■桂澤東 買(mǎi)買(mǎi)提明·艾尼* 古麗巴哈爾·托乎提 坎 雜

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832003)

物料在V形筒中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，磨損量小，不會(huì)破壞物料顆粒原形，廣泛應(yīng)用于易磨損、易破碎、物性差異小、流動(dòng)性好的混合領(lǐng)域。物料顆粒在V形筒中的混合行為在很大程度上影響生產(chǎn)過(guò)程的效果和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。一些學(xué)者在該領(lǐng)域做了相關(guān)的研究進(jìn)展，沈維軍等[1]研究了物料顆粒在V型混合機(jī)中的裝載系數(shù)和V型混合機(jī)的有效混合時(shí)間對(duì)物料顆?；旌闲袨榈挠绊憽ｊ惤ㄖ械萚2]研究了VH-0.03型混合機(jī)的混合性能，并對(duì)V型混合機(jī)進(jìn)行GMP規(guī)范性驗(yàn)證，結(jié)果表明VH-0.03型混合機(jī)滿(mǎn)足GMP規(guī)范。Kuo等[3-5]分別從填充率、V形筒轉(zhuǎn)速、V型混合機(jī)工作原理及V形筒制備方面進(jìn)行了研究。在上述這些研究中，均從不同角度和程度對(duì)V型混合機(jī)進(jìn)行相關(guān)的研究，但均沒(méi)有考慮到V形筒結(jié)構(gòu)對(duì)物料混合行為的影響。本文通過(guò)采用DEM離散單元法[6-7]，研究V形筒結(jié)構(gòu)的變化對(duì)物料混合行為的影響，并分析和探討筒壁結(jié)構(gòu)在增混機(jī)理中的效果和作用。

1 模型及邊界條件的設(shè)定

本文參考VH系列V型混合機(jī)如圖1所示，并對(duì)該模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。V形筒壁長(zhǎng)度比為1∶1.1（270∶297 mm），筒壁直徑為200 mm，壁厚2 mm，材料選用304 號(hào)不銹鋼，V 形筒轉(zhuǎn)速為15 r/min，裝載系數(shù)為1/3；物料顆粒選用兩種糧食作物為研究對(duì)象，具體參數(shù)見(jiàn)表1，兩種顆粒數(shù)之比為1∶1，分別選用半徑為5 mm的2 000個(gè)顆粒進(jìn)行模擬求解，顆粒間的摩擦系數(shù)為0.18，恢復(fù)系數(shù)為0.5，顆粒與壁面間的摩擦系數(shù)為0.15。

圖1 V型混合機(jī)樣機(jī)

在數(shù)值求解過(guò)程中分別控制θ角為60°、70°、80°、90°、100°等5 種V 形筒模型進(jìn)行數(shù)值求解實(shí)驗(yàn)。圖3為5種不同θ角模型在DEM環(huán)境下進(jìn)行三維數(shù)值模擬求解物料混合的初始狀態(tài)。

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 混合特性評(píng)價(jià)方法

對(duì)物料顆?；旌闲袨槊枋龅姆椒ò?biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)法、變異系數(shù)評(píng)價(jià)法、接觸數(shù)評(píng)價(jià)法及Lacey指數(shù)評(píng)價(jià)法等[8-9]混合行為評(píng)價(jià)方法。不同的混合行為評(píng)價(jià)方法所適用的范圍和優(yōu)勢(shì)也各不相同，其中以Lacey指數(shù)評(píng)價(jià)法更為合理，應(yīng)用范圍較廣泛。本文主要采用Lacey指數(shù)評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)價(jià)物料顆粒在滾筒內(nèi)不同時(shí)刻的混合度。

圖2 V形筒簡(jiǎn)化模型

表1 材料屬性參數(shù)

本文主要采用等徑的兩種物料顆粒為研究對(duì)象，兩種物料單個(gè)顆粒體積比為1∶1，因此對(duì)下表2中N即每一個(gè)樣本內(nèi)平均顆粒數(shù)不做簡(jiǎn)化處理。如果兩種物料顆粒的單個(gè)顆粒體積比不為1∶1，則應(yīng)按照簡(jiǎn)化處理對(duì)N值進(jìn)行計(jì)算。具體簡(jiǎn)化過(guò)程如下，視一種顆粒體積為標(biāo)準(zhǔn)，一般以小顆粒為標(biāo)準(zhǔn)，另一種顆粒按照體積比轉(zhuǎn)化為有效顆粒數(shù)。

