木工四面刨吸尘罩流场分析与结构优化

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木工四面刨吸尘罩流场分析与结构优化
黄勇1,2， 韩宇恒2， 刘建清1

【作者机构】        1四川省青城机械有限公司； 2青神县机械产业研究服务中心
【来    源】        《林业机械与木工设备》 2025年第7期 P66-70

研究与设计

摘 要：针对四面刨吸尘风机功耗大且吸尘能力不理想的问题展开研究,分析现有改善吸尘能力的方案,选用市面上某款畅销四面刨的吸尘罩作为研究对象,通过添加出口流速、刨刀转速等边界条件分析其吸尘罩内流场,找出影响吸尘能力和风机功耗的潜在因素,由此提出一种优化吸尘罩内结构以达到改善吸尘能力的方案,对比分析结构优化前后的流场、气流运动路径、吸尘能力、风机功耗等得出相应的结论。为降低吸尘风机功耗、优化产品吸尘能力等提供了一种新的解决办法。

关键词：吸尘能力;流场;风机;功耗;吸尘罩;四面刨

[size=1em]目前国内外都在大力发展木工高速四面刨,相比传统的普通四面刨,高速四面刨产生更多的刨花。一台中型的木工四面刨床一小时连续工作产生的刨花重量可达400 kg[1]。一台普通双面刨正常工作每小时可以产生200 kg刨花[2]。这些刨花如果不能及时排出,不仅会降低木材加工的质量,还对四面刨的防尘、润滑、散热等产生严重影响[3]。因此,为了达到满意的除尘效果,木制品加工企业不得不采用大功率的除尘装置,用于除尘的电能消耗在生产性电能消耗占比9.3%～22.7%[4],刨花板或干法纤维板生产车间的除尘动力消耗甚至能占到全车间动力消耗的1/4[5]。

[size=1em]为了提高除尘效果降低除尘能耗,大量学者做了相关研究。李维礼经过大量的实验,将实验数据与理论分析相结合,给出了达到稳定除尘效果时的建议吸尘气流速度,并指出吸料器安装在接近尘源、木屑排出方向可以改善除尘效果。刘英茹[6]提出保证除尘系统的安装附件内壁光滑整齐、接头密封可靠可以减少压损从而提高吸尘效率。此外,采用先进的木材切削技术和选择合适的除尘装置[7]、合理确定输送的主要设计参数以及合理选用吸(供)料器、管道系统、风机和分离器也能在一定程度上降低吸尘动力损耗。分析众多学者的研究成果,绝大部分都是从吸尘装置上进行分析提高吸尘能力,未见有学者从木工刨床刨刀轴流场进行分析,通过优化四面刨本身的结构设计以改善吸尘效果。

[size=1em]本文从流体力学的角度对现有木工四面刨刨刀轴的结构进行分析,通过增加导流装置,充分利用刨花自身动能,提升四面刨吸尘能力,达到降低除尘装置电能消耗的目的。

1 刨花产生的机理

[size=1em]四面刨工作时,木材做进给运动v,目前高速四面刨的进给速度一般为60～100 m/min,四面刨刨刀轴做旋转运动ω,称为主运动,用转速来表示,高速四面刨的主运动通常为6 000～8 000 rpm。木材和四面刨刨刀同时运动,在铣削木材时产生刨花,刨花沿刨刀切线方向v0飞出,如图1所示。

[size=0.8em]图1 刨花产生的机理

[size=1em]吸尘罩用于防止刨花四处逃逸,并且吸尘罩上接有风机,风机在吸尘罩出口提供负压吸走吸尘罩内的空气和刨花。但实际生产中只有一部分刨花被吸走,另一部分刨花散落在工作台面上、四面刨内部、四面刨周围。

2 四面刨刀轴内部流场仿真

[size=1em]针对部分刨花不能被顺利吸走的情况,选择了市面上某款畅销的四面刨进行分析,旨在探究四面刨刨刀附近流场分布,探究吸尘能力不足的原因,并以此对四面刨结构进行优化。

[size=1em]选择常用的Ansys中的Fluent进行仿真分析,只研究稳态下的四面刨刨刀附近的流场,即忽略时间的影响,不考虑吸尘启动和停止时的非稳态阶段。因此可以利用Fluent模块中的mesh motion功能来简化求解过程,即把做旋转运动的刨刀附近区域设置为相对于全局参考系运动的局部参考系。

2.1 建立流体域(Fluid Region)

