黃 勇

(四川省青城機(jī)械有限公司,四川 眉山 620460)

近年來,隨著人們生活品質(zhì)的提升,對實(shí)木家具的需求越來越大。木工刨床作為生產(chǎn)實(shí)木家具原料的設(shè)備越來越受到木材加工廠商的重視[1-2],特別是高質(zhì)量的高速四面刨。而木工刨床吸塵能力的不足一直是困擾廠商的一個(gè)問題,木屑主要堆積在如下三個(gè)地方:

(1)工作臺(tái)面上不僅影響臺(tái)面上運(yùn)動(dòng)部件的靈敏度,還影響刨床的加工精度。

(2)由于吸塵能力不足,大量的木材切屑,如刨花,堆積在木工刨床的內(nèi)部,這對設(shè)備內(nèi)部零件的防塵和潤滑設(shè)計(jì)是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn),且設(shè)備內(nèi)部有很多電氣元件,堆積的切屑還會(huì)影響電氣元件的散熱。

(3)切屑堆積在刨床周圍,不便清掃,影響工廠環(huán)境。漂浮在空氣中的木材切屑粉塵對工人的職業(yè)健康造成很大影響[3-6]。

目前,國內(nèi)、國際對木工刨床大多采用吸塵口從吸塵管道引出直接懸置于加工區(qū)域的上方進(jìn)行吸塵[7],但吸塵效果都不理想,特別是國內(nèi)、國際正在大力發(fā)展的高速四面刨,相比傳統(tǒng)的四面刨會(huì)產(chǎn)生更多的切屑,如果不能妥善地解決吸塵問題將會(huì)很大程度上限制高速四面刨的發(fā)展。

本文論述了一種從理論上分析吸塵能力的辦法,為木工刨床設(shè)計(jì)階段通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以改善吸塵能力提供了指導(dǎo)方向。

1 切屑的研究與建模

1.1 切屑的研究

四川省青城機(jī)械有限公司的木工刨床作為市面上的常見機(jī)型,筆者隨意選取了其12件切屑作為本文的研究樣本,切屑形態(tài)如圖1所示,切屑形態(tài)參數(shù)如表1所示。經(jīng)過測量和比對,發(fā)現(xiàn)切屑有以下特點(diǎn):

表1 切屑形態(tài)參數(shù)

圖1 切屑形態(tài)

(1)切屑的厚度波動(dòng)范圍為0.10～0.18,其樣本眾數(shù)為0.16,中位數(shù)為0.16。

(2)切屑大小波動(dòng)范圍較大,如5號(hào)樣本3 mm×6 mm,2號(hào)樣本7 mm×12 mm。

(3)切屑形狀不一,有較為平整的切屑如9號(hào),輕微卷曲的切屑如6、11號(hào),完全卷曲的如8號(hào)。

1.2 切屑的建模

依據(jù)上文提到的切屑的特點(diǎn),筆者選取切屑中平均厚度0.15 mm、切屑大小8 mm×11 mm、出現(xiàn)頻率最高的輕微卷曲形狀對切屑進(jìn)行建模,切屑模型如圖2所示。木材材質(zhì)采用常見的松木。

圖2 切屑模型

其中切屑模型的體積V= 13.51 mm3,密度ρ=0.55 g/cm3,質(zhì)量m=0.007 430 50 g,重量G=7.281 89E-05 N。

2 分析吸塵工況并建立流場模型

為了確保能順利吸走木屑,本文選用了最惡劣的工況,即:

(1)吸塵管道豎直放置,即吸塵氣流方向與重力反向。

(2)采用在木屑的側(cè)面作為迎風(fēng)面,此時(shí)在木材切屑上產(chǎn)生的作用力較小。

依據(jù)上述工況,建立流體域模型如圖3所示。

圖3 流體域模型

3 流場仿真

本文采用FLUENT對上述吸塵工況進(jìn)行仿真。采用Direct Optimization進(jìn)行定向求解。

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立與網(wǎng)格的劃分

流動(dòng)可以分為層流,層流-湍流過渡態(tài),湍流三種流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)是用來確定流動(dòng)是層流還是湍流的標(biāo)準(zhǔn)[8]。雷諾數(shù)計(jì)算公式:

ReL=ρUL/μ=1.225×3.2×0.1/0.000 01=39 200

(1)

式中:ρ——流動(dòng)介質(zhì)的密度

U——介質(zhì)的流動(dòng)速度,內(nèi)流問題為通道內(nèi)平均流速

L——特征長度,內(nèi)流問題為通道直徑

μ——流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)力粘性系數(shù)

對于內(nèi)流問題,當(dāng)雷諾數(shù)>2 300,會(huì)形成湍流。因此本次吸塵問題的模擬屬于湍流問題。對于湍流問題,有三個(gè)基本的計(jì)算方法。

(1)直接數(shù)值模擬(DNS)方法。DNS在直接求解三維非穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)控制方程時(shí)會(huì)對計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能提出非常高的要求,很難用于工業(yè)領(lǐng)域。

(2) 大渦模擬(LES)方法。LES方法比DNS經(jīng)濟(jì),但對于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用程序來說,所需的工作量和計(jì)算資源仍然太大。

