錘片式粉碎機粉碎室內流場仿真分析

曹麗英，史興華，石 煒，裴耀武

(內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014010)

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錘片式粉碎機粉碎室內流場仿真分析

曹麗英，史興華，石 煒，裴耀武

(內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014010)

設計并制造了一種新型錘片式飼料粉碎機，運用三維建模軟件UG及計算流體動力學軟件FLUENT對新型錘片式飼料粉碎機粉碎室內的氣流場進行三維仿真研究，得到了在3種不同轉速下粉碎室內氣流場的負壓和速度的分布規律。該研究結果可為粉碎機流場研究及結構的改進設計提供一定理論依據。

錘片式飼料粉碎機；氣流場；仿真

0 引言

憑借30年的迅猛發展，我國已經躍升為世界飼料生產大國。在飼料加工過程中，粉碎機是主要設備，而錘片式粉碎機更是得到了廣泛應用[1-6]。為了解決傳統錘片式粉碎機內物料環流層引起的問題，課題組設計并制造了一種新型錘片式飼料粉碎機[7-8]。該機的特點是既能破壞環流層[9]，又能使物料循環粉碎[10]。其在粉碎室外部的分離裝置中安裝了篩網，為了增加粉碎力度，在粉碎室內安裝了環形齒板。粉碎機工作時，物料進入粉碎室后受到錘片轉子組的打擊作用，還有物料與齒板之間的碰撞作用，以及物料與物料、物料與壁面之間的搓擦作用等，將物料進行粉碎；被粉碎后的物料在轉子組的拋射及空氣流的輸送作用下進入到分離裝置中進行分離；符合粒度要求的過篩，未過篩的較大粒徑的物料沿回料管又回到粉碎室進行循環粉碎。圖1是新型錘片式飼料粉碎機的結構示意圖。

由于沒有從根本上解決傳統錘片式飼料粉碎機物料分離效率低的問題，因而未能改變其能耗高、過粉碎、物料升溫大、篩片磨損嚴重的缺陷。針對新型錘片式粉碎機粉碎效率與分離效率相比偏低的問題，根據實際尺寸建立新型錘片式粉碎機的實體模型，對其進行單元網格的劃分；然后利用FLUENT軟件對粉碎機的氣流流場、負壓特性等進行三維數值模擬，目的是找到粉碎室內負壓特性參數與物料運動參數之間的關系，為提高物料的分離效率提供理論依據。

1.電機 2.進料口 3.機架 4.粉碎室 5.回料管 6.篩片 7.分離裝置 8.錘片 9.齒板

1 基于UG的三維幾何建模

模擬中，選取粉碎機粉碎室內部流道空間作為計算區域，利用UG建立粉碎機粉碎室內流道空間的三維模型，如圖2所示。

圖2 粉碎機粉碎室內流域的三維模型

建立三維模型時，對粉碎機結構做如下簡化：

1)在有效面積不變的條件下，將兩個進料口合并成一個；

2)省略所有零件的倒角；

3)軸和錘片組作為整體，從而省略各個結構間的連接。

2 有限元建模及分析

從UG中將模型導出為STP格式文件，再把文件導入到FLUENT的前處理軟件Gambit中，在Gambit環境中進行網格劃分[11-12]，網格模型總單元數達10 865 20個。

利用CFD分析軟件FLUENT12.1對新型錘片式粉碎機內部粉碎腔內單相氣流場的負壓和速度特性進行模擬研究。首先，指定邊界類型，網格模型，設定邊界條件，如表1所示。

表1 邊界類型

粉碎機工作時，粉碎室內流場是一個不穩定的湍流場。湍流模型的輸運方程為

(1)

(2)

其中，Gb為浮力湍動能產生；Gk為平均速度梯度湍動能產生；C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；σk、σε為湍動能和湍動耗散率對應的普朗特數；Prt為湍動普朗特數；gi為重力加速度在i方向上的分量；β為熱膨脹系數；Mt為湍動馬赫數；Α為聲速。

松弛因子如表2所示。

表2 松弛因子

3 流場模擬結果與分析

對粉碎機轉速2 500、3 000、3 500r/min下粉碎室內部的氣流場進行模擬，得到粉碎機粉碎區域的壓力分布和速度分布，進而分析粉碎機轉速對粉碎區域流場的影響[13-14]。為了方便分析，取6個截面上的流場進行分析，在軸向每間隔50mm取一個截面，共5個豎直截面，從進料口到回料口方向，依次命名為S1、S2、S3、S4、S5，在水平面取1個截面(即S6截面)，如圖3所示。

