基于TRIZ理論的微量潤(rùn)滑噴嘴設(shè)計(jì)*

王 博，于 淼，陳 領(lǐng)，楊 訓(xùn)

(四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610065)

0 引言

為解決傳統(tǒng)切削加工中澆注式冷卻潤(rùn)滑帶來的環(huán)境問題，微量潤(rùn)滑切削技術(shù)作為一種高效綠色的冷卻潤(rùn)滑方式，通過將壓縮空氣與極少量切削液混合汽化，形成微米級(jí)液滴噴射到加工區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具與工件間的冷卻潤(rùn)滑作用[1]。與傳統(tǒng)切削加工方式相比，微量潤(rùn)滑切削技術(shù)具有切削液用量少、有效降低切削力、提高工件表面質(zhì)量、減小刀具磨損等優(yōu)點(diǎn)[2]。但目前傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑噴嘴所需氣體壓力較大，導(dǎo)致冷卻潤(rùn)滑效率低、噪聲大等問題，已很難滿足如今高效冷卻潤(rùn)滑切削加工的需求。

近幾十年來，微量潤(rùn)滑技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展，目前成為實(shí)現(xiàn)綠色制造目標(biāo)的重要途經(jīng)。霧化噴嘴是微量潤(rùn)滑系統(tǒng)中的核心部件，其霧化性能直接影響著冷卻潤(rùn)滑效果。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)實(shí)現(xiàn)噴嘴高霧化性能問題進(jìn)行了廣泛和深入的研究。湯羽昌等[3]利用仿真軟件對(duì)微量潤(rùn)滑噴嘴噴霧進(jìn)行模擬并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，研究表明隨著供氣壓力的增加，噴嘴霧化性能隨之提高。劉曉麗等[4]通過分析微量潤(rùn)滑系統(tǒng)參數(shù)對(duì)噴嘴霧化性能的影響，得出噴嘴出口速度越大，霧化性能越好。SASAKI等[5]在對(duì)比有縮進(jìn)和無縮進(jìn)噴嘴霧化性能時(shí)發(fā)現(xiàn)有縮進(jìn)的噴嘴霧化性能更好。NAKAHIRA等[6]測(cè)量了超音速流體霧化的液滴粒徑，研究了激波對(duì)霧化效果的影響。研究表明，超音速流體的激波現(xiàn)象可減小油滴粒徑從而提高霧化性能。BAZAROV等[7]對(duì)內(nèi)混式噴嘴的自激振蕩現(xiàn)象進(jìn)行研究，研究表明自激振蕩可提高噴嘴霧化性能和混合性能。

目前研究大多通過提升進(jìn)氣口壓力來實(shí)現(xiàn)高霧化性能，會(huì)伴隨著噪聲大，冷卻潤(rùn)滑質(zhì)量下降，因此有必要研究微量潤(rùn)滑噴嘴如何在高霧化性能的前提下實(shí)現(xiàn)高效冷卻潤(rùn)滑。本文運(yùn)用TRIZ沖突解決理論的發(fā)明原理，結(jié)合超音速霧化理論，提出了一種超音速微量潤(rùn)滑霧化噴嘴模型。

1 基于TRIZ的微量潤(rùn)滑霧化噴嘴設(shè)計(jì)研究

1.1 微量潤(rùn)滑霧化噴嘴的問題分析

目前已有微量潤(rùn)滑噴嘴噴口常為漸縮式，提高微量潤(rùn)滑壓縮空氣壓力，可增大氣液相相對(duì)速度，提升切削液霧化效果，但會(huì)導(dǎo)致噪聲增大，潤(rùn)滑質(zhì)量下降，降低其輔助冷卻作用，其應(yīng)用局限性很大。而對(duì)于實(shí)現(xiàn)微量潤(rùn)滑噴嘴高效冷卻潤(rùn)滑技術(shù)要求，要兼顧高霧化性能和適中的入口氣體壓強(qiáng)。