[size=1em]四面刨刨刀及其吸尘罩结构如图2所示,主要由吸尘罩、转轴、刀具、护罩前盖、压板等构成,对模型进行适当简化处理,删掉不影响仿真结果的细节特征,如螺钉、螺栓、把手、倒角等,抽取吸尘罩内部区域作为流体域,如图3所示。流体域划分为两部分,Stator和Rotator,Rotator即前文所述的利用mesh motion功能施加刨刀旋转运动的局部流体域。采用watertight划分多面体网格,如图4所示。

[size=0.8em]图2 刨刀及吸尘罩结构

[size=0.8em]图3 流体域 图4 划分多面体网格

2.2 确定边界条件

[size=1em]流体域的上方(出口)接生产车间的中央除尘系统。普通木工生产车间的除尘系统通常包含直立上升管段和水平输送管段,在这类除尘系统中,达到除尘气流速度v除尘时,可以比较经济、稳定地完成除尘功能。v除尘由式(1)进行确定。

[size=1em]v除尘=v临界+vs(m/s)

[size=1em](1)

[size=1em]式中:vs—物料的悬浮速度;v临界—物料的水平运动的临界速度。刨花的悬浮速度,是指竖直方向上,刨花的重力与空气动力、空气浮力平衡时的流速,与刨花的形状、大小、密度等相关。

[size=1em]对于常见刨花,通常是将其折算成球形粒子,采用公式(2)计算悬浮速度。

[size=1em](2)

[size=1em]式中:g—重力加速度,m/s2;ds—球体粒子的直径,m;γs—粒子的重度,N/m3;γa—流体(空气)的重度,N/m3;C—流阻系数,对于常见的木屑,流阻系数C=1～1.1。

[size=1em]经过计算可以得到常见刨花的悬浮速度在1.5 m/s左右。

[size=1em]临界速度是指在水平输送管段内,能够稳定输送物料的最小速度。对于常见的木屑,可按照公式(3)进行计算。

[size=1em](3)

[size=1em]式中:μ—流出重量混合浓度;v气—流体(空气)流速,m/s;v物—物料(木屑、刨花)流速,m/s;ρ物—物料(木屑、刨花)密度,kg/m3;ρ物—输送管道内空气密度,kg/m3。

[size=1em]经过计算可以得到常见刨花的悬浮速度约为17～18 m/s,取中间值17.5 m/s。

[size=1em]因此v除尘=1.5+17.5=19 m/s作为出口流速。流体域的其他开口均作为入口,入口接大气,压力等于0。除此之外,该四面刨的刀轴转速ω=8 000 rpm。为了准确模拟出流场内的压力和速度,选用满足状态方程PV=nRT的理想气体作为流体介质。

2.3 仿真结果分析

[size=1em]经过对四面刨刨刀及其吸尘罩组成的流体域进行仿真可得到气流运动轨迹,如图5所示。分析出口压力可知当风机在吸尘罩出口处形成负压值P1=515.1 Pa,出口质量流量Q1=0.1 982 kg/s时,可以达到19 m/s的流速,此时具有比较经济、稳定的除尘效果。

[size=0.8em]图5 气流运动轨迹

[size=1em]进一步对刨刀附近的流场分析可知,刨刀高速旋转,刃口的线速度可达到52.36 m/s,带动刨刀附近的空气流动,空气流速距离刨刀越远,受刨刀旋转影响越小,空气流速与其距离刨刀距离的关系如图6所示,将速度与距离的数值进行拟合,可以得到速度y与距离x满足关系式y = 163.81e-0.15x。

[size=0.8em]图6 空气流速与其距离刨刀距离的关系

[size=1em]选取刨刀的一个横截面进行分析,横截面气流迹线如图7所示,一部分气流从出口流出,一部分气流继续沿着刨刀旋转。刨刀与木材形成的刨花沿刨刀切线方向飞出,并且随着空气的流动方向进行运动。因此,产生的部分刨花不能立即排出,而是继续围绕刨刀旋转,增加了吸尘风机的负荷。

[size=0.8em]图7 截面气流运动轨迹

[size=1em]此外,图5中红色圆圈标记位置可见有部分气体流出,表示此处可能有木屑飞出,在实际生产中这部分木屑会堆积在工作台面上,可能影响生产正常进行。

3 结构优化

[size=1em]为了避免上述情况,可以在刨刀周围增加导流装置,将刨刀附近的高速气流导向出口,避免刨花围绕刨刀旋转,达到提升吸尘效率的目的,如图8所示在吸尘罩内部增加一块导流板。

