第一篇：縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)化設(shè)計(jì)研究論文

掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是截齒參數(shù)，截齒參數(shù)決定截割頭上每個(gè)截齒的空間姿態(tài)，截齒的空間姿態(tài)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響掘進(jìn)機(jī)截割頭的性能，一般掘進(jìn)機(jī)截割頭上需要數(shù)十個(gè)截齒，每個(gè)截齒都需要軸向距離、切割半徑、圓周角、倒角及轉(zhuǎn)角五個(gè)參數(shù)，因此，截割頭截齒參數(shù)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜繁瑣的工作，通過(guò)截齒參數(shù)參數(shù)化設(shè)計(jì)可以降低設(shè)計(jì)人員工作強(qiáng)度，提高工作效率。參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒參數(shù)參數(shù)化設(shè)計(jì)分三個(gè)步驟，首先，根據(jù)截齒切割原理及不同截割頭外形確定每個(gè)截齒的空間姿態(tài)，即計(jì)算出截齒軸向距離、切割半徑、圓周角、倒角及轉(zhuǎn)角五個(gè)參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)通過(guò)自編程序軟件利用三維實(shí)體軟件進(jìn)行自動(dòng)虛擬裝配，為截割頭實(shí)體仿真提供建模模型，最后通過(guò)自編程序軟件生成二維平面圖紙，供車間加工生產(chǎn)使用。

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒數(shù)據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)截割頭外形尺寸和截齒外形尺寸，通過(guò)編程，設(shè)計(jì)截割頭截齒參數(shù)計(jì)算程序（程序界面見(jiàn)圖1），該程序能夠根據(jù)輸入的相關(guān)外形尺寸自動(dòng)計(jì)算截齒的空間參數(shù)，同時(shí)計(jì)算截齒齒尖包絡(luò)線，并且自動(dòng)計(jì)算內(nèi)噴霧水孔位置坐標(biāo)。生成的相關(guān)參數(shù)自動(dòng)保存，供截齒自動(dòng)化虛擬裝配使用。

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒自動(dòng)化虛擬裝配。

由于截齒虛擬裝配過(guò)程復(fù)雜，所以開發(fā)了截齒安裝程序（程序界面見(jiàn)圖2），截齒虛擬裝配為了進(jìn)一步檢驗(yàn)截齒參數(shù)的合理性，同時(shí)為截割頭實(shí)體仿真提供建模模型，通過(guò)虛擬裝配，設(shè)計(jì)人員可以直觀了解每個(gè)截齒的空間姿態(tài)，自動(dòng)化虛擬裝配完全省去設(shè)計(jì)人員手工定位截齒的過(guò)程，降低工作強(qiáng)度。

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭圖紙自動(dòng)化生成。

截割頭截齒自動(dòng)化虛擬裝配后，就可以利用截割頭參數(shù)設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)生成二維圖紙如圖3所示，供車間加工生產(chǎn)使用。至此，縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)化設(shè)計(jì)全部完成。結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)化設(shè)計(jì)研究，開發(fā)了這套設(shè)計(jì)軟件，該軟件還能夠自動(dòng)確定內(nèi)噴霧水孔位置參數(shù)和導(dǎo)煤葉片的參數(shù)，使截割頭設(shè)計(jì)工作效率得到了很大提升，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

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第二篇：噴淋式飽和器的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)及其內(nèi)部流場(chǎng)模擬(ljdh)

噴淋式飽和器的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)及其內(nèi)部流場(chǎng)模擬

穆傳冰 王慶豐 章平李順弟

（北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司 焦化設(shè)計(jì)室 北京 100043）

摘 要：介紹了利用三維參數(shù)化機(jī)械設(shè)計(jì)軟件對(duì)噴淋式飽和器進(jìn)行了參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)相比做到了精確表達(dá)尺寸和,直觀的反映其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用關(guān)鍵參數(shù)控制模型尺寸，可以依據(jù)化工工藝專業(yè)的需要進(jìn)行快速精準(zhǔn)設(shè)計(jì),并基于該三維模型的設(shè)計(jì)成果利用流體分析軟件對(duì)噴淋式飽和器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：噴淋式飽和器；三維參數(shù)化；設(shè)計(jì)；有限元；數(shù)值模擬

Three-dimensional Parametric Design and internal flow field numerical stimulation of Spray Saturator

