提高錘片式粉碎機篩分效率的研究

曹麗英 汪 陽 李春東 李 琦 李帥波 汪 飛

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

我國飼料工業(yè)正處于一個全新的發(fā)展階段[1]，飼料工業(yè)的發(fā)展水平已成為衡量現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展程度的重要指標(biāo)[2]。粉碎是飼料工業(yè)中的重要環(huán)節(jié)之一，粉碎效果影響飼料加工的成本和質(zhì)量，飼料粉碎機是飼料加工的主要設(shè)備[3]。在生產(chǎn)中，錘片式粉碎機的現(xiàn)存缺點主要有粉碎能耗高、篩分效率低、噪聲大、物料被過粉碎、飼料溫升快、錘片和篩網(wǎng)磨損嚴(yán)重等[4]。數(shù)值模擬法相比較來說成本低，周期短，對于復(fù)雜的流場研究成效顯著，結(jié)果準(zhǔn)確性高，在現(xiàn)代研究中被廣泛使用[5]。

本課題組研發(fā)了一款新型錘片式飼料粉碎機，在前期研究中發(fā)現(xiàn)篩分效率低的問題[6-10]，多數(shù)研究為了解決這一問題，對粉碎機每一部分進行了優(yōu)化，但是各自的研究是單獨進行，沒有綜合考慮且局限于Fluen 多相流分析[6-10]。因此有必要進一步研究，本文采用EDEM-Fluent 耦合的方法[11]對粉碎機工作過程中的顆粒相和流體相進行三維數(shù)值模擬，在研究顆粒在流場中運動的同時兼顧力學(xué)特性，更準(zhǔn)確地得到顆粒在粉碎機中的行為信息，并采用正交試驗法對回料管直徑、喂料速率和喂料量三種因素進行研究，找到了最優(yōu)的喂料速率、喂料量和回料管直徑，進而提高了錘片式粉碎機的篩分效率。

1 平臺搭建與有限元仿真

1.1 試驗系統(tǒng)的搭建

本文中試驗所用到的設(shè)備包括：錘片式粉碎機、高速攝影機、電子秤和計算機；試驗所用的玉米顆粒來自內(nèi)蒙古包頭2018 年的黃玉米顆粒，搭建試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 粉碎試驗系統(tǒng)

1.2 有限元模型建立

利用Solid Works 軟件按照粉碎機實際尺寸繪制幾何模型，并對粉碎機進行簡化，只保留與內(nèi)部流道相關(guān)的外部殼體，進料口與出料口處的其他部件進行密封，將粉碎機轉(zhuǎn)軸和錘片作為整體，軸中去除多余的過渡部分，用圓柱實體代替。將三維模型導(dǎo)入AN?SYS-SCDM 中進行體積抽取，采用ICEM 進行網(wǎng)格劃分，考慮到該模型較為復(fù)雜，劃分的網(wǎng)格使用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將粉碎機劃分為動區(qū)域與靜區(qū)域兩部分，粉碎機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子錘片部分作為動區(qū)域；其他部分作為靜區(qū)域生成網(wǎng)格。如圖2所示。

1.3 邊界條件和求解設(shè)置

本文選取錘片式粉碎機內(nèi)部流動空間作為計算區(qū)域，采用EDEM-Fluent耦合方法[11]，在Fluent中模擬流體相得到結(jié)果，在EDEM 中模擬顆粒相運動結(jié)果，F(xiàn)luent和EDEM以一定模型進行動量傳遞[12-14]，流體為空氣，選取標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，將轉(zhuǎn)動區(qū)域設(shè)置成動參考系，按照實際的工作狀況，轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，選擇SIMPLE算法，壓力離散插值方式選取標(biāo)準(zhǔn)方式，采用基于一階迎風(fēng)格式的有限體積法進行動量、湍動能以及湍流耗散率進行數(shù)值模擬。在劃分網(wǎng)格的過程中，對粉碎機的邊界條件進行設(shè)置，如表1所示。松弛因子如表2所示。

