郭辰光，孙瑜，吕宁，李强，岳海涛

液压支架缸体内壁面再制造粉流场影响规律分析

郭辰光1,2，孙瑜1,2，吕宁1，李强1，岳海涛1

（1.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000；2.辽宁省大型工矿装备重点实验室，辽宁 阜新 123000）

开展液压支架缸体内壁面再制造粉流场规律分析，以提高液压支架缸体内壁面的修复效率，降低其修复成本。采用激光沉积技术修复液压支架缸体内壁面时，侧向送粉粉流集聚性是影响液压支架缸体内壁面修复效率的重要因素。建立修复液压支架缸体内壁面的长悬伸激光沉积模型，基于DEM-CFD双向气固两相流耦合模型，在送粉喷嘴位姿不变的条件下，分析送粉工艺参数（即载气流速度、保护气速度、送粉速率）对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响规律。随着载气流速度的增大，粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度呈现先增大后减小的趋势，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势。随着保护气速度的增大，粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度呈现先增大后减小的趋势，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势。随着送粉速率的增大，粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度变大，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势。当载气流速度为4 m/s、保护气速度为3 m/s、送粉速率为5 g/min时，粉流集聚效果好，粉体利用率高，有助于提高液压支架缸体内壁面的修复效率。

激光沉积；液压支架缸体；内壁面修复；DEM-CFD耦合；粉流分布

液压支架是综采作业的重要设备之一，其主要作用是支护顶板，有效保证井下作业的安全性。液压支架立柱作为液压支架的主要承载部件，往往承受周期性变化的负载作用，同时由于液压支架的工作环境具有粉尘浓度大、环境湿度高、腐蚀性介质多等特点，造成液压支架缸体出现大量的腐蚀、磨损和起皮脱落等现象，提高缸体的修复效率对降低煤炭开采成本和提高井下开采作业的安全性有重要的意义。目前缸体修复主要采用电镀工艺，但使用该工艺修复后的缸体使用寿命短，可再修复次数少，修复过程易造成环境污染。针对传统修复工艺的弊端，学者们提出采用激光沉积再制造技术[1-4]修复液压支架缸体。

与传统工艺相比，激光沉积技术具有污染小、沉积层与基体结合效果好、加工灵活等特点，目前诸多学者对激光沉积技术修复液压支架开展了研究。韩文静等[5]结合煤矿环境特点，以单体液压支柱为基体，采用激光沉积技术制备沉积层，并使用磨损实验机和盐雾试验机对沉积层性能进行分析研究。研究表明，沉积层与基体间为冶金结合，与基体材料相比，沉积层具有较高的硬度和较强的耐腐蚀性能。Tuominen等[6]采用激光沉积技术制备含有多种金属材料的合金沉积层，并开展盐雾腐蚀实验和磨料磨损实验研究沉积层的磨蚀性能。研究表明，沉积层的磨蚀性能优于基体材料。黎文强等[7]采用半导体激光沉积技术对矿用液压支架外表面进行修复，并对激光沉积技术和使用性能进行研究。研究表明，激光沉积技术成功修复矿用液压支架，有效提高液压支架的综合性能并延长其使用寿命，具有明显的社会效益和经济效益。杨庆东等[8]采用CO2激光器在液压支架缸体外表面制备了合金沉积层，并对沉积层的性能进行测定与分析。研究表明，采用激光沉积技术制备的沉积层具有较高的硬度和耐腐蚀性。刘混田等[9]分析了综采工作面液压支架缸体工况特点，采用激光沉积技术对缸体内壁面进行修复。研究表明激光沉积技术有效地提高了液压支架缸体的使用性能，延长了其使用寿命。解文正等[10]对液压支架外表面进行激光沉积应用研究。研究表明，成形的沉积层质量满足要求，具有较高的显微硬度和较强的耐腐蚀性，达到液压支架的使用要求。液压支架缸体是较为典型的深长径比构件，其缸体内壁面存在腐蚀、刮擦、磨损等失效形式，现有研究均围绕液压支架缸体、立柱外表面修复技术开展研究，对液压支架缸体内壁面激光沉积再制造技术却鲜见报道。

