吳 波 何 康 李小標(biāo) 蔡斌 西成才

（1.宿州學(xué)院高端微納研磨裝備校企協(xié)同創(chuàng)新工程中心；2.安徽儒特實業(yè)有限公司 安徽宿州 234000）

當(dāng)前制造業(yè)資源消耗與環(huán)境問題已愈加凸顯，盡可能地減少產(chǎn)品制造過程的能量消耗是高端制造行業(yè)急需解決的重大問題?！吨袊圃?025》也要求企業(yè)應(yīng)加快節(jié)能環(huán)保技術(shù)，提高制造業(yè)資源利用率、降低能量消耗。臥式濕法研磨設(shè)備作為精細(xì)與超精細(xì)研磨設(shè)備受到專家學(xué)者和工業(yè)界人士的普遍認(rèn)可[1]。能耗作為衡量濕法研磨設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是在國家節(jié)能降耗、地方拉閘限電的背景下，研磨行業(yè)的節(jié)能潛力有待進(jìn)一步挖掘[2]。前期研究者對研磨設(shè)備能耗研究大多采用實驗的方式用于函數(shù)的推導(dǎo)，然而試驗成本較高[3，4]。通過有限元耦合場分析法解決多場耦合問題，不僅可以模擬探究研磨過程中運動狀態(tài)和能量環(huán)境，還是一種較為經(jīng)濟(jì)可行的能耗研究方法[5，6]。文中運用CFD-DEM流固耦合仿真策略，對各能耗數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出最優(yōu)研磨方案。

一、模擬仿真實驗

（一）仿真方法。濕法研磨機(jī)研磨時能耗的傳遞是通過電機(jī)帶動主軸轉(zhuǎn)動，再通過轉(zhuǎn)子將能量傳給研磨介質(zhì)來使被研磨物料得到粉碎，其研磨效果的好壞取決于能量的轉(zhuǎn)化利用率及能量在研磨筒內(nèi)的消耗狀況[7]。一般來說研磨筒中作用于物料破碎的能量越多，則研磨機(jī)的性能越高效。模擬實驗以氧化鋯珠間平均碰撞能量來表示研磨機(jī)的研磨能力。

DEM-CFD 耦合仿真使用EDEM2018 和Fluent19.1 軟件研究研磨介質(zhì)在農(nóng)藥懸浮液中的運動和碰撞。采用Hertz-Mindlin接觸模型進(jìn)行了DEM模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型和可伸縮壁面函數(shù)對近壁處理進(jìn)行CFD模擬。選用壓力基耦合求解的控制方程進(jìn)行求解，三維穩(wěn)態(tài)格林-高斯節(jié)點基求解器，選擇PRESTO!算法進(jìn)行壓力的插值方法求解，兩相流采用Koch-Hill 曳力模型[8]。對每個CFD 時間步驟進(jìn)行DEM-CFD 耦合。在仿真環(huán)境中，采用固定時間步長法，時間步長為0.01s，總時間步長為330。所有方程殘差的收斂準(zhǔn)則設(shè)為10-3，當(dāng)連續(xù)方程殘差降至9.7091×10-4時，其它組分殘差降至(1.1～2.8)×10-5，表明滿足收斂準(zhǔn)則。

（二）模擬對象。本研究使用的濕法研磨機(jī)是安徽儒特實業(yè)有限公司生產(chǎn)的15L工業(yè)型渦輪轉(zhuǎn)子臥式濕法研磨機(jī)。為有效且快速模擬運算，對研磨部分簡化處理[9]，所有部件等比例縮小，縮小后其有效研磨容積為0.03L,簡化后模型和尺寸如圖1所示。

圖1 CJ15研磨轉(zhuǎn)子模型

（三）仿真方案。影響研磨效果的關(guān)鍵工藝參數(shù)是研磨介質(zhì)填充率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和研磨介質(zhì)粒徑，故模擬實驗擬分兩步開展。首先以農(nóng)藥懸浮液作為研磨對象，選用直徑0.8mm氧化鋯作為研磨介質(zhì)，對填充率60%、70%、80%、90%，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速800r/min、1000r/min、1200r/min、1400r/min 開展模擬，通過顆粒與顆粒平均碰撞能量損失數(shù)據(jù)分析得出最優(yōu)填充率和轉(zhuǎn)速；然后保持最優(yōu)填充率和轉(zhuǎn)速不變，分別對0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm四種不同珠徑模擬運算，分析不同研磨介質(zhì)粒徑下平均碰撞能量特點，從而比較得出最優(yōu)工藝參數(shù)。研磨介質(zhì)和農(nóng)藥屬性見表1所示。

