薄膜流涎机边料移除装置的数值模拟与优化

杜苗林，王栓虎，胡晓东，孙 宇

（1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094；2.南通三信塑胶装备科技有限公司，江苏 南通 226200）

1 引言

流涎加工法是制造塑料薄膜的高效生产方法之一，其生产出的薄膜具有透明度好、光泽性高、平整度好、尺寸精度高等优点[1]。因而流涎膜被广泛应用于食品、医药用品、纺织品、日用品等的包装。废边在线回收系统是薄膜流涎生产线的重要组成部分，随着生产线的速度越来越高，薄膜幅度越来越宽，对废边在线回收系统的性能要求也不断提高。系统的合理设计将决定生产线的高效运行和功耗的降低。对整个回收系统而言，边料移除是否顺畅是决定整个系统性能是否良好的主要因素。如果废边吸取不顺，将阻碍整个薄膜流涎生产线的顺利生产，甚至导致停机检修[2-5]。指在通过对边料移除装置进行数值模拟和结构优化，以实现薄膜废边料的高效吸取。

2 边料移除装置

2.1 边料移除装置的结构原理

边料移除装置的结构，如图1 所示。图中：α—收缩段锥度；a—收缩段长度；b—喉管长度；d—喉管直径；c—扩大段长度。空气由风机从空气入口吹入，在文丘里喷管中产生负压，进而将废边料从两个边料入口处吸入，从边料出口输出，最后经管道输送至粉碎机粉碎。根据经验，边料移除装置的空气流入腔利用旋转射流原理设计成圆形腔体，能获得更好的效果。当边料移除装置安装完之后，可由调节机构调节伸缩管管口离文丘里体喉管的距离e，从而获得所需要的负压。这种边料移除装置的设计能产生很大的吸力，减少了所需的电机功率并且噪音小，边料在破碎机里更容易从传送的空气中分离出来。

图1 边料移除装置结构Fig.1 Offcut Removing Device Structure

2.2 边料移除装置的设计

薄膜废边的基本参数：

（1）薄膜材料一般为PP、PVC、PE 等；

（2）膜厚（0.01～0.2）mm；

（3）边料宽度为（100～150）mm；

（4）切下的连续边料最大速度为300m/min；

根据薄膜废边的基本参数，边料移除装置的设计一定要保证边料入口处的风速到达（50～60）m/s，负压到达1kPa 以上。边料入口形状和入口管径的设计要保证废边的顺利吸入和输送而不发生堵塞。边料移除装置中的各个管子均采用标准的不锈钢管，而边料入口处的管子随着工况的不同可以有不同的设计，一般可以采用钢丝软管，这样不仅可以增大弯头的半径，减小压力损失，而且对于不同的薄膜宽幅也可以进行自由的调节。

3 研究方法

3.1 正交试验设计

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。正交试验设计是分式析因设计的主要方法，是一种高效率、快速、经济的试验设计方法[6]。

3.1.1 正交试验的目的及考核指标

试验的目的是分析文丘里喷管的收缩段锥度、收缩段长度，喉管长径比、扩大段长度对管中最大负压的影响，得到这几个因素较优的组合方式，以获得文丘里喉管处的最大负压，从而在边料入口处获得最大风速和吸力，达到边料吸取的最佳效果。

3.1.2 制定因素水平表

试验采用了三组水平，分析了收缩段锥度α，收缩段长度a，喉管长径比λ（λ=b/d）和扩大段长度c 四个因素的影响，所以是一个四因素三水平的试验，可以选用常用正交表L9（34）进行试验设计[6]。因素水平表，如表1 所示。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 Orthogonal Test Factors Level Table

3.2 数值仿真

3.2.1 网格划分

根据正交试验表，分别建立模型进行仿真试验。首先由SolidWorks 建立三维模型，然后导入到Gambit2.2.30 进行网格划分。导入的模型是一个整体，为了能够生成多块的结构化网格先将整个计算区域分割成多个体，然后逐个进行网格划分。

3.2.2 数学模型

质量守恒方程：

式中：u、v、w—速度在x、y 和z 方向上的分量。

动量守恒方程：

式中：v—运动粘度；p—压力；g—重力加速度。

式中：Gk—由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；C1ε、C2ε和C3ε—经验常数；σk、σε—与湍动能k 和耗散功ε 对应的Prandtl 数；Sk，Sε—用户定义的源项。

