李嘉維+尹廣+葉良+陳昶陽

摘 要：為了研究紙張分條機中底刀輪工作時的流場狀況，首先利用ANSYS Workbench建模，然后再利用Fluent計算模擬，最后再CFD-Post中查看結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其底刀輪工作時周圍的“風”產(chǎn)生的原因是多方面的。

關(guān)鍵詞：分條機；底刀輪；流場分析；ANSYS Fluent

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.204

0 引言

分條機采用的是分條切割，可將產(chǎn)品同時分切成多條，其生產(chǎn)效率非常高。與傳統(tǒng)的分離方式相比而言，盡管有些昂貴并且安裝不便，但是它的切割速率非常高，切割邊緣還能夠達到最好的質(zhì)量，不會有毛邊和鋸齒。

分條切割機在工作時，由上下兩個切割的刀輪相互接觸，擠壓原料，使之在刀輪口產(chǎn)生剪應力，從而切斷原料。如同剪刀一樣，兩個刀輪的刀口處同樣很鋒利。但是，在實際生產(chǎn)中會發(fā)現(xiàn)，刀口附近在刀輪高速運轉(zhuǎn)的情況下，周圍會產(chǎn)生明顯的“風”，而“風”會影響原料的剪切，使剪切后的邊緣呈現(xiàn)毛邊或者鋸齒狀，甚至會產(chǎn)生歪斜，使產(chǎn)品報廢。為了避免“風”的出現(xiàn)，研究底刀輪在高速運轉(zhuǎn)下的周圍流場情況是極具意義的。

1 底刀輪周圍流場建模

由于底刀輪形狀結(jié)構(gòu)非常簡單，無需對其幾何形狀做任何的相似簡化。但是在流場搭建過程中，要注意流場區(qū)域的大小，不能過小，過小會導致觀察到的結(jié)果與真實情況有出入，其次邊界形狀也要設(shè)計合理。本文中的底刀輪的運動為旋轉(zhuǎn)運動，故流場采用圓柱形。由于本文只做流場的模擬分析，不涉及零件的固體應變分析，所以刀輪的零件部分在模型中需要挖去。同時，又因為流場區(qū)域較大，對計算機負擔較大，為了減小計算機的負擔，采用周期邊界的方法減少流場模型，本文采用1/4區(qū)域進行建模。

2 模型網(wǎng)格劃分和計算參數(shù)設(shè)定

在完成幾何建模后，退出Geometry，進入Mesh功能。由于流場為三維狀態(tài)，故網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，因形狀較為規(guī)則，只有部分區(qū)域網(wǎng)格劃分細密，網(wǎng)格數(shù)量共計282069個。

導入Fluent后，首先進行基本設(shè)置，計算的流體模型選用k-omega中的SST模型。只所以選用SST，是由于底刀輪在工作時周圍僅有空氣這一中流體，且空氣的密度小，粘度低，而刀輪所做的運動為旋轉(zhuǎn)運動。由于刀輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故采用相對位移原理，將流場設(shè)置為旋轉(zhuǎn)流場，刀輪不動，轉(zhuǎn)速為3200rpm，周期邊界屬性設(shè)置為周期。調(diào)整殘值監(jiān)測中的absolute criteria數(shù)值為0.0001，然后開始計算。

3 流場分析結(jié)果對比

計算結(jié)束后，退出Fluent設(shè)置，進入CFD-Post查看結(jié)果，在刀刃處和輪緣處分別做一個平面，在平面上顯示壓力結(jié)果圖。

從結(jié)果圖中可以看出，在刀口附近的輪緣處有范圍較大的壓力變化，而在刀刃處壓力變化范圍較小。這說明刀輪在高速運轉(zhuǎn)中的壓力變化有可能是因為刀刃結(jié)構(gòu)的凸起，凸起的刀刃與輪緣的直徑數(shù)值不同，在旋轉(zhuǎn)時外圍線速度不一樣，可能導致周圍空氣流場產(chǎn)生風。

當然，以上結(jié)論只是一個推測，并不能說明風的真正來源，為了驗證以上結(jié)論，還需要做一個轉(zhuǎn)盤實驗模擬。

為了檢驗以上結(jié)論，本次模擬依舊采用Fluent軟件，流體、計算模型等參數(shù)不變，只改變流場的幾何模型。新建集合模型，以底刀輪的刀刃面為轉(zhuǎn)盤，設(shè)置單側(cè)的流場，流場形狀為圓柱形，網(wǎng)格數(shù)量為291411。然后開始計算，計算結(jié)果如圖4所示。

在volume velocity圖中可以看出，在轉(zhuǎn)盤附近處有明顯的速度變化，但是變化范圍比較小。從velocity streamline中可以看出，氣流在轉(zhuǎn)盤外圍形成漩渦狀。這說明，底刀輪在旋轉(zhuǎn)時，刀刃外側(cè)面也會有氣流產(chǎn)生，該氣流也可能是產(chǎn)生風的一個原因。

4 結(jié)論

在模擬試驗之前，并不了解風的產(chǎn)生原因，猜測是單一原因造成。在模擬實驗之后，雖然證實了猜測的原因，但是同時還發(fā)現(xiàn)了其他原因，所以產(chǎn)生風的原因不唯一，既有刀刃與輪緣的直徑差距導致外圍線速度不同造成風，也有刀刃側(cè)面與空氣接觸的部分因高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生風，是否還有其他原因產(chǎn)生風，還有待進一步的模擬實驗驗證。

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