基于EDEM-Fluent耦合計算的噴砂機磨損特性的影響因素研究

惠志全，黃 思，黃家興，李茂東，葉偉文

（1.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣州 510663；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

噴砂機廣泛應用于石化［1-2］、船舶［3］及土木［4-5］等行業。噴砂機主要由壓力罐和噴槍組成，其工作原理是以壓縮空氣形成高速射流將磨料砂粒噴射到工件表面，使其機械性能發生變化以達到加工的目的。噴砂機內部流場屬于高濃度的復雜氣固兩相流，工作中因磨料砂粒持續地沖擊噴砂機表面，導致噴砂機出現磨損甚至失效。目前對于噴砂機的研究，主要集中于噴砂機的結構設計和應用。張彥東等［2］針對石油管材內壁除銹需求設計了一套自動噴砂系統，實現了噴砂除銹、磨料回收、粉塵處理的自動化。韓東熙［6］設計了一種汽車自帶式防滑噴砂機，對汽車后輪進行噴砂以防止打滑。劉志強［7］設計了一種用于特定管型工件內腔除銹的噴砂機，其能對不可旋轉工件內腔進行很好的清理，增加內腔附著力，而有關噴砂機內磨損規律的研究報導尚未看到。

本文運用EDEM-Fluent軟件，采用連續流體介質與固體顆粒離散元耦合計算方法［8-14］，通過引入磨損模型，改變顆粒粒徑、密度、硬度、堆積高度及入口壓力等參數，研究噴砂機內各部分的磨損規律，為優化噴砂機設計及操作方法、延長設備的使用壽命提供理論依據。

1 模型和方法

1.1 EDEM-Fluent耦合方法

計算中將噴砂機內氣體視為連續相，固體顆粒視為離散相。使用FLUENT軟件對液相的瞬態流場進行模擬計算，湍流模型選用標準k-ε模型，求解時均Navier-Stokes方程并將流場數據傳遞到EDEM軟件中，考慮顆粒的形狀大小、材料屬性等因素，根據牛頓第二定律求解每個顆粒的受力、位置、速度和碰撞特性。

1.2 磨損模型

有關固體顆粒磨損計算的常用模型有Finnie等［17］、Tabakoff等［18］和Archard等［19］提出的模型，其中EDEM軟件內置了Archard的磨損模型，該模型使用磨損體積W表征磨損量大小，具體公式見式（1）。

式中：K為磨損系數；L為滑動行程（m）；Fn為法向載荷（N）；H為材料表面硬度。在EDEM軟件中將磨損體積表示為單位面積的磨損量h。

式中A為固體顆粒與各部分的接觸面積（m2）。

為了更直觀地表示各部分的磨損關系，引入一個量綱為一的相對磨損量W*：

式中Wi為各部分的磨損體積（m3）。

1.3 計算模型及網格劃分

選取如圖1所示的某造船廠噴砂機作為研究對象，噴砂機罐體是上下兩層結構，上層用于儲存備用砂粒，下層是工作砂粒。為減少計算量略去上層空間，使用SolidWorks建模，得到如圖2所示的流動計算域。該計算域由罐體、進氣管和底部管路等部分組成，罐體圓柱段內徑810 mm，錐段半錐角為48°，進氣管內徑55 mm，出口管內徑34 mm。

這天晚上，桃花又來敲門，高木不開，叫她走吧。桃花邊敲邊哭泣道：“高木，我是梨花，你開門嘛。”高木問：“你到底是人還是鬼？”桃花繼續哭泣道：“高木，求求你，開開門，我是梨花。”高木聽她口口聲聲說自己是梨花，心就軟了。他開門出去，問她到底想干什么？桃花癱坐在地上，嗚嗚直哭，傷心得像個孩子似的。高木叫她起來，桃花已軟在地上；高木抱她進屋，把她放到竹椅上，但桃花反抱著他不肯下來；高木沒有辦法，抱進房里，放到床上，桃花這才松開手。

