張雪成，周存龍，張 婧，李 萌

(太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024)

一種噴嘴快換裝置的設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化控制

張雪成，周存龍，張 婧，李 萌

(太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024)

噴嘴作為射流沖擊的關(guān)鍵部件，由于所存在磨損問題使得更換噴嘴周期縮短，本文針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)更換噴嘴進(jìn)行研究。根據(jù)流體設(shè)備設(shè)計(jì)原理及設(shè)備特點(diǎn)開發(fā)了噴嘴快速更換裝置：將噴嘴安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)噴嘴的自動(dòng)更換，同時(shí)設(shè)置伸縮閥解決了旋轉(zhuǎn)盤的密封性問題。該裝置的應(yīng)用可解決頻繁更換噴嘴影響生產(chǎn)的問題。

噴嘴；噴嘴快速裝置；阻尼孔；密封；數(shù)值模擬

0 前言

噴嘴是進(jìn)行噴射切割、表面清洗、表面噴涂、表面改進(jìn)、表面強(qiáng)化等機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、船舶、汽車、石油和化工等領(lǐng)域。實(shí)際應(yīng)用過程中，噴嘴受到?jīng)_蝕磨損作用非常強(qiáng)烈，致使噴嘴的工作參數(shù)發(fā)生變化，從而無法完成相應(yīng)的工作。生產(chǎn)過程中頻繁地更換噴嘴，不但降低生產(chǎn)效率，而且增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

近些年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)噴嘴的材料、結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)壁面粗糙度、射流壓力等方面做了大量的研究工作，取得了顯著的成果。馮益華等[1]針對(duì)陶瓷材料噴嘴在抗沖擊磨損的機(jī)理等方面做了相關(guān)的研究；劉莉莉等[2]對(duì)梯度陶瓷噴嘴與非梯度陶瓷噴嘴在應(yīng)力分布和抗磨損機(jī)制方面做了相關(guān)研究，提出梯度陶瓷噴嘴的抗磨損性能更好；湯積仁等[3]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了有過渡段的噴嘴可以使能量損失更小、壽命更長的結(jié)論。陳忠敏等[4]通過有限元軟件對(duì)噴嘴內(nèi)流場進(jìn)行了分析，提出收斂角小、聚焦管長的噴嘴的磨損相對(duì)較大的結(jié)論。任小增[5]針清洗用扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了相關(guān)研究，并通過實(shí)驗(yàn)得到了噴嘴磨損隨時(shí)間變化的規(guī)律。Madhusarathi等[6]通過實(shí)驗(yàn)方法研究噴嘴長度、噴嘴入口角度、噴嘴直徑、水壓力等對(duì)噴嘴磨損的影響。Schwetz等[7]針對(duì)不同材料噴嘴的磨損情況進(jìn)行了對(duì)比研究。左偉芹等[8]通過將噴嘴設(shè)計(jì)成可拆分形式，分析了不同時(shí)間噴嘴各斷面的磨損情況。

為了更好的適應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏的苛刻要求，在通過改進(jìn)噴嘴的設(shè)計(jì)來延長其使用壽命的同時(shí)，研發(fā)一種能夠減少噴嘴更換時(shí)間、實(shí)現(xiàn)噴嘴自動(dòng)更換的裝置，也是解決噴嘴更換與連續(xù)生產(chǎn)這一矛盾的有效途徑。本文就噴嘴快換裝置的實(shí)現(xiàn)方法及所帶來的密封性問題展開研究。

1 噴嘴快換裝置的結(jié)構(gòu)

噴嘴快換裝置主要由噴嘴快換機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)輔助系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.噴嘴快換機(jī)構(gòu) 2.高壓液體流入管 3.聯(lián)軸器 4.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5.支架 6.電機(jī)支架圖1 噴嘴快換裝置整體圖Fig.1 Integrated graph of rapid replacement device of nozzles

1.1 噴嘴快換機(jī)構(gòu)

噴嘴快換機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)盤、固定盤和伸縮閥組成，如圖2所示。

1.噴嘴 2.旋轉(zhuǎn)盤 3.壓緊螺柱 4.壓緊彈簧 5.壓緊球 6.壓緊支架 7.螺釘 8.固定盤 9.軸承 10.軸用擋圈 11.伸縮閥.A-液體進(jìn)口圖2 噴嘴快換機(jī)構(gòu)組成圖Fig.2 Composition diagram of rapid replacement mechanism of nozzles