Mu-Chuanbing Wang-Qingfeng Zhang-Ping Li-Shundi(Coking design division, Beijing Shougang International Engineering Technology Co., Ltd.Beijing 100043, China)

Abstract: Introduced parametric modeling of Spray Saturator by three-dimensional design software, precision and intuitionist expressed dimension, and structure-characteristic compare with traditional two-dimensional drawing, dispensed with complex calculation by controlling model dimension used key-parameter, precision and rapid design according to the requirement of technique and engineering, carrying on numerical stimulation by using hydrodynamic analysis software according to this three-dimensional parametric model.Key words: Spray Saturator;Three-dimensional Parametric;Design;FEM;Numerical stimulation 概述

噴淋式飽和器是焦?fàn)t煤氣凈化過(guò)程中半直接法生產(chǎn)硫酸銨的主要設(shè)備，自上世紀(jì)90年代由法國(guó)引進(jìn)后，得到了廣泛的應(yīng)用，其材質(zhì)一般選用316L超低碳不銹鋼焊接制造，對(duì)于母液循環(huán)噴灑部分一般采用904L超級(jí)不銹鋼制作,具有設(shè)備使用時(shí)間長(zhǎng)，煤氣系統(tǒng)阻力小，結(jié)晶顆粒大，硫酸銨質(zhì)量好，工藝流程短，易操作等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。但是由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)二維圖紙對(duì)其結(jié)構(gòu)的表達(dá)不夠清晰和直觀。在設(shè)備制造過(guò)程中，其復(fù)雜零件尺寸控制的問(wèn)題也一直困擾著設(shè)備制造單位。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維參數(shù)化機(jī)械設(shè)計(jì)軟件逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，利用簡(jiǎn)單的幾何約束關(guān)系和關(guān)鍵參數(shù)驅(qū)動(dòng)就能完成設(shè)備的三維設(shè)計(jì)，并快速給出工程圖，省去了傳統(tǒng)二維制圖復(fù)雜的投影關(guān)系的轉(zhuǎn)換和尺寸計(jì)算，特別適用于噴淋式飽和器這種形狀特殊復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文以某煤氣凈化回收工程設(shè)計(jì)的噴淋式飽和器為例進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和與探討。噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)

噴淋式飽和器一般分為上段和下段，上段為吸收室，下段為結(jié)晶室。兩室間采用錐形封頭隔開，吸收室又分為前室、環(huán)形區(qū)域和后室三部分，結(jié)晶室由外筒體和降液管組成，通過(guò)降液管與吸收室相連。在吸收室內(nèi)置除酸器，除酸器為旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外套筒兩部分組成，外套筒開切線方向的方孔與吸收室的后室相連通[1]。噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

(a）主視圖

(b）左視圖

(c）俯視圖

圖1 噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，使用二維工程圖設(shè)計(jì)的噴淋式飽和器并不能清晰的表達(dá)其結(jié)構(gòu)，二維工程圖一般采用局部剖切視圖等方法來(lái)分視圖表達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是往往效果不明顯，過(guò)多的剖切視圖會(huì)增加制造者按圖施工的難度，特別是結(jié)晶室的后室與除酸器的外筒的連接部分更加難以清晰表達(dá)，對(duì)于設(shè)計(jì)單位和制造廠家而言都造成了困難，而且不能直觀的表達(dá)出設(shè)備各部分準(zhǔn)確位置關(guān)系。噴淋式飽和器的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行噴淋式飽和器的設(shè)計(jì)，首先需要找出該設(shè)備的主要幾何參數(shù)和設(shè)備各部分的幾何約束關(guān)系，由于設(shè)備的復(fù)雜性導(dǎo)致參數(shù)過(guò)多，表1中只列出設(shè)備外形尺寸的關(guān)鍵參數(shù)：

表1 噴淋式飽和器外形尺寸關(guān)鍵參數(shù)

名稱 煤氣出口 結(jié)晶室 除酸器外筒體 除酸器內(nèi)筒體 降液管 錐體

外徑D 1220 4616 3116 1220 666 4616/666

壁厚t 8 8 8 8 8 8

長(zhǎng)度L 250 2785 5335 3875 3875 1145

利用上述關(guān)鍵參數(shù)再結(jié)合各零部件之間幾何約束關(guān)系和定位尺寸，使用拉伸和旋轉(zhuǎn)等常規(guī)建模方式將設(shè)備的這幾部分模型率先建立，飽和器結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的吸收室的后室與除酸器的外筒的連接部分是不規(guī)則曲面體，這部分的建模采用常規(guī)建模和三維曲面切割實(shí)體的方法得到，保證了后室的曲面與除酸器外筒體的相切，真實(shí)表達(dá)了該部分的結(jié)構(gòu)。設(shè)備上的接管等零部件可以通過(guò)各自的幾何參數(shù)和定位尺寸較為簡(jiǎn)單的生成，在建模過(guò)程中還要充分考慮各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，把握好參數(shù)間的關(guān)聯(lián)才能真正做到參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3.2 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述步驟，可以得到如圖2所示的三維參數(shù)化模型：

