綠化養(yǎng)護矩形修剪機風(fēng)道管道接頭的設(shè)計和仿真

冒熒亮，奚小波，張瑞宏

（揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

風(fēng)力輸送是目前管道輸送的重要形式之一，在木業(yè)、礦業(yè)、糧食生產(chǎn)加工業(yè)等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。管道風(fēng)力輸送的技術(shù)重點在于控制管道內(nèi)的氣流速度保持在懸浮速度之上，才能保證顆粒的通過性[1]。在實際建設(shè)中考慮到經(jīng)濟效益和節(jié)約能耗的要求，需要盡可能減小風(fēng)機的功率，這就對管道的設(shè)計排布提出了較高的要求。減少沿途的風(fēng)力損失和泄露成為研究的主要內(nèi)容，風(fēng)力損失和泄露最容易發(fā)生的地方往往是接頭部分。但是由于管道空間位置的限制，可能存在多個風(fēng)管在某點交匯的情況。所以需要對接頭處進行設(shè)計分析，觀察管道內(nèi)氣體通過接頭后速度變化情況。

1 整機結(jié)構(gòu)

綠化養(yǎng)護矩形修剪機主要由牽引承載卡車、柴油發(fā)電機組、修剪機作業(yè)機頭、液壓機械臂操縱機構(gòu)、負(fù)壓氣力輸送機構(gòu)、壓塊打包機構(gòu)組成，機具總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 綠化養(yǎng)護矩形修剪機一體機總體結(jié)構(gòu)

中型重載卡車作為移動作業(yè)臺，修剪機作業(yè)機頭位于車輛頭部，液壓機械臂操縱機構(gòu)一端連接修剪機作業(yè)機頭，另一端與車頭部底端車輛底盤焊接固定連接。柴油發(fā)電機組、液壓機械臂操縱機構(gòu)、負(fù)壓氣力輸送機構(gòu)、壓塊打包機構(gòu)組成等部件均置于后部車廂。

2 接頭主要參數(shù)對風(fēng)速的影響

2.1 仿真模型的建立

接頭的轉(zhuǎn)角角度和口徑大小是接頭的主要尺寸參數(shù)。在Solid Works 中創(chuàng)建二維草圖，繪制風(fēng)管截面，然后通過3D 草圖，創(chuàng)建立體草圖，通過掃描命令生成在空間中彎曲的接頭實體，然后對實體進行抽殼特征操作，最終生成管道接頭模型，對生成的接頭模型進行檢查，無破面，無干涉，建模完成。圖2、3是不同彎頭角度和口徑的管道接頭模型，其中圖2 為2×14、30 cm 口徑直角接頭（2×14 為兩條14 cm口徑支路管道，30 cm 為干路直徑，90°為干路的彎折角度），圖3 為2×14、30 cm 口徑120°接頭，這里統(tǒng)一對模型命名為模型A、B。

圖2 模型A 的三維圖

圖3 模型B 的三維圖

2.2 風(fēng)管接頭的流體仿真

仿真部分在ANSYS Workbench 中進行，將Solid Works 中的模型都保存為x-t 格式，在ANSYS 中運行Workbench 模塊，選擇Component System（組件系統(tǒng)），然后右擊打開Import Geometry（導(dǎo)入幾何模型），將在Solid Works 中保存為x-t 格式的模型導(dǎo)入。雙擊Geometry（幾何模型）進入DM（設(shè)計庫）模塊，對模型特征進行編輯，點擊Concept 按鈕，然后在子目錄中選擇Surface From Edges（邊緣表面），對模型的各個面進行定義。如圖4 所示，確定好模型邊界、2 個輸入口和1 個輸出口。然后對模型劃分網(wǎng)格，如圖5 所示。完成網(wǎng)格處理后開始仿真運算參數(shù)設(shè)置，計算管道內(nèi)的雷諾系數(shù)，根據(jù)流態(tài)模型判別規(guī)則，確定了管道內(nèi)的流動模型為湍流模型[2]。

圖4 邊界設(shè)定

圖5 網(wǎng)格劃分

入口風(fēng)速設(shè)置為30 m/s，空氣的動力黏度為1.855×10-5Pa·s，出口處表壓力為0。確定參數(shù)，提交運算，模型A 和模型B 的仿真結(jié)果表明，在接頭前端風(fēng)速較為穩(wěn)定，可以保持在30 m/s 左右，但是在接頭交匯處，由于兩側(cè)風(fēng)道合并，風(fēng)道橫截面積突然增大，風(fēng)速突降到10 m/s 左右，無法達(dá)到實際工作需求。

