立式機械沖擊式超微粉碎機分級結構的改進設計

武文璇，于賢龍，張宗超，李青，孫慶運，趙峰，賈振超

（山東省農業機械科學研究院，濟南 250100）

0 引言

機械式超微粉碎機因其適用范圍廣、操作工藝簡單、經濟效益顯著等優勢逐漸成為農產品加工業的一種新機型[1]。多種農產品經超微粉碎后通常用來制作保健品、功能食品及餐飲配料[2-3]，其由多種原料和添加劑混合，多組分之間的粒度越接近，越容易混勻，不易發生分級或分層現象，所以粒度的均一性是重要評價指標[4-6]。利用機械法粉碎得到的超微粉體粒徑分布較寬，達到粒徑要求的粉體需及時進行分離，避免過粉碎甚至顆粒團聚，影響粉碎效率[7-8]。

立式機械沖擊式超微粉碎機采用粉碎分級一體化設計，物料在粉碎室粉碎后，在引風機產生的負壓引力作用下隨上升氣流高速運動至分級室，在分級輪產生的離心力和負壓引力的共同作用下進行顆粒分級。項目組在樣機試驗過程中發現導流罩與分級輪在軸向方向上位置不同將直接影響待分級物料的流動趨勢及顆粒受力情況，進而影響分級品質及分級效率，但分級過程是一個非線性、離散的、高速運轉的過程，采用傳統理論分析研究難度較大，利用計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）數值模擬可以得到不同工況下分級特性及流場規律，進而對其進行結構及工藝參數優化。國內外利用CFD 軟件對粉碎分級流場規律及特性也做了較多研究[9-11]，錢義等[12]利用CFD 軟件對CPS-420 型錘片式粉碎機安裝異形篩片時粉碎室內物料顆粒受到的氣力作用和內部流場運動規律進行研究；BUD?等[13]用CFD 軟件對MB7.5 型錘片式粉碎機內流場進行了數值模擬，分析了粉碎室內壓力場、速度場和湍流場分布規律，得出流場特征對粉碎性能的影響規律；WANG等[14]用CFD 軟件對棒銷臥式砂磨機研磨缸體內增加3 種不同結構定磨銷進行單相流場數值模擬，得出矩形結構定磨銷更能提高粉碎效率；王曉峰等[15]利用Fluent 軟件對130 型立式超微粉碎機粉碎腔內流場進行了可視化數值模擬，只對粉碎部分進行模擬而將分級部分以壓力出口的形式進行簡化；陳以威等[16]運用CFD 軟件，對超細粉體濕法離心分級機腔內流場進行數值模擬仿真；MOU等[17]用CFD 軟件對渦輪式空氣分級機轉籠形狀、導風葉片數量及形狀對分級性能的影響進行了仿真分析；劉校兵等[18]對SLK5500 型渦流空氣選粉機分級室平面進行CFD 數值模擬得出分級過程是一個概率事件，粒徑較小的顆粒進入細粉的概率大，而粒徑較大的顆粒進入粗粉的概率大。試驗發現分級室內導流罩軸向位置變化、分級葉輪軸向尺寸變化會對分級室內流場變化以及分級性能產生較大影響，影響分級效率及分級精度，但目前關于立式機械超微粉碎機分級室內導流罩與分級輪位置關系及結構對分級規律影響的文獻較少。

本文以CWFJ 型機械超微粉碎機為研究對象，在前期試驗的基礎上提出了兩種分級室改進結構，采用試驗與數值分析相結合的方法，分析不同結構下分級室內流場規律及分級特性，為分級室結構優化提供理論依據，提高分級效率，提升產品品質。

1 CWFJ 型機械超微粉碎機粉碎分級一體裝置結構及分級室結構改進

1.1 粉碎分級一體裝置結構及工作原理

CWFJ 型機械超微粉碎機粉碎分級一體裝置主要由刀盤、齒圈、分級葉輪、主軸、導流罩、腔體等組成，如圖1 所示。

圖1 粉碎分級一體裝置結構Fig.1 Single unit system of grinding and classification

經清選的物料由側面螺旋送料器喂入，落在粉碎室內，轉子盤高速旋轉將物料甩向固定在機體上的齒圈，轉子盤刀頭與固定齒圈的間隙很小，其間氣流因齒圈齒形變化而發生瞬時變化，物料在此間隙中受到交變應力的作用，主要為沖擊、剪切、研磨及物料間的相互撞擊等綜合作用力實現粉碎。轉子盤下方是進風口，粉碎后的物料，在負壓氣流的拉力作用下，小粉粒克服自重，隨氣流越過導流圈，進入分級室。分級葉輪由葉片組成，高速旋轉的葉片產生與負壓相反的離心力，沉入葉道內的粉粒同時受到負壓氣流的向心力和粉粒自重及葉輪產生的離心力的作用，粉粒中大于臨界粒徑的顆粒因質量大沿導流罩內側被甩回粉碎室繼續粉碎，小于臨界粒徑的顆粒經排料管道進入旋風收集器經排料閥排出。