圖2 噴淋式飽和器三維參數(shù)化模型

3.3 有關(guān)結(jié)果的討論

從圖2可以看出，利用三維設(shè)計(jì)軟件的裝配透視功能，設(shè)備內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以得到清晰的表達(dá)，該模型可以通過(guò)參數(shù)的修改快速得到不同尺寸的模型結(jié)果，以滿足化工工藝專業(yè)根據(jù)不同規(guī)模工程的設(shè)計(jì)選型的需求。和傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)相比，設(shè)計(jì)精度更容易得到保證，基于該模型的工程圖的尺寸和標(biāo)注也可跟隨參數(shù)的變化做相應(yīng)的調(diào)整，省去了繁瑣的尺寸修改和標(biāo)注的過(guò)程，因此設(shè)計(jì)效率也得到了很大的提高。在設(shè)備制造過(guò)程中，可以將三維參數(shù)化模型中的各零部件分別輸出快速給出工程圖尺寸，作為設(shè)備零部件的下料尺寸，保證了制造精度。在設(shè)備零部件安裝過(guò)程中，該模型可以進(jìn)行爆炸分解，可以起到安裝指導(dǎo)的作用。需要指出的是，該三維參數(shù)化模型未考慮零部件焊接尺寸的影響，為此在設(shè)計(jì)時(shí)留有尺寸裕量。在實(shí)際制造過(guò)程中需要制造單位依據(jù)相應(yīng)的焊接標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等對(duì)焊接坡口尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工。噴淋式飽和器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

4.1 工藝參數(shù)的確定

根據(jù)工藝計(jì)算結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)條件，確定了工藝參數(shù)見(jiàn)表2所示：

表2 噴淋式飽和器的工藝參數(shù)

名稱

煤氣入口速度 m/s 煤氣出口壓強(qiáng) Pa 參考?jí)簭?qiáng) Pa 煤氣溫度 ℃

數(shù)值 15 2x101x105

焦?fàn)t煤氣各組份的含量見(jiàn)表3所示：

表3 焦?fàn)t煤氣的組成

名稱 體積百分含量 %

H2 60

CH4 30

其它（CO、CO2、O2等）4.2 內(nèi)部流場(chǎng)模型的建立

為了準(zhǔn)確進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬，首先要了解煤氣在設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程，煤氣在的煤氣進(jìn)過(guò)預(yù)熱后進(jìn)入噴淋式飽和器的吸收段的前室，分成兩股沿飽和器水平方向進(jìn)入吸收段的環(huán)形室做環(huán)形運(yùn)動(dòng)，然后匯合后進(jìn)入吸收段的后室，再以切線方向進(jìn)入內(nèi)置除酸器，然后通過(guò)設(shè)備中心出口管離開飽和器[2.3]。

由于飽和器內(nèi)部有復(fù)雜的相交曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的專業(yè)有限元軟件的建模功能難以勝任，為保證建模效果，本次模擬將利用三維設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果得到流場(chǎng)模型，導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，定義邊界條件，得到的流場(chǎng)模型結(jié)果如圖3所示：

圖3 噴淋式飽和器內(nèi)部流場(chǎng)有限元模型

需要指出的是，本模型只包含噴淋式飽和器的吸收段，主要模擬煤氣在吸收段的流動(dòng)情況，并做了以下幾個(gè)簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1.模型的下部邊界是以噴淋式飽和器的水封高度為依據(jù)確定； 2.除煤氣出入口以外，所有界面均為剛性光滑表面； 3.不考慮噴灑液體對(duì)煤氣流動(dòng)的影響； 4.省略了噴灑管、接管等附屬結(jié)構(gòu)； 5.焦?fàn)t煤氣組分僅為H2和CH4組分；