表1 研磨介質(zhì)和農(nóng)藥懸浮液屬性

為保證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每一組模擬3次，再將3次導(dǎo)出的顆粒與顆粒平均碰撞能量損失數(shù)據(jù)（包含總碰撞能量損失、法向碰撞能量損失和切向碰撞能量損失）再平均處理，作為分析數(shù)據(jù)，如表2模擬實驗安排表。

表2 模擬實驗安排表

二、結(jié)果分析

導(dǎo)出顆粒與顆粒平均碰撞能量損失數(shù)據(jù)（包含總碰撞能量損失、法向碰撞能量損失和切向碰撞能量損失）經(jīng)平均值處理，顆粒碰撞損失數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 顆粒碰撞能量損失數(shù)據(jù)

（一）切向和法向碰撞能量。在物料的一般破碎形式中可將其分為兩種主要的破碎模型：（1）體積粉碎模型：所謂的體積粉碎模型屬于沖擊粉碎，在粉碎過程中主要是正面碰撞的法向力所造成，在這一過程中物料顆粒由大型顆粒變成中型顆粒再到小型顆粒以及粉末的形式。（2）表面粉碎模型：主要是從物料表面逐層削下粉末成分，但物料的內(nèi)部不受影響。這一過程主要是研磨介質(zhì)球在旋轉(zhuǎn)運動時與物料之間存在接觸時其剪切力作用形成的。

對表3中研磨介質(zhì)顆粒間碰撞的切向碰撞能量和法向碰撞能量數(shù)值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：切向碰撞能量始終大于法向碰撞能量，切向碰撞能耗是法向碰撞能耗的3.5～9倍。可以推斷在研磨過程中，物料的破碎主要是表面破碎。而表面破碎主要來自研磨介質(zhì)顆粒與物料之間的切向能量，因此在實際設(shè)計生產(chǎn)時，提高研磨介質(zhì)的切向能量能夠有效提高研磨效率。

表4顯示了在不同轉(zhuǎn)速和填充率下，切向碰撞能量與法向碰撞能量的比例關(guān)系。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同的條件下，隨著填充率增大，切向碰撞能量與法向碰撞能量的比值呈增大趨勢。這說明轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定的情況下，適當(dāng)增加研磨介質(zhì)的填充率，將有助于提高研磨效率。

表4 切向碰撞能量與法向碰撞能量比例關(guān)系

（二）碰撞總能量。研磨介質(zhì)顆粒碰撞總能量等于切向碰撞能量與法向碰撞能量之和，根據(jù)表3數(shù)據(jù)不難看出，切向碰撞能量與總碰撞能量的變化趨勢相同，在一定意義上切向碰撞能量的變化可以代表研磨中的能量變化趨勢。

為進(jìn)一步服務(wù)生產(chǎn)實際，探索研磨介質(zhì)顆粒碰撞總能量變化特點，以實際研磨過程中常用的三種填充率：70%、80%、90%，以及常用的三種轉(zhuǎn)速：1000r/min、1200r/min、1400r/min 為研究工況，分兩種情況進(jìn)行模擬分析：（1）填充率一定時，碰撞總能量隨轉(zhuǎn)速變化趨勢；（2）在轉(zhuǎn)速一定時，碰撞總能量隨填充率變化趨勢。

1.碰撞總能量隨轉(zhuǎn)速變化。碰撞總能量與轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖2所示。由圖2可以看出，在70%、80%、90%填充率條件下，隨轉(zhuǎn)速的提高，碰撞總能量呈現(xiàn)增大的趨勢，但是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1200r/min處出現(xiàn)拐點，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于1200r/min時，顆粒碰撞總能量隨轉(zhuǎn)速增大而減小。因此，在填充率一定的情況下，僅僅提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并不能提高研磨效率，而且造成能源的嚴(yán)重浪費。這是由于在高轉(zhuǎn)速情況下，較大離心力的作用使更多的研磨介質(zhì)顆粒被壓迫貼緊在筒壁上，從而減少了研磨介質(zhì)顆粒的碰撞次數(shù)，因而碰撞能量減少。另外，填充率90%時，碰撞總能量數(shù)值在任意轉(zhuǎn)速下都是最大的，因此，物料研磨加工時，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，適當(dāng)?shù)奶岣咛畛渎誓軌蛴行У靥岣哐心バ省?/p>

