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干式和湿式抛丸机 弹丸运动详解如何选择干

发布时间:2019-10-20 23:16  编辑作者:华盛泰抛丸机  阅读:
关键字:

摘要:湿式抛丸是一种新的环境友好型钢铁表面去除氧化皮技术。采用Fluent软件中的DDPM (稠密离散相模型) 仿真分析了干式和湿式抛丸过程中颗粒在抛丸器中的运动规律。在仿真过程中, 将空气与水看作连续相, 颗粒看作离散相, 使用KTGF (颗粒动力学理论) 分析和研究了颗粒之间的相互作用。通过对干式和湿式抛丸过程中颗粒在抛丸器中的运动仿真分析表明:两种抛丸条件下颗粒飞离分丸轮窗口的速度相近;在湿式抛丸条件下, 提高分丸轮的转速、增大入口处水的体积分数可以减小颗粒与定向套的碰撞;湿式抛丸的颗粒出口速度低于干式抛丸颗粒出口速度, 并且, 其速度差随叶片转速的增大而增大;在一定范围内, 增大进口处水的体积分数可以降低颗粒的出口速度。

  湿式抛丸; Fluent; DDPM; KTGF;

  Abstract:

  Wet shot blasting is a new environmentally friendly technology for removing the oxide skin from steel.DDPM (Dense Discrete Phase Model) in Fluent software is used to simulate and analyze the motion law of particles in the dry and wet shot blasting machine during the shot blasting process. In the simulation process, the air and water are regarded as continuous phase, and the particles are regarded as discrete phase. KTGF (Kinetic Theory of Granular Flows) is used to deal with the interaction between particles. Through the simulation and analysis of motion of particles in the dry and wet shot blasting machine during the shot blasting process, the following conclusions are drawn:The velocities that particles fly away from the distributor of two kinds of shot blasting are very close;Under wet shot blasting condition, increasing the speed of the distribution and the volume fraction of water at the inlet can reduce the collision between the particles and the directional sleeve;The particle outlet velocity of wet shot blasting is lower than that of dry shot blasting, and the difference increases with the increase of blade speed;In a certain range, increasing the volume fraction of water at the inlet can reduce the outlet velocity of the particles.

  Keyword:

  Wet Shot Blasting; Fluent; DDPM; KTGF;

  1、引言:

  钢铁表面氧化皮严重影响钢铁的表面质量及后期的加工性能, 酸洗是一种广泛应用的去除氧化皮工艺, 但其始终存在几大缺点: (1) 酸洗过程中产生大量的废液, 对环境污染大[1]; (2) 酸性物质易挥发, 长期吸入此类气体会危害工作人员的身体健康[2]; (3) 酸洗过程会造成一定量的钢铁损失[3]。在此背景下, 抛丸技术因其自身的优点得到广泛的重视, 发展迅速。传统的干式抛丸在干燥的环境下经抛丸器将弹丸颗粒抛射到工件表面, 存在灰尘大、丸料与杂质难分离、工件表面有划痕等缺点。因此, 提出了湿式抛丸的新概念[4], 将丸料与水混合后经抛丸器抛射到工件表面, 可以有效地弥补干式抛丸的上述不足。近年来对湿式抛丸技术的研究成为钢板表面处理的一个新的研究热点。文献[5]利用ANSYS/LS-DYNA对单颗弹丸击打钢板表面的动力学行为进行仿真, 分析抛丸参数对钢板表面质量的影响。文献[6]通过实验研究了湿式抛丸参数对粗糙度的影响规律。

  抛丸器是抛丸设备的核心装置, 将直接影响整个抛丸生产线的生产效率和工件表面加工质量。将利用Fluent有限元软件对干式和湿式抛丸中弹丸颗粒在抛丸器内的运动过程进行仿真, 以研究弹丸在抛丸器中的运动规律和分析两种抛丸方式的差异。

  2、抛丸器的工作原理:

  抛丸器工作原理示意图, 如图1所示。抛丸器工作时, 电机带动分丸轮与叶片以相同的转速高速旋转, 弹丸或弹丸与水的混合物从进丸管进入分丸轮, 经分丸轮初步加速后离开分丸轮窗口, 通过定向套窗口后与高速旋转的叶片接触, 并沿着叶片长度方向加速, 经叶片加速后, 弹丸以扇形流束状抛射到工件表面, 对工件表面产生击打作用, 能够有效地清除工件表面杂质或提高工件表面质量。

  图1 抛丸器工作原理

  图1 抛丸器工作原理

  Fig.1 Operational Principle of Shot Blasting Machine

  3、物理模型的建立:

  3.1、抛丸器结构:

  湿式抛丸器与干式抛丸器的结构基本相同, 在研究中, 设置的结构尺寸如下:

  叶片内径D1=140mm, 外径D2=360mm;分丸轮内径d1=80mm, 外径d2=100mm";定向套内径d3=120mm, 外径d4=130mm。

  3.2、网格划分:

  为满足仿真需求, 将抛丸器流域分为五部分:进丸部分、分丸轮、定向套、叶片、外部区域。在仿真中, 加大外部区域直径可有效减小外部边界条件对流域的影响, 将其设为700mm。将建立的五部分流域模型导入到workbench模块中, 分别对其进行边界命名与网格划分, 整个流体区域网格数为44609, 面数为91564, 节点数为46943, 划分好的网格, 如图2所示。

  图2 抛丸器网格图

  图2 抛丸器网格图

  Fig.2 Shot Blasting Machine Mesh Diagram

  3.3、基本假设:

  为了更有效地对抛丸器中弹丸的运动规律进行仿真分析, 在仿真过程中提出以下假设:

  (1) 弹丸颗粒为直径相同的钢球;

  (2) 空气、水为连续相, 不可压缩;

  (3) 计算过程中不考虑热量交换。

  3.4、边界条件:

  (1) 根据工艺参数, 设置物料流入进料口的速度为进口速度, 在外部边界中出口压力设为大气压力;

  (2) 分丸轮、定向套、叶片壁面DPM项设为反弹 (reflect) , 根据弹丸和抛丸器使用的材料, 设置反弹系数k=0.55[7]。

  4、力学模型的确定:

  在分丸轮与定向套的间隙和定向套开口位置, 弹丸颗粒的体积分数远远大于10%, 固选取Fluent提供的DDPM (稠密离散型模型) 仿真弹丸颗粒在抛丸器内的运动状态。DDPM考虑了颗粒体积分数与颗粒之间的相互作用[8], 在欧拉坐标下分析流体的流动特性, 在拉格朗日坐标系下追踪颗粒运动轨迹。连续相选取k-εRNG湍流模型, 此模型在标准的k-ε模型的基础上做了修正, 可以有效地解决强旋流场问题[9]。

  4.1、连续相流动控制方程:

  质量守恒方程:

质量守恒方程

  动量守恒方程:

  式中:αf—连续相体积分数;ρf—连续相密度;vf—连续相速度;vP—离散颗粒速度;p—压强;τ—应力-应变张量;Kpf—离散相与连续相的动量交换系数。

  4.2、离散相运动控制方程:

  在计算离散颗粒运动时, 只考虑流体对它的曳力、重力以及颗粒之间的相互作用力。

  由此可以得到颗粒的运动控制方程:

由此可以得到颗粒的运动控制方程

  式 (4) 为曳力控制方程, 与流体的粘度与湍流强度有关, 式中:CD—曳力系数, 选用Wen and Yu曳力模型[10]来确定。式 (3) 为颗粒运动方程, 式中:Finter为颗粒之间的相互作用力, 采用KTGF (颗粒运动学理论) 进行求解。KTGF类比稠密气体的分子动力学理论建立颗粒相的运动方程, 引入颗粒温度反映颗粒相速度脉动, 引入径向分布函数反映颗粒碰撞的概率。

采用KTGF模型得到的颗粒相互作用力:

采用KTGF模型得到的颗粒相互作用力

  5、数值模拟与结果分析:

  将已经划分好的网格依次导入到Fluent软件中, 检测网格质量, 设置各部分的边界条件。初始流域中水与颗粒体积分数设为0, 抛丸量为300kg/min, 根据进丸管高度与抛丸量, 将颗粒入口速度设为0.4m/s, 由于进口处空气的比例极小, 将其速度设为0, 水的入口速度与颗粒入口速度相同。设置迭代步长为0.0001s, 进行瞬态仿真, 经过一段时间后, 系统达到稳定状态。

  5.1、分丸轮内颗粒的运动规律分析:

  在实际应用中, 弹丸与水的比例是可以调节的, 但水的比例过大会影响丸料对物件表面的击打效果, 比例过小又无法发挥湿式抛丸的优点。根据实际应用时水与物料的比例, 将进口处水的体积分数设为30%。

  弹丸颗粒从入口处进入分丸轮内腔, 在离心力的作用下以一定速度向外运动, 其中一部分颗粒与分丸轮内壁发生碰撞, 另一部分进入分丸轮窗口, 与窗口侧壁碰撞, 以较大的速度飞离分丸轮。分丸轮转速为3000r/min, 分丸轮内颗粒速度分布图, 如图3所示。从图中可以看出干式与湿式抛丸在分丸轮内的颗粒运动状态一致, 出口速度接近, 均为21m/s左右。

  图3 喷丸分布器中颗粒的分布

  图3 喷丸分布器中颗粒的分布

  Fig.3 Distribution of Particles in Shot Blasting Distributor

  5.2、分丸轮与定向套间隙内颗粒的运动规律分析:

  5.2.1、分丸轮转速对颗粒分布的影响:

