武文璇，于賢龍，張宗超，李青，孫慶運(yùn)，趙峰，賈振超

（山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100）

0 引言

機(jī)械式超微粉碎機(jī)因其適用范圍廣、操作工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢(shì)逐漸成為農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的一種新機(jī)型[1]。多種農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)超微粉碎后通常用來制作保健品、功能食品及餐飲配料[2-3]，其由多種原料和添加劑混合，多組分之間的粒度越接近，越容易混勻，不易發(fā)生分級(jí)或分層現(xiàn)象，所以粒度的均一性是重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[4-6]。利用機(jī)械法粉碎得到的超微粉體粒徑分布較寬，達(dá)到粒徑要求的粉體需及時(shí)進(jìn)行分離，避免過粉碎甚至顆粒團(tuán)聚，影響粉碎效率[7-8]。

立式機(jī)械沖擊式超微粉碎機(jī)采用粉碎分級(jí)一體化設(shè)計(jì)，物料在粉碎室粉碎后，在引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓引力作用下隨上升氣流高速運(yùn)動(dòng)至分級(jí)室，在分級(jí)輪產(chǎn)生的離心力和負(fù)壓引力的共同作用下進(jìn)行顆粒分級(jí)。項(xiàng)目組在樣機(jī)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩與分級(jí)輪在軸向方向上位置不同將直接影響待分級(jí)物料的流動(dòng)趨勢(shì)及顆粒受力情況，進(jìn)而影響分級(jí)品質(zhì)及分級(jí)效率，但分級(jí)過程是一個(gè)非線性、離散的、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程，采用傳統(tǒng)理論分析研究難度較大，利用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬可以得到不同工況下分級(jí)特性及流場(chǎng)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)優(yōu)化。國(guó)內(nèi)外利用CFD 軟件對(duì)粉碎分級(jí)流場(chǎng)規(guī)律及特性也做了較多研究[9-11]，錢義等[12]利用CFD 軟件對(duì)CPS-420 型錘片式粉碎機(jī)安裝異形篩片時(shí)粉碎室內(nèi)物料顆粒受到的氣力作用和內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究；BUD?等[13]用CFD 軟件對(duì)MB7.5 型錘片式粉碎機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了粉碎室內(nèi)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和湍流場(chǎng)分布規(guī)律，得出流場(chǎng)特征對(duì)粉碎性能的影響規(guī)律；WANG等[14]用CFD 軟件對(duì)棒銷臥式砂磨機(jī)研磨缸體內(nèi)增加3 種不同結(jié)構(gòu)定磨銷進(jìn)行單相流場(chǎng)數(shù)值模擬，得出矩形結(jié)構(gòu)定磨銷更能提高粉碎效率；王曉峰等[15]利用Fluent 軟件對(duì)130 型立式超微粉碎機(jī)粉碎腔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了可視化數(shù)值模擬，只對(duì)粉碎部分進(jìn)行模擬而將分級(jí)部分以壓力出口的形式進(jìn)行簡(jiǎn)化；陳以威等[16]運(yùn)用CFD 軟件，對(duì)超細(xì)粉體濕法離心分級(jí)機(jī)腔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真；MOU等[17]用CFD 軟件對(duì)渦輪式空氣分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)籠形狀、導(dǎo)風(fēng)葉片數(shù)量及形狀對(duì)分級(jí)性能的影響進(jìn)行了仿真分析；劉校兵等[18]對(duì)SLK5500 型渦流空氣選粉機(jī)分級(jí)室平面進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬得出分級(jí)過程是一個(gè)概率事件，粒徑較小的顆粒進(jìn)入細(xì)粉的概率大，而粒徑較大的顆粒進(jìn)入粗粉的概率大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分級(jí)室內(nèi)導(dǎo)流罩軸向位置變化、分級(jí)葉輪軸向尺寸變化會(huì)對(duì)分級(jí)室內(nèi)流場(chǎng)變化以及分級(jí)性能產(chǎn)生較大影響，影響分級(jí)效率及分級(jí)精度，但目前關(guān)于立式機(jī)械超微粉碎機(jī)分級(jí)室內(nèi)導(dǎo)流罩與分級(jí)輪位置關(guān)系及結(jié)構(gòu)對(duì)分級(jí)規(guī)律影響的文獻(xiàn)較少。

