鋁箔剪切機碎屑收集管數值優化設計

劉躍，常玲玲，管小榮

(1. 陜西國防工業職業技術學院 智能制造學院，陜西 西安 710300；2. 南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

目前鋁箔需求量及生產量逐年上升。鋁箔剪切機是將鋁箔分剪成不同尺寸以適應不同行業需求的關鍵設備。剪切機在工作時不可避免地會產生碎屑，長時間運行后碎屑累積會明顯影響鋁箔分剪質量。目前大多數剪切機需要按時停機進行碎屑清掃，這對剪切機工作效率產生較大影響[1]。現有的關于剪切機關鍵部件的優化工作大多關注切割工具碟形刀[2-3]，相關成果對改善鋁箔生產質量起到了良好的促進作用，而針對碎屑收集的產品設計成果較少[4]，且存在結構復雜、成本較高的缺陷。

負壓管內流動是常見的介質輸送通道[5]。為了適應鋁箔剪切機常用雙碟形刀的設置，本文設計了一種由雙支管組成的鋁箔剪切機碎屑收集管路系統，由鼓風機輸送氣流并通過管內局部尺寸變化產生負壓。文中采用目前工程中常用的計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)[6]方法，對不同擋板數量且考慮擋板厚度時的壓力-速度耦合流場進行三維數值計算，在分析對應管內流態分布規律及流動現象產生原因基礎上，給出獲得支路均勻負壓及吸力的擋板布置方法，可為鋁箔剪切機設備改進提供參考。

1 幾何模型

圖1給出了常用的LT1350剪切機雙碟形刀分切鋁箔流程[1]設備圖。為了完成鋁箔碎屑收集工作，初步設計的圓形管路樣品如圖2所示。管路外觀由主管及兩個支管組成，考慮到方管對比于圓管具有加工工藝簡單、數值模型構造精度高的優點，本文中管路采用方管設計。管路氣流輸送動力來源于進口處鼓風機，鋁箔碎屑厚度為0.1～0.2mm，比較輕薄。為了獲得支管口理想吸力，氣流輸送功率參考常用工業吸塵器功率進行設置[7]，文中取2.2kW，對應氣流輸送量為320m3/h。

圖1 鋁箔剪切機分切流程設備

圖2 碎屑收集管樣品

2 計算模型

2.1 數學模型

由于整體氣流流動Ma<0.2，主要求解黏性不可壓流體方程組，其矢量形式如下[8]：

(1)

式中：ρ為密度；U為速度矢量；f為體積力；p為壓力；μ為動力黏度。該方程可較好地反映管流黏性切應力分布及流動壓力損失。

此外，管流雷諾數Re=9.9×104(由入口尺寸及速度確定)，屬于湍流運動，需要求解湍流方程，經比較選擇近壁及遠場均有較好表現的SST模型(shear-stress transport)，其具體方程構造如下[9]：

(2)

(3)

式中模型常數β*=0.09。此外，混合函數F1、湍動能生成項Pk、動力黏度μt、運動黏度νt及混合模型參數α、β、σk、σω、σω2定義及取值詳見文獻[10]。

2.2 數值模型

以設置1個擋板為例，并考慮擋板厚度的三維方形管路外形如圖3上部所示，主管邊長為90mm，擋板厚度為5mm，高度為45mm，兩個支管間距為600mm。管路進口處為速度進口，由風機流量及進口尺寸確定的速度初值為U(11，0，0)；出口為壓力出口，2個支管P1、P2為壓力進口。網格劃分如圖3下部所示，整體為結構網格。為了充分考慮壁面作用對氣流流態的影響，單獨繪制壁面層網格，并對較關心的支管處網格進行加密處理。此外，文中不同結構管路計算網格均相同，以保證計算結果的可比性，使用Fluent軟件求解不可壓流體N-S方程組，方程離散采用二階迎風格式[9]。

圖3 計算模型及局部網格

3 結果分析

文中為準定常計算，為了獲得可信的分析數據，方程殘差標準設置為10-5，并且監測點數據(P1、P2出口中心點壓力值)不再變化時認為計算結束。此外，為了驗證數值模型的可靠性，課題組設計加工出設置2個擋板管路樣品(具體見3.2節)，并使用流量計測量了2個支管口流量，將數值計算的支管口平均速度值與測量的流量換算值進行對比，其中P1支管的數值結果、測量值分別為1.34m/s，1.28m/s，P2支管數據分別為-9.4m/s，-8.94m/s。可見數值結果與測量值誤差控制在5%左右，這也驗證了本文中使用數值方法的可行性。

3.1 設置1個擋板

圖4為設置1個擋板并考慮擋板厚度時支管附近放大模型，根據流體伯努利方程，壓力-速度存在“此消彼長”的耦合對應關系。因此首先設置1個擋板，嘗試通過減小過流面積來提高速度，進而改變壓力分布。

