基于多源信息的饲料粉碎机良性气固流场形成机理及关键参数优化研究

The widely used hammer feed mill generally has the problems such as low productivity, high energy consumption. The gas-solid flow field of the crushing chamber will form a circulation layer which is an important factor affecting the performance of the mill. Similar to the other studies, our preliminary results indicated that it is possible to change the flow field characteristics of the crushing chamber and improve the crushing performance by reasonable change of the sieve shape. However, these conclusions are mostly macro, qualitative, and test speculative results. Limited studies were conducted on quantitative and mechanistic conclusions. And there is no conclusion on which shape and parameters of the sieve were more favorable to improve the mill performance. The present study aimed to study the flow distribution characteristics and material circular layer based on the multi-source information, including numerical simulation, feature testing of flow distribution, high-speed video, theoretical research and experimental analysis. The effect of sieve shape parameter on flow characteristics, and the influence of circulation layer and flow distribution on performance of mill will be investigated, and then the characteristics and formation mechanism of ideal gas-solid flow distribution for improving the performance of mill will be explored. Additionally, in order to form an ideal flow distribution, the sieve shape will be optimally topology designed, operating parameters will be optimally selected, and finally hammer mill performance will be improved. The project research provides a theoretical basis and implementation method for improving the crushing performance by changing the shape of the sieve.

广泛使用的锤片式饲料粉碎机普遍存在生产率较低、能耗较高等问题。粉碎机工作中，粉碎室气固流场会形成环流层，环流层是影响粉碎机性能的重要因素。项目前期研究表明，合理改变筛片形状可改变粉碎室流场特征，改善粉碎性能，国内外相关研究中也得出了类似结论。但这些成果大多为宏观、定性及试验推测结果，定量、机理性结论较少，关于何种筛片形状参数更有利于粉碎机性能改善尚无定论。本项目借助数值模拟、特征测试、高速摄影、理论研究及试验结果分析等多源信息相互结合、相互弥补的优势对流场特征及环流层进行研究。探明筛片形状参数变化对流场特征影响规律，以及环流层及流场变化对粉碎机性能影响规律，揭示改善粉碎机性能的良性气固流场特征和形成机理。在此基础上，以形成良性流场为目标，对筛片形状进行拓扑优化，并筛选粉碎机主要工作参数，进而改善粉碎机性能。该项目研究为环筛式玉米锤片粉碎机通过改变筛片形状改善粉碎性能提供理论依据与实现方法。

广泛使用的锤片式粉碎机普遍存在生产率较低、能耗较高等问题，流场特征是影响粉碎机性能的重要因素。本项目针对上述问题，采用理论研究、高速摄影、数值模拟、特征测试及试验结果分析等多种方法开展了饲料粉碎机良性气固流场形成机理及关键参数优化研究。具体研究成果如下：. （1）对物料粉碎过程进行了理论分析和高速摄影，搭建了粉碎机性能试验台，开展了粉碎性能试验，建立了物料粉碎力学模型和运动学方程，得出了玉米籽粒粉碎形式有打击粉碎、撞击粉碎和摩擦粉碎。其中，打击粉碎和撞击粉碎是主要粉碎形式，摩擦粉碎对玉米籽粒粉碎效果影响较小。. （2）设计了圆弧形筛、翼型筛和翼型-三角组合形筛3种新型筛片，构建了粉碎机流场特征测试系统，对安装不同结构参数筛片的粉碎机进行了流场模拟，结果表明，粉碎机安装翼型-三角组合形筛片时流场特征最优。流场压力特征测试表明，实测值与模拟值误差为11.8%，验证了模拟结果的准确性。. （3）针对安装有翼型-三角组合形筛片的粉碎机进行了气固流场模拟和粉碎性能试验，得出了筛片结构参数变化对气固流场特征影响规律，以及环流层及流场变化对粉碎机性能影响规律，揭示了粉碎机良性气固流场特征及形成机理。. （4）对翼型-三角组合形筛片关键结构参数进行了多目标优化，获得了较优结构参数组合（弯度0.15，攻角10°，等腰角度数113°），性能试验表明，翼型-三角组合形筛片的使用使粉碎机综合性能显著改善。. （5）设计了开刃锤片和斜口锤片，离散元仿真结果表明，开刃锤片破坏玉米籽粒模型中粘结键效率最高，斜口锤片能够降低物料撞击筛片的入射角，提高物料粉碎和筛分效率。对锤片架板进行了拓扑优化，优化后质量减少35%，降低了制造成本，且性能稳定可靠。. 本项目研究成果可为锤片式粉碎机结构优化、改善性能提供理论依据与实现方法。