深孔加工螺旋负压装置结构设计与优化*

常 晶，关世玺，贾 凯，关 波，郭嘉瑞，仝 杰

(1.中北大学 机电工程学院，太原 030051； 2.北方自动控制技术研究所，太原 030006)

0 引言

在机械制造领域，深孔加工在孔加工中占到40%以上[1]。深孔加工具有不可观测性、排屑难、油温高等特性[2]，对于超大长径比(L/D>100)的深孔加工排屑更为困难，若是在恶劣的环境下如井下煤矿挖掘，机加工难度则变得更高。目前常用排屑方法是DF内排屑系统，通过油泵供给的切削液分成前后两支: 前一支油液流经切削刃将切屑推入钻头喉部，经钻头内腔进入钻杆，流入负压装置。后一支液流经负压装置喷嘴处射流间隙，由于射流通道窄小而获得较高的流速和能量，在钻杆末端产生负压区域，使排屑流被吸入并与被加速的主射流混合，通过剪切作用，排屑流速度和能量提高，加速排出切屑[3]。

传统直射流抽屑方式对长距离抽吸效果不太理想，仅适用于工作环境良好的场合。本文旨在提出一种负压抽屑能力强且能在恶劣环境工作的负压装置，通过将圆环状通道改为几组圆形截面螺旋孔型通道，使螺旋通道内的切削液具有螺旋运动趋势，在射流出口处形成的漩涡现象更明显，以达到增强排屑动力的效果。

1 现有负压射流技术简介

在现有深孔负压排屑装置中，喷嘴处附近切削液与射流油液两相流进行能量交换，在喷嘴处形成真空区、前分离区、射流区、后分离区、能量转换区、混流区6个区域[5]，如图1所示。

图1 负压射流模型

(1)射流区——喷嘴流体通道;

(2)前、后分离区——射流区外侧与主排屑通道交汇处。射流区流体从喷嘴进入到排屑通道的过程中，通道截面急剧扩大，流体与固体壁面脱离形成分离区，该区具有强烈的紊动性，伴随着很大的能量损失;

(3)能量转换区——射流区外侧与后排屑通道交汇处。此区内两相流进行能量转换，使得主排屑通道内流体速度得到增加;

(4)真空区——喷嘴前部锥形流束。由射流与主排屑通道流体能量交换形成负压区，对排屑通道内的切削液起到抽吸作用;

(5)混流区——后排屑通道中间部分。两股切削液得到充分的混合，能量转换结束。

2 螺旋通道模型的建立

2.1 几何模型

(1)螺旋通道结构设计

深孔负压装置的核心是射流混合器，而且射流通道必须细且长，工作原理是基于液—液混合后在射流区出口壁面形成漩涡构成真空区，从而对切屑或者其他被运送介质产生抽吸作用。出口壁面形成的漩涡一方面造成液体局部压力损失，另一方面引起内流体流动分布的不均匀，随着混合器射流出口半径不断减小，漩涡现象明显增强，能量损耗加大。本文基于对混合器射流工作原理的研究分析设计出细且长的螺旋导柱通道，高速流动油液经均压腔进入螺旋导柱通道，在排屑通道出口处形成射流与来自油液进口通道的低速流动切削液混合，之后在钻杆前端产生负压，对切屑形成一定的抽吸作用加速切屑排出。图2为6组螺旋孔射流内流道曲面模型。

1.排屑通道进油口 2.均压腔 3.进油孔 4.排屑通道出油口 5.螺旋导柱通道(a) 正视图

(b) 侧视图

(2)螺旋通道参数设计和工艺分析

螺旋孔螺旋线的设计参数为：起始角θ1=-4°、螺旋锥角θ2=30°、螺距l=26mm、高度h=10mm，管道组数为6～8，孔径为φ0.6mm～φ3mm，分别取0.6、0.8、1、2、3mm，图3为通道组数为6组，管道直径φ=1mm的螺旋管道参数示意图。

图3 螺旋管道参数示意图

考虑到螺旋孔加工工艺的特殊性和加工难度，是在一个封闭圆柱体上加工出几组相同直径且带有锥角的孔，故采用铸造工艺，型芯为6组相同直径且带有30°锥角的螺旋弹簧，之后将其圆柱外壁和内孔多余部分切除的方法。

2.2 数学模型

数学模型的建立基于以下简化和假设:

工作流体设定为理想的牛顿流体，在流动过程中，物料自身不发生相变，在流动过程中处于稳定流动状态，整个过程中忽略流动时由于黏性耗散所产生的热效应耗损以及密度差异引起的浮升力和重力的影响。

仿真的实验条件是在不考虑有切屑的 情况下，研究负压装置内切削液的受力情况，建立一个与实际情况相近的数学模型。采用的切削液为硫化切削液sulfur-liquid，运动黏度为11.83mm2/s(40°C)，密度为2000kg/m3;根据实验，在正常情况下，油路系统中循环切削液温度约为40°C，从切屑区流出的切削液温度约60°C，从而计算其雷诺数可知深孔钻削过程油路系统流动为湍流流动[5-7]。

本文涉及的只是湍流流动问题，所以系统的控制方程主要是连续性方程、动量方程以及相关的湍流附加控制方程。为了节省计算机资源，本研究对动量方程做时均化处理，采用有限体积法对螺旋射流通道模型进行模拟，其控制方程如式(1)所示。

连续性方程：

(1)

式中，ux、uy、uz分别为x、y、z方向速度分量：

动量方程：

(2)

