氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)的氣孔分布研究

黃付延， 林浩良

（1.廣東利元亨智能裝備股份有限公司，廣東 惠州516001；2.五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門529020）

0 引言

散料輸送涉及的行業(yè)領(lǐng)域十分廣泛，而散料輸送的關(guān)鍵設(shè)備就是輸送機(jī)[1]。氣懸輸送機(jī)利用氣墊可以無(wú)摩擦承托，從而代替了普通帶式輸送機(jī)中的輪滾接觸式支承，極大地減小了輸送阻力損耗，且相對(duì)傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)，氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)由于氣墊支撐使得整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程更平穩(wěn)安全，因此氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)具有很大的發(fā)展前景。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)與氣懸?guī)捷斔椭袣庀浣Y(jié)構(gòu)、盤槽形狀、供氣裝置等方面的研究較為成熟[2]，郭金星等[3]分析了輸送帶上物料壓力分布，通過(guò)DEM仿真給出了壓力分布，將水壓力與土壓力計(jì)算方法進(jìn)行了比較，證明兩者計(jì)算方法都可以滿足計(jì)算精度的要求。而對(duì)于氣孔布置的研究多數(shù)學(xué)者采用的是靜力學(xué)將輸送皮帶視為剛體，忽略了輸送皮帶的變形形狀，但是輸送皮帶的變形形狀是決定氣墊的特性關(guān)鍵因素之一。而流固耦合有限元模型可以精確獲取流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，能夠在耦合邊界上流體和結(jié)構(gòu)結(jié)果交換同步求解，計(jì)算精度高。因此本文建立氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)橫截面的二維流固耦合有限元仿真分析模型，采用直接流固耦合算法，在相同工況下分析不同數(shù)量氣孔對(duì)氣墊負(fù)載能力的影響。

1 輸送帶受力工況

本文以公司密封氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)項(xiàng)目為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸送皮帶材料：橡膠（彈性模量、泊松比參考橡膠材料），質(zhì)量為8 kg/m2，皮帶尺寸：厚度為8 mm，寬度為1000 mm；進(jìn)風(fēng)量為50 m3/h，氣墊機(jī)產(chǎn)量為500，容重為0.75 t/m3，物料截面積為0.069 m3，進(jìn)氣壓力為0.1815 MPa（方形氣箱保持）。

圖1 氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)結(jié)構(gòu)圖

氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)通過(guò)氣源從送風(fēng)管道進(jìn)入方形氣箱輸入氣源，進(jìn)入方形氣箱的氣體從氣室頂部盤槽上的氣孔中流出，流出來(lái)的氣體在盤槽與輸送皮帶之間形成一層均勻穩(wěn)定氣墊區(qū)，從而托起輸送皮帶及帶上物料，最后輸送皮帶在驅(qū)動(dòng)滾筒的牽引下進(jìn)行輸送[4]，氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。氣墊的存在將盤槽和輸送皮帶完全隔離開(kāi)來(lái)，有效地減小了輸送帶在輸送過(guò)程中的摩擦，使得輸送帶在輸送過(guò)程中更加平穩(wěn)，提高了輸送效率。

為使輸送皮帶和盤槽之間不存在接觸以避免發(fā)生磨帶現(xiàn)象，氣墊負(fù)載能力應(yīng)大于輸送皮帶自身重力加物料負(fù)載重力。而輸送帶橫向上的物料并不是均勻分布的，中間負(fù)載最大并向兩邊遞減。從氣墊負(fù)載特性考慮，當(dāng)工作一段時(shí)間后整個(gè)輸送系統(tǒng)達(dá)到平衡，氣墊負(fù)載力的大小只與氣墊區(qū)的氣壓和輸送皮帶面積有關(guān)。氣墊區(qū)氣壓越大，氣墊區(qū)越大，氣墊負(fù)載能力也越大，與此同時(shí)從間隙口泄漏的氣體也越多。但氣墊承載力的大小與泄漏的氣體關(guān)系并非簡(jiǎn)單線性相關(guān)，因此需注重分析氣孔分布。