本文以CWFJ 型機(jī)械超微粉碎機(jī)為研究對(duì)象，在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了兩種分級(jí)室改進(jìn)結(jié)構(gòu)，采用試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，分析不同結(jié)構(gòu)下分級(jí)室內(nèi)流場(chǎng)規(guī)律及分級(jí)特性，為分級(jí)室結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)，提高分級(jí)效率，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

1 CWFJ 型機(jī)械超微粉碎機(jī)粉碎分級(jí)一體裝置結(jié)構(gòu)及分級(jí)室結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.1 粉碎分級(jí)一體裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

CWFJ 型機(jī)械超微粉碎機(jī)粉碎分級(jí)一體裝置主要由刀盤、齒圈、分級(jí)葉輪、主軸、導(dǎo)流罩、腔體等組成，如圖1 所示。

圖1 粉碎分級(jí)一體裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Single unit system of grinding and classification

經(jīng)清選的物料由側(cè)面螺旋送料器喂入，落在粉碎室內(nèi)，轉(zhuǎn)子盤高速旋轉(zhuǎn)將物料甩向固定在機(jī)體上的齒圈，轉(zhuǎn)子盤刀頭與固定齒圈的間隙很小，其間氣流因齒圈齒形變化而發(fā)生瞬時(shí)變化，物料在此間隙中受到交變應(yīng)力的作用，主要為沖擊、剪切、研磨及物料間的相互撞擊等綜合作用力實(shí)現(xiàn)粉碎。轉(zhuǎn)子盤下方是進(jìn)風(fēng)口，粉碎后的物料，在負(fù)壓氣流的拉力作用下，小粉?？朔灾?，隨氣流越過導(dǎo)流圈，進(jìn)入分級(jí)室。分級(jí)葉輪由葉片組成，高速旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生與負(fù)壓相反的離心力，沉入葉道內(nèi)的粉粒同時(shí)受到負(fù)壓氣流的向心力和粉粒自重及葉輪產(chǎn)生的離心力的作用，粉粒中大于臨界粒徑的顆粒因質(zhì)量大沿導(dǎo)流罩內(nèi)側(cè)被甩回粉碎室繼續(xù)粉碎，小于臨界粒徑的顆粒經(jīng)排料管道進(jìn)入旋風(fēng)收集器經(jīng)排料閥排出。

1.2 分級(jí)室結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本文針對(duì)CWFJ-30 型機(jī)械超微粉碎機(jī)展開研究，CWFJ-30 型機(jī)械超微粉碎機(jī)分級(jí)室初始結(jié)構(gòu)為：分級(jí)輪直徑為250 mm，葉片高度為100 mm，寬度為70 mm，12 片葉片均勻分布，分級(jí)輪葉片上沿距離出料口底端部25 mm；進(jìn)料口有效面積15 990 mm2，出料口直徑160 mm；流體空間直徑520 mm，高度240 mm，如圖2a。

圖2 三種不同位置關(guān)系的分級(jí)室三維幾何模型Fig.2 Three-dimentional geometric model of classification chamber with three different positional relationships

王曉峰等[15]采用離散相模型對(duì)機(jī)械超微粉碎機(jī)粉碎腔內(nèi)的氣/固兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，粉碎室中向上的氣流大部分都集中在分流罩的外部，處于其內(nèi)部的氣流很少，劉校兵等[18]對(duì)SLK5500 型渦流空氣選粉機(jī)分級(jí)室平面進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬得出分級(jí)過程是一個(gè)概率事件，在對(duì)CWFJ-30 型機(jī)械超微粉碎機(jī)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)制得的成品物料中會(huì)有大顆粒夾帶。通過前人分析結(jié)合當(dāng)前機(jī)械超微粉碎機(jī)分級(jí)室結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：物料在粉碎室粉碎后，在引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓引力作用下隨上升氣流越過導(dǎo)流罩高速運(yùn)動(dòng)至分級(jí)室，在分級(jí)輪產(chǎn)生的離心力和負(fù)壓引力的共同作用下進(jìn)行顆粒分級(jí)，由于導(dǎo)流罩與上端蓋之間間隙以及分級(jí)輪與出料口下端部之間間隙均較大，形成了氣固混合流的無阻力通道，由于向上的氣流大部分都集中在分流罩的外部，因此粒徑較大的顆粒很容易被氣流由此通道被夾帶進(jìn)入排料管而未經(jīng)分級(jí)輪進(jìn)行分級(jí)。

