深孔加工螺旋負(fù)壓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化*

常 晶，關(guān)世璽，賈 凱，關(guān) 波，郭嘉瑞，仝 杰

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051； 2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006)

0 引言

在機械制造領(lǐng)域，深孔加工在孔加工中占到40%以上[1]。深孔加工具有不可觀測性、排屑難、油溫高等特性[2]，對于超大長徑比(L/D>100)的深孔加工排屑更為困難，若是在惡劣的環(huán)境下如井下煤礦挖掘，機加工難度則變得更高。目前常用排屑方法是DF內(nèi)排屑系統(tǒng)，通過油泵供給的切削液分成前后兩支: 前一支油液流經(jīng)切削刃將切屑推入鉆頭喉部，經(jīng)鉆頭內(nèi)腔進(jìn)入鉆桿，流入負(fù)壓裝置。后一支液流經(jīng)負(fù)壓裝置噴嘴處射流間隙，由于射流通道窄小而獲得較高的流速和能量，在鉆桿末端產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域，使排屑流被吸入并與被加速的主射流混合，通過剪切作用，排屑流速度和能量提高，加速排出切屑[3]。

傳統(tǒng)直射流抽屑方式對長距離抽吸效果不太理想，僅適用于工作環(huán)境良好的場合。本文旨在提出一種負(fù)壓抽屑能力強且能在惡劣環(huán)境工作的負(fù)壓裝置，通過將圓環(huán)狀通道改為幾組圓形截面螺旋孔型通道，使螺旋通道內(nèi)的切削液具有螺旋運動趨勢，在射流出口處形成的漩渦現(xiàn)象更明顯，以達(dá)到增強排屑動力的效果。

1 現(xiàn)有負(fù)壓射流技術(shù)簡介

在現(xiàn)有深孔負(fù)壓排屑裝置中，噴嘴處附近切削液與射流油液兩相流進(jìn)行能量交換，在噴嘴處形成真空區(qū)、前分離區(qū)、射流區(qū)、后分離區(qū)、能量轉(zhuǎn)換區(qū)、混流區(qū)6個區(qū)域[5]，如圖1所示。

圖1 負(fù)壓射流模型

(1)射流區(qū)——噴嘴流體通道;

(2)前、后分離區(qū)——射流區(qū)外側(cè)與主排屑通道交匯處。射流區(qū)流體從噴嘴進(jìn)入到排屑通道的過程中，通道截面急劇擴(kuò)大，流體與固體壁面脫離形成分離區(qū)，該區(qū)具有強烈的紊動性，伴隨著很大的能量損失;

(3)能量轉(zhuǎn)換區(qū)——射流區(qū)外側(cè)與后排屑通道交匯處。此區(qū)內(nèi)兩相流進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，使得主排屑通道內(nèi)流體速度得到增加;

(4)真空區(qū)——噴嘴前部錐形流束。由射流與主排屑通道流體能量交換形成負(fù)壓區(qū)，對排屑通道內(nèi)的切削液起到抽吸作用;

(5)混流區(qū)——后排屑通道中間部分。兩股切削液得到充分的混合，能量轉(zhuǎn)換結(jié)束。

2 螺旋通道模型的建立

2.1 幾何模型

(1)螺旋通道結(jié)構(gòu)設(shè)計

深孔負(fù)壓裝置的核心是射流混合器，而且射流通道必須細(xì)且長，工作原理是基于液—液混合后在射流區(qū)出口壁面形成漩渦構(gòu)成真空區(qū)，從而對切屑或者其他被運送介質(zhì)產(chǎn)生抽吸作用。出口壁面形成的漩渦一方面造成液體局部壓力損失，另一方面引起內(nèi)流體流動分布的不均勻，隨著混合器射流出口半徑不斷減小，漩渦現(xiàn)象明顯增強，能量損耗加大。本文基于對混合器射流工作原理的研究分析設(shè)計出細(xì)且長的螺旋導(dǎo)柱通道，高速流動油液經(jīng)均壓腔進(jìn)入螺旋導(dǎo)柱通道，在排屑通道出口處形成射流與來自油液進(jìn)口通道的低速流動切削液混合，之后在鉆桿前端產(chǎn)生負(fù)壓，對切屑形成一定的抽吸作用加速切屑排出。圖2為6組螺旋孔射流內(nèi)流道曲面模型。

