粉碎機異形篩片氣流場數值模擬及試驗研究

錢 義 王 迪 張 玨,2 田海清* 于 洋

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古師范大學 物理與電子信息學院，呼和浩特 010020)

錘片式飼料粉碎機是目前養殖專業戶以及小型飼料加工廠廣泛應用的粉碎設備，具有實用性好、結構簡單、操作簡便等優點[1-2]。但由于粉碎機生產效率低、能耗高及錘片磨損嚴重，制約了該機具的推廣使用[3-4]。因此，通過優化篩片結構參數，設計出高效節能的異形篩片對提高粉碎機的粉碎性能有很好的促進作用。

近年來，隨著計算機性能的提高和CFD軟件的發展，現代CFD技術已經成為流場研究的重要工具和手段，國內外已有針對飼料加工、各類粉碎裝備內部流場研究領域中一些具體問題，采用不同的解決方法、試驗手段進行試驗研究：1)利用fluent軟件研究了新型錘片飼料粉碎機(粉碎室內無篩片)及回料管內部的流場特征，并利用試驗研究證明了模擬分析的準確性[5-8]；2)應用K-ε模型對風篩式清選室內氣流場進行數值模擬獲取了內流場結構信息，并與試驗值相比較，驗證了數值模擬的準確性[9]；3)利用CFD技術獲取9R-40型揉碎機轉速在2 800 r/min時，揉碎室內流場速度和壓力分布特征，分析了秸稈物料在揉碎機內部的運動規律，為揉碎機流場結構優化提供了依據[10]；4)基于Mixture模型，采用fluent軟件模擬分析了不同參數的葉片式拋送裝置氣固兩相流，并對拋送裝置結構進行了優化，提高了物料的拋送效率[11]；5)基于計算流體力學(CFD)與離散相(DPM)耦合模型，采用fluent軟件對錘片式粉碎機內流場進行了數值模擬，獲取了粉碎室流場壓強、速度、湍動能及物料體積分數等相關參數[12]?，F階段國內外對流場的研究比較多但仍然存在一些問題：1)高速轉子旋轉產生的氣流會影響粉碎室內物料顆粒的粉碎與篩分，研究學者只是對粉碎室內不安裝篩片的新型錘片式粉碎機流場進行了模擬分析，不具有普遍性，并未獲得錘片式飼料粉碎機(裝有異形形篩片)流場分布特征；2)數值模擬是基于K-ε模型的修正,不完全符合清選室內部流動的實際情況，從而影響模擬結果的準確性；3)未將揉碎機內流場特征與粉碎機的粉碎性能結合起來，對物料揉搓機理進行全面、深入的研究；4)不同參數的葉片式拋送裝置的受力情況還需進一步深化研究，以揭示風機拋送物料的原理；5)粉碎室結構較為復雜，氣固兩相流中固相物料的運動信息獲取仍需進一步研究。

為進一步探究粉碎室內流場對粉碎機性能的影響規律，準確獲取粉碎室內部流場分布信息。本研究選取CPS-420型錘片式飼料粉碎機的篩片為研究對象，對異形篩片的結構參數進行優化，設計出3種異形篩片，利用理論分析、數值模擬和飼料粉碎性能試驗相結合的方法研究篩片結構參數對流場特征及粉碎機性能的影響，分析篩片結構參數與粉碎室內流場之間的關系，以達到優化篩片結構，提高粉碎機綜合性能的目的[13-14]。

1 粉碎機篩片設計分析

1.1 粉碎過程及樣機結構

本研究以市面上熱銷的CPS-420型錘片式飼料粉碎機為研究樣機，粉碎機結構見圖1，主要技術參數見表1。該機的工作過程為：玉米等物料由喂料斗6進入粉碎室9，最先受到高速旋轉錘片4的打擊發生破裂。物料顆粒在錘片和氣流的作用下飛向篩片3，物料與篩片碰撞后會發生破碎，大顆粒物料會被反彈，繼續受到錘片的打擊，然后再落回到篩片上，篩片對物料顆粒產生較大的摩擦力。物料顆粒反復受到錘片4打擊和篩片3的撞擊和摩擦作用，物料顆粒逐漸變小，當物料粒徑小于篩孔直徑時，細小的物料顆粒就會通過篩孔排出機外。