為提高分級(jí)質(zhì)量，進(jìn)一步研究分級(jí)室內(nèi)導(dǎo)流罩的軸向位置和分級(jí)葉輪的軸向高度對(duì)分級(jí)性能的影響，針對(duì)當(dāng)前分級(jí)室結(jié)構(gòu)中存在的無阻力通道導(dǎo)致成品物料大顆粒夾帶的問題，提出兩種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。改進(jìn)結(jié)構(gòu)一：導(dǎo)流罩在軸向方向向上移動(dòng)，使得導(dǎo)流罩上邊沿與上端蓋弧板貼合，分級(jí)輪葉片高度不變，如圖2b；改進(jìn)結(jié)構(gòu)二：導(dǎo)流罩位置與初始結(jié)構(gòu)一致，分級(jí)輪葉片高度加高，加高后分級(jí)輪葉片上沿距離出料口底端部3 mm，如圖2c。

2 數(shù)值模擬方法及計(jì)算模型

2.1 數(shù)值模擬方法

在CWFJ 型機(jī)械超微粉碎機(jī)分級(jí)室工作過程中，分級(jí)室內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)主要為氣-固混合的兩相流體，顆粒在氣流中呈分散型運(yùn)動(dòng)[19]。建模時(shí)將氣相和離散顆粒相分開處理[20-21]，對(duì)氣場(chǎng)相的建模采用歐拉方法，而對(duì)離散顆粒相采用拉格朗日方法進(jìn)行描述[22-23]，分級(jí)室內(nèi)三維氣相流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型主要包括質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。

式中ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；x、y、z為3個(gè)方向坐標(biāo)，m；u、v、w為3個(gè)坐標(biāo)軸方向的速度分量，m/s；Fx、Fy、Fz分別是單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力在3個(gè)坐標(biāo)軸方向的分量，m/s2；Pij為流體內(nèi)的應(yīng)力張量的分量（i=x、y、z；j=x、y、z），N/m2[19]。

另外分級(jí)室內(nèi)流場(chǎng)是一個(gè)不穩(wěn)定的湍流場(chǎng)，且氣流速度相對(duì)較高，因此還需附加κ-ε雙方程湍流模型。湍流模型的輸運(yùn)方程為

其中k為流體的湍動(dòng)能，kJ；μi、μj為流體速度，m/s；μ為流體動(dòng)力黏度，kg/(m·s)；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，kJ；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，kJ；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；SK和Sε是用戶定義的源項(xiàng)；ε為湍流耗散率，%；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε為湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；μt為湍流黏度，kg/(m·s)；prt為湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)；gi為重力加速度在i方向上的分量，m/s2；β為熱膨脹系數(shù)；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；Mt為湍動(dòng)馬赫數(shù)；a為聲速，m/s；γ為定壓比熱與定容比熱之比；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T為絕對(duì)溫度，K[19]。

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 物理模型

根據(jù)CWFJ 系列機(jī)械超微粉碎機(jī)粉碎分級(jí)一體裝置結(jié)構(gòu)工作原理，選取分級(jí)室內(nèi)流體空間作為計(jì)算區(qū)域[24-25]，通過Solid Works 軟件對(duì)CWFJ-30 型機(jī)械超微粉碎機(jī)分級(jí)室3 種結(jié)構(gòu)分別建模，對(duì)分級(jí)室結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化[26]：

1）進(jìn)料口：物料在轉(zhuǎn)子盤與固定齒圈間進(jìn)行粉碎后進(jìn)入分級(jí)室，在工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子盤高速運(yùn)轉(zhuǎn)，被粉碎的物料只能通過刀頭與固定齒圈間的間隙進(jìn)入分級(jí)室，因此將周向間隙作為分級(jí)室的進(jìn)料口；

2）分級(jí)區(qū)：分級(jí)葉片組、葉片底盤以及分級(jí)輪主軸作為整體，從而省略各個(gè)結(jié)構(gòu)件的連接；

3）旋轉(zhuǎn)域：分級(jí)輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)域，其他區(qū)域?yàn)殪o區(qū)域；

4）出料口：端蓋與分級(jí)室箱體作為整體，端蓋中心處為分級(jí)室混合物料出料口。

經(jīng)簡(jiǎn)化后的分級(jí)室流體空間三維模型主要由進(jìn)料口、出料口、動(dòng)區(qū)域、靜區(qū)域、分級(jí)輪、交界面、導(dǎo)流罩組成，如圖3 所示。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

