多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備效果與制粒結(jié)構(gòu)分析

吳旭輝，周健震，張 鑫，李 軍，王海濱，王興國(guó)

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

與普通的鋼制軸承相比，氮化硅陶瓷軸承具有壽命長(zhǎng)、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和超高速等優(yōu)異性能[1-4]。但氮化硅陶瓷軸承仍存在著脆性較差等缺點(diǎn)，這與制備的氮化硅陶瓷粉粒存在著制粒效果差、制粒結(jié)構(gòu)單一等缺陷有關(guān)[5-7]。粉粒流動(dòng)相對(duì)較弱，會(huì)形成固體旋轉(zhuǎn)區(qū)，導(dǎo)致粉粒出現(xiàn)打旋現(xiàn)象[8-9]。對(duì)制粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維度改進(jìn)可以增強(qiáng)粉粒的流動(dòng)性，提高制粒效果[10-11]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氮化硅粉粒氣-固兩相流旋轉(zhuǎn)耦合場(chǎng)制粒方法進(jìn)行了大量研究工作，但到目前為止，國(guó)內(nèi)外氮化硅粉粒氣-固兩相流旋轉(zhuǎn)耦合場(chǎng)制粒方法仍未在氮化硅粉體行業(yè)獲得普遍的推廣[12-14]。因此，需要對(duì)氮化硅旋轉(zhuǎn)耦合場(chǎng)制粒生產(chǎn)工藝或結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。近年來(lái)氮化硅陶瓷粉體制備工藝的改進(jìn)成為相關(guān)學(xué)者研究熱門(mén)。Qian 等[15]采用計(jì)算流體力學(xué)和離散單元法耦合模擬纖維介質(zhì)中的氣-固兩相流動(dòng)特性，纖維介質(zhì)的過(guò)濾性能與孔隙率速度和粒徑有重要關(guān)系；盧洲等[16]采用計(jì)算流體力學(xué)與離散單元法耦合方式模擬彎管內(nèi)柱狀顆粒的氣力輸送過(guò)程，對(duì)彎管內(nèi)柱狀顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、碰撞特性、力學(xué)特性進(jìn)行了研究；潘傳久等[17]認(rèn)為有擋板的攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)比沒(méi)有擋板的攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)更為充分；Hao 等[18]采用RNG k-ε 湍流模型對(duì)帶折流板攪拌槽流動(dòng)特性進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，擋板不僅增加了槽內(nèi)液體的軸向循環(huán)，而且增加了徑向循環(huán)，有利于液體的混合。

基于前人研究基礎(chǔ)，采用CFD-DEM 耦合的數(shù)值分析方法，構(gòu)建歐拉-歐拉氣-固兩相流模型分析空氣與氮化硅粉粒的相互作用。利用RNG k-ε 模型模擬耦合場(chǎng)制粒室內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探索多維度組合結(jié)構(gòu)對(duì)耦合場(chǎng)制粒工藝過(guò)程流場(chǎng)的影響，對(duì)設(shè)計(jì)及優(yōu)化耦合場(chǎng)制粒方法具有一定的指導(dǎo)意義。

1 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備過(guò)程模擬區(qū)域簡(jiǎn)化

圖1(a)為多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室結(jié)構(gòu)示意圖。起始加入氮化硅陶瓷軸承粉粒高度L4為80 mm。制粒室高度L1為320 mm，直徑T 為Φ240 mm。制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)直徑d2為Φ132 mm，厚度L3為6 mm。制粒立柱高度L5為20 mm，直徑d3為Φ6 mm。壁結(jié)構(gòu)相切于制粒室壁面，呈長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。壁結(jié)構(gòu)L2為290 mm，壁結(jié)構(gòu)d1長(zhǎng)度為10 mm。底結(jié)構(gòu)垂直于制粒室底面，底結(jié)構(gòu)L6長(zhǎng)度為10 mm，將底結(jié)構(gòu)d4長(zhǎng)度分別設(shè)為30 mm、35 mm、40 mm。壁結(jié)構(gòu)與底結(jié)構(gòu)平行，圖1(b)為A-A 處的徑向截面圖。制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)、底結(jié)構(gòu)、壁結(jié)構(gòu)形成多維度耦合組合結(jié)構(gòu)。

圖1 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of multidimensional coupling Silicon Nitride ceramic bearing powder granulation chamber structure

2 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備過(guò)程物理模型構(gòu)建

2.1 模型建立

多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。多維度耦合結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，先采用SolidWorks 軟件對(duì)其進(jìn)行模型建立，而后利用ICEM 軟件建立多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室。該耦合場(chǎng)制粒室的計(jì)算區(qū)域可以分為靜態(tài)計(jì)算區(qū)域與動(dòng)態(tài)計(jì)算區(qū)域這兩個(gè)區(qū)域。將制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)和制粒立柱附近5 mm 范圍處的區(qū)域設(shè)為動(dòng)態(tài)計(jì)算區(qū)域，其他區(qū)域可以設(shè)為靜態(tài)計(jì)算區(qū)域。動(dòng)靜態(tài)計(jì)算區(qū)域所重合的面設(shè)置為兩區(qū)域的交界面，其它位置都設(shè)為壁面。

