曹麗英 汪 陽 李春東 李 琦 李帥波 汪 飛

（內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭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代農業(yè)發(fā)展程度的重要指標[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量，飼料粉碎機是飼料加工的主要設備[3]。在生產中，錘片式粉碎機的現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、錘片和篩網磨損嚴重等[4]。數值模擬法相比較來說成本低，周期短，對于復雜的流場研究成效顯著，結果準確性高，在現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)現篩分效率低的問題[6-10]，多數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值模擬，在研究顆粒在流場中運動的同時兼顧力學特性，更準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，只保留與內部流道相關的外部殼體，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。將三維模型導入AN?SYS-SCDM 中進行體積抽取，采用ICEM 進行網格劃分，考慮到該模型較為復雜，劃分的網格使用適應性較好的非結構化網格，將粉碎機劃分為動區(qū)域與靜區(qū)域兩部分，粉碎機內部的轉子錘片部分作為動區(qū)域；其他部分作為靜區(qū)域生成網格。如圖2所示。

1.3 邊界條件和求解設置

本文選取錘片式粉碎機內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果，在EDEM 中模擬顆粒相運動結果，Fluent和EDEM以一定模型進行動量傳遞[12-14]，流體為空氣，選取標準κ-ε模型，將轉動區(qū)域設置成動參考系，按照實際的工作狀況，轉速為2 500 r/min，選擇SIMPLE算法，壓力離散插值方式選取標準方式，采用基于一階迎風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值模擬。在劃分網格的過程中，對粉碎機的邊界條件進行設置，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；設置網格尺寸為顆粒半徑的3倍，整個工作過程中顆粒體積分數在30%以下?？諝鈴姆鬯闄C入口處進入，顆粒及壁面的材料參數如表3所示，顆粒和顆粒及顆粒和壁面的接觸系數如表4所示。

表3 顆粒及壁面參數

表4 顆粒與顆粒及顆粒與壁面的接觸參數

2 粉碎機內氣固兩相流特性分析

2.1 顆粒相運動特性模擬與分析

當被篩分的顆粒粒徑滿足平均值為3 mm，標準差為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，獲取數值模擬的結果如圖3 所示，并對粉碎機內顆粒相的運動狀態(tài)進行分析。

圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)是顆粒在轉子的撞擊和內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疏，后半段物料濃度分布均衡，這種現象出現的原因是物料進入分離裝置，沿外壁的氣流速度大于內壁，運行半程之后，顆粒受到外壁面的阻擋并與之發(fā)生碰撞，出現能量的損失；回料管入口處出現物料堆積現象，極少部分物料未到達篩網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壁，沿內壁運動的顆粒速度小于沿外壁運動的顆粒速度，另一方面粉碎室內轉子高速旋轉形成的負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部負壓的作用下再次進入粉碎室內被粉碎。圖3(e)是物料篩分即將結束的狀態(tài)，絕大多數的物料已經被篩分，沿外壁運動的物料先到達篩網處進行篩分，沿內壁運動的物料能量損失較多，出篩率較外壁低。圖3(f)是篩分結束后粉碎機內顆粒位置狀態(tài)，回料管內物料濃度較粉碎室和分離裝置內多，且回料管入口處和出口處出現物料堆積區(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、碰撞次數等相關信息，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 達到最大值，在0.5 s之后趨于穩(wěn)定；0.25 s顆粒到達分離裝置入口時，最大速度為12 m/s，最大角速度6 000 rad/s。大部分到達篩網處的顆粒速度在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子組和流場的作用的影響極大，在短時間內獲得較大的能量并進入分離裝置內，在撞擊到篩網之后能量損失較大，導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呈上升趨勢；在1～1.5 s之間，總碰撞次數、顆粒與壁面和顆粒與顆粒之間的碰撞次數呈下降趨勢，此時絕大多數的物料顆粒已進入分離裝置內，處于透篩狀態(tài)，等待出篩，此過程中粉碎機內所發(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，粉碎機內碰撞次數又驟然上升，這是由于回料管內的顆粒又重新進入粉碎室內被輸送至分離裝置中所導致。

2.2 流體相的運動特性分析

當DEM-CFD 耦合結束之后，在Fluent 中分析流體計算結果，設置粉碎機內轉子中心處x、y、z 的坐標值為（0、0、0），在xy 平面內取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，在粉碎室內轉子組中心處的負壓值最大，分離裝置內幾乎沒有負壓的存在，越靠近回料管出口處，負壓值越大；在分離裝置入口處和回料管進口處存在負壓集中；在回料管內全為負壓，離粉碎室越近，負壓值越大；對比圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）可知，粉碎室內截面z=-100 mm（靠近進料口處）處的負壓值小于截面z=100 mm（遠離進料口處），粉碎室內負壓值從靠近進料口處一側到遠離進料口一側逐漸增大。由圖5（c）、圖5（d）可知分離裝置內側貼近回料管進口處的區(qū)域和回料管內全為負壓，回料管內氣流的運動對分離裝置內氣流的運動起主導作用，在實際生產過程中，在分離裝置內貼近回料管入口區(qū)域的少部分物料顆粒在受負壓的影響作用下極有可能被提前吸入粉碎室中，從而無法抵達篩網的位置進行篩分，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，空氣流速從外到內逐漸降低，在區(qū)域2 中，空氣流速從外到內逐漸增大；在分離裝置中，前半段外側流速大于內側，后半段中內外側流速相差不多；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 粉碎機內壓力分布

圖6 粉碎機內流體速度分布

由圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）對比可知，粉碎室內截面z=-100 mm（靠近進料口處）和z=100 mm（遠離進料口處）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，流體速度從內到兩側逐漸增大；在分離裝置中xy平面內，兩側的流體速度大于內側。

3 提高粉碎機篩分效率的正交試驗分析

3.1 正交試驗設計

正交試驗法是一種研究多因素、多水平的設計方法，根據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。考慮到粉碎機的功率和試驗結果的準確性，設計試驗因素（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，最后設計所得具體因素水平表如表5所示。

表5 因素水平

設計因素（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]。正交試驗設計表為4因素5水平，試驗統(tǒng)計結果如表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）所對應的試驗結果之和。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準，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 號試驗結果之和，即K1=384.2。

表6 正交試驗統(tǒng)計結果

表7 試驗統(tǒng)計結果

表格中Ki=Ki/n，在本研究中，n等于5。

極差表明了對結果的影響情況。如表7 所示，R1>R2>R3，結果表明，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?。粚、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。經試驗驗證，當回料管直徑為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 結論

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

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

③通過正交試驗的設計，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)合影響粉碎腔內物料濃度的大小進而影響粉碎效率。當回料管直徑為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%。