錘片式粉碎機(jī)的回料管優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

■曹麗英 李燕燕 張玉寶 李樹彥

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

錘片式飼料粉碎機(jī)是一種沖擊式粉碎設(shè)備,因其通用性廣、粉碎質(zhì)量好、傳動(dòng)連接方式靈活、空載啟動(dòng)迅速、對飼料的溫度敏感性弱、占地面積較小、使用維修方便和生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外飼料加工行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的錘片式粉碎機(jī)由于粉碎室內(nèi)存在物料環(huán)流層，即在離心力的作用下，小顆粒物料處于內(nèi)層，大顆粒物料處于外層，堵住了篩孔，一些粉碎到符合粒度的物料沒能及時(shí)排除，被重復(fù)無效粉碎，從而導(dǎo)致電耗增加、物料被過度粉碎、物料升溫較大、工作部件磨損嚴(yán)重等問題。

要從根本上解決傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)存在的問題，破壞粉碎室內(nèi)物料環(huán)流層是關(guān)鍵。與傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)相比，課題組所研究的新型篩分原理的錘片式粉碎機(jī)的粉碎室內(nèi)安裝齒板而不是篩片，而在分離裝置出口處安裝篩片，并在出料口內(nèi)側(cè)設(shè)置回料管，達(dá)到粒度要求的顆粒將透篩，未透篩的大顆粒則在自重和粉碎室內(nèi)中心負(fù)壓的作用下沿回料管回到粉碎室進(jìn)行再次粉碎。新型錘片式粉碎機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 新型篩分原理錘片式粉碎機(jī)工作原理

通過對新型錘片式粉碎機(jī)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，回料管內(nèi)部負(fù)壓過大或過小都會(huì)使粉碎機(jī)回料量增加，物料分離效率降低。但是一直沒有準(zhǔn)確獲得負(fù)壓大小與物料分離效率之間的定量關(guān)系。為此，通過流體力學(xué)軟件FLUENT對粉碎機(jī)的分離裝置和回料裝置內(nèi)部氣-固兩相流場做三維數(shù)值模擬分析，采用Matlab軟件對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，建立回料管負(fù)壓與分離裝置出口出料量之間的函數(shù)關(guān)系式，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其正確性，并得到分離性能最佳時(shí)回料管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 模型的建立

采用建模軟件Pro/e建立錘片式粉碎機(jī)分離裝置和回料管的三維幾何模型。模擬中所用的主要設(shè)計(jì)參數(shù)取自新型篩分原理錘片式粉碎機(jī)樣機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 建模參數(shù)

將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS/FLUENT進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格采用適應(yīng)性較好的四面體和六面體網(wǎng)格，并采用分塊結(jié)構(gòu)化、局部加密的方法和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)進(jìn)行劃分網(wǎng)格。生成網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格

1.2 邊界條件定義及求解

粉碎機(jī)進(jìn)料口設(shè)為速度入口，出料口和回料管出口設(shè)為壓力出口，氣相和顆粒相速度均為10 m/s，出料口壓力為0。壁面采用無滑移邊界條件，且沒有熱交換。采用歐拉模型，固相顆粒采用積濃度10%的玉米顆粒，顆粒粒徑為1 mm，連續(xù)相設(shè)為空氣?？諝獾膭?dòng)力黏度為14.8×106m2/s,矩形入口的長和寬分別為259 mm和148 mm，當(dāng)入口流體速度為10 m/s時(shí)，可計(jì)算出Re＞4 000，所以分離裝置和回料管內(nèi)流體流動(dòng)為湍流，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其他條件保持默認(rèn)設(shè)置。具體參數(shù)如表2所示。

表2 模擬參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 回料管不同負(fù)壓下分離裝置內(nèi)物料濃度分布

回料管出口處壓強(qiáng)分別為-100、-400、-700、-1 000 Pa時(shí)粉碎機(jī)分離裝置和回料裝置內(nèi)固相濃度分布情況如圖3所示。

由圖3可以看出，其他條件相同時(shí)，當(dāng)回料口壓強(qiáng)為-100 Pa時(shí)，回料管內(nèi)物料濃度明顯低于其它三種情況，回料現(xiàn)象不明顯。當(dāng)回料口壓強(qiáng)為-500 Pa時(shí)，分離裝置出口物料明顯濃度高于其他三種情況，回料現(xiàn)象較-100 Pa明顯。當(dāng)回料口壓強(qiáng)為-700 Pa時(shí)，分離裝置出口物料濃度較-500 Pa明顯降低，而回料量增加。當(dāng)回料口壓強(qiáng)達(dá)到-1 000 Pa時(shí)，分離裝置出口物料濃度幾乎為0，物料主要集中在回料口上方，且回料口有堵料現(xiàn)象。

