曹麗英，楊李海，李春東，韓 磊

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)科研所，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)已成為飼料生產(chǎn)大國(guó)[1]。粉碎是飼料生產(chǎn)中重要的工序之一，粉碎機(jī)是主要的粉碎設(shè)備，其中錘片式粉碎機(jī)因具有通用性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件更換方便等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)臥室錘片式粉碎機(jī)工作時(shí)，粉碎室內(nèi)存在空氣——物料環(huán)流層，容易造成過(guò)度粉碎、物料溫升大、能耗高、生產(chǎn)力低等問(wèn)題[2-5]。

課題組研發(fā)了一種循環(huán)粉碎工藝的新型錘片式粉碎機(jī)，其結(jié)構(gòu)和原理如圖1 所示，主要工作部件由轉(zhuǎn)子組、粉碎室和分離裝置組成，其中分離裝置主要工作部件由輸料管、回料管、出料管和篩網(wǎng)組成。工作原理為：物料在高速錘片的撞擊下被粉碎，隨后在轉(zhuǎn)子組的拋射以及高速旋轉(zhuǎn)的氣流帶動(dòng)的雙重作用下進(jìn)入輸料管，符合粒度的物料透過(guò)篩網(wǎng)，從出料管排出，不符合粒度的物料在自重以及粉碎室的負(fù)壓的雙重作用下，從回料管流回至粉碎室，再一次被粉碎，如此循環(huán)粉碎。但經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該粉碎機(jī)存在分離效率比粉碎效率低的問(wèn)題。

圖1 新型錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

分離裝置是完成物料篩分和物料進(jìn)行循環(huán)粉碎的關(guān)鍵部件，而關(guān)于分離裝置結(jié)構(gòu)方面的研究，課題組也做了大量工作，查閱分析了一些已有的相關(guān)文獻(xiàn)。白羽[6]將輸料管外壁面設(shè)計(jì)成最小摩擦功耗曲線(xiàn)形，基于Fluent模擬氣固兩相流得出最小摩擦功耗曲線(xiàn)形輸料管的性能更加優(yōu)越；王亮等[7]將輸料管外壁面設(shè)計(jì)成圓弧形，基于Fluent模擬氣固兩相流得出圓弧形輸料管有助于提高顆粒透篩率；楊左文[8]將出料管外壁面設(shè)計(jì)成圓弧形，基于Fluent模擬氣固兩相流得出圓弧形出料管有助于顆粒透篩。這些研究成果不足之處在于：1）這些研究都集中于分離裝置中在單一的外壁面的形狀變更，并未將更多壁面組合起來(lái)變更；2）模擬氣固兩相流都基于Fluent這一款軟件，F(xiàn)luent兩相流模擬中對(duì)于物料只是以料群的形式體現(xiàn)，缺乏對(duì)單顆粒物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律的定量描述[9]?；诖耍n題組設(shè)計(jì)了一種圓弧形分離裝置，再基于Fluent-EDEM 耦合對(duì)其與原始分離裝置進(jìn)行模擬對(duì)比研究。本文的研究?jī)?nèi)容和方法可為新型錘片式粉碎機(jī)提高生產(chǎn)效率提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 圓弧形分離裝置設(shè)計(jì)

為了減小物料顆粒與輸送管外壁面的碰撞能量損失，從而避免顆粒被提前吸附進(jìn)回料管而無(wú)法完成透篩，因此將輸送管外壁面設(shè)計(jì)成圓弧形[7]；為了減少篩網(wǎng)頂部的湍流以提高透篩率，因此將出料管外壁面設(shè)計(jì)成圓弧形[8]；考慮到變截面管道相對(duì)等截面管道會(huì)增加氣流能量損失，因此將輸送管內(nèi)壁面圓弧設(shè)定為外壁面同心圓弧。圓弧形分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，其中R1為950 mm，R2為805 mm，R3為350 mm。

圖2 圓弧形分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制方程

2.1 氣體相控制方程

本研究模擬視氣體不可壓縮，流態(tài)為湍流。由于有篩網(wǎng)存在，網(wǎng)格比較小，很難達(dá)到網(wǎng)格體積大于顆粒體積這一體積分?jǐn)?shù)傳遞計(jì)算要求，因此只采用動(dòng)量源項(xiàng)來(lái)對(duì)氣體相和固體顆粒相進(jìn)行雙向耦合傳遞計(jì)算，整個(gè)計(jì)算過(guò)程采用瞬態(tài)。綜上分析，根據(jù)雷諾平均方程，氣體相控制方程如下：