德国弗劳恩霍夫激光技术研究所在深长径比构件内壁面修复技术与工艺装备研发领域处于国际领先地位。2016年该研究所在德国亚琛创立ACunity（亚琛联合科技）公司，并于2018年将深长径比构件内壁面修复技术与工艺装备引入中国。图1为该公司深长径比构件内壁面修复用长悬伸激光头核心组件。国内相关企事业单位逐步加大该领域的研发力度，但在长悬伸激光光路传输系统稳定控制、长悬伸激光头组件结构设计（光、气、粉、水冷管路空间布局设计）、长悬伸粉体输运与氛围控制、长悬伸构件内壁面修复热场分布与控制、长悬伸构件内壁面修复工艺与质量控制、长悬伸构件内壁面修复状态监测、长悬伸构件内壁面修复层后处理技术等方面，均与德国弗劳恩霍夫激光技术研究所有一定的差距。在前期研究的基础上[11-14]，本文重点开展液压缸内壁面修复长悬伸粉体输运集聚性研究，金属粉流长距离输运集聚性的提高有助于液压支架缸体内壁面修复效率的提高、质量的稳定和修复成本的降低，这对于实现液压支架缸体内壁面修复层形貌、性能、质量可控意义重大。

图1 长悬伸激光头的核心组件（ACunity）[15]

综上所述，采用激光沉积技术修复液压支架缸体外表面的研究较为成熟，对于应用激光沉积修复技术开展液压支架缸体内壁面再制造的研究较少。金属粉流集聚性的提高有助于液压支架缸体内壁面修复效率的提高和修复成本的降低，开展激光沉积过程中粉流集聚性分析对于修复液压支架缸体内壁面有着重要意义。本文考虑颗粒间和颗粒与模型壁面间的碰撞问题[16-18]，采用离散元-流体力学（Discrete Element Method-Computational Fluid Dynamics，DEM-CFD）双向耦合模型[19-21]，建立欧拉气固两相流模型[22-25]，基于修复空间有限，送粉喷嘴角度调节、更换难度大等因素，送粉方式选择侧向送粉，建立长悬伸激光沉积模型，研究在激光沉积技术修复液压支架缸体内壁面过程中，在送粉喷嘴位姿不变的条件下，分别分析送粉工艺参数，即载气流速度、保护气速度、送粉速率，对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响规律。

1 理论基础

1.1 气相控制方程

气相的基本控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程[26]。激光沉积侧向送粉过程中，输粉气流、保护气均为温度恒定、不可压缩、稳定的湍流[27-29]，不考虑粉流输送期间的热传递，本文不考虑能量方程。在DEM-CFD模型中采用Navier- Stokes控制方程，通过标准模型求解，气相的质量和动量守恒方程为：

式中：为气体密度；为时间；为气体速度；为气体体积分数；为气体压力；为气体黏度；D为气体与颗粒间的相互作用力；为一个CFD网格单元的体积。

湍流动能方程为：

(,=1, 2, 3) (3)

(,=1, 2, 3) (4)

式中：是湍流动能；是湍流耗散率；=0+t，0是分子黏度，t是紊流黏度；G表示由平均速度梯度产生的湍流动能；b表示由浮力产生的湍流动能；t为湍流普朗特数。根据标准湍流模型可得修正系数：σ=1.0，s1.0，11.0，21.0。

