工件內(nèi)外表面，氣槍對(duì)其難以起到有效的清理效果，而且清理時(shí)，飛濺出的廢屑易傷到工人身體、眼睛，損害工人的人身安全，同時(shí)較昂貴的磨削液也難以得到回收[1-2]。現(xiàn)有的一些防廢渣飛濺裝置是通過(guò)電磁鐵吸附廢渣來(lái)進(jìn)行收集，但是對(duì)于一些導(dǎo)磁性不強(qiáng)的金屬?gòu)U渣難以起到吸引作用，更無(wú)法回收磨削液，而且該類裝置無(wú)法快速安裝與拆卸。在大批量生產(chǎn)工件時(shí)，如果將工件集中到某一固定地點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一處理，則易造成外部污染侵入以及油液滴撒等環(huán)境問(wèn)題[3]。

圖1 示例工件

針對(duì)該類復(fù)雜形狀零件，本文研發(fā)了機(jī)械吹油器，該設(shè)備利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)與高壓氣體相結(jié)合，對(duì)工件內(nèi)外表面進(jìn)行全面清理，在有效提高清洗效率的同時(shí)還兼顧了磨削液的回收，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。該設(shè)備對(duì)工件的清理效果主要依賴于高壓進(jìn)氣口的位置、數(shù)量及排布方式。本文將利用FLUENT流體分析軟件，對(duì)GAMBIT軟件建立的多組不同進(jìn)氣口排布方式的吹油器進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)吹油器工作時(shí)設(shè)備內(nèi)部壓力場(chǎng)與流速場(chǎng)進(jìn)行分析，得出較優(yōu)的進(jìn)氣口排布方式等，其結(jié)果可用以指導(dǎo)設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)[4]。

2 吹油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吹油器主要由7大部件組成，如圖2所示。該設(shè)備的主要工作原理如下：吹油器內(nèi)殼中設(shè)計(jì)有放置工件的支撐架托盤，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)安裝有步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠和卡盤組件，高壓噴氣口進(jìn)行噴射，工件上下運(yùn)動(dòng)，高壓氣體對(duì)工件表面的油污進(jìn)行噴射清理。針對(duì)不同大小的零件，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)的速度，達(dá)到對(duì)清理時(shí)間的把控，提高工作效率，高壓氣體對(duì)工件表面進(jìn)行處理屬物理反應(yīng)，對(duì)工件表面沒(méi)有太大的危害，能夠保持工件的表面精度和表面的完整性[5-6]。

1—液珠絲杠支撐座；2—托盤；3—托盤連接桿；4— 滾珠絲杠；

吹油器外殼上方均勻分布著6個(gè)進(jìn)氣口噴頭，同時(shí)底部也安裝有1個(gè)進(jìn)氣口噴頭，其主要作用為高壓吹洗加工好的工件，去除表面的磨削液、油污及碎屑。當(dāng)支撐架托盤帶動(dòng)工件上下移動(dòng)的時(shí)候，7個(gè)進(jìn)氣口噴頭按一定工藝及參數(shù)要求依次吹氣，從而達(dá)到去除磨削液、油污及碎屑的效果。在吹油器外殼下方安裝有傾斜度為10°左右的油液收集盤，用于收集清除下的磨削液等。

可以看出，該設(shè)備對(duì)工件的清理效果主要依賴于高壓進(jìn)氣口的位置、數(shù)量及排布方式，通過(guò)GAMBIT、FLUENT等軟件對(duì)吹油器不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，將對(duì)后續(xù)設(shè)備改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。

3 吹油器仿真建模及優(yōu)化

吹油器內(nèi)部壓力場(chǎng)及流速場(chǎng)計(jì)算模擬過(guò)程大致可分為7步[7-11]：1)提出假設(shè)條件,并建立簡(jiǎn)化吹油器模型;2)吹油器模型網(wǎng)格劃分;3)設(shè)置流、固體邊界條件;4)壓力、溫度等初始條件設(shè)定;5)材料屬性設(shè)定;6)確定控制方程;7)模型計(jì)算。

3.1 簡(jiǎn)化模型參數(shù)設(shè)定

本文主要研究進(jìn)氣口的改變對(duì)吹油器工作效率的影響，暫不考慮除空壓機(jī)初始進(jìn)氣口速度、初始?jí)毫χ獾耐庠谝蛩亍ＴO(shè)備所采用的空壓機(jī)為常用小型空壓機(jī)，主要參數(shù)如下：初始進(jìn)氣口速度為30.33 m/s，初始?jí)毫? 000 kPa[8]。