1.2 微量潤(rùn)滑霧化噴嘴的技術(shù)沖突解決

沖突解決理論是TRIZ中重要的問題解決理論，用于解決設(shè)計(jì)中的沖突問題，沖突普遍存在于各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。在實(shí)際問題分析過程中，為方便定義系統(tǒng)存在的技術(shù)沖突，TRIZ理論借助39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)來將一個(gè)具體的問題轉(zhuǎn)化并表達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)的TRIZ 問題，然后通過發(fā)明原理來解決技術(shù)沖突問題。

本文的微量潤(rùn)滑霧化噴嘴的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖1所示，具體步驟為:分析目前已有微量潤(rùn)滑噴嘴的問題，確定設(shè)計(jì)需求，利用TRIZ中的沖突模型對(duì)所存在的技術(shù)沖突進(jìn)行求解，得到最優(yōu)方案[8]。

圖1 微量潤(rùn)滑噴嘴創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

通過對(duì)微量潤(rùn)滑霧化噴嘴的問題分析后發(fā)現(xiàn)，該噴嘴在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)所產(chǎn)生的技術(shù)沖突形式為：當(dāng)增大氣液相對(duì)速度時(shí)，會(huì)提高壓縮空氣壓力，進(jìn)而增加能量消耗。針對(duì)以上技術(shù)沖突，可使用沖突矩陣找到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，如表1所示。

表1 技術(shù)沖突參數(shù)和對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理

對(duì)于由于增大壓縮空氣壓力引起的微量潤(rùn)滑切削液能量消耗這一技術(shù)沖突，可通過發(fā)明原理10(預(yù)先作用)、發(fā)明原理14(曲面化)、發(fā)明原理24(借助中介物)或發(fā)明原理37(熱膨脹)來解決。經(jīng)對(duì)比分析選取發(fā)明原理14，即漸縮式噴口采用曲面式的縮擴(kuò)結(jié)構(gòu)，既避免了采用過高壓縮空氣壓力導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)物體能量消耗，又可提高切削液霧滴的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴嘴高霧化性能。

2 超音速射流霧化原理分析

本文可實(shí)現(xiàn)超音速霧化噴頭為拉瓦爾結(jié)構(gòu)，霧化過程涉及復(fù)雜的氣液混合兩相流，射流的霧化過程與空氣動(dòng)力、液滴表面張力及其粘性力息息相關(guān)，可分為射流霧化和破碎霧化兩個(gè)階段[9]。氣液相之間存在較大的速度差是霧化的必要條件[10]，超音速霧化噴嘴能實(shí)現(xiàn)更好的霧化效果是因?yàn)樵诔咚俸统吣芰繗饬鞯目諝鈩?dòng)力作用下，液滴以多種形式裂化為微小霧滴。本節(jié)分析超音速氣流對(duì)液滴破碎霧化的影響。

從流體動(dòng)力學(xué)角度分析，可以認(rèn)為雷諾數(shù)(Re)和韋伯?dāng)?shù)(We)是影響液滴碎裂的重要因素，Re可區(qū)分流體流動(dòng)是層流還是湍流，Re超過臨界值時(shí)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，加劇液膜分裂；在MQL加工過程中，液滴的碎裂主要取決于空氣動(dòng)力和液滴表面張力與液滴直徑之比，而該比值與We成正比，We是衡量液滴碎裂的指標(biāo)，We超過臨界值時(shí)，液滴碎裂成微小霧滴。雷諾數(shù)(Re)和韋伯?dāng)?shù)(We)計(jì)算公式及液滴碎裂的條件為：

(1)

(2)

式中，ud為氣液體速度差，m/s；d0為噴嘴出口直徑；D為穩(wěn)定液滴直徑，m；ρ1為液體密度，kg/m3；μ為液體動(dòng)力黏性系數(shù)，N·s/m2；ρg為氣體密度，kg/m3；σ為液滴表面張力，N/m；Web為臨界韋伯?dāng)?shù)。

