我国已成为世界饲料生产大国[1]。粉碎是饲料加工的重要环节之一，粉碎效果影响饲料加工成本及质量。饲料粉碎机是饲料加工的主要设备之一。锤片式饲料粉碎机因其质量好、空载启动迅速、物料适应度高、维修便捷等优势，得到广泛使用。粉碎机的高质量发展有利于保持我国饲料行业的持续健康发展。筛分效率的提高有利于提升粉碎机的品质。关于提高粉碎机的筛分效率，课题组做了大量研究[2-3]。曹丽英等[4]通过EDEM-Fluent耦合方法[5-9]对影响锤片式粉碎机筛分效率的内负压进行研究，为粉碎机回料管优化提供参考。试验采用EDEM-Fluent耦合法，对影响锤片式粉碎机筛分效率的喂料速率、喂料量、回料管直径的3种因素分别进行气固耦合的仿真，探究3种因素对粉碎机筛分效率的影响。1模型建立与网格划分研究对粉碎机进行简化，只保留与内部流道相关联的外部壳体；将进料口与出料口处的其他部件进行密封；将粉碎机转轴和锤片作为整体，在轴中去除多余的过渡部分，用圆柱实体代替。锤片式饲料粉碎机的三维模型见图1。将模型导入ANSYS-SCDM中进行体积抽取，采用ICEM对简化的粉碎机流道模型进行网格划分，划分的网格使用适应性较好的非结构化网格。在划分过程中保证最小网格大于最大颗粒的体积，在耦合分析时需使用动参考系。将粉碎机划分为动区域与静区域两部分，将粉碎机内部的转子锤片部分作为动区域；其他部分作为静区域生成的网格见图2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F001图1锤片式粉碎机三维模型10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F002图2锤片式粉碎机网格模型2边界条件和求解设置将粉碎机网格模型导入Fluent后，相关设置如下：检查粉碎机模型网格的质量；设置流体为空气，工作环境标准大气压101 325 kPa；选取标准k-ε模型进行计算；将转动区域设置成动参考系，转速为2 500 r/min；边界条件设置为7部分，边界类型见表1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T001表1边界类型边界名称进料口出料口转子组内接触面外接触面筛网外壁面边界类型PressureinletPressureoutletWallInterfaceInterfaceWallWall粉碎机内部流场的雷诺数相对较高，是一个复杂的三维流场。文章选择SIMPLE算法，压力离散插值方式选取标准方式。采用基于一阶迎风格式的有限体积法进行动量、湍动能以及湍流耗散率进行数值模拟。对于仿真中松弛因子的设置见表2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T002表2松弛因子的设置压力/MPa密度/(kg/m3)机体系数动量/(kg·m/s)湍流动能/(m2/s2)湍流耗散率/(m2/s3)湍流黏度/[kg/(m·s)]0.3110.70.80.81将粉碎机模型导入EDEM后，相关设置如下：为保证计算稳定与精确，CFD中的时间步长应为DEM中的1~100倍，DEM中时间步长应为Rayleigh时间步的20%~40%，文章DEM中的时间步选取Rayleigh时间步的20%，CFD中的时间步长为DEM的100倍。在DEM中根据几何模型划分正方形颗粒检索网格，网格尺寸是计算域中颗粒最小半径的2~3倍，设置网格尺寸为颗粒半径的3倍，整个工作过程中颗粒体积分数在30%以下。空气从粉碎机入口处进入，颗粒及壁面的材料参数见表3，颗粒和颗粒及颗粒和壁面的接触系数间表4。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T003表3颗粒及壁面参数参数数值泊松比（颗粒）0.3剪切模量（颗粒）/MPa1.37密度（颗粒）/(kg/m3)2 678泊松比（壁面）0.29剪切模量（壁面）/MPa700密度（壁面）/(kg/m3)7 89010.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T004表4颗粒与颗粒及颗粒与壁面的接触参数参数颗粒与颗粒颗粒与壁面恢复系数0.10.2静摩擦系数0.5450.500滚动摩擦系数0.010.053EDEM和Fluent耦合计算粉碎机筛分准确性的验证研究通过比较试验与数值模拟的结果来进行准确性的验证：包括试验与模拟中物料颗粒在粉碎机内部运动状态的对比、试验与模拟中物料筛分效率的对比、试验与模拟中颗粒粒径的对比。3.1粉碎试验现有粉碎机转子组额定转速达2 500 r/min，粉碎效率高，工作时间较短。以玉米颗粒为试验原料，粉碎机接通电源，当转子组运行稳定时，以1 kg/s的速度匀速进料，对喂料量为3、4、5 kg的物料进行3组试验，每组试验3次。每次试验喂料结束后，粉碎机继续工作一定时间，当分离装置出口无明显颗粒掉落时关闭电源，收集出料颗粒并记录粉碎机工作时间。