1.2 分級室結構改進

本文針對CWFJ-30 型機械超微粉碎機展開研究，CWFJ-30 型機械超微粉碎機分級室初始結構為：分級輪直徑為250 mm，葉片高度為100 mm，寬度為70 mm，12 片葉片均勻分布，分級輪葉片上沿距離出料口底端部25 mm；進料口有效面積15 990 mm2，出料口直徑160 mm；流體空間直徑520 mm，高度240 mm，如圖2a。

圖2 三種不同位置關系的分級室三維幾何模型Fig.2 Three-dimentional geometric model of classification chamber with three different positional relationships

王曉峰等[15]采用離散相模型對機械超微粉碎機粉碎腔內的氣/固兩相流場進行數值模擬發現，粉碎室中向上的氣流大部分都集中在分流罩的外部，處于其內部的氣流很少，劉校兵等[18]對SLK5500 型渦流空氣選粉機分級室平面進行CFD 數值模擬得出分級過程是一個概率事件，在對CWFJ-30 型機械超微粉碎機產業應用中發現制得的成品物料中會有大顆粒夾帶。通過前人分析結合當前機械超微粉碎機分級室結構發現：物料在粉碎室粉碎后，在引風機產生的負壓引力作用下隨上升氣流越過導流罩高速運動至分級室，在分級輪產生的離心力和負壓引力的共同作用下進行顆粒分級，由于導流罩與上端蓋之間間隙以及分級輪與出料口下端部之間間隙均較大，形成了氣固混合流的無阻力通道，由于向上的氣流大部分都集中在分流罩的外部，因此粒徑較大的顆粒很容易被氣流由此通道被夾帶進入排料管而未經分級輪進行分級。

為提高分級質量，進一步研究分級室內導流罩的軸向位置和分級葉輪的軸向高度對分級性能的影響，針對當前分級室結構中存在的無阻力通道導致成品物料大顆粒夾帶的問題，提出兩種結構改進方案。改進結構一：導流罩在軸向方向向上移動，使得導流罩上邊沿與上端蓋弧板貼合，分級輪葉片高度不變，如圖2b；改進結構二：導流罩位置與初始結構一致，分級輪葉片高度加高，加高后分級輪葉片上沿距離出料口底端部3 mm，如圖2c。

2 數值模擬方法及計算模型

2.1 數值模擬方法

在CWFJ 型機械超微粉碎機分級室工作過程中，分級室內部流動介質主要為氣-固混合的兩相流體，顆粒在氣流中呈分散型運動[19]。建模時將氣相和離散顆粒相分開處理[20-21]，對氣場相的建模采用歐拉方法，而對離散顆粒相采用拉格朗日方法進行描述[22-23]，分級室內三維氣相流場的數學模型主要包括質量守恒方程和動量守恒方程。

式中ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；x、y、z為3個方向坐標，m；u、v、w為3個坐標軸方向的速度分量，m/s；Fx、Fy、Fz分別是單位質量流體上的質量力在3個坐標軸方向的分量，m/s2；Pij為流體內的應力張量的分量（i=x、y、z；j=x、y、z），N/m2[19]。

另外分級室內流場是一個不穩定的湍流場，且氣流速度相對較高，因此還需附加κ-ε雙方程湍流模型。湍流模型的輸運方程為

其中k為流體的湍動能，kJ；μi、μj為流體速度，m/s；μ為流體動力黏度，kg/(m·s)；Gk為平均速度梯度產生的湍動能，kJ；Gb為浮力產生的湍動能，kJ；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；SK和Sε是用戶定義的源項；ε為湍流耗散率，%；C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數；σk、σε為湍動能k和湍動耗散率ε對應的普朗特數；μt為湍流黏度，kg/(m·s)；prt為湍動普朗特數；gi為重力加速度在i方向上的分量，m/s2；β為熱膨脹系數；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；Mt為湍動馬赫數；a為聲速，m/s；γ為定壓比熱與定容比熱之比；R為氣體常數，J/(kg·K)；T為絕對溫度，K[19]。

