基于TRIZ理论的微量润滑喷嘴设计*

2022-06-08王博，于淼，陈领，杨训

组合机床与自动化加工技术 2022年5期

王博，于淼，陈领，杨训

(四川大学机械工程学院，成都 610065)

0 引言

为解决传统切削加工中浇注式冷却润滑带来的环境问题，微量润滑切削技术作为一种高效绿色的冷却润滑方式，通过将压缩空气与极少量切削液混合汽化，形成微米级液滴喷射到加工区域，以实现对刀具与工件间的冷却润滑作用[1]。与传统切削加工方式相比，微量润滑切削技术具有切削液用量少、有效降低切削力、提高工件表面质量、减小刀具磨损等优点[2]。但目前传统微量润滑喷嘴所需气体压力较大，导致冷却润滑效率低、噪声大等问题，已很难满足如今高效冷却润滑切削加工的需求。

近几十年来，微量润滑技术得到了广泛的发展，目前成为实现绿色制造目标的重要途经。雾化喷嘴是微量润滑系统中的核心部件，其雾化性能直接影响着冷却润滑效果。国内外学者对实现喷嘴高雾化性能问题进行了广泛和深入的研究。汤羽昌等[3]利用仿真软件对微量润滑喷嘴喷雾进行模拟并与试验结果对比，研究表明随着供气压力的增加，喷嘴雾化性能随之提高。刘晓丽等[4]通过分析微量润滑系统参数对喷嘴雾化性能的影响，得出喷嘴出口速度越大，雾化性能越好。SASAKI等[5]在对比有缩进和无缩进喷嘴雾化性能时发现有缩进的喷嘴雾化性能更好。NAKAHIRA等[6]测量了超音速流体雾化的液滴粒径，研究了激波对雾化效果的影响。研究表明，超音速流体的激波现象可减小油滴粒径从而提高雾化性能。BAZAROV等[7]对内混式喷嘴的自激振荡现象进行研究，研究表明自激振荡可提高喷嘴雾化性能和混合性能。

目前研究大多通过提升进气口压力来实现高雾化性能，会伴随着噪声大，冷却润滑质量下降，因此有必要研究微量润滑喷嘴如何在高雾化性能的前提下实现高效冷却润滑。本文运用TRIZ冲突解决理论的发明原理，结合超音速雾化理论，提出了一种超音速微量润滑雾化喷嘴模型。

1 基于TRIZ的微量润滑雾化喷嘴设计研究

1.1 微量润滑雾化喷嘴的问题分析

目前已有微量润滑喷嘴喷口常为渐缩式，提高微量润滑压缩空气压力，可增大气液相相对速度，提升切削液雾化效果，但会导致噪声增大，润滑质量下降，降低其辅助冷却作用，其应用局限性很大。而对于实现微量润滑喷嘴高效冷却润滑技术要求，要兼顾高雾化性能和适中的入口气体压强。

1.2 微量润滑雾化喷嘴的技术冲突解决

冲突解决理论是TRIZ中重要的问题解决理论，用于解决设计中的冲突问题，冲突普遍存在于各种产品的设计中。在实际问题分析过程中，为方便定义系统存在的技术冲突，TRIZ理论借助39个通用技术参数来将一个具体的问题转化并表达为标准的TRIZ 问题，然后通过发明原理来解决技术冲突问题。

本文的微量润滑雾化喷嘴的创新设计流程如图1所示，具体步骤为:分析目前已有微量润滑喷嘴的问题，确定设计需求，利用TRIZ中的冲突模型对所存在的技术冲突进行求解，得到最优方案[8]。

图1 微量润滑喷嘴创新设计流程

通过对微量润滑雾化喷嘴的问题分析后发现，该喷嘴在实际工程中应用时所产生的技术冲突形式为：当增大气液相对速度时，会提高压缩空气压力，进而增加能量消耗。针对以上技术冲突，可使用冲突矩阵找到对应的发明原理，如表1所示。

表1 技术冲突参数和对应的发明原理

对于由于增大压缩空气压力引起的微量润滑切削液能量消耗这一技术冲突，可通过发明原理10(预先作用)、发明原理14(曲面化)、发明原理24(借助中介物)或发明原理37(热膨胀)来解决。经对比分析选取发明原理14，即渐缩式喷口采用曲面式的缩扩结构，既避免了采用过高压缩空气压力导致的运动物体能量消耗，又可提高切削液雾滴的运动速度，进而实现喷嘴高雾化性能。

2 超音速射流雾化原理分析

本文可实现超音速雾化喷头为拉瓦尔结构，雾化过程涉及复杂的气液混合两相流，射流的雾化过程与空气动力、液滴表面张力及其粘性力息息相关，可分为射流雾化和破碎雾化两个阶段[9]。气液相之间存在较大的速度差是雾化的必要条件[10]，超音速雾化喷嘴能实现更好的雾化效果是因为在超高速和超高能量气流的空气动力作用下，液滴以多种形式裂化为微小雾滴。本节分析超音速气流对液滴破碎雾化的影响。

从流体动力学角度分析，可以认为雷诺数(Re)和韦伯数(We)是影响液滴碎裂的重要因素，Re可区分流体流动是层流还是湍流，Re超过临界值时变为湍流状态，加剧液膜分裂；在MQL加工过程中，液滴的碎裂主要取决于空气动力和液滴表面张力与液滴直径之比，而该比值与We成正比，We是衡量液滴碎裂的指标，We超过临界值时，液滴碎裂成微小雾滴。雷诺数(Re)和韦伯数(We)计算公式及液滴碎裂的条件为：