1.2 固相控制方程

DEM-CFD耦合过程中将粉体视为离散相，根据牛顿第二定律求得粉体颗粒的固相控制方程，计算公式为：

式中：p为颗粒质量；()为时刻颗粒的速度；()为时刻颗粒的旋转速度；()为时刻颗粒间由接触力产生的力矩；为颗粒间的转动惯量。

2 DEM-CFD耦合模型构建

长悬伸激光头核心组件主要由光纤插口、准直与同轴光学组件、加工头主体、光束与粉末聚焦组件、粉末分流器等构件组成。基于修复空间有限，送粉喷嘴角度调节、更换难度大等因素，送粉方式选择侧向送粉，建立内壁激光悬伸头三维仿真分析模型，如图2所示。该模型主要包括送粉管路，保护气管路和由准直镜、聚焦透镜、保护镜、反射铜镜组成的激光传输路径。为了提高数值分析的收敛性和计算效率，对仿真分析模型进行简化。图3为简化后的仿真模型，主要包含保护气管路、载气流管路、保护气腔体、模拟缸体内壁面4部分计算域。

图2 内壁激光悬伸头模型的三维结构

图3 简化后的仿真模型

图4为激光与粉流交互作用示意图。如图4所示，载气流携带粉体颗粒由载气流管路运输至喷嘴，离开喷嘴后在空气中喷射一段距离，在气流曳力和粉体颗粒自身重力作用下进入计算域。图4中为激光的发散角；为粉流喷嘴中心至激光束中心的水平距离；为喷嘴出口处距离基体曲面的切平面之间的距离；为光斑半径；为粉流与切平面之间的夹角，在激光与粉流交互作用过程中，由于喷嘴的安装角度不同，粉流与切平面之间的角度也发生改变，存在两个极限角度，分别为1和2。1为粉流未与激光交汇时粉流与切平面之间的夹角，2为粉流穿过激光束落在光斑之外时粉流与切平面之间的夹角。为了提高粉流的利用率，粉流与切平面之间的角度应在[1,2]区间内，1和2的计算公式为：

图4 激光与粉流交互作用示意图

采用Hypermesh软件对简化后的仿真模型进行网格划分，为提高计算网格质量及计算效率，选择六面体结构化网格。由于粉流在计算域中的运行时间比在载气流管路中的运行时间短，为了提高计算域的分析精度，将计算域的网格进行加密处理，其余部分在满足计算要求的前提下适当划分稀疏的结构网格，并对划分后的网格进行优化处理，选取网格质量在0.4及其以上的网格，纵横比控制在0～1内，雅可比在0.7以上。划分网格的仿真模型如图5所示。

2.1 DEM-CFD仿真分析模型构建

在基于双欧拉气-固两相流耦合模型的计算过程中，固相颗粒的守恒方程由DEM模型计算。将计算后的颗粒体积分数、位置和速度等参数传递给CFD模型，CFD模型将流体作用于颗粒上的力引入耦合求解器，结合DEM传递的数据计算作用在颗粒表面上的力，将其传递给DEM模型并在新的计算步内分析颗粒在力的作用下生成的位移和速度信息，计算完成后，将其传递给CFD模型进行下一轮迭代，直至仿真分析收敛。

图5 划分网格的仿真模型

2.1.1 DEM模型参数设置

本文使用的金属粉体为Ni60A，采用超景深显微镜观察Ni60A粉末颗粒的细观真实形貌。粉末颗粒为形状相对均匀的球状体，平均体积粒径为0.05 mm。采用EDEM仿真软件中的Hertz-Mindlin无滑移接触模对金属粉体进行仿真分析，模型的具体参数如表1所示。

表1 EDEM仿真参数设置

Tab.1 EDEM simulation parameters setting

2.1.2 DEM-CFD耦合模型参数设置

采用EDEM-Fluent软件进行耦合运算，耦合分析选择Pressure Based 模型，速度公式选择绝对速度公式。由于分析模型涉及气固两相流耦合问题，仿真过程为非稳态，需对其进行瞬态求解。Fluent中设定的重力大小和方向与EDEM中相同。由于仿真分析中载气流、保护气均为温度恒定、不可压缩、稳定的黏性湍流，选择标准standard湍流计算模型。边界条件设置：粉流与保护气入口设定为速度入口，速度方向垂直于边界，载气流速度g=4 m/s，保护气速度1=1.5 m/s，喷嘴壁面设置为墙，喷嘴出口为压力出口，设定压力为0 Pa，仿真模型的边界设定如图6所示。

