楊 海, 王明星, 盧瑞林, 方 亮, 劉順江,周志超, 呂文麗, 陳增紅

(中車株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412000)

0 前言

聚氨酯泡沫合成軌枕是由日本積水化學(xué)工業(yè)株式會社于1978年率先開發(fā)的一種復(fù)合材料軌枕,由連續(xù)玻璃纖維和聚氨酯樹脂經(jīng)發(fā)泡拉擠工藝制備而成[1]。該產(chǎn)品具有強(qiáng)度高、韌性好、質(zhì)量輕、耐久性好、使用壽命長(50 a)等優(yōu)點(diǎn),已逐漸替代傳統(tǒng)木枕,主要應(yīng)用于鐵路鋼梁明橋面及道岔等路段[2-5]。聚氨酯泡沫合成軌枕的生產(chǎn)工藝過程為:將混合好的聚氨酯樹脂噴淋在紗線上,待樹脂浸潤紗線后再進(jìn)入型腔中發(fā)泡拉擠成型。淋膠管是整個工藝生產(chǎn)中的關(guān)鍵部件,其主要作用是將樹脂均勻淋膠到紗線上。淋膠管淋膠越均勻,產(chǎn)品成型質(zhì)量越好。但在生產(chǎn)過程中,各淋膠小孔出膠不均的情況肉眼可見。而目前國內(nèi)鮮有關(guān)于提高淋膠管的淋膠均勻性的研究報(bào)道。因此,本文借助流體仿真軟件——STAR-CCM+,分析淋膠管淋膠狀態(tài),并對淋膠管進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化,旨在提高整個淋膠的均勻性。

1 問題描述

圖1為淋膠管幾何模型。該淋膠管整體呈三通結(jié)構(gòu),淋膠管總長1 500 mm,中間為淋膠管入口,底部有64個直徑為1.2 mm的淋膠小孔,淋膠管兩側(cè)端頭用堵頭堵塞。生產(chǎn)聚氨酯泡沫合成軌枕時,氨酯樹脂A、B料經(jīng)高壓注膠機(jī)槍頭高壓碰撞混和后經(jīng)軟管連接到淋膠管入口,再由淋膠管底部的淋膠小孔噴淋到紗線上,各個出膠小孔出膠越均勻,則產(chǎn)品成型質(zhì)量越好。

圖1 淋膠管幾何模型

實(shí)際生產(chǎn)時觀測到中間淋膠小孔出膠量明顯大于端頭處淋膠小孔出膠量,這也與常規(guī)認(rèn)識相一致,即端頭處淋膠小孔由于路徑更遠(yuǎn),因此出膠量更小。本文利用STAR-CCM+軟件對淋膠管進(jìn)行流體仿真分析,通過模擬分析找到影響淋膠管淋膠均勻性的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),從而對淋膠管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以提高淋膠管淋膠均勻性。

2 基于STAR-CCM+的淋膠仿真

2.1 有限元模型建立

根據(jù)淋膠管幾何模型,提取淋膠管樹脂流動內(nèi)腔管道進(jìn)行仿真建模得到計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型,見圖2。

(a) 淋膠管局部網(wǎng)格模型

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,入口設(shè)置為質(zhì)量入口邊界條件,質(zhì)量流量為90 g/s;淋膠管底部的各個淋膠小孔設(shè)置為壓力出口,相對壓力為0,即為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;淋膠管流體分析基于流體仿真平臺STAR-CCM+執(zhí)行,采用多面體網(wǎng)格劃分技術(shù),單元網(wǎng)格基本尺寸為15 mm,淋膠小孔等局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,加密尺寸為0.15 mm。除入口和出口外,所有面設(shè)置為壁面邊界條件,并進(jìn)行3層邊界層設(shè)置,邊界層總厚度為0.1 mm。計(jì)算模型選用:液體、定常、恒密度、三維、重力、K-Epsilon湍流、分離流。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

淋膠管底部共有64個淋膠小孔,其中左右各32個,從中間往左側(cè),分別命名為outlet-z-1～outlet-z-32;同理,從中間往右側(cè),分別命名為outlet-y-1～outlet-y-32(見圖3)。

圖3 部分監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

2.3 分析結(jié)果

通過STAR-CCM+流體仿真分析,得到淋膠管壓力云圖見圖4,各淋膠小孔速度矢量云圖見圖5。

圖4 壓力云圖

圖5 速度矢量云圖

從圖4可以看出:淋膠管從中心往端頭處,壓力逐漸遞減。從圖5可以看出:淋膠小孔的流速從中間往兩側(cè)逐漸遞減。該分析結(jié)果與實(shí)際情況一致。通過監(jiān)測點(diǎn)得到64個淋膠小孔的流量見表1。

