■汪建新 孫洪斌

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

目前，我國(guó)飼料粉碎機(jī)仍是以錘片式粉碎機(jī)為主。其工作原理是：物料進(jìn)入粉碎室后,受到高速回轉(zhuǎn)錘片的打擊而破碎并相互摩擦碰撞后進(jìn)一步破碎,達(dá)到粒度要求的物料顆粒在離心力和重力作用下通過(guò)篩片從出料口排出。錘片式粉碎機(jī)具有易于生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性好，工作時(shí)不易發(fā)生安全事故，可以應(yīng)用于大多工況場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)錘片式飼料機(jī)在粉碎過(guò)程中容易在錘片軸周圍形成環(huán)流層，在離心力作用下，大顆粒物料容易堵住篩孔，且粉碎室中心區(qū)域的負(fù)壓對(duì)物料有吸附作用，也使得物料不易分離，導(dǎo)致物料分離效率低，粉碎機(jī)能耗大，物料被過(guò)度粉碎等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的科研人員做了大量研究，如通過(guò)改變粉碎室形狀破壞環(huán)流層的方法，主要研究成果有水滴形、八角形、橢圓形等，但這些粉碎機(jī)體積大，成本較高；還有增大有效篩理面積的方法，主要是使用異型篩代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓形平篩，達(dá)到破壞環(huán)流層，增加篩理面積的目的，如波紋型篩片、梯形篩、分段圓弧篩等，但篩片磨損比較嚴(yán)重，需要經(jīng)常更換。采用輔助吸風(fēng)或氣力輸送系統(tǒng)，可提高物料的分離效率，但能耗增加；還有在分離裝置中引用振動(dòng)的方法，如歐洲的立軸式粉碎機(jī)，雖然提高了分離效率，但通用性差、成本高、體積大且不適用于細(xì)粉碎。目前，錘片式飼料粉碎機(jī)的發(fā)展雖然取得了一定成就，但仍然沒(méi)有從根本上解決傳統(tǒng)錘片式飼料粉碎機(jī)環(huán)流層的問(wèn)題，工作效率有待進(jìn)一步提高。

1 問(wèn)題描述

新型錘片式飼料粉碎機(jī)在粉碎室內(nèi)用齒板代替篩片，在分離裝置出口處安裝篩片，達(dá)到粒度要求的顆粒將通過(guò)篩片，大料粒則在粉碎室中心負(fù)壓及物料自重的作用下沿回料管再次回到粉碎室進(jìn)行粉碎，粉碎室內(nèi)不存在環(huán)流層的影響，解決了飼料過(guò)度粉碎的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率。但是如果粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速太大，粉碎室中心區(qū)域負(fù)壓也會(huì)增加，雖然提高了物料的輸送率，但也增加了氣流的回流量，不利于物料的分離。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)合理的回流量是新型飼料粉碎機(jī)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

圖1 新型錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)原理

2 有限元模型的建立及求解

2.1 模型的建立

錘片式飼料粉碎機(jī)整機(jī)模型比較復(fù)雜，為便于仿真計(jì)算，只建立有開孔和無(wú)開孔兩種情況下錘片式粉碎機(jī)分離裝置的簡(jiǎn)化模型，對(duì)比有無(wú)開孔時(shí)分離裝置內(nèi)流場(chǎng)的分布情況?？紤]到篩片對(duì)兩相流的阻力不大，建模時(shí)忽略篩片。采用三維建模軟件CATIA建立分離裝置模型，將建立好的三維模型導(dǎo)入到前處理軟件HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖2所示。

2.2 邊界條件及初始條件的確定

飼料粉碎機(jī)進(jìn)料口設(shè)為速度入口，氣相和固相進(jìn)口速度均為5 m/s。無(wú)開孔時(shí)，模型出口8、10均設(shè)為壓力出口，出口邊界的靜壓分別設(shè)為0 Pa和-500 Pa。在回料管開孔后，模型出口8、9、10均設(shè)為壓力出口，出口邊界的靜壓分別設(shè)為0 Pa,0 Pa和-500 Pa，進(jìn)出口位置如圖1所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格單元