圖1 噴砂機結構示意圖

圖2 噴砂機流動計算域

1.4 計算參數設置

設定顆粒為球形，顆粒與顆粒間的接觸模型選取Hertz-Mindlin無滑移模型，顆粒與噴砂機的接觸采用Hertz-Mindlin模型結合Archard磨損模型，在式（1）中選取磨損常數K／H＝10-12［20-22］。噴砂機、顆粒的有關參數見表1，顆粒-顆粒和顆粒-噴砂機間的相互作用系數見表2，顆粒初始堆積高度H0為420～660 mm，入口壓力P為0.45～0.65 MPa。

表1 材料屬性

表2 材料的相互作用

2 計算結果及分析

2.1 噴砂機內顆粒運動軌跡

圖3給出噴砂機內砂粒在不同時刻的分布情況（dp＝1 mm，G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。從圖3中可以看出：在工作開始階段，罐內靜止砂粒被氣流掀起，在入口處被高速氣流吹向對面一側，大部分顆粒在氣流的帶動下繞罐壁做周期性的環向運動，少數顆粒經過底部管路從罐內噴出。

圖3 噴砂機內砂粒分布情況

2.2 噴砂機磨損分布情況

圖4給出t＝1.5 s時噴砂機的單位面積磨損量h分布云圖（dp＝1mm，G＝100MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。從圖4中可以看出，噴砂機的磨損部位主要集中在罐體入口對面一側上部、錐體初始段、罐體底部以及出口管路。

圖4 噴砂機整體磨損情況（t＝1.5 s）

為能具體地了解噴砂機磨損情況，將噴砂機分為頂蓋、圓柱段、錐段和底部管路等部分。圖5為t＝1.5 s時噴砂機各部分的磨損情況。圖5（a）為頂蓋部分的俯視圖，可以看出：頂蓋的磨損部位主要在入口附近及入口對面一側與圓柱段連接處。由圖5（b）可以看出：圓柱段的磨損主要發生在入口對面一側上部與入口一側下方。由圖5（c）可以看出：錐段的磨損部位主要在入口及其對面側與圓柱段過渡處和錐段底部。這是因為顆粒在這些位置處于高速運動狀態，并且存在運動方向的突變，造成嚴重的磨損。由圖5（d）可以看出：在出口管前段，顆粒沿管螺旋式下降，導致顆粒與管路不斷摩擦造成磨損。此外，出口管后段也存在很嚴重的磨損，這是因為從底部入口進入的高壓氣體使得顆粒速度急劇增加，磨損也隨之增加。

圖6給出了噴砂機各部分的磨損體積W隨時間t的變化曲線。由圖6可以看出：噴砂機各部分磨損體積W從大到小的順序為底部管路＞錐段＞圓柱段＞頂蓋，且t＝0.3 s后，各部分的磨損率（dW／dt）基本達到穩定狀態，以下有關磨損的討論都是在磨損率穩定的條件下進行的。

圖5 噴砂機各部分磨損情況（t＝1.5 s）

圖6 噴砂機各部分磨損體積隨時間的變化

2.3 顆粒粒徑對磨損的影響

圖7給出的是噴砂機磨損率穩定后的總磨損體積W隨顆粒粒徑dp的變化（G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。從圖7中可以看出，總磨損體積隨顆粒粒徑近似線性增大。

圖7 總磨損體積隨顆粒粒徑的變化（t＝1.5 s）

圖8給出了不同顆粒粒徑下噴砂機各部分的相對磨損量W*（t＝1.5 s）。從圖8中可以看出：底部管路的相對磨損最大，占總磨損的50%左右，其次是錐段，占30%左右。隨著顆粒粒徑增加，頂蓋及圓柱段相對磨損量的變化幅度不大；錐段的相對磨損顯著增大，由23%增加到36%，這是因為顆粒半徑增大的同時重量隨之增加，在下落階段對錐段造成更大的沖擊。雖然底部管路的磨損體積處于上升趨勢，但其相對磨損仍表現出較大程度的下降，由57%下降到46%。

圖8 不同顆粒粒徑下噴砂機各部分相對磨損量（t＝1.5 s）

2.4 顆粒密度對磨損的影響

圖9給出的是不同顆粒密度（ρp）下噴砂機總磨損體積（W）的變化情況（dp＝1 mm，G＝100 MPa，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。由圖9可以看出：隨著顆粒密度增大，總磨損體積存在一定幅度的增加。