圖2 粉碎機模型

表1 邊界類型

表2 松弛因子

為保證計算穩(wěn)定與精確，本文DEM 中的時間步選取Rayleigh 時間步的20%，CFD 中的時間步為EDEM的100倍；設(shè)置網(wǎng)格尺寸為顆粒半徑的3倍，整個工作過程中顆粒體積分?jǐn)?shù)在30%以下。空氣從粉碎機入口處進入，顆粒及壁面的材料參數(shù)如表3所示，顆粒和顆粒及顆粒和壁面的接觸系數(shù)如表4所示。

表3 顆粒及壁面參數(shù)

表4 顆粒與顆粒及顆粒與壁面的接觸參數(shù)

2 粉碎機內(nèi)氣固兩相流特性分析

2.1 顆粒相運動特性模擬與分析

當(dāng)被篩分的顆粒粒徑滿足平均值為3 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.22 mm，回料管直徑為55 mm，以1 kg/s 的速率進入1 kg，篩分2 s 時，獲取數(shù)值模擬的結(jié)果如圖3 所示，并對粉碎機內(nèi)顆粒相的運動狀態(tài)進行分析。

圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)是顆粒在轉(zhuǎn)子的撞擊和內(nèi)部流場的雙重作用下被拋送到分離裝置中進行篩分，在分離裝置前半段濃度呈外密內(nèi)疏，后半段物料濃度分布均衡，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是物料進入分離裝置，沿外壁的氣流速度大于內(nèi)壁，運行半程之后，顆粒受到外壁面的阻擋并與之發(fā)生碰撞，出現(xiàn)能量的損失；回料管入口處出現(xiàn)物料堆積現(xiàn)象，極少部分物料未到達(dá)篩網(wǎng)而直接進入回料管中，原因是：一方面沿外壁的氣流流速大于內(nèi)壁，沿內(nèi)壁運動的顆粒速度小于沿外壁運動的顆粒速度，另一方面粉碎室內(nèi)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)形成的負(fù)壓對流場的運動趨勢影響很大，造成物料在回料管入口處分流。部分物料在自身重力和回料管內(nèi)部負(fù)壓的作用下再次進入粉碎室內(nèi)被粉碎。圖3(e)是物料篩分即將結(jié)束的狀態(tài)，絕大多數(shù)的物料已經(jīng)被篩分，沿外壁運動的物料先到達(dá)篩網(wǎng)處進行篩分，沿內(nèi)壁運動的物料能量損失較多，出篩率較外壁低。圖3(f)是篩分結(jié)束后粉碎機內(nèi)顆粒位置狀態(tài)，回料管內(nèi)物料濃度較粉碎室和分離裝置內(nèi)多，且回料管入口處和出口處出現(xiàn)物料堆積區(qū)。

利用EDEM后處理中的manual selection 功能，每隔0.1 s，在顆粒工廠附近隨機提取100 個顆粒的速度、角速度、碰撞次數(shù)等相關(guān)信息，總共提取10組，如圖4所示。其中離散點表示顆粒隨時間變化的速度、角速度值，而曲線表示這些顆粒的速度、角速度的平均值擬合曲線。

對比圖4(a)、圖4(b)可知，物料顆粒的速度和角速度變化趨勢基本一致，于0.25 s 達(dá)到最大值，在0.5 s之后趨于穩(wěn)定；0.25 s顆粒到達(dá)分離裝置入口時，最大速度為12 m/s，最大角速度6 000 rad/s。大部分到達(dá)篩網(wǎng)處的顆粒速度在1 m/s 上下波動。而角速度在500 rad/s上下波動，整個過程是由于顆粒在進入粉碎室之后受到轉(zhuǎn)子組和流場的作用的影響極大，在短時間內(nèi)獲得較大的能量并進入分離裝置內(nèi)，在撞擊到篩網(wǎng)之后能量損失較大，導(dǎo)致顆粒的角速度驟然減少。