2.3 風(fēng)管接頭的流體仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真情況來看2×14、30 cm 口徑直角接頭、2×14、30 cm 口徑120°接頭由于接口處截面突然增大，氣體流速都有明顯的下降[3]，其中2×14、30 cm 口徑直角接頭由于直角過渡，氣體流速損失最為明顯[4]。由此可見，管道直徑的突變對于風(fēng)速的影響因素較大，其次為管道接頭角度，管道直徑越大，風(fēng)速降低越明顯，管道接頭轉(zhuǎn)角越小，風(fēng)速降低越明顯。

3 優(yōu)化后管道的仿真

通過對上述仿真結(jié)果的分析可知，影響風(fēng)速變化的主要因素為管道直徑，其次為彎頭角度，因此需要對以上兩個參數(shù)進行修改設(shè)計，將管道匯合段口徑設(shè)置為20 cm，小口直徑設(shè)置為14 cm，管道彎頭處角度設(shè)置為150°。優(yōu)化后的管道模型仿真結(jié)果表明，在管道接頭交匯處氣體流速變化很小，可以始終保持在30 m/s 左右。

從仿真結(jié)果來看，風(fēng)速變化情況很小，說明優(yōu)化后的管道直徑和彎頭角度大小可以實現(xiàn)減少風(fēng)速降低的要求。

4 優(yōu)化后管道的聯(lián)合仿真

以上仿真內(nèi)容說明了管道內(nèi)在其他顆粒干擾情況下氣體流速變化情況，但是這并未考慮實際工作過程中，氣力輸送的顆粒對氣體動能的消耗，這會使得管道內(nèi)氣體流速降低。同時管道內(nèi)運輸顆粒的數(shù)量也有可能造成管道堵塞，從而影響實際效果[5]。所以需要引入更多影響因素進入仿真中，從而更好地模擬實際工作情況。設(shè)單位時間內(nèi)修剪機處理量最大值為M，左右兩側(cè)喂入量記為P、Q，兩側(cè)喂入量差值記為Δm，則兩側(cè)風(fēng)道喂入量如式（1）～（3）所示。

由此可知，Δm 最大值為M，最小值為0，取這兩種極限情況進行模擬（考慮到實際工作情況了中可能出現(xiàn)單邊切割進料，另一側(cè)風(fēng)道無喂入量的情況），以下將使用EDEM 與ANSYS 聯(lián)合仿真來模擬實際工況。

將x-t 格式模型2×14、20 cm 口徑150°接頭導(dǎo)入EDEM 中，添加顆粒、設(shè)置顆粒模型、添加裝備材料、設(shè)置生成顆粒的粒子工廠、添加碰撞關(guān)系、添加材料碰撞、設(shè)置動態(tài)工場、設(shè)置平面為虛擬平面、增加動態(tài)工廠設(shè)置相關(guān)參數(shù)、設(shè)置好重力方向。完成設(shè)置后保存至指定文件夾、打開耦合按鈕、到這邊EDEM 暫時結(jié)束。將之前保存的模型導(dǎo)入ANSYS 中、拉入Workbench 界面、對模型設(shè)置進行網(wǎng)格劃分[6]、設(shè)置幾何材料、完成后保存并退出、在Fluent 中導(dǎo)入模型、檢查參數(shù)、連接仿真接口[7]、設(shè)置邊界條件[8]、設(shè)置間隔點、開始仿真。完成設(shè)置后開始進行仿真運行，第一組仿真內(nèi)容為的情況。仿真過程中粒子生成速度與實際工況一致，每秒粒子個數(shù)為500 粒，兩側(cè)各250 粒。仿真后的結(jié)果如圖6 所示。從仿真過程分析，全過程無堵點，且均能到達(dá)管道末端，符合該工況下的設(shè)計要求。重復(fù)上述步驟，完成第二組的情況下的仿真模擬，如圖7 所示，無論是單側(cè)喂入還是兩側(cè)等量喂入均能正常運輸，沒有明顯的速度落差。

圖6 兩側(cè)等量喂入仿真圖

圖7 單側(cè)喂入仿真圖

5 結(jié) 論

（1）管道接頭口徑的變化對于風(fēng)速的影響十分明顯，管道的開口直徑直接影響了氣流的流通面積，從而對風(fēng)速產(chǎn)生了直接影響，為了保證流速穩(wěn)定，減少風(fēng)速降低需要盡量減少接頭處口徑的變化。

（2）管道彎頭的角度也對風(fēng)速有較大影響，管道彎頭角度小會增大氣體流動時的行程阻力，從而在彎頭處造成流速的降低。

（3）通過ANSYS 的Fluent 軟件模擬粒子在流體中的流通情況，對不同工況下的顆粒運動情況進行分析，無論是單側(cè)喂入還是兩側(cè)等量喂入均能正常運輸，沒有明顯的速度落差。