1.機架；2.出料腔；3.篩架及篩片；4.錘片；5.喂料口進氣孔；6.喂料斗；7.粉碎室蓋板；8.錘片架；9.粉碎室；10.電機。1.Frame; 2.Discharge cavity; 3.Sieve frame and sieve; 4.Hammer; 5.Inlet port of feeding mouth; 6.Feeding hopper; 7.Cover plate of crushing chamber; 8.Hammer frame; 9.Crushing chamber; 10.Electric motor.圖1 CPS-420型錘片飼料粉碎機結構示意圖Fig.1 CPS-420 hammer feed crusher structure of schematic diagram

表1 CPS-420 型錘片飼料粉碎機技術參數Table 1 Technical parameters of CPS-420 hammer feed mill

1.2 間隔分段圓弧篩片設計

間隔分段圓弧篩片設計原理見圖2，考慮到樣機篩片架上固定篩片螺桿的數目和篩片架受力均勻性，將篩片沿周向均勻分成6等份[15-16]。間隔分段圓弧篩片由多個小圓弧段和大圓弧段交替連接組合而成，從而實現在整個粉碎室內錘篩間隙截面不斷變化，氣流流經變截面區域時流速不斷改變。篩片安裝在篩片架內,篩片架外徑D為400 mm，內徑d為380 mm。B1、B2和B3篩片的小圓弧所對應的圓心角β分別取20°、73°和74°。

異形篩片的設計在結構上應滿足粉碎機原篩片架對篩片安裝尺寸的要求，在形狀上應盡可能保證所設計篩片的不同曲率半徑圓弧光滑連接，改變環流運動規律，提高粉碎機的粉碎性能。3種不同結構參數的間隔分段圓弧篩片的設計參數見表2，B1篩片與B3篩片的主要區別是小圓弧半徑不同；B1篩片與B2篩片的主要區別是小圓弧圓心角度不同，前者小圓弧圓心角度為20°，后者小圓弧圓心角度為74°。

1.錘片；2.旋轉盤；3.小圓??；4.大圓弧。1.Hammer; 2.Rotating plate; 3.Small arc; 4.Large arc.D和d分別為篩片架的外徑和內徑，mm；R1和R2分別為小圓弧半徑和錘片架半徑，mm；L0和L1分別為小圓弧和大圓弧所對應的弧長，mm；L為小圓弧的弦長，mm；β為小圓弧所對應的圓心角，(°)；A、C兩點為小圓弧所對應的圓心角β的邊線與直徑d圓弧的交點。D and d are the outer and inner diameters, mm; R1 and R2 are the small arc radius and hammer rack radius, mm; L0 and L1 are the arc length corresponding to the small arc and the big arc, mm; L is the chord length of the small arc, mm; β is the center angle corresponding to the small arc, (°); A and C are the boundary lines of the center angle β corresponding to the small arc the intersection with the diameter d arc.圖2 間隔分段圓弧篩片設計原理圖Fig.2 Principle design drawing of segmental circular arc sieve

表2 3種間隔分段圓弧篩片設計參數Table 2 Design parameters of three different parameters of interval segmental circular arc sieve

1.3 錘篩間隙變化氣力作用分析

粉碎機工作時，在環流層高速氣流作用下，玉米物料呈懸浮狀態運動，環流層中定義一點B的物料顆粒，其速度分析見圖3。在篩片徑向平面上，物料顆粒的切向速度為vt，徑向速度為va，其合速度為vs。在不考慮重力影響時，B點物料顆粒在徑向平面上所受氣流的推力為FR，可用水平氣流輸送顆粒受到的氣流推力公式為[17-18]:

(1)

式中：C0為物料阻力系數，數值越大物料所受氣流推力越大；a為物料顆粒在運動方向的投影面積，m2；g為重力加速度，m/s2；Ke為粉碎室內空氣密度，kg/m3；vs為物料顆粒的合速度，m/s；vk為錘片與物料撞擊速度產生的速度分量，m/s。

