提高叶轮转速可以明显改善破碎效果

 1高速切割破碎机的工作原理
    高速切割破碎机的核心部件是破碎室，其执行机构是定、转子，转子为高速旋转的叶轮，定子由一组紧密排列成环形的刀片组成，切割破碎原理示意图。物料被导向高速旋转的叶轮中央，受到叶片内端的撞击而分裂成小片，并产生旋转，物料在离心力作用下沿径向由内向外被甩至叶片顶端，以极高的速度通过静止的刀片边缘，被极大的机械剪切力切割。大颗粒持续高速旋转，被环形排列的刀片依次切割直至破碎；破碎后的微粒在离心力作用下通过紧密排列的切割刀片间隙排出。
  高速切割破碎机的主要特点如下：每个刀片对物料的切割量精确，破碎后的颗粒粒度均匀。#由于叶轮高速旋转，物料在破碎室内停留的时间很短，粉碎速度极快。离心力使物料紧贴切割刀片内壁而不会产生随机移动和翻转，达到受控切割破碎。
  %产品粒径大小与分布主要由叶轮转速以及由刀片排列结构形成的切割深度和刀片间隙决定。
    2流体湍流模型
    基于湿法破碎，物料一般属于液固多相混合体系。由于叶轮的高速旋转，破碎室内流体处于湍流状态，属于强旋转流，流动十分复杂。流场分布受设备结构、操作参数和物料特性的影响，为使设施结构参数预设时有一定依据，对模型进行简化，认为物料处于理想状态，以定常稳态单相流处理，初步展现粉碎室内部流场状况。流体流动的扼制方程主要是连续方程、动量方程和湍流模型方程。由于RNGk模型可以很好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，适合破碎室内旋转剪切流场的摹拟。
    3数字摹拟
    31模型结构与参数由于物料的切割破碎发生在叶片末端与刀片刀刃部分所形成的环形区域内，几何模型选择定、转子。转子主要考虑叶片形状，摹拟的3种叶片形状。在一定的刀片排列直径下，刀片的偏转角度和刀片个数影响刀片的切割深度和刀片间隙，摹拟的定子主要考虑刀片安装的偏转角度。
  模型分别为直叶片式叶轮，刀片偏转角分别为2度、5度、10度；40度叶片式以及渐开线叶片式叶轮，刀片偏转角度均为5度。其他相关参数为刀片排列直径80mm、刀片厚度2mm、刀片数115、叶轮末端与刀片间隙02mm. 32计算区域及边界条件在AutoCAD中，将上述5个模型分别生成面域几何图形文件，输出保存为ACIS（。sat格式），再导入CFD的前处理软件GAMBIT中分别生成计算区域的几何模型，然后进行网格划分。将几何模型分成叶轮叶片区和刀片区，网格划分采用适应性较强的非结构化网格。基于篇幅考虑，仅图示直叶片式叶轮、刀片偏转角度为2度的几何结构，如图3所示。摹拟过程中采用多重参考坐标系模型MRF，即在叶轮区域的流体采用旋转坐标系，而其他区域采用静止坐标系。进口边界条件设为速度进口，根据物料在重力作用下自由下落，速度设为25m/s；出口边界设为压力出口，表压为零；采用Fluent默认的无滑移固壁条件。针对单相、不可压流体介质，采用分离求解格式全隐式求解模型。采用SIMPLE算法实现速度和压力的耦合求解，各求解扼制方程的离散格式采用二阶迎风差分格式。
    4数字摹拟结果与剖析
    41不同定、转子结构下的流场
    411静压场分布可以看出，叶轮从内侧到外侧压力迅速增大，叶轮内侧背风区的负压有利于物料进入破碎腔。叶轮逆时针转动，在叶轮迎风区压力逐渐增大，正压区靠近刀片内侧和叶轮顶端，由此产生强大的作用力场将物料压紧在刀片内壁，有利于切割破碎的进行。破碎室内的压力随叶片形状、叶片数量、刀片偏转角产生明显的变化。由3种形状叶片的压力等值线图剖析，直叶片式在进料口附近产生的负压*大，也*广。由直叶片式叶轮在不同刀片偏转角度的压力等值线图剖析，刀片偏转角增大，负压区范围增大，正压区范围减小。
    412速度分布速度矢量图清晰地反映出叶轮进口处的吸入流场，以及刀片刀刃部位切割流场的存在。可以看出，物料被吸入破碎室后，在叶轮推动下速度迅速增加，并在离心力作用下向刀片区快速移动。由于刀刃对物料的切割作用，物料在刀片区的速度方向发生了很大的改变，刀片附近的速度*大。