模擬采用穩(wěn)態(tài)模式（既不考慮時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響），煤氣入口采用速度初始條件，煤氣出口采用平均壓強(qiáng)初始條件，這樣的設(shè)置更容易得到收斂的結(jié)果[4.5]。

4.3 數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)有限元軟件計(jì)算得到了煤氣在設(shè)備內(nèi)的流體軌跡線、速度、壓強(qiáng)等結(jié)果。為了直觀的顯示飽和器內(nèi)部流暢的結(jié)果，選取了三個(gè)截面，分別是YZ截面，對(duì)應(yīng)于X方向；XZ截面，對(duì)應(yīng)于Y方向；XY平面在環(huán)形區(qū)域的平行截面，對(duì)應(yīng)于Z方向，分別賦予流體軌跡、線速度、壓強(qiáng)等結(jié)果，如圖4~圖6所示

1．流體軌跡線

X向軌跡線

Y向軌跡線

Z向軌跡線

圖4 流體在噴淋式飽和器內(nèi)部的軌跡線

由流體軌跡線的三向視圖可以得到焦?fàn)t煤氣在噴淋式飽和器吸收段的流動(dòng)情況，首先在環(huán)形室分成兩股流，在后室匯合后以切線方向進(jìn)入內(nèi)置除酸器，沿外筒壁面向下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后進(jìn)入內(nèi)置除酸器內(nèi)筒以螺旋流動(dòng)的方式從頂部出口流出；

2．速度分布

X向截面速度分布

Y向截面速度分布

Z向截面速度分布

圖5 流體在噴淋式飽和器截面的速度分布

由速度分布圖X、Y向視圖可知，流體在環(huán)形室中的流動(dòng)速度較慢，這樣更利于煤氣與循環(huán)噴灑液的充分接觸，以利于氨的吸收，在煤氣進(jìn)入除酸器后流速明顯加快，最大流速出現(xiàn)在除酸器內(nèi)筒入口處，而在除酸器外筒底部中心部位流速很慢甚至出現(xiàn)速度為零的區(qū)域，在從Z向圖中可以看出煤氣在環(huán)形室的流動(dòng)并不呈現(xiàn)對(duì)稱分布的形態(tài)；

3．壓強(qiáng)分布

X向截面壓強(qiáng)分布

Y向截面壓強(qiáng)分布

Z向截面壓強(qiáng)分布

圖6 流體在噴淋式飽和器截面的壓強(qiáng)分布

由壓強(qiáng)分布圖可以看知，在煤氣入口、環(huán)形室、除酸器外筒體近壁面處壓強(qiáng)較大，環(huán)形室部分壓強(qiáng)分布較為均勻。除酸器內(nèi)部壓強(qiáng)沿徑向梯度分布，外筒邊緣壓強(qiáng)最大，最小壓強(qiáng)出現(xiàn)在除酸器內(nèi)筒進(jìn)口部位； 結(jié)論

噴淋式飽和器自上世紀(jì)90年代從國(guó)外引進(jìn)以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了近20年發(fā)展，其設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)相當(dāng)豐富，但是利用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)手段精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和焦?fàn)t煤氣在其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的研究模擬還存在著不足。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維參數(shù)化設(shè)計(jì)和計(jì)算流體力學(xué)等設(shè)計(jì)手段和研究方法不斷的進(jìn)步可以推動(dòng)對(duì)其研究的不斷深入。通過(guò)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)手段的運(yùn)用可以更直觀的了解噴淋式飽和器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以通過(guò)改變關(guān)鍵參數(shù)來(lái)快速得到三維模型結(jié)果，了解各個(gè)參數(shù)的變化對(duì)模型外形尺寸的影響規(guī)律；利用流體計(jì)算軟件可以得到煤氣在設(shè)備內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，掌握煤氣的流動(dòng)規(guī)律，為設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

由于篇幅所限，本文的噴淋式飽和器內(nèi)部流場(chǎng)的模擬只是對(duì)于吸收段進(jìn)行的，得到了初步的計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行了討論。但對(duì)于并未考慮噴灑液體對(duì)氣體流動(dòng)的影響，對(duì)計(jì)算結(jié)果還缺乏深入探討，今后，還將在其基礎(chǔ)之上不斷改進(jìn)，如采用兩相流計(jì)算模型，優(yōu)化除酸器結(jié)構(gòu)等，在模型應(yīng)用的普遍性、快捷性方面取得更好的結(jié)果。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：穆傳冰（1982—）男，遼寧省大連市人，工程師，碩士研究生，目前從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。