薄膜流涎機(jī)邊料移除裝置的數(shù)值模擬與優(yōu)化

杜苗林，王栓虎，胡曉東，孫 宇

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.南通三信塑膠裝備科技有限公司，江蘇 南通 226200）

1 引言

流涎加工法是制造塑料薄膜的高效生產(chǎn)方法之一，其生產(chǎn)出的薄膜具有透明度好、光澤性高、平整度好、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。因而流涎膜被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥用品、紡織品、日用品等的包裝。廢邊在線回收系統(tǒng)是薄膜流涎生產(chǎn)線的重要組成部分，隨著生產(chǎn)線的速度越來越高，薄膜幅度越來越寬，對廢邊在線回收系統(tǒng)的性能要求也不斷提高。系統(tǒng)的合理設(shè)計將決定生產(chǎn)線的高效運(yùn)行和功耗的降低。對整個回收系統(tǒng)而言，邊料移除是否順暢是決定整個系統(tǒng)性能是否良好的主要因素。如果廢邊吸取不順，將阻礙整個薄膜流涎生產(chǎn)線的順利生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致停機(jī)檢修[2-5]。指在通過對邊料移除裝置進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)薄膜廢邊料的高效吸取。

2 邊料移除裝置

2.1 邊料移除裝置的結(jié)構(gòu)原理

邊料移除裝置的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。圖中：α—收縮段錐度；a—收縮段長度；b—喉管長度；d—喉管直徑；c—擴(kuò)大段長度。空氣由風(fēng)機(jī)從空氣入口吹入，在文丘里噴管中產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而將廢邊料從兩個邊料入口處吸入，從邊料出口輸出，最后經(jīng)管道輸送至粉碎機(jī)粉碎。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，邊料移除裝置的空氣流入腔利用旋轉(zhuǎn)射流原理設(shè)計成圓形腔體，能獲得更好的效果。當(dāng)邊料移除裝置安裝完之后，可由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)伸縮管管口離文丘里體喉管的距離e，從而獲得所需要的負(fù)壓。這種邊料移除裝置的設(shè)計能產(chǎn)生很大的吸力，減少了所需的電機(jī)功率并且噪音小，邊料在破碎機(jī)里更容易從傳送的空氣中分離出來。

圖1 邊料移除裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Offcut Removing Device Structure

2.2 邊料移除裝置的設(shè)計

薄膜廢邊的基本參數(shù)：

（1）薄膜材料一般為PP、PVC、PE 等；

（2）膜厚（0.01～0.2）mm；

（3）邊料寬度為（100～150）mm；

（4）切下的連續(xù)邊料最大速度為300m/min；

根據(jù)薄膜廢邊的基本參數(shù)，邊料移除裝置的設(shè)計一定要保證邊料入口處的風(fēng)速到達(dá)（50～60）m/s，負(fù)壓到達(dá)1kPa 以上。邊料入口形狀和入口管徑的設(shè)計要保證廢邊的順利吸入和輸送而不發(fā)生堵塞。邊料移除裝置中的各個管子均采用標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼管，而邊料入口處的管子隨著工況的不同可以有不同的設(shè)計，一般可以采用鋼絲軟管，這樣不僅可以增大彎頭的半徑，減小壓力損失，而且對于不同的薄膜寬幅也可以進(jìn)行自由的調(diào)節(jié)。

3 研究方法

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計

正交試驗(yàn)設(shè)計是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計是分式析因設(shè)計的主要方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計方法[6]。

3.1.1 正交試驗(yàn)的目的及考核指標(biāo)

試驗(yàn)的目的是分析文丘里噴管的收縮段錐度、收縮段長度，喉管長徑比、擴(kuò)大段長度對管中最大負(fù)壓的影響，得到這幾個因素較優(yōu)的組合方式，以獲得文丘里喉管處的最大負(fù)壓，從而在邊料入口處獲得最大風(fēng)速和吸力，達(dá)到邊料吸取的最佳效果。

3.1.2 制定因素水平表

試驗(yàn)采用了三組水平，分析了收縮段錐度α，收縮段長度a，喉管長徑比λ（λ=b/d）和擴(kuò)大段長度c 四個因素的影響，所以是一個四因素三水平的試驗(yàn)，可以選用常用正交表L9（34）進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計[6]。因素水平表，如表1 所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Orthogonal Test Factors Level Table

3.2 數(shù)值仿真

3.2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)正交試驗(yàn)表，分別建立模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。首先由SolidWorks 建立三維模型，然后導(dǎo)入到Gambit2.2.30 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。導(dǎo)入的模型是一個整體，為了能夠生成多塊的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格先將整個計算區(qū)域分割成多個體，然后逐個進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.2.2 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒方程：

式中：u、v、w—速度在x、y 和z 方向上的分量。

動量守恒方程：

式中：v—運(yùn)動粘度；p—壓力；g—重力加速度。

式中：Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；C1ε、C2ε和C3ε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε—與湍動能k 和耗散功ε 對應(yīng)的Prandtl 數(shù)；Sk，Sε—用戶定義的源項(xiàng)。