圖2 氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

氣膜的產(chǎn)生與風(fēng)機(jī)入口氣流量、氣孔布置、盤槽形狀、間隙口出口氣流量等因素有關(guān)。在輸送皮帶與盤槽間要形成一層穩(wěn)定均勻的氣墊，且使整個(gè)系統(tǒng)消耗的能量最小，則與氣墊入口流量和間隙出口流量之差相關(guān)，間隙口為保證輸送皮帶兩邊與盤槽不接觸以設(shè)計(jì)成極小間隙，而入口氣流量直接由盤槽上氣孔數(shù)量、直徑、分布決定。因此，要設(shè)計(jì)節(jié)能高效的氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)就必須考慮盤槽氣孔的布置方式，不同的盤槽氣孔布置方式會(huì)產(chǎn)生不同的氣墊負(fù)載能力分布，也需要不同的入口氣流量來(lái)支撐[5]。

2 有限元分析

對(duì)于氣懸?guī)捷斔椭袣鈮|區(qū)特性的數(shù)值模擬，己有諸多學(xué)者進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析，而關(guān)于氣墊穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)懸浮的輸送皮帶的定義，李建峰等[6]將此時(shí)的輸送皮帶設(shè)置成已知形狀的剛體，不考慮其彈性形變，再通過(guò)改變氣孔數(shù)量、直徑、分布來(lái)獲得不同的氣墊負(fù)載力；朱小龍等[7]通過(guò)構(gòu)建運(yùn)用縫隙流理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)氣墊帶式輸送機(jī)氣膜厚度進(jìn)行分析與研究，得出了氣膜的峰型分布情況與分布規(guī)律。從前面分析可知，輸送皮帶在氣墊載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，而輸送皮帶的變形或運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響流場(chǎng)，從而改變氣墊區(qū)流體載荷的分布和大小。對(duì)此，本文通過(guò)Workbench中的Fluent板塊對(duì)氣墊進(jìn)行流體仿真分析，同時(shí)通過(guò)Static Structural模塊對(duì)輸送皮帶進(jìn)行分析，然后將兩相運(yùn)算結(jié)果相互傳遞，進(jìn)行流固耦合分析[8]。

2.1 有限元模型構(gòu)建

假定整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中輸送皮帶縱向上物料均勻堆積且處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，則物料對(duì)輸送皮帶的壓力沿同一縱向相等。而氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)縱向跨度為6 m，橫向跨度為1 m，則形成的氣墊厚度相對(duì)輸送皮帶長(zhǎng)度和寬度很小，輸送皮帶的速度相對(duì)氣流速度又可忽略不計(jì)，因此，氣墊區(qū)氣體流體完全可以簡(jiǎn)化成一橫截面上的二維流場(chǎng)問(wèn)題。氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)橫截面二維仿真模型如圖3所示，除去對(duì)仿真沒(méi)有影響的特征和零件，保留方形氣箱、氣孔、氣墊等主要區(qū)域外加輸送皮帶上方的大氣區(qū)域。

整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共計(jì)161 169個(gè)網(wǎng)格單元中：全部采用適應(yīng)性好的四面彈網(wǎng)格，氣孔和氣墊區(qū)做加密處理，最小單元達(dá)0.2 mm，而方形氣箱的大流場(chǎng)采用較大尺寸網(wǎng)格，最大單元達(dá)8 mm。網(wǎng)格質(zhì)量大于0.31，滿足基本需求，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖3 氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)橫截面二維仿真模型

圖4 有限元網(wǎng)格模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

輸送皮帶和氣墊區(qū)流體之間的耦合是一種雙向流固耦合，計(jì)算原理參考文獻(xiàn)[9]。在每一個(gè)步時(shí)上將固體上的計(jì)算結(jié)果傳輸?shù)搅黧w區(qū)域，引起流體流場(chǎng)變化后重新計(jì)算流體，再將新的計(jì)算數(shù)據(jù)重新作用在固體區(qū)域上，以此反復(fù)迭代，得到最終的收斂結(jié)果，具體設(shè)置如下：

1）速度邊界條件。當(dāng)物料重力與氣墊負(fù)載能力達(dá)到平衡時(shí)，認(rèn)為氣體在氣孔入口、間隙出口外其他接觸面均為無(wú)滑移壁面，速度均為0。

