锤片式饲料粉碎机分离装置结构的改进

■汪建新 孙洪斌

（内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010）

目前，我国饲料粉碎机仍是以锤片式粉碎机为主。其工作原理是：物料进入粉碎室后,受到高速回转锤片的打击而破碎并相互摩擦碰撞后进一步破碎,达到粒度要求的物料颗粒在离心力和重力作用下通过筛片从出料口排出。锤片式粉碎机具有易于生产，经济实用性好，工作时不易发生安全事故，可以应用于大多工况场合等优点。但传统锤片式饲料机在粉碎过程中容易在锤片轴周围形成环流层，在离心力作用下，大颗粒物料容易堵住筛孔，且粉碎室中心区域的负压对物料有吸附作用，也使得物料不易分离，导致物料分离效率低，粉碎机能耗大，物料被过度粉碎等问题。为解决上述问题，国内外的科研人员做了大量研究，如通过改变粉碎室形状破坏环流层的方法，主要研究成果有水滴形、八角形、椭圆形等，但这些粉碎机体积大，成本较高；还有增大有效筛理面积的方法，主要是使用异型筛代替传统的圆形平筛，达到破坏环流层，增加筛理面积的目的，如波纹型筛片、梯形筛、分段圆弧筛等，但筛片磨损比较严重，需要经常更换。采用辅助吸风或气力输送系统，可提高物料的分离效率，但能耗增加；还有在分离装置中引用振动的方法，如欧洲的立轴式粉碎机，虽然提高了分离效率，但通用性差、成本高、体积大且不适用于细粉碎。目前，锤片式饲料粉碎机的发展虽然取得了一定成就，但仍然没有从根本上解决传统锤片式饲料粉碎机环流层的问题，工作效率有待进一步提高。

1 问题描述

新型锤片式饲料粉碎机在粉碎室内用齿板代替筛片，在分离装置出口处安装筛片，达到粒度要求的颗粒将通过筛片，大料粒则在粉碎室中心负压及物料自重的作用下沿回料管再次回到粉碎室进行粉碎，粉碎室内不存在环流层的影响，解决了饲料过度粉碎的问题，提高了生产效率。但是如果粉碎机的转子转速太大，粉碎室中心区域负压也会增加，虽然提高了物料的输送率，但也增加了气流的回流量，不利于物料的分离。设计并实现合理的回流量是新型饲料粉碎机要解决的关键问题之一。

图1 新型锤片式粉碎机结构原理

2 有限元模型的建立及求解

2.1 模型的建立

锤片式饲料粉碎机整机模型比较复杂，为便于仿真计算，只建立有开孔和无开孔两种情况下锤片式粉碎机分离装置的简化模型，对比有无开孔时分离装置内流场的分布情况。考虑到筛片对两相流的阻力不大，建模时忽略筛片。采用三维建模软件CATIA建立分离装置模型，将建立好的三维模型导入到前处理软件HyperMesh中进行网格划分，采用非结构网格，如图2所示。

2.2 边界条件及初始条件的确定

饲料粉碎机进料口设为速度入口，气相和固相进口速度均为5 m/s。无开孔时，模型出口8、10均设为压力出口，出口边界的静压分别设为0 Pa和-500 Pa。在回料管开孔后，模型出口8、9、10均设为压力出口，出口边界的静压分别设为0 Pa,0 Pa和-500 Pa，进出口位置如图1所示。

图2 计算区域网格单元

2.3 求解

采用混合模型，分散相选用体积分数占连续相12%的玉米秸秆颗粒，固相颗粒直径设为1 mm,连续相设为空气。空气的运动粘度14.8×106m2/s，入口当量直径17.4 mm,通过理论计算可知Re＞4 000,所以粉碎机中流体的流动为湍流，湍流模型选用标准k-ε模型，选用无滑移边界，近壁区的流动模拟采用标准壁面函数。其他条件保持默认设置。

3 结果分析

图3所示为开孔前分离装置速度场分布图，流体呈现紊流的运动状态，流场速度梯度变化较大。开孔后，由于降低了中心区域负压对分离装置中气流的影响，使得流场速度分布均匀，速度梯度变化较小，如图4所示。

图3 开孔前分离装置中速度场分布

图4 开孔后分离装置中速度场分布

图5、图6分别为开孔前和开孔后分离装置压力场分布，分析可知，在分离装置下部贴近回料管的区域和回料管中几乎全为负压区域。开孔前后出料管中压力场的分布基本没有变化，但在开孔后压力场的值都有所下降，这是由于开孔起到了泄压的作用。

图5 开孔前分离装置中压力场分布

图6 开孔后分离装置中压力场分布

图7、图8所示分别为开孔前后固相颗粒浓度分布，开孔前，由于入口速度较大，受惯性力作用，固相颗粒主要集中在出料管管壁上方，使得管壁上方固相颗粒浓度较大，随着气流速度沿出料管道降低，固相颗粒出现了沉降现象，受中心负压的作用，回料管管口区和靠近中心负压区出现了固相颗粒浓度增高现象，这是由于中心负压对气流的吸附作用造成的。开孔后，固相颗粒的分布比较均匀，同时回料管中固相颗粒的浓度也有所降低。结合开孔前后速度场、压力场和固相颗粒浓度的分布可以看出，开孔后出料管固相颗粒的分布比较均匀，同时气流的回流量降低，物料的过筛率增加。

图7 开孔前分离装置中固相颗粒浓度分布

图8 开孔后分离装置中固相颗粒浓度分布

测得开孔前后回料管各点的压力、速度、固相颗粒浓度，对比分析后进一步证明：开孔后回料管中负压值减小，固相颗粒浓度降低，回流量减小，具体参数如表1所示。

表1 回料管开孔前后参数

4 结论

①利用FLUENT软件模拟了粉碎机分离装置内气固两相流的速度场、压力场及固相颗粒浓度的分布，为合理选择工作参数提供了依据。

②通过仿真实验，研究了在回料管上开孔对出料管内物料流动状态的影响，验证了用开孔的方法调节回流量的可行性，能解决回流量过大的问题。

③如何使出料管中固相颗粒分布更加均匀，同时减小回流量，又能保证未满足要求的大颗粒物料能重新回到粉碎室内进行再次粉碎，需要通过改变孔径的大小、数量及位置等因素来调节。