陳青,張健,施明宏,周宏平*,沈文榮,劉光新,劉棟
(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,南京 210037;2.蘇州蘇福馬機(jī)械有限公司,江蘇 蘇州 215129)
在刨花板生產(chǎn)中,刨花板鋪裝機(jī)是必不可少的設(shè)備,也是實(shí)現(xiàn)刨花板連續(xù)不間斷生產(chǎn)的關(guān)鍵性設(shè)備。根據(jù)鋪裝頭結(jié)構(gòu),刨花板鋪裝方式可分為氣流鋪裝、氣流-機(jī)械鋪裝、分級(jí)鋪裝、分級(jí)-機(jī)械鋪裝和機(jī)械鋪裝[1]。氣流鋪裝利用重力分選原理,當(dāng)拌膠刨花進(jìn)入鋪裝系統(tǒng)后,在風(fēng)力的作用下:粗大刨花水平速度小、沉降快、吹得近;細(xì)小刨花水平速度大、沉降慢、吹得遠(yuǎn),從而將粗大和細(xì)小刨花分別鋪在運(yùn)輸帶的不同位置,形成具有漸變結(jié)構(gòu)的板坯。氣流鋪裝對(duì)刨花的形態(tài)反應(yīng)沒有分級(jí)鋪裝敏感,且價(jià)格低廉,在我國(guó)刨花板生產(chǎn)線中具有廣泛的應(yīng)用[2-4]。
1. 正壓風(fēng)機(jī);2. 氣流均勻裝置;3. 水平插板;4. 垂直插板;5. 計(jì)量倉(cāng);6. 鉆石輥;7. 打散輥;8. 拋撒輥;9. 尾部插板;10. 尾部氣流平衡板;11. 鋪裝箱;12. 運(yùn)輸帶;13. 負(fù)壓風(fēng)機(jī)。圖1 刨花板氣流鋪裝機(jī)工作原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of operation principle of particleboard airflow forming machine
隨著科技的發(fā)展,人們對(duì)板材的要求逐步提高,對(duì)鋪裝機(jī)的功能和設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高[5-6]。單一的機(jī)械式鋪裝機(jī)、氣流鋪裝機(jī)和分級(jí)式鋪裝機(jī)都很難滿足板坯鋪裝的質(zhì)量要求,不管是機(jī)械式鋪裝頭還是氣流鋪裝頭都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。迪芬巴赫公司研發(fā)的增加輔助氣流的新式表層機(jī)械鋪裝頭和增加輔助鉆石輥分級(jí)篩的新式表層氣流鋪裝頭,極大提高了刨花板生產(chǎn)質(zhì)量和效率[7-9]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[10],2003年德國(guó)辛北爾康普開發(fā)的新型刨花分級(jí)式氣流鋪裝機(jī)正式投入使用,刨花被2個(gè)打散輥打散后,受到氣流場(chǎng)作用被鋪張到運(yùn)輸皮帶上,部分較粗大的刨花受到氣流場(chǎng)的分選作用而被分撒到具有齒形輥的機(jī)械鋪裝頭上。發(fā)展至今,國(guó)外刨花板鋪裝設(shè)備已經(jīng)形成了市場(chǎng)化,具有自動(dòng)控制、監(jiān)控和環(huán)保能力,并且向著大型化、高速化和自動(dòng)化方向不斷提高[11-12]。
目前,國(guó)內(nèi)還鮮見自主研發(fā)的分級(jí)式刨花板氣流鋪裝機(jī)投入使用[13],現(xiàn)階段僅少數(shù)公司進(jìn)行自主研發(fā)刨花板氣流鋪裝機(jī)。因此,我國(guó)人造板鋪裝設(shè)備的開發(fā)和技術(shù)研究還處于起步階段[14-15]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣流鋪裝機(jī)的研究較少,為滿足市場(chǎng)對(duì)刨花板不斷提高的鋪裝質(zhì)量要求,對(duì)于氣流鋪裝機(jī)技術(shù)的研究迫在眉睫。