  破碎室内的速度随叶片形状、刀片偏转角产生明显的变化。由3种形状叶片的速度矢量图剖析，直叶片式在刀片附近的高速区分布范围*大；40度叶片式的速度虽然高但是范围小；渐开线叶片式在刀片附近的速度分布*均匀，其次是直叶片式，*差的是40度叶片式。由直叶片式叶轮在不同刀片偏转角度的速度矢量图剖析，刀片附近高速区的范围随着刀片偏角的增大而减小，*大速度也随着偏角的增大而减小。
    413各流场的性能参数直叶片、刀片偏转角2度下的剪切率云图，可以看出*大剪切率发生在刀片内侧与叶轮顶端部的接触区，即刀片刀头附近，此处的剪切力*大，对物料的破碎切割*强烈。
  切割破碎主要依靠离心力作用下刀片对物料的机械剪切作用，*大压力和*大剪切应变率为主要性能参数，综合比较3种形状叶片流场的性能参数，直叶片式叶轮是较为理想的形状。
  对于一定的刀片排列直径，刀片的偏转角度影响刀片的切割深度和刀片间隙。定子刀片的偏转角度增大，一方面刀片的切割深度增大，则每个刀片对物料的切削量增大，破碎后物料的粒度也将增大；另一方面刀片间隙变小，出料变得困难。由于物料依靠离心力压紧，压力越大，物料则被压得越紧，切割效果越好。因此，对于不同破碎要求的物料可选用不同的刀片偏转角度。如3种刀片偏转角度下物料破碎粒度都满足要求时，采用刀片偏转2度，粉碎*为有效。
  综上所述，直叶片式叶轮、刀片偏转角度为2度的定、转子结构，产生的流场各项性能参数较佳。
    42不同转子转速时的流场直叶片式叶轮，刀片偏转角度为2度时，不同转速下流场速度矢量、压力等值线图。
  由速度矢量图看出，刀片附近高速区的范围随着转速增大而增大，且刀片内壁边缘的线速度明显增大。
  由压力等值线图看出，转速增大正压场与负压场的分布并无明显变化。不同转速下各项性能指标的变化趋势图中，随着转子转速的增加，各项指标平稳增加。可见，叶轮转速是高速切割破碎机的重要参数之一。转速越高，颗粒之间的碰撞、摩擦越强烈，产生的剪切应变率越大，同时物料受到的离心力越大，破碎效率越高。但转速又是以消耗功率为前提的，转速越高，对设施的要求也就越高，因此应以破碎效果为衡量指标，在不同的工艺要求下，选择合适的转速。
    5破碎实验
    根据数字摹拟结果，使用C170000型高速切割破碎机分别对不同特性的物料，即脆性物料（经油炸的花生），和不易破碎的富含纤维物料（鲜海带）进行实验，并用Mastersize2000型全自动激光粒度剖析仪进行粒度剖析。
    51设施结构参数
    破碎腔内叶轮为直叶片式结构，刀片排列直径80mm、刀片厚度2mm、刀片数115、刀片安装角度为2度，叶轮末端与刀片间隙02mm. 52实验结果在叶轮转速为6000r/min时，油炸花生经破碎后，粒度d（01）=7343度m，d（05）=45328度m，d（09）=253867度m，大约70%达到949度m（即160目）。一次破碎达到这样的粒度，说明高速切割破碎设施对脆性物料具有很好的破碎效果。
  在不同转速下对海带的破碎效果对比如表2所示，说明了高速切割破碎设施基于流体力学效应的切割方式对含有丰富纤维物料的破碎是有效的，并且叶轮转速对破碎效果有很大影响。
    6结论
    （1）确定了高速切割破碎机关键部件破碎室内的叶轮叶片形状，对不同形状叶片、刀片偏转角度的模型在转子转速为6000r/min时的流场进行数字摹拟，剖析了静压场、速度场的分布情况，揭示了粉碎室内的吸入流场、切割流场，表明这种基于切割原理的破碎设施既具有泵送功能，又有较强的切割粉碎作用。
    （2）通过对破碎室不同定、转子结构数字摹拟的性能参数比较，得出转子为直叶片式叶轮，刀片的偏转角度为2度时产生的切割破碎流场*有利于切割破碎。
    （3）通过对不同叶轮转速的流场剖析，认为转子转速对物料运动速度、压力、*大剪应变率的影响呈线性关系。
    （4）高速切割破碎机对物料具有良好的破碎效果，提高叶轮转速可以明显改善破碎效果。