基于EDEM對新型錘片式粉碎機篩網(wǎng)改進的驗證

■曹麗英 楊左文

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

飼料工業(yè)是我國畜牧業(yè)的重要組成部分之一，粉碎機是我國飼料工業(yè)中應(yīng)用的主要設(shè)備之一。錘片式飼料粉碎機是我國目前使用最為廣泛的飼料粉碎機[1]。目前傳統(tǒng)錘片式飼料粉碎機在其工作時存在著物料分離效率較低，過粉碎較為嚴重的問題?；诖吮菊n題組研發(fā)了一種新型錘片式飼料粉碎機，可以較好地解決了傳統(tǒng)粉碎機中存在的顆粒堵孔的嚴重問題，但是新型錘片式粉碎機在篩網(wǎng)處篩分效率依然偏低。為此課題組在篩網(wǎng)安裝角度篩孔大小形狀[2]，回料管設(shè)計[3]，分離裝置設(shè)計[4]等方面做了充分的研究。圖1為新型錘片式飼料粉碎機。

物料由進料口進入粉碎室，被錘片擊打以及與齒板摩擦進行物料粉碎，粉碎后的物料被錘片擊打力以及錘片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的風(fēng)力輸送到分離裝置進行粉碎，達到要求的顆粒由篩網(wǎng)透篩出去，未達到要求的大顆粒通過回料管回到粉碎室進行二次粉碎。

圖1 錘片式粉碎機結(jié)構(gòu)示意圖

在物料篩分過程中最為理想的狀況是物料顆粒粒徑小于等于篩孔孔徑的的物料全部透篩過去，而大于篩孔孔徑的物料全部流回回料管[5]。但是在實際中存在許多比較小的物料無法透篩的現(xiàn)象，其主要原因是在透篩過程中，物料與物料碰撞掉回回料管以及物料與篩網(wǎng)邊界碰撞掉回回料管。本文針對篩網(wǎng)篩分效率較低的問題對篩網(wǎng)進行改進，然后利用EDEM離散元軟件進行模擬仿真，統(tǒng)計出料量與回料量所占的比重后，發(fā)現(xiàn)改進后篩分效率較高。

1 平板型篩網(wǎng)與凹面型篩網(wǎng)對比

增大篩網(wǎng)面積可以提高物料分離效率，對于傳統(tǒng)錘片式飼料粉碎機主要代表就是歐洲出現(xiàn)的立軸式粉碎機[6]。以此為切入點對新型錘片式飼料粉碎機篩網(wǎng)進行改進。改進前為平板型篩網(wǎng)如圖2所示。改進后為凹面型篩網(wǎng)如圖3所示。

平板型篩網(wǎng)與凹面型篩網(wǎng)寬相同。平板型篩網(wǎng)長為d，凹面型篩網(wǎng)展開后長為,凹面型篩網(wǎng)的面積是平板型篩網(wǎng)的π/2倍，篩孔數(shù)量增加，透篩效率增大。但是篩孔的顆粒可通過面積變小，由于該過面積變化較小故在此忽略不計。對顆粒撞擊篩網(wǎng)邊界彈回路徑分析。假設(shè)，物料顆粒撞擊到篩網(wǎng)邊界后從篩網(wǎng)法線的另一側(cè)等角度彈回。

由圖4可知，物料顆粒撞擊在平板型篩網(wǎng)邊界上之后會彈回軌跡是悖向篩網(wǎng)，即使有其他顆粒再撞過來，該顆粒的動能也會大幅度降低而不能通過篩網(wǎng)。然而對于凹面型篩網(wǎng)，由圖5可知，當(dāng)物料顆粒撞到篩網(wǎng)邊界時，彈回來角度較大，再加上其他顆粒的撞擊，極有可能再次撞擊在篩網(wǎng)上，進行二次透篩。經(jīng)過以上分析可初步判定凹面型篩網(wǎng)更加有利于顆粒透篩。

圖2 平板型篩網(wǎng)

圖3 凹面型篩網(wǎng)

圖4 顆粒撞擊平板型篩網(wǎng)后運動軌跡

圖5 顆粒撞擊凹面型篩網(wǎng)后運動軌跡

2 顆粒在兩種模型下的EDEM仿真分析

2.1 幾何模型的建立

利用SOLIDWORK軟件建立粉碎機分離裝置改進前后的幾何模型，凹面型篩網(wǎng)為半圓弧形，其直徑為平板型篩網(wǎng)的長。除一些部位做相應(yīng)調(diào)整，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。并在分離裝置回料管口以及出料口下端建立回料收集箱和出料收集箱以便收集從回料管流出的物料和從出料口流出的物料以便統(tǒng)計其數(shù)量。改進前后分離裝置幾何模型如圖6和圖7。

圖6 平板篩網(wǎng)分離裝置模型

圖7 凹面型分離裝置模型

2.2 EDEM模擬仿真

全局參數(shù)設(shè)定，建立兩種材料，材料屬性分別為顆粒物質(zhì)與篩分材料，具體參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)