其中，M 為物料顆粒的混合指數(shù)；S02、S2、Sr2分別為兩種物料顆粒完全分離時(shí)的混合方差、兩種物料顆粒實(shí)際混合方差及兩種物料顆粒完全隨機(jī)混合方差；k、ki分別為權(quán)重系、樣本i 的權(quán)重；N、Ns、Ni、Nt分別為每一個(gè)樣本內(nèi)平均顆粒數(shù)、樣本總數(shù)、樣本i內(nèi)的顆粒數(shù)、顆粒數(shù)總和；ai、aˉ分別為白色物料顆粒在樣本i中的比例、白色顆粒在滾筒內(nèi)的比例；P、1-P 分別為白色顆粒所占的比例、黑色顆粒所占的比例。

2.2 結(jié)果分析

物料混合過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，V形筒壁夾角θ的變化對(duì)二組元顆粒的混合程度有著較明顯的影響。物料顆粒在上述5 種不同模型結(jié)構(gòu)混合過(guò)程中，相同混合時(shí)間內(nèi)V形筒壁夾角的變化對(duì)混合效果的影響非常明顯，通過(guò)圖4所示，填充率為1/3，V形筒轉(zhuǎn)速為15 r/min，筒壁長(zhǎng)度比為1∶1.1 的工況條件下，θ=60°的變化速率最快，在混合時(shí)間為120 s 以后，混合指數(shù)M趨于穩(wěn)定。而隨著θ角度的增加混合速率逐漸的降低，當(dāng)θ=100°時(shí)，混合指數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是沿著一條緩慢上升的曲線(xiàn)變化。V形筒壁夾角為60°時(shí)其混合速率較其它幾組的混合速率更好。

圖3 不同V形角模型物料混合的初始狀態(tài)

表2 混合特性求解模型

通過(guò)圖4 所示，V 型混合機(jī)中物料顆粒混合度隨混合時(shí)間的變化過(guò)程是一個(gè)沿著曲線(xiàn)上升的過(guò)程。當(dāng)V型混合機(jī)在開(kāi)始工作的時(shí)候，如圖4示0～35 s，物料顆粒在V 形筒中的變化速率較快。當(dāng)達(dá)到一定的值后，混合速率隨著混合時(shí)間的增加而變慢的，V 形筒夾角θ的變化對(duì)物料顆粒的混合行為有著明顯的影響。其中以θ=60°變化最為明顯。

圖4 混合度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖5 物料顆粒在θ=60°中的混合行為

如圖5所示，在V形筒旋轉(zhuǎn)階段，物料顆粒隨著V形筒轉(zhuǎn)軸為中心開(kāi)始做周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圖；當(dāng)V形筒旋轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)刻，物料顆粒由于重力的影響隨V形筒做周轉(zhuǎn)的同時(shí)開(kāi)始向V形筒兩邊做回旋運(yùn)動(dòng)，在下落過(guò)程中顆粒遇到V形角焊接面，物料顆粒被分離到V形筒兩側(cè)，在分離的過(guò)程中筒壁較短側(cè)的部分顆粒在回旋作用下移動(dòng)筒壁較長(zhǎng)的一側(cè)區(qū)域中，隨著V形筒的旋轉(zhuǎn)，物料顆粒做著上述的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)論

①在相同工況條件下，V形筒夾角的變化對(duì)混合效果有很大的影響，尤其是在物料混合階段區(qū)別更加明顯。

②V 型混合機(jī)內(nèi)物料顆粒的填充率為1/3、V 形筒內(nèi)無(wú)構(gòu)件、轉(zhuǎn)速為15 r/min的條件下，V形筒壁夾角的變化對(duì)二組元顆粒的混合程度有著較明顯的影響。

③在相同混合時(shí)間內(nèi)的V形筒壁夾角的變化對(duì)混合效果的影響非常明顯，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析可以看出V形筒壁夾角為60°時(shí)其混合速率較其它幾組的混合速率更優(yōu)越。