基于EDEM-Fluent耦合计算的喷砂机磨损特性的影响因素研究

2019-02-06惠志全黄家兴李茂东叶伟文

重庆理工大学学报(自然科学) 2019年12期

惠志全，黄思，黄家兴，李茂东，叶伟文

（1.广州特种承压设备检测研究院，广州 510663；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641）

喷砂机广泛应用于石化［1-2］、船舶［3］及土木［4-5］等行业。喷砂机主要由压力罐和喷枪组成，其工作原理是以压缩空气形成高速射流将磨料砂粒喷射到工件表面，使其机械性能发生变化以达到加工的目的。喷砂机内部流场属于高浓度的复杂气固两相流，工作中因磨料砂粒持续地冲击喷砂机表面，导致喷砂机出现磨损甚至失效。目前对于喷砂机的研究，主要集中于喷砂机的结构设计和应用。张彦东等［2］针对石油管材内壁除锈需求设计了一套自动喷砂系统，实现了喷砂除锈、磨料回收、粉尘处理的自动化。韩东熙［6］设计了一种汽车自带式防滑喷砂机，对汽车后轮进行喷砂以防止打滑。刘志强［7］设计了一种用于特定管型工件内腔除锈的喷砂机，其能对不可旋转工件内腔进行很好的清理，增加内腔附着力，而有关喷砂机内磨损规律的研究报导尚未看到。

本文运用EDEM-Fluent软件，采用连续流体介质与固体颗粒离散元耦合计算方法［8-14］，通过引入磨损模型，改变颗粒粒径、密度、硬度、堆积高度及入口压力等参数，研究喷砂机内各部分的磨损规律，为优化喷砂机设计及操作方法、延长设备的使用寿命提供理论依据。

1 模型和方法

1.1 EDEM-Fluent耦合方法

计算中将喷砂机内气体视为连续相，固体颗粒视为离散相。使用FLUENT软件对液相的瞬态流场进行模拟计算，湍流模型选用标准k-ε模型，求解时均Navier-Stokes方程并将流场数据传递到EDEM软件中，考虑颗粒的形状大小、材料属性等因素，根据牛顿第二定律求解每个颗粒的受力、位置、速度和碰撞特性。

1.2 磨损模型

有关固体颗粒磨损计算的常用模型有Finnie等［17］、Tabakoff等［18］和Archard等［19］提出的模型，其中EDEM软件内置了Archard的磨损模型，该模型使用磨损体积W表征磨损量大小，具体公式见式（1）。

式中：K为磨损系数；L为滑动行程（m）；Fn为法向载荷（N）；H为材料表面硬度。在EDEM软件中将磨损体积表示为单位面积的磨损量h。

式中A为固体颗粒与各部分的接触面积（m2）。

为了更直观地表示各部分的磨损关系，引入一个量纲为一的相对磨损量W*：

式中Wi为各部分的磨损体积（m3）。

1.3 计算模型及网格划分

选取如图1所示的某造船厂喷砂机作为研究对象，喷砂机罐体是上下两层结构，上层用于储存备用砂粒，下层是工作砂粒。为减少计算量略去上层空间，使用SolidWorks建模，得到如图2所示的流动计算域。该计算域由罐体、进气管和底部管路等部分组成，罐体圆柱段内径810 mm，锥段半锥角为48°，进气管内径55 mm，出口管内径34 mm。

这天晚上，桃花又来敲门，高木不开，叫她走吧。桃花边敲边哭泣道：“高木，我是梨花，你开门嘛。”高木问：“你到底是人还是鬼？”桃花继续哭泣道：“高木，求求你，开开门，我是梨花。”高木听她口口声声说自己是梨花，心就软了。他开门出去，问她到底想干什么？桃花瘫坐在地上，呜呜直哭，伤心得像个孩子似的。高木叫她起来，桃花已软在地上；高木抱她进屋，把她放到竹椅上，但桃花反抱着他不肯下来；高木没有办法，抱进房里，放到床上，桃花这才松开手。

图1 喷砂机结构示意图

图2 喷砂机流动计算域

1.4 计算参数设置

设定颗粒为球形，颗粒与颗粒间的接触模型选取Hertz-Mindlin无滑移模型，颗粒与喷砂机的接触采用Hertz-Mindlin模型结合Archard磨损模型，在式（1）中选取磨损常数K／H＝10-12［20-22］。喷砂机、颗粒的有关参数见表1，颗粒-颗粒和颗粒-喷砂机间的相互作用系数见表2，颗粒初始堆积高度H0为420～660 mm，入口压力P为0.45～0.65 MPa。