顆粒-顆粒和顆粒-邊界的接觸選擇Hertz-mindin(no slip)。其參數(shù)設(shè)置如表2。

表2 接觸參數(shù)

重力方向為幾何模型中垂直向下，重力加速度大小為9.81 m/s2。

關(guān)于顆粒的設(shè)定。雖然實際中粉碎物料形狀復(fù)雜多樣，但是顆粒篩分的研究，多數(shù)采用球形顆粒為研究對象進行模擬仿真。故本研究中使用EDEM系統(tǒng)提供的球形顆粒模型。顆粒半徑設(shè)為3 mm，顆粒接觸半徑3.3 mm。為了便于觀察凹面型篩網(wǎng)與平板型篩網(wǎng)的差異，只設(shè)置一種粒徑的物料顆粒，而且顆粒粒徑小于篩網(wǎng)孔徑。基于課題組的研究[2]，篩網(wǎng)網(wǎng)孔設(shè)計為邊長10 mm的正方形孔。

將平板篩網(wǎng)分離裝置模型導(dǎo)入EDEM中，在導(dǎo)入時注意單位要與原始建模單位統(tǒng)一，導(dǎo)入之后定義其屬性為篩分材料屬性。創(chuàng)建顆粒產(chǎn)生面，顆粒產(chǎn)生位置一定要創(chuàng)建到分離裝置入口內(nèi)。進入顆粒工廠，設(shè)定顆?？倲?shù)量15 000顆，每秒產(chǎn)生5 000顆?；谡n題組的研究[2]，顆粒進入分離裝置入口的速度設(shè)置為12.63 m/s。

進入EDEM仿真界面，設(shè)置仿真參數(shù)：時間步長為2.197 62×10-5s，模擬總時間設(shè)置為8 s，最小網(wǎng)格為3 mm，網(wǎng)格尺寸為6 mm，凹面型與平板型參數(shù)設(shè)置均保持一致，由于兩種篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)差異，故其網(wǎng)格總數(shù)也有差異。凹面型篩網(wǎng)分離裝置網(wǎng)格總數(shù)為917 600格，平板型篩網(wǎng)分離裝置網(wǎng)格總數(shù)709 156格。點擊“仿真/停止”進行求解計算。圖8、圖9為兩種模型在2.9 s時仿真圖。

由圖8與圖9對比可知在物料篩分過程中，凹面型篩網(wǎng)可以使物料分布更加離散，顆粒與顆粒之間碰撞概率較小。然而平板型篩網(wǎng)在篩分過程中大多數(shù)物料聚集在篩網(wǎng)上，顆粒與顆粒之間碰撞，難以透篩過去。

2.3 結(jié)果分析

創(chuàng)建虛擬單元組。利用虛擬單元組統(tǒng)計出各自出料收集器與回料收集器中物料的數(shù)量。圖9為平板型篩網(wǎng)分離裝置仿真結(jié)果。

圖8 2.9 s時平板型篩網(wǎng)仿真圖

圖9 2.9 s時凹面型篩網(wǎng)仿真圖

表3 物料量統(tǒng)計

經(jīng)過對整個模型中顆粒數(shù)量的統(tǒng)計(見表3)，得出整個模型中的顆粒數(shù)量等于初始設(shè)置的物料顆?？偭?，說明模型設(shè)置正確。部分物料滯留在篩網(wǎng)上造成了出料量與回料量之和小于物料總顆粒數(shù)。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)凹面型篩網(wǎng)的分離裝置在4.5 s時物料已經(jīng)全部落下，而平板型篩網(wǎng)分離裝置在3.8 s之后不在出料，大部分物料堆積在回料漏斗中，直到7.9 s后物料全部落下。說明與凹面型篩網(wǎng)對比，平板型篩網(wǎng)即不利于物料出料，其篩分效率較低，容易造成回料漏斗被堵。根據(jù)表3結(jié)果顯示，凹面型篩網(wǎng)出料量大于平板型篩網(wǎng)出料量。綜上可得出凹面型篩網(wǎng)更加有利于物料透篩。

3 結(jié)論

①本研究基于新型錘片式飼料粉碎機篩分效率較低的問題，提出將原來平板型篩網(wǎng)設(shè)計為凹面型篩網(wǎng)，通過分析比較兩種模型下物料顆粒運動軌跡可以初步判定凹面型篩網(wǎng)更加有利于物料透篩。

②用SOLIDWORK軟件建立平板型篩網(wǎng)分離裝置三維模型以及凹面型篩網(wǎng)分離裝置三維模型，將該模型導(dǎo)入EDEM軟件中，設(shè)置相同參數(shù)，使其在相同工況下篩分，由篩分過程發(fā)現(xiàn)凹面型篩網(wǎng)可以使物料更加離散，更加有利于物料透篩。

③對仿真結(jié)果進行分析，在相同工況下，凹面型篩網(wǎng)回料率遠低于平板型篩網(wǎng)回料率，而且凹面型篩網(wǎng)篩分用時小于平板型篩網(wǎng)。說明凹面型篩網(wǎng)更加有利于物料出料。