2）入口邊界條件。設(shè)定外界環(huán)境壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P=0.101 MPa，保持方形氣箱入口氣量為50 m3/h；環(huán)境溫度T=24 ℃。

3）物料壓力條件。采用按物料的堆積深度來(lái)確定壓力分布，其實(shí)質(zhì)為水壓力理論，若不考慮散狀物料中顆粒間的相互作用力，用水壓力的理論計(jì)算輸送帶表面受到的物料壓力，因此對(duì)于物料壓力選擇Hydrostatic Pressure來(lái)等效模擬。

2.3 仿真結(jié)果

仿真加載5 s之后，氣墊區(qū)內(nèi)氣壓沒(méi)有波動(dòng)，說(shuō)明氣墊內(nèi)氣流出入達(dá)到穩(wěn)定。從圖5中可以看出，氣墊區(qū)氣孔周圍的氣壓與方形氣箱內(nèi)氣壓基本一致，但靠近間隙區(qū)的地方連通大氣氣壓就急劇下降，慢慢趨近并等于大氣壓。

圖5 氣壓分布云圖

在相同進(jìn)氣量條件下，不同的氣孔數(shù)量導(dǎo)致氣墊區(qū)氣壓也有明顯區(qū)別，結(jié)果如圖5所示。其中盤槽上5個(gè)氣孔對(duì)應(yīng)的氣墊區(qū)氣壓為0.140 MPa，3個(gè)氣孔對(duì)應(yīng)的氣墊區(qū)氣壓為0.189 MPa，1個(gè)氣孔對(duì)應(yīng)的氣墊區(qū)氣壓為0.32 MPa。隨著氣孔數(shù)量增加，氣墊區(qū)進(jìn)氣量也在增加，導(dǎo)致泄漏量增加，則氣墊區(qū)壓力在降低，故支撐力在降低，能支撐的負(fù)載也降低，因此氣孔過(guò)多，泄漏量增加，氣墊區(qū)氣壓降低。

在Static Structural模塊中，以盤槽內(nèi)輪廓尺寸為基準(zhǔn)，提取不同的氣孔數(shù)量的輸送皮帶形變數(shù)據(jù)，建立輸送皮帶在穩(wěn)定狀態(tài)下橫截面尺寸圖，如圖6所示。由于氣墊區(qū)壓力作用,使得輸送皮帶都會(huì)被托起不同程度距離，也正是這個(gè)盤槽與輸送皮帶之間距離可以決定氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)的優(yōu)良性。若盤槽與輸送皮帶間最小出口間隙過(guò)小，會(huì)發(fā)生磨帶現(xiàn)象,不利于輸送工作；若盤槽與輸送皮帶間極限距離差值過(guò)大，則形成的氣墊區(qū)不均勻，皮帶輸送過(guò)程中由于受力不均而產(chǎn)生晃動(dòng)。

圖6 輸送皮帶形變對(duì)比圖

1個(gè)氣孔的盤槽產(chǎn)生的距離在中間位置最大有5.32 mm，向兩邊靠攏后慢慢變小形成間隙出口為1.12 mm。3個(gè)氣孔的盤槽產(chǎn)生的距離在中間位置最大有4.05 mm，兩邊最小間隙出口為1.91 mm。5個(gè)氣孔的盤槽產(chǎn)生的距離在中間位置最大有3.48 mm，兩邊最小間隙出口為2.26 mm。因此，隨著氣孔數(shù)量減少，氣墊區(qū)更均勻，槽與輸送皮帶之間間隙出口距離更大。

3 結(jié)論

本文建立了一種氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)的二維流固耦合有限元模型，分析了盤槽上氣孔數(shù)量對(duì)氣懸?guī)捷斔蜋C(jī)的氣墊區(qū)負(fù)載能力的影響，可得出以下結(jié)論：1）盤槽上氣孔數(shù)量越多，氣墊區(qū)氣壓反而越小，氣墊區(qū)的負(fù)載能力越弱；2）盤槽上氣孔數(shù)量越多，盤槽與輸送皮帶之間氣墊氣流越均勻，更適合輸送皮帶工作。