LNI-66A型分级式冲击磨锤头参数研究

陈俊冬，王晓天，曾川，李鹏超，林龙沅，陈海焱（西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 600；西南科技大学制造科学与工程学院，四川 绵阳 600）

研究开发

LNI-66A型分级式冲击磨锤头参数研究

陈俊冬1，王晓天2，曾川2，李鹏超1，林龙沅2，陈海焱1
（1西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2西南科技大学制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

分级式冲击磨具有产量大、应用广等优点，但目前对分级式冲击磨的研究仍不够充分。本文利用LNI-66A型分级式冲击磨进行了粉碎实验，结果表明，锤头数量为2个时，粉体产量比锤头数量为4个和8个时高；锤头高度为30mm时，粉体产量比锤头高度为10mm、20mm、40mm、50mm时高。利用Ansys Workbench 15.0，对粉碎腔内的流场进行了数值模拟，得出了压力场和速度场的分布情况，探讨了锤头参数对磨盘粉碎区域流场的影响。模拟结果表明，随着锤头数量的增加，粉碎区域流场径向速度变化不大，而压力会随之增加，这将使得粉碎效率降低，粉体产量下降。锤头高度对锤头附近气流上升速度和锤头打击面积都有影响，前者会降低粉碎效率，后者会提高粉碎效率，在两者间应有一个择中的取值。因此，锤头高度并不是越高越好，是有一个较优取值的。

分级式冲击磨；锤头数量；锤头高度；CFD数值模拟

物料的破碎和粉碎是现代工业生产中的一个重要环节。随着科技水平的提高，对粉体的加工质量、加工效率等提出了更高的要求。在粉体加工过程中，冲击式粉碎呈现出加工成本低、产量大、易控制等优点，使其得以广泛应用于粉体加工行业［1-6］。分级式冲击磨就是一种典型的冲击式粉碎机。

分级式冲击磨是利用高速旋转的锤头、叶片、棒体等与物料的猛烈冲击，颗粒之间的相互冲击、碰撞、摩擦、剪切，同时在冲击锤头与衬板之间的间隙处受到冲击、磨损，实现对物料的超细粉碎［7-8］。分级式冲击磨已广泛应用于粉碎领域，但目前对分级式冲击磨的研究还存在一定的缺陷与不足。孙成林［1，6］提出冲击式粉碎机的锤头形状和材质需要改进，但只对锤头材质进行了说明，并没有对锤头形状、高度等作进一步的研究。李凤生［9］指出对于冲击式粉碎机锤头形状有棒状、叶片等形式，并对冲击件的径向长度作了说明，并没有对锤头高度（锤头结构的几何高度）作进一步的研究。锤头是分级式冲击磨的主要打击部件，锤头数量和锤头高度的合理选择能增大颗粒与锤面的碰撞机会，提高粉碎效率。而目前对锤头数量的设计依据是根据颗粒运行自由程理论给出，这与工业应用现场和本文作者课题组的前期研究是存在较大差异的。本文对LNI-66A型分级式冲击磨的锤头数量和锤头高度进行了实验研究。为更好地分析实验结果，进行了CFD数值模拟，结合数值模拟对实验结果进行了分析。

1　实验设备、材料与实验方法

1.1实验材料

干燥的小块状稀土。

1.2实验设备

实验设备由绵阳流能粉体设备有限公司提供，型号为LNI-66A分级式冲击磨系统。包括锤片式破碎机（传动功率7.5kW，筛网孔径4mm）、锤式冲击磨（传动功率 11kW）、涡轮分级机（传动功率5.5kW）、收尘器、高压引风机（传动功率11kW）、电控柜（内有变频器）等。

测试仪器包括U形压力计，SwemaAir 50风速仪（瑞典斯威玛公司），LS-POP（Ⅵ）型激光粒度分析仪（中国珠海欧美克仪器有限公司）。

1.3实验方法

将干燥的小块状稀土加入到锤片式破碎机中进行破碎。破碎的产品通过 4mm的筛网，在引风机的作用下进入到分机式冲击磨中进行粉碎。实验过程中，通过给料速度和给料量的控制，使冲击磨的电机电流逐步增加至极限值16～18A，保持在该值稳定运行 5min后开始统计产量，连续粉碎时间为1h，记录粉体产量、能耗，粉碎后的粉体粒度为5μm±1μm。参考孙权等［10］的研究，本次实验采用上进料方式，粉碎主机运行频率为额定频率50Hz，分级机频率为40Hz。在此过程中，定时记录传动电机的电流和系统风量等参数。