旋轉(zhuǎn)盤可以繞自身軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)盤一端有多個(gè)噴嘴安裝位，可以一次安裝多個(gè)噴嘴；旋轉(zhuǎn)盤另一端為長軸形，并通過鍵槽和聯(lián)軸器等部件與傳動(dòng)系統(tǒng)相連接。固定盤固定不動(dòng)，對(duì)旋轉(zhuǎn)盤起支撐作用，固定盤通過軸承和壓緊支架等部件來限制旋轉(zhuǎn)盤多余的自由度；同時(shí)固定盤上裝有伸縮閥可以在噴嘴快換機(jī)構(gòu)工作時(shí)起到密封的作用。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)盤上均勻分布的多個(gè)噴嘴安裝位，需要驅(qū)動(dòng)源帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠精確的定位，同時(shí)可以有較好的時(shí)間響應(yīng)和方向控制。綜合旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)精度和控制成本等方面的因素，本裝置采用開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)[9]作為驅(qū)動(dòng)源。

步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于其它控制用途電機(jī)的最大區(qū)別是它接收數(shù)字控制信號(hào)(電脈沖信號(hào))并轉(zhuǎn)化成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個(gè)完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。它可開環(huán)位置控制，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入從脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。這種增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，成本明顯降低，而且?guī)缀醪槐剡M(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。

2 噴嘴快換原理及自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 噴嘴快換

該裝置工作時(shí)只有一個(gè)噴嘴的入口通過旋轉(zhuǎn)盤和固定盤上的流動(dòng)與外部通入的高壓液體接通，其它噴嘴處于待命狀態(tài)。當(dāng)需要更換噴嘴時(shí)控制系統(tǒng)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，使下一個(gè)噴嘴處于工作位實(shí)現(xiàn)噴嘴的快速更換。

2.2 噴嘴更換后密封

為了實(shí)現(xiàn)噴嘴快速更換后的自動(dòng)快速密封，在固定盤中安裝了特制的伸縮閥，如圖2所示。由于伸縮閥入口直徑比固定盤的入口直徑小，可起到一定的阻尼作用，流體流過伸縮閥時(shí)有一定的壓降，從而使伸縮閥兩端形成一定的壓差；此外伸縮閥入口側(cè)受力面積比出口側(cè)受力面積大。伸縮閥兩側(cè)壓差和受力面積差共同作用，使其克服伸縮閥彈簧的彈簧力伸出固定盤而與旋轉(zhuǎn)盤相接觸并壓緊密封；伸縮閥與旋轉(zhuǎn)盤上加工有相同錐度的錐面，當(dāng)二者接觸時(shí)可以起到很好的密封和定位作用。

2.3 自動(dòng)控制

控制單元控制傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴嘴自動(dòng)更換需要三個(gè)條件：(1)固定盤入口液體壓力降低，伸縮閥回到固定盤內(nèi)，避免伸出的伸縮閥對(duì)旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)有干涉。高壓液體入口管安裝的壓力傳感器采集相關(guān)信息，為控制單元的控制提供依據(jù)；(2)控制系統(tǒng)存貯的噴嘴累積工作時(shí)間達(dá)到了更換周期；(3)對(duì)每一個(gè)安裝在旋轉(zhuǎn)盤上的噴嘴進(jìn)行編號(hào)，通過控制輸出脈沖數(shù)來實(shí)現(xiàn)噴嘴盤上所有噴嘴都能準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)到工作位。

3 密封原理及仿真驗(yàn)證

3.1 伸縮閥密封原理

(1)密封原理。由于伸縮閥與轉(zhuǎn)動(dòng)盤之間的密封為定期密封式的活動(dòng)連接結(jié)構(gòu)[10-12]，所以采用了剛性金屬密封面所組成的平面密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)外界的壓緊力F大于液體對(duì)密封面的作用力時(shí)，在結(jié)合的密封面上會(huì)產(chǎn)生一定的比壓，使接觸的密封平面產(chǎn)生變形。如果變形是在材料的彈性極限范圍內(nèi)，并產(chǎn)生不大的殘余變形時(shí)，那么接觸面每當(dāng)施加力F時(shí)，便可保證其密封性。本例中伸縮閥的施加力為由于兩側(cè)壓差和截面積差對(duì)其作用力。

(2)密封性要求。液體常溫閉路閥密封面上的密封比壓值公式[10]可以表示為

(1)

式中，qMF為密封面上的密封比壓值，MPa；c為與密封面材料有關(guān)的系數(shù)，鋼和硬質(zhì)合金c=3.5；K為在給定密封面材料條件下，考慮介質(zhì)壓力對(duì)比壓值的影響系數(shù)，鋼、硬質(zhì)合金K=1；p為介質(zhì)工作壓力，MPa；bM為密封面寬度，mm。

圖3 伸縮閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of the moving valve

3.2 仿真計(jì)算

(1)物理模型。確定壓差參數(shù)，初步假設(shè)伸縮閥的幾何參數(shù)如表1所示。仿真參數(shù)如表2所示。

表1 伸縮閥的幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of the moving valve mm