近年來(lái),為縮短試驗(yàn)周期,降低成本,在林業(yè)行業(yè)中已逐漸開始采用數(shù)值模擬技術(shù)開展研究[16]。筆者通過計(jì)算流體力學(xué)對(duì)刨花板氣流鋪裝機(jī)氣流場(chǎng)進(jìn)行幾何和物理建模,并對(duì)耦合氣流場(chǎng)和刨花顆粒的氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究箱體幾何結(jié)構(gòu)對(duì)刨花板氣流鋪裝機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性的影響,為氣流鋪裝機(jī)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
刨花板氣流鋪裝機(jī)的原理就是利用氣流的分選作用對(duì)施膠刨花進(jìn)行鋪裝。刨花撒落在鋪裝機(jī)內(nèi)部氣流場(chǎng)中得到加速,進(jìn)一步受到分選,較大的粗重刨花落在距進(jìn)風(fēng)口較近的地方,較小的細(xì)輕刨花則落在較遠(yuǎn)的地方,在運(yùn)輸帶上形成具有漸變結(jié)構(gòu)的板坯。
本研究以南京林業(yè)大學(xué)與蘇福馬機(jī)械有限公司合作研發(fā)的刨花板氣流鋪裝機(jī)為例,具體工作原理如圖1所示。施膠刨花通過運(yùn)輸機(jī)進(jìn)入計(jì)量倉(cāng),待計(jì)量倉(cāng)內(nèi)刨花量達(dá)到計(jì)量倉(cāng)額定負(fù)載量時(shí)啟動(dòng)正壓風(fēng)機(jī)和負(fù)壓風(fēng)機(jī),當(dāng)鋪裝箱內(nèi)的氣流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)同時(shí)啟動(dòng)打散輥和鉆石輥的電機(jī),一旦發(fā)出鋪裝指令,立即啟動(dòng)計(jì)量倉(cāng)內(nèi)的計(jì)量電機(jī)和拋撒輥的電機(jī)實(shí)現(xiàn)刨花的下料與鋪裝。由正壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的正壓風(fēng)量經(jīng)過風(fēng)量均勻裝置后進(jìn)入垂直風(fēng)門和水平風(fēng)門,落入鋪裝箱內(nèi)的刨花在正壓風(fēng)量的作用下被吹散并隨氣流向鋪裝箱尾部運(yùn)動(dòng);由于受到自身重力的影響,粗刨花沉降速度快于細(xì)刨花,一部分較粗大的刨花在自身重力的作用下直接落在鉆石輥上,并被反方向輸送至鋪裝箱外部后落在鋪裝運(yùn)輸帶上,起到了二次分選的作用。
氣流鋪裝機(jī)箱體的三維視圖如圖2所示。箱體主要是由型鋼以及鋼板焊接而成,可滿足一定的強(qiáng)度要求。箱體頂部有一個(gè)開口,作為刨花的下料口,其底部敞開。鋪裝箱尾部有3個(gè)并排的長(zhǎng)方形開口,作為抽風(fēng)口,負(fù)壓風(fēng)機(jī)通過抽風(fēng)口將鋪裝箱內(nèi)的氣體抽出。鋪裝箱下部有開口,作為鋪裝箱的補(bǔ)風(fēng)口。
圖2 氣流鋪裝機(jī)箱體模型1Fig. 2 Box Model 1 of airflow forming machine
首先使用Pro/Engineer軟件對(duì)氣流鋪裝機(jī)進(jìn)行幾何建模,然后將模型以igs格式保存并導(dǎo)入到Ansys Workbench中的DesignModeler進(jìn)行模型補(bǔ)面、抽取流道等操作,為后續(xù)仿真模擬奠定基礎(chǔ)。刨花板氣流鋪裝機(jī)箱體模型1的三維模型包括進(jìn)風(fēng)口、補(bǔ)風(fēng)口、抽風(fēng)口和壁面,本研究主要涉及的尺寸為:箱體總長(zhǎng)5 300 mm、一階坎肩長(zhǎng)度L=1 870 mm、一階坎肩高度h1=310 mm、二階坎肩高度h2=230 mm。