1.4锤头数量、锤头高度对粉体产量的影响

本实验考察锤头数量对粉体产量的影响，锤头数量设置3组，依次为2个、4个、8个，锤头高度设置5组，从10～50mm每10mm设置一组，磨盘直径为390mm。安装8个锤头时，锤头夹角为45°，锤头间距S为96.33mm。安装4个锤头时，锤头夹角为90°，锤头间距S为197.28mm。安装2个锤头时，锤头夹角为180°，锤头间距S为300mm。实验结果如表1、图1、图2所示。由表1和图1、图2可以看出，随着锤头数量的增加，磨机运行阻力随之增加，粉体产量会随之下降，单位能耗随之增加。而随着锤头高度的增加，磨机运行阻力增加，粉体产量出现先上升后下降的趋势。

图1　锤头数量、锤头高度对粉体产量的影响

图2　锤头数量、锤头高度对磨机运行阻力的影响

2　锤头粉碎区域流场的数值模拟

2.1模拟软件

建模软件使用 Pro/Engineer5.0，保存为通用格式导入模拟软件Ansys Workbench 15.0，使用其中的fluid flow（fluent）模块进行模型修改与调整、网格划分、区域命名、边界条件与求解参数设置，并进行计算。

2.2模型建立

根据实验设备建立如图3所示的模型，在实际建模过程中，将分级轮叶片、分级机出口、分级机传动轴、磨机主轴进行简化，建立分级式冲击磨内部流场的流体模型。

2.3网格划分

在workbench中，模型建立好后，进行模型更新，进入mesh模块进行网格划分。划分网格时，physics preference选用CFD，solver preference选用fluent，element size选择为10mm，behavior选用soft，边界尺寸调节选择默认，模型畸变处会自行进行调整，最小划分尺寸自动调整为0.48657mm。最终生成网格数为816490，节点数为154160，如图4所示。

2.4边界条件与求解设置

设置重力方向的加速度为9.8m/s2，环境压力假设为0，在models里面将energy设置为开启，viscous model选用k-epsilon，并选择标准模型。在cell zone condition里面将分级轮和磨盘所在流场区域定义为frame motion，分级轮区域转速为-1500r/min，磨盘区域转速为5000r/min。在boundary conditions里定义进风口和加料口为压力入口，压力为 1atm （1atm=101325Pa）。同理，出风口定义为压力出口，压力为0.9atm。计算方法选择和松弛因子选择选项较多，在此不详细介绍。

2.5模拟结果

图5是磨盘粉碎区域的压力云图，图6是磨盘粉碎区域的速度云图。由图5可以看出，在粉碎区域中，靠近锤头的地方压力较高，锤头迎风处有明显的紊流产生。因此，此处的颗粒粉碎十分剧烈。由图6可以看出，粉碎区域由中心到四周速度呈现梯度分布，越远离磨盘中心速度越大，这说明了粉碎最激烈的区域主要是在锤头之间的间隙、锤头与衬板之间的间隙处。详细的模拟结果将在下文进行分析。

表1　锤头数量、锤头高度对粉体产量、单位能耗的影响

图3　分级式冲击磨内部结构示意图

图4　计算网格

图5　粉碎区域压力云图

图6　粉碎区域速度云图

3　实验、模拟结果分析

由上文的实验和模拟结果，在粉碎区域建立一条沿磨盘径向的直线L，如图7所示，读取该直线上的数据进行分析。图8是在相同锤头高度（10mm）不同锤头数量下沿直线L的速度分布图。从图中可以看出，速度大致以磨盘圆心（x=0）呈对称分布，速度沿径向往外逐渐增大。而随着锤头数量的增加，速度变化不大。因此，随着锤头数量的增加，颗粒所获得的加速效果并不明显。图9是在相同锤头高度（10mm）不同锤头数量下沿直线L的压力分布图。从图中可以看出，压力大致以磨盘圆心（x=0）呈对称分布，压力沿径向往外逐渐增大。随着锤头数量的增加，压力也在逐渐增加。在x=150mm处，是锤头根部的位置，在该位置速度和压力都有明显的变化。结合实验结果，随着锤头数量的增加，磨机阻力也出现上升的趋势。

