基于FLUENT 的高效銑床除塵系統吸風罩優化設計*

林鈺珍 陳 瀾 楊 帆 徐文俊

(①衢州職業技術學院機電工程學院，浙江 衢州 324000;②浙江萬里揚變速器股份有限公司，浙江 金華 321042)

隨著機械干加工技術(干切、干銑、干磨等)的推廣，干加工粉塵問題也逐漸凸顯。機械干加工粉塵擴散后不僅危害人體健康，還會影響加工設備和加工質量。為了對機械干加工粉塵進行控制和處理，就要配置通風除塵系統。吸風罩在通風除塵系統中處于前沿陣地，它主要借助于風機在罩口造成一定的吸氣速度而有效地將生產過程中產生的粉塵和有害氣體吸走，吸風罩設計是否正確、合理對整個除塵系統的效率有著至關重要的影響。本文以設計具有高吸附效果的臥式銑床除塵系統的吸風罩為目的，提出一種利用FLUENT 軟件對除塵系統吸風罩進行優化設計的方法。設計中考慮了干銑削加工時氣流速度場的分布情況，所設計的3 種吸風罩具有相同的罩口尺寸、連接管口尺寸、安裝尺寸和連接管口風速，而除塵系銑擴散角分別為40°、50°和60°。通過對3 種吸風罩所產生的抽吸氣流速度場進行對比，優選出其中的一種作為臥式銑床的吸風罩。其研究成果對提高吸風罩這類產品的工作效率都具有參考價值。

1 粉塵擴散與吸收機理

在臥式銑床上銑削端面，見圖1，銑削時會產生大量的粉塵。粉塵在擴散時，由于振動力和溫度的作用，擴散的狀態是等速曲線，如圖2a，在同一條曲線上，各個點的擴散速度相同，用vk表示。吸風罩抽吸靜態空氣時，氣流向罩口內擴散，擴散的狀態也是等速曲線，如圖2b，在同一曲線上，各個點的擴散速度相同，用vx表示。罩口吸氣時，罩口外的速度衰減很快，罩口處的平均速度用v0表示。把吸風罩置于揚塵處，在任意一點處，只要vx＞vk，吸風罩就可以把該點的含塵氣體吸入罩內，如圖2c，vk=20 m/s 的曲線的一部分被vx=20 m/s的曲線包圍，被包圍的部分各點的含塵氣體可以被抽吸。當vk=20 m/s 曲線上的含塵氣體繼續向外擴散，擴散速度隨之下降，待下降到vk=10 m/s 的位置時，vk=10 m/s 的曲線大部分被vx=10 m/s 的曲線包圍，大部分含塵氣體可以被抽吸［1］。

2 基于FLUENT 的干銑削氣流速度場分析

2.1 幾何建模與網格劃分

研究中應用GAMBIT 軟件進行幾何建模和網格劃分。銑刀直徑為200 mm，刀齒數為10 個，軸向尺寸為63 mm，其幾何模型見圖3。計算域是以銑刀回轉軸心線為軸的半徑為1 m 的圓柱側面、與距銑刀軸心線為300 mm 的下水平面圍成的近似半圓柱體，該近似半圓柱體的軸線長度為126 mm，劃分網格后的計算域見圖4。由于被加工端面的尺寸一般比銑刀直徑略小，將銑刀右端面設置成開放面，并將半圓柱側面和左端面也設置成開放面;考慮到機床底面尺寸較大，為了將下水平面模擬成機床底面，將下水平面設置成固壁面。

2.2 求解與結果分析

將網格化模型導入至FLUENT 軟件，對銑削過程中銑刀周圍的氣流速度場進行數值模擬。在臥式銑床上銑削端面時，銑削運動主要是銑刀的高速旋轉和走刀，走刀運動與銑刀的旋轉運動相比是非顯著運動，對銑削氣流的影響較小，因此設置銑刀轉速為150 rad/s，而忽略走刀運動。假設銑刀周圍氣體流動過程為粘性、穩態絕熱、不可壓縮的連續介質，并選擇壓力基求解器和標準的k-ε 雙方程湍流模型進行求解，得出氣流在三維空間的速度場分布情況如圖5 所示。

選取如圖5 所示兩個平面上的氣流速度場進行分析，圖5a 所示平面位于銑刀刀尖上并與半圓柱兩近似半圓面互相平行，圖5b 所示平面位于銑刀軸線上并與半圓柱下水平面互相平行。由圖5 可知，刀片安裝在銑刀盤上形成的凸起與凹坑對氣流的影響比較大，氣流在凸起與凹坑處的速度已達到10 m/s;在刀片周圍有一環形區域，氣流速度在環形區域內比較高，而氣流速度在環形區域外衰減的很快，當計算域中某點至銑刀軸線的徑向距離超過200 mm 時，氣流速度基本上為零。