2.3 求解

采用混合模型，分散相選用體積分?jǐn)?shù)占連續(xù)相12%的玉米秸稈顆粒，固相顆粒直徑設(shè)為1 mm,連續(xù)相設(shè)為空氣。空氣的運(yùn)動(dòng)粘度14.8×106m2/s，入口當(dāng)量直徑17.4 mm,通過(guò)理論計(jì)算可知Re＞4 000,所以粉碎機(jī)中流體的流動(dòng)為湍流，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，選用無(wú)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所示為開孔前分離裝置速度場(chǎng)分布圖，流體呈現(xiàn)紊流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，流場(chǎng)速度梯度變化較大。開孔后，由于降低了中心區(qū)域負(fù)壓對(duì)分離裝置中氣流的影響，使得流場(chǎng)速度分布均勻，速度梯度變化較小，如圖4所示。

圖3 開孔前分離裝置中速度場(chǎng)分布

圖4 開孔后分離裝置中速度場(chǎng)分布

圖5、圖6分別為開孔前和開孔后分離裝置壓力場(chǎng)分布，分析可知，在分離裝置下部貼近回料管的區(qū)域和回料管中幾乎全為負(fù)壓區(qū)域。開孔前后出料管中壓力場(chǎng)的分布基本沒(méi)有變化，但在開孔后壓力場(chǎng)的值都有所下降，這是由于開孔起到了泄壓的作用。

圖5 開孔前分離裝置中壓力場(chǎng)分布

圖6 開孔后分離裝置中壓力場(chǎng)分布

圖7、圖8所示分別為開孔前后固相顆粒濃度分布，開孔前，由于入口速度較大，受慣性力作用，固相顆粒主要集中在出料管管壁上方，使得管壁上方固相顆粒濃度較大，隨著氣流速度沿出料管道降低，固相顆粒出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象，受中心負(fù)壓的作用，回料管管口區(qū)和靠近中心負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)了固相顆粒濃度增高現(xiàn)象，這是由于中心負(fù)壓對(duì)氣流的吸附作用造成的。開孔后，固相顆粒的分布比較均勻，同時(shí)回料管中固相顆粒的濃度也有所降低。結(jié)合開孔前后速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和固相顆粒濃度的分布可以看出，開孔后出料管固相顆粒的分布比較均勻，同時(shí)氣流的回流量降低，物料的過(guò)篩率增加。

圖7 開孔前分離裝置中固相顆粒濃度分布

圖8 開孔后分離裝置中固相顆粒濃度分布

測(cè)得開孔前后回料管各點(diǎn)的壓力、速度、固相顆粒濃度，對(duì)比分析后進(jìn)一步證明：開孔后回料管中負(fù)壓值減小，固相顆粒濃度降低，回流量減小，具體參數(shù)如表1所示。

表1 回料管開孔前后參數(shù)

4 結(jié)論

①利用FLUENT軟件模擬了粉碎機(jī)分離裝置內(nèi)氣固兩相流的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及固相顆粒濃度的分布，為合理選擇工作參數(shù)提供了依據(jù)。

②通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，研究了在回料管上開孔對(duì)出料管內(nèi)物料流動(dòng)狀態(tài)的影響，驗(yàn)證了用開孔的方法調(diào)節(jié)回流量的可行性，能解決回流量過(guò)大的問(wèn)題。

③如何使出料管中固相顆粒分布更加均勻，同時(shí)減小回流量，又能保證未滿足要求的大顆粒物料能重新回到粉碎室內(nèi)進(jìn)行再次粉碎，需要通過(guò)改變孔徑的大小、數(shù)量及位置等因素來(lái)調(diào)節(jié)。