2.2 固體顆粒相控制方程

固體顆粒在分離裝置中運(yùn)動(dòng)，會(huì)受到來(lái)自氣體影響的許多作用力，本研究模擬只考慮影響較大的曳力。除了氣體作用力之外，還會(huì)受到來(lái)自顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的接觸力以及自身的重力。綜上分析，根據(jù)牛頓第二定律，固體顆粒相控制方程如下：

3 模型建立

3.1 實(shí)體模型建立

利用SolidWorks 對(duì)設(shè)計(jì)好的圓弧形分離裝置實(shí)體建模，為了與之對(duì)比，將原始分離裝置模型一并建立，實(shí)體模型如圖3 所示。

圖3 分離裝置實(shí)體模型

3.2 計(jì)算域模型建立

將建立好的分離裝置實(shí)體模型導(dǎo)入到SpaceClaim 中，直接對(duì)其體積進(jìn)行抽取，生成計(jì)算域模型，如圖4所示。

圖4 分離裝置計(jì)算域模型

3.3 網(wǎng)格模型建立

將建立好的計(jì)算域模型導(dǎo)入到Ansys mesh 中，采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。整體計(jì)算域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為7 mm，篩網(wǎng)處的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為4 mm。網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 分離裝置網(wǎng)格模型

4 參數(shù)設(shè)置

4.1 Fluent參數(shù)設(shè)置

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，曳力模型選擇Morsi and Alexander曳力模型。分離裝置入口邊界類(lèi)型設(shè)置為速度入口（Velocity inlet），風(fēng)速為10 m/s；出料口邊界類(lèi)型設(shè)置為壓力出口（Pressure outlet），標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；回料管出口邊界類(lèi)型設(shè)置為壓力出口（Pressure outlet），負(fù)壓為-300 Pa；殼體邊界類(lèi)型設(shè)置為壁面（Wall）[4]。

4.2 EDEM參數(shù)設(shè)置

本研究模擬視顆粒材料為玉米粒，其密度為1 154 kg/m3，泊松比為0.4，剪切模量為1.37×108Pa；玉米粒與玉米粒的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.302，靜摩擦系數(shù)為0.312，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.054 5；分離裝置材質(zhì)為Q235，其密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28，剪切模量為8.1×1010Pa；玉米粒與分離裝置的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.635，靜摩擦系數(shù)為0.439，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.031 7[10]。

設(shè)置顆粒為球形顆粒，粒徑分布統(tǒng)一固定。在分離裝置入口設(shè)置顆粒工廠，且設(shè)置顆粒為動(dòng)態(tài)生成。EDEM 時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為Fluent 時(shí)間步長(zhǎng)的百分之一。模擬時(shí)間為2 s。

5 顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬結(jié)果對(duì)比分析

截取顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有意義的時(shí)刻圖像，其結(jié)果如圖6 所示，其中顆粒采用不同顏色表示不同能量大小。

圖6 顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程

由圖6（a）可知：0.03 s時(shí)刻，源源不斷的顆粒在原始分離裝置入口處的顆粒工廠中生成；0.06 s時(shí)刻，顆粒首先與輸料管外壁面彎段處發(fā)生碰撞，碰撞后的顆粒，能量發(fā)生損失；0.09 s時(shí)刻，碰撞后的大部分顆粒向內(nèi)壁面方向運(yùn)動(dòng)，另外小部分顆粒在氣流的作用下，沿著外壁面方向運(yùn)動(dòng)；0.13 s時(shí)刻，向內(nèi)壁面方向運(yùn)動(dòng)的顆粒與內(nèi)壁面上方處發(fā)生碰撞，能量進(jìn)一步損失；0.25 s 時(shí)刻，碰撞后的大部分顆粒向篩網(wǎng)方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行透篩，另外小部分顆粒由于碰撞能量損失嚴(yán)重，且在回料管負(fù)壓的作用下，被提前吸附進(jìn)回料管中，無(wú)法完成透篩；0.35 s時(shí)刻，無(wú)法完成透篩的顆粒由于與篩網(wǎng)碰撞，能量發(fā)生損失，且在重力及負(fù)壓的作用下，流入回料管中。

