采用射流冷卻的撕碎機刀具熱特性仿真分析*

顧振業，顧書豪，夏 鵬，錢鵬飛*，林 蒙，謝方偉

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013;2.張家港市新貝機械有限公司,江蘇 張家港 215600)

0 引 言

撕碎機又被稱為滾切式撕碎機，主要由刀片主軸、定刀、承載箱體、箱體支架、進料系統、推料系統以及電器控制系統組成，常用于撕碎木材、橡膠、塑料及廢棄管材等廢棄物料[1]。撕碎機在工作過程中，由于刀具不斷撕扯物料，二者摩擦產生的熱量會導致撕碎倉內溫度逐步升高，此時刀具若繼續在高溫條件下工作，其金屬表面將會發生劇烈的氧化作用，從而導致刀具的機械性能和撕碎機倉內零件的幾何尺寸受到影響，甚至還會燒壞撕碎倉內零件表面。尤其在夏季，工人們往往不得不停機等待或往撕碎倉中澆注冷水，待撕碎機冷卻一段時間后，方才繼續使用，這嚴重降低了撕碎機的工作效率。所以撕碎機在工作過程中，刀具溫度的高低成為影響其工作穩定性和使用壽命的重要指標[2]。

目前，人們通過有限元分析技術在降低刀具切削溫度方面做了大量工作。文懷興等[3]通過AdvantEdge軟件分析了常規冷卻和高壓冷卻不同車削方式下對刀具溫度的影響，結果表明高壓冷卻不僅可以顯著降低刀具切削刃的溫度，而且還可以減少刀具磨損；李天箭等[4]提出了一種將結構拓撲優化設計與熱流固耦合設計這兩種設計分析方法相結合進行內冷車刀復合設計的方法，從仿真結果來看，與傳統內冷刀具相比，在相同冷卻流量下，刀具結構的整體剛度提高，在熱變形減少的同時，刀具最高溫度有所降低；杜勁等[5]基于Fluent軟件得出了涂層刀具在切削H13淬硬模具鋼時涂層材料對刀—屑接觸面傳熱的影響規律，研究發現了較厚的刀具涂層能夠有效降低刀具體內溫度，而且減小刀—屑實際接觸面積有利于降低刀具整體溫度。

為保證撕碎機長時間在高溫壞境下穩定工作，本文提出一種采用射流沖擊的撕碎機刀具冷卻結構，建立撕碎機刀具射流冷卻模型，基于Fluent軟件對仿真結果進行初步分析[6]。

1 新型撕碎機刀具結構

本文以一種雙軸臥式撕碎機為研究對象，如圖1所示。

圖1 一種雙軸臥式撕碎機

本研究所設計的新型撕碎機刀具冷卻結構示意圖如圖2所示。

圖2 新型撕碎機刀具冷卻結構示意圖

該結構原理為：撕碎機刀具通過螺栓固定在刀具主軸的刀盤上，冷卻流體(空氣或水)經刀具主軸上的射流孔噴射到刀具表面，利用空氣或水流的強制對流換熱來降低刀具溫度，從而提高刀具使用壽命，保證撕碎機能夠長時間在高溫壞境下穩定工作。

2 撕碎機刀具射流冷卻模型

2.1 物理模型

撕碎機刀具的射流冷卻模型如圖3所示。

圖3 撕碎機刀具的射流冷卻模型

其中，射流介質分別為空氣或水，射流方向沿y軸負方向，刀具厚度70 mm，射流距離45 mm，出口區域為刀具四周。

為了簡化模型，作如下假設：(1)射流口形狀為圓孔型，直徑5 mm，與其他形狀的射流口相比，圓孔型射流孔具有結構簡單、易于加工等優點；(2)射流介質為不可壓縮流體，同時忽略其粘度產生的熱耗散；(3)由于該冷卻方式為對稱式射流沖擊，同時降低仿真時間，取對稱軸的一半作為計算區域；(4)被沖擊刀具表面光滑。

2.2 控制方程

假設射流介質為不可壓縮的定常流動，流體力學的基本控制方程如下[7-9]：

(1)連續性方程：

(1)

