鋁箔剪切機碎屑收集管結構優化設計

劉躍，常玲玲，李會榮，管小榮

(1. 陜西國防工業職業技術學院 智能制造學院，陜西 西安710300；2. 南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

鋁箔廣泛應用于機械、食品、醫療、電子等行業，其需求量逐年上升。經過長足發展，我國鋁箔生產設備已逐步系統化、完善化，其中，鋁箔剪切機是根據不同行業需求將鋁箔分切成不同尺寸的關鍵設備[1]。近年來，相關學者對剪切機關鍵零部件如碟形刀等[2]進行了持續優化，這些成果對鋁箔生產設備的升級起到了良好的促進作用。但在觀察剪切機工作流程時可以發現，由于鋁箔比較輕薄，分切時會不可避免地產生細長碎屑，較長時間的碎屑堆積會明顯影響鋁箔產品質量。查閱文獻可知，針對鋁箔剪切機碎屑收集問題，目前主要有三類方法：將剪切機按時停機進行碎屑清掃；使用負壓管路；使用專用設計裝置[3]。其中，按時停機為最常用方法，但對生產效率影響最大；專用設計裝置存在結構復雜、成本較高的缺陷；負壓管方法結構簡單，其思路為由鼓風機向管內輸送氣流，通過管內局部尺寸變化產生負壓，進而在支管口產生吸力。負壓管方法為目前兼顧效率及耗費的較好選擇，但相關設計還不成熟，不能保證雙支管吸力均勻要求。

本文根據鋁箔剪切機工作特點及氣體輸送原理[4]，對現有鋁箔剪切機碎屑收集負壓管進行優化設計，采用目前工程中常用的計算流體動力學方法(CFD)對不同管路結構的壓力-速度耦合流場進行三維數值計算，在對比管內壓力-速度分布特征及規律基礎上，重點探討獲得支管均勻吸力的管路設計方法，為鋁箔剪切機優化升級提供參考。

1 計算模型

1.1 模型設置

圖1為常用的LT1350鋁箔剪切機碎屑收集負壓管樣品，主要由主管和適應于剪切機雙碟形刀設計的兩個支管組成。管路總長為1 000mm，主管直徑為70mm，支管直徑為40mm，兩支管相距500mm。仿真模型及局部網格劃分如圖2所示，網格為分塊結構化網格，在壁面及支管處進行加密處理。在邊界設置方面，進口處為速度邊界，具體值為5m/s，出口及兩個支管P1與P2設置為壓力邊界，具體值為0 Pa。使用流體商業軟件Fluent作為求解器[5]進行方程迭代。

圖1 鋁箔碎屑收集負壓管樣品

圖2 仿真模型及局部網格劃分

在支管口獲得均勻吸力的前提是在支管附近區域獲得相近的負壓分布，根據流體“伯努利”方程[5]，同一水平面的壓力與速度分布呈反比例關系，因此可通過改變主管內過流面積達到產生負壓的目的。根據這一思路，文中主要設計了兩個擋板型及等距型兩種管路結構。其中，兩個檔板型(圖3)在兩個支管前設置擋板，具有各自的流動區域；等距型(圖4)為兩個支管連通，共用一個氣流出口。

圖3 兩個擋板型

圖4 等距型

1.2 模型驗證

為了驗證文中數值模型對鋁箔碎屑收集管路計算的適用性，課題組設計加工出兩個擋板型等高度擋板管路樣品(具體尺寸見后文)，并使用轉子流量計測量了兩個支管的氣流流量，經過換算可得P1、P2支管縱向速度v的測量值(v=Q/A，Q為氣流流量，A為截面面積)，約定v的方向為流入管內為正，流出管外為負。兩個支管口平均縱向速度的模擬值與實驗值對比如圖5所示。模擬結果具體為1.59m/s和-4.35m/s，實驗結果具體為1.51m/s和-4.20m/s。通過比較可以發現模擬值與實驗值誤差相差在5%左右，這說明了本文中使用數值方法是可行的。

圖5 數值模型驗證

1.3 計算工況介紹

兩種類型管路初始過流面積一致，擋板總高均為h=35mm，為了探討擋板高度設置對管內局部負壓分布及吸力大小的影響規律，文中對兩種結構管路在不同過流面積下的計算結果進行對比，為了后文敘述方便，對不同的計算工況進行以下文字約定。