將三維模型導(dǎo)入到 ANSYS SpaceClaim 軟件進(jìn)行流體域三維建模，模型設(shè)置為共享拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[27]。然后將處理好的分級(jí)室流體域三維模型導(dǎo)入到mesh 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。全局最大網(wǎng)格設(shè)置為20，對(duì)流動(dòng)變化大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，葉片、導(dǎo)流罩和交界面最大尺寸設(shè)置為3，旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5，對(duì)旋轉(zhuǎn)域與靜區(qū)域交界面設(shè)置成滑移網(wǎng)格交界面，最終初始結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型中總單元數(shù)達(dá)275.6 萬，改進(jìn)結(jié)構(gòu)一網(wǎng)格模型中總單元數(shù)達(dá)275.6 萬，改進(jìn)結(jié)構(gòu)二網(wǎng)格模型中總單元數(shù)達(dá)267.0 萬，如圖4 所示。

圖4 分級(jí)室流體空間網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh model of classification chamber fluid space

2.2.3 邊界條件

利用CFD 分析軟件FLUENT17.0 對(duì)分級(jí)室內(nèi)流場(chǎng)變化（速度和負(fù)壓特性）及物料軌跡進(jìn)行模擬研究，流體邊界條件定義見表1。采用歐拉（Eulerian）多相流模型和重整化群（RNG）κ-ε湍流模型，將氣態(tài)空氣定義為流體第一相，香菇微粉顆粒顆粒定義為第二相，根據(jù)香菇微粉顆粒物性對(duì)密度、粒徑、黏度等進(jìn)行自定義，見表2。由香菇微粉物料特性結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)置兩相流的進(jìn)口速度為10 m/s，分級(jí)輪轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，固體顆粒相的體積分?jǐn)?shù)為0.14，出口壓力設(shè)置為負(fù)壓（-2 400 Pa），采用多重參考坐標(biāo)系法（multi-reference frame,MRF），設(shè)定動(dòng)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度[28-29]。

表1 分級(jí)室網(wǎng)格邊界類型Table 1 Mesh boundary type in classification chamber

表2 香菇粉顆粒物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of mushroom powder

3 材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：市場(chǎng)選購(gòu)干香菇，將香菇切塊至塊徑小于3 cm，香菇的濕基含水率為9.0%±0.5%。

3.2 試驗(yàn)過程及取樣

將3 種不同位置關(guān)系的分級(jí)室結(jié)構(gòu)分別集成在CWFJ-30 型機(jī)械超微粉碎機(jī)（自主研制，粉碎主軸轉(zhuǎn)速4 200 r/min，分級(jí)輪轉(zhuǎn)速2 100 r/min，總功率46 kW）上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參照J(rèn)B∕T 12837-2016《機(jī)械沖擊式超微粉碎設(shè)備試驗(yàn)方法》[31]進(jìn)行，設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)30 min 后，用取樣器采集物料樣本，并用四分法進(jìn)行取樣。

3.3 粒度分布測(cè)定

采用BT-9300S 型激光粒度分析儀（丹東百特儀器有限公司）參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29022-2021《粒度分析 動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)》[32]對(duì)取樣的物料測(cè)定粒度大小及粒度分布；分級(jí)精度分析參考《粒度分析結(jié)果的表述》GB/ T 1544.2-2006 第2 部分[33]：由粒度分布計(jì)算平均粒徑/直徑和各次矩和GB/ T 1544.4-2006 第4 部分[34]：分級(jí)過程的表征。

3.4 分級(jí)效率計(jì)算

分級(jí)效率的實(shí)質(zhì)是分級(jí)后獲得某一成分的質(zhì)量與分級(jí)前粉體中所含該成分的質(zhì)量之比，表達(dá)式為

其中η為分級(jí)效率，%；m0為分級(jí)前目標(biāo)粒徑的質(zhì)量，kg；m1為分級(jí)后目標(biāo)粒徑的質(zhì)量，kg[25]。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 分級(jí)粒徑

分級(jí)粒徑是衡量分級(jí)技術(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，通常把顆粒粒徑D50 稱為切割粒徑，D50 越小，細(xì)產(chǎn)品顆粒越細(xì)[25]。對(duì)照3 種試驗(yàn)粒度分析得到主要粒徑特性指標(biāo)（表3）可知:初始結(jié)構(gòu)中位粒徑D50=31.13 μm，改進(jìn)結(jié)構(gòu)一中位粒徑D50=21.12 μm，改進(jìn)結(jié)構(gòu)二中位粒徑D50=36.86 μm，分級(jí)粒徑由小到大依次是：改進(jìn)結(jié)構(gòu)一、初始結(jié)構(gòu)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)二。