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

(2)流體控制方程。采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程湍流模型，該模型是建立在湍流動(dòng)能κ及其耗散率ε的輸運(yùn)方程基礎(chǔ)之上的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。κ、ε的輸運(yùn)方程如式(2)～(3)所示。

Gκ+Gb-ρε-YM+Sκ

(2)

(3)

式中，t為時(shí)間；ρ為流體密度；xi， xj為分布i，j方向坐標(biāo)；ui為i方向流速；μ為流體的動(dòng)力黏度；ut為湍流黏度系數(shù)；σκ，σε分別為與湍動(dòng)能κ和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Gκ為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Sκ，Sε為用戶根據(jù)計(jì)算工況定義的源項(xiàng)；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

湍流黏度系數(shù)ut，通過κ和ε計(jì)算得到

(4)

式中，Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

(3)伸縮閥的仿真模型。采用Gambit前處理軟件建立伸縮閥前后流場的二維模型，生成有限元網(wǎng)格如圖4所示。由于模型網(wǎng)格的類型與尺度直接影響數(shù)值模擬結(jié)果的精度、穩(wěn)定性以及耗用CPU時(shí)間，所以模型整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖4 伸縮閥有限元網(wǎng)格模型Fig.4 Finite element mesh model of the moving vavle

邊界條件設(shè)置如下：

(1)入口邊界條件：采用速度入口，根據(jù)所選泵流量和入口截面積計(jì)算出流體流速，設(shè)定速度為17 m/s；

(2)出口邊界條件：采用壓力出口，依據(jù)工藝參數(shù)選定壓力值，設(shè)定壓力值為10 MPa；

(3)壁面邊界條件：壁面采用無滑移邊界條件，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法計(jì)算。

選用κ-ε湍流模型，離散方程求解采用一階迎風(fēng)格式及SIMPLE算法，其他參數(shù)默認(rèn)。

(4)仿真結(jié)果與分析

圖5為伸縮閥流場的速度流線圖。由圖可知，流體從大直徑的管道流往小直徑的管道，流線發(fā)生彎曲，流束發(fā)生收縮。當(dāng)流體進(jìn)入小直徑管道后，由于流體的慣性作用，流束將繼續(xù)收縮直至最小截面(稱為縮頸)，而后又逐漸擴(kuò)張，直至充滿整個(gè)小直徑截面。在縮頸附近的流束與管壁之間有一充滿著小旋渦的低壓區(qū)。在大直徑截面與小直徑截面連接的凸肩處，也常有旋渦形成。所以的旋渦運(yùn)動(dòng)都要消耗能量，形成流動(dòng)阻力。而在流線彎曲、流體的加速和減速過程中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的碰撞等原因也都要增加額外的能量損失。

圖6為伸縮閥流場的壓力分布圖。由圖可知，對(duì)應(yīng)于速度流線圖中緊縮部位，可以明顯的看到一個(gè)低壓區(qū)。流體在由大直徑流到小直徑入口處時(shí)壓力出現(xiàn)了明顯的梯度減小的變化，在流到小直徑管道后壓力又有一定的升高，但是整體壓力還是有明顯的下降。通過Fluent中的Reports讀取入口的平均壓力為11778951 Pa，出口的壓力為10 MPa，兩側(cè)壓差為1778951 Pa。

圖5 伸縮閥流場的速度跡線圖Fig.5 Velocity path line of the flow inside the moving valve

圖6 伸縮閥流場的壓力分布圖Fig.6 Pressure profile of the flow field inside the moving valve

由以上得到的壓差值結(jié)合表1中的參數(shù)，并運(yùn)用式(1)對(duì)伸縮閥與轉(zhuǎn)動(dòng)盤壓緊面密封壓力進(jìn)行計(jì)算。密封面寬度bM為1.5 mm，工作壓力p為1778951Pa，計(jì)算得兩側(cè)壓差所需的密封比壓約為14 MPa。顯然如表1所示結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生的壓差約為1.77 MPa的情況下，伸縮閥兩側(cè)截面積相差不大的情況下無法實(shí)現(xiàn)壓緊密封。提高伸縮閥作用在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上壓力的另一個(gè)方法是在伸縮閥其他參數(shù)不變的情況下，增大入口的受力面積，利用面積差產(chǎn)生的壓力差來實(shí)現(xiàn)壓緊密封。在其他參數(shù)不變的情況下，需要將伸縮閥入口外徑截面直徑d1增大到71 mm。

