基于EDEM的小型立式粉碎機(jī)粉碎刀具優(yōu)化與研究

邢志中，張海東，王 孟，陳 騰，郭小軍，翟超男

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201)

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基于EDEM的小型立式粉碎機(jī)粉碎刀具優(yōu)化與研究

邢志中，張海東*，王 孟，陳 騰，郭小軍，翟超男

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201)

摘要[目的]提高小型立式粉碎機(jī)的粉碎性能。[方法]對(duì)小型立式粉碎機(jī)、大豆進(jìn)行實(shí)體測(cè)量，建立其EDEM模型，提出粉碎刀具的優(yōu)化方案，以仿真時(shí)間1.01～1.10 s內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值、碰撞次數(shù)總和作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比優(yōu)化前后的粉碎刀具性能，并重復(fù)3次仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化的正確性。[結(jié)果]優(yōu)化后粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值、碰撞次數(shù)總和均大于原始粉碎機(jī)內(nèi)顆粒，其顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值最大值為0.007 7 J，碰撞次數(shù)總和最大值為738次。[結(jié)論]優(yōu)化后粉碎刀具性能明顯優(yōu)于優(yōu)化前粉碎刀具性能，該研究可為其他粉碎機(jī)粉碎刀具的改進(jìn)提供理論參考。

關(guān)鍵詞EDEM；粉碎機(jī)；刀具；優(yōu)化

隨著現(xiàn)代食品工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)食品細(xì)化程度的要求越來(lái)越高[1-3]。例如，一些動(dòng)植物體的不可食部分(如骨)、殼(如蛋殼)、蝦皮等可通過(guò)粉碎技術(shù)而成為易被人體吸收、利用的鈣源和甲殼素；巧克力配料粒度的細(xì)化使巧克力具有細(xì)膩滑潤(rùn)的良好口感；還有調(diào)味品加工中微粉食品的巨大孔隙率造成集合孔腔，可吸收香氣經(jīng)久不散[4]。提高粉碎效率、降低能耗、不斷改進(jìn)超細(xì)粉碎設(shè)備對(duì)促進(jìn)食品粉碎行業(yè)的蓬勃發(fā)展具有十分重要的意義。

EDEM作為全球首個(gè)多用途離散元素法建模軟件，已在礦山、化工、散粒體輸送、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[5-6]。李洪昌等[7]利用EDEM軟件仿真振動(dòng)篩的工作過(guò)程，結(jié)果表明隨著振動(dòng)篩振幅以及頻率的增大，所篩選的物料沿篩面后移的速度也隨之增大，并且在振幅為40 mm、頻率為6 Hz時(shí)出現(xiàn)了篩分損失。楊公波等[8]應(yīng)用EDEM軟件對(duì)不同斗輪轉(zhuǎn)速下的斗輪機(jī)進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明隨著斗輪轉(zhuǎn)速的增加，挖掘阻力也隨之增加，并且在重力式卸料轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速為5 r/min卸料的效果最好。賈富國(guó)等[9]采用離散元軟件EDEM分析了糙米勻料盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行條件對(duì)料層厚度均勻性的影響，結(jié)果表明進(jìn)料量對(duì)糙米的分布影響顯著，而勻料盤(pán)對(duì)其影響不顯著，并且勻料盤(pán)的最佳轉(zhuǎn)速為183 r/min。目前，有關(guān)EDEM軟件在立式粉碎機(jī)優(yōu)化中的應(yīng)用研究尚未見(jiàn)報(bào)道，鑒于此，筆者將小型立式粉碎機(jī)內(nèi)的刀具進(jìn)行優(yōu)化，采用EDEM軟件對(duì)刀具優(yōu)化前后粉碎機(jī)內(nèi)的顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值、碰撞次數(shù)總和進(jìn)行比較，探討優(yōu)化刀具對(duì)提高粉碎機(jī)性能的可行性，以期為立式粉碎機(jī)的優(yōu)化提供一種新思路，并為今后的實(shí)際生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1立式粉碎機(jī)模型對(duì)小型立式粉碎機(jī)(圖1)進(jìn)行測(cè)量，獲得其幾何尺寸，對(duì)其進(jìn)行建模。由于EDEM軟件仿真當(dāng)中只需要建立顆粒體與幾何體接觸的部分來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算，并且為減輕計(jì)算機(jī)運(yùn)算量和縮短計(jì)算時(shí)間，因此將立式粉碎機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。在UG軟件中建立其三維模型，另存為prt格式，用于后續(xù)仿真將其三維模型導(dǎo)入到EDEM軟件當(dāng)中。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型截圖如圖2所示。