圖2 耦合場(chǎng)制粒室的結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of coupled field granulation chamber

2.2 參數(shù)設(shè)置

表1 為多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室邊界條件參數(shù)設(shè)置。將制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)與制粒立柱的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1200 r/min，耦合場(chǎng)制粒室轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 r/min，與攪拌主軸的旋轉(zhuǎn)方向相反。

表1 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室邊界條件參數(shù)設(shè)置Tab.1 Boundary conditions setting parameters of multidimensional coupled silicon nitride ceramic bearing powder granulation chamber

2.3 網(wǎng)格劃分

圖3 顯示了多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室網(wǎng)格劃分示意圖。將耦合場(chǎng)制粒室的靜態(tài)計(jì)算區(qū)域劃分成尺寸為6 mm 的六面體網(wǎng)格，劃分出的網(wǎng)格數(shù)量為67943 個(gè)，動(dòng)態(tài)計(jì)算區(qū)域劃分成尺寸為4 mm 的高度混合四邊形網(wǎng)格，劃分出的網(wǎng)格數(shù)量為46147 個(gè)。

圖3 耦合場(chǎng)制粒室網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid generation of coupled field granulation chamber

3 數(shù)值求解過(guò)程

超細(xì)的氮化硅粉粒在耦合場(chǎng)制粒室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況可以當(dāng)做擬流體來(lái)處理。可以用數(shù)學(xué)模型來(lái)表示流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)連續(xù)性方程與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來(lái)表述流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況。連續(xù)性方程可以反應(yīng)流體運(yùn)動(dòng)與流體質(zhì)量分布之間的關(guān)系，是質(zhì)量守恒在流體力學(xué)中的應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)學(xué)方程就是描述流體運(yùn)動(dòng)和它受到作用力之間關(guān)系的基本數(shù)學(xué)式[19-20]。采用的連續(xù)性方程與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

(1) 連續(xù)性方程

式中，u表示流體在x方向上的速度；v表示流體在y方向上的速度；w表示流體在z方向上的速度；ρ為流體密度；t為時(shí)間。

(2) 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

式中，fx為單位質(zhì)量力；P為壓力；vx為流體在x方向上的速度；vy為流體在y方向上的速度；vz為流體在z方向上的速度；ρ為流體的密度；t為時(shí)間。

采用Fluent 軟件對(duì)多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室內(nèi)粉粒混合情況進(jìn)行流場(chǎng)分析，建立了歐拉-歐拉雙流體模型來(lái)模擬氮化硅陶瓷軸承粉粒在制粒室內(nèi)的流場(chǎng)分布。將滑動(dòng)網(wǎng)格模型應(yīng)用于動(dòng)態(tài)計(jì)算區(qū)域，將多參考坐標(biāo)系模型應(yīng)用于靜態(tài)計(jì)算區(qū)域。利用RNG k-ε模型進(jìn)行湍流狀態(tài)分析。變量收斂殘差應(yīng)小于1.0×10-4。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備過(guò)程體積分布云圖分析

圖4 為不同底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒體積分?jǐn)?shù)軸向云圖。當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=30 mm 時(shí)，氮化硅粉粒在耦合場(chǎng)制粒室中的體積分布占總體積的79 %，大于0.18 的氮化硅粉粒體積分?jǐn)?shù)占22 %。大部分氮化硅粉粒集中在攪拌主軸周?chē)€有小部分集中在耦合場(chǎng)制粒室壁面。處于0.16—0.18 之間的氮化硅粉粒體積分?jǐn)?shù)主要集中在耦合場(chǎng)制粒室壁面和底部區(qū)域，耦合場(chǎng)制粒室壁部有少量堆積物，底部有部分堆積物。當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=35 mm 時(shí)，氮化硅粉粒在耦合場(chǎng)制粒室中體積分布占總體積的81 %。大于0.18 的氮化硅粉粒體積分?jǐn)?shù)占11 %，存在于耦合場(chǎng)制粒室底部。氮化硅粉粒的堆積量較小，堆積現(xiàn)象有所改善。處于0.16—0.18 之間的粉體體積分?jǐn)?shù)，主要集中在耦合場(chǎng)制粒室壁面，部分存在底部。耦合場(chǎng)制粒室底部壁部有部分堆積物，底部有少量堆積現(xiàn)象。當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=40 mm 時(shí)，耦合場(chǎng)制粒室中氮化硅粉粒體積分布占總體積的79 %。大于0.18的氮化硅粉粒體積分?jǐn)?shù)占20 %，耦合場(chǎng)制粒室壁部有少量堆積物，底部有部分堆積物。處于0.16—0.18 之間的氮化硅粉粒體積分?jǐn)?shù)，主要集中在耦合場(chǎng)制粒室壁部，部分存在旋轉(zhuǎn)室底部。耦合場(chǎng)制粒室壁部有少量堆積物，底部有部分堆積物。綜上所述，不同底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的耦合場(chǎng)制粒室內(nèi)氮化硅粉粒總體積分?jǐn)?shù)基本相同。當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)為35 mm 時(shí)，氮化硅粉粒在耦合場(chǎng)制粒室內(nèi)的堆積相對(duì)少一點(diǎn)。