3.3 伸縮閥截面突變參數(shù)對(duì)壓降的影響

為了更深入的了解管道截面突變的相關(guān)參數(shù)對(duì)壓降的影響，用Fluent軟件對(duì)改變參數(shù)后的模型進(jìn)行對(duì)比分析。各工況下伸縮閾主要參數(shù)見表3。

表3 各工況下伸縮閥主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of the moving valve in different working conditions mm

經(jīng)過對(duì)不同工況伸縮閥用Fluent進(jìn)行分析，得到各工況下進(jìn)、出口壓力及壓差的分布情況如表4所示。

表4 各工況下進(jìn)、出口壓力及壓差Tab.4 Pressure difference and pressure of the inlet and outlet in different working conditions

圖7 不同工況下伸縮閥壓力分布Fig.7 Pressure profile of the flow inside moving valve in different working conditions

對(duì)比1#、2#、3#、4#工況可以看出，當(dāng)伸縮閥小直徑d3逐漸增大時(shí)，兩側(cè)壓差會(huì)減?。粚?duì)比1#、5#、6#工況可以看出，當(dāng)伸縮閥長度l1逐漸減小時(shí)，兩側(cè)壓差會(huì)減小。

4 結(jié)論

(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝有多個(gè)噴嘴的旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)噴嘴自動(dòng)快速更換，提高生產(chǎn)效率；

(2)開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)，通過控制輸出的脈沖數(shù)即可準(zhǔn)確選擇盤上下一個(gè)工作噴嘴；

(3)噴嘴更換后的密封依靠由于壓降而產(chǎn)生的壓差和截面差二者共同作用形成的壓力；

(4)減小伸縮閥小直徑尺寸，增大小直徑段長度都可以使壓降升高。

[1] 馮益華, 鄧建新. B4C/(W, Ti)C陶瓷噴砂嘴沖蝕磨損機(jī)理研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 24(4): 346-350.

[2] 劉莉莉, 鄧建新, 周軍, 等. SiC/(W,Ti)C梯度陶瓷噴嘴材料的制備及其沖蝕磨損機(jī)理研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(1): 83-87.

[3] 湯積仁, 盧義玉, 歐陽夢迪，等.水力噴射壓裂新型噴嘴設(shè)計(jì)優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 39(1): 72-78.

[4] 陳忠敏, 雷玉勇, 歐玥，等. MAWJ噴嘴流場數(shù)值模擬及磨損預(yù)估研究[J].液壓氣動(dòng)與密封, 2013, 5:10-14.

[5] 任小增. 高壓水射流清洗用扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)及磨損研究[D].長沙:中南大學(xué), 2009.

[6] Madhusarathi Nanduri, David G. Taggart, Thomas J. Kim,. The effects of system and geometric parameters on abrasive water jet nozzle wear[J]. Machine Tools & Manufacture, 2002, 42:615-623.

[7] K.A. Schwetz, L.S. Sigl, J. Greim, H. Knoch. Wear of boron carbide ceramics by abrasive waterjets[J]. Wear, 1995,181：148-155.

[8] 左偉芹, 盧義玉, 趙建新, 等. 實(shí)驗(yàn)研究噴嘴磨損規(guī)律的新方法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版), 2012, 44(1):196-201.

[9] 劉寶志. 步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué), 2010.

[10]陸培文.閥門設(shè)計(jì)入門與精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[11]雷天覺. 新編液壓工程手冊[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 1998.

[12]宋鴻堯. 液壓閥設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.

[13]李文科. 工程流體力學(xué)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2007.

A device of nozzles rapid replacement design and automatic control

ZHANG Xue-cheng, ZHOU Cun-long, ZHANG Jing, LI Meng

(Shanxi Provincial Key Laboratory of Metallurgical Device Design Theory and Technology,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Nozzle is an important component in the field of jet impingement; the wear makes the replacement of nozzles cycle shorten. In this paper, it researches on how to realize the rapid automatic replacement of nozzles. According to the design principle of fluid equipment and the characteristics of the equipment, the rapid replacement device of nozzles is developed. Nozzles are arranged on the turning disc, and the automatic replacement of nozzles is realized through rotating the disc. In order to deal with the sealing problem of the turning disc, it has designed and installed the moving valve. The application of the device can be used to solve the adverse effects caused by the frequency change of nozzles to the production rhythm.

nozzle; rapid replacement device of nozzle; damping hole; sealing; numerical simulation

2015-11-25；

2016-01-10

太原市人才專項(xiàng)科技明星專題(20121073)；太原科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(20134019)

張雪成(1985-)，男，太原科技大學(xué)研究生，研究方向：現(xiàn)代軋制設(shè)備設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)。

周存龍(1965-)，男，博士，教授，研究方向：板帶軋制及精整技術(shù)研究。

TG 335.5

A

1001-196X(2016)02-0015-06