根據(jù)吹油器實(shí)體裝置，借助GAMBIT軟件建立其三維計(jì)算模型，吹油器簡(jiǎn)化模型如圖3所示，其中，吹油器主體部分為直徑210 mm、高度300 mm的圓柱外罩；底部為直徑10 mm、高度80 mm的細(xì)長(zhǎng)圓柱進(jìn)氣口；距底部120 mm處為一外徑40 mm、內(nèi)徑20 mm、高度50 mm的套筒形工件；圓柱外壁上方210 mm處為6根進(jìn)氣口，進(jìn)氣口與XY平面夾角為60°,進(jìn)氣口直徑為10 mm，外壁進(jìn)氣口距工件水平距離為65 mm。

圖3 吹油器三維計(jì)算模型

3.2 因素分析及正交試驗(yàn)

通過(guò)吹油器的使用檢驗(yàn)可知，對(duì)吹油器工作效率影響較大的因素為進(jìn)氣口數(shù)量、進(jìn)氣口與XY平面夾角及進(jìn)氣口距工件水平距離，針對(duì)這3個(gè)影響因素，考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其水平變量設(shè)計(jì)為較有典型影響的變量，正交試驗(yàn)見(jiàn)表1(XY平面詳見(jiàn)圖3坐標(biāo)軸)。

表1 正交試驗(yàn)表

通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，8組對(duì)比試驗(yàn)組數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 8組模型參數(shù)

3.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分能將研究對(duì)象無(wú)限小化，用有限個(gè)小化的子區(qū)域代替研究對(duì)象，為便于控制網(wǎng)格的大小和節(jié)點(diǎn)的密度,研究過(guò)程中采用的是具有較高質(zhì)量非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[9]。所劃分的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型

3.4 FLUENT計(jì)算分析條件的確定

3.4.1初始條件及邊界條件

對(duì)于本文的模型優(yōu)化，初始條件的設(shè)置是必不可少的，確定每個(gè)求解變量在研究過(guò)程中的空間分布情況，對(duì)一些瞬態(tài)問(wèn)題設(shè)定好它們對(duì)應(yīng)的初始條件。在計(jì)算前對(duì)系統(tǒng)里的其他數(shù)據(jù)設(shè)定初始值，設(shè)定過(guò)初始值之后系統(tǒng)可以流暢地計(jì)算，直到求出最終收斂解[10]。

研究中采用的固體材料為鋁，流體材料為氫氣，進(jìn)氣口速度設(shè)為30.33 m/s，流體狀態(tài)可通過(guò)雷諾數(shù)Re(Reynolds number)確定，當(dāng)雷諾數(shù)Re<2 300時(shí)，流體為層流狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)規(guī)則，性質(zhì)較穩(wěn)定；當(dāng)雷諾數(shù)Re>2 300時(shí)，流體接近于湍流狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不規(guī)則，性質(zhì)不穩(wěn)定。雷諾數(shù)Re的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ρ為流體密度, kg/m3；v為流體平均流速, m/s；d為進(jìn)氣口當(dāng)量直徑, m；μ為流體黏性系數(shù),kg/(m·s) 。

本文雷諾數(shù)Re遠(yuǎn)小于2 300，可以確定本模型的流體狀態(tài)為層流。

3.4.2控制方程的確定

任何自然界中的流體流動(dòng)都遵循三大定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。CFD(計(jì)算流體力學(xué))基礎(chǔ)方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)可以看成是對(duì)流體流動(dòng)的數(shù)值化模擬。本文采用的控制方程為質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，具體如下。

質(zhì)量守恒方程：

(2)

動(dòng)量守恒方程：

(3)

式中：p為流體微元?jiǎng)恿矿w上的壓強(qiáng),Pa;τxx,τxy,τxz,τyx,τyy,τyz,τzx,τzy,τzz為流體分子黏性作用產(chǎn)生在流體表面的黏性應(yīng)力τ的分量，Pa;fx,fy,fz為x，y，z軸3個(gè)方向的單位體積流體所受外力，kg·m/s2,若只考慮流體重力，在z軸上，fx=fy=0,fz=-ρg,g為重力加速度。

能量守恒方程：

(4)

式中：cp為比熱容,J/(kg·K)；T為熱力學(xué)溫度，(°)；k為流體的傳熱系數(shù);ST為流體的內(nèi)能源(黏性耗散項(xiàng))。

4 基于FLUENT計(jì)算結(jié)果分析

在物理場(chǎng)中，可以根據(jù)流體截面圖的顏色不同、顏色深淺、數(shù)值的劃分，直觀地對(duì)壓力、溫度進(jìn)行一系列判斷[11]。本文以圖像法直觀地顯示計(jì)算的結(jié)果(采用線值法圖、矢量圖、等值線圖、流線圖、云圖等)，通過(guò)壓力場(chǎng)區(qū)間跨度大小、流速區(qū)間內(nèi)云圖是否平緩來(lái)判斷吹油器對(duì)工件是否能起到較好的清洗作用。在分析8組模型的過(guò)程中，導(dǎo)出壓力場(chǎng)云圖和流速場(chǎng)云圖應(yīng)根據(jù)控制變量法的原則，保證8組模型吹油器進(jìn)氣口壓力和速度的最大值及最小值是相同的，導(dǎo)出云圖之前統(tǒng)一設(shè)定其壓力最大值和最小值。其中，設(shè)定的最大壓力值為1.013 353×105Pa,最小壓力值為1.013 188×105Pa;設(shè)定的最大速度值為30.33 m/s，最小速度值為0 m/s。導(dǎo)出的云圖結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 8組模型壓力場(chǎng)、流速場(chǎng)云圖