由上式可知，當(dāng)霧化介質(zhì)、噴嘴結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定液滴直徑一定時(shí)，Re和We隨著氣液相速度差ud增大而增大，表明ud的增大有利于Re和We超過其臨界值，有利于液滴碎裂，可提升噴嘴的霧化效果。

從超音速氣流中激波現(xiàn)象分析，拉瓦爾噴管超音速氣流的實(shí)現(xiàn)由低速氣流與高速氣流流動(dòng)特性決定。在氣流未進(jìn)入拉瓦爾噴管前，速度低于音速，由于速度變化大于密度變化，故可認(rèn)為其為不可壓縮氣體，由不可壓縮氣體的連續(xù)性方程可得，在氣流進(jìn)入收縮段后，速度增大至音速；此時(shí)氣流速度較大，且流經(jīng)收斂段時(shí)密度劇烈增加，故此時(shí)遵循可壓縮氣體的連續(xù)性方程，氣流速度由音速轉(zhuǎn)變?yōu)槌羲贍顟B(tài)，由連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程可得：

(3)

式中，A為橫截面面積，m2；v為流體速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；Ma為馬赫數(shù)。

由可得低速氣流隨著截面面積變小而增大，當(dāng)流體通過拉瓦爾噴嘴喉部后，氣流速度大于音速，此時(shí)Ma>1，則超音速氣流隨著橫截面面積增大而增大。

超音速氣流流動(dòng)過程中，由于流體內(nèi)壓力與環(huán)境壓力不相等，氣流帶動(dòng)周圍空氣運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的壓縮波，壓縮波經(jīng)過疊加后最終形成激波,超音速噴霧誘發(fā)激波，而激波反作用于噴霧效果[11]。流體與周圍環(huán)境氣體在交界面處速度不等，進(jìn)而交界面發(fā)生失穩(wěn)并產(chǎn)生渦旋，周圍氣體被卷吸到流體中，增強(qiáng)液滴與氣體混合程度，流體中液滴壓縮變形和破碎霧化成微小霧滴進(jìn)而減小霧滴粒徑，故采用超音速霧化噴嘴是提升霧化性能的合理途徑。

3 微量潤(rùn)滑噴嘴求解方案

3.1 拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)

為促進(jìn)射流碎裂和霧化，以高低速氣流流動(dòng)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，改進(jìn)后的噴嘴稱為拉瓦爾式霧化噴嘴，其示意如圖2所示，該噴嘴主體結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩噴管組成，噴頭為拉瓦爾式結(jié)構(gòu)。壓縮空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入環(huán)縫，以亞音速的狀態(tài)和出液口的切削液混合，由于氣液交界處速度相差較大且存在不穩(wěn)定波，液相射流破碎成液滴在氣液混合腔發(fā)生初級(jí)霧化[12]。參雜著微量液滴的氣流進(jìn)入噴頭收縮-擴(kuò)張段，氣流速度完成從亞音速-音速-超音速的過渡。在高速氣體和激波的作用下，液滴不斷破碎并向周邊遷移，當(dāng)外界空氣對(duì)液滴的橫向力超過其本身表面張力時(shí)，最終液滴發(fā)生二次霧化形成細(xì)小離散霧滴。

1.中心管進(jìn)液口 2.環(huán)縫進(jìn)氣口 3.噴嘴主體結(jié)構(gòu) 4.拉瓦爾結(jié)構(gòu)圖2 拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

拉瓦爾噴口是實(shí)現(xiàn)超音速氣流的關(guān)鍵部件。拉瓦爾噴頭收縮段形狀采用Witozinsky曲線設(shè)計(jì)，其主要特點(diǎn)是入口處收縮較快，喉部收縮較緩，其性能與收縮段進(jìn)出口面積比值以及形狀有關(guān)，拉瓦爾結(jié)構(gòu)喉部截面積受到進(jìn)氣壓力限制；擴(kuò)張段是實(shí)現(xiàn)氣流超音速的部分，為降低摩擦損失和渦流損失，擴(kuò)張段錐角宜取8°～12°，噴嘴關(guān)鍵幾何結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