图6 仿真边界示意图

在DEM-CFD耦合模型中，由于时间步长对DEM模型收敛性的影响大于对CFD模型的影响，首先确定DEM时间步长，CFD模型的时间步长为DEM模型时间步长的整数倍。由于DEM对颗粒速度和位置信息的计算是瞬态过程，假定一个时间步长内颗粒的运动属性不变，时间步长的取值对颗粒接触参数的计算和收敛性有较大的影响。为了提高DEM模型的精度，采用Rayleigh时间步长的百分比来确定模型的时间步长。Rayleigh时间步长为由颗粒接触产生的偏振波传递半球面所需要的时间，计算公式为：

式中：为颗粒材料的剪切模量；为颗粒材料的密度。在满足数值收敛的情况下设置时间步长，一般为Rayleigh时间步长的5%～40%。本文设定DEM模型的时间步长为Rayleigh时间步长的20%。CFD模型中，时间步长选取DEM模型时间步长的80倍，为8×10‒5s。

2.2 仿真分析实验方案

采用单因素实验方法，在送粉喷嘴位姿和喷嘴结构参数不变的条件下，开展载气流速度g、保护气速度1、送粉速度f对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响研究。具体实验方案如表2所示。

表2 实验方案参数

Tab.2 Experimental protocol parameters

3 结果分析

3.1 粉流集聚性评价指标

为了量化粉流集聚性，引入单位体积粉流浓度p作为衡量指标，即粉末颗粒在单位体积内所占比率，如式(12)所示。

式中：p为单位体积内粉末颗粒所占的体积；f为单位体积内空气所占的体积。单位体积粉流浓度p数值越大，则粉流集聚性越好。

3.2 载气流速度vg对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响分析

在送粉喷嘴位姿、喷嘴结构参数、1=3 m/s、f= 5 g/min不变的条件下，研究g对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响规律。图7为不同载气流速度下液压缸内孔流域的粉流速度迹线图。由图7可知，随着g增大，粉流与弧形基体接触后发散程度变大，粉末颗粒的反弹现象更严重。图8为不同载气流速度下液压缸内孔流域粉流浓度分布图。由图8可知，随着g增大，粉流与激光束汇聚点处的单位体积粉流浓度呈现先增大后减小的趋势，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势。出现这种现象的原因是：当g由3 m/s增大到4 m/s时，粉体颗粒在载气流的曳力作用下颗粒的速度与载气流速度接近，粉流场分布稳定，随着g继续增大到6 m/s时，粉流场出现紊流现象，粉末颗粒受到紊流的影响而失去原有的运动方向，粉流发散导致粉流集聚性降低，粉体利用率降低。当g=4 m/s时，粉流与激光束汇聚点处的单位体积粉流浓度最大，粉流分布直径最小，粉流集聚性最好，粉体利用率最高。

3.3 保护气速度v1对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响分析

在送粉喷嘴位姿、喷嘴结构参数、g=4 m/s、f= 5 g/min不变的条件下，研究1对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响规律。图9为不同保护气速度下液压缸内孔流域的粉流速度云图。当1=2 m/s时，由于保护气速度过小，导致部分颗粒与弧形基体接触后反弹，会对保护镜造成污染，严重会划伤镜片，影响激光束的传递，所以保护气速度不宜过小。随着1增大，粉流整体偏向轴正方向的偏移量变大，当1= 3.5 m/s时，由于保护气速度过大，导致粉流大幅度偏向轴正方向，粉流与激光束交汇处的粉体浓度变小，所以保护气速度不宜过大。当1=3 m/s时，反弹后的粉末颗粒刚好避开了保护气腔室的入口边界，同时粉流与激光束的交汇面积较大，汇聚点处的颗粒浓度较高，粉末利用率提高。