根據(jù)云圖顏色不同、顏色深淺、數(shù)值等，直觀地對(duì)模型內(nèi)部壓力、流速進(jìn)行選擇。通過(guò)觀察壓力場(chǎng)區(qū)間跨度大小、流速區(qū)間內(nèi)云圖是否平緩來(lái)判斷模型的優(yōu)劣。

觀察表3中壓力場(chǎng)云圖，可以得出以下結(jié)論：模型1,2,4,7的流速場(chǎng)分布圖中套筒零件的內(nèi)部能夠吹洗到，壓力分布也比較均勻，但是套筒零件的兩側(cè)壓力分布不均勻，工件表面存在不能完全清潔的地方；模型3,5,6,8的流速場(chǎng)分布圖中套筒零件的內(nèi)部可以被吹洗到，壓力分布也比較均勻，套筒零件的兩側(cè)壓力分布比較均勻，雖然下方有些壓力差，但不影響清洗結(jié)果。故就壓力場(chǎng)而言，優(yōu)化模型為模型3,5,6,8。

觀察表3中流速場(chǎng)云圖，可以得出以下結(jié)論：模型1,4,6套筒上方氣體流速過(guò)于密集，這樣密集的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不必要的投入浪費(fèi)；模型2的流速場(chǎng)分布圖中，套筒周圍雖然有氣體的分布但是套筒內(nèi)部氣體的分布很少，表明模型2對(duì)于套筒零件的吹洗不徹底；模型3中氣體在套筒零件的周圍流速分布比較均勻，大小也比較合適，套筒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也能夠完全被清洗到，吹洗效果較好；模型5中套筒零件的內(nèi)部有氣體吹進(jìn)來(lái)而且氣體分布比較均勻，套筒零件周圍的流速分布比較均勻而且散布在套筒周圍，沒(méi)有過(guò)于密集，吹出的氣體速度比較適當(dāng)，節(jié)約能源不浪費(fèi)；模型7中套筒零件的內(nèi)部有氣體吹進(jìn)來(lái)而且氣體分布比較均勻，套筒零件周圍的流速分布比較均勻而且散布在套筒周圍；模型8流速場(chǎng)數(shù)值線較為雜亂，出氣口速度不平穩(wěn)，難以達(dá)到較好的清洗效果。故就流速場(chǎng)而言，較為滿意的優(yōu)化模型為模型3,5,7。

綜合上述對(duì)壓力場(chǎng)與流速場(chǎng)云圖的分析，8組模型對(duì)比情況見(jiàn)表4，表中×表示該模型難以對(duì)工件起到較好的清洗作用，未對(duì)吹油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到優(yōu)化效果，√表示該模型能對(duì)工件起到較好的清洗作用，可對(duì)吹油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到優(yōu)化效果[12]。

表4 8組模型對(duì)比情況

通過(guò)8組模型的對(duì)比，可以得出：優(yōu)化模型為模型3、模型5，其優(yōu)化后模型參數(shù)對(duì)吹油器后期生產(chǎn)制造具有較好的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)氣口排布、角度、數(shù)量是影響吹油器工作效率的關(guān)鍵因素，借助GAMBIT、FLUENT軟件對(duì)吹油器8組不同模型進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)比云圖數(shù)據(jù)后得出最優(yōu)化的吹油器結(jié)構(gòu)，能有效提高吹油器工作效率，一定程度上降低生產(chǎn)成本。比較8組模型云圖結(jié)果，模型3、模型5對(duì)工件能起到較好的清洗作用，可對(duì)吹油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到優(yōu)化效果。其參數(shù)如下:模型3，7個(gè)進(jìn)氣口，吹油器底部分布1個(gè)進(jìn)氣口，四周環(huán)繞分布6個(gè)進(jìn)氣口，進(jìn)氣口距工件水平距離 65 mm，高度位于Z軸正方向210 mm，與XY平面呈45°夾角。 模型5，9個(gè)進(jìn)氣口，吹油器底部分布1個(gè)進(jìn)氣口，四周環(huán)繞分布8個(gè)進(jìn)氣口，進(jìn)氣口距工件水平距離65 mm，高度位于Z軸正方向210 mm，與XY平面呈60°夾角。

以上兩組優(yōu)化模型能在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上高質(zhì)量地清洗工件，更符合企業(yè)加工生產(chǎn)需求。