3.2.3 参数设置

模型的空气入口直径取Φ133，采用的离心风机风量为2062m3/h，风压为4447Pa，电机功率为5.5kPa。空气入口定义为速度入口边界，两个边料入口定义为压力入口边界，压力值为标准大气压；出口直径取168，定义为压力出口边界。

4 结果与分析

（1）文丘里喷管的数值模拟结果：采用目前较通用的CFD软件FLUENT6.3 进行仿真计算，得到各正交试验的结果，如表2 所示。

表2 正交试验结果Tab.2 Orthogonal Test Results

正交试验结果的分析方法有两种：极差分析法（即直观分析法）和方差分析法。极差分析法简单明了，可以直观地加以描述，并通过综合比较能够得出结论[6]。把每个因素的均值对应的绘在同一个坐标上，得到因素与指标的关系图，如图2 所示。根据每个因子各个点的高低相差的程度可以直观的比较出各因子对指标影响的大小。从图2 中还可以看出指标值随各因子水平的变化趋势，从而得到因子的主次和较优的水平组合。

图2 各因素与最大负压的关系图Fig.2 Relationship Diagram of Factors and Maximum Negative Pressure

由图2 可以看出，因素A 对于文丘里管中所能获得的最大负压影响最大，即收缩段锥度的影响最大，随着收缩段锥度的减小所获得的负压增大，因为随着收缩段锥度的减小文丘里体供气口的面积减小，气流的速度增大，将压力能转化为气流动能。而其他三个因素对最大负压的影响不是很大，对于流涎生产线来说，这三个参数可以根据不同工况进行设计。根据分析结果获得各因素的最佳组合为A3B3C3D2。

（2）伸缩管管口离文丘里体喉管的距离e 对最大负压的影响：表2 中的试验结果是在伸缩管管口离文丘里体喉管处40mm时得到的。如果伸缩管管口离文丘里喉管处的距离减小，产生的负压将更大。最大负压随伸缩管管口离文丘里体喉管距离e的变化曲线，如图3 所示。从图3 中可以看出随着伸缩管管口离文丘里体喉管距离的减小，所获得的负压逐渐增大。

图3 最大负压随伸缩管管口离文丘里体喉管距离的变化Fig.3 Changes of Maximum Negative Pressure with the Distance Between Extension Tube and Venturi Tube Body in Telescopic Mouth

（3）边料移除装置入口管径和入口形状的比较分析：在获得文丘里喷管的最佳尺寸组合后，比较了两种入口，如图4 所示。扁形的入口，如图4（a）所示。直接的开放式圆形入口，如图4（b）所示；同时对于入口的管径，对比了Φ102 和Φ114 两种管径。

图4 不同形状边料入口Fig.4 Shape Side Entrance

其数值模拟结果如表3 所示，扁形入口和圆形入口的速度分布图，如图5 所示。结果表明扁形的入口（a）优于圆形入口（b），扁形入口的入口处获得更大的风速，便于废边料吸入。102的入口管径优于114 管径，因为较小的管径能获得较大的输送速度。所以采用扁形入口和102 入口管径的组合能在入口管中获得更好的空气流速，边料的吸取和输送效果更佳。

表3 不同入口形状和不同入口管径的模拟结果Tab.3 Simulation Results of the Different Inlet Shape and Different Inlet Pipe Diameter

图5 扁形入口和圆形入口的速度分布图Fig.5 Velocity Profile of Sector Entrance and Circular Entrance

5 结束语

采用正交试验设计，运用Fluent 软件对边料移除装置进行了数值模拟和结构优化，得出了影响文丘里喷管段最大负压的主要因素为收缩段锥度。随着锥度的减小，系统获得的最大负压增大。得出了系统最大负压随伸缩管管口离文丘里体喉管距离e的变化。通过对不同边料的入口形状和入口管径的比较分析，发现扁形的入口和较小的入口管径能获得更大的入口风速和更大的吸力。结果可以为薄膜流涎机边料移除装置的设计提供一定的参考依据。

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