鄭升圓，邢士通，王 丹，李 響

(沈陽宏大紡織機械有限責任公司，沈陽 110141)

0 引言

隨著并條機出條速度不斷提高，在并條機高速大牽伸倍數(shù)的生產(chǎn)工況下，牽伸區(qū)產(chǎn)生的短絨、飛花等塵雜將嚴重影響出條質(zhì)量，因此并條機的吸風系統(tǒng)既要能及時吸走牽伸區(qū)的飛花等雜質(zhì)，又要合理分配各個吸風口的負壓，以保證清潔罩殼內(nèi)各吸風口的吸力均衡。隨著當前仿真分析工具的不斷發(fā)展，流體力學(CFD計算流體力學)類分析軟件已廣泛應用于航空、航天、汽車、冶金、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-3]。本文借助SolidWorks Floworks流體仿真分析軟件對并條機吸風系統(tǒng)進行流場特性分析，從為優(yōu)化并條機吸風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、縮短研制周期、降低開發(fā)成本提供理論指導。

1 吸風系統(tǒng)工作原理

并條機吸風系統(tǒng)的氣流走向如圖1所示。空氣從清潔罩的上部進風口和清潔罩與車面的間隙(即清潔罩的下部進風口)進入牽伸區(qū)，在牽伸區(qū)內(nèi)經(jīng)清潔裝置剝離的短絨、飛花等雜質(zhì)隨著氣流一起進入風道，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾，雜質(zhì)被分離，氣流最終從排風口排出。

1—下部進風口；2—上部進風口；3—牽伸區(qū)；4—風道；5—濾網(wǎng)；6—風機；7—排風口。

2 存在問題

為提高清潔效率，并條機采用牽伸區(qū)羅拉上下方同時進氣的清潔方式[4]，如圖1所示。上羅拉采用絨帶清潔，下羅拉采用膠圈清潔，此種清潔方式存在的問題[5-6]：① 由于受清潔罩內(nèi)空間的限制，上吸風通道較下吸風通道空間小；② 從風道距離來看，下吸風進入風道的距離較上吸風進入風道的距離短，導致上下吸風口處的壓力差較大，同側(cè)左右吸風口風速不均。

由于距離關(guān)系，上吸風的負壓小于下吸風的負壓；同側(cè)的左右吸風口，靠近吸風箱一側(cè)由于距離主風道近，其負壓大于遠端一側(cè)，需要調(diào)節(jié)上下兩側(cè)及左右兩側(cè)的吸風負壓使其均衡。

3 調(diào)節(jié)方法

3.1 上吸風口調(diào)節(jié)

并條機用清潔罩外形見圖2。測量上吸風口風量時，需要將清潔罩關(guān)閉才能測量出通過壓輥、一羅拉、二羅拉等位置的真實風量。關(guān)閉清潔罩后，只能從機后方將測量探頭靠近吸風口，且從機前方的進風口觀察測量探頭位置不方便，風速與負壓的測量都需要多點測量再取平均值，因此，在實際操作過程中，前方觀察、后方測量的方法很難保證風量調(diào)節(jié)的準確性。

1—上部進風口；2—清潔罩。

3.2 下吸風口調(diào)節(jié)

變更吸風口尺寸會影響上下吸風的風量分配，但其不具備線性關(guān)系。從測量數(shù)據(jù)來看，由于風道存在轉(zhuǎn)折(彎)、局部氣流不流動形成的渦流區(qū)等情況，將會產(chǎn)生能量損耗，一側(cè)降低的風量數(shù)值略小于另一側(cè)的增加值。所以改變吸風口尺寸后需要反復測量更改后的風量及負壓，才能確定其變化。下吸風口位于車面上方，距離羅拉瓦座很近，使用高精度的溫度耦合型風速測量儀探頭放置的位置不便觀察；使用皮托管式風速測量儀可以在指定位置測量，但由于所用的橡膠軟管較長，造成讀數(shù)不穩(wěn)，數(shù)據(jù)波動較大。

3.3 更改風道布局

如果對上下風道布置結(jié)構(gòu)進行局部修改，在測試過程中會涉及到車面、加壓部件、主牽伸區(qū)、清潔部件以及與并條機吸風系統(tǒng)密切相關(guān)的眾多部件，測試過程耗時較長，操作繁瑣，而且為了保證密封效果車面內(nèi)部主風道多采用內(nèi)部鑄件型腔結(jié)構(gòu)，需要 對車面鑄件行腔重新布局才能修改風道結(jié)構(gòu)。為了驗證吸風效果的準確性，只能實際測量鑄件風道數(shù)據(jù)，鑄件修改試制周期長，試驗成本高。