圖3 回料管不同負(fù)壓下分離裝置內(nèi)物料濃度分布云圖

2.2 回料管負(fù)壓與分離裝置出料量函數(shù)關(guān)系

當(dāng)回料管出口處負(fù)壓不同時(shí)，分別對分離裝置出口的物料量進(jìn)行模擬，并利用Matlab優(yōu)化工具箱，采用三次多項(xiàng)式擬合方式，對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線如圖4所示。

由擬合曲線得到回料管內(nèi)部負(fù)壓P與分離裝置出口出料量M之間的函數(shù)關(guān)系式：

以出料量最大為目標(biāo)函數(shù)，使用Matlab軟件對三次多項(xiàng)式求最優(yōu)解可知：當(dāng)回料管出口負(fù)壓為-595.6 Pa時(shí)，新型篩分原理錘片式粉碎機(jī)的分離裝置內(nèi)出料量達(dá)到最大值為11.297 7 kg/s。

圖4 回料管出口壓力與分離裝置出口出料量擬合曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

玉米顆粒，新型錘片式粉碎機(jī)，數(shù)字壓力計(jì)，電子稱，步進(jìn)電機(jī)及變頻器等。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用多次測量取平均值的方法，每一次的實(shí)驗(yàn)中，喂料量均為750 g/次，調(diào)整變頻器的參數(shù)使回料口壓強(qiáng)分別達(dá)到預(yù)設(shè)壓力，待粉碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，進(jìn)行實(shí)際粉碎實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中收集篩下物和粉碎室中殘留物，粉碎實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行稱量和數(shù)據(jù)記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖5 新型篩分原理錘片式粉碎機(jī)

表3 回料管出口負(fù)壓與分離裝置出料量的對應(yīng)關(guān)系

圖6 回料管內(nèi)部負(fù)壓與出料量擬合曲線

從圖6可以看出，分離裝置出口的出料量隨回料管內(nèi)負(fù)壓增大呈先增后減變化，當(dāng)回料管內(nèi)負(fù)壓在-600 Pa附近時(shí)，分離裝置出料量達(dá)到最大。

3.3 回料管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

回料管出口負(fù)壓與回料管直徑大小對比關(guān)系如表4所示。

表4 回料管出口負(fù)壓與回料管直徑對應(yīng)關(guān)系

圖7 回料管內(nèi)部負(fù)壓與回料管直徑擬合曲線

從擬合曲線可以得到回料管直徑與回料管出口負(fù)壓大小的擬合系數(shù)。通過對回料管直徑與回料管出口壓的函數(shù)關(guān)系式求解可以得出：當(dāng)回料管為52.8 mm時(shí)，回料管內(nèi)部負(fù)壓達(dá)到-596 Pa，此時(shí)分離裝置出口出料量最大，分離效率最高。

4 結(jié)論

①利用FLUENT14.0，在回料管內(nèi)負(fù)壓不同的情況下，對新型錘片式粉碎機(jī)分離裝置和回料管內(nèi)部氣固兩相流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了回料管內(nèi)部負(fù)壓不同的情況下，分離裝置和回料管內(nèi)物料濃度分布狀況，回料管內(nèi)負(fù)壓對物料顆粒過篩的影響規(guī)律。

②使用Matlab對模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，得到了回料管負(fù)壓與分離裝置出口出料量之間的函數(shù)關(guān)系式，并求得出最優(yōu)解。當(dāng)回料管內(nèi)部負(fù)壓為-595.6 Pa時(shí)，分離裝置出口出料量最大。

③通過實(shí)驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明回料管負(fù)壓直徑為52.8 mm，回料管內(nèi)部負(fù)壓為-596 Pa時(shí)，分離裝置出口出料量達(dá)到最大，粉碎機(jī)的分離效率最高。

④研究中存在許多不足，如由于加工制造的誤差等原因，理論模型和實(shí)際模型存在著差距；物料在實(shí)際粉碎中的形狀是不規(guī)則的，為了簡化模擬，在模擬中將物料假設(shè)成均勻的球體，這勢必會(huì)給模擬帶來誤差，導(dǎo)致不能將真實(shí)的流場狀況再現(xiàn)；若能在實(shí)驗(yàn)研究中采用多因素正交試驗(yàn)的話，研究數(shù)據(jù)和結(jié)論會(huì)更有說服力。希望在以后的研究中彌補(bǔ)這些不足。

（參考文獻(xiàn)若干篇，刊略，需者可函索）