湍流模型的k-ε方程为：

(3)

(4)

式中，k为湍动能，单位为m2/s2；ρ为流体密度，单位为kg/m3；t为时间，单位为s；ε为湍动能耗散率，单位为m2/s3；μt为湍流黏度，单位为Pa·s；ui为坐标方向(直角坐标系)的速度分量，单位为m/s；xi、xj代表坐标方向(直角坐标系)；G为湍流动能生成率；σk、σε、c1、c2为经验常数。

3 数值模拟方法

影响螺旋孔流动特性的变量有螺旋孔直径、螺旋孔组数、螺距、高度和螺旋锥角，本文研究方法为控制变量法，选择合适螺距、高度和螺旋锥角并保持不变的情况下，研究剩余两个变量螺旋孔直径和组数对结果的影响，分别取螺旋孔直径为和组数分别为变量X和Y。

(1)采用压力基隐式求解器，湍流模型分别选用standardk-ε模型、RNG 模型和运输SST模型进行多次仿真，但RNGk-ε模型仿真结果更符合真实情况且较容易收敛，故之后统一选用RNGk-ε模型进行仿真。

(2)壁面条件选择为：无滑移条件，壁面粗糙度保持默认值为0.5，其他标量选择不可渗透壁面条件。

(3)入口处采用速度入口边界条件为：切削液在排屑通道进油口速度vs=2m/s，湍流specification 选择基于intensity and diameter，其中直径改为40mm；切削液在进油孔速度vy=5m/s，湍流项保持默认，出口处采用自由出流outflow。

(4)选择数值计算差分格式：

①压力插值采用pesto方法，梯度插值采用Green-Gauss cell based；

②压力速度耦合采用SIMPLEC方法，修正系数取为0，其余动量、湍流耗散率、湍流动能都保持默认迎风格式；

③松弛因子设置：压力项、密度、质量项等都保持默认，修改最大湍流耗散率为1e+07；

(5)收敛监测选择差分方程两边的计算插值均小于0.00001。

山西小浪底引黄工程施工I标的1号交通洞进口位于板涧河左岸解裕乡政府附近，洞口高程291 m，末端连接安装间，终点高程217 m。1号交通洞总长1 105.189 m，最大纵坡9.0%，开挖断面为8.52 m×9.16 m（宽×高），衬砌后的净断面尺寸7 m×8 m（宽×高），城门洞型。1号交通洞作为地下泵站及其附属洞室群的主要施工通道，它的施工进度直接影响到地下泵站及其附属洞室的施工进度。

4 仿真结果与分析

通过Fluent仿真模拟结果，监测不同结构螺旋射流模型对称轴上速度、负压值、湍动能值等并进行分析对比，明确不同结构对混合区域的影响，探究其结构的最优形式。图4为螺旋通道结构中轴线速度、压力、湍动能变化图

如图4a所示A点为负压装置前端流速最大值，表示切削液流速增大幅度；图4b所示B点为真空区切削液最低负压值，表示负压装置对切屑或被运送介质的抽吸能力；图4c为混流区湍流动能值，表示能量损耗程度。

(a) 速度变化图

(b) 压力变化图

(c) 湍流动能变化图 图4 螺旋通道结构中轴线速度、压力、湍流动能变化图

经分析，螺旋射流结构的负压能量转换区位置是-50mm～0m之间，故只对螺旋射流模型其间的2个重要点A、B和动能变化趋势进行监测得出压力变化图，而三组结构速度变化和动能变化趋势差异很小，因此对三组结构A点速度以表格形式显示，湍流动能变化趋势不再显示。压力变化见图5，A点速度变化如表1所示。

(a) 8组孔压力变化曲线图

(b) 7组孔压力变化曲线图

(c) 6组孔压力变化曲线图 图5 各组螺旋孔压力变化图

对三组结构压力曲线图分析得出:

①依据射流混合器原理，随螺旋孔径不断减小，射流出口处旋涡更大现象更明显，更易形成负压真空区，负压值整体呈不断下降趋势；

②对于同孔径不同组数结构，组数越大，单位时间流入流出螺旋通道流量越大，更易在出口形成旋涡，对旋涡现象影响越大，负压值整体呈不断下降趋势，随着组数不断增加至八组，因旋涡产生湍动能耗散最严重，不利于真空区形成，负压值比小组数孔径结构负压值小很多；

综合上述结论，采用组数为7组孔径为φ0.8mm的螺旋通道结构负压表现最优。

表1 速度变化对比

对表1速度变化分析得出：

三组孔速度变化与孔径以及组数变化相关性很小，且速度均有增加，但增加幅度不明显。

5 结论

通过比较3种不同尺寸螺旋孔结构，发现在加工孔径为φ40mm深孔时，采用7组内径为φ0.8mm螺旋孔表现最优，能起到良好的负压抽屑效果，但由于螺旋通道出口处形成漩涡，湍流动能损耗严重，导致速度增加幅度不明显，甚至在切屑出口通道起始处的区域出现速度突然下降后上升的情况。

鉴于本文在分析前做了一部分假设和简化，本研究的数值模拟成果能对负压抽屑装置设计工作者起到一定的指导作用。因将螺旋通道结构应用于负压抽屑装置经验不足，理论研究不充分，如果要发挥理论成果更大的应用价值，还需在此基础上进行相关实验验证结论的可靠性和可行性，探究结构参数对负压抽屑能力的影响。总结而言，本文工作对DF排屑系统结构的改进和优化提供了深入的思考。