3 吸風罩優化設計

3.1 吸風罩的設計計算

對于圖1 所示的臥式銑床，為了方便工人操作，同時使罩口盡量接近塵源，將吸風罩安裝在銑刀上方。本文采用無邊圓形吸風罩，吸風罩與銑刀的相對位置如圖6 所示。

3.1.1 圓形吸風罩罩口面積的設計計算［2］

式中:R 為罩口半徑，m;r 為設備或粉塵源的半徑(見圖6)，m;h 為設備或粉塵源至罩口的軸向距離(見圖6)，m;A 為罩口面積，m2。

3.1.2 圓形吸風罩抽吸風量的計算

式中:vx為軸線上距罩口x 處的風速(見圖6)，m/s;x為從粉塵飛揚點到吸風罩口的距離(見圖6)，m;Q 為抽吸風量，m3/h;v'為吸風罩連接管管口處的平均風速(見圖6)，m/s;A'為連接管管口面積，A'=πr'2，m2;r'為管口半徑，m。

3.1.3 臥式銑床吸風罩參數選取

取吸風罩罩口至銑刀回轉中心的軸向距離為200 mm以便安裝與拆卸被加工工件，由于氣流速度在銑刀周圍的環形區域內較大，因此將銑刀回轉中心看作粉塵源，認為粉塵由銑刀回轉中心向外擴散，于是吸風罩罩口至粉塵源的距離h=200 mm，根據式(1)和(2)得出吸風罩罩口半徑為R=150 mm，吸風罩罩口面積為A=0.07 m2。由2.2 的分析結果可知，當氣流至銑刀回轉軸線的距離超過200 mm 時，氣流的速度基本上為零。因此將距離銑刀回轉軸線下方200 mm的點作為控制點，取控制點處的軸吸風速vx=1 m/s，此時x=400 mm，根據式(3)得出吸風罩的抽風量Q=6012 m3/h;取吸風罩連接管口直徑為80 mm，根據公式(4)得出吸風罩連接管口處的平均風速v'大小為332.5 m/s。

3.2 吸風罩優選

根據上述參數，應用GAMBIT 軟件對擴散角分別為40°、50°和60°的吸風罩進行幾何建模和網格劃分，圖7 所示為擴散角為40°時吸風罩的二維網格模型，AB 表示連接管口，CD 表示吸風罩口，AC 和BD 表示收縮壁面，EF 表示機床底面。將AB 設置成速度進口，進口速度v'=-332.5 m/s;AC、BD 和EF 設置成固壁面，CE 和DF 設置成開放面。

將建立好的網格模型導入至FLUENT 軟件中，選擇壓力基求解器和標準的k-ε 雙方程湍流模型進行求解，得出圖8 所示3 種吸風罩所產生抽吸氣流的速度場分布情況。

3 種吸風罩內的抽吸氣流都是中間流速較大，靠近收縮壁面流速較小，當擴散角為60°時，吸風罩內的氣流速度比較均勻，靠近收縮壁面的低速氣流占據的空間最小。另外，由于擴散角為60°時吸風罩長度較短，抽吸氣流從連接管口至罩口的速度衰減量較小。因此宜采用擴散角為60°的吸風罩作為干銑削除塵系統的吸風罩。

4 結語

利用FLUENT 軟件對干銑削加工過程中氣流的速度場進行數值模擬，根據氣流速度的分布范圍與大小確定圓形吸風罩的安裝位置、罩口面積、連接管口面積、控制點和控制風速，并計算出抽吸風量和連接管口的平均風速，進而設計出擴散角為40°、50°和60°的吸風罩。最后對3 種吸風罩罩口內外氣流的分布情況進行對比分析，結果表明當擴散角為60°時吸風罩罩口內氣流速度分布比較均勻，氣流能夠較好的充滿罩內空間，且氣流從連接管口至罩口的速度衰減量較小，更加有利于提高吸風罩對粉塵的吸附效率。

［1］胡傳鼎.通風除塵設備設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［2］李志華.通風除塵系統中吸塵罩的設計與計算［J］.特種橡膠制品，2005，26(2):24-26.

［3］吳建章，李東森.通風除塵與氣力輸送［M］.北京.中國輕工業出版社，2009.

［4］任凡.機械加工車間環境影響分析及粉塵特性研究［D］.重慶:重慶大學，2010:62-71.

［5］郭蕾，朱新才，鄧星，布袋除塵器吸風罩的研究［J］.重慶科技學院學報，2013，15(3):100-103.

［6］李騰飛，徐敏義，王飛飛.精通CFD 工程仿真與案例實戰［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

［7］于勇.FLUENT 入門與進階教程［M］.北京:北京理工大學出版社，2008.

［8］溫正，石良辰，任毅.FLUENT 流體計算應用教程［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［9］韓占誠，王敬，蘭小平.FLUENT 流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京:北京理工大學，2004.