由式(1)可知，物料顆粒所受高速氣流推力與物料的運動速度、顆粒在運動方向的投影面積、物料的阻力系數、粉碎室內空氣的密度等因素有關。其中粉碎室內氣流速度和空氣密度與錘片末端線速度、喂料斗進料速度等因素有關，顆粒在運動方向的投影面積、物料的阻力系數受玉米顆粒大小影響。

由式(1)可見，氣流速度是影響玉米顆粒受力情況的主要因素，通過改變粉碎機轉速、篩片結構參數、粉碎室進風量等方法都能提高粉碎機內流場徑向速度梯度。通過優化篩片結構參數，獲取粉碎室內流場分布特征，進而在篩片變截面區域產生不同強度的渦旋氣流，該渦旋夾帶物料顆粒做不停的翻轉運動，從而改變玉米物料在徑向平面內受力情況，增加物料顆粒的碰撞和受打擊概率，實現高效率的沖擊破碎。

2 粉碎室流場數值模擬

2.1 三維建模與網格劃分

首先設置三維直角坐標系，以樣機主軸軸心最右端為原點，水平向右為X軸，垂直方向為Y軸，Z軸與樣機主軸中心線重合。為了獲得高質量的網格，對模型做如下處理：1)忽略零件的倒角、圓角；2)忽略轉子各零件之間的連接關系，將所有零件作為一個整體；3)齒形錘片簡化成等迎風面積的矩形錘片。利用三維繪圖軟件建立粉碎室內部流道區域的三維模型見圖4。粉碎室流道建模完成后，模型文件保存為parasolid(*.x-t)格式，然后導入fluent前處理軟件ICEM環境中進行網格劃分與操作，定義粉碎室計算域性質與邊界類型。粉碎室計算域采用非結構化網格進行劃分，網格總單元數為3 450 576，最后運行Fluent 19.2軟件進行粉碎室氣流場模擬。

1.錘片架；2．錘片；3．旋轉軸；4．篩片。1.Hammer frame; 2.Hammer; 3.Axis of rotation; 4.Sieve.圖4 粉碎機粉碎室三維流體模型Fig.4 Three dimensions fluid model of the crushing chamber

2.2 邊界條件及參數設置

湍流模型選取標準k-ε模型進行流場求解運算，采用SIMPLE格式對氣流場速度和壓力耦合?？紤]到實際工況中錘片式飼料粉碎機采用鋸齒形錘片，排列方式為對稱排列，其轉子高速轉動故采用(Moving reference frame)多重參考系方法，求解轉子轉動過程中某一瞬時的流場結構信息。定義入料口處的矩形塊為系統的入口，出料口是篩片底部一小段圓弧的表面積; 轉子端面，入料口和出料口，殼體內表面為wall；參數設置如下，粉碎室入口風速：12 m/s(利用轉速儀測得實際風速)；出口壓力：101.33 kPa(利用壓力計儀器測得)；轉速：4 400 r/min(利用手持式轉速儀測得)；收斂精度：0.001；迭代步數：1 000步；邊界條件設置為無滑移邊界條件；其余參數均為默認設置。

2.3 氣流場數值模擬結果分析

錘片式飼料粉碎機使用B1篩片的速度與壓力分布情況見圖5。由圖5(a)可知隨著錘片的高速旋轉，粉碎室氣流場出現一種氣流分層現象，小圓弧段附近的氣流出現了速度差，易產生渦流現象，錘片掃過區域的氣流速度較大。錘片末端到篩片表面的氣流速度逐漸減小，在靠近篩片附近受到渦流擾動，使得環流運動規律發生改變。由圖5(b)可知，粉碎室轉子中心存在小范圍負壓區域，流場壓力以分層波狀形式存在，且波動較小，在篩片表面達到最大值。

圖5 B1篩片的速度云圖(a)和壓力云圖(b)Fig.5 Velocity nephogram (a) and pressure nephogram map (b) of the sieve B1

錘片式飼料粉碎機使用B2篩片的速度和壓力分布情況見圖6。由圖6(a)可知，轉子附近的氣流場速度分布更加不規則，錘片組掃過區域的氣流速度波動較大，速度最大可達45.3 m/s。大圓弧段和小圓弧段交接處出現明顯速度波動，產生噴射氣流。由圖6(b)可知，粉碎室轉子中心至錘片末端出現了大面積負壓區域，使得物料出篩困難，易造成物料顆粒過度粉碎。