在劃分網(wǎng)格時(shí),使用Ansys Workbench中的Mesh將三維模型劃分成以四面體為主的體網(wǎng)格,并對(duì)進(jìn)風(fēng)口、補(bǔ)風(fēng)口和抽風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)格加密。氣流鋪裝機(jī)箱體的網(wǎng)格劃分情況見圖3,共劃分成2 699 066 個(gè)網(wǎng)格;進(jìn)風(fēng)口網(wǎng)格的加密情況見圖4。
圖3 氣流鋪裝機(jī)箱體網(wǎng)格劃分Fig. 3 Gridding of airflow forming machine box
圖4 進(jìn)風(fēng)口網(wǎng)格加密Fig. 4 Grid encryption of air inlet
2.3.1 邊界條件
氣流鋪裝機(jī)模型邊界條件設(shè)置如下:①進(jìn)風(fēng)口,Velocity-inlet,由正壓風(fēng)機(jī)頻率可計(jì)算出進(jìn)風(fēng)口速度;②補(bǔ)風(fēng)口,Pressure-outlet,壓力大小設(shè)置為大氣壓,即p=0;③抽風(fēng)口,Velocity-inlet,由負(fù)壓風(fēng)機(jī)頻率可計(jì)算出抽風(fēng)口速度;④壁面條件,固體面上的速度為無(wú)滑移邊界條件。
2.3.2 計(jì)算方法與模型選擇
本研究對(duì)氣流鋪裝機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬采用Fluent 16.0軟件。氣流鋪裝機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)為定常狀態(tài)且SIMPLE算法應(yīng)用廣泛,易于收斂,速度壓力耦合采用SIMPLE算法,對(duì)流格式采用二階迎風(fēng)格式。氣流鋪裝機(jī)模型為湍流模型,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算氣流鋪裝機(jī)內(nèi)部的三維流場(chǎng)。
圖5 測(cè)點(diǎn)、特征線和特征面的選取Fig. 5 Selection of feature points, lines and surfaces
2.4.1 模型驗(yàn)證
選取氣流鋪裝機(jī)箱體內(nèi)部特征線上的7個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖5所示。對(duì)比7個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速模擬值與試驗(yàn)值,如表1所示。測(cè)點(diǎn)1的誤差最大,為2.44%,在誤差允許范圍(小于5%)內(nèi),由此驗(yàn)證所選數(shù)值模型的正確性,可用于氣流鋪裝機(jī)氣流場(chǎng)的分析。
表1 模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比Table 1 Comparison of simulation values and test values
2.4.2 模擬結(jié)果分析
通過Fluent 16.0對(duì)氣流鋪裝機(jī)箱體模型1內(nèi)的氣流場(chǎng)和耦合刨花的氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬,在箱體模型1內(nèi)選取特征面,如圖5所示。
