锤片式粉碎机粉碎室内流场仿真分析

曹丽英，史兴华，石 炜，裴耀武

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)



锤片式粉碎机粉碎室内流场仿真分析

曹丽英，史兴华，石 炜，裴耀武

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

设计并制造了一种新型锤片式饲料粉碎机，运用三维建模软件UG及计算流体动力学软件FLUENT对新型锤片式饲料粉碎机粉碎室内的气流场进行三维仿真研究，得到了在3种不同转速下粉碎室内气流场的负压和速度的分布规律。该研究结果可为粉碎机流场研究及结构的改进设计提供一定理论依据。

锤片式饲料粉碎机；气流场；仿真

0 引言

凭借30年的迅猛发展，我国已经跃升为世界饲料生产大国。在饲料加工过程中，粉碎机是主要设备，而锤片式粉碎机更是得到了广泛应用[1-6]。为了解决传统锤片式粉碎机内物料环流层引起的问题，课题组设计并制造了一种新型锤片式饲料粉碎机[7-8]。该机的特点是既能破坏环流层[9]，又能使物料循环粉碎[10]。其在粉碎室外部的分离装置中安装了筛网，为了增加粉碎力度，在粉碎室内安装了环形齿板。粉碎机工作时，物料进入粉碎室后受到锤片转子组的打击作用，还有物料与齿板之间的碰撞作用，以及物料与物料、物料与壁面之间的搓擦作用等，将物料进行粉碎；被粉碎后的物料在转子组的抛射及空气流的输送作用下进入到分离装置中进行分离；符合粒度要求的过筛，未过筛的较大粒径的物料沿回料管又回到粉碎室进行循环粉碎。图1是新型锤片式饲料粉碎机的结构示意图。

由于没有从根本上解决传统锤片式饲料粉碎机物料分离效率低的问题，因而未能改变其能耗高、过粉碎、物料升温大、筛片磨损严重的缺陷。针对新型锤片式粉碎机粉碎效率与分离效率相比偏低的问题，根据实际尺寸建立新型锤片式粉碎机的实体模型，对其进行单元网格的划分；然后利用FLUENT软件对粉碎机的气流流场、负压特性等进行三维数值模拟，目的是找到粉碎室内负压特性参数与物料运动参数之间的关系，为提高物料的分离效率提供理论依据。

1.电机 2.进料口 3.机架 4.粉碎室 5.回料管 6.筛片 7.分离装置 8.锤片 9.齿板

1 基于UG的三维几何建模

模拟中，选取粉碎机粉碎室内部流道空间作为计算区域，利用UG建立粉碎机粉碎室内流道空间的三维模型，如图2所示。

图2 粉碎机粉碎室内流域的三维模型

建立三维模型时，对粉碎机结构做如下简化：

1)在有效面积不变的条件下，将两个进料口合并成一个；

2)省略所有零件的倒角；

3)轴和锤片组作为整体，从而省略各个结构间的连接。

2 有限元建模及分析

从UG中将模型导出为STP格式文件，再把文件导入到FLUENT的前处理软件Gambit中，在Gambit环境中进行网格划分[11-12]，网格模型总单元数达10 865 20个。

利用CFD分析软件FLUENT12.1对新型锤片式粉碎机内部粉碎腔内单相气流场的负压和速度特性进行模拟研究。首先，指定边界类型，网格模型，设定边界条件，如表1所示。

表1 边界类型

粉碎机工作时，粉碎室内流场是一个不稳定的湍流场。湍流模型的输运方程为

(1)

(2)

其中，Gb为浮力湍动能产生；Gk为平均速度梯度湍动能产生；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；σk、σε为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数；Prt为湍动普朗特数；gi为重力加速度在i方向上的分量；β为热膨胀系数；Mt为湍动马赫数；Α为声速。