由于存在上述問題，對上下吸風口風量進行分配調(diào)節(jié)，常采用在風道上增加泄壓口的方法。由于泄壓口在吸風口的主風道上，將直接釋放進入吸風口的負壓，風量調(diào)節(jié)效果明顯，而且與兩側(cè)吸風通道無關(guān)聯(lián)，不影響吸風強度。此方法雖然簡單高效，但會浪費吸風強度。隨著并條機主機速度向高速發(fā)展，其能耗浪費較嚴重，使用局限性也很大。

筆者采用CFD仿真分析工具SolidWorks Floworks對風道進行仿真分析，為快速、高效、低成本完成風道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考[7]。

4 風道優(yōu)化仿真

吸風系統(tǒng)3D模型如圖3所示，優(yōu)化改進后的3D模型如圖4所示，各吸風口風速測量采用KA22型風速測量儀，負壓采用JX1000-1F型負壓測量儀測量。

圖3 吸風系統(tǒng)3D模型

圖4 吸風系統(tǒng)優(yōu)化后3D模型

將吸風系統(tǒng)3D模型導入到Floworks流體力學分析仿真軟件中，按照并條機吸風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖中的氣流流動方向設(shè)置仿真參數(shù)，上下側(cè)4個吸風口為流體流入方向，外界環(huán)境氣壓為標準大氣壓。在不影響仿真精度，又可大幅度提高仿真效率的情況下，將車尾下墻板與車面風道內(nèi)型腔的接口區(qū)域設(shè)置為主風道流體出口方向。流動介質(zhì)為空氣，通道溫度采用紡織廠車間內(nèi)的平均溫度，一般設(shè)置為25 ℃，流動類型為內(nèi)部流動，流體通道內(nèi)壁表面粗糙度設(shè)置為鑄造金屬特性值。根據(jù)吸風電機及風翼輪的特性設(shè)置吸風系統(tǒng)流體出口處的流量，之后開始流體特性仿真。

5 數(shù)據(jù)分析對比

5.1 靜壓對比

原風道以及優(yōu)化后風道靜壓流動跡線圖分別見圖5、圖6。

圖5 原風道靜壓流動跡線圖

圖6 優(yōu)化后風道靜壓流動跡線圖

原風道結(jié)構(gòu)的A區(qū)域為上下吸風連接通道，大部分流動跡線靜壓為-125 041.74 Pa；優(yōu)化后新風道B區(qū)域大部分流動跡線靜壓為-136 485.16 Pa，較A區(qū)域有一定程度提高，說明通過增大上風道與A區(qū)域的連接面積，有助于氣流流動，減少旋渦，從而提高上吸風口負壓。

5.2 流速等高線對比

將兩種風道沿縱向拋開，在同樣深度剖切面上獲取風道的速度等高線，其結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖8 優(yōu)化后新風道縱向截面流速等高線

從圖7可以看出，原風道結(jié)構(gòu)在D區(qū)域的等高線形狀與風道矩形截面差距較大，在接近下風道一側(cè)出現(xiàn)兩個尖銳的波峰，說明氣流在流經(jīng)此處時速度變化較大，容易形成旋渦，導致吸入主風道的雜質(zhì)滯留其中。

從圖8可以看出，優(yōu)化后的新風道在C區(qū)域的等高線與風道矩形截面高度重合，等高線在進入下風道后才出現(xiàn)一個波峰。表明氣流在流經(jīng)整個C區(qū)域時流速平穩(wěn)，更有利于對并條機牽伸區(qū)清潔。

5.3 各吸風口仿真數(shù)據(jù)對比

對兩種風道結(jié)構(gòu)進行仿真分析，各吸風口主要特性數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 風道結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后風速對比 單位：m/s

表2 風道結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后負壓對比 單位：Pa

6 結(jié)論

6.1并條機吸風系統(tǒng)優(yōu)化后的風道結(jié)構(gòu)與車尾下墻板連接處連接面積增大，從流體軌跡線圖中可以看出此處氣流漩渦消失，流動更平緩均勻，而且不影響上下吸風氣流的分配，優(yōu)化效果明顯。

6.2并條機吸風系統(tǒng)優(yōu)化后的風道結(jié)構(gòu)增大了風道轉(zhuǎn)向過渡截面，從流動跡線圖表明氣流漩渦減少；通過負壓和風速對比，平均負壓有所增大，流速也略有提高。

6.3通過對不同吸風口位置數(shù)據(jù)的對比，可知CFD軟件Floworks仿真分析數(shù)據(jù)與KA22型風速測量儀以及JX1000-1F型智能壓力風速風量儀測量數(shù)據(jù)相比有偏差，但對于風道優(yōu)化后各吸風口流速及負壓的變化趨勢判斷非常準確。因此，CFD軟件Floworks仿真軟件可以為風道優(yōu)化設(shè)計提供定性的判斷依據(jù)，但最終對優(yōu)化參數(shù)的確認，還需要現(xiàn)場實際測量修正。通過采用CFD軟件對并條機吸風系統(tǒng)進行優(yōu)化，能夠提高優(yōu)化設(shè)計速度，并降低開發(fā)成本。