LNI-66A型分級式沖擊磨錘頭參數研究

陳俊冬，王曉天，曾川，李鵬超，林龍沅，陳海焱（西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 600；西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽 600）

研究開發

LNI-66A型分級式沖擊磨錘頭參數研究

陳俊冬1，王曉天2，曾川2，李鵬超1，林龍沅2，陳海焱1
（1西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010；2西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010）

分級式沖擊磨具有產量大、應用廣等優點，但目前對分級式沖擊磨的研究仍不夠充分。本文利用LNI-66A型分級式沖擊磨進行了粉碎實驗，結果表明，錘頭數量為2個時，粉體產量比錘頭數量為4個和8個時高；錘頭高度為30mm時，粉體產量比錘頭高度為10mm、20mm、40mm、50mm時高。利用Ansys Workbench 15.0，對粉碎腔內的流場進行了數值模擬，得出了壓力場和速度場的分布情況，探討了錘頭參數對磨盤粉碎區域流場的影響。模擬結果表明，隨著錘頭數量的增加，粉碎區域流場徑向速度變化不大，而壓力會隨之增加，這將使得粉碎效率降低，粉體產量下降。錘頭高度對錘頭附近氣流上升速度和錘頭打擊面積都有影響，前者會降低粉碎效率，后者會提高粉碎效率，在兩者間應有一個擇中的取值。因此，錘頭高度并不是越高越好，是有一個較優取值的。

分級式沖擊磨；錘頭數量；錘頭高度；CFD數值模擬

物料的破碎和粉碎是現代工業生產中的一個重要環節。隨著科技水平的提高，對粉體的加工質量、加工效率等提出了更高的要求。在粉體加工過程中，沖擊式粉碎呈現出加工成本低、產量大、易控制等優點，使其得以廣泛應用于粉體加工行業［1-6］。分級式沖擊磨就是一種典型的沖擊式粉碎機。

分級式沖擊磨是利用高速旋轉的錘頭、葉片、棒體等與物料的猛烈沖擊，顆粒之間的相互沖擊、碰撞、摩擦、剪切，同時在沖擊錘頭與襯板之間的間隙處受到沖擊、磨損，實現對物料的超細粉碎［7-8］。分級式沖擊磨已廣泛應用于粉碎領域，但目前對分級式沖擊磨的研究還存在一定的缺陷與不足。孫成林［1，6］提出沖擊式粉碎機的錘頭形狀和材質需要改進，但只對錘頭材質進行了說明，并沒有對錘頭形狀、高度等作進一步的研究。李鳳生［9］指出對于沖擊式粉碎機錘頭形狀有棒狀、葉片等形式，并對沖擊件的徑向長度作了說明，并沒有對錘頭高度（錘頭結構的幾何高度）作進一步的研究。錘頭是分級式沖擊磨的主要打擊部件，錘頭數量和錘頭高度的合理選擇能增大顆粒與錘面的碰撞機會，提高粉碎效率。而目前對錘頭數量的設計依據是根據顆粒運行自由程理論給出，這與工業應用現場和本文作者課題組的前期研究是存在較大差異的。本文對LNI-66A型分級式沖擊磨的錘頭數量和錘頭高度進行了實驗研究。為更好地分析實驗結果，進行了CFD數值模擬，結合數值模擬對實驗結果進行了分析。

1　實驗設備、材料與實驗方法

1.1實驗材料

干燥的小塊狀稀土。

1.2實驗設備

實驗設備由綿陽流能粉體設備有限公司提供，型號為LNI-66A分級式沖擊磨系統。包括錘片式破碎機（傳動功率7.5kW，篩網孔徑4mm）、錘式沖擊磨（傳動功率 11kW）、渦輪分級機（傳動功率5.5kW）、收塵器、高壓引風機（傳動功率11kW）、電控柜（內有變頻器）等。

測試儀器包括U形壓力計，SwemaAir 50風速儀（瑞典斯威瑪公司），LS-POP（Ⅵ）型激光粒度分析儀（中國珠海歐美克儀器有限公司）。

1.3實驗方法

將干燥的小塊狀稀土加入到錘片式破碎機中進行破碎。破碎的產品通過 4mm的篩網，在引風機的作用下進入到分機式沖擊磨中進行粉碎。實驗過程中，通過給料速度和給料量的控制，使沖擊磨的電機電流逐步增加至極限值16～18A，保持在該值穩定運行 5min后開始統計產量，連續粉碎時間為1h，記錄粉體產量、能耗，粉碎后的粉體粒度為5μm±1μm。參考孫權等［10］的研究，本次實驗采用上進料方式，粉碎主機運行頻率為額定頻率50Hz，分級機頻率為40Hz。在此過程中，定時記錄傳動電機的電流和系統風量等參數。