图7 不同载气流速度下液压缸内孔流域粉流速度的迹线图

图8 不同载气流速度下液压缸内孔流域粉流浓度的分布图

图9 不同保护气速度下液压缸内孔流域粉流速度云图

图10为不同保护气速度下液压缸内孔流域的粉流浓度分布图。随着1增大，粉流与激光束交汇 处的单位体积粉流浓度呈现先增大后减小的趋势，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势。当1=3 m/s时，粉流与激光束汇聚点处的单位体积粉流浓度最大，粉流分布直径最小，粉流集聚性最好，粉体利用率最高。

图10 不同保护气速度下液压缸内孔流域粉流浓度的分布图

3.4 送粉速率vf对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响分析

在送粉喷嘴位姿、喷嘴结构参数、g=4 m/s、1= 3 m/s不变的条件下，研究f对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响规律。图11为不同送粉速率下液压缸内孔流域的粉流速度云图。图11中虚线框部分为有效颗粒分布区域。由图11可知，随着f增加，有效颗粒分布区域内的粉流浓度变大，当f>5 g/min后，有效颗粒分布区域内的粉流浓度由于颗粒反弹现象加剧而呈现平缓增加的趋势。

图12为不同送粉速率下液压缸内孔流域粉流体积浓度的分布图。由图12可知，随着f增大，粉流与激光束交汇处的单位体积粉流浓度变大，当f> 5 g/min后，粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度的

增幅变小；随着f增大，粉流分布直径呈现先增大后减小的趋势。出现这种现象的原因是：随着f增加，有效颗粒分布区域内的粉流浓度变大；当f大于5 g/min后，有效颗粒分布区域内的颗粒反弹现象加剧，部分颗粒碰撞脱离有效区域，导致粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度的增幅变小，粉流分布直径降低。当f=5 g/min时，粉流与激光束汇聚点处的单位体积粉流浓度较大，粉流分布直径最小，粉流集聚性最好，粉体利用率最高。

3.5 送粉工艺参数对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响权重分析

本文从单因素角度出发，分析了载气流速度g、保护气速度1和送粉速率f等工艺参数对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响规律。为了明确分析载气流速度g、保护气速度1和送粉速率f对液压缸内孔流域粉流集聚性的影响权重，采用粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度均值主效应图13进行分析。由图13可知，载气流速度g对粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度的影响最大，送粉速率f对粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度的影响次之，而保护气速度1对粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度的影响最小。

图11 不同送粉速率下液压缸内孔流域粉流速度云图

图12 不同送粉速率下液压缸内孔流域粉流体积浓度的分布图

图13 单位体积粉流浓度均值主效应图

4 结论

1）载气流速度对液压缸内孔流域的粉流集聚性有较大影响，随着载气流速度的增大，粉末颗粒速度在载气流曳力作用下随之增大。当载气流速度大于4 m/s时，在激光辐照有效范围内粉末颗粒受紊流影响，颗粒反弹现象严重，粉流发散，粉体利用率降低，液压支架缸体内壁面修复效率降低。载气流速度为4 m/s时，粉流与激光束汇聚点处的单位体积粉流浓度最大，粉流分布直径最小，粉流集聚性最好，粉体利用率最高，有助于提高液压支架缸体内壁面的修复效率。

2）保护气速度对液压缸内孔流域的粉流集聚性有较大影响，过小的保护气速度导致粉流偏移量过小，粉流与弧形基体接触后反弹进入保护镜腔室，污染保护镜；过大的保护气速度导致粉流偏移量过大，导致粉流与激光束交汇面积减小，粉体利用率降低；当保护气速度为3 m/s时，粉流的集聚性最好，粉体利用率最高，有助于提高液压支架缸体内壁面的修复效率。

3）送粉速率对液压缸内孔流域的粉流集聚性有较大影响，随着送粉速率的增大，粉流与激光束交汇处单位体积粉流浓度变大，粉流分布直径呈现先减小后增大的趋势；送粉速率为5 g/min时，粉流的集聚性最好，粉体的利用率最高，有助于提高液压支架缸体内壁面的修复效率。

4）由粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度均值主效应图可知，载气流速度对粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度的影响最大，送粉速率次之，而保护气速度对粉流与激光交汇处单位体积粉流浓度的影响最小。

[1] BILLARD A, MAURY F, AUBRY P, et al. Emerging Processes for Metallurgical Coatings and Thin Films[J]. Comptes Rendus Physique, 2018, 19(8): 755-768.

