磨介球对小麦麸皮振动冲击破碎性能的影响_程敏.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 24 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．24 2019 基金项目小麦和玉米深加工国家工程实验室开放课题 NL2017010 ; 国家自然科学基金 － 河南联合基金重点支持项目 U1604254 收稿日期2018 －07 －30修改稿收到日期 2019 －01 －14 第一作者 程敏 男， 博士生， 讲师， 1984 年生 通信作者 刘保国 男， 博士， 教授， 1962 年生 磨介球对小麦麸皮振动冲击破碎性能的影响 程敏1， 2，刘保国2，刘彦旭2 1． 河南工业大学 小麦和玉米深加工国家工程实验室， 郑州450001; 2． 河南工业大学 机电工程学院， 郑州450001 摘要充分考虑振动磨机磨介球在磨筒内的运动形态， 根据相似原理提出了 “磨介 － 小麦麸皮 － 磨介” 双边冲 击计算模型， 克服了单边冲击计算模型无法模拟冲击剪切的不足， 同时给出了该模型的材料参数以及利用该模型进行有 限元数值模拟计算的求解设置。在此基础上， 针对影响小麦麸皮破碎性能的运动特性、 质量特性以及破碎形式等因素， 利 用 LS- DYNA 进行了有限元数值模拟计算。计算结果表明 磨介球对小麦麸皮破碎性能的影响是显著的。在运动特性方 面， 磨介球冲击速度越大， 麸皮破碎性能越好; 磨介球冲击角越大， 麸皮破碎性能越差。在质量特性方面， 磨介球密度越 大， 麸皮破碎性能越好; 磨介球直径越大， 接触力越大， 麸皮接触区域也越大， 但接触次数会降低。在破碎形式方面， 冲击 剪切与冲击挤压产生的接触力、 接触时间、 接触面积的差异较小， 但冲击挤压引起的麸皮中心单元有效塑形应变大于冲击 剪切; 对于大尺寸麸皮应以冲击挤压为主要破碎形式， 对于小尺寸麸皮应以冲击剪切为主要破碎形式。以上研究初步探 明了磨介球对麸皮破碎性能的影响规律， 为全面探索振动磨机物料破碎性能的影响规律提供了一条新途径。 关键词振动磨机; 小麦麸皮; 磨介球; 破碎性能; LS- DYNA 中图分类号TS210． 3; TB125文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 24． 035 The influence of grinding ball on the vibration- impact crushing properties of wheat bran CHENG Min1， 2，LIU Baoguo2，LIU Yanxu2 1． National Engineering Laboratory of Wheat ＆ Corn Further Processing，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China; 2． School of Mechanical and Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China Abstract On the basis of fully considering the movement modes of the grinding ball in a vibration mill grinding tube，a bilateral impact calculation model named “grinding medium- wheat bran- grinding medium“ was proposed based on the similarity principle． This model overcomes the shortage of the single side impact calculation model which can not simulate impact shear． At the same time， the material parameters of the model and the solution setting of the finite element simulation calculation were given． On this basis，the finite element numerical simulation was carried out on the movement characteristics，quality characteristics and crushing s of wheat bran breaking properties by using the LS- DYNA． The results show that the effect of milling medium on the crushing properties of wheat bran is significant． In terms of the motion characteristics，the higher the impact speed of the grinding ball，the better the crushing perance of wheat bran． However，the greater the impact angles of the grinding ball， the worse the crushing perance of wheat bran． In terms of quality characteristics， the greater the density parameters of the grinding ball， the better the crushing perance of wheat bran;the greater the diameter of the ball， the greater the contact force; the greater the contact area of the wheat bran， but the contact number will be reduced． In the aspect of crushing ，the difference between impact