粉碎试验结果见表5。粉碎试验过程中，高速摄影机记录下的玉米颗粒在粉碎机内运动情况见图3。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T005表5粉碎试验结果喂料量/kg3次试验出料量/kg3次试验工作时间/s32.83、2.78、2.808.2、8.5、9.043.65、3.70、3.7612.4、13.2、13.554.79、4.70、4.6522.3、23.5、21.710.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F003图3玉米颗粒在分离装置内分布情况由表5可知，当喂料速率为1 kg/s时，喂料量为3、4、5 kg时，3次试验平均出料量分别为2.80、3.70、4.71 kg，平均工作时间分别为8.57、13.03、22.50 s。只要粉碎机在喂料结束后继续工作一定的时间，粉碎机筛分效率可达90%以上。长时间工作虽然会提高筛分效率，但是粉碎机工作的电量损耗增大。文章后续会对粉碎机工作的喂料速率，喂料量和回料管直径这3个因素进行探讨。3.2仿真试验将上述试验结果作为模拟边界条件进行DEM-CFD耦合模拟，粉碎机内颗粒以1 kg/s的速率喂料，进入3、4、5 kg物料筛分8.57、13.03、22.50 s的情况，模拟结果见表6。DEM-CFD耦合模拟筛分玉米颗粒在粉碎机内运动情况见图4。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T006表6仿真结果喂料量/kg模拟时间/s模拟出料量/kg38.572.83413.033.74522.504.7910.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F004图4DEM-CFD耦合模拟筛分玉米颗粒在粉碎机内运动情况由表5、表6可知，试验和模拟工况相吻合时，粉碎机在喂料投放结束后的一定的时间内筛分效率均达到90%以上，绝大多数的物料颗粒可以被收集。由图3、图4可知，粉碎过程中物料颗粒运动状态基本一致。3.3试验与模拟颗粒的粒径对比试验结束后收集被粉碎的玉米颗粒，并统计其粒径分布，统计结果见图5。数值模拟中的颗粒粒径满足均值为3 mm，方差为0.22的正态分布，结果见图6。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F005图5试验统计100个颗粒粒径分布10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F006图6模拟过程中被筛分的颗粒粒径分布由图5、图6可知，试验与模拟数据均有80%以上的玉米颗粒的粒径分布在2~4 mm之间，且3.0 mm左右的颗粒分布最多，占总数的20%左右，10%左右的颗粒粒径分布在1~2 mm之间，10%左右的颗粒粒径分布在4~5 mm之间。说明在试验和模拟中颗粒粒径分布情况较吻合。从粉碎试验的筛分效率和数值模拟的筛分效率对比可看出，试验与数值模拟吻合较好，所以使用EDEM-Fluent耦合获得气固两相流运动特性及研究粉碎机在不同喂料速率、不同喂料量和不同回料管直径3种因素的情况下的筛分效率是可取的。4数值模拟与分析4.1不同喂料速率对筛分效率的影响研究试验条件：粉碎机喂料速率分别设置为0.50、0.75、1.00、1.25和1.50 kg/s，喂入量分别为0.50、0.75、1.00、1.25和1.50 kg，筛分2 s之后统计粉碎机出料量，获得计算不同工作情况下的筛分效率。出料量统计情况见表7。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T007表7出料量统计情况喂料速率/(kg/s)喂料量/kg出料量/kg筛分效率/%0.500.500.3774.00.750.750.6080.01.001.000.7979.01.251.250.9777.61.501.501.1677.3由表7可知，当物料的进料速率分别为0.50、0.75、1.00、1.25和1.50 kg/s，粉碎机内投入0.37、0.60、1.00、1.25和1.50 kg物料颗粒筛分2 s后，筛分效率分别为74.0%、80.0%、79.0%、77.6%和77.3%。当进料速率为0.75 kg/s，进入0.75 kg物料时，筛分效率达最大为80.0%。不同情况下粉碎机的出料量随时间的变化关系见图7。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F007图7在不同喂料速率的情况下出料量随时间变化关系由图7可知，粉碎机在工作0~0.25 s之间，出料量为0，此时物料颗粒正在被输送到分离装置中进行筛分，未有颗粒到达筛网；在0~1.25 s之间，出料量骤然上升出料量基本达到最大值，这个过程中绝大多数的物料颗粒到达筛网位置，筛分处于稳定阶段；在1.25~2.00 s之间，少部分由回料管进入粉碎室物料颗粒被重新输送到分离装置中，出料量变化不明显。