優(yōu)化煙支濾嘴質(zhì)量的流體力學(xué)鼓輪氣孔流場模型構(gòu)建

孫 莉

(襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院,湖北 襄陽 441021)

20世紀30年代,第一臺煙支濾嘴裝接設(shè)備研究成功,其卷接原理與煙絲卷制類似。卷制定型設(shè)備利用水松紙把煙條和濾嘴進行裝接并封口。然而,利用該裝接設(shè)備制造煙支時,經(jīng)常出現(xiàn)濾嘴夾帶著煙絲導(dǎo)致煙支廢品率升高的問題。此外,該設(shè)備在制作煙支時,卷接效率不高,且制作速度最高只能達到600 cig/min,所以此裝接設(shè)備很快就被淘汰了[1-2]。

通過總結(jié)煙支濾嘴的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn),煙支濾嘴的制作方法雖一直在發(fā)展,但在制作過程中仍然存在部分問題,導(dǎo)致濾嘴質(zhì)量不穩(wěn)定。因此,研究出能夠改進煙支濾嘴質(zhì)量的方法尤為重要。要提高煙支濾嘴質(zhì)量就需先從濾嘴的制作過程著手,對制作過程中的部分結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬,然后提出改進策略,最后設(shè)計實驗?zāi)Ｐ蛯Ω倪M效果進行驗證。本文采用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)對鼓輪氣孔流場進行模擬,根據(jù)模擬結(jié)果對鼓輪氣孔結(jié)構(gòu)進行改進,并通過實驗驗證了改進策略的可行性。

1 CFD理論與模型構(gòu)建

1.1 CFD理論基礎(chǔ)

CFD就是通過計算機對流體力學(xué)進行求解,然后利用軟件的后處理程序,把得到的結(jié)果通過可視化的形式呈現(xiàn),從而得到空間流場的分布結(jié)果[3-4]。CFD的求解過程如圖1所示。

圖1 CFD的求解過程

1.2 CFD計算模型

目前,流體的計算模型較多,如普遍使用的雙方程模型、標準k-ε模型、改進后的RNGk-ε和k-ε模型[5-6]。標準k-ε模型在工程中時常被用來計算流體,定義為:

(1)

式中:ε為湍動耗散率,μ為動力黏度,ρ為流體密度,vi和vj為不同坐標分量上的湍動黏度,xi和xj為空間坐標的分量。

(2)

式中:ui為流速分量,Cμ為經(jīng)驗常數(shù),k為湍流動能。

在標準k-ε模型中,k和ε未知,其流動方程為:

(3)

式中:Gk為平均速度梯度,Gb為浮力引起的湍流動能k的生成項,C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù),YM為可壓湍流中脈動張的貢獻度,σk、σε分別為k和ε的普朗常數(shù),Sk、Sε為用戶給出的源項[7],t為流動時間。

2 煙支濾嘴質(zhì)量降低的原因概括

對存在質(zhì)量問題的成品煙支進行分析,得到煙支濾嘴質(zhì)量下降的原因:

1) 煙組傳遞不穩(wěn)定。

濾嘴裝接設(shè)備工作時,需要通過頻閃設(shè)備來對各鼓輪上煙支的運動狀況進行檢查。當生產(chǎn)速度為4 300 cig/min時,煙支由于自身重力在鼓輪上做旋轉(zhuǎn)運動,形成離心力和空氣摩擦阻力,導(dǎo)致煙支在鼓輪承煙槽中晃動,所以此時煙組會出現(xiàn)傳遞不穩(wěn)定的情況,從而影響濾嘴裝接煙支質(zhì)量[8]。

2) 搓接存在摩擦效應(yīng)。

通過濾嘴裝接系統(tǒng)對煙條以及濾棒進行包接操作時,煙組會在鼓輪與搓板中間以圓周為軌跡來回滾動,搓接過程中摩擦?xí)?dǎo)致濾嘴表面的水松紙剝離,從而影響濾嘴裝接質(zhì)量[9-10]。

3 鼓輪吸風負壓水平預(yù)估與受力分析

為了有效增強鼓輪的吸風負壓水平,需要預(yù)估承煙槽吸風孔的負壓吸附水平。按照已知的數(shù)據(jù)條件完成估算:單支煙支質(zhì)量為0.895 g,重力為0.008 771 N,則雙倍長煙組的重力G為0.017 542 N。

濾嘴卷接設(shè)備剛開始運行時,要想使煙支吸附在傳動鼓輪的承煙槽里,則一支質(zhì)量為0.895 g的煙支其吸附能力必須大于或等于0.008 771 N。對煙支鼓輪進行受力分析和計算,煙支鼓輪包括18個承煙槽,每個承煙槽均有8個直徑為4 mm的吸風孔,能夠產(chǎn)生的吸風范圍為0～100.48 mm2,可以對煙組形成0.017 542 N的吸力。另外,由于設(shè)備運行時煙支是做圓周運動,而鼓輪的半徑r為104 mm,濾嘴卷接系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速為5 000 cig/min,因此可計算出鼓輪的旋轉(zhuǎn)周期f為5.55 Hz,角速度ω為5.55×2π rad/s。由此可得煙支在鼓輪上運動的向心力F為:

F=mω2r=0.356(N)

(4)

式中:m為單個煙支的質(zhì)量。

理想情況下系統(tǒng)運轉(zhuǎn)前所需的負壓P為:

(5)

式中:S為煙支被卷接時的受力面積。

系統(tǒng)運轉(zhuǎn)后所需的負壓P1為:

(6)

4 煙支濾嘴質(zhì)量改進策略

按照壓強的相關(guān)理論可知,如果氣壓保持不變,增大物體本身的壓強和受力面積,就可以增加物體所受力的大小。按照該結(jié)論對設(shè)備進行改進,如果將負壓孔的外層進行小幅度的擴大,理論上是能夠讓承煙槽里的煙組自身承受的負壓吸附水平增強,煙支不容易出現(xiàn)缺陷,煙支的質(zhì)量會有一定提升。

鼓輪中,承煙槽含有4個吸風負壓孔,未改進前傳統(tǒng)的負壓孔的孔徑為4 mm,且孔的形狀是圓形,配氣閥和承煙槽之間的距離為50 mm。對鼓輪吸風負壓孔進行改進設(shè)計,將吸風負壓孔外層的孔徑進行小幅度的擴大,將其改進成長6 mm、寬5 mm、高2.5 mm的立方體表面氣孔。

5 仿真實驗設(shè)計

實驗采用Fluent平臺,利用煙支在鼓輪承煙槽傳送時產(chǎn)生的壓強進行流場數(shù)值模擬操作,同時對煙支在承煙槽里所承受的壓力場的具體分布狀態(tài)進行仿真。第一步,通過Fluent平臺里有關(guān)差分迭代的數(shù)值計算模塊對承煙槽的吸風負壓流場進行有限元方程組的搭建;第二步,對有限元方程組進行求解;第三步,通過平臺計算氣壓流場的壓力分布狀態(tài)、氣流速度、煙支所受到的壓力結(jié)果并進行圖示,從而可以更加直觀地獲取煙支表面壓強及應(yīng)力的分布等信息。

此外,實驗還將對鼓輪承煙槽負壓吸風孔進行研究。第一步,利用SolidWorks平臺完成鼓輪的建模操作;第二步,利用Fluent平臺對承煙槽的單側(cè)面吸風負壓孔形成的壓力場進行研究,同時按照k-ε湍流模型構(gòu)造物理模型,其他參數(shù)保持默認值;第三步,利用SIMPLE算法對負壓孔里面流動氣體的速度和氣場壓力進行仿真研究。整個實驗過程中,將模型的殘差值(收斂精度)設(shè)置為0.001,同時對模型的流場進行初始化處理,使模型的收斂迭代步數(shù)為1 000。

6 結(jié)果與分析

6.1 改進前鼓輪單側(cè)承煙槽負壓孔壓力場模擬結(jié)果

經(jīng)過仿真實驗,得到鼓輪原有承煙槽的負壓孔剖面壓力云圖、剖面速度云圖以及煙支表面壓力分布云圖,如圖2所示。

圖2 改進前承煙槽負壓孔剖面壓力、速度及煙支表面壓力云圖

由式(3)可知,在鼓輪中,當煙支受到自身重力和離心力時,如果負壓孔的負壓大小為-3 717 Pa,那么此時系統(tǒng)就可以達到煙支的制作要求。由圖2可知,當煙支靠近承煙槽底部時,煙支表面每個負壓孔所產(chǎn)生的壓強估計值為-4 725 Pa,此時系統(tǒng)也滿足了5 000 cig/min的煙支生產(chǎn)要求。此外,從負壓孔的剖面速度云圖可知,煙支在靠近承煙槽底部時,煙支兩邊的氣體流速大,此時負壓在緩慢增強。因此,當煙支靠近承煙槽底部時,入槽速率加快。

6.2 改進后鼓輪單側(cè)承煙槽負壓孔壓力場模擬結(jié)果

經(jīng)過仿真實驗,得到鼓輪改進后承煙槽的負壓孔剖面壓力云圖與剖面速度云圖以及煙支表面壓力分布云圖,如圖3所示。

圖3 改進后承煙槽負壓孔剖面壓力、速度及煙支表面壓力云圖

由圖3可知,當負壓的差值為-12 000 Pa時,

系統(tǒng)正常運作,此時負壓孔對煙支的壓強大小為-5 880 Pa,明顯小于圖2中負壓孔對煙支的壓強(-4 725 Pa)。由此可知,改進后承煙槽負壓孔在煙支外表產(chǎn)生的壓力場大小有一定增強。仿真結(jié)果表明,對承煙槽負壓孔進行改進后,取得了較好的效果,且當負壓差相等時,承煙槽內(nèi)部的煙支穩(wěn)定性得到了一定的提高。

7 結(jié)束語

為提高煙支濾嘴質(zhì)量,以鼓輪作為研究對象,首先利用CFD理論對承煙槽吸風負壓孔的工作狀態(tài)進行了數(shù)值模擬計算,然后通過Fluent平臺對鼓輪運作時內(nèi)部的氣流場進行建模和仿真,同時對煙支質(zhì)量出現(xiàn)問題的原因進行了總結(jié)分析,并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對鼓輪進行改進,最后利用改進前后的鼓輪模型對煙支表面所產(chǎn)生的壓力進行仿真實驗。實驗結(jié)果表明,改進后承煙槽能夠明顯增強煙支的穩(wěn)定性,這對提高煙支濾嘴的質(zhì)量有較大的參考價值。本文不足之處在于,改進后的濾嘴裝接系統(tǒng)還沒有投入實際的生產(chǎn)中,因此其合理性還有待研究,后續(xù)將針對以上不足繼續(xù)進行實踐。總體來說,本文的研究對煙支濾嘴質(zhì)量的提升具有一定的借鑒意義。