圖4 不同底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒體積分?jǐn)?shù)軸向云圖Fig.4 Axial nephogram of powder volume fraction of multidimensional coupling silicon nitride ceramic bearing with different bottom structure length

4.2 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備過(guò)程速度場(chǎng)分析

圖4 為不同底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒軸向速度云圖和速度矢量云圖。當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=30 mm 時(shí)，氮化硅粉粒在制粒立柱附近速度大于0.9，占總體積的7.1 %，速度分布面積占總體積的74 %。從速度矢量云圖可以看出，底結(jié)構(gòu)上方的氮化硅粉粒速度方向基本上沿著徑向運(yùn)動(dòng)。方向沿著耦合場(chǎng)制粒室壁向攪拌主軸移動(dòng)，然后進(jìn)入制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了氮化硅粉粒混合過(guò)程。壁結(jié)構(gòu)側(cè)面的氮化硅粉粒有部分沿著軸向運(yùn)動(dòng)。氮化硅粉粒首先沿制粒室壁上升，然后向攪拌主軸下端移動(dòng)，加大混合趨勢(shì)。當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=35 mm 時(shí)，從速度云圖可以看出，氮化硅粉粒在制粒立柱附近的速度大于0.9，占總體積的8.2 %。速度處于0.7—0.9 之間，主要集中在制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)和耦合場(chǎng)制粒室周?chē)俣确植济娣e占總體積的79 %。從速度矢量云圖可以看出，底結(jié)構(gòu)上方的氮化硅粉粒速度有明顯的梯度差。氮化硅粉粒沿制粒室壁向攪拌軸移動(dòng)，進(jìn)入制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了混合趨勢(shì)。壁結(jié)構(gòu)側(cè)面的氮化硅粉粒沿軸向劇烈運(yùn)動(dòng)。首先沿耦合場(chǎng)制粒室壁上升，然后向攪拌主軸下端方向移動(dòng)，增加了混合趨勢(shì)。當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=40 mm 時(shí)，氮化硅粉粒在制粒主柱附近的速度大于0.9，占總體積的7.8 %。速度分布面積占總體積的76 %。從速度矢量云圖可以看出，底結(jié)構(gòu)上方的氮化硅粉粒速度方向基本上是徑向的。氮化硅粉粒沿耦合場(chǎng)制粒室壁向攪拌主軸移動(dòng)，進(jìn)入制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了氮化硅粉粒的混合過(guò)程。壁結(jié)構(gòu)側(cè)面的氮化硅粉粒沿軸向劇烈運(yùn)動(dòng)。氮化硅粉粒首先沿制粒室壁上升，然后向攪拌主軸下端移動(dòng)，增大了粉粒混合趨勢(shì)。綜上所述，當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)為35 mm時(shí)，多維度組合結(jié)構(gòu)可以更好地改善耦合場(chǎng)制粒室內(nèi)打旋現(xiàn)象，提升了氮化硅陶瓷軸承粉粒混合效果。

圖5 不同底結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒軸向速度云圖和速度矢量云圖Fig.5 Multi dimensional coupled axial velocity and velocity vector nephogram of silicon nitride ceramic bearing powders with different bottom structure lengths

5 結(jié)論

(1) 當(dāng)?shù)捉Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為35 mm 時(shí)，多維度組合結(jié)構(gòu)更有利于氮化硅陶瓷軸承粉粒的軸向運(yùn)動(dòng)。氮化硅粉粒沿軸向劇烈運(yùn)動(dòng)，形成明顯的速度梯度差，增大了混合趨勢(shì)。氮化硅粉粒在耦合場(chǎng)制粒室底部的堆積現(xiàn)象減少，有效改善了打旋現(xiàn)象，提高了氮化硅陶瓷軸承粉粒的制備效果。

(2) 采用氣—固兩相流旋轉(zhuǎn)耦合場(chǎng)制粒方法，建立歐拉雙流體模型模擬氮化硅陶瓷軸承粉粒混合過(guò)程。利用RNG k-ε 模型模擬耦合場(chǎng)制粒室內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探索多維度組合結(jié)構(gòu)對(duì)耦合場(chǎng)制粒工藝過(guò)程流場(chǎng)的影響。該方法對(duì)設(shè)計(jì)及優(yōu)化耦合場(chǎng)制粒方法具有一定的指導(dǎo)意義。