圖6 B2篩片的速度云圖(a)和壓力云圖(b)Fig.6 Velocity nephogram (a) and pressure nephogram map (b) of the sieve B2

錘片式飼料粉碎機使用B3篩片的速度與壓力分布情況見圖7。粉碎室氣流場呈現出雜亂無序的分布狀態，在大圓弧與小圓弧交接處存在較大的氣流速度，小圓弧處的氣流速度較小，所以氣流從大圓弧流經小圓弧時存在較大速度差，對環流運動產生一定程度擾動(圖7(a))。粉碎室氣流場壓力沿轉子徑向無明顯變化規律，轉子中心到篩片表面的氣流場壓力雖有遞增趨勢，但增幅較小。另外，氣流場壓力總體較小，在篩片表面形成相對較大壓力區，使粒徑合格的物料順利從粉碎室排出。

圖7 B3篩片的速度云圖(a)和壓力云圖(b)Fig.7 Velocity nephogram (a) and pressure nephogram map (b) of the sieve B3

綜上，粉碎機使用B1、B2、B3篩片后，B3篩片粉碎室氣流場速度、壓力較低，有利于提高錘片的打擊能力；另外，采用這3種篩片，使氣流做無規則運動，在篩片環流區域產生不同程度的渦旋，使完成粉碎的物料迅速出篩，達到提高粉碎機生產效率降低能耗的目的。

3 粉碎機性能試驗

3.1 試驗儀器

試驗采用的主要儀器為電子臺秤TCS-150，永康市華鷹衡器有限公司生產，精度0.05 kg，量程1～150 kg；電子天平BT223s，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司生產，精度0.001 g，量程0～220 g；水銀溫度計，精度1 ℃，量程0～100 ℃；三相四線有功電度表DT862-4，上海華立電表廠生產，規格200 r/(kW·h)，量程20 A；電子秒表DM1-102，上海精密儀器儀表有限公司生產，精度0.01 s；鼓風干燥箱DHG-9245A，上海一恒科學儀器有限公司生產，精度0.1 ℃，量程10～300 ℃；轉速儀DT-2234B，精度1 r/min，量程1～99 999 r/min。

3.2 試驗材料

采用內蒙古呼和浩特周邊地區種植的玉米為試驗材料，品種為金山126，其含水率為13.2%，存放于清潔、干燥、通風的地方。

3.3 試驗指標與方案

3.3.1試驗指標

為客觀準確的評價錘片飼料粉碎機的粉碎性能，根據國家標準GB/T6971—2007《飼料粉碎機試驗方法》[19]及農業行業標準NY/T1554—2007《飼料粉碎機質量評價技術規范》[20]，本研究以生產率、噸料耗電量、以及飼料溫升為粉碎性能試驗評價指標。

1)生產率E采用式(2)計算：

(2)

式中：E為飼料粉碎機生產率，kg/h；m為粉碎機一定工作時間t內所粉碎物料(玉米)的質量，kg；t為粉碎機工作時間，h。

2)噸料耗電量Y采用式(3)計算：

(3)

式中：Y為粉碎單位質量飼料所消耗的電量，kW·h/t；Q為機組純工作時間的耗電量，kW·h；Z為純工作時間的作業量，t。

3)飼料溫升T采用式(4)計算：

T=t1-t0

(4)

式中：t0為玉米物料被粉碎前的原糧溫度，℃；t1為玉米物料被粉碎后的碎物料溫度，℃。

3.3.2玉米含水率測定

玉米含水率測定步驟如下:1) 依據國家標準GB/T 10362—2008《糧油檢驗玉米水分測定》[21]，從試驗原料中量取完整玉米籽粒在試驗樣機內進行粉碎，使物料粉碎后的粒度達到通過篩孔直徑 2 mm 圓孔篩不少于90%。2) 將粉碎后的碎物料樣品混合均勻，取2份樣品，每份約8 g，采用電子天平稱量。3) 待鼓風烘干箱溫度預熱達到130 ℃后，將稱取好的樣品放入箱內，在130 ℃恒溫下烘 4 min 后，取出樣品，在干燥器內冷卻至室溫，稱重。