(3) 雷諾平均N-S方程 (RANS)方法。RANS方法是目前主流的解決實(shí)際工程問題的方法。RANS方法是將滿足動(dòng)力學(xué)方程的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)分解為平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分,對脈動(dòng)項(xiàng)的貢獻(xiàn)通過雷諾應(yīng)力項(xiàng)來體現(xiàn),再根據(jù)各自經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)等方法對雷諾應(yīng)力項(xiàng)做出假設(shè),從而封閉湍流的平均雷諾方程而求解的方法。

基于RANS方法,有多個(gè)湍流模型可用,有些僅用于非常特定的應(yīng)用常用,工業(yè)上最廣泛使用的湍流模型是SST k-ω。如果收斂困難,可以嘗試BSL k-ω,或者 Realizable k-ε湍流模型。如果只需要湍流的粗略估算,則可以使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。因此本次吸塵問題的模擬采用SST k-ω湍流模型。

在近壁區(qū)域,解梯度非常大,但近壁區(qū)域的精確計(jì)算對模擬的成功至關(guān)重要。因此在劃分網(wǎng)格時(shí)需要添加邊界層,通常可以選擇辦法是:

(1)采用壁面函數(shù)。壁面函數(shù)是利用函數(shù)來模擬壁面距離與速度的關(guān)系。一般來說,如果仿真的重點(diǎn)是區(qū)域中部湍流,而不是對壁上的力更感興趣,則采用這種方法。

(2)采用粘性子層。要求網(wǎng)格的第一層的Y+≈1,并且網(wǎng)格大小的增長率不超過1.2。這會(huì)顯著增加網(wǎng)格數(shù)量。一般來說,如果仿真的重點(diǎn)是壁面上的力或傳熱 (氣動(dòng)阻力,渦輪機(jī)械葉片性能,傳熱),通常使用粘性子層的方法。

本文主要研究氣流產(chǎn)生的作用力,因此選用粘性子層,劃分網(wǎng)格時(shí)為木屑添加邊界層。邊界層的高度、層數(shù)等信息可以網(wǎng)絡(luò)搜索Y+ calculator代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

采用fluent meshing劃分多面體網(wǎng)格,效果如圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分效果圖

3.2 設(shè)置邊界條件并求解

設(shè)置如下邊界條件:

(1)入口壓力為0 Pa,即為大氣壓;

(2)出口壓力設(shè)置為輸入?yún)?shù)。

出口平均流速和氣流在木材切屑上產(chǎn)生的作用力F作為輸出參數(shù)。為了更準(zhǔn)確模擬出氣體流速,選用滿足理想氣體狀態(tài)方程的理想氣體作為流體域內(nèi)介質(zhì),其屬性如表2所示。本文為求出出口壓力(負(fù)壓),使得當(dāng)出口壓力低于此值時(shí),氣流在木材切屑上產(chǎn)生的作用力F不小于木材重力G,此時(shí)可以順利吸走木屑。此處借助Direct Optimization模塊,設(shè)置收斂準(zhǔn)則為F=G,變量為出口壓力,求解方式為Adaptive Single-Objective。經(jīng)過9次自動(dòng)求解迭代,得到F=7.281 92E-05 N,與木屑自重G=7.281 89E-05 N近似相等。仿真數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 理想氣體屬性

表3 仿真數(shù)據(jù)

3.3 仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可知,當(dāng)出口負(fù)壓為-7.049 Pa時(shí),氣流在木材切屑上產(chǎn)生的作用力F=7.281 87E-05 N,與木屑自重G=7.281 89E-05 N近似相等,此時(shí)流體域內(nèi)的平均流速為V=3.294 m/s。木屑在流場中受力如圖5所示。

圖5 木屑受力情況

建立一個(gè)流體域的橫截面,橫截面需穿過木屑。橫截面的速度云圖如圖6所示。由圖可知,木屑周圍的氣流速度約為V0=3.7 m/s。而實(shí)際生產(chǎn)中風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)速遠(yuǎn)大于V0,通常為12～14 m/s[12]。這是因?yàn)橥ǔＧ闆r下,設(shè)備存在很多死區(qū),氣流不經(jīng)過這些死區(qū),比如塵罩底部。即使風(fēng)機(jī)的風(fēng)速很快,但這些死區(qū)的氣流速度依然很低,很難達(dá)到滿意的除塵效果。

圖6 木屑周圍流速云圖

根據(jù)表3的仿真數(shù)據(jù)繪制流速與作用力的圖表,并用二次多項(xiàng)式對流速和作用力進(jìn)行擬合,如圖7所示。

4 結(jié)論

本文選取青城機(jī)械木工刨床的切屑作為研究對象,利用FLUENT得到一定氣流速度情況下在木材切屑上產(chǎn)生的作用力,并借助定向優(yōu)化求解器Direct Optimization得出在木材切屑上產(chǎn)生的作用力克服木屑重力時(shí)對應(yīng)的氣流速度和出口負(fù)壓。得出如下結(jié)論:

(1)木屑周圍的氣流速度達(dá)到V0=3.7 m/s時(shí),氣流作用力大于木屑重力,此時(shí)氣流可以帶走木屑。

(2)實(shí)際生產(chǎn)中,由于設(shè)備存在各種死區(qū),使得風(fēng)機(jī)風(fēng)速遠(yuǎn)大于V0才能達(dá)到滿意的除塵效果。

(3)氣流速度與其作用在木屑上的力近似滿足二次方關(guān)系,二次多項(xiàng)式為F= 4E-06V2+ 9E-06V- 2E-06。

以上結(jié)論可為青城機(jī)械木工刨床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整機(jī)吸塵能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。