基于EDEM 的齒爪粉碎機(jī)玉米粉碎仿真分析

■賈振超 張宗超 李寒松 孔凡祝 武文璇 慈文亮

（山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250100）

粉碎是農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中一種重要的加工形式，粉碎機(jī)是各農(nóng)產(chǎn)品加工工業(yè)中應(yīng)用的主要設(shè)備之一。粉碎機(jī)的種類較多，按照結(jié)構(gòu)可以分為錘片式、勁錘式、對(duì)輥式和齒爪式[1]，其中齒爪粉碎機(jī)廣泛應(yīng)用于玉米、大米、辣椒等農(nóng)產(chǎn)品加工制備中。目前，對(duì)于粉碎機(jī)的研究多集中在錘片式、對(duì)輥式[2-3]粉碎機(jī)，而針對(duì)齒爪粉碎機(jī)的研究較少，缺少對(duì)齒爪粉碎機(jī)物料粉碎篩選的整體性研究。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，離散元仿真技術(shù)越來(lái)越多的運(yùn)用到粉碎的研究中[4-5]，通過(guò)離散元軟件EDEM可以收集更多有效的參數(shù)信息，對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、受力及接觸情況等信息，軟件可以通過(guò)圖表等形式直觀呈現(xiàn)?；诖?，本課題組結(jié)合離散元理論，將粉碎物料視為離散體，利用EDEM離散元分析軟件模擬粉碎腔內(nèi)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，總結(jié)粉碎規(guī)律，為粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 仿真建模

1.1 粉碎設(shè)備模型建立

本次研究以萬(wàn)能齒爪粉碎機(jī)FS320型號(hào)為研究對(duì)象，如圖1所示，物料通過(guò)入料口進(jìn)入粉碎室，經(jīng)過(guò)錘頭打擊及與齒爪、篩網(wǎng)的碰撞、摩擦實(shí)現(xiàn)物料的粉碎，粉碎后的目標(biāo)物料經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)篩出，錘頭與齒爪交錯(cuò)分布。

結(jié)合萬(wàn)能齒爪粉碎機(jī)FS320 型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，為了降低仿真分析計(jì)算量，減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，在不影響仿真質(zhì)量的前提下，借助SolidWorks 僅對(duì)粉碎機(jī)頭建立三維模型。如圖2所示，除了關(guān)鍵部件錘頭、篩網(wǎng)、齒爪、機(jī)殼，其余結(jié)構(gòu)對(duì)于仿真分析結(jié)果無(wú)影響，做簡(jiǎn)化處理，篩網(wǎng)數(shù)?？讖竭x擇1 mm 大小，并且按照?qǐng)A周均分為6部分。篩網(wǎng)內(nèi)部腔體為粉碎部分，粉碎后的物料顆粒從篩網(wǎng)直接篩出。

圖1 FS320型號(hào)粉碎機(jī)

圖2 粉碎機(jī)三維模型

1.2 玉米顆粒建模

本次研究借助離散元軟件EDEM 中Hertz-Mind?lin with bonding built-in 功能構(gòu)建玉米顆粒黏結(jié)模型。黏結(jié)模型是EDEM中的重要功能，它可以通過(guò)黏結(jié)鍵將顆粒黏結(jié)在一起，當(dāng)黏結(jié)鍵所承受的切向力和法向力超過(guò)極限值時(shí)，該黏結(jié)鍵斷裂，顆粒之間分離，從而實(shí)現(xiàn)物料粉碎[6]。因此將玉米設(shè)定成由細(xì)小顆粒通過(guò)Bonding 鍵黏在一起，模擬相應(yīng)的內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，設(shè)定其法向剛度、切向剛度、臨界法向應(yīng)力、臨界切向應(yīng)力四個(gè)參數(shù)[7]，選擇在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)讓顆粒之間生成黏結(jié)鍵。

根據(jù)現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，選擇玉米顆粒的平均尺寸構(gòu)建玉米外形，利用EDEM軟件的快速生成顆粒的功能填充玉米模型，其中填充公式[8]如下：