[size=0.8em]图8 增加导流板

[size=1em]将优化过后的结构按照2.2节的边界条件再次进行仿真,优化结构的横截面气流迹线如图9所示。经过结构优化,原本围绕刨刀旋转的部分高速气流被导流板导向出口,如图9中虚线框所示,在一定程度上减轻了吸尘风机的负荷。此外,原本图5红圈位置的气流方向也从流出改为流进,避免了木屑飞出,如图10所示。从仿真结果来看,优化后的结构中吸尘风机在吸尘罩出口处形成负压值P2=398.5 Pa时,质量流量Q2=0.198 662 kg/s可以达到19 m/s的流速。汇总两次仿真结果,见表1。

[size=0.8em]表1 两次仿真结果汇总

[size=0.8em]图9 优化后截面气流运动轨迹

[size=0.8em]图10 气流方向

[size=1em]对比两次仿真结果,优化过后质量流量增加0.234%,出口负压绝对值减小22.642%。由式(4)计算出结构优化后风机功耗P(e) 降低22.46%。

[size=1em]P(e)=(Qw×P)/(3 600×1 000×η1×η2)

[size=1em](4)

[size=1em]式中w—除尘风量,m3/s;Q—质量流量,kg/s—出口负压,Pa;ρ—空气密度,kg/m3;η1—风机内效率;η1—机械效率。

4 结论

[size=1em]本文选取四面刨刨刀及其吸尘罩作为研究对象,并利用Fluent对某款四面刨的流场进行分析,得到四面刨工作时气流运动轨迹并以此对其进行结构优化。得到如下结论:

[size=1em](1)高速旋转的四面刨刨刀带动其周围的空气运动,空气运动速度y与距离刨刀的距离x近似满足关系式y=163.81e-0.15x。

[size=1em](2)部分刨花可能围绕四面刨刨刀旋转,不易排出,增加吸尘风机的负荷。

[size=1em](3)在吸尘罩内增加导流装置优化流场,将围绕刨刀轴旋转的高速气流导向出口,可以显著降低吸尘风机的功耗,并有利于避免刨花从吸尘罩出口以外的其他地方窜出。

[size=1em]以上结论可以为设计工程师在进行四面刨吸尘罩结构设计、流场优化、改进吸尘能力时提供一定的参考依据。

[size=1em]参考文献：

[size=1em][1] 李维礼.木材工业气力输送及厂内运输机械(第2版)[M].北京:中国林业出版社,1993:167-187.

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[size=1em][3] 黄勇．基于Fluent-DirectOptimization耦合的木工刨床吸尘能力的理论分析[J].林业机械与木工设备,2023,51(10):51-55．

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[size=1em][5] 贾相成.木材工业气力运输装置与节能[J].木材加工机械,1997(2):11-16.

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Flow Field Analysis and Structure Optimization of Four-side Woodworking Moulder's Suction Hood

[size=1em]HUANG Yong1,2, HAN Yu-heng2*, LIU Jian-qing1

[size=1em](1.Sichuan Qingcheng Machinery Co., LTD, Meishan Sichuan 620460, China; 2.Qingshen Mechanical Industry Research Service Center, Meishan Sichuan 620460, China)

[size=1em]Abstract：This paper focuses on the issue of high-power consumption of the dust blower in woodworking moulder but unsatisfactory dust removal capacity. By analyzing the existing solutions to improve the dust removal capacity and selecting a popular four-sided moulder on the market as the research object, the flow field inside the suction hood is analyzed by adding boundary conditions such as outlet flow velocity and moulder blade speed. The potential factors affecting the dust removal capacity and dust blower power consumption are identified. Based on this, a scheme to optimize the structure inside the suction hood to improve dust removal capacity is proposed. The flow field, air flow path, dust removal capacity, and dust blower power consumption before and after the structural optimization are compared and analyzed to draw corresponding conclusions. This provides a new solution for reducing the power consumption of the dust blower and optimizing the dust removal capacity of the product.

[size=1em]Key words：dust removal capacity; flow field; dust blower; power consumption; suction hood; four-sided moulder

[size=1em]中图分类号：S777

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2025)07-0066-05

[size=1em]收稿日期：2023-07-31

[size=1em]第一作者简介：黄勇,工程师,硕士,主要从事木工机床的研发以及机床吸尘能力改进方向的研究,E-mail:569586686@qq.com。

[size=1em]*通讯作者：韩宇恒,硕士,主要从事机械工程领域的研究,E-mail:623614928@qq.com。