表3 主要粒徑特性指標(biāo)Table 3 The main property index of particle size

4.2 分級(jí)精度指數(shù)

分級(jí)精度表示分級(jí)過程中分級(jí)機(jī)的靈敏程度，分級(jí)精度越高，分級(jí)效果越好，分級(jí)后得到的產(chǎn)品粒徑分布就越窄[35]?？缍仁敲枋隽椒植嫉囊粋€(gè)重要參數(shù)，跨度值越小，粒徑分布越窄，跨度值越大，粒徑分布越寬[34]，由表3 可知，3 種分級(jí)室結(jié)構(gòu)跨度值由小到大依次是：改進(jìn)結(jié)構(gòu)二、初始結(jié)構(gòu)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)一，改進(jìn)結(jié)構(gòu)二粒徑分布窄于另外兩種結(jié)構(gòu)。由表4 粒度累積分布含量可知：改進(jìn)結(jié)構(gòu)構(gòu)一和改進(jìn)結(jié)構(gòu)二所得到的最大粒徑均小于300 μm，大顆粒均少于初始結(jié)構(gòu)。綜合分析，改進(jìn)結(jié)構(gòu)二分級(jí)精度更高。

表4 粒度累積分布含量Table 4 Cumulative distribution content of particle size

4.3 分級(jí)效率

分級(jí)效率的實(shí)質(zhì)是分級(jí)后獲得某一成分的質(zhì)量與分級(jí)前粉體中所含該成分的質(zhì)量之比，但在實(shí)際計(jì)算中，并不能完全分離得到目標(biāo)粒徑進(jìn)行稱重，可將物料顆粒分成不同的組分后，分析不同顆粒粒徑分級(jí)效果的部分分級(jí)效率，從而對(duì)分級(jí)效果做定量分析評(píng)價(jià)，本文選取區(qū)間粒度分布曲線（圖5）峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粉體粒徑百分比進(jìn)行評(píng)價(jià)。由圖5 可知峰值點(diǎn)處粒徑區(qū)間含量分別為：改進(jìn)結(jié)構(gòu)二4.67%＞初始結(jié)構(gòu)3.71%＞改進(jìn)結(jié)構(gòu)一3.15%，另外峰值線兩側(cè)曲線約陡峭，說明接近目標(biāo)粒徑的趨勢(shì)越明顯，因此分級(jí)效率由高到底依次為改進(jìn)結(jié)構(gòu)二、初始結(jié)構(gòu)、改進(jìn)結(jié)構(gòu)一。

圖5 區(qū)間粒度分布曲線Fig.5 The curve of interval size distribution

試驗(yàn)分析得到：改進(jìn)結(jié)構(gòu)一分級(jí)得到的產(chǎn)品更細(xì)，分級(jí)精度較高，但分級(jí)效率低，粒度分布區(qū)間寬；改進(jìn)結(jié)構(gòu)二分級(jí)效率、分級(jí)精度均優(yōu)于初始結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)一，但分級(jí)粒徑較大；兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)都改善了大顆粒夾雜的問題，綜合比較改進(jìn)結(jié)構(gòu)一分級(jí)性能更好。

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 不同位置關(guān)系的分級(jí)輪外側(cè)及葉片間速度分布規(guī)律

導(dǎo)流罩與分級(jí)輪的位置關(guān)系發(fā)生變化后會(huì)對(duì)分級(jí)輪內(nèi)外側(cè)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，影響分級(jí)效率及分級(jí)精度。顆粒在分級(jí)輪外側(cè)主要受到氣流離心力的作用，在分級(jí)輪旋轉(zhuǎn)和氣流的共同作用下，大多數(shù)顆粒在分級(jí)輪外側(cè)發(fā)生分級(jí)，分級(jí)后的細(xì)顆粒需要通過分級(jí)輪葉片之間的間隙，才可以進(jìn)入分級(jí)輪內(nèi)部，最后被收集裝置收集。