1.排屑通道進(jìn)油口 2.均壓腔 3.進(jìn)油孔 4.排屑通道出油口 5.螺旋導(dǎo)柱通道(a) 正視圖

(b) 側(cè)視圖

(2)螺旋通道參數(shù)設(shè)計和工藝分析

螺旋孔螺旋線的設(shè)計參數(shù)為：起始角θ1=-4°、螺旋錐角θ2=30°、螺距l(xiāng)=26mm、高度h=10mm，管道組數(shù)為6～8，孔徑為φ0.6mm～φ3mm，分別取0.6、0.8、1、2、3mm，圖3為通道組數(shù)為6組，管道直徑φ=1mm的螺旋管道參數(shù)示意圖。

圖3 螺旋管道參數(shù)示意圖

考慮到螺旋孔加工工藝的特殊性和加工難度，是在一個封閉圓柱體上加工出幾組相同直徑且?guī)в绣F角的孔，故采用鑄造工藝，型芯為6組相同直徑且?guī)в?0°錐角的螺旋彈簧，之后將其圓柱外壁和內(nèi)孔多余部分切除的方法。

2.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型的建立基于以下簡化和假設(shè):

工作流體設(shè)定為理想的牛頓流體，在流動過程中，物料自身不發(fā)生相變，在流動過程中處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，整個過程中忽略流動時由于黏性耗散所產(chǎn)生的熱效應(yīng)耗損以及密度差異引起的浮升力和重力的影響。

仿真的實驗條件是在不考慮有切屑的 情況下，研究負(fù)壓裝置內(nèi)切削液的受力情況，建立一個與實際情況相近的數(shù)學(xué)模型。采用的切削液為硫化切削液sulfur-liquid，運動黏度為11.83mm2/s(40°C)，密度為2000kg/m3;根據(jù)實驗，在正常情況下，油路系統(tǒng)中循環(huán)切削液溫度約為40°C，從切屑區(qū)流出的切削液溫度約60°C，從而計算其雷諾數(shù)可知深孔鉆削過程油路系統(tǒng)流動為湍流流動[5-7]。

本文涉及的只是湍流流動問題，所以系統(tǒng)的控制方程主要是連續(xù)性方程、動量方程以及相關(guān)的湍流附加控制方程。為了節(jié)省計算機資源，本研究對動量方程做時均化處理，采用有限體積法對螺旋射流通道模型進(jìn)行模擬，其控制方程如式(1)所示。

連續(xù)性方程：

(1)

式中，ux、uy、uz分別為x、y、z方向速度分量：

動量方程：

(2)

湍流模型的k-ε方程為：

(3)

(4)

式中，k為湍動能，單位為m2/s2；ρ為流體密度，單位為kg/m3；t為時間，單位為s；ε為湍動能耗散率，單位為m2/s3；μt為湍流黏度，單位為Pa·s；ui為坐標(biāo)方向(直角坐標(biāo)系)的速度分量，單位為m/s；xi、xj代表坐標(biāo)方向(直角坐標(biāo)系)；G為湍流動能生成率；σk、σε、c1、c2為經(jīng)驗常數(shù)。

3 數(shù)值模擬方法

影響螺旋孔流動特性的變量有螺旋孔直徑、螺旋孔組數(shù)、螺距、高度和螺旋錐角，本文研究方法為控制變量法，選擇合適螺距、高度和螺旋錐角并保持不變的情況下，研究剩余兩個變量螺旋孔直徑和組數(shù)對結(jié)果的影響，分別取螺旋孔直徑為和組數(shù)分別為變量X和Y。

(1)采用壓力基隱式求解器，湍流模型分別選用standardk-ε模型、RNG 模型和運輸SST模型進(jìn)行多次仿真，但RNGk-ε模型仿真結(jié)果更符合真實情況且較容易收斂，故之后統(tǒng)一選用RNGk-ε模型進(jìn)行仿真。

(2)壁面條件選擇為：無滑移條件，壁面粗糙度保持默認(rèn)值為0.5，其他標(biāo)量選擇不可滲透壁面條件。

(3)入口處采用速度入口邊界條件為：切削液在排屑通道進(jìn)油口速度vs=2m/s，湍流specification 選擇基于intensity and diameter，其中直徑改為40mm；切削液在進(jìn)油孔速度vy=5m/s，湍流項保持默認(rèn)，出口處采用自由出流outflow。