圖4 1個擋板管路模型

圖5為設置1個擋板時管路中心截面壓力分布云圖。可以直觀地看到氣流經過擋板前后壓力下降的變化，2個支管處均出現預期的負壓分布，這說明支管口氣流流向管內，可以產生吸力，但同時可以發現2個支管內負壓值并不相同，靠擋板較近的第1個支管負壓較大，這意味著2個支管產生的吸力值不相同。圖6管內特征線上(坐標位置(0，40，0)～(1 400，40，0))壓力及速度量化值(y方向，流向管內為負，流出管外為正)可更清晰地展現支管的工作狀態，支管附近出現了兩個負壓區及對應的兩個差異明顯的速度峰值，速度具體值分別為-9.71m/s、-3.89m/s(列于表1)。雖然對比不設擋板時支管縱向速度值(0.49m/s、0.30m/s，列于表1)有了較大改善，但兩者相差達150%，無法滿足2個支管吸力均勻要求。

圖5 截面壓力分布(1個擋板)

圖6 特征線上壓力及縱向速度量化值(1個擋板)

表1 不同擋板設計時支管縱向速度比較 單位：m/s

3.2 設置2個擋板

由上文結果可發現通過設置擋板改變管內局部速度來改變壓力分布是可行的，但安裝1個擋板時存在支管負壓及吸力不均勻的缺陷，圖7給出了嘗試設置2個擋板時管路模型，在2個支管前設置等高度、等厚度擋板。

圖7 2個擋板管路模型

圖8給出了設置2個擋板時中心截面的壓力分布云圖，可以看到氣流在經過擋板后同樣出現了壓力下降的現象，但仔細觀察可以發現第2個支管附近出現了負壓區域，而第1個支管附近卻沒有出現負壓區域。這種現象在圖9特征線上(坐標位置(0，40，0)～(1 400，40，0))壓力與速度量化分析中更明顯，第1個支管與第2個支管之間的區域均為正壓，對應第1個支管附近縱向速度為正，2個支管縱向速度值分別為1.34m/s、-9.40m/s(列于表1)。可見布置2個擋板時第1個支管氣流流出管外，無法產生吸力，這與實驗觀察結果也是一致的。

圖8 截面壓力分布(2個擋板)

圖9 特征線上壓力及縱向速度量化值(2個擋板)

為了深入分析管內流態出現的原因，圖10給出了支管附近的流線及縱向速度分布。可以看到在第1個支管后部區域出現了較大的旋渦回流區，并使得第1個支管內流態較為復雜。結合2個擋板管路結構及壓力分布特征可知，第2個擋板會對第1個擋板后部區域氣流產生“阻擋”作用，這是第1個支管氣流流出管外并無法產生吸力的原因。

圖10 截面流線及縱向速度(2個擋板)

3.3 擋板優化設計

通過上文的探討可以發現通過簡單設置擋板無法滿足鋁箔碎屑收集要求，考慮到擋板對局部流態的改變作用，可設置2個支管共用1個擋板，同時為了滿足支管口吸力均勻的要求，應保證共用出口與2個支管之間的壓力降近似。基于上述分析，圖11給出了擋板結構優化后的等距型管路。該管路在主管間設置連通擋板，2個支管共用1個出口，出口位于2個支管中間位置，并在出口處設置共用擋板，擋板高度為15mm。

圖11 等距型管路模型

圖12、圖13分別給出了等距型管路壓力云圖分布及特征線上壓力、速度量化值，與簡單設置擋板結果對比可發現，在等距型支管共用擋板后部同樣出現負壓區域，且2個支管內負壓非常近似，量化值也顯示出2個支管附近壓力、速度呈現出明顯的對稱分布特征，2個支管附近對應出現壓力、速度峰值，這說明了支管口速度及吸力較均勻，速度具體值為-6.26m/s、-6.23m/s，可認為速度相等。圖14給出了等距型管路支管附近流線及縱向速度分布，可發現主管內氣流通過檔板后流出，2個支管氣流流向管內并通過共用出口匯入主流，且2個支管內縱向速度一致，這進一步證明了等距型管路產生均勻吸力的有效性。

圖12 截面壓力分布(等距型)

圖13 特征線上壓力及縱向速度量化值(等距型)

圖14 截面流線及縱向速度(等距型)

4 結語

為了設計出一款能夠滿足鋁箔剪切機碎屑收集要求、加工工藝簡單的管路結構，文中使用數值方法計算了不同擋板結構且考慮擋板厚度時的管路流場，獲得了壓力-速度耦合特征，并分析了各流態出現的原因。通過本文數值計算主要得出以下結論：

1)設置1個擋板時，雖然2個支管附近均產生負壓，但速度值相差達150%，無法滿足支管吸力均勻要求。

2)設置2個擋板時，第2個擋板會對第1個支管后部氣流產生“阻擋”作用，形成較大低速回流區，并導致第1個支管氣流流出管外，無法產生吸力。

3)優化后等距型管路2個支管負壓利用較均勻，支管口氣流速度差異非常小，吸力相同，可滿足工業生產需求。