從圖4（c）可知：顆粒與顆粒之間的碰撞總小于顆粒與壁面之間的碰撞；在0～1 s進料的過程中，顆粒與顆粒、顆粒與壁面的碰撞次數(shù)呈上升趨勢；在1～1.5 s之間，總碰撞次數(shù)、顆粒與壁面和顆粒與顆粒之間的碰撞次數(shù)呈下降趨勢，此時絕大多數(shù)的物料顆粒已進入分離裝置內(nèi)，處于透篩狀態(tài)，等待出篩，此過程中粉碎機內(nèi)所發(fā)生碰撞的概率小于顆粒被輸送到分離裝置過程中的碰撞概率；在1.5 s之后，粉碎機內(nèi)碰撞次數(shù)又驟然上升，這是由于回料管內(nèi)的顆粒又重新進入粉碎室內(nèi)被輸送至分離裝置中所導(dǎo)致。

2.2 流體相的運動特性分析

當(dāng)DEM-CFD 耦合結(jié)束之后，在Fluent 中分析流體計算結(jié)果，設(shè)置粉碎機內(nèi)轉(zhuǎn)子中心處x、y、z 的坐標(biāo)值為（0、0、0），在xy 平面內(nèi)取z=0 mm、z=-100 mm、z=100 mm 和z=150 mm（回料管中心截面）四組截面觀察整機壓力分布和速度分布，如圖5所示。

由圖5可知，在粉碎室內(nèi)轉(zhuǎn)子組中心處的負(fù)壓值最大，分離裝置內(nèi)幾乎沒有負(fù)壓的存在，越靠近回料管出口處，負(fù)壓值越大；在分離裝置入口處和回料管進口處存在負(fù)壓集中；在回料管內(nèi)全為負(fù)壓，離粉碎室越近，負(fù)壓值越大；對比圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）可知，粉碎室內(nèi)截面z=-100 mm（靠近進料口處）處的負(fù)壓值小于截面z=100 mm（遠(yuǎn)離進料口處），粉碎室內(nèi)負(fù)壓值從靠近進料口處一側(cè)到遠(yuǎn)離進料口一側(cè)逐漸增大。由圖5（c）、圖5（d）可知分離裝置內(nèi)側(cè)貼近回料管進口處的區(qū)域和回料管內(nèi)全為負(fù)壓，回料管內(nèi)氣流的運動對分離裝置內(nèi)氣流的運動起主導(dǎo)作用，在實際生產(chǎn)過程中，在分離裝置內(nèi)貼近回料管入口區(qū)域的少部分物料顆粒在受負(fù)壓的影響作用下極有可能被提前吸入粉碎室中，從而無法抵達(dá)篩網(wǎng)的位置進行篩分，造成物料過粉碎。

分析速度分布圖6 可知：在粉碎室中，中心處的空氣流速最小，錘片末端掃略過的區(qū)域空氣流速最大，設(shè)錘片組掃略過的為區(qū)域1，錘片組末端到粉碎室外殼的部分為區(qū)域二，在區(qū)域1 中，空氣流速從外到內(nèi)逐漸降低，在區(qū)域2 中，空氣流速從外到內(nèi)逐漸增大；在分離裝置中，前半段外側(cè)流速大于內(nèi)側(cè)，后半段中內(nèi)外側(cè)流速相差不多；在回料管進口附近存在部分氣流直接進入回料管，在回料管中，氣體流速呈中間大兩邊小的分布狀態(tài)，且氣體在回料管前半段的流速大于后半段流速。

圖5 粉碎機內(nèi)壓力分布

圖6 粉碎機內(nèi)流體速度分布

由圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）對比可知，粉碎室內(nèi)截面z=-100 mm（靠近進料口處）和z=100 mm（遠(yuǎn)離進料口處）的速度分布大于z=0 mm（粉碎室中心截面處），在粉碎室中xy平面內(nèi)，流體速度從內(nèi)到兩側(cè)逐漸增大；在分離裝置中xy平面內(nèi)，兩側(cè)的流體速度大于內(nèi)側(cè)。