[2] LI Chang, YU Zhi-bin, GAO Jing-xiang, et al. Numerical Simulation and Experimental Study of Cladding Fe60 on an ASTM 1045 Substrate by Laser Cladding[J]. Surface and Coatings Technology, 2019, 357: 965-977.

[3] LEI Jian-bo, SHI Chuan, ZHOU Sheng-feng, et al. Enhanced Corrosion and Wear Resistance Properties of Carbon Fiber Reinforced Ni-Based Composite Coating by Laser Cladding[J]. Surface and Coatings Technology, 2018, 334: 274-285.

[4] YANG Cheng-yuan, CHENG Xu, TANG Hai-bo, et al. Influence of Microstructures and Wear Behaviors of the Microalloyed Coatings on TC11 Alloy Surface Using Laser Cladding Technique[J]. Surface and Coatings Technology, 2018, 337: 97-103.

[5] 韩文静, 张培训, 汤其建, 等. 单体液压支柱缸体激光熔覆Ni60A+20%WC性能[J]. 煤炭学报, 2012, 37(2): 340-343.

HAN Wen-jing, ZHANG Pei-xun, TANG Qi-jian, et al. Property of Laser Cladded Ni60A+20%WC Alloy of Cylinder of Single Hydraulic Support[J]. Journal of China Coal Society, 2012, 37(2): 340-343.

[6] TUOMINEN J, NÄKKI J, PAJUKOSKI H, et al. Wear and Corrosion Resistant Laser Coatings for Hydraulic Piston Rods[J]. Journal of Laser Applications, 2015, 27(2): 022009.

[7] 黎文强, 马宗彬, 丁紫阳. 基于激光熔覆技术的矿用液压支架修复[J]. 煤矿机械, 2016, 37(11): 122-123.

LI Wen-qiang, MA Zong-bin, DING Zi-yang. Mine Hyd­raulic Support Repair Based on Laser Cladding Tech­nology[J]. Coal Mine Machinery, 2016, 37(11): 122-123.

[8] 杨庆东, 苏伦昌, 董春春, 等. 液压支架立柱27SiMn激光熔覆铁基合金涂层的性能[J]. 中国表面工程, 2013, 26(6): 42-47.

YANG Qing-dong, SU Lun-chang, DONG Chun-chun, et al. Properties of Fe-Based Alloy Cladding Layers on Hyd­raulic Support Column Steel 27SiMn[J]. China Surface Engineering, 2013, 26(6): 42-47.

[9] 刘混田. 液压支架立柱维修与再制造技术[J]. 矿山机械, 2017, 45(4): 10-14.

LIU Hun-tian. Maintenance and Remanufacturing Tech­nology of Column of Roof Support[J]. Mining & Proces­sing Equipment, 2017, 45(4): 10-14.

[10] 解文正, 李春强, 杨志伟, 等. 激光熔覆技术在液压支架上的应用研究[J]. 煤矿机械, 2010, 31(10): 106-108.

XIE Wen-zheng, LI Chun-qiang, YANG Zhi-wei, et al. Study on Application of Laser Cladding Technology in Hydraulic Supports[J]. Coal Mine Machinery, 2010, 31(10): 106-108.

[11] GUO Chen-guang, HE Shun-zhi, YUE Hai-tao, et al. Pre­diction Modelling and Process Optimization for Forming Multi-Layer Cladding Structures with Laser Directed Energy Deposition[J]. Optics & Laser Technology, 2021, 134: 106607.

[12] ZHAO Li-juan, YUE Hai-tao, GUO Chen-guang, et al. Analytical Modelling and Experimental Study of the Cladding Characteristics of a Laser Powder-Fed Additive Manufacturing Process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 109(9-12): 2891-2900.

[13] 郭辰光, 何顺之, 岳海涛, 等. 矿用链轮激光增材再制造修复[J]. 表面技术, 2021, 50(5): 78-86.