3.2.3 參數(shù)設(shè)置

模型的空氣入口直徑取Φ133，采用的離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2062m3/h，風(fēng)壓為4447Pa，電機(jī)功率為5.5kPa?？諝馊肟诙x為速度入口邊界，兩個邊料入口定義為壓力入口邊界，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；出口直徑取168，定義為壓力出口邊界。

4 結(jié)果與分析

（1）文丘里噴管的數(shù)值模擬結(jié)果：采用目前較通用的CFD軟件FLUENT6.3 進(jìn)行仿真計算，得到各正交試驗(yàn)的結(jié)果，如表2 所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal Test Results

正交試驗(yàn)結(jié)果的分析方法有兩種：極差分析法（即直觀分析法）和方差分析法。極差分析法簡單明了，可以直觀地加以描述，并通過綜合比較能夠得出結(jié)論[6]。把每個因素的均值對應(yīng)的繪在同一個坐標(biāo)上，得到因素與指標(biāo)的關(guān)系圖，如圖2 所示。根據(jù)每個因子各個點(diǎn)的高低相差的程度可以直觀的比較出各因子對指標(biāo)影響的大小。從圖2 中還可以看出指標(biāo)值隨各因子水平的變化趨勢，從而得到因子的主次和較優(yōu)的水平組合。

圖2 各因素與最大負(fù)壓的關(guān)系圖Fig.2 Relationship Diagram of Factors and Maximum Negative Pressure

由圖2 可以看出，因素A 對于文丘里管中所能獲得的最大負(fù)壓影響最大，即收縮段錐度的影響最大，隨著收縮段錐度的減小所獲得的負(fù)壓增大，因?yàn)殡S著收縮段錐度的減小文丘里體供氣口的面積減小，氣流的速度增大，將壓力能轉(zhuǎn)化為氣流動能。而其他三個因素對最大負(fù)壓的影響不是很大，對于流涎生產(chǎn)線來說，這三個參數(shù)可以根據(jù)不同工況進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)分析結(jié)果獲得各因素的最佳組合為A3B3C3D2。

（2）伸縮管管口離文丘里體喉管的距離e 對最大負(fù)壓的影響：表2 中的試驗(yàn)結(jié)果是在伸縮管管口離文丘里體喉管處40mm時得到的。如果伸縮管管口離文丘里喉管處的距離減小，產(chǎn)生的負(fù)壓將更大。最大負(fù)壓隨伸縮管管口離文丘里體喉管距離e的變化曲線，如圖3 所示。從圖3 中可以看出隨著伸縮管管口離文丘里體喉管距離的減小，所獲得的負(fù)壓逐漸增大。

圖3 最大負(fù)壓隨伸縮管管口離文丘里體喉管距離的變化Fig.3 Changes of Maximum Negative Pressure with the Distance Between Extension Tube and Venturi Tube Body in Telescopic Mouth

（3）邊料移除裝置入口管徑和入口形狀的比較分析：在獲得文丘里噴管的最佳尺寸組合后，比較了兩種入口，如圖4 所示。扁形的入口，如圖4（a）所示。直接的開放式圓形入口，如圖4（b）所示；同時對于入口的管徑，對比了Φ102 和Φ114 兩種管徑。

圖4 不同形狀邊料入口Fig.4 Shape Side Entrance

其數(shù)值模擬結(jié)果如表3 所示，扁形入口和圓形入口的速度分布圖，如圖5 所示。結(jié)果表明扁形的入口（a）優(yōu)于圓形入口（b），扁形入口的入口處獲得更大的風(fēng)速，便于廢邊料吸入。102的入口管徑優(yōu)于114 管徑，因?yàn)檩^小的管徑能獲得較大的輸送速度。所以采用扁形入口和102 入口管徑的組合能在入口管中獲得更好的空氣流速，邊料的吸取和輸送效果更佳。

表3 不同入口形狀和不同入口管徑的模擬結(jié)果Tab.3 Simulation Results of the Different Inlet Shape and Different Inlet Pipe Diameter

圖5 扁形入口和圓形入口的速度分布圖Fig.5 Velocity Profile of Sector Entrance and Circular Entrance

5 結(jié)束語

采用正交試驗(yàn)設(shè)計，運(yùn)用Fluent 軟件對邊料移除裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出了影響文丘里噴管段最大負(fù)壓的主要因素為收縮段錐度。隨著錐度的減小，系統(tǒng)獲得的最大負(fù)壓增大。得出了系統(tǒng)最大負(fù)壓隨伸縮管管口離文丘里體喉管距離e的變化。通過對不同邊料的入口形狀和入口管徑的比較分析，發(fā)現(xiàn)扁形的入口和較小的入口管徑能獲得更大的入口風(fēng)速和更大的吸力。結(jié)果可以為薄膜流涎機(jī)邊料移除裝置的設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

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