1.4錘頭數量、錘頭高度對粉體產量的影響

本實驗考察錘頭數量對粉體產量的影響，錘頭數量設置3組，依次為2個、4個、8個，錘頭高度設置5組，從10～50mm每10mm設置一組，磨盤直徑為390mm。安裝8個錘頭時，錘頭夾角為45°，錘頭間距S為96.33mm。安裝4個錘頭時，錘頭夾角為90°，錘頭間距S為197.28mm。安裝2個錘頭時，錘頭夾角為180°，錘頭間距S為300mm。實驗結果如表1、圖1、圖2所示。由表1和圖1、圖2可以看出，隨著錘頭數量的增加，磨機運行阻力隨之增加，粉體產量會隨之下降，單位能耗隨之增加。而隨著錘頭高度的增加，磨機運行阻力增加，粉體產量出現先上升后下降的趨勢。

圖1　錘頭數量、錘頭高度對粉體產量的影響

圖2　錘頭數量、錘頭高度對磨機運行阻力的影響

2　錘頭粉碎區域流場的數值模擬

2.1模擬軟件

建模軟件使用 Pro/Engineer5.0，保存為通用格式導入模擬軟件Ansys Workbench 15.0，使用其中的fluid flow（fluent）模塊進行模型修改與調整、網格劃分、區域命名、邊界條件與求解參數設置，并進行計算。

2.2模型建立

根據實驗設備建立如圖3所示的模型，在實際建模過程中，將分級輪葉片、分級機出口、分級機傳動軸、磨機主軸進行簡化，建立分級式沖擊磨內部流場的流體模型。

2.3網格劃分

在workbench中，模型建立好后，進行模型更新，進入mesh模塊進行網格劃分。劃分網格時，physics preference選用CFD，solver preference選用fluent，element size選擇為10mm，behavior選用soft，邊界尺寸調節選擇默認，模型畸變處會自行進行調整，最小劃分尺寸自動調整為0.48657mm。最終生成網格數為816490，節點數為154160，如圖4所示。

2.4邊界條件與求解設置

設置重力方向的加速度為9.8m/s2，環境壓力假設為0，在models里面將energy設置為開啟，viscous model選用k-epsilon，并選擇標準模型。在cell zone condition里面將分級輪和磨盤所在流場區域定義為frame motion，分級輪區域轉速為-1500r/min，磨盤區域轉速為5000r/min。在boundary conditions里定義進風口和加料口為壓力入口，壓力為 1atm （1atm=101325Pa）。同理，出風口定義為壓力出口，壓力為0.9atm。計算方法選擇和松弛因子選擇選項較多，在此不詳細介紹。

2.5模擬結果

圖5是磨盤粉碎區域的壓力云圖，圖6是磨盤粉碎區域的速度云圖。由圖5可以看出，在粉碎區域中，靠近錘頭的地方壓力較高，錘頭迎風處有明顯的紊流產生。因此，此處的顆粒粉碎十分劇烈。由圖6可以看出，粉碎區域由中心到四周速度呈現梯度分布，越遠離磨盤中心速度越大，這說明了粉碎最激烈的區域主要是在錘頭之間的間隙、錘頭與襯板之間的間隙處。詳細的模擬結果將在下文進行分析。

表1　錘頭數量、錘頭高度對粉體產量、單位能耗的影響

圖3　分級式沖擊磨內部結構示意圖

圖4　計算網格

圖5　粉碎區域壓力云圖

圖6　粉碎區域速度云圖

3　實驗、模擬結果分析

由上文的實驗和模擬結果，在粉碎區域建立一條沿磨盤徑向的直線L，如圖7所示，讀取該直線上的數據進行分析。圖8是在相同錘頭高度（10mm）不同錘頭數量下沿直線L的速度分布圖。從圖中可以看出，速度大致以磨盤圓心（x=0）呈對稱分布，速度沿徑向往外逐漸增大。而隨著錘頭數量的增加，速度變化不大。因此，隨著錘頭數量的增加，顆粒所獲得的加速效果并不明顯。圖9是在相同錘頭高度（10mm）不同錘頭數量下沿直線L的壓力分布圖。從圖中可以看出，壓力大致以磨盤圓心（x=0）呈對稱分布，壓力沿徑向往外逐漸增大。隨著錘頭數量的增加，壓力也在逐漸增加。在x=150mm處，是錘頭根部的位置，在該位置速度和壓力都有明顯的變化。結合實驗結果，隨著錘頭數量的增加，磨機阻力也出現上升的趨勢。

圖7　磨盤粉碎區域直線L的取法示意圖

圖8　不同錘頭數量下沿直線L的速度分布圖

隨著錘頭數量的增加，磨盤粉碎區域的徑向速度沒太大變化，而壓力和磨機運行阻力都出現上升趨勢，這將阻礙粉體進入粉碎區域，造成粉碎效率降低，粉體產量下降。因此，在設計錘頭數量時，錘頭數量不宜過多。本實驗中錘頭的周向速度是120m/s，提供的粉碎能量是足夠的［9-13］。根據相關研究［14-15］，在粉碎能量足夠的前提下，錘頭數量減少，錘頭間距S增大，在錘頭周向速度V不變的情況下，從磨盤滲入粉碎區域的粉體會隨之增加，從而提高粉碎效率。因此，本實驗中，當錘頭數量為2個時，粉碎效率最高。