2.2 計算模型

2.2.1 物理模型

根據CWFJ 系列機械超微粉碎機粉碎分級一體裝置結構工作原理，選取分級室內流體空間作為計算區域[24-25]，通過Solid Works 軟件對CWFJ-30 型機械超微粉碎機分級室3 種結構分別建模，對分級室結構進行如下簡化[26]：

1）進料口：物料在轉子盤與固定齒圈間進行粉碎后進入分級室，在工作狀態下，轉子盤高速運轉，被粉碎的物料只能通過刀頭與固定齒圈間的間隙進入分級室，因此將周向間隙作為分級室的進料口；

2）分級區：分級葉片組、葉片底盤以及分級輪主軸作為整體，從而省略各個結構件的連接；

3）旋轉域：分級輪旋轉區域為旋轉域，其他區域為靜區域；

4）出料口：端蓋與分級室箱體作為整體，端蓋中心處為分級室混合物料出料口。

經簡化后的分級室流體空間三維模型主要由進料口、出料口、動區域、靜區域、分級輪、交界面、導流罩組成，如圖3 所示。

2.2.2 網格劃分

將三維模型導入到 ANSYS SpaceClaim 軟件進行流體域三維建模，模型設置為共享拓撲結構[27]。然后將處理好的分級室流體域三維模型導入到mesh 模塊進行網格劃分。全局最大網格設置為20，對流動變化大的區域進行網格加密處理，葉片、導流罩和交界面最大尺寸設置為3，旋轉域網格尺寸設置為5，對旋轉域與靜區域交界面設置成滑移網格交界面，最終初始結構網格模型中總單元數達275.6 萬，改進結構一網格模型中總單元數達275.6 萬，改進結構二網格模型中總單元數達267.0 萬，如圖4 所示。

圖4 分級室流體空間網格模型Fig.4 Mesh model of classification chamber fluid space

2.2.3 邊界條件

利用CFD 分析軟件FLUENT17.0 對分級室內流場變化（速度和負壓特性）及物料軌跡進行模擬研究，流體邊界條件定義見表1。采用歐拉（Eulerian）多相流模型和重整化群（RNG）κ-ε湍流模型，將氣態空氣定義為流體第一相，香菇微粉顆粒顆粒定義為第二相，根據香菇微粉顆粒物性對密度、粒徑、黏度等進行自定義，見表2。由香菇微粉物料特性結合經驗設置兩相流的進口速度為10 m/s，分級輪轉速為2 100 r/min，固體顆粒相的體積分數為0.14，出口壓力設置為負壓（-2 400 Pa），采用多重參考坐標系法（multi-reference frame,MRF），設定動區域的旋轉速度[28-29]。

表1 分級室網格邊界類型Table 1 Mesh boundary type in classification chamber

表2 香菇粉顆粒物性參數Table 2 Physical parameters of mushroom powder

3 材料與方法

3.1 試驗材料

試驗材料：市場選購干香菇，將香菇切塊至塊徑小于3 cm，香菇的濕基含水率為9.0%±0.5%。

3.2 試驗過程及取樣

將3 種不同位置關系的分級室結構分別集成在CWFJ-30 型機械超微粉碎機（自主研制，粉碎主軸轉速4 200 r/min，分級輪轉速2 100 r/min，總功率46 kW）上進行試驗，試驗參照JB∕T 12837-2016《機械沖擊式超微粉碎設備試驗方法》[31]進行，設備平穩運轉30 min 后，用取樣器采集物料樣本，并用四分法進行取樣。

3.3 粒度分布測定

采用BT-9300S 型激光粒度分析儀（丹東百特儀器有限公司）參照標準GB/T 29022-2021《粒度分析 動態光散射法(DLS)》[32]對取樣的物料測定粒度大小及粒度分布；分級精度分析參考《粒度分析結果的表述》GB/ T 1544.2-2006 第2 部分[33]：由粒度分布計算平均粒徑/直徑和各次矩和GB/ T 1544.4-2006 第4 部分[34]：分級過程的表征。