為清楚地觀察分級(jí)輪內(nèi)外側(cè)切向速度場(chǎng)的分布情況，在工作腔內(nèi)部截取不同位置關(guān)系分級(jí)室軸截面z=110 mm的速度等值線圖，如圖6 所示?？砂l(fā)現(xiàn)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)一分級(jí)輪外側(cè)切向速度變化小且切向速度分布更加均勻，細(xì)顆粒更容易進(jìn)入分級(jí)輪內(nèi)部；原始結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)二分級(jí)輪外側(cè)氣流切向速度分布不夠均勻但切向速度大，尤其是改進(jìn)結(jié)構(gòu)二分級(jí)輪外側(cè)切向速度更大，物料流更容易被分散且大顆粒更容易被甩出；改進(jìn)結(jié)構(gòu)一葉片間徑向速度分布均勻，而原始結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)二由分級(jí)輪外側(cè)到分級(jí)輪內(nèi)側(cè)徑向速度逐漸減小，且分級(jí)輪葉片間產(chǎn)生反向漩渦，尤其是原始結(jié)構(gòu)中反向漩渦值更大，影響細(xì)顆粒進(jìn)入分級(jí)輪內(nèi)部，此結(jié)果解釋了試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)結(jié)構(gòu)一分級(jí)得到的產(chǎn)品粒徑更小,改進(jìn)結(jié)構(gòu)二無大顆粒夾雜。

圖6 分級(jí)室軸截面z=110 mm 速度等值線圖Fig.6 Velocity contour map of z=110 mm section of classification chamber

5.2 不同位置關(guān)系的軸向速度及壓力分布

分級(jí)輪內(nèi)側(cè)的軸向速度決定了細(xì)顆粒在分級(jí)輪內(nèi)側(cè)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。顆粒經(jīng)葉片間隙進(jìn)入分級(jí)輪內(nèi)部后會(huì)受到上升氣流的軸向力作用，分級(jí)輪內(nèi)側(cè)的軸向速度分布和大小決定了細(xì)顆粒能否順利快速通過分級(jí)輪內(nèi)部，而分級(jí)輪葉片與出料口下端口間隙處的壓力分布影響分級(jí)室內(nèi)顆粒流流入出料口的流通路徑。在工作腔內(nèi)部截取不同位置關(guān)系分級(jí)室縱截面y=0 的速度等值線圖和壓力云圖，如圖7、圖8。

圖7 分級(jí)室縱截面y=0 速度等值線圖Fig.7 Velocity contour map of y=0 section of classification chamber

圖8 分級(jí)室縱截面y=0 壓力云圖Fig.8 Pressure nephograms of y=0 section of classification chamber

由圖7 對(duì)比可知，改進(jìn)結(jié)構(gòu)二在分級(jí)輪內(nèi)側(cè)軸向速度分布更加均勻，極小值的軸向速度區(qū)域面積更小，軸向速度分布極值相差更小，有利于細(xì)顆粒快速通過分級(jí)輪內(nèi)部而被收集。由圖8 可知，改進(jìn)結(jié)構(gòu)一縱截面壓力云圖壓力帶層次多且變化均勻，分級(jí)輪外側(cè)與分級(jí)輪內(nèi)側(cè)壓力均勻且壓力帶上升，有利于細(xì)顆粒的分級(jí)及收集；初始結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)二在分級(jí)輪外側(cè)出現(xiàn)負(fù)壓集中區(qū)，對(duì)細(xì)顆粒快速通過分級(jí)輪有影響，但對(duì)大顆粒的分散及分級(jí)有促進(jìn)作用。初始結(jié)構(gòu)中分級(jí)輪頂端與出料口底部間隙處壓力帶近乎水平，大顆粒容易被細(xì)顆粒流帶入成品。該結(jié)果進(jìn)一步解釋了改進(jìn)結(jié)構(gòu)二分級(jí)效率高，改進(jìn)結(jié)構(gòu)二分級(jí)得到的產(chǎn)品粒徑較大，改進(jìn)結(jié)構(gòu)一和改進(jìn)結(jié)構(gòu)二無大顆粒夾雜。