圖2 碰撞總能量隨轉(zhuǎn)速變化趨勢圖

2.碰撞總能量隨填充率變化。碰撞總能量與填充率的變化趨勢如圖3 所示。在轉(zhuǎn)速1000r/min、1200r/min、1400r/min 條件下，碰撞總能量隨填充率的增大而增大，在轉(zhuǎn)速1200r/min時碰撞總能量具有較大的變化梯度，轉(zhuǎn)速1400r/min時碰撞總能量的變化梯度較小。這同時也印證了圖2的結(jié)論，在填充率一定的情況下，不斷提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并非能提高研磨效率。另外，填充率90%，轉(zhuǎn)速1200r/min碰撞總能量取得最大值3.80787E-06J。

圖3 平均碰撞總能量隨填充率變化圖

為進(jìn)一步分析填充率對于碰撞總能量的影響，提高研磨效率，現(xiàn)增加填充率至95%，在轉(zhuǎn)速1200r/min條件下，碰撞總能量隨填充率的變化如圖4所示。由圖4可以看出，填充率大于90%時，碰撞總能量呈現(xiàn)下降趨勢。經(jīng)比較可知，在填充率90%，轉(zhuǎn)速1200r/min時研磨介質(zhì)碰撞總能量最大，研磨效率最佳。

圖4 1200r/min平均碰撞總能量隨填充率變化圖

三、最優(yōu)工藝參數(shù)

以上采用直徑0.8mm氧化鋯研磨介質(zhì)，分析了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和填充率對于研磨介質(zhì)碰撞總能量的影響。但是，研磨介質(zhì)的直徑對于產(chǎn)品物料的粒度起決定作用。為進(jìn)一步分析研磨介質(zhì)直徑對于碰撞能量的影響，從而確定最優(yōu)工藝參數(shù)，現(xiàn)以填充率90%，轉(zhuǎn)速1200r/min作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析四種不同研磨介質(zhì)直徑：0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm 情況下各碰撞能量的變化特點，其法向和切向碰撞能量如表5所示，由表5可以看出，在不同研磨介質(zhì)直徑下，切向碰撞能量在整個物料粉碎中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。

表5 不同粒徑下顆粒碰撞能量

如圖5 顯示了在填充率90%，轉(zhuǎn)速1200r/min 工藝條件下，不同研磨介質(zhì)的直徑時的碰撞總能量的變化。由圖5可以看出，當(dāng)研磨介質(zhì)的直徑0.8mm時，具有最大的碰撞總能量。相比較于其他工藝參數(shù)，轉(zhuǎn)速1200r/min，填充率90%，粒徑0.8mm是較優(yōu)工藝參數(shù)，因此在一定產(chǎn)品粒度下，能取得較高的研磨效率。

圖5 不同粒徑顆粒碰撞總能量

四、結(jié)論

面向CJ15臥式濕法研磨機(jī)運用CFD-DEM耦合模擬仿真，通過對研磨介質(zhì)碰撞能量數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論。

（一）濕法研磨過程中，研磨介質(zhì)間的切向碰撞能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于法向碰撞能量，切向碰撞能量是法向碰撞能量的3.5～9倍，因此，研磨介質(zhì)間相互作用的切向能量對物料的破碎起主導(dǎo)作用，提高研磨介質(zhì)的切向能量能夠有效提高研磨效率。

（二）在70%、80%、90%填充率條件下，隨轉(zhuǎn)速的提高，碰撞總能量呈現(xiàn)增大的趨勢，但是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1200r/min 處出現(xiàn)拐點，因此，在填充率一定的情況下，僅僅提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并不能有效提高研磨效率，而在轉(zhuǎn)速一定的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣咛畛渎誓軌蛴行У靥岣哐心バ剩辉谵D(zhuǎn)速1000r/min、1200r/min、1400r/min 條件下，碰撞總能量隨填充率的增大而增大，在轉(zhuǎn)速1200r/min 時碰撞總能量具有較大的變化梯度，在填充率90%，轉(zhuǎn)速1200r/min 時研磨介質(zhì)碰撞總能量最大，研磨效率最佳。

（三）在填充率90%，轉(zhuǎn)速1200r/min工藝條件下，不同研磨介質(zhì)直徑：0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm 情況下切向碰撞能量在整個物料粉碎中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，當(dāng)研磨介質(zhì)的直徑0.8mm時，具有最大的碰撞總能量。因此，相比較于其他工藝參數(shù)，轉(zhuǎn)速1200r/min，填充率90%，研磨介質(zhì)直徑0.8mm是較優(yōu)工藝參數(shù)。