(4)選擇數(shù)值計算差分格式：

①壓力插值采用pesto方法，梯度插值采用Green-Gauss cell based；

②壓力速度耦合采用SIMPLEC方法，修正系數(shù)取為0，其余動量、湍流耗散率、湍流動能都保持默認(rèn)迎風(fēng)格式；

③松弛因子設(shè)置：壓力項、密度、質(zhì)量項等都保持默認(rèn)，修改最大湍流耗散率為1e+07；

(5)收斂監(jiān)測選擇差分方程兩邊的計算插值均小于0.00001。

山西小浪底引黃工程施工I標(biāo)的1號交通洞進(jìn)口位于板澗河左岸解裕鄉(xiāng)政府附近，洞口高程291 m，末端連接安裝間，終點高程217 m。1號交通洞總長1 105.189 m，最大縱坡9.0%，開挖斷面為8.52 m×9.16 m（寬×高），襯砌后的凈斷面尺寸7 m×8 m（寬×高），城門洞型。1號交通洞作為地下泵站及其附屬洞室群的主要施工通道，它的施工進(jìn)度直接影響到地下泵站及其附屬洞室的施工進(jìn)度。

4 仿真結(jié)果與分析

通過Fluent仿真模擬結(jié)果，監(jiān)測不同結(jié)構(gòu)螺旋射流模型對稱軸上速度、負(fù)壓值、湍動能值等并進(jìn)行分析對比，明確不同結(jié)構(gòu)對混合區(qū)域的影響，探究其結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形式。圖4為螺旋通道結(jié)構(gòu)中軸線速度、壓力、湍動能變化圖

如圖4a所示A點為負(fù)壓裝置前端流速最大值，表示切削液流速增大幅度；圖4b所示B點為真空區(qū)切削液最低負(fù)壓值，表示負(fù)壓裝置對切屑或被運送介質(zhì)的抽吸能力；圖4c為混流區(qū)湍流動能值，表示能量損耗程度。

(a) 速度變化圖

(b) 壓力變化圖

(c) 湍流動能變化圖 圖4 螺旋通道結(jié)構(gòu)中軸線速度、壓力、湍流動能變化圖

經(jīng)分析，螺旋射流結(jié)構(gòu)的負(fù)壓能量轉(zhuǎn)換區(qū)位置是-50mm～0m之間，故只對螺旋射流模型其間的2個重要點A、B和動能變化趨勢進(jìn)行監(jiān)測得出壓力變化圖，而三組結(jié)構(gòu)速度變化和動能變化趨勢差異很小，因此對三組結(jié)構(gòu)A點速度以表格形式顯示，湍流動能變化趨勢不再顯示。壓力變化見圖5，A點速度變化如表1所示。

(a) 8組孔壓力變化曲線圖

(b) 7組孔壓力變化曲線圖

(c) 6組孔壓力變化曲線圖 圖5 各組螺旋孔壓力變化圖

對三組結(jié)構(gòu)壓力曲線圖分析得出:

①依據(jù)射流混合器原理，隨螺旋孔徑不斷減小，射流出口處旋渦更大現(xiàn)象更明顯，更易形成負(fù)壓真空區(qū)，負(fù)壓值整體呈不斷下降趨勢；

②對于同孔徑不同組數(shù)結(jié)構(gòu)，組數(shù)越大，單位時間流入流出螺旋通道流量越大，更易在出口形成旋渦，對旋渦現(xiàn)象影響越大，負(fù)壓值整體呈不斷下降趨勢，隨著組數(shù)不斷增加至八組，因旋渦產(chǎn)生湍動能耗散最嚴(yán)重，不利于真空區(qū)形成，負(fù)壓值比小組數(shù)孔徑結(jié)構(gòu)負(fù)壓值小很多；

綜合上述結(jié)論，采用組數(shù)為7組孔徑為φ0.8mm的螺旋通道結(jié)構(gòu)負(fù)壓表現(xiàn)最優(yōu)。

表1 速度變化對比

對表1速度變化分析得出：

三組孔速度變化與孔徑以及組數(shù)變化相關(guān)性很小，且速度均有增加，但增加幅度不明顯。

5 結(jié)論

通過比較3種不同尺寸螺旋孔結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在加工孔徑為φ40mm深孔時，采用7組內(nèi)徑為φ0.8mm螺旋孔表現(xiàn)最優(yōu)，能起到良好的負(fù)壓抽屑效果，但由于螺旋通道出口處形成漩渦，湍流動能損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致速度增加幅度不明顯，甚至在切屑出口通道起始處的區(qū)域出現(xiàn)速度突然下降后上升的情況。

鑒于本文在分析前做了一部分假設(shè)和簡化，本研究的數(shù)值模擬成果能對負(fù)壓抽屑裝置設(shè)計工作者起到一定的指導(dǎo)作用。因?qū)⒙菪ǖ澜Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于負(fù)壓抽屑裝置經(jīng)驗不足，理論研究不充分，如果要發(fā)揮理論成果更大的應(yīng)用價值，還需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)實驗驗證結(jié)論的可靠性和可行性，探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對負(fù)壓抽屑能力的影響。總結(jié)而言，本文工作對DF排屑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了深入的思考。