3.4 分級效率計算

分級效率的實質是分級后獲得某一成分的質量與分級前粉體中所含該成分的質量之比，表達式為

其中η為分級效率，%；m0為分級前目標粒徑的質量，kg；m1為分級后目標粒徑的質量，kg[25]。

4 試驗結果分析

4.1 分級粒徑

分級粒徑是衡量分級技術的一個重要指標，通常把顆粒粒徑D50 稱為切割粒徑，D50 越小，細產品顆粒越細[25]。對照3 種試驗粒度分析得到主要粒徑特性指標（表3）可知:初始結構中位粒徑D50=31.13 μm，改進結構一中位粒徑D50=21.12 μm，改進結構二中位粒徑D50=36.86 μm，分級粒徑由小到大依次是：改進結構一、初始結構、改進結構二。

表3 主要粒徑特性指標Table 3 The main property index of particle size

4.2 分級精度指數

分級精度表示分級過程中分級機的靈敏程度，分級精度越高，分級效果越好，分級后得到的產品粒徑分布就越窄[35]。跨度是描述粒徑分布的一個重要參數，跨度值越小，粒徑分布越窄，跨度值越大，粒徑分布越寬[34]，由表3 可知，3 種分級室結構跨度值由小到大依次是：改進結構二、初始結構、改進結構一，改進結構二粒徑分布窄于另外兩種結構。由表4 粒度累積分布含量可知：改進結構構一和改進結構二所得到的最大粒徑均小于300 μm，大顆粒均少于初始結構。綜合分析，改進結構二分級精度更高。

表4 粒度累積分布含量Table 4 Cumulative distribution content of particle size

4.3 分級效率

分級效率的實質是分級后獲得某一成分的質量與分級前粉體中所含該成分的質量之比，但在實際計算中，并不能完全分離得到目標粒徑進行稱重，可將物料顆粒分成不同的組分后，分析不同顆粒粒徑分級效果的部分分級效率，從而對分級效果做定量分析評價，本文選取區間粒度分布曲線（圖5）峰值點對應的粉體粒徑百分比進行評價。由圖5 可知峰值點處粒徑區間含量分別為：改進結構二4.67%＞初始結構3.71%＞改進結構一3.15%，另外峰值線兩側曲線約陡峭，說明接近目標粒徑的趨勢越明顯，因此分級效率由高到底依次為改進結構二、初始結構、改進結構一。

圖5 區間粒度分布曲線Fig.5 The curve of interval size distribution

試驗分析得到：改進結構一分級得到的產品更細，分級精度較高，但分級效率低，粒度分布區間寬；改進結構二分級效率、分級精度均優于初始結構和改進結構一，但分級粒徑較大；兩種改進結構都改善了大顆粒夾雜的問題，綜合比較改進結構一分級性能更好。

5 仿真結果及分析

5.1 不同位置關系的分級輪外側及葉片間速度分布規律

導流罩與分級輪的位置關系發生變化后會對分級輪內外側流場產生影響，影響分級效率及分級精度。顆粒在分級輪外側主要受到氣流離心力的作用，在分級輪旋轉和氣流的共同作用下，大多數顆粒在分級輪外側發生分級，分級后的細顆粒需要通過分級輪葉片之間的間隙，才可以進入分級輪內部，最后被收集裝置收集。

為清楚地觀察分級輪內外側切向速度場的分布情況，在工作腔內部截取不同位置關系分級室軸截面z=110 mm的速度等值線圖，如圖6 所示。可發現，改進結構一分級輪外側切向速度變化小且切向速度分布更加均勻，細顆粒更容易進入分級輪內部；原始結構和改進結構二分級輪外側氣流切向速度分布不夠均勻但切向速度大，尤其是改進結構二分級輪外側切向速度更大，物料流更容易被分散且大顆粒更容易被甩出；改進結構一葉片間徑向速度分布均勻，而原始結構與改進結構二由分級輪外側到分級輪內側徑向速度逐漸減小，且分級輪葉片間產生反向漩渦，尤其是原始結構中反向漩渦值更大，影響細顆粒進入分級輪內部，此結果解釋了試驗結果改進結構一分級得到的產品粒徑更小,改進結構二無大顆粒夾雜。

圖6 分級室軸截面z=110 mm 速度等值線圖Fig.6 Velocity contour map of z=110 mm section of classification chamber

5.2 不同位置關系的軸向速度及壓力分布

分級輪內側的軸向速度決定了細顆粒在分級輪內側的運動規律。顆粒經葉片間隙進入分級輪內部后會受到上升氣流的軸向力作用，分級輪內側的軸向速度分布和大小決定了細顆粒能否順利快速通過分級輪內部，而分級輪葉片與出料口下端口間隙處的壓力分布影響分級室內顆粒流流入出料口的流通路徑。在工作腔內部截取不同位置關系分級室縱截面y=0 的速度等值線圖和壓力云圖，如圖7、圖8。