圖3 粉碎室內6截面壓力云圖

3.1 不同轉速下粉碎機粉碎室內負壓特性

1)粉碎機轉速2 500r/min時，粉碎室內S1～S6截面負壓特性如圖4所示。

圖4 轉速2 500r/min時S1～S6截面壓力云圖

由圖4可知：在轉軸附近和出料口下方110mm處存在兩個明顯的負壓集中區域。負壓值沿徑向向外逐漸減小，沿軸向方向變化很小。

2)粉碎機轉速3 000、3 500r/min時，取粉碎室內具有代表性的S1、S3、S4、S6截面負壓特性，如圖5、圖6所示。

圖5 轉速3 000r/min時S1、S3、S4、S6截面壓力云圖

圖6 轉速3 500r/min時S1、S3、S4、S6截面壓力云圖

由圖5、圖6可知：兩個負壓集中區域的負壓值隨著轉速的增加而增大，轉速每增大500r/min，負壓值升高1.2kPa左右。

3.2 不同轉速下粉碎機粉碎室內速度特性

1)粉碎機轉速2 500r/min時，粉碎室內S1～S6截面速度特性如圖7所示。

圖7 轉速2 500r/min時S1～S6截面速度矢量圖

粉碎機轉速2 500r/min時，粉碎機粉碎室整體速度特性如圖8所示。

由圖7、圖8可知：轉速2 500r/min時，轉軸附近和出料口下方兩個區域速度值較小，速度值沿徑向向外逐漸增加，在錘片與機殼之間速度值達到最大；速度值沿軸向方向變化較小。

2)粉碎機轉速3 000r/min時，取粉碎室內具有代表性的S1、S3、S4、S6截面速度矢量圖及粉碎室整體速度矢量圖如圖9、圖10所示。

圖8 轉速2 500r/min時粉碎室整體速度矢量圖

圖9 轉速3 000r/min時S1、S3、S4、S6截面速度矢量圖

圖10 轉速3 000r/min時粉碎室整體速度矢量圖

3)粉碎機轉速3 500r/min時，取粉碎室內具有代表性的S1、S3、S4、S6截面速度矢量圖及粉碎室整體速度矢量圖如圖11、圖12所示。

圖11 轉速3 500r/min時S1、S3、S4、S6截面速度矢量圖

圖12 轉速3500r/min時粉碎室整體速度矢量圖

2 500、3 000、3 500r/min這3種轉速對應的粉碎室內最大速度值分別是62、74.5、87m/s。

比較圖9～圖12可知：在2 500～3 500r/min范圍內，隨著轉速的增加，粉碎室內速度的最大值也逐漸加大，轉速每增大500r/min，速度值升高13m/s左右；速度的最大值都出現在出料口下部到粉碎機底部之間的一段弧形區域內。

4 結論

1)粉碎腔內負壓的最大值隨著粉碎機轉速的增大而升高。在徑向方向，負壓值向外圍逐漸減小；在軸向方向，負壓值變化很小；轉速每增大500r/min，負壓值升高1.2kPa左右；負壓不僅集中在轉軸附近，在出料口以下110mm處也有小范圍的負壓集中區域，與中心負壓的最大值近似。

2)粉碎腔內速度的最大值隨著粉碎機轉速的增大而升高。在錘片邊緣附近，空氣速度高于其他部分；在軸向方向，速度值變化很小；轉速每增大500r/min，速度最大值升高13m/s左右；速度的最大值出現在出料口下部到粉碎機底部的一段弧形區域內。

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Simulation and Analysis on Flow Field in Crashing Cavity of New-type Feed Hammer Mill

Cao Liying, Shi Xinghua, Shi Wei, Pei Yaowu

(Mechanical Engineering College of Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010,China)

This subject is about study the 3-dimensional simulation of gas flow field in crash cavity, the center region of hammer mill. In the process of simulation, the crash cavity of grinder is taken for research object. The 3-dimentional model is built in UG and meshed in Gambit. The meshed file is imported into FLUENT to do analysis and the characteristic distribution of negative pressure and motion. Characteristics of air pressure and motion in the smashing region of new-type hammer mill are the major research contents in this subject. And the research of flow field of the center region builds the theory foundation for further optimal designing and improving the sieving efficiency of this new-type hammer mill.

new-type feed hammer mill; flow field; simulation

2016-06-22

國家自然科學基金項目(51105189) ；內蒙古自然科學基金項目(2014MS0534)；內蒙古自治區高等學校科學研究項目(NJZC13153)

曹麗英(1980-)，女，內蒙古土左旗人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)kdcly@imust.cn。

S817.12+2

A

1003-188X(2017)08-0022-05