(1)

(2)

式中，ud为气液体速度差，m/s；d0为喷嘴出口直径；D为稳定液滴直径，m；ρ1为液体密度，kg/m3；μ为液体动力黏性系数，N·s/m2；ρg为气体密度，kg/m3；σ为液滴表面张力，N/m；Web为临界韦伯数。

由上式可知，当雾化介质、喷嘴结构以及稳定液滴直径一定时，Re和We随着气液相速度差ud增大而增大，表明ud的增大有利于Re和We超过其临界值，有利于液滴碎裂，可提升喷嘴的雾化效果。

从超音速气流中激波现象分析，拉瓦尔喷管超音速气流的实现由低速气流与高速气流流动特性决定。在气流未进入拉瓦尔喷管前，速度低于音速，由于速度变化大于密度变化，故可认为其为不可压缩气体，由不可压缩气体的连续性方程可得，在气流进入收缩段后，速度增大至音速；此时气流速度较大，且流经收敛段时密度剧烈增加，故此时遵循可压缩气体的连续性方程，气流速度由音速转变为超音速状态，由连续性方程和运动方程可得：

(3)

式中，A为横截面面积，m2；v为流体速度，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；Ma为马赫数。

由可得低速气流随着截面面积变小而增大，当流体通过拉瓦尔喷嘴喉部后，气流速度大于音速，此时Ma>1，则超音速气流随着横截面面积增大而增大。

超音速气流流动过程中，由于流体内压力与环境压力不相等，气流带动周围空气运动，会产生一系列复杂的压缩波，压缩波经过叠加后最终形成激波,超音速喷雾诱发激波，而激波反作用于喷雾效果[11]。流体与周围环境气体在交界面处速度不等，进而交界面发生失稳并产生涡旋，周围气体被卷吸到流体中，增强液滴与气体混合程度，流体中液滴压缩变形和破碎雾化成微小雾滴进而减小雾滴粒径，故采用超音速雾化喷嘴是提升雾化性能的合理途径。

3 微量润滑喷嘴求解方案

3.1 拉瓦尔喷嘴结构

为促进射流碎裂和雾化，以高低速气流流动特点为基础，改进后的喷嘴称为拉瓦尔式雾化喷嘴，其示意如图2所示，该喷嘴主体结构由内外两喷管组成，喷头为拉瓦尔式结构。压缩空气从进气口进入环缝，以亚音速的状态和出液口的切削液混合，由于气液交界处速度相差较大且存在不稳定波，液相射流破碎成液滴在气液混合腔发生初级雾化[12]。参杂着微量液滴的气流进入喷头收缩-扩张段，气流速度完成从亚音速-音速-超音速的过渡。在高速气体和激波的作用下，液滴不断破碎并向周边迁移，当外界空气对液滴的横向力超过其本身表面张力时，最终液滴发生二次雾化形成细小离散雾滴。

1.中心管进液口 2.环缝进气口 3.喷嘴主体结构 4.拉瓦尔结构图2 拉瓦尔喷嘴结构示意图

拉瓦尔喷口是实现超音速气流的关键部件。拉瓦尔喷头收缩段形状采用Witozinsky曲线设计，其主要特点是入口处收缩较快，喉部收缩较缓，其性能与收缩段进出口面积比值以及形状有关，拉瓦尔结构喉部截面积受到进气压力限制；扩张段是实现气流超音速的部分，为降低摩擦损失和涡流损失，扩张段锥角宜取8°～12°，喷嘴关键几何结构尺寸如表2所示。

表2 拉瓦尔结构关键尺寸

在微量润滑加工中，切削液用量极少，一般情况下为10～50 ml/h，而压缩空气流量通常为60 mL/min以上，切削液用量远远小于气流量[13]，重点关注拉瓦尔结构气流的速度变化，故在数值仿真的过程中可忽略液相对气流的影响[14]。

3.2 求解方案验证

为验证拉瓦尔结构是否可获得超音速气流，根据表2中的尺寸建立拉瓦尔喷管三维模型，利用fluent流体仿真软件对喷嘴内流场数值仿真，分别取进气口压力P为0.2、0.4、0.6、0.8 MPa，所得拉瓦尔结构内流场速度分布云图如图3所示，不同进口压力下内流场轴向速度变化曲线图如图4所示。

图3 不同进口压力下内流场速度分布云图图4 不同进口压力下内流场轴向速度变化

由图3和图4可知，已知常温常压环境空气中当地声速为345 m/s，当P=0.2 MPa时，气体通过喉部后速度迅速升高至340 m/s以上，扩张段小部分区域处于超音速状态，由于气压和水压值接近，喷嘴内部压差较小，且由于能量损失及摩擦损失，在气体出口处速度降低至亚音速。当P=0.4 MPa时，扩张段大部分区域实现超音速，最大速度为525 m/s，射流最大速度可达1.52倍当地声速,出口处气流速度略微下降。随着进气口压力继续增大，结构内绝大部分区域实现超音速，压力为0.6 MPa及0.8 MPa时，气流速度变化不明显。综上可得当压缩空气通过拉瓦尔结构后，气流速度增大至超音速，而空气助力喷嘴气液相之间存在较大的速度差是雾化的必要条件，故拉瓦尔结构可显著促进液滴碎裂，有利于喷嘴雾化性能的提高。