式中：α——填充體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，取值為0.56；

VReal——被填充的玉米模型體積(mm3)；

N——填充小顆粒數(shù)量(個(gè))；

VFraction——填充小顆粒體積(mm3)；

R——小顆粒半徑(mm)。

顆粒直徑為0.85 mm，根據(jù)公式推算和實(shí)際調(diào)試，在玉米模型內(nèi)部生成625 個(gè)目標(biāo)小顆粒，可生成效果較為良好的玉米模型。采集目標(biāo)顆粒的XYZ 位置參數(shù)，編譯API用于快速替換生成由目標(biāo)小顆粒生產(chǎn)的玉米模型，隨后生成顆粒黏結(jié)鍵實(shí)現(xiàn)玉米模型的塑造。設(shè)置玉米的相關(guān)接觸參數(shù)、黏結(jié)參數(shù)。針對(duì)玉米的相關(guān)參數(shù)研究較多，根據(jù)玉米的品種、水分含量等因素略有不同，本研究通過(guò)查找國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[9-11]，確定其相關(guān)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

1.3 前處理

在EDEM 軟件中通過(guò)Bulk Material 選項(xiàng)定義玉米目標(biāo)顆粒的各屬性參數(shù)，設(shè)置兩種顆粒whole 和fraction，其中whole顆粒為被替換顆粒，fraction顆粒為替換顆粒。導(dǎo)入幾何數(shù)模，在Geometry選項(xiàng)中定義粉碎機(jī)相關(guān)的幾何部件材料均為不銹鋼材料。在篩網(wǎng)內(nèi)部建立虛擬幾何體并設(shè)置為顆粒工廠，由于最終目標(biāo)顆粒粒徑較小，幾何模型較大，為了降低計(jì)算量，顆粒工廠生成總數(shù)設(shè)定為10 顆，生成10 顆whole 顆粒，然后通過(guò)快速替換功能將生成的10 個(gè)whole 顆粒替換為由625個(gè)fraction顆粒黏結(jié)而成的玉米顆粒，總顆粒數(shù)為6 250。如圖3所示。

錘頭幾何體增加Linear Rotation 運(yùn)動(dòng)功能，以軸心為基準(zhǔn)模擬錘頭旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，從0.6 s開(kāi)始，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度分別為3 900 r/min 和4 500 r/min 兩種工況進(jìn)行對(duì)比。為了進(jìn)一步分析篩網(wǎng)與粉碎物料的接觸問(wèn)題，將篩網(wǎng)按照角度均分為6部分，如圖4所示。重力方向設(shè)定為粉碎機(jī)頭下料口方向，重力加速度大小為9.8 m/s2。為了保證仿真效果的連續(xù)性，設(shè)置仿真時(shí)間步長(zhǎng)為8.58×10-7s,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔0.01 s，總時(shí)長(zhǎng)為6 s，網(wǎng)格尺寸為0.85 mm，網(wǎng)格總數(shù)約為3.92×107個(gè)，點(diǎn)擊開(kāi)始進(jìn)行仿真運(yùn)算并獲得結(jié)果。

圖3 玉米黏結(jié)顆粒

圖4 篩網(wǎng)分布

2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后通過(guò)EDEM 后處理功能對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。從仿真的過(guò)程圖像中看到，玉米黏結(jié)顆粒隨機(jī)分布于篩網(wǎng)底部，與錘頭初次接觸的玉米黏結(jié)顆粒受到?jīng)_擊后發(fā)生破碎，如圖5所示。由于錘篩間隙以及粉碎室內(nèi)死角的存在，在初始情況下部分玉米黏結(jié)顆粒未受到錘頭沖擊，結(jié)構(gòu)較為完整。部分破碎的玉米黏結(jié)顆粒分裂為數(shù)塊，同時(shí)在與篩網(wǎng)的接觸中還有表面顆粒磨損的現(xiàn)象。隨后的粉碎中玉米黏結(jié)顆粒全部受到錘頭碰撞實(shí)現(xiàn)完全粉碎，最后階段僅剩目標(biāo)顆粒圍繞篩網(wǎng)旋轉(zhuǎn)篩出。

整個(gè)粉碎過(guò)程主要分布在篩網(wǎng)內(nèi)部，為了采集有效區(qū)域的數(shù)據(jù)信息，以篩網(wǎng)內(nèi)側(cè)為邊界設(shè)置網(wǎng)格組（Grid Bin Group），對(duì)整個(gè)粉碎過(guò)程中的顆粒相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。顆粒黏結(jié)鍵的數(shù)量代表玉米黏結(jié)顆粒的破碎程度，對(duì)比不同轉(zhuǎn)速粉碎過(guò)程中的黏結(jié)鍵數(shù)量隨時(shí)間變化曲線，如圖6～圖7所示。