(2)動量守恒方程：

(2)

(3)

(4)

(3)能量守恒方程：

(5)

式中：μx，μy，μz—x、y、z3個方向上的速度分量，m/s；t—時間，s；ρ—密度，kg/m3；p—流體微元上的壓強，Pa；fx，fy，fz—3個方向的單位質量力，m/s2，由于質量力只受重力影響，沿y軸垂直向下，故fx=fz=0，fy=-g；μ—流體的動力粘度，Pa·s；CP—比熱容，J/(kg·K)；T—熱力學溫度，K；λ—流體的導熱系數，W/(m·K)。

此外，為準確描述射流沖擊的流場流動規律，不論是空氣射流還是水射流，均采用標準k-ε湍流模型，該模型的湍流能量輸運方程和能量耗散輸運方程分別為：

(6)

(7)

式中：Gk—平均速度梯度引起的湍動能；Gb—由于浮力影響引起的湍動能；YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；μt—湍流粘度；C1ε,C2ε,C3ε—默認值常數，C1ε=1.44,C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk，σε—湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數，默認值為1.0和1.3。

另外，對于水射流冷卻模型，為模擬水在空氣中的射流冷卻，筆者在選擇Standardk-ε湍流模型和開啟能量方程后，選用VOF模型模擬水射流冷卻，并定義空氣為基本相，水為第二相[10]。

2.3 邊界條件

整個射流場的入口和出口均采用壓力邊界條件，其中，射流口壓力為0.1 MPa，環境大氣壓為一個標準大氣壓，出口相對壓力為0 Pa，環境溫度為25 ℃[11-13]；射流介質分別為空氣和水，撕碎機刀具材料為碳鋼。

相關材料的物理性質具體如表1所示。

表1 相關材料的物理性質

本文中的撕碎機主要用來切削PVE管材，刀具主軸轉速為120 r/min，通過金屬切削仿真軟件AdvantEdge進行刀具傳熱邊界分析，得到撕碎機刀具前端發熱量為107W/m3[14]。

3 撕碎機刀具熱特性分析

3.1 不同冷卻方式對刀具冷卻效果的影響

本文基于上文所建立的撕碎機刀具熱流耦合分析模型，在特定工況下對其進行有限元仿真計算，得到不同射流介質下撕碎機刀具的溫度云圖，如圖4所示。

圖4 不同射流介質下撕碎機刀具的溫度云圖

從圖4中可以看出：刀具在不同射流冷卻方式下，其冷卻效果存在著顯著差異。

為便于分析空氣射流和水射流的冷卻差異，本文選取撕碎機刀具表面作為刀具溫度檢測面，再根據仿真結果，提取出不同冷卻方式下刀具表面上的溫度數據，得到不同冷卻方式下刀具表面溫度分布，如圖5所示。

圖5 不同冷卻方式下刀具表面溫度分布

由于撕碎機刀具主要在前端面產生熱量，在射流冷卻模型中射流口指向刀具前端面，導致刀具前端面降溫效果顯著，而離前端面越遠則降溫效果越差。從圖5可以看出：在未冷卻前，撕碎機刀具表面最高溫度位于刀具前端，最低溫度位于刀具底部；在空氣射流冷卻模型中，與未冷卻的撕碎機刀具相比，溫度下降了11%到26%；在水射流冷卻模型中，同樣與未冷卻的撕碎機刀具相比，溫度下降了48%到55%。

此外，在研究不同冷卻方式下刀具的冷卻效果時，還需考慮刀具冷卻時溫度的不均勻性。因為刀具很可能由于熱應力加劇而發生變形，進而影響刀具使用壽命。從圖5可以看出各個曲線的平緩程度，結合具體數據：未射流冷卻前刀具表面最大溫差約為83 ℃，采用空氣射流冷卻方式后刀具表面最大溫差為54 ℃左右，而采用水射流冷卻后刀具表面最大溫差約為35 ℃。從仿真結果可知：撕碎機刀具在射流冷卻后，刀具表面的溫度不均勻性得到一定程度的改善，其中，采用水射流冷卻的刀具表面的溫度均勻性要好于空氣射流冷卻。