通過提取特征面的速度矢量(圖6)和氣流場(chǎng)總壓分布(圖7),可知?dú)饬麂佈b機(jī)箱體模型1內(nèi)氣流流向相對(duì)較為平穩(wěn),箱體尾部出氣較為集中。在下料口和箱體正中央部分存在回旋,這會(huì)導(dǎo)致紊流現(xiàn)象,影響板坯的鋪裝質(zhì)量。箱體突縮截面處的氣流相對(duì)集中,壓力大于周圍,同時(shí),箱體尾部壓力略大于前部,即抽風(fēng)口處的壓力略大于進(jìn)風(fēng)口處。
圖6 模型1氣流場(chǎng)速度矢量Fig. 6 Flow field velocity vector of Model 1
圖7 模型1氣流場(chǎng)總壓分布Fig. 7 Flow field total pressure distribution of Model 1
對(duì)氣流鋪裝機(jī)箱體模型1進(jìn)行帶料模擬,當(dāng)加入顆粒直徑為0.000 1~0.001 m且均勻分布的刨花顆粒時(shí),刨花顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。直徑較大的顆粒先沉積在箱體底面,直徑較小的顆粒隨著氣流飄移后沉降在箱體底面。直徑不同的粗大刨花顆粒在沉積面的前端分布略顯混雜,且細(xì)小刨花顆粒在沉積面的分布也不均勻,集中沉積在底面某些位置。
圖8 模型1刨花顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 8 Particle trajectory of Model 1
對(duì)氣流鋪裝機(jī)箱體模型1進(jìn)行的氣流場(chǎng)仿真模擬所得到的特征面氣流場(chǎng)速度矢量、氣流場(chǎng)總壓分布和刨花顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡,為本研究以下分析的對(duì)照模型奠定了基礎(chǔ)。
3.1.1 箱體坎肩前移和后移模型建立
在模型1的基礎(chǔ)上將氣流鋪裝機(jī)箱體的坎肩進(jìn)行前移和后移處理,即在h1、h2不變和箱體總長(zhǎng)不變的前提下,L分別變?yōu)? 370和2 370 mm,建立箱體坎肩前移模型2和坎肩后移模型3,用以研究箱體坎肩前移和后移對(duì)箱體內(nèi)氣流場(chǎng)的影響。
3.1.2 箱體坎肩前移和后移模擬結(jié)果分析
在模型2和模型3中選取與模型1相同位置的 7個(gè)測(cè)點(diǎn),將這7個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示。當(dāng)箱體坎肩前移時(shí),相同測(cè)點(diǎn)的速度變化起伏較大,箱體內(nèi)氣流平穩(wěn)性降低;當(dāng)箱體坎肩后移時(shí),相同測(cè)點(diǎn)的速度均降低,速度變化幅度小于箱體坎肩前移模型。因此,箱體坎肩前移和后移會(huì)對(duì)箱體內(nèi)部氣流場(chǎng)造成一定影響,且箱體坎肩后移有利于提高箱體內(nèi)部氣流平穩(wěn)性。
圖9 模型1、模型2和模型3速度對(duì)比Fig. 9 Speed comparison of Model 1, Model 2 and Model 3
在箱體坎肩前移模型2和后移模型3內(nèi)選取與模型1相同位置的特征面,對(duì)比模型1~3的氣流場(chǎng)速度矢量,如圖6、10a和10b所示。當(dāng)箱體坎肩前移時(shí),下料口氣流回旋半徑增大,紊流現(xiàn)象加重,箱體內(nèi)氣流穩(wěn)定性降低,箱體中部氣流回旋明顯;當(dāng)箱體坎肩后移時(shí),下料口的氣流回旋向右移動(dòng),回旋形狀由圓形變?yōu)闄E圓形,氣流回旋所造成的紊流影響半徑減小,箱體中部氣流回旋現(xiàn)象基本消失,且氣流在箱體坎肩后移的模型內(nèi)流向更平穩(wěn)。
圖10 不同鋪裝機(jī)模型氣流場(chǎng)速度矢量Fig. 10 Flow field velocity vector of different paver models