圖5 玉米粉碎仿真圖

兩種工況下初始黏結(jié)鍵總數(shù)量為24 590，前期粉碎效率較高，單位時(shí)間內(nèi)斷裂的黏結(jié)鍵變化較大，相對(duì)于3 900 r/min轉(zhuǎn)速，4 500 r/min轉(zhuǎn)速的工況下顆粒黏結(jié)鍵的粉碎速率更快，分別在大約1.9 s 和1.2 s 時(shí)實(shí)現(xiàn)所有顆粒黏結(jié)鍵的斷裂。隨著粉碎過(guò)程的進(jìn)行黏結(jié)鍵數(shù)量隨時(shí)間均勻遞減，直至完全破碎。結(jié)合圖表，進(jìn)一步說(shuō)明粉碎初始時(shí)錘頭未能擊中全部玉米黏結(jié)顆粒，隨著粉碎的進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)中的顆粒在旋轉(zhuǎn)時(shí)碰撞其他靜止顆粒，帶動(dòng)其脫離死角位置并與錘頭相撞，高速旋轉(zhuǎn)的錘頭可以提高破碎幾率。 錘頭在接觸到物料時(shí)粉碎效果突出，黏結(jié)鍵斷裂數(shù)量明顯，同時(shí)，黏結(jié)顆粒與篩網(wǎng)的碰撞也是破碎的關(guān)鍵，說(shuō)明最大限度的確保物料與粉碎錘頭正面接觸碰撞、合理設(shè)計(jì)錘篩間隙有助于提升粉碎效率。

在物料篩分過(guò)程中最理想的狀況是目標(biāo)顆粒粒徑小于等于篩孔孔徑，物料全部透篩過(guò)去，而實(shí)際中由于物料與物料碰撞以及物料與篩網(wǎng)碰撞，導(dǎo)致部分目標(biāo)物料無(wú)法及時(shí)從篩孔篩出[12-13]。目標(biāo)顆粒的篩出情況與篩網(wǎng)的接觸次數(shù)有關(guān)，與篩網(wǎng)的接觸次數(shù)越多，從篩孔篩出的概率越大。

篩網(wǎng)按照角度均分為6部分，錘頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在4 500 r/min 工況下，采集粉碎過(guò)程中顆粒與6 部分篩網(wǎng)的接觸情況，根據(jù)黏結(jié)鍵斷裂數(shù)目隨時(shí)間的變化關(guān)系，對(duì)比每部分的顆粒與篩網(wǎng)的接觸數(shù)據(jù)。如圖8～圖13所示，總體上隨著時(shí)間推移，顆粒與各部分篩網(wǎng)的接觸次數(shù)逐漸減少，應(yīng)該與目標(biāo)顆粒的不斷篩出有關(guān)，對(duì)比分析各篩網(wǎng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)篩圈在顆粒篩出過(guò)程中篩分效果隨著部位不同而有所差別。第一次碰撞發(fā)生在0.6 s 處，目標(biāo)顆粒因?yàn)轲そY(jié)鍵的破裂而瞬間增多，首先在3 號(hào)和4 號(hào)篩網(wǎng)處達(dá)到峰值，接觸次數(shù)分別為225 次和269 次，這是由于3、4 號(hào)篩網(wǎng)位于底部，處于碰撞的初始位置，同時(shí)由于錘頭的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向，使得4 號(hào)篩網(wǎng)接觸到粉碎后的目標(biāo)顆粒更多。按時(shí)間推移，5號(hào)、6號(hào)篩網(wǎng)隨后達(dá)到目標(biāo)顆粒接觸次數(shù)峰值，數(shù)量下降到150 左右，說(shuō)明在目標(biāo)顆粒隨篩網(wǎng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中有大量顆粒篩出。