圖9 總磨損體積隨顆粒密度的變化（t＝1.5 s）

圖10給出了不同顆粒密度（ρp）下噴砂機各部分的相對磨損量（W*）（t＝1.5 s）。由圖10可以看到：隨著顆粒密度增加，頂蓋及圓柱段相對磨損量的變化較小，錐段的相對磨損增加十分明顯，由20%增加到36%，而底部管路的相對磨損出現較大幅度的下降，由63%下降到47%。其原因與上述的顆粒粒徑增加的情況類似。

圖10 不同顆粒密度下噴砂機各部分相對磨損量（t＝1.5 s）

2.5 顆粒硬度對磨損的影響

EDEM中不能直接指定顆粒硬度，但可通過改變剪切模量來改變顆粒的硬度，剪切模量越大，顆粒硬度越高。圖11給出的是不同顆粒剪切模量下噴砂機的磨損情況（dp＝1 mm，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。由圖11可以看出：隨著顆粒剪切模量的增大，總磨損體積隨之增加，但磨損率（dW／dt）有所下降。

圖11 總磨損體積隨顆粒剪切模量的變化（t＝1.5 s）

圖12給出了不同顆粒剪切模量G下噴砂機各部分的相對磨損量W*（t＝1.5 s）。由圖12可以看到：隨著顆粒剪切模量的增加，噴砂機各部分的相對磨損量的變化幅度不大，說明顆粒硬度只影響磨損體積的大小而不影響各部分磨損體積的分布。

圖12 不同顆粒剪切模量下噴砂機各部分相對磨損量（t＝1.5 s）

2.6 顆粒初始堆積高度對磨損的影響

圖13為不同顆粒初始堆積高度（H0）下噴砂機的磨損情況（dp＝1 mm，G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，P＝0.55 MPa）。由圖13可以看出，隨著顆粒堆積高度的增大，總磨損體積呈線性增加。

圖14給出了不同顆粒初始堆積高度（H0）下噴砂機各部分的相對磨損量W*（t＝1.5 s）。由圖14可以看到：隨著顆粒初始堆積高度的增加，噴砂機各部分的相對磨損量只發生小范圍的變化，說明顆粒初始堆積高度雖然對磨損體積的大小影響顯著，但基本不影響各部分磨損體積的分布。

圖13 總磨損體積隨顆粒初始堆積高度的變化（t＝1.5 s）

圖14 不同顆粒初始堆積高度下噴砂機各部分相對磨損量（t＝1.5 s）

2.7 入口壓力對磨損的影響

圖15給出不同入口壓力下噴砂機總磨損體積的變化情況（dp＝1 mm，G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm）。由圖15可以看出；隨著入口壓力的增大，總磨損體積存在比較明顯的增加趨勢。

圖16給出了不同入口壓力下噴砂機各部分的相對磨損量（t＝1.5 s）。由圖16可以看到：隨著入口壓力的增大，噴砂機各部分的相對磨損量的變化幅度很小，說明入口壓力不會影響各部分磨損體積的分布。

圖15 總磨損體積隨入口壓力的變化（t＝1.5 s）

圖16 不同入口壓力下噴砂機各部分相對磨損量（t＝1.5 s）

3 結論

1）噴砂機的磨損部位主要集中在罐體入口對面一側上部、錐體初始段、罐體底部以及出口管路。噴砂機各部分磨損體積從大到小的順序為底部管路＞錐段＞圓柱段＞頂蓋。

2）隨著顆粒粒徑、密度、硬度、堆積高度及入口壓力的增大，噴砂機的磨損體積均呈增大趨勢。顆粒粒徑對磨損體積的影響最大，顆粒堆積高度和入口壓力次之，其余顆粒參數的影響相對較小。

3）當顆粒粒徑或密度增加時，頂蓋及圓柱段相對磨損量的變化幅度不大，錐段的相對磨損顯著增大而底部管路的相對磨損顯著減少。當顆粒硬度或堆積高度或入口壓力增加時，噴砂機各部分的相對磨損量的變化幅度不大。