比較模型1~3的氣流場(chǎng)總壓分布,如圖7、11a和11b所示。當(dāng)箱體坎肩前移時(shí),箱體內(nèi)壓力整體呈下降趨勢(shì),由于箱體中部的氣流回旋現(xiàn)象,箱體中部壓力降低;當(dāng)箱體坎肩后移時(shí),箱體內(nèi)氣流集中處壓力增大,且整個(gè)箱體尾部壓力都在增大。因此,坎肩后移會(huì)增大箱體內(nèi)的壓力,突出地表現(xiàn)在增大了箱體尾部壓力。
圖11 不同鋪裝機(jī)模型氣流場(chǎng)總壓分布Fig. 11 Flow field total pressure distribution of different paver models
通過以上對(duì)箱體坎肩前移模型2和坎肩后移模型3的氣流場(chǎng)總壓分布分析可知,箱體坎肩后移能夠提高箱體內(nèi)氣流的平穩(wěn)性,從而提高刨花板坯的鋪裝質(zhì)量。為獲得更佳的氣流場(chǎng)特性,將箱體坎肩后移距離增大,通過仿真模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)箱體坎肩長(zhǎng)度增大至2 570 mm時(shí),箱體內(nèi)氣流場(chǎng)特性會(huì)發(fā)生改變。建立箱體坎肩后移模型4進(jìn)行分析,其中,L=2 570 mm。
對(duì)比模型1、3和4的氣流場(chǎng)速度矢量,如圖6、10b和10c所示。隨著箱體坎肩后移距離的增大,下料口氣流回旋半徑逐步減小,所帶來(lái)的紊流影響逐漸降低,氣流流向逐步集中平穩(wěn)。然而,當(dāng)箱體坎肩后移距離增大至2 570 mm時(shí),箱體中部氣流回旋重新出現(xiàn),影響刨花板板坯鋪裝質(zhì)量。對(duì)比模型1、3和4的氣流場(chǎng)總壓分布,如圖7、11b和11c所示。隨著箱體坎肩后移距離的增大,箱內(nèi)氣流集中處壓力和箱體尾部壓力逐步增大,當(dāng)箱體坎肩后移距離增大至2 570 mm時(shí),箱體中部的氣流回旋會(huì)降低箱體中部的壓力。
通過以上模擬結(jié)果對(duì)比分析可知,箱體坎肩后移與坎肩前移相比,坎肩后移有利于降低氣流回旋所造成的紊流影響,使得氣流在鋪裝箱內(nèi)的流動(dòng)更為平穩(wěn)連續(xù),提高了板坯的鋪裝質(zhì)量,但是坎肩后移會(huì)造成箱體尾部壓力明顯增大,而當(dāng)坎肩后移距離過大時(shí),會(huì)引起箱體中部的氣流回旋,降低板坯鋪裝質(zhì)量。因此,坎肩長(zhǎng)度應(yīng)小于2 570 mm。
3.2.1 箱體去除坎肩模型建立
在模型1的基礎(chǔ)上將氣流鋪裝機(jī)箱體的坎肩去除,即在箱體總長(zhǎng)不變的前提下,h1不變,h2變?yōu)?,建立箱體去除坎肩模型5,用以研究箱體去除坎肩對(duì)箱體內(nèi)氣流場(chǎng)的影響。
3.2.2 箱體去除坎肩模擬結(jié)果分析
在箱體去除坎肩的模型5中選取與模型1相同位置的7個(gè)測(cè)點(diǎn),將7個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度進(jìn)行對(duì)比,如圖12所示。箱體去除坎肩后,相同位置的測(cè)點(diǎn)速度都低于模型1,并且速度變化較為平穩(wěn)。因此,去除坎肩會(huì)對(duì)箱體內(nèi)部氣流場(chǎng)造成一定影響。
圖12 模型1和模型5速度對(duì)比Fig. 12 Speed comparison of Model 1 and Model 5