圖1　小型立式粉碎機(jī)Fig.1　Small vertical mill

圖2　粉碎機(jī)內(nèi)部模型截圖 Fig.2　Internal screenshot of grinder model

1.2顆粒模型鑒于大豆顆粒的離散特性，該研究選用大豆品種“中黃39”為研究對(duì)象。采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量其長(zhǎng)、寬、高。共測(cè)量800顆，并根據(jù)公式計(jì)算每顆大豆的等效直徑與球形率。計(jì)算公式分別為：

(1)

φ=D/a×100%

(2)

式中，D為等效直徑，單位為mm；φ為球形率，單位為%；a、b、c分別為大豆長(zhǎng)度、寬度、高度，單位均為mm。

大豆群體的三維尺寸、等效直徑及球形率結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，大豆的球形率均值已接近98%，故采用EDEM軟件仿真分析小型立式粉碎機(jī)時(shí)，可將大豆顆?？醋髑蝮w。

表1　大豆群體的三維尺寸、等效直徑及球形率

1.3軟件仿真與粉碎刀具的優(yōu)化設(shè)置顆粒與幾何體、顆粒與顆粒之間的接觸模型為Hertz-Mindlin(no slip)built-in。將材料庫(kù)導(dǎo)入到EDEM軟件中，根據(jù)材料庫(kù)及文獻(xiàn)[10-11]設(shè)置全局變量參數(shù)(表2)。

表2　全局變量參數(shù)

注：大豆密度采用排水法進(jìn)行測(cè)定。

Note：Soybean density was detected by drainage method.

在顆粒模塊中，將大豆設(shè)置為球體，之后將UG軟件建立的粉碎機(jī)三維模型導(dǎo)入到EDEM中。添加顆粒工廠，命令其為虛擬，于1×10-12s內(nèi)生成100顆中等大小的大豆，其大小采用正態(tài)分布生成，參照表1設(shè)置等效直徑平均值為3.442 5 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.097 mm。在求解器當(dāng)中設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)百分比為20%，仿真時(shí)間總長(zhǎng)4.00 s。圖3為仿真時(shí)間0.70 s時(shí)大豆顆粒在粉碎機(jī)內(nèi)的狀態(tài)。由圖3可以看出，顆粒在粉碎機(jī)運(yùn)行前，已經(jīng)基本靜止穩(wěn)定，因此，粉碎機(jī)于1.00 s開(kāi)始工作，1.00～3.00 s為刀具粉碎顆粒時(shí)間，除此之外，設(shè)置數(shù)據(jù)寫(xiě)出頻率為0.01 s，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為最小大豆半徑的2倍。

圖3　0.70 s粉碎機(jī)內(nèi)顆粒狀態(tài)Fig.3　Particle state in shredder at 0.70 s

大豆在粉碎機(jī)內(nèi)主要依靠刀具、粉碎內(nèi)腔以及顆粒間的撞擊、摩擦、剪切等方式達(dá)到粉碎的效果，為加強(qiáng)刀具的粉碎性能，對(duì)粉碎機(jī)內(nèi)的刀具進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后的刀具三維模型如圖4、5所示。

圖4　原始刀具模型Fig.4　The original tool model

圖5　優(yōu)化后星形刀具模型Fig.5　The improved star model of tools

1.4仿真試驗(yàn)在粉碎機(jī)內(nèi)，顆粒的碰撞包括顆粒與刀具、顆粒與內(nèi)壁以及顆粒之間的相互碰撞，其碰撞次數(shù)越多，粉碎效果越好。利用離散元軟件EDEM后處理器的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能對(duì)刀具優(yōu)化前后粉碎機(jī)內(nèi)顆粒在仿真時(shí)間為1.00～1.10 s的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值及顆粒碰撞次數(shù)總和進(jìn)行對(duì)比，繪制相關(guān)圖表。

1.5仿真試驗(yàn)驗(yàn)證依照首次軟件仿真流程，所有參數(shù)設(shè)置不變，分別在優(yōu)化前后粉碎機(jī)內(nèi)生成100顆中等大小大豆，對(duì)比1.01～1.10 s時(shí)間段內(nèi)優(yōu)化前后粉碎機(jī)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值以及碰撞次數(shù)總和。其中旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值的計(jì)算方法為：對(duì)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值的數(shù)值求和，再除以時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù)。重復(fù)3次，輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)繪制圖表。2結(jié)果與分析