由圖6（b）可知：0.03 s 時(shí)刻，源源不斷的顆粒在圓弧形分離裝置入口處的顆粒工廠中生成；0.06 s～0.09 s時(shí)刻，顆粒由外層至內(nèi)層，逐漸地與輸料管外壁面發(fā)生碰撞，能量發(fā)生損失；0.13 s時(shí)刻，顆粒沿著外壁面方向運(yùn)動(dòng)，且外層的顆粒在氣流的作用下，能量得到增強(qiáng)；0.25 s～0.35 s時(shí)刻，顆粒進(jìn)行透篩，無(wú)法完成透篩的顆粒由于與篩網(wǎng)碰撞，能量發(fā)生損失，且在重力及負(fù)壓的作用下，流入回料管中。

綜上分析可知，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置能有效減少顆粒與壁面之間的碰撞，從而減少顆粒的能量損失，提高出料量。

5.1 入口空氣流速對(duì)兩種分離裝置出料量的影響對(duì)比

在EDEM 中設(shè)置入口料流速率為7 500 顆/s，顆粒粒徑為1.5 mm；在Fluent 中設(shè)置回料管出口負(fù)壓為-300 Pa，其次分別設(shè)置入口空氣流速為8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s和12 m/s五種工況，模擬時(shí)間2 s，模擬試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 兩種分離裝置出料量相對(duì)入口空氣流速的變化趨勢(shì)

由圖7 可知：兩種分離裝置出料量均隨著入口空氣流速增加而增加，當(dāng)入口空氣流速由8 m/s 增加至12 m/s時(shí)，圓弧形分離裝置出料量由10 075顆增加至12 178顆，原始分離裝置出料量由9 610顆增加至11 324顆，這是因?yàn)槿肟诳諝饬魉僭黾訉?dǎo)致顆粒速度增加，從而到達(dá)篩網(wǎng)處的顆粒數(shù)目增加，出料量增加；在不同入口空氣流速下，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量均有所提高，且提高幅度隨著入口空氣流速增加而增加，當(dāng)入口空氣流速分別為8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s和12 m/s時(shí)，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量分別提高了4.84%、6.70%、6.90%、7.11%和7.54%。由此可見(jiàn)，入口空氣流速越大，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置的結(jié)構(gòu)特性?xún)?yōu)勢(shì)越顯著。

5.2 入口料流速率對(duì)兩種分離裝置出料量的影響對(duì)比

在Fluent中設(shè)置入口空氣流速為10 m/s，回料管出口負(fù)壓為-300 Pa；在EDEM 中設(shè)置顆粒粒徑為1.5 mm，其次分別設(shè)置入口料流速率為5 000顆/s、6 250顆/s、7 500顆/s、8 750顆/s和10 000顆/s五種工況，模擬時(shí)間2 s，其中7 500顆/s工況的數(shù)據(jù)與本文5.1一致，模擬試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)如圖8 所示。

由圖8 可知：兩種分離裝置出料量均隨著入口料流速率增加而增加，當(dāng)入口料流速率由5 000顆/s增加至10 000顆/s時(shí)，圓弧形分離裝置出料量由7 483顆增加至15 387顆，原始分離裝置出料量由7 117顆增加至14 187 顆。這是因?yàn)槿肟诹狭魉俾试黾訉?dǎo)致到達(dá)篩網(wǎng)處的顆粒數(shù)目增加，從而出料量增加；在不同入口料流速率下，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量均有所提高，且提高幅度隨著入口料流速率增加而增加，當(dāng)入口料流速率分別為5 000顆/s、6 250顆/s、7 500顆/s、8 750顆/s和10 000顆/s時(shí)，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量分別提高了5.14%、6.82%、6.90%、7.98%和8.46%。由此可見(jiàn)，入口料流速率越大，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置的結(jié)構(gòu)特性?xún)?yōu)勢(shì)越顯著。