將測定的數據帶入式(5)計算物料含水率。

(5)

式中：W為物料含水率，%；m0為烘干前樣品物料的質量，g；m1為烘干后樣品物料的質量，g。

由測定的數據計算得玉米平均含水率為13.2%(表3)。

表3 玉米含水率測定數據Table 3 Determination date of corn moisture content

3.3.3粉碎性能試驗

加工完成的試驗樣篩安裝在CPS-420型錘片飼料粉碎機的粉碎室內，粉碎室內部的錘片為鋸齒形，其排列方式為對稱排列，在粉碎機具有良好的性能狀態下，進行粉碎性能試驗，試驗步驟如下；

1)試驗樣機進行空載試驗，待空載功率趨于穩定后，測定主軸轉速，是否滿足試驗樣機要求。

2)在標準工況條件下，樣機平穩運轉2～3 min，確定無異常現象后對每個篩片進行負載試驗。

3)物料粉碎完成之后，測定每次試驗后的作業物料質量、電度表的圈數及物料的起始溫度。

3.3.4試驗結果

為了得到粉碎機安裝3種間隔分段圓弧篩片的粉碎性能，本研究以粉碎機的生產率、噸料耗電量、飼料溫升的分布范圍作為粉碎性能評價指標，間隔分段圓弧篩片試驗結果見表4?？芍?，在相同工況下，采用B1、B2和B3篩片的生產率分別為1 057.38、1 134.60和1 226.96 kg/h，噸料耗電量分別為5.00、4.75和4.25 (kW·h/t)，溫升分別為5.1、5.6、5.0 ℃。通過分析得出，錘片飼料粉碎機采用B3篩片，較B2、B1篩片的生產效率分別提高8.1%、16.0%，噸料耗電量分別降低10.5%、15.0%，溫升分別降低0.6 和0.1 ℃。間隔分段圓弧篩片結構參數優化可以提高粉碎機的粉碎性能，粉碎性能試驗結果與3種篩片下氣流流經變截面區域氣流速度對環流區域產生渦旋的大小，以及粉碎室負壓區域分布特征相比較，驗證了數值模擬的準確性。

表4 間隔分段圓弧篩片試驗結果Table 4 Test results of segmented circular arc screen

4 粉碎性能試驗分析

間隔分段圓弧篩片的小圓弧曲率半徑影響粉碎室錘片組掃過區域的速度和壓力分布的散亂、無序及不均勻程度，以及錘篩間隙處渦旋壓力和速度梯度的強弱；粉碎性能試驗表明，裝有不同結構參數篩片的粉碎機生產率、噸耗電量各不相同，小圓弧曲率半徑的大小對粉碎機性能產生較大影響。這說明粉碎室流場特征變化會引起粉碎機性能改變，通過創造合理的流場結構可改善粉碎機性能。

5 結 論

1)通過對粉碎室內物料顆粒受到的氣力作用進行分析表明，間隔分段圓弧篩片能夠改善粉碎室內腔環流層氣流對物料顆粒的運動軌跡，使玉米物料在粉碎室內同時受多種力共同作用，提高粉碎機粉碎性能。

2)氣流場模擬結果表明：粉碎機使用間隔分段圓弧篩片后，錘片末端與篩片表面之間的環流層產生不同強度的渦流，能夠改變環流運動規律，提高物料過篩能力；錘片組掃過區域的氣流呈現出較為雜亂無序的分布狀態，有利于形成湍流運動從而增加物料顆粒的受打擊幾率。

3)粉碎機試驗結果表明，裝有B3篩片(篩片等分數目為6，篩片小圓弧半徑為93 mm)的CPS-420型粉碎機生產率最高，為1 226.96 kg/h，較B2、B1篩片分別提高8.1%、16%，噸料耗電量分別降低10.5%、15%。粉碎性能試驗結果與粉碎室內部氣流場特性總體趨勢一致，能夠真實反映粉碎機氣流場分布情況。