GUO Chen-guang, HE Shun-zhi, YUE Hai-tao, et al. Laser Additive Remanufacturing for Mining Sprocket Repair[J]. Surface Technology, 2021, 50(5): 78-86.

[14] 郭辰光, 郭昊, 李强, 等. 同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律[J]. 中国表面工程, 2020, 33(2): 136-148.

GUO Chen-guang, GUO Hao, LI Qiang, et al. Effects Law of Coaxial Powder Feeding Process Parameters on Flow Field of Laser Additive Remanufacturing Nozzle[J]. China Surface Engineering, 2020, 33(2): 136-148.

[15] 周志杰, 许磊, 杜彦斌, 等. 20Cr13钢表面激光熔覆铁/镍基合金熔覆层的组织与性能研究[J]. 重庆工商大学学报(自然科学版), 2021, 38(2): 69-74.

ZHOU Zhi-jie, XU Lei, DU Yan-bin, et al. Microstructure and Properties of Laser Cladding Fe/Ni Base Alloy Coa­ting on 20Cr13 Surface Steel[J]. Journal of Chongqing Technology and Business University (Natural Science Edition), 2021, 38(2): 69-74.

[16] ROSA B, POZORSKI J, WANG Lian-ping. Effects of Turbulence Modulation and Gravity on Particle Collision Statistics[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2020, 129: 103334.

[17] DUAN Yi-fei, FENG Zhi-gang. A New Kinetic Theory Model of Granular Flows that Incorporates Particle Stiffness[J]. Physics of Fluids, 2019, 31(1): 013301.

[18] WANG Jing-yu, ZHANG Man, FENG Le-le, et al. The Behaviors of Particle-Wall Collision for Non-Spherical Particles: Experimental Investigation[J]. Powder Techno­logy, 2020, 363: 187-194.

[19] TAKABATAKE K, MORI Y, KHINAST J G, et al. Numerical Investigation of a Coarse-Grain Discrete Element Method in Solid Mixing in a Spouted Bed[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 346: 416-426.

[20] BAMBAUER F, WIRTZ S, SCHERER V, et al. Transient DEM-CFD Simulation of Solid and Fluid Flow in a Three Dimensional Blast Furnace Model[J]. Powder Technology, 2018, 334: 53-64.

[21] ZHANG Yong, LI Yan-jiao, GAO Zhong-lin, et al. Effects of Drag Force Correlations on the Mixing and Segre­gation of Polydisperse Gas-Solid Fluidized Bed by CFD- DEM Simulation[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2019, 97: 1708-1717.

[22] SONG Xin-hua, LI Xiao-jie, WANG Yang, et al. Study on Flow Field of Gas-Solid Two-Phase Pulsed Jet[J]. Inter­national Journal of Modern Physics B, 2019, 33(24): 1950279.

[23] LIN Zhe, SUN Xi-wang, YU Tian-ci, et al. Gas-Solid Two-Phase Flow and Erosion Calculation of Gate Valve Based on the CFD-DEM Model[J]. Powder Technology, 2020, 366: 395-407.

[24] WU Feng, GAO Wei-wei, ZHANG Jie-jie, et al. Numerical Analysis of Gas-Solid Flow in a Novel Spouted Bed Structure under the Longitudinal Vortex Effects[J]. Che­mical Engineering Journal, 2018, 334: 2105-2114.

[25] YAN Sheng-nan, HE Yu-rong, TANG Tian-qi, et al. Drag Coefficient Prediction for Non-Spherical Particles in Dense Gas-Solid Two-Phase Flow Using Artificial Neural Network[J]. Powder Technology, 2019, 354: 115-124.

[26] VOLD E L, YIN L, TAITANO W, et al. Diffusion-Driven Fluid Dynamics in Ideal Gases and Plasmas[J]. Physics of Plasmas, 2018, 25(6): 062102.

