基于EDEM 的齿爪粉碎机玉米粉碎仿真分析

2020-04-17贾振超张宗超李寒松孔凡祝武文璇慈文亮

饲料工业 2020年7期

■贾振超张宗超李寒松孔凡祝武文璇慈文亮

（山东省农业机械科学研究院，山东济南250100）

粉碎是农产品加工过程中一种重要的加工形式，粉碎机是各农产品加工工业中应用的主要设备之一。粉碎机的种类较多，按照结构可以分为锤片式、劲锤式、对辊式和齿爪式[1]，其中齿爪粉碎机广泛应用于玉米、大米、辣椒等农产品加工制备中。目前，对于粉碎机的研究多集中在锤片式、对辊式[2-3]粉碎机，而针对齿爪粉碎机的研究较少，缺少对齿爪粉碎机物料粉碎筛选的整体性研究。

随着计算机仿真技术的发展，离散元仿真技术越来越多的运用到粉碎的研究中[4-5]，通过离散元软件EDEM可以收集更多有效的参数信息，对颗粒的运动参数、受力及接触情况等信息，软件可以通过图表等形式直观呈现。基于此，本课题组结合离散元理论，将粉碎物料视为离散体，利用EDEM离散元分析软件模拟粉碎腔内真实运行状态，总结粉碎规律，为粉碎机结构设计提供依据。

1 仿真建模

1.1 粉碎设备模型建立

本次研究以万能齿爪粉碎机FS320型号为研究对象，如图1所示，物料通过入料口进入粉碎室，经过锤头打击及与齿爪、筛网的碰撞、摩擦实现物料的粉碎，粉碎后的目标物料经过筛网筛出，锤头与齿爪交错分布。

结合万能齿爪粉碎机FS320 型结构特点和工作原理，为了降低仿真分析计算量，减少计算机运算时间，在不影响仿真质量的前提下，借助SolidWorks 仅对粉碎机头建立三维模型。如图2所示，除了关键部件锤头、筛网、齿爪、机壳，其余结构对于仿真分析结果无影响，做简化处理，筛网数模孔径选择1 mm 大小，并且按照圆周均分为6部分。筛网内部腔体为粉碎部分，粉碎后的物料颗粒从筛网直接筛出。

图1 FS320型号粉碎机

图2 粉碎机三维模型

1.2 玉米颗粒建模

本次研究借助离散元软件EDEM 中Hertz-Mind⁃lin with bonding built-in 功能构建玉米颗粒黏结模型。黏结模型是EDEM中的重要功能，它可以通过黏结键将颗粒黏结在一起，当黏结键所承受的切向力和法向力超过极限值时，该黏结键断裂，颗粒之间分离，从而实现物料粉碎[6]。因此将玉米设定成由细小颗粒通过Bonding 键黏在一起，模拟相应的内部力学结构特征，设定其法向刚度、切向刚度、临界法向应力、临界切向应力四个参数[7]，选择在某一个时间点让颗粒之间生成黏结键。

根据现有的研究基础，选择玉米颗粒的平均尺寸构建玉米外形，利用EDEM软件的快速生成颗粒的功能填充玉米模型，其中填充公式[8]如下：

式中：α——填充体积分数，根据经验公式，取值为0.56；

VReal——被填充的玉米模型体积(mm3)；

N——填充小颗粒数量(个)；

VFraction——填充小颗粒体积(mm3)；

R——小颗粒半径(mm)。

颗粒直径为0.85 mm，根据公式推算和实际调试，在玉米模型内部生成625 个目标小颗粒，可生成效果较为良好的玉米模型。采集目标颗粒的XYZ 位置参数，编译API用于快速替换生成由目标小颗粒生产的玉米模型，随后生成颗粒黏结键实现玉米模型的塑造。设置玉米的相关接触参数、黏结参数。针对玉米的相关参数研究较多，根据玉米的品种、水分含量等因素略有不同，本研究通过查找国内外相关文献[9-11]，确定其相关仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数设置

1.3 前处理

在EDEM 软件中通过Bulk Material 选项定义玉米目标颗粒的各属性参数，设置两种颗粒whole 和fraction，其中whole颗粒为被替换颗粒，fraction颗粒为替换颗粒。导入几何数模，在Geometry选项中定义粉碎机相关的几何部件材料均为不锈钢材料。在筛网内部建立虚拟几何体并设置为颗粒工厂，由于最终目标颗粒粒径较小，几何模型较大，为了降低计算量，颗粒工厂生成总数设定为10 颗，生成10 颗whole 颗粒，然后通过快速替换功能将生成的10 个whole 颗粒替换为由625个fraction颗粒黏结而成的玉米颗粒，总颗粒数为6 250。如图3所示。

