基于CFD的铝箔碎屑收集负压管设计

王广林¹，刘 跃¹，李会荣¹，管小荣^2

(1.陕西国防工业职业技术学院机械工程学院，陕西 西安 710300)

(2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（11202101）；陕西省教育厅2020年度一般专项科研计划（20JK0508）；陕西省自然科学基金资助项目（2021JQ-898）

作者简介：王广林（1973—），男，副教授，硕士，主要从事机械设计工作，wgllxy1@163.com.通讯作者：刘跃，男，讲师，lynefo@126.com.

摘要：为了获得适合于铝箔剪切机碎屑收集需求的负压管路结构，使用计算流体力学方法计算了不同支管布置结构的管路压力-速度耦合流场，通过速度云图及流线对比分析了不同结构的负压利用效率，并结合支管入口处速度量化值大小给出了优化的管路结构设计。结果表明：增加支管深度能够改变主管内气流膨胀状态，增大后部负压区域及量值，从而明显提高支管进气流速度；支管与主管相交方式对负压利用有较大影响，平滑的相交方式对气流有良好的导向作用，并可减小后部涡流区域，降低压力损失；使用增大支管深度及倒圆角的结构形式获得了最大的支管进口速度，可以满足铝箔剪切机碎屑收集要求。

关键词：负压管；铝箔剪切机；结构优化；计算流体力学；数值模拟

中图分类号：TG162.6；O368   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)04-0039-04

近年来，国内铝箔生产设备已从早期的单纯进口、仿造逐步实现自主升级、改进，并掌握了更多的核心技术及原创性技术^［1］。查阅文献可知，国内学者对铝箔生产工艺及设备改进做了大量研究，并获得许多有价值的成果。如对铝箔线性针孔缺陷成因的分析^［2］、亲水铝合金箔材切边余量的优化控制^［3］等。在铝箔生产设备的优化设计方面，彭凤鸟等^［4］对铝箔轧机的套筒返回装置进行了技术改造；李连军等^［5］对粗中箔轧机新型开卷机液压系统进行了设计分析；门转平^［6］对铝箔轧机主要设备配置进行了计算分析；李会荣等^［7］对亲水铝箔涂层线水冷辊结果进行了优化改进。这些成果对提高铝箔生产质量及设备生产效率起到了良好的促进作用。

由以上研究成果可知，目前针对铝箔生产开卷及卷取设备的优化较多，而针对剪切部分的优化相对较少，且优化大多针对碟形刀及刀座部分^［8-9］。铝箔剪切机是将宽幅铝箔裁剪成需要尺寸产品的重要设备，由于铝箔比较轻薄，在裁剪过程中不可避免会产生碎屑，目前大多数设备采用停机的方式来进行清理，严重影响了剪切机的工作效率和铝箔剪切质量。在工程应用中，负压管被广泛应用于泵类、风机等气流输送系统^［10-11］。本文拟采用高压风机与管路结合的方式设计一种简易的铝箔剪切机碎屑收集系统。风机有抽风与送风两种工作形式^［12］，考虑到使用抽风形式风机时需要额外设计碎屑分离装置，会增大设计难度与成本，因此本文采用高压送风机结合管路的方法设计碎屑收集装置。

在研究方法方面，本文借助目前工程中常用的计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）方法^［13-15］。CFD方法对比于理论分析和实验，具有可完整重现流场细节、节约研发成本的优点^［16］。本文在对数值模型进行验证的基础上，使用CFD方法计算不同管路结构的压力-速度耦合流场，通过对物理量云图对比及支管进口处气流速度量化值的比较获得有利于气流输运的结构形式，并最终给出文中计算条件下最优化的铝箔碎屑负压收集管结构设计方法。