图7　磨盘粉碎区域直线L的取法示意图

图8　不同锤头数量下沿直线L的速度分布图

随着锤头数量的增加，磨盘粉碎区域的径向速度没太大变化，而压力和磨机运行阻力都出现上升趋势，这将阻碍粉体进入粉碎区域，造成粉碎效率降低，粉体产量下降。因此，在设计锤头数量时，锤头数量不宜过多。本实验中锤头的周向速度是120m/s，提供的粉碎能量是足够的［9-13］。根据相关研究［14-15］，在粉碎能量足够的前提下，锤头数量减少，锤头间距S增大，在锤头周向速度V不变的情况下，从磨盘渗入粉碎区域的粉体会随之增加，从而提高粉碎效率。因此，本实验中，当锤头数量为2个时，粉碎效率最高。

本组数值模拟取的锤头高度为10mm、30mm、50mm，锤头数量均为 4个，考察锤头高度对磨盘粉碎区域流场的影响。当磨盘转动时，磨盘上安装的锤头随之转动，这将“搅动”磨盘上方的空气，使之随之转动起来。随着锤头高度的增加，这种“搅动”作用应逐渐明显。因此，取锤头附近的气流上升速度进行分析，图 10是锤头附近气流上升速度示意图，图11是数值模拟中不同锤头高度的气流上升速度散点图。从图11中可以看出，随着锤头高度的增加，锤头附近的气流上升速度在增大。若上升气流速度过大，则粉体不易掉落到锤头间隙处进行粉碎，从而降低粉碎效率。锤头高度为50mm时的气流上升速度最大，对粉体的阻碍作用也最明显。结合实验数据，锤头高度为50mm时，磨机运行阻力是最大的，这也说明了锤头高度为50mm时，对粉体的阻碍作用明显，从而降低粉体的粉碎效率。从这一角度讲，增加锤头高度会降低粉碎效率。但是，另一方面，锤头高度增加，锤头的打击面积增加。

图9　不同锤头数量下沿直线L的压力分布图

图10　锤头附近气流上升速度示意图

图11　不同锤头高度的气流上升速度分布图

图12　周向速度矢量图

图12是锤头高度为10mm、30mm、50mm时的周向速度（线速度）矢量。由于3种情况下磨盘转速都相同，因此周向速度大小没有太大区别。但是，随着锤头高度的增加，锤头的打击面积增大，打击区域也明显增大。综合锤头附近气流上升速度和锤头周向速度矢量图，锤头高度增加可以使粉碎区域增大，但是从实验实测阻力和锤头间隙的气流上升速度可以看出锤头高度增加，磨机运行阻力和锤头附近的气流上升速度都会增大，这会阻碍粉体落入该区域进行粉碎。因此，在锤头数量一定的情况下，锤头高度并不是越高越高，是有一个较优取值的。对于LNI-66A型分级式冲击磨，锤头高度为30mm时，粉体产量最多，粉碎效率最高。

4　结　论

（1）分级式冲击磨的锤头安装数量对粉体产量有着一定的影响。根据研究结果，安装2个锤头时，粉体产量最高，能耗也最低。因此，在实际生产过程中，可适当减少锤头的安装数量。

（2）分级式冲击磨的锤头高度对粉体产量也有着一定影响。锤头高度不宜过高也不宜过低，应有一个合适的取值，本研究中，锤头高度为30mm时，粉体产量最高，能耗最低。

（3）本研究的结果对分级式冲击磨的设计和应用提供了依据，对冲击式粉碎领域有一定的参考价值，不同机型，具体的锤头参数选择应略有差异。

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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。

国家自然科学基金（11402218）及绵阳市科技局项目（14G-ZC-06）。

陈俊冬（1983—），男，硕士，讲师，从事机械设计制造及

矿物加工工程研究。E-mail lqxcjd@163.com。联系人：陈海焱，博士，教授，从事超细粉碎、气流分级技术、通风除尘的研究与设备开发。E-mail chenhaiyan@swust.edu.cn。