表1 材料属性

表2 材料的相互作用

2 计算结果及分析

2.1 喷砂机内颗粒运动轨迹

图3给出喷砂机内砂粒在不同时刻的分布情况（dp＝1 mm，G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。从图3中可以看出：在工作开始阶段，罐内静止砂粒被气流掀起，在入口处被高速气流吹向对面一侧，大部分颗粒在气流的带动下绕罐壁做周期性的环向运动，少数颗粒经过底部管路从罐内喷出。

图3 喷砂机内砂粒分布情况

2.2 喷砂机磨损分布情况

图4给出t＝1.5 s时喷砂机的单位面积磨损量h分布云图（dp＝1mm，G＝100MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。从图4中可以看出，喷砂机的磨损部位主要集中在罐体入口对面一侧上部、锥体初始段、罐体底部以及出口管路。

图4 喷砂机整体磨损情况（t＝1.5 s）

为能具体地了解喷砂机磨损情况，将喷砂机分为顶盖、圆柱段、锥段和底部管路等部分。图5为t＝1.5 s时喷砂机各部分的磨损情况。图5（a）为顶盖部分的俯视图，可以看出：顶盖的磨损部位主要在入口附近及入口对面一侧与圆柱段连接处。由图5（b）可以看出：圆柱段的磨损主要发生在入口对面一侧上部与入口一侧下方。由图5（c）可以看出：锥段的磨损部位主要在入口及其对面侧与圆柱段过渡处和锥段底部。这是因为颗粒在这些位置处于高速运动状态，并且存在运动方向的突变，造成严重的磨损。由图5（d）可以看出：在出口管前段，颗粒沿管螺旋式下降，导致颗粒与管路不断摩擦造成磨损。此外，出口管后段也存在很严重的磨损，这是因为从底部入口进入的高压气体使得颗粒速度急剧增加，磨损也随之增加。

图6给出了喷砂机各部分的磨损体积W随时间t的变化曲线。由图6可以看出：喷砂机各部分磨损体积W从大到小的顺序为底部管路＞锥段＞圆柱段＞顶盖，且t＝0.3 s后，各部分的磨损率（dW／dt）基本达到稳定状态，以下有关磨损的讨论都是在磨损率稳定的条件下进行的。

图5 喷砂机各部分磨损情况（t＝1.5 s）

图6 喷砂机各部分磨损体积随时间的变化

2.3 颗粒粒径对磨损的影响

图7给出的是喷砂机磨损率稳定后的总磨损体积W随颗粒粒径dp的变化（G＝100 MPa，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。从图7中可以看出，总磨损体积随颗粒粒径近似线性增大。

图7 总磨损体积随颗粒粒径的变化（t＝1.5 s）

图8给出了不同颗粒粒径下喷砂机各部分的相对磨损量W*（t＝1.5 s）。从图8中可以看出：底部管路的相对磨损最大，占总磨损的50%左右，其次是锥段，占30%左右。随着颗粒粒径增加，顶盖及圆柱段相对磨损量的变化幅度不大；锥段的相对磨损显著增大，由23%增加到36%，这是因为颗粒半径增大的同时重量随之增加，在下落阶段对锥段造成更大的冲击。虽然底部管路的磨损体积处于上升趋势，但其相对磨损仍表现出较大程度的下降，由57%下降到46%。

图8 不同颗粒粒径下喷砂机各部分相对磨损量（t＝1.5 s）

2.4 颗粒密度对磨损的影响

图9给出的是不同颗粒密度（ρp）下喷砂机总磨损体积（W）的变化情况（dp＝1 mm，G＝100 MPa，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。由图9可以看出：随着颗粒密度增大，总磨损体积存在一定幅度的增加。

图9 总磨损体积随颗粒密度的变化（t＝1.5 s）

图10给出了不同颗粒密度（ρp）下喷砂机各部分的相对磨损量（W*）（t＝1.5 s）。由图10可以看到：随着颗粒密度增加，顶盖及圆柱段相对磨损量的变化较小，锥段的相对磨损增加十分明显，由20%增加到36%，而底部管路的相对磨损出现较大幅度的下降，由63%下降到47%。其原因与上述的颗粒粒径增加的情况类似。

图10 不同颗粒密度下喷砂机各部分相对磨损量（t＝1.5 s）

2.5 颗粒硬度对磨损的影响

EDEM中不能直接指定颗粒硬度，但可通过改变剪切模量来改变颗粒的硬度，剪切模量越大，颗粒硬度越高。图11给出的是不同颗粒剪切模量下喷砂机的磨损情况（dp＝1 mm，ρp＝1 600 kg／m3，H0＝480 mm，P＝0.55 MPa）。由图11可以看出：随着颗粒剪切模量的增大，总磨损体积随之增加，但磨损率（dW／dt）有所下降。