3.2 不同冷卻方式對刀具熱變形的影響

撕碎機刀具在工作過程中，刀具由于受到切削熱的影響，溫度升高而產生變形，從而導致刀具磨損，降低刀具使用壽命。因此，有必要分析該冷卻模型以及不同冷卻方式對刀具熱變形的影響。

基于上文所建立的撕碎機刀具射流冷卻模型，本文通過Workbench軟件進行熱流固耦合分析，進一步研究不同冷卻方式對撕碎機刀具熱變形的影響。

由于刀具通過螺栓固定在刀具主軸上，本研究在靜力學模塊中對刀具螺栓孔施加約束，得到撕碎機刀具在不同冷卻方式下刀具的總熱變形對比，如圖6所示。

圖6 不同冷卻方式下刀具的總熱變形對比

由圖6可以看出：刀具最大熱變形發生在刀具前端，具體位于刀尖部位；在未冷卻前，刀具最大熱變形為64.35 μm；在空氣射流冷卻后最大熱變形下降為49.64 μm，減少了22.6%；在水射流冷卻后最大熱變形降至22 μm，減少了65.8%。由此可知：該冷卻結構可使刀具最大熱變形得到一定程度的改善，尤其是采用水射流冷卻后的刀具最大熱變形最小。

3.3 冷卻參數對刀具熱特性的影響

在本文中，撕碎機刀具溫升和最大熱變形的控制參數主要是射流口的壓力，故采用有限元法研究射流口壓力對刀具溫升和最大熱變形的影響。

當刀具主軸轉速為120 r/min(射流口直徑5 mm，射流介質25 ℃)時，在5組不同壓力工況下(0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa)，不同冷卻方式下射流口壓力與刀具溫升的情況如圖7所示。

圖7 不同冷卻方式下射流口壓力與刀具溫升的情況

不同冷卻方式下射流口壓力與刀具最大熱變形的情況圖8所示。

圖8 不同冷卻方式下射流口壓力與刀具最大熱變形的情況

由圖(7，8)可知：不管是空氣射流冷卻還是水射流冷卻，刀具的溫升和最大熱變形都隨著射流口壓力的增加而下降且二者下降趨勢基本一致。以空氣射流冷卻為例，射流口壓力從0.1 MPa增至0.2 MPa后，刀具的溫升降低了13 ℃，最大熱變形降低了8.3 μm；而射流口壓力從0.2 MPa增至0.5 MPa過程中，刀具的溫升降只低了15 ℃，最大熱變形僅降低了9 μm。由此可見，射流口壓力高于0.2 MPa后，繼續提高壓力對刀具溫升和最大熱變形的降低效果不顯著。

4 結束語

針對撕碎機刀具長時間在高溫下工作導致其使用壽命下降等問題，本文提出了一種采用射流沖擊的撕碎機刀具冷卻結構；為驗證該冷卻結構及不同射流介質對撕碎機刀具熱特性的影響，本研究通過Fluent軟件作了相應模擬，得出以下結論：

(1)對于采用射流沖擊的撕碎機刀具結構，無論是空氣射流冷卻還是水射流冷卻都能顯著降低撕碎機刀具的溫度和熱變形，尤其是刀具發熱嚴重的前端部分，均降低了20%以上，而且刀具溫度的不均勻性得到改善；

(2)在相同工況下，采用水射流的冷卻效果明顯好于空氣射流，而且水射流冷卻后刀具溫度的均勻性更好。故相較于空氣射流，采用水射流的冷卻方式更能滿足撕碎機刀具的冷卻要求；

(3)不論是空氣射流還是水射流，隨著射流口壓力的逐漸增大，刀具的溫升和最大熱變形呈下降趨勢且降幅趨于平緩。

該仿真研究可指導合理選取實際冷卻系統參數，以控制撕碎機刀具的溫升和最大熱變形在設定的目標范圍內。