  在湿式抛丸过程中, 保持进口处水的体积分数为30%, 改变分丸轮转速, 分别将其设为3000r/min、2000r/min和1000r/min, 颗粒在分丸轮与定向套间隙内的运动规律, 如图4所示。可以看出:转速为3000r/min时, 颗粒沿定向套内壁运动;转速为2000r/min时, 湿式抛丸的颗粒仍沿定向套内壁方向运动, 但和壁面有少量碰撞;转速为1000r/min时, 湿式抛丸的颗粒在分丸轮与定向套壁面之间碰撞前进。

  图4 粒子在间隙中的运动规律

  图4 粒子在间隙中的运动规律

  Fig.4 Motion law of Particle in Gap

  图4 粒子在间隙中的运动规律

  图4 粒子在间隙中的运动规律

  Fig.4 Motion law of Particle in Gap

  当进口处水的体积分数不变时, 分丸轮与定向套间隙内水的体积分数分布一致, 如图5所示。增加分丸轮的转速可增大水的速度, 加强其对颗粒的曳力作用, 使颗粒沿定向套内壁运动。

  图5 间隙内水的体积分数

  图5 间隙内水的体积分数

  Fig.5 Volume Fraction of Interstitial Water

  5.2.2、进口处水的体积分数对颗粒分布的影响:

  保持分丸轮转速为3000r/min不变, 改变进口处水的体积分数, 观察颗粒在分丸轮与定向套间隙内的分布, 入口体积分数为0% (干式) 、5%、10%时, 颗粒在壁面间碰撞前进;入口体积分数为20%时, 颗粒在靠近定向套出口位置沿定向套运动;入口体积分数为30%、40%时, 颗粒沿定向套内壁运动。

  进口处水的体积分数时, 分丸轮与定向套间隙内水的体积分数也随之增加, 流体对颗粒的曳力增加, 颗粒沿定向套内壁方向运动。在实际应用中, 颗粒沿定向套内壁方向运动可以有效地减少颗粒与分丸轮、定向套的碰撞, 减缓其对分丸轮、定向套的磨损。

  5.3、叶片区域内颗粒的运动规律分析:

  弹丸颗粒通过定向套窗口进入叶片区域, 与高速旋转的叶片发生碰撞, 经多次加速后最终以固定速度抛出, 如图6所示。

  图6 叶片区域颗粒的分布

  图6 叶片区域颗粒的分布

  Fig.6 Distribution of Particles in Blade Region

  颗粒出口速度将直接影响工件表面的加工质量, 为了研究叶片转速对颗粒出口速度的影响, 改变叶片的转速, 对比干式和湿式 (进口处水体积分数为30%) 抛丸颗粒的出口速度, 如图7所示。

  图7 干式和湿式抛丸颗粒出口速度对比

  图7 干式和湿式抛丸颗粒出口速度对比

  Fig.7 Comparison of Outlet Velocity of Dry and Wet Shot Blasting Particles

  由图可得, 干、湿式抛丸的颗粒出口速度都与叶片转速呈线性关系, 相同转速下, 湿式抛丸的颗粒出口速度小于干式抛丸, 且随着叶片转速增加, 两者差值增加。保持转速3000r/min不变, 改变进口处水的体积分数, 颗粒出口速度, 如图8所示。可以看出:进口处水的体积分数<10%或>30%时, 颗粒出口速度保持稳定, 分别为70m/s和65m/s;在10%和30%之间, 随着进口水体积分数的增大, 颗粒出口速度降低。颗粒的出口速度可分为径向速度与切向速度, 其中切向速度取决于叶片的转速, 径向速度取决于颗粒定向套出口时的径向速度。随着转速和入口处水体积分数的增加, 流体对颗粒的作用力增大, 颗粒在定向套出口处的径向速度降低, 从而使得颗粒的出口速度下降。

  图8 颗粒出口速度与进口水体积分数关系图

  图8 颗粒出口速度与进口水体积分数关系图

  Fig.8 Relation between Particle Outlet Velocity and Volume Fraction of Inlet Water

  6、结论:

  使用稠密离散型模型仿真分析了干式和湿式抛丸器内弹丸颗粒的运动过程, 获得了弹丸在抛丸器中的运动规律, 主要结论如下: (1) 颗粒从进口处进入分丸轮内腔, 在离心力的作用下向外运动, 并通过分丸轮窗口离开分丸轮, 在干式与湿式抛丸过程中, 两种颗粒离开分丸轮窗口的速度相近; (2) 提高分丸轮的转速和增大进口处水的体积分数均可以增大流体对颗粒的曳力作用, 有效减少颗粒与定向套的碰撞, 延长定向套使用寿命, 降低堵丸几率; (3) 抛丸器叶片转速相同的情况下, 湿式抛丸颗粒的出口速度低与干式抛丸, 其差值随叶片转速的增加而增加; (4) 进口处水的体积分数低于10%时, 由于水对颗粒的作用不大, 颗粒的出口速度保持稳定, 随着水的体积分数继续增大, 水对颗粒的作用增大, 定向套出口处颗粒的径向速度下降, 导致颗粒的出口速度降低, 并趋于稳定。

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