5.3 回料管出口負(fù)壓對(duì)兩種分離裝置出料量的影響對(duì)比

在EDEM 中設(shè)置入口料流速率為7 500 顆/s，顆粒粒徑為1.5 mm；在Fluent中設(shè)置入口空氣流速為10 m/s，其次分別設(shè)置回料管出口負(fù)壓為-100 Pa、-200 Pa、-300 Pa、-400 Pa和-500 Pa五種工況，模擬時(shí)間2 s，其中-300 Pa工況的數(shù)據(jù)與本文5.1一致，模擬試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)如圖9 所示。

圖9 兩種分離裝置出料量相對(duì)回料管出口的變化趨勢(shì)

由圖9 可知：兩種分離裝置出料量均隨著回料管出口負(fù)壓增加而減少，當(dāng)回料管出口負(fù)壓由-100 Pa增加至-500 Pa時(shí)，圓弧形分離裝置出料量由11 591顆減少至11 268 顆，原始分離裝置出料量由10 970顆減少至10 364 顆。這是因?yàn)榛亓瞎艹隹谪?fù)壓增加導(dǎo)致提前被吸附進(jìn)回料管的顆粒目數(shù)增加，從而到達(dá)篩網(wǎng)處的顆粒數(shù)目減少，出料量減少；在不同回料管出口負(fù)壓下，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量均有所提高，且提高幅度隨著回料管出口負(fù)壓增加而增加，當(dāng)回料管出口負(fù)壓分別為-100 Pa、-200 Pa、-300 Pa、-400 Pa和-500 Pa時(shí)，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量分別提高了5.66%、6.02%、6.90%、8.39%和8.72%。由此可見(jiàn)，回料管出口負(fù)壓越大，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置的結(jié)構(gòu)特性?xún)?yōu)勢(shì)越顯著。

5.4 顆粒粒徑對(duì)兩種分離裝置出料量的影響對(duì)比

在Fluent 中設(shè)置入口空氣流速為10 m/s，回料管出口負(fù)壓為-300 Pa；在EDEM 中設(shè)置入口料流速率為7 500顆/s，其次分別設(shè)置顆粒粒徑為1.00 mm、1.25 mm、1.50 mm、1.75 mm和2.00 mm五種工況，模擬時(shí)間2 s，其中1.50 mm工況的數(shù)據(jù)與本文5.1一致，模擬試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)如圖10 所示。

圖10 兩種分離裝置出料量相對(duì)顆粒粒徑的變化趨勢(shì)

由圖10 可知：兩種分離裝置出料量均隨著顆粒粒徑增加而減少，當(dāng)顆粒粒徑由1.00 mm增加至2.00 mm時(shí)，圓弧形分離裝置出料量由12 757 顆減少至9 670顆，原始分離裝置出料量由12 077 顆減少至8 526顆，這是因?yàn)轭w粒粒徑增加，第一導(dǎo)致顆粒體積增加，從而透篩困難度增加，成功透篩的顆粒減少；第二導(dǎo)致顆粒重力增加，從而越容易發(fā)生提前沉降，到達(dá)篩網(wǎng)處的顆粒數(shù)目減少。綜合上述兩種原因，因此出料量減少；在不同顆粒粒徑下，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量均有所提高，且提高幅度隨著顆粒粒徑增加而增加，當(dāng)顆粒粒徑分別為1.00 mm、1.25 mm、1.50 mm、1.75 mm和2.00 mm時(shí)，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量分別提高了5.63%、6.57%、6.90%、8.42%和13.43%。由此可見(jiàn)，顆粒粒徑越大，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置的結(jié)構(gòu)特性?xún)?yōu)勢(shì)越顯著。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種圓弧形分離裝置，首先基于Fluent-EDEM 模擬了其與原始分離裝置中的氣固兩相流，隨后基于Fluent-EDEM 對(duì)兩種分離裝置模擬單因素試驗(yàn)，分別得出以下兩個(gè)結(jié)論：

1）相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置能有效減少顆粒與壁面之間的碰撞，從而減少顆粒的能量損失，提高出料量。

2）圓弧形分離裝置出料量隨著入口空氣流速和入口料流速率增加而增加，隨著回料管出口負(fù)壓和顆粒粒徑增加而減少；相比于原始分離裝置，入口空氣流速、入口料流速率、回料管出口負(fù)壓和顆粒粒徑越大，圓弧形分離裝置的結(jié)構(gòu)特性?xún)?yōu)勢(shì)越顯著。