圖6 3 900 r/min轉(zhuǎn)速工況下黏結(jié)鍵數(shù)量隨時(shí)間變化曲線

圖7 4 500 r/min轉(zhuǎn)速工況下黏結(jié)鍵數(shù)量隨時(shí)間變化曲線

1號(hào)篩網(wǎng)顆粒接觸次數(shù)隨時(shí)間分布顯示其數(shù)值較小，峰值僅為96，且出現(xiàn)在玉米黏結(jié)顆粒完全粉碎之后。分析原因，是由于前期經(jīng)過(guò)的篩網(wǎng)篩分出了大量的目標(biāo)顆粒，致使旋轉(zhuǎn)到1號(hào)篩網(wǎng)時(shí)所接觸的顆粒數(shù)量較少。其次，根據(jù)仿真結(jié)果分析，顆粒受到錘頭沖擊后，瞬間獲得沖擊動(dòng)能，伴隨著高速飛出，沿篩網(wǎng)內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，作用在顆粒上的離心力大于重力影響，顆粒在篩網(wǎng)上發(fā)生多次碰撞，每次碰撞都會(huì)損失能量，能量損失后速度減小，受重力影響而下落，因此顆粒在1 號(hào)篩網(wǎng)位置處接觸次數(shù)減少，從而導(dǎo)致2 號(hào)篩網(wǎng)的目標(biāo)顆粒接觸次數(shù)與1號(hào)篩網(wǎng)相比較多。

圖8 1號(hào)篩網(wǎng)顆粒接觸次數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖9 2號(hào)篩網(wǎng)顆粒接觸次數(shù)隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

①粉碎室內(nèi)的粉碎效率隨著粉碎機(jī)頭的轉(zhuǎn)速增大而升高，顆粒在粉碎過(guò)程中除了受到錘頭的有效沖擊破碎作用外，與篩網(wǎng)的接觸碰撞也會(huì)產(chǎn)生粉碎效果。適當(dāng)提高錘頭轉(zhuǎn)速不僅能夠提高錘頭與粉碎室內(nèi)顆粒的碰撞頻率，同時(shí)可以提供目標(biāo)顆粒更大的沖擊動(dòng)能，提高其運(yùn)動(dòng)速度，促使其與篩網(wǎng)充分接觸，便于目標(biāo)顆粒篩出。

圖10 3號(hào)篩網(wǎng)顆粒接觸次數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖11 4號(hào)篩網(wǎng)顆粒接觸次數(shù)隨時(shí)間變化曲線

②篩網(wǎng)作用面積受顆粒碰撞位置以及轉(zhuǎn)速的影響。在無(wú)外部氣壓影響出料的情況下，圓周篩網(wǎng)的作用面積隨角度分布各有不同，面向以錘頭順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，篩網(wǎng)與顆粒接觸較多的面積分布在120°到240°之間，0°到60°篩網(wǎng)與顆粒接觸較少，為快速出料可以對(duì)粉碎室以及篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)做針對(duì)性設(shè)計(jì)，例如增加氣壓抽料輔助等方式。

③EDEM 離散元軟件能夠較好的模擬物料粉碎情況，為研究物料粉碎工藝以及粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)良好的輔助功能。

圖12 5號(hào)篩網(wǎng)顆粒接觸次數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖13 6號(hào)篩網(wǎng)顆粒接觸次數(shù)隨時(shí)間變化曲線

[5] 張瑞新,劉煜,鄭群飛,等. 基于EDEM 的雙齒輥破碎機(jī)破碎效率影響因素仿真分析[J]. 金屬礦山, 2018(2):154-159.

[6] 鄧榮根. 基于離散元超細(xì)混合及粉碎的仿真[D]. 上海：華東理工大學(xué), 2013.

[7] 雷強(qiáng). 基于離散元的物料破碎機(jī)理研究[D]. 贛州：江西理工大學(xué), 2012.

[8] 王美美,王萬(wàn)章,楊立權(quán),等. 基于EDEM 的玉米子粒建模方法的研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2018(1):80-84.

[9] 王美美,王萬(wàn)章,楊立權(quán),等. 基于響應(yīng)面法的玉米籽粒離散元參數(shù)標(biāo)定[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2018(3):111-117.

[10] 楊玉芬,張永麗,張本華,等. 典型玉米種子籽粒的靜壓破損試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2008(7):149-151.

[11] 張燁,方壯東,鄭菲,等. 玉米擠壓特性與ANSYS 仿真分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018(6):196-199.

[12] 江海深,趙躍民,張博,等. 基于DEM的篩面與物料特性在篩分過(guò)程中協(xié)同作用的研究[J]. 礦山機(jī)械, 2014(1):83-87.

[13] 曹麗英,楊左文. 基于EDEM 對(duì)新型錘片式粉碎機(jī)篩網(wǎng)改進(jìn)的驗(yàn)證[J]. 飼料工業(yè), 2018(3):16-19.