5.3 不同位置關(guān)系的宏觀流場(chǎng)速度分布規(guī)律

對(duì)分級(jí)室內(nèi)流體流場(chǎng)速度規(guī)律進(jìn)行全域分析，得到分級(jí)室流線圖9。由圖9a 和圖9c 可知，導(dǎo)流罩外側(cè)流動(dòng)湍流強(qiáng)度強(qiáng)，上升氣流大部分集中在導(dǎo)流罩外部后越過導(dǎo)流罩進(jìn)入分級(jí)動(dòng)區(qū)域，理論上驗(yàn)證了導(dǎo)流罩的作用是分隔物料粉碎后的上升氣流和物料分級(jí)后部分下落的進(jìn)一步粉碎物料，防止二者互相沖突影響出料和回流而降低分級(jí)效率。由圖9b 可知，導(dǎo)流罩與上端蓋貼合后，上升氣流大部分直接進(jìn)入分級(jí)動(dòng)區(qū)域，與分級(jí)后回料流混合，影響分級(jí)效率。

圖9 分級(jí)室流線圖Fig.9 Streamline of classification chamber

流場(chǎng)速度變化梯度大小對(duì)分級(jí)精度也有較大影響。改進(jìn)結(jié)構(gòu)一和改進(jìn)結(jié)構(gòu)二分級(jí)動(dòng)區(qū)域內(nèi)軸向渦流較少，且形成明顯穩(wěn)定的徑向分級(jí)流場(chǎng)；與原始結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)一相比較，改進(jìn)結(jié)構(gòu)二速度分布差別更大，速度變化梯度明顯，更有利于顆粒的分散，提高分級(jí)效率。

6 結(jié)論

分級(jí)室內(nèi)導(dǎo)流罩軸向位置變化、分級(jí)葉輪軸向尺寸變化會(huì)對(duì)分級(jí)性能產(chǎn)生較大影響。本文通過性能試驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法，對(duì)CWFJ-30 型機(jī)械超微粉碎機(jī)3 種不同位置關(guān)系的分級(jí)室分級(jí)性能進(jìn)行比較分析，得到以下結(jié)論：

1）改進(jìn)結(jié)構(gòu)一：分級(jí)輪外側(cè)切向速度更加均勻，軸向速度及分級(jí)室流場(chǎng)速度變化梯度小，因此分級(jí)得到的產(chǎn)品中值粒徑更小，但分級(jí)效率和分級(jí)精度降低。導(dǎo)流罩上邊沿與上端蓋弧板貼合后阻斷了初始結(jié)構(gòu)中兩者之間的氣固混合流無阻力通道，且縱截面壓力帶層次多且變化均勻，有效避免了大顆粒進(jìn)入成品物料。

2）改進(jìn)結(jié)構(gòu)二：徑向速度由分級(jí)輪外側(cè)到內(nèi)側(cè)逐漸減小，且分級(jí)輪葉片間產(chǎn)生反向漩渦，分級(jí)輪內(nèi)側(cè)軸向速度分布更加均勻，軸向速度及分級(jí)室流場(chǎng)速度變化梯度大，因此分級(jí)得到的產(chǎn)品中值粒徑較大，但分級(jí)效率和分級(jí)精度均提高。分級(jí)輪葉片加高后，分級(jí)輪外側(cè)切向速度變大，物料流更容易被分散且大顆粒更容易被甩出，成品物料中避免了大顆粒進(jìn)入。

3）兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)都有效避免了大顆粒進(jìn)入成品物料。從分級(jí)粒徑、分級(jí)效率及分級(jí)精度指數(shù)3個(gè)指標(biāo)綜合比較3 種分級(jí)室結(jié)構(gòu)分級(jí)性能，認(rèn)為改進(jìn)結(jié)構(gòu)二分級(jí)效率及分級(jí)精度均好于另外兩種結(jié)構(gòu)，適用于要求產(chǎn)量的工廠化超微粉碎作業(yè)。改進(jìn)結(jié)構(gòu)一適用于要求粒徑更小的實(shí)驗(yàn)室超微粉碎。

本文數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行了相互驗(yàn)證，但只是對(duì)3 種結(jié)構(gòu)分級(jí)過程進(jìn)行了定性分析，還需進(jìn)一步探明分級(jí)性能隨導(dǎo)流罩軸向位置變化、分級(jí)葉輪軸向尺寸變化的一般規(guī)律。針對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)二，需進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)量及噸料電耗試驗(yàn)，加強(qiáng)其用于工廠化生產(chǎn)的意義。另外粉碎和分級(jí)是相輔相成、相互影響的過程，還需將兩個(gè)不可逆、非線性離散過程作為一個(gè)整體進(jìn)行仿真分析，為超微粉碎裝備整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的模擬方法和理論基礎(chǔ)。