■王 亮 曹麗英

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

我國目前使用較多的飼料粉碎機(jī)仍然是傳統(tǒng)的臥式錘片式粉碎機(jī)。在其工作時(shí)，容易在粉碎室內(nèi)部形成環(huán)流層，并且在離心力作用下，大顆粒物料容易堵住篩孔，從而導(dǎo)致了分離效率低以及物料顆粒過粉碎等問題。為解決上述問題，本課題組在傳統(tǒng)粉碎機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新型飼料粉碎機(jī)，可以解決環(huán)流層和篩孔堵塞等問題，但是出現(xiàn)了飼料顆粒過篩率低以及度電產(chǎn)量不高等問題。本文針對(duì)這一問題提出了一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)想，以解決這些問題。

1 問題描述

新型錘片式飼料粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于粉碎室內(nèi)部不是完整的圓形，所以在工作時(shí)粉碎室內(nèi)不形成環(huán)流層。并且由于其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)也不會(huì)造成飼料顆粒對(duì)篩片的堵塞，可大大改善飼料過粉碎等問題。

圖1 新型錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)飼料顆粒在進(jìn)入分離裝置時(shí)，速度基本是沿著分離裝置下端平面的切線方向，加上離心力的作用，絕大多數(shù)顆粒都是沿著分離裝置外管壁運(yùn)動(dòng)的。由于分離裝置上端結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，很多顆粒運(yùn)動(dòng)到上端拐彎處時(shí)將和外管壁發(fā)生碰撞后被彈回到內(nèi)管壁上，并沿著內(nèi)管壁一直流回粉碎室中，從而造成飼料過篩率和度電產(chǎn)量的降低。

為了解決上述問題，本文提出了一種將外管壁改為圓弧形的想法。

2 有限元模型的建立及求解

2.1 模型的建立

由于大多數(shù)顆粒是沿著外管壁運(yùn)動(dòng)，所以外管壁的機(jī)構(gòu)至關(guān)重要；而內(nèi)管壁的結(jié)構(gòu)幾乎不對(duì)顆粒濃度的分布產(chǎn)生重要影響。為了建模簡單，本文將內(nèi)管壁的半徑定格在600 mm，然后分別建立三組不同外管壁半徑R的值與之共同進(jìn)行仿真模擬。三組外管壁半徑R的值分別為750 mm、800 mm和850 mm。建模時(shí)采用三維建模軟件Pro/e建立模型，將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS/FLUENT中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用軟件自動(dòng)生成網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格單元

2.2 邊界條件及初始條件的確定

分離裝置進(jìn)料口設(shè)為速度入口，氣相和固相進(jìn)口速度均為10 m/s。出口設(shè)置為自由出口，進(jìn)出口位置如圖2所示。

2.3 求解

兩相流模型采用歐拉模型，分散相選用體積分?jǐn)?shù)占連續(xù)相10%的玉米顆粒，固相顆粒直徑設(shè)置為2.5 mm，連續(xù)相設(shè)置為空氣?？諝獾倪\(yùn)動(dòng)黏度為17.9×106m2/s，三組仿真入口當(dāng)量直徑最小為112 mm，通過計(jì)算可知Re＞4 000，所以分離裝置中流體的流動(dòng)為湍流，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，并選用無滑移邊界，近壁區(qū)的流動(dòng)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。其他條件保持默認(rèn)設(shè)置。

3 結(jié)果分析

圖3是未改動(dòng)的分離裝置中顆粒濃度分布。從圖3可以直觀地看出高濃度區(qū)分別分布在入口處和出口處附近。出口處的顆?？梢酝耆^篩，而入口處的顆粒絕大部分將被外管壁反彈后流回中心粉碎室。導(dǎo)致顆粒過篩率和度電產(chǎn)量不高。

外管壁半徑R值為750、800 mm和850 mm時(shí)，分離裝置中顆粒濃度分布情況分別如圖4、圖5、圖6所示?？梢钥闯觯?張圖中顆粒的高濃度區(qū)均分布在篩片的前后兩端。篩片前端的顆粒已經(jīng)過篩，篩片后端的顆粒絕大多數(shù)也能夠順利過篩。可見，由于飼料顆粒在進(jìn)入分離裝置時(shí)速度是沿著下端平面的切向方向，圓弧形外管壁可以避免大多數(shù)飼料顆粒與外管壁的直接碰撞，沒有了外管壁的反彈，飼料顆粒的過篩率大大改善，效果良好。

圖3 未改動(dòng)時(shí)分離裝置顆粒濃度分布

圖4 R=750 mm時(shí)顆粒濃度分布

圖5 R=800 mm時(shí)顆粒濃度分布

圖6 R=850 mm時(shí)顆粒濃度分布

4 結(jié)論

①本文利用FLUENT軟件分別對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的三組粉碎機(jī)的分離裝置進(jìn)行了氣固兩相流模擬，效果良好，為合理設(shè)計(jì)分離裝置的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

②通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在將外管壁的形狀改為圓弧形后，可以避免外管壁與大多數(shù)飼料顆粒的碰撞，飼料顆粒的過篩率顯著提高，進(jìn)而可以提高粉碎機(jī)的度電產(chǎn)量。

③究竟外管壁的形狀如何設(shè)計(jì)可以使得飼料的過篩率得到最大提高，以及在飼料顆粒運(yùn)動(dòng)過程中，與外管壁的摩擦與碰撞所帶來的功耗如何降到最低，可以在以后的研究中繼續(xù)討論。