[27] DUARTE C A R, DUARTE L E R, DE LIMA B S, et al. Performance of an OptimizedTurbulence Model for Flows around Bluff Bodies[J]. Mechanics Research Communications, 2020, 105: 103518.

[28] TOKYAY T, KURT C. Application of VOF andTurbulence Model in Simulation of Flow over a Bottom Aerated Ramp and Step Structure[J]. Water SA, 2019, 45(2): 278-290.

[29] COOK L W, MISHRA A A, JARRETT J P, et al. Opti­mization under Turbulence Model Uncertainty for Aero­space Design[J]. Physics of Fluids, 2019, 31(10): 105111.

Analysis of the Influence Law of the Remanufactured Powder Flow Field on the Inner Wall of Hydraulic Support

1,2,1,2,1,1,1

(1. Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. Liaoning Provincial Key Laboratory of Large-scale Industrial and Mining Equipment, Fuxin 123000, China)

This paper aims to analyze the flow field of remanufactured powder on the inner wall of hydraulic support cylinder, which is helpful to improve the repair efficiency and reduce the repair cost. When laser deposition technology was used to repair the inner wall of the hydraulic support cylinder, the powder flow concentration of lateral powder feeding was an important factor in improving the surface repair efficiency of the hydraulic support cylinder. The model of the long-distance powder feeding nozzle used to repair the inner wall of the hydraulic support cylinder body was established. Based on the DEM-CFD gas-solid two-phase flow coupling model, the influence of the powder feeding process parameters (carrier gas velocity, shielding gas velocity, powder feeding rate) on the agglomeration of powder flow was analyzed separately under the condition of the constant pose of the powder feeding nozzle. The research showed that as the speed of the carrier gas increased, the density of the powder flow per unit volume at the intersection of the powder flow and the laser showed a trend of first increasing and then decreasing. The distribution diameter of powder flow showed a trend of first decreasing and then increasing. As the speed of the shielding gas increased, the density of the powder flow per unit volume at the intersection of the powder flow and the laser showed a trend of first increasing and then decreasing. The distribution diameter of powder flow showed a trend of first decreasing and then increasing. As the powder feeding rate increased, the concentration of the powder flow per unit volume at the intersection of the powder flow and the laser became larger. The distribution diameter of powder flow showed a trend of first decreasing and then increasing. From the regression model of powder flow concentration per unit volume, it can be seen that when the carrier air velocity is 4 m/s, the shielding gas velocity is 3 m/s, and the powder feeding rate is 5 g/min, and the powder flow accumulation effect is good. At this time, the utilization rate of powder is high, which helps to improve the repair efficiency of the inner wall of the hydraulic support cylinder.

laser deposition; hydraulic support cylinder; repair of the inner wall; DEM-CFD coupling; distribution of powder flow

2021-01-27；

2021-09-30

GUO Chen-guang (1982—), Male, Ph. D., Associate professor, Research focus: coal equipment remanufacturing technology and hard rock tunneling technology and equipment.

郭辰光, 孙瑜, 吕宁, 等. 液压支架缸体内壁面再制造粉流场影响规律分析[J]. 表面技术, 2022, 51(3): 304-314.

V261.8

A

1001-3660(2022)03-0304-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.033

2021-01-27；

2021-09-30

国家自然科学基金（51674134）；辽宁省教育厅重点攻关项目（LJ2017ZL001，LJ2019ZL005）；辽宁省自然科学基金（20180550167）；辽宁工程技术大学学科创新团队资助项目（LNTU20TD-06，LNTU20TD-28）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51674134); Key Projects of Education Department of Liaoning Province (LJ2017ZL001, LJ2019ZL005); Natural Science Foundation of Liaoning Province (20180550167); Subject Innovation Team Funded Project of Liaoning Technical University (LNTU20TD-06, LNTU20TD-28)

郭辰光（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向为煤炭装备再制造技术、硬岩掘进技术与装备。

GUO Chen-guang, SUN Yu, Lyu Ning, et al. Analysis of the Influence Law of the Remanufactured Powder Flow Field on the Inner Wall of Hydraulic Support[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 304-314.