1)兩個擋板型P1與P2擋板高度相等：L1；

2)兩個擋板型P1與P2擋板高度比例為1/3：L2；

3)兩個擋板型P1與P2擋板高度比例為1/2：L3；

4)等距型擋板高度為35mm：D1；

5)等距型擋板高度為40mm：D2。

2 結果分析

文中為準定常計算，為了獲得收斂的分析數據，方程殘差標準設置為10-5，并且當監測點數據(P1、P2出口中心點壓力值)不再變化時認為計算結束。

圖6給出了不同計算條件時管路中心截面的壓力分布云圖，可以看到通過改變過流面積在支管附近均出現了與理論分析一致的負壓區域。對比圖6(a)兩個擋板型L3及圖6(b)等距型D1、圖6(c)等距型D2可以看到兩種結構時支管負壓值均較為接近，但仔細觀察可發現等距型相差更小。進一步分析表現較優的等距型結構可發現，隨著擋板高度的增加，支管負壓值增大。這進一步證明了擋板改變壓力分布的有效性及前文根據“伯努利方程”理論分析的正確性。

圖6 壓力云圖

圖7給出了兩類管路結構中心截面的縱向速度及流線分布，可以看到兩種結構下，支管縱向速度均流向管內，說明在支管口產生了吸力。支管口處速度與壓力分布結果類似，支管口速度相差較小，而等距型相差更小，說明支管吸力更相近。此外，分析圖7(b)、圖7(c)可知，當擋板高度增加時，局部負壓增加，從而使支管口產生更大氣流速度及吸力。

圖7 速度云圖及流線

圖8為不同擋板高度時兩個擋板型及等距型管路特征線上的壓力與速度沿程量化值。

圖8 特征線上的壓力及速度沿程分布

分析圖8(a)兩個擋板型計算結果可知：L1條件下即兩個擋板高度相等時，兩個支管間為正壓，說明第2個擋板對第1個擋板后部氣流產生了“阻礙”作用，進而導致P1支管速度方向為流向管外(速度為正)，無法產生吸力。隨著第2個擋板高度降低，由L2、L3結果對比可以看到擋板的“阻礙”作用逐步減小，第2個支管附近負壓呈降低趨勢，對應第1個支管附近負壓呈增長趨勢，從而對應速度及吸力也呈現出平衡趨勢。這說明通過降低第2個擋板高度實現支管吸力相近的方法是有效的。分析圖8(b)可以看到等距型管路支管連通區域負壓分布一致性較高，對應管路速度值及吸力值較為相近，且通過擋板高度增加，支管負壓及吸力呈一致的遞增趨勢。

綜合以上分析可知，兩個擋板型及等距型管路均可完成鋁箔碎屑收集任務，但兩者也存在不同特點，兩個擋板型結構更為簡單，但需要調整擋板高度比例，如表1所示。高度比例為1/3(L2)時，P1與P2支管口速度相差35%，此時，P2支管口速度較大；高度比例為1/2(L3)時，P1與P2支管口速度相差33%，P1支管口速度較大，說明第2個擋板與第1個擋板高度比例控制在1/3～1/2為合適范圍。等距型結構稍微復雜，但計算D1、D2時支管口速度相差不到1%，且通過控制過流面積大小，可有效控制吸力大小。等距型管路可理想地達到支管吸力均勻要求。

表1 不同擋板結構時支管縱向速度比較 單位：m/s

3 結語

本文使用CFD方法探討了通過改變負壓管路結構完成鋁箔剪切機碎屑收集任務的可行性，對比了不同管路結構對管內壓力-速度分布的影響規律。發現兩個擋板型及等距型均可通過改變過流面積，進而影響壓力-速度耦合值的方式達到支管口產生相近負壓及吸力的目的，此外，通過數值結果比較主要得出以下結論：

1) 兩個擋板型管路結構較為簡單，但須調整擋板高度比例，以避免第2個擋板對第1個支管區域的“阻礙”作用，進而實現支管口吸力均勻目標；

2) 等距型管路結構可使兩個支管共用負壓區域，支管口速度及吸力相差≤1%，且隨著擋板高度增加，吸力值差距保持一致，吸力值增加，可較好地完成鋁箔剪切機碎屑收集任務。