表1 出口流量監(jiān)測

從表1可以看出:淋膠管左、右淋膠基本呈對稱結(jié)構(gòu),各出口的流量從中心往兩側(cè)逐漸遞減,這也與實(shí)際趨勢一致,outlet-z-32與outlet-z-1的流量比為71.9%,通過該參數(shù)可以評價出各淋膠小孔的出膠均勻情況,該值越大,則各淋膠小孔淋膠越均勻;反之,則淋膠均勻性越差。

STAR-CCM+流體仿真結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)觀測到的現(xiàn)象吻合度較高。基于此,進(jìn)一步研究淋膠管各結(jié)構(gòu)參數(shù)對淋膠均勻性的影響,并對淋膠管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。受制于生產(chǎn)現(xiàn)場安裝匹配等實(shí)際情況,淋膠管的三通結(jié)構(gòu)和總長度不便調(diào)整,因此,選取淋膠管壁厚、內(nèi)徑、孔數(shù)量、出口孔徑、入口內(nèi)徑等淋膠管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行淋膠均勻性影響研究。

3 淋膠均勻性影響研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 淋膠管結(jié)構(gòu)參數(shù)對淋膠均勻性的影響

對淋膠管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行更改,基于STAR-CCM+對各結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真,由于整個淋膠管淋膠呈左右對稱,選取左側(cè)為代表,得到中間位置與端頭位置的流量見表2。模型名稱用特征參數(shù)進(jìn)行簡寫,如11nj-5bh-rk11nj-64×?1.2,表示該結(jié)構(gòu)模型中間管內(nèi)徑為11 mm,淋膠小孔處壁厚為5 mm,入口處內(nèi)徑為11 mm,底部均勻分布64個直徑為1.2 mm的淋膠小孔。

表2 各淋膠管結(jié)構(gòu)淋膠均勻性對比

通過結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2的對比可以看出,中間管內(nèi)徑越大,淋膠均勻性越好;通過結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3的對比可以看出,淋膠管入口內(nèi)徑對淋膠均勻性影響甚微;通過結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4的對比可以看出,淋膠小孔處壁厚越厚,淋膠均勻性越好;通過結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)5的對比可以看出,淋膠小孔孔徑越小,淋膠均勻性越好;通過結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)6的對比可以看出,淋膠小孔數(shù)量越少,淋膠均勻性越好。

根據(jù)該研究結(jié)果,分析影響淋膠均勻性的主要原因?yàn)?膠料由中間管入口進(jìn)入,中間管內(nèi)徑越大,則膠料在里面的流動阻力越小,膠料更容易往兩側(cè)流動,因此淋膠管端頭處與中間位置的淋膠均勻性更好;同理,當(dāng)淋膠小孔處壁厚越厚或淋膠小孔孔徑越小,則出口流動阻力更大,中間管道中的膠料也更容易往兩側(cè)流動,從而流動均勻性更好。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)淋膠管各結(jié)構(gòu)參數(shù)對淋膠均勻性的影響并考慮到現(xiàn)場實(shí)際情況,建立淋膠管優(yōu)化模型18nj-6bh-rk18nj-48×?1.2,得到優(yōu)化前后的流量均勻性(見表3)。從表3可以看出:原結(jié)構(gòu)流量比為71.9%,優(yōu)化后流量比為96.6%,淋膠管淋膠均勻性得到明顯改善。

表3 優(yōu)化前后淋膠管淋膠均勻性對比

4 結(jié)果驗(yàn)證

原結(jié)構(gòu)的淋膠效果圖見圖6。

圖6 原結(jié)構(gòu)淋膠效果

由圖6可以看出:原結(jié)構(gòu)中間淋膠呈水柱直線狀,而往兩邊水柱段越來越短,端頭的淋膠流速明顯小于中間區(qū)域。優(yōu)化結(jié)構(gòu)的淋膠效果見圖7。

圖7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)淋膠效果

由圖7可以看出:各淋膠小孔淋膠均勻一致,較原結(jié)構(gòu)有極大的改善。

5 結(jié)語

論文借助STAR-CCM+流體仿真軟件,研究了淋膠管內(nèi)徑、壁厚、孔數(shù)量、出口孔徑、入口內(nèi)徑等對淋膠均勻性的影響,得到結(jié)論如下:

(1) 中間管內(nèi)徑越大,淋膠均勻性越好。

(2) 淋膠小孔處壁厚越厚,淋膠均勻性越好。

(3) 淋膠管入口內(nèi)徑對淋膠均勻性影響甚微。

(4) 淋膠小孔內(nèi)徑越小,淋膠均勻性越好。

(5) 淋膠小孔數(shù)量越少,淋膠均勻性越好。

利用該研究結(jié)果,論文對淋膠管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,淋膠管均勻性由原結(jié)構(gòu)的71.9%提高到96.6%,通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,優(yōu)化后的淋膠管淋膠均勻性較原始結(jié)構(gòu)有明顯的改善。該研究結(jié)果對于聚氨酯泡沫合成軌枕的實(shí)際生產(chǎn)及其他類似的淋膠管設(shè)計(jì)及應(yīng)用都具有重要的參考價值。