在箱體去除坎肩的模型5中選取與模型1相同位置的特征面,對(duì)比模型1和5的氣流場(chǎng)速度矢量,如圖6和13所示。當(dāng)箱體去除坎肩時(shí),下料口的氣流回旋半徑減小,箱體中部氣流回旋也得到緩解,大部分氣流在鋪裝箱體內(nèi)沿鋪裝箱的上壁面從進(jìn)風(fēng)口流動(dòng)至抽風(fēng)口,氣流較為均勻平穩(wěn)。但是進(jìn)風(fēng)口和抽風(fēng)口的氣體明顯集中,意味著壓力的增大。通過比較模型1和5的氣流場(chǎng)總壓分布(圖7和14)可知,當(dāng)箱體去除坎肩后,箱內(nèi)的壓力增大明顯,特別是氣流集中處,對(duì)箱體帶來(lái)了較大的負(fù)荷,易造成抽風(fēng)口的破壞。
圖13 模型5氣流場(chǎng)速度矢量Fig. 13 Flow field velocity vector of Model 5
圖14 模型5氣流場(chǎng)總壓分布Fig. 14 Flow field total pressure distribution of Model 5
通過以上模擬分析可知,箱體坎肩后移和去除坎肩都有利于提高板坯的鋪裝質(zhì)量,在坎肩后移模型中,坎肩距離為2 370 mm的模型3為相對(duì)最優(yōu)模型。因此,選取模型3為坎肩后移模型代表,將其刨花顆粒在箱體內(nèi)的沉積情況與模型1和去除坎肩的模型5進(jìn)行對(duì)比分析。
向氣流鋪裝機(jī)箱體內(nèi)加入直徑為0.000 1~0.001 m且分布均勻的刨花顆粒時(shí),對(duì)比模型1、3和5的刨花顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖,如圖8、15和16所示。當(dāng)箱體坎肩后移和去除坎肩時(shí),刨花顆粒在箱體底部的沉積效果與模型1相比都更為均勻,模型3和5的沉積效果差異較小。本模擬共追蹤6 220個(gè)刨花顆粒,箱體坎肩后移模型3在底面沉積6 064 個(gè)顆粒,從抽風(fēng)口逃逸156個(gè)顆粒;去除坎肩的模型5在底面沉積5 330個(gè)顆粒,從抽風(fēng)口逃逸890個(gè)顆粒。模型5與3相比,從抽風(fēng)口逃逸的顆粒數(shù)明顯增多,刨花原料浪費(fèi)較多,因此,坎肩后移模型3更優(yōu)。
圖15 模型3刨花顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 15 Particle trajectory of Model 3
圖16 模型5刨花顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 16 Particle trajectory of Model 5
1)通過分析刨花板氣流鋪裝機(jī)的氣流場(chǎng)特性可以得出:箱體坎肩后移與坎肩前移相比,氣流回旋直徑減小,箱體中部氣流回旋逐漸消失,所帶來(lái)的紊流現(xiàn)象得到緩解,更有利于提高板坯鋪裝質(zhì)量,但是箱體尾部壓力與原模型相比增大明顯;當(dāng)箱體坎肩后移增大至2 570 mm時(shí),箱體中部再次出現(xiàn)氣流回旋,造成箱體內(nèi)氣流失穩(wěn),降低板坯鋪裝質(zhì)量;當(dāng)箱體去除坎肩后氣流的回旋直徑進(jìn)一步減小,但是整個(gè)箱體內(nèi)的壓力劇烈增大,可能會(huì)導(dǎo)致抽風(fēng)口的破壞。
2)通過分析刨花板氣流鋪裝機(jī)的顆粒場(chǎng)特性可以得出:當(dāng)箱體坎肩后移和去除坎肩時(shí),刨花顆粒在底面的沉積都更為均勻,鋪裝質(zhì)量有所提高,但坎肩后移的箱體從抽風(fēng)口逃逸的刨花顆粒少于去除坎肩的箱體。
3)在實(shí)際設(shè)計(jì)氣流鋪裝機(jī)箱體時(shí),為降低箱體內(nèi)的總壓,節(jié)省原料,需要設(shè)置坎肩而增大氣流與箱體壁面的接觸面積,可以在模型1的基礎(chǔ)上將坎肩適當(dāng)后移,但箱體坎肩距離應(yīng)小于2 570 mm,保證箱體內(nèi)氣流場(chǎng)特性相對(duì)較佳,從而降低紊流影響,提高板坯鋪裝質(zhì)量。