王昆， 韓晶， 劉進(jìn)福

（常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇常州213164）

氣嘴分布對環(huán)形氣嘴性能影響的研究

王昆， 韓晶， 劉進(jìn)福

（常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇常州213164）

環(huán)形氣嘴是環(huán)錠紡自動接頭機(jī)中用來找鋼絲圈的機(jī)構(gòu)，在自動接線的第一步就是找到鋼絲圈?，F(xiàn)有的機(jī)構(gòu)設(shè)計是通過直流電機(jī)帶動同步輪，同步輪再帶動毛刷進(jìn)行找鋼絲圈的動作，有機(jī)構(gòu)復(fù)雜、成本高、占用空間體積大等缺點，因此研究用環(huán)形氣嘴代替原有機(jī)構(gòu)。通過對環(huán)形氣嘴的氣流分析，確定了最優(yōu)的氣嘴分布形式，為設(shè)備提供了一種可靠的找鋼絲圈機(jī)構(gòu)。

環(huán)形氣嘴；接頭機(jī)；氣流分析

0 引言

在紡紗行業(yè)中，有很多接線頭的工作，目前都是由人工來完成。其不足之處一是人工接線速度慢；二是接線成功率低（普通工人接線的成功率不足50%）；三是需要的人多、工作量大，企業(yè)要承擔(dān)大量的人力成本。而使用環(huán)錠紡自動接頭機(jī)則能夠有效地解決接線成功率不足、接線速度慢、人力成本大等問題。

自動找鋼絲圈機(jī)構(gòu)動作是整個系統(tǒng)的第一步，它的穩(wěn)定性決定了整個接頭機(jī)的接頭成功率。在設(shè)計過程中必須保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和簡易性，而環(huán)形氣嘴正好能夠滿足要求。本文通過對環(huán)形氣嘴的氣流分析，確定了最優(yōu)的氣嘴分布形式，為設(shè)備提供了可靠的找鋼絲圈機(jī)構(gòu)。

1 數(shù)學(xué)模型

由于環(huán)形氣嘴進(jìn)出口溫升不是很大，流速也不太高，可以把流體當(dāng)作不可壓縮氣體，對于求解不可壓縮流體，其時均方程如下：

流場模型的動量守恒方程為：

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；ui、uj分別是xy上的速度分量，m/s；τ為應(yīng)力張量；Fi是作用在x方向上的力，N；t為流體經(jīng)過的時間，s；g為重力加速度，m/s2；P為作用在物體表面上的壓力，N；xi為流體在x方向的位移，m。

式中：Gk為由于平均速度梯度而導(dǎo)致的湍動能k的產(chǎn)生項；Gb為由于浮力而引起的湍動能的產(chǎn)生項；YM代表可壓湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；μ為氣體的動力黏度，Pa·s；Sk為用戶定義的源項；μt為湍動黏度，Pa·s；

式中：σk和σε分別為湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sε為用戶定義的源項；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗常數(shù)。

2 幾何模型的建立、網(wǎng)格的劃分及邊界條件的設(shè)置

環(huán)形氣嘴由1個進(jìn)氣口和若干個出氣口組成。本文設(shè)計了2種不同結(jié)構(gòu)的環(huán)形氣嘴。兩者的內(nèi)外徑一致，進(jìn)出氣口直徑一致。不同之處在于出氣口的位置和數(shù)量。在圖1模型內(nèi)表面均布6個出氣口，在圖2模型的下側(cè)均布8個出氣口。

圖1 內(nèi)吹式環(huán)形氣嘴

圖2 下吹式環(huán)形氣嘴

由于環(huán)形氣嘴的結(jié)構(gòu)比較簡單，采用六面體網(wǎng)格單元來離散整個計算區(qū)域，提高了整個模型的網(wǎng)格質(zhì)量。高質(zhì)量的網(wǎng)格有利于加快運算速度，提高計算精度。

在Gambit中對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，根據(jù)環(huán)形氣嘴的結(jié)構(gòu)和流場特性對其進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，采用SIMPLE算法解決速度與壓力耦合問題。在計算時采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對于近壁區(qū)域，采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理，進(jìn)氣口所在面設(shè)置為壓力入口邊界條件。出氣口所在的面設(shè)置為壓力出口邊界條件。

3 模擬結(jié)果與分析

圖3與圖4是兩模型的動壓分布圖，動壓是指單位體積的氣體所擁有的動能，它能改變流體介質(zhì)的速度，和風(fēng)速的大小存在很大的關(guān)系，從圖中可以看出，圖4的下吹式模型的動壓分布要優(yōu)于圖3的內(nèi)吹式模型，在下吹式模型靠近出氣口的區(qū)域，動壓基本一致，動壓的分布很均勻。內(nèi)吹式模型內(nèi)部的動壓隨著氣流的流動慢慢變小，出氣口的動壓也隨環(huán)形氣嘴內(nèi)部動壓的變化而變化，每個出氣口動壓的數(shù)值大小不一致。由于下吹式模型氣嘴多于內(nèi)吹式模型，下吹式模型出氣口的動壓數(shù)值比內(nèi)吹式模型要小，從壓力的數(shù)值分布上來說，下吹式模型的壓力分布優(yōu)于內(nèi)吹式模型。

圖3 內(nèi)吹式環(huán)形氣嘴動壓分布圖

圖4 下吹式環(huán)形氣嘴動壓分布圖

圖5與圖6是環(huán)形氣嘴內(nèi)部的速度流線圖，從圖中可以看出，氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入后，沿著內(nèi)部流動，然后從出氣口流出，圖6下吹式模型的速度分布優(yōu)于圖5內(nèi)吹式模型，在下吹式模型內(nèi)，氣流的速度分布很均勻，每個出氣口的速度基本一致，速度的大小和內(nèi)吹式模型基本一致。內(nèi)吹式模型內(nèi)部氣流的速度隨氣流方向減小，速度的不均勻會影響氣嘴的噴射效果。所以下吹式模型的速度分布要優(yōu)于內(nèi)吹式模型。

圖5 內(nèi)吹式環(huán)形氣嘴流線圖

圖6 下吹式環(huán)形氣嘴流線圖

4 結(jié)論

運用Gambit建立了下吹式環(huán)形氣嘴和內(nèi)吹式環(huán)形氣嘴兩種幾何模型，并進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。對兩種模型內(nèi)部的動壓分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)下吹式模型的動壓分布要優(yōu)于內(nèi)吹式模型；同時對兩個模型內(nèi)的氣流流跡線進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)下吹式模型的速度分布要優(yōu)于內(nèi)吹式模型。綜合對兩個模型動壓和氣流流跡線的對比分析，下吹式環(huán)形氣嘴的內(nèi)部流場優(yōu)于內(nèi)吹式環(huán)形氣嘴，下吹式環(huán)形氣嘴更適合用于找鋼絲圈機(jī)構(gòu)。

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（編輯昊 天）

TP 242

A

1002－2333（2014）05－0177－02

王昆（1986—），男，工程師，主要研究方向為機(jī)器人及智能裝備。

2014-02-20