表2 拉瓦爾結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸

在微量潤(rùn)滑加工中，切削液用量極少，一般情況下為10～50 ml/h，而壓縮空氣流量通常為60 mL/min以上，切削液用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣流量[13]，重點(diǎn)關(guān)注拉瓦爾結(jié)構(gòu)氣流的速度變化，故在數(shù)值仿真的過程中可忽略液相對(duì)氣流的影響[14]。

3.2 求解方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證拉瓦爾結(jié)構(gòu)是否可獲得超音速氣流，根據(jù)表2中的尺寸建立拉瓦爾噴管三維模型，利用fluent流體仿真軟件對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值仿真，分別取進(jìn)氣口壓力P為0.2、0.4、0.6、0.8 MPa，所得拉瓦爾結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)速度分布云圖如圖3所示，不同進(jìn)口壓力下內(nèi)流場(chǎng)軸向速度變化曲線圖如圖4所示。

圖3 不同進(jìn)口壓力下內(nèi)流場(chǎng)速度分布云圖 圖4 不同進(jìn)口壓力下內(nèi)流場(chǎng)軸向速度變化

由圖3和圖4可知，已知常溫常壓環(huán)境空氣中當(dāng)?shù)芈曀贋?45 m/s，當(dāng)P=0.2 MPa時(shí)，氣體通過喉部后速度迅速升高至340 m/s以上，擴(kuò)張段小部分區(qū)域處于超音速狀態(tài)，由于氣壓和水壓值接近，噴嘴內(nèi)部壓差較小，且由于能量損失及摩擦損失，在氣體出口處速度降低至亞音速。當(dāng)P=0.4 MPa時(shí)，擴(kuò)張段大部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超音速，最大速度為525 m/s，射流最大速度可達(dá)1.52倍當(dāng)?shù)芈曀?出口處氣流速度略微下降。隨著進(jìn)氣口壓力繼續(xù)增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)絕大部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超音速，壓力為0.6 MPa及0.8 MPa時(shí)，氣流速度變化不明顯。綜上可得當(dāng)壓縮空氣通過拉瓦爾結(jié)構(gòu)后，氣流速度增大至超音速，而空氣助力噴嘴氣液相之間存在較大的速度差是霧化的必要條件，故拉瓦爾結(jié)構(gòu)可顯著促進(jìn)液滴碎裂，有利于噴嘴霧化性能的提高。

4 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑噴嘴實(shí)現(xiàn)高霧化性能會(huì)造成噪聲大和冷卻潤(rùn)滑不足的矛盾，提出一套基于TRIZ的微量潤(rùn)滑噴嘴創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法流程，設(shè)計(jì)出以拉瓦爾結(jié)構(gòu)為核心的超音速微量潤(rùn)滑噴嘴，兼顧了高霧化性能和較小的進(jìn)氣口壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高效冷卻潤(rùn)滑，優(yōu)化結(jié)果為：

(1)在入口氣體壓強(qiáng)為0.4 MPa時(shí)，所建立的噴嘴模型即可產(chǎn)生超音速氣流，對(duì)增大氣液兩相速度差有顯著效果，可實(shí)現(xiàn)噴嘴高霧化性能的需求。

(2)一定范圍內(nèi)(氣壓為0.2～0.8 MPa),在相同液相壓強(qiáng)下，噴嘴出口最大速度隨著氣液壓強(qiáng)比的增大而增大；氣相壓強(qiáng)過低，噴霧過程中較大的能量和摩擦損失導(dǎo)致出口速度處于亞音速狀態(tài)；氣相壓強(qiáng)過高，出口速度可實(shí)現(xiàn)超音速，但最大速度提升不明顯。