锤头几何体增加Linear Rotation 运动功能，以轴心为基准模拟锤头旋转工作状态，从0.6 s开始，设定旋转速度分别为3 900 r/min 和4 500 r/min 两种工况进行对比。为了进一步分析筛网与粉碎物料的接触问题，将筛网按照角度均分为6部分，如图4所示。重力方向设定为粉碎机头下料口方向，重力加速度大小为9.8 m/s2。为了保证仿真效果的连续性，设置仿真时间步长为8.58×10-7s,数据存储间隔0.01 s，总时长为6 s，网格尺寸为0.85 mm，网格总数约为3.92×107个，点击开始进行仿真运算并获得结果。

图3 玉米黏结颗粒

图4 筛网分布

2 仿真结果分析

仿真结束后通过EDEM 后处理功能对结果进行分析。从仿真的过程图像中看到，玉米黏结颗粒随机分布于筛网底部，与锤头初次接触的玉米黏结颗粒受到冲击后发生破碎，如图5所示。由于锤筛间隙以及粉碎室内死角的存在，在初始情况下部分玉米黏结颗粒未受到锤头冲击，结构较为完整。部分破碎的玉米黏结颗粒分裂为数块，同时在与筛网的接触中还有表面颗粒磨损的现象。随后的粉碎中玉米黏结颗粒全部受到锤头碰撞实现完全粉碎，最后阶段仅剩目标颗粒围绕筛网旋转筛出。

整个粉碎过程主要分布在筛网内部，为了采集有效区域的数据信息，以筛网内侧为边界设置网格组（Grid Bin Group），对整个粉碎过程中的颗粒相关数据进行统计分析。颗粒黏结键的数量代表玉米黏结颗粒的破碎程度，对比不同转速粉碎过程中的黏结键数量随时间变化曲线，如图6～图7所示。

图5 玉米粉碎仿真图

两种工况下初始黏结键总数量为24 590，前期粉碎效率较高，单位时间内断裂的黏结键变化较大，相对于3 900 r/min转速，4 500 r/min转速的工况下颗粒黏结键的粉碎速率更快，分别在大约1.9 s 和1.2 s 时实现所有颗粒黏结键的断裂。随着粉碎过程的进行黏结键数量随时间均匀递减，直至完全破碎。结合图表，进一步说明粉碎初始时锤头未能击中全部玉米黏结颗粒，随着粉碎的进行，运动中的颗粒在旋转时碰撞其他静止颗粒，带动其脱离死角位置并与锤头相撞，高速旋转的锤头可以提高破碎几率。锤头在接触到物料时粉碎效果突出，黏结键断裂数量明显，同时，黏结颗粒与筛网的碰撞也是破碎的关键，说明最大限度的确保物料与粉碎锤头正面接触碰撞、合理设计锤筛间隙有助于提升粉碎效率。

在物料筛分过程中最理想的状况是目标颗粒粒径小于等于筛孔孔径，物料全部透筛过去，而实际中由于物料与物料碰撞以及物料与筛网碰撞，导致部分目标物料无法及时从筛孔筛出[12-13]。目标颗粒的筛出情况与筛网的接触次数有关，与筛网的接触次数越多，从筛孔筛出的概率越大。

筛网按照角度均分为6部分，锤头顺时针旋转，在4 500 r/min 工况下，采集粉碎过程中颗粒与6 部分筛网的接触情况，根据黏结键断裂数目随时间的变化关系，对比每部分的颗粒与筛网的接触数据。如图8～图13所示，总体上随着时间推移，颗粒与各部分筛网的接触次数逐渐减少，应该与目标颗粒的不断筛出有关，对比分析各筛网数据，发现整个筛圈在颗粒筛出过程中筛分效果随着部位不同而有所差别。第一次碰撞发生在0.6 s 处，目标颗粒因为黏结键的破裂而瞬间增多，首先在3 号和4 号筛网处达到峰值，接触次数分别为225 次和269 次，这是由于3、4 号筛网位于底部，处于碰撞的初始位置，同时由于锤头的顺时针旋转方向，使得4 号筛网接触到粉碎后的目标颗粒更多。按时间推移，5号、6号筛网随后达到目标颗粒接触次数峰值，数量下降到150 左右，说明在目标颗粒随筛网旋转过程中有大量颗粒筛出。

图6 3 900 r/min转速工况下黏结键数量随时间变化曲线

图7 4 500 r/min转速工况下黏结键数量随时间变化曲线

1号筛网颗粒接触次数随时间分布显示其数值较小，峰值仅为96，且出现在玉米黏结颗粒完全粉碎之后。分析原因，是由于前期经过的筛网筛分出了大量的目标颗粒，致使旋转到1号筛网时所接触的颗粒数量较少。其次，根据仿真结果分析，颗粒受到锤头冲击后，瞬间获得冲击动能，伴随着高速飞出，沿筛网内侧旋转，作用在颗粒上的离心力大于重力影响，颗粒在筛网上发生多次碰撞，每次碰撞都会损失能量，能量损失后速度减小，受重力影响而下落，因此颗粒在1 号筛网位置处接触次数减少，从而导致2 号筛网的目标颗粒接触次数与1号筛网相比较多。