shear and impact extrusion in contact force，contact time and contact area is small， but the effective plastic strain of bran center unit caused by impact extrusion is greater than that of impact shear． For large size bran，impact extrusion should be applied as the main of crushing;and for small size bran，impact shear should be used． The above research preliminarily found out the effect of grinding ball on the crushing perance of wheat bran，and provided a new way to explore the influence law of material crushing perance of vibration mill comprehensively． Key wordsvibration mills;wheat bran;grinding ball;crushing property;LS- DYNA 小麦麸皮富含蛋白质、 膳食纤维、 维生素、 淀粉酶 系、 矿物质等营养成分， 在医疗保健、 食品加工、 生物化 工等方面具有良好的应用前景［1 ］。利用超微粉碎技术 对小麦麸皮进行细胞级粉碎已成为其深度开发利用的 重要途径 ［2 ］。但由于小麦麸皮各结构层纤维含量较 ChaoXing 高， 物理特性表现出韧性大、 脆性小的特点， 常规粮食 粉碎设备很难对其进行超微粉碎加工。鉴于振动磨机 在效率上比普通磨机高 10 ～20 倍， 在速度上比常规球 磨机快很多， 在能耗上比普通球磨机低数倍， 在粒度上 能够保证 10 ～ 25 μm 以下， 同时由于磨机的冲击、 剪 切、 摩擦等粉碎机理比较适合高纤维物料的加工等优 点 ［3 －4 ］， 可以认为振动磨机是小麦麸皮超微粉碎较为 理想的设备。黄晟等 ［5 ］、 Luo 等［6 ］利用振动磨机对小 麦麸皮进行了超微粉碎， 分别研究了超微粉碎对麸皮 理化特性以及制品的影响。 利用振动磨机对物料进行粉碎作业主要涉及振动 磨机的振动特性、 能耗规律以及物料的破碎性能等三 个基本科学问题。其中， 破碎性能直接制约振动磨机 的工作效率和产品质量， 是人们最为关注的问题 ［7 ］。 从 20 世纪 40 年代开始， 国内外学者围绕影响振动磨 机破碎性能的因素进行了大量的理论与实验研究 ［8 ］。 研究结果表明在振动特性优化的前提下， 磨筒内磨介 的运动特性是影响振动磨机破碎性能的关键因素。20 世纪 80 年代中后期以来， 德国学者 Kurrer 等 ［9 ］、 国内 学者王树林 ［10 ］、 苏乾益等［11 ］、 尹忠俊等［12 ］、 唐果宁 等 ［13 ］分别采用高速摄像技术观测了不同型号的振动磨 机磨介的运动情况， 研究发现磨介在磨筒内产生抛射 运动、 整体回转和本身自转等三种运动形式。这三种 运动形式使得磨介之间产生冲击、 剪切、 挤压、 摩擦等 多种破碎形式。然而， 利用高速摄像技术无法捕捉磨 介之间因相互碰撞而产生的接触力以接触变形情况， 不能直接评价磨介对物料破碎性能的影响， 一般采用 宏观粉碎实验从间接方面进行研究和评价。 随着计算机技术的快速发展， 利用有限元数值模拟 方法探索物料的破碎规律成为一种可能。由于物料的破 碎过程具有典型的大变形、 瞬态性、 突变性等非线性特 征， 利用非线性有限元数值模拟软件具有显著优势。其 中， LS- DYNA 是目前公认的最优秀的一款以显式为主、 隐式为辅的非线性有限元数值模拟软件， 已在众多领域 的物料破碎性能数值模拟方面得到应用， 如谷物 ［ 14 ］ 、 煤 炭 ［ 15 ］、 建材［ 16 ］等领域。目前， 利用LS- DYNA模拟物料的 冲击破碎性能， 一般采用二维或三维的两构件单边冲击 计算模型， 将其中一个构件考虑成靶体， 另外一个考虑成 弹体。但这种计算模型不能模拟磨介对物料的剪切、 挤 压、 摩擦等双边共同作用的破碎形式， 进而不能完整描述 振动磨机的物料破碎机理。 本文主要探索振动磨机球形磨介对小麦麸皮冲击 破碎性能的影响规律。根据磨介球在振动磨筒内的运 动形态提出了一种类型三明治的“磨介 － 小麦麸皮 － 磨介” 的双边冲击计算模型， 克服了常见的单边冲击模 型无法模拟冲击剪切的不足。选取磨介球与麸皮间的 接触力 也即冲击力 以及麸皮接触变形为观测指标， 利用 LS- DYNA 模拟分析磨介球的运动特性 冲击速 度、 冲击角等参数 、 质量特性 密度、 直径等参数 以及 破碎形式 偏心距 对麸皮破碎性能的影响。研究结果 表明磨介球对麸皮破碎性能的影响是显著的， 在进行 超微粉碎时应科学选择磨介球的运动特性参数和质量 特性参数， 合理调节小麦麸皮和磨介球的填充量谋划 适合麸皮的破碎形式。 1计算模型及参数设置 1． 1计算模型 在建立小麦麸皮的仿真计算模型时特做如下假 设 ①将单颗磨介球考虑成刚体， 将磨介球质量集中在 球心; ②将磨介球与麸皮看成是充分均匀混合的， 也即 磨介球之间均匀填充麸皮; ③将单颗磨介球的抛射运 动和自转看成径向运动， 将单颗磨介球绕公转轨道的 公转和自转看成周向运动， 忽略磨介球间抛射运动和 公转的相互耦合作用， 认为二者之间是相互独立的。 通过上述假设， 选取两颗磨介球、 一片麸皮， 根据相似 原理可得类似三明治的 “磨介 － 小麦麸皮 － 磨介” 的三 构件双边冲击计算模型， 如图 1 所示。其中， v1， α， ω1 分别为磨介球 1 的冲击速度、 冲击角和自转角速度; v2， β， ω2分别为磨介球 2 的冲击速度、 冲击角和自转角速 度; e 为磨介球 1、 2 的偏心距; s1， s2为麸皮到磨介球 1、 2 的距离; R1， R2为磨介球 1、 2 的半径， 同一级配时 R1 R2。以磨介球 1 的几何中心 O1为原点建立直角 坐标系 XO1Y。限于 LS- DYNA 的局限性， 数值模拟时 可根据运动相对性原理将磨介球 2 进行固定， 只给定 磨介球 1 的运动参数。显然， 利用该模型仍可以模拟 冲击、 挤压、 剪切、 摩擦等破碎形式。 图 1小麦麸皮冲击破碎