物料颗粒以不同喂料速率进入粉碎机，筛分1 s时，物料颗粒分布见图8。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F008图8在不同喂料速率下物料颗粒在1 s时的分布由图8可知，物料颗粒分别以0.50、0.75、1.00、1.25和1.50 kg的进料速率进入粉碎机筛分时间为1 s时，颗粒在分离装置的浓度分布情况为（e）（d）（c）（b）（a），进料速率越快，分离装置中颗粒越多。对比回料管内颗粒分布可知，回料管内的颗粒分布大体一致。这是由于喂料在没结束之前大量颗粒到达筛网处，颗粒和颗粒之间的碰撞力大于回料管上方的吸引力所导致。当喂料结束之后，分离装置内颗粒浓度减少，颗粒之间的碰撞减少，颗粒会在自身重力和回料管上方吸引力的双重作用下进入回料管内。粉碎机进入颗粒的喂料速率不同，分离装置颗粒浓度分布有很大差别。因此，物料颗粒的喂料速率是影响粉碎机筛分效率的重要因素之一。4.2不同喂料量对筛分效率的影响研究试验条件：粉碎机进料速率设置为1 kg/s，分别进入3、4、5、6和7 kg物料颗粒时，筛分时间分别为4、5、6、7和8 s。筛分结束后，统计出料量，获得不同工作情况下粉碎机的筛分效率，出料量统计情况见表8。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T008表8出料量统计情况喂料量/kg筛分时间/s出料量/kg筛分效率/%342.2876.00453.1979.75563.8376.60674.3873.00784.9370.42由表8可知，喂料速率为1 kg/s，当喂料量为3、4、5、6和7 kg，筛分时间分布为4、5、6、7和8 s时，出料量分别为2.28、3.19、3.83、4.38和4.93 kg，筛分效率分别为76.00%、79.75%、76.60%、73.00%和70.42%。当喂料量为4 kg，喂料速率为1 kg/s，筛分时间为5 s时，粉碎机筛分效率达到最大为79.75%。4.3不同回料管直径对筛分效率的影响研究试验条件为：回料管直径分别设置为40、45、50、55和60 mm，以1 kg/s的速率投入1 kg物料颗粒，筛分时间为2 s，当筛分结束后，统计出料量，获得不同回料管直径下的筛分效率。为了直观观察回料管直径对物料颗粒运动的影响，当筛分时间为1.5 s时，观察不同工作情况下粉碎机内颗粒分布状态，在不同回料管直径下筛分1.5 s时颗粒的分布见图9。出料量统计情况见表9。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.F009图9在不同回料管直径下筛分1.5 s时颗粒的分布10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.04.023.T009表9出料量统计情况回料管直/mm出料量/kg筛分效率/%400.7575450.7878500.8181550.7777600.7575由图9可知，物料颗粒在粉碎室中靠近分离装置一侧浓度大于远离分离装置一侧的浓度，物料颗粒在整个分离装置中密集程度较低。物料颗粒在分离装置前半段呈外密内疏分布状态，在分离装置后半段靠近回料管进口处的颗粒浓度大于远离回料管进口处，回料管进口处的负压对颗粒有显著吸引力。对比图（a）（b）（c）（d）（e）粉碎机内颗粒分布可知，图（e）回料管进口处堆积物料颗粒最多，图（a）（b）回料管内颗粒较少，图（b）（c）筛网处颗粒较少，图（c）分离装置中颗粒最少。由表9可知，当喂料量为1 kg，喂料速率为1 kg/s，筛分时间为2 s时，回料管直径分别为40、45、50、55和60 mm，出料量分别为0.75、0.78、0.81、0.77和0.75 kg，筛分效率分别为75%、78%、81%、77%和75%。当回料管直径为50 mm时，出料最多为0.81 kg，筛分效率最高为81%。4结论物料颗粒粉碎试验与EDEM-CFD耦合的模拟仿真中，粉碎机机内颗粒运动与试验拍照运动状况基本吻合、在给料结束后的一定时间内筛分效率均达到90%以上、颗粒粒径分布基本吻合。这表明EDEM和Fluent耦合计算粉碎机筛分效率具有准确性。基于DEM-CFD耦合的数值模拟在不同喂料速率对筛分效率的影响研究中，当进料速率为0.75 kg/s，进入0.75 kg物料时，筛分效率达最大为80%；不同喂料量对筛分效率的影响研究中，当喂料量为4 kg，喂料速率为1 kg/s，筛分时间为5 s时，粉碎机筛分效率达到最大为79.75%；不同回料管直径对筛分效率的影响研究中，当回料管直径为50 mm时，出料最多为0.81 kg，筛分效率达最大为81%。在粉碎过程中，物料颗粒在分离装置内大体呈现外密内疏的分布状态。喂料速率、喂料量以及回料管直径3种因素直接影响着新型锤片式饲料粉碎机的筛分效率。