本組數值模擬取的錘頭高度為10mm、30mm、50mm，錘頭數量均為 4個，考察錘頭高度對磨盤粉碎區域流場的影響。當磨盤轉動時，磨盤上安裝的錘頭隨之轉動，這將“攪動”磨盤上方的空氣，使之隨之轉動起來。隨著錘頭高度的增加，這種“攪動”作用應逐漸明顯。因此，取錘頭附近的氣流上升速度進行分析，圖 10是錘頭附近氣流上升速度示意圖，圖11是數值模擬中不同錘頭高度的氣流上升速度散點圖。從圖11中可以看出，隨著錘頭高度的增加，錘頭附近的氣流上升速度在增大。若上升氣流速度過大，則粉體不易掉落到錘頭間隙處進行粉碎，從而降低粉碎效率。錘頭高度為50mm時的氣流上升速度最大，對粉體的阻礙作用也最明顯。結合實驗數據，錘頭高度為50mm時，磨機運行阻力是最大的，這也說明了錘頭高度為50mm時，對粉體的阻礙作用明顯，從而降低粉體的粉碎效率。從這一角度講，增加錘頭高度會降低粉碎效率。但是，另一方面，錘頭高度增加，錘頭的打擊面積增加。

圖9　不同錘頭數量下沿直線L的壓力分布圖

圖10　錘頭附近氣流上升速度示意圖

圖11　不同錘頭高度的氣流上升速度分布圖

圖12　周向速度矢量圖

圖12是錘頭高度為10mm、30mm、50mm時的周向速度（線速度）矢量。由于3種情況下磨盤轉速都相同，因此周向速度大小沒有太大區別。但是，隨著錘頭高度的增加，錘頭的打擊面積增大，打擊區域也明顯增大。綜合錘頭附近氣流上升速度和錘頭周向速度矢量圖，錘頭高度增加可以使粉碎區域增大，但是從實驗實測阻力和錘頭間隙的氣流上升速度可以看出錘頭高度增加，磨機運行阻力和錘頭附近的氣流上升速度都會增大，這會阻礙粉體落入該區域進行粉碎。因此，在錘頭數量一定的情況下，錘頭高度并不是越高越高，是有一個較優取值的。對于LNI-66A型分級式沖擊磨，錘頭高度為30mm時，粉體產量最多，粉碎效率最高。

4　結　論

（1）分級式沖擊磨的錘頭安裝數量對粉體產量有著一定的影響。根據研究結果，安裝2個錘頭時，粉體產量最高，能耗也最低。因此，在實際生產過程中，可適當減少錘頭的安裝數量。

（2）分級式沖擊磨的錘頭高度對粉體產量也有著一定影響。錘頭高度不宜過高也不宜過低，應有一個合適的取值，本研究中，錘頭高度為30mm時，粉體產量最高，能耗最低。

（3）本研究的結果對分級式沖擊磨的設計和應用提供了依據，對沖擊式粉碎領域有一定的參考價值，不同機型，具體的錘頭參數選擇應略有差異。

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Technologic study on beaters of LNI-66A classify-impact mill

CHEN Jundong1，WANG Xiaotian2，ZENG Chuan2，LI Pengchao1，LIN Longyuan2，CHEN Haiyan1
（1School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China；2School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China）

The classify-impact mill possesses the advantage of high output. It is also widely used in crushing industry. However，the study of classify- impact mill is still insufficient. The grinding experiment of LNI-66A classify-impact mill was finished in this paper. The results showed that its production was higher than 4 beaters or 8 beaters when 2 beaters were used in classify-impact mill. As for the height of beaters，the production was higher than 10mm，20mm，40mm and even 50mm when the height of beaters was 30mm. Ansys Workbench 15.0 was used for numerical simulation of crushing cavity in this study. The distribution of the crushing cavity flow field presented by its velocity field and pressure field，and the influence of the flow field in grinding area caused by the parameters of beaters were discussed in this paper. Simulation results showed that the radial velocity of grinding area changed little while the pressure increased with the increase of the number of beaters. The crushing efficiency and powder production decreased on account of the increase of the number of beaters. The velocity of rising air near beaters and the crushing areas of beaters would be affected by the height of beaters. The velocity of rising air near beaters could reduce the crushing efficiency，while the crushingareas of beaters could increase the crushing efficiency，showing that there was a better choice between the two aspects. As a result，the height of beaters cannot be higher or lower and there was a better value in it.

classify-impact mill；the number of beaters；the height of beaters；CFD numerical simulation

S 226.3

A

1000-6613（2016）08-2387-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.13

2016-01-08；修改稿日期：2016-03-02。

國家自然科學基金（11402218）及綿陽市科技局項目（14G-ZC-06）。

陳俊冬（1983—），男，碩士，講師，從事機械設計制造及

礦物加工工程研究。E-mail lqxcjd@163.com。聯系人：陳海焱，博士，教授，從事超細粉碎、氣流分級技術、通風除塵的研究與設備開發。E-mail chenhaiyan@swust.edu.cn。