2.1仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析由圖6可以看出，在1.04 s這一時(shí)間點(diǎn)，星形刀具粉碎機(jī)內(nèi)顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值略大于原始粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值。其余各時(shí)間點(diǎn)，星形刀具粉碎機(jī)內(nèi)顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值均明顯大于原始粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值。

圖6　優(yōu)化前后粉碎機(jī)內(nèi)顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值Fig.6　Mean of particle rotational kinetic energy in shredder before and after improvement

由圖7看以看出，在1.04與1.07 s 這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)，星形刀具粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的碰撞次數(shù)小于原始粉碎機(jī)內(nèi)顆粒碰撞次數(shù)，1.05 s這一時(shí)間點(diǎn)，兩者相等。其余各時(shí)間點(diǎn)，星形刀具粉碎機(jī)內(nèi)顆粒碰撞次數(shù)均大于原始粉碎機(jī)內(nèi)顆粒碰撞次數(shù)。對(duì)各時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的碰撞次數(shù)求和，結(jié)果表明，在1.00～1.10 s時(shí)間段內(nèi)，星形刀具粉碎機(jī)內(nèi)顆粒碰撞次數(shù)總和為635，在原始粉碎機(jī)內(nèi)其值為541?？梢?jiàn)，優(yōu)化刀具后的粉碎機(jī)的顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值及碰撞次數(shù)總和均明顯優(yōu)于原始粉碎機(jī)。

圖7　優(yōu)化前后粉碎機(jī)內(nèi)顆粒碰撞次數(shù)Fig.7　Particle collision frequency in shredder before and after improvement

2.2仿真試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與分析由圖8可以看出，3次重復(fù)的星形刀具粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值均遠(yuǎn)大于原始粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值。顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值最大值、最小值均出現(xiàn)在第1次重復(fù)，分別為0.007 7、0.004 0 J。

圖8　粉碎機(jī)內(nèi)顆粒旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值Fig.8　Mean of rotational kinetic energy in shredder

由圖9可以看出，3次重復(fù)的星形刀具粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的碰撞次數(shù)總和均遠(yuǎn)大于原始粉碎機(jī)內(nèi)顆粒碰撞次數(shù)總和。顆粒碰撞次數(shù)總和的最大值、最小值均出現(xiàn)在第1次重復(fù)，分別為738、560次。

圖9　粉碎機(jī)內(nèi)顆粒碰撞次數(shù)總和Fig.9　The sum of total particle collision frequency in the mill

3結(jié)論

該研究通過(guò)利用離散元軟件EDEM對(duì)刀具優(yōu)化前后的粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值及碰撞次數(shù)總和進(jìn)行分析，得出星形粉碎刀具的粉碎性能優(yōu)于原始刀具的結(jié)果；進(jìn)行了3次重復(fù)仿真試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，結(jié)果表明：優(yōu)化刀具后粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值、碰撞次數(shù)總和均大于原始粉碎機(jī)內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值、碰撞次數(shù)總和，其結(jié)果與首次仿真結(jié)果一致。旋轉(zhuǎn)動(dòng)能均值最大值為0.007 7 J，碰撞次數(shù)總和最大值為738次。

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基金項(xiàng)目云南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行動(dòng)(2016ZKX121)。

作者簡(jiǎn)介邢志中(1991- )，男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械及設(shè)施。*通訊作者，副教授，博士，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械及其自動(dòng)化研究。

收稿日期2016-04-18

中圖分類號(hào)S 22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)15-267-04

Optimization and Research of Grinding Tool for Small Vertical Mill Based on EDEM

XING Zhi-zhong, ZHANG Hai-dong*, WANG Meng et al

(College of Mechanical & Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

Abstract[Objective] To improve the crushing performance of small vertical crusher. [Method] Small vertical mill and soybean were physically measured so as to establish EDEM model. The optimization scheme of tool grinding was proposed. With the mean of rotational kinetic energy of 1.01-1.10 s particles and the collision number sum as the indexes, grinding tool performance was compared before and after optimization. Simulation experiment was carried out for three times; and the correctness of optimization was verified. [Result] After optimization, the mean of rotational kinetic energy of 1.01-1.10 s particles and the collision number sum were both greater than those of particles in the original mill. The mean maximum of particle rotational kinetic energy was 0.007 7 J; the maximum value of the sum of collision times reached 738. [Conclusion] After optimization, the performance of the grinding tool is obviously better than that of the former. This research provides theoretical references for the improvement of the grinding tool.

Key wordsEDEM; Pulverizer; Tool; Optimization