松弛因子如表2所示。

表2 松弛因子

3 流场模拟结果与分析

对粉碎机转速2 500、3 000、3 500r/min下粉碎室内部的气流场进行模拟，得到粉碎机粉碎区域的压力分布和速度分布，进而分析粉碎机转速对粉碎区域流场的影响[13-14]。为了方便分析，取6个截面上的流场进行分析，在轴向每间隔50mm取一个截面，共5个竖直截面，从进料口到回料口方向，依次命名为S1、S2、S3、S4、S5，在水平面取1个截面(即S6截面)，如图3所示。

图3 粉碎室内6截面压力云图

3.1 不同转速下粉碎机粉碎室内负压特性

1)粉碎机转速2 500r/min时，粉碎室内S1～S6截面负压特性如图4所示。

图4 转速2 500r/min时S1～S6截面压力云图

由图4可知：在转轴附近和出料口下方110mm处存在两个明显的负压集中区域。负压值沿径向向外逐渐减小，沿轴向方向变化很小。

2)粉碎机转速3 000、3 500r/min时，取粉碎室内具有代表性的S1、S3、S4、S6截面负压特性，如图5、图6所示。

图5 转速3 000r/min时S1、S3、S4、S6截面压力云图

图6 转速3 500r/min时S1、S3、S4、S6截面压力云图

由图5、图6可知：两个负压集中区域的负压值随着转速的增加而增大，转速每增大500r/min，负压值升高1.2kPa左右。

3.2 不同转速下粉碎机粉碎室内速度特性

1)粉碎机转速2 500r/min时，粉碎室内S1～S6截面速度特性如图7所示。

图7 转速2 500r/min时S1～S6截面速度矢量图

粉碎机转速2 500r/min时，粉碎机粉碎室整体速度特性如图8所示。

由图7、图8可知：转速2 500r/min时，转轴附近和出料口下方两个区域速度值较小，速度值沿径向向外逐渐增加，在锤片与机壳之间速度值达到最大；速度值沿轴向方向变化较小。

2)粉碎机转速3 000r/min时，取粉碎室内具有代表性的S1、S3、S4、S6截面速度矢量图及粉碎室整体速度矢量图如图9、图10所示。

图8 转速2 500r/min时粉碎室整体速度矢量图

图9 转速3 000r/min时S1、S3、S4、S6截面速度矢量图

图10 转速3 000r/min时粉碎室整体速度矢量图

3)粉碎机转速3 500r/min时，取粉碎室内具有代表性的S1、S3、S4、S6截面速度矢量图及粉碎室整体速度矢量图如图11、图12所示。

图11 转速3 500r/min时S1、S3、S4、S6截面速度矢量图

图12 转速3500r/min时粉碎室整体速度矢量图

2 500、3 000、3 500r/min这3种转速对应的粉碎室内最大速度值分别是62、74.5、87m/s。

比较图9～图12可知：在2 500～3 500r/min范围内，随着转速的增加，粉碎室内速度的最大值也逐渐加大，转速每增大500r/min，速度值升高13m/s左右；速度的最大值都出现在出料口下部到粉碎机底部之间的一段弧形区域内。

4 结论

1)粉碎腔内负压的最大值随着粉碎机转速的增大而升高。在径向方向，负压值向外围逐渐减小；在轴向方向，负压值变化很小；转速每增大500r/min，负压值升高1.2kPa左右；负压不仅集中在转轴附近，在出料口以下110mm处也有小范围的负压集中区域，与中心负压的最大值近似。

2)粉碎腔内速度的最大值随着粉碎机转速的增大而升高。在锤片边缘附近，空气速度高于其他部分；在轴向方向，速度值变化很小；转速每增大500r/min，速度最大值升高13m/s左右；速度的最大值出现在出料口下部到粉碎机底部的一段弧形区域内。

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[14] 曹丽英.新型锤片式粉碎机物料分离特性的模拟与测试分析[D].呼和浩特:内蒙古农业大学，2010．

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

国家自然科学基金项目(51105189) ；内蒙古自然科学基金项目(2014MS0534)；内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZC13153)

曹丽英(1980-)，女，内蒙古土左旗人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)kdcly@imust.cn。

S817.12+2

A

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