圖7 分級室縱截面y=0 速度等值線圖Fig.7 Velocity contour map of y=0 section of classification chamber

圖8 分級室縱截面y=0 壓力云圖Fig.8 Pressure nephograms of y=0 section of classification chamber

由圖7 對比可知，改進結構二在分級輪內側軸向速度分布更加均勻，極小值的軸向速度區域面積更小，軸向速度分布極值相差更小，有利于細顆粒快速通過分級輪內部而被收集。由圖8 可知，改進結構一縱截面壓力云圖壓力帶層次多且變化均勻，分級輪外側與分級輪內側壓力均勻且壓力帶上升，有利于細顆粒的分級及收集；初始結構與改進結構二在分級輪外側出現負壓集中區，對細顆粒快速通過分級輪有影響，但對大顆粒的分散及分級有促進作用。初始結構中分級輪頂端與出料口底部間隙處壓力帶近乎水平，大顆粒容易被細顆粒流帶入成品。該結果進一步解釋了改進結構二分級效率高，改進結構二分級得到的產品粒徑較大，改進結構一和改進結構二無大顆粒夾雜。

5.3 不同位置關系的宏觀流場速度分布規律

對分級室內流體流場速度規律進行全域分析，得到分級室流線圖9。由圖9a 和圖9c 可知，導流罩外側流動湍流強度強，上升氣流大部分集中在導流罩外部后越過導流罩進入分級動區域，理論上驗證了導流罩的作用是分隔物料粉碎后的上升氣流和物料分級后部分下落的進一步粉碎物料，防止二者互相沖突影響出料和回流而降低分級效率。由圖9b 可知，導流罩與上端蓋貼合后，上升氣流大部分直接進入分級動區域，與分級后回料流混合，影響分級效率。

圖9 分級室流線圖Fig.9 Streamline of classification chamber

流場速度變化梯度大小對分級精度也有較大影響。改進結構一和改進結構二分級動區域內軸向渦流較少，且形成明顯穩定的徑向分級流場；與原始結構和改進結構一相比較，改進結構二速度分布差別更大，速度變化梯度明顯，更有利于顆粒的分散，提高分級效率。

6 結論

分級室內導流罩軸向位置變化、分級葉輪軸向尺寸變化會對分級性能產生較大影響。本文通過性能試驗和數值仿真的方法，對CWFJ-30 型機械超微粉碎機3 種不同位置關系的分級室分級性能進行比較分析，得到以下結論：

1）改進結構一：分級輪外側切向速度更加均勻，軸向速度及分級室流場速度變化梯度小，因此分級得到的產品中值粒徑更小，但分級效率和分級精度降低。導流罩上邊沿與上端蓋弧板貼合后阻斷了初始結構中兩者之間的氣固混合流無阻力通道，且縱截面壓力帶層次多且變化均勻，有效避免了大顆粒進入成品物料。

2）改進結構二：徑向速度由分級輪外側到內側逐漸減小，且分級輪葉片間產生反向漩渦，分級輪內側軸向速度分布更加均勻，軸向速度及分級室流場速度變化梯度大，因此分級得到的產品中值粒徑較大，但分級效率和分級精度均提高。分級輪葉片加高后，分級輪外側切向速度變大，物料流更容易被分散且大顆粒更容易被甩出，成品物料中避免了大顆粒進入。

3）兩種改進結構都有效避免了大顆粒進入成品物料。從分級粒徑、分級效率及分級精度指數3個指標綜合比較3 種分級室結構分級性能，認為改進結構二分級效率及分級精度均好于另外兩種結構，適用于要求產量的工廠化超微粉碎作業。改進結構一適用于要求粒徑更小的實驗室超微粉碎。

本文數值模擬的結果與試驗進行了相互驗證，但只是對3 種結構分級過程進行了定性分析，還需進一步探明分級性能隨導流罩軸向位置變化、分級葉輪軸向尺寸變化的一般規律。針對改進結構二，需進一步進行產量及噸料電耗試驗，加強其用于工廠化生產的意義。另外粉碎和分級是相輔相成、相互影響的過程，還需將兩個不可逆、非線性離散過程作為一個整體進行仿真分析，為超微粉碎裝備整體結構改進和參數優化提供更準確的模擬方法和理論基礎。