3 提高粉碎機篩分效率的正交試驗分析

3.1 正交試驗設(shè)計

正交試驗法是一種研究多因素、多水平的設(shè)計方法，根據(jù)正交性從全面試驗中挑選具有代表性的因素水平進行試驗，并對結(jié)果進行分析，找出最佳組合[15]。本文針對課題組研發(fā)的新型錘片式粉碎機參照試驗設(shè)計方案，在正交試驗中考慮的因素有：喂料速率、喂料量、回料管直徑?？紤]到粉碎機的功率和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計試驗因素（喂料速率、喂料量、回料管直徑）的取值范圍分別為：0.5～1.5 kg/s，3～7 kg，40～60 mm之間取五等分，為了避免人為因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，采用抽簽的方式將各因素順序隨機打亂，最后設(shè)計所得具體因素水平表如表5所示。

表5 因素水平

設(shè)計因素（D）4 為空白列，空白列在正交試驗中又被稱為誤差列，對于試驗方案沒有影響[30]。正交試驗設(shè)計表為4因素5水平，試驗統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

3.2 優(yōu)方案的選擇與驗證

由表7可見，表格中的ki表示任一列上水平號為i時（在本文中i=1、2、3、4 或5）所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和。如在因素B所在的第一列上，以第七列的篩分效率為衡量標(biāo)準(zhǔn)，第1、10、14、18 及22 號試驗中B 取B1水平，所以K1為1、6、11、16 及21 號試驗結(jié)果之和，即K1=384.2。

表6 正交試驗統(tǒng)計結(jié)果

表7 試驗統(tǒng)計結(jié)果

表格中Ki=Ki/n，在本研究中，n等于5。

極差表明了對結(jié)果的影響情況。如表7 所示，R1>R2>R3，結(jié)果表明，回料管直徑的大小對粉碎機篩分效率的影響最大，喂料速率次之，喂料量對粉碎機篩分效率的影響最??；對A、B、C三種因素的Ki和ki進行分析，這三種因素在K2（k2）、K4（k4）、K1（k1）時達(dá)到最大。因此，優(yōu)方案的選擇為A2B4C1，即粉碎機在回料管直徑為50 mm，喂料速率為0.75 kg/s，喂料量為6 kg時，粉碎機篩分效率最大。經(jīng)試驗驗證，當(dāng)回料管直徑為50 mm，喂料速率為0.75 kg/s，喂料量為6 kg時，測得粉碎機出料量為5.33 kg，篩分效率為88.83%。

4 結(jié)論

①粉碎物料在分離裝置中，沿外壁的氣流速度大于內(nèi)壁，顆粒受到外壁面的阻擋并與之發(fā)生碰撞，能量的損失導(dǎo)致物料濃度呈現(xiàn)外密內(nèi)疏。

②轉(zhuǎn)子中心處負(fù)壓最大，且沿半徑方向逐漸減??；整個回料管內(nèi)全部存在負(fù)壓，回料管入口區(qū)域的少部分物料顆粒在受負(fù)壓的影響作用下極有可能被提前吸入粉碎室中，從而無法抵達(dá)篩網(wǎng)的位置進行篩分，造成物料過粉碎。

③通過正交試驗的設(shè)計，對回料管直徑、喂料速率和喂料量這三個因素進行分析，結(jié)果表明回料管直徑的大小對粉碎機篩分效率的影響最大，喂料速率次之，喂料量對粉碎機篩分效率的影響最小。喂料速率和喂料量聯(lián)合影響粉碎腔內(nèi)物料濃度的大小進而影響粉碎效率。當(dāng)回料管直徑為50 mm，喂料速率為0.75 kg/s，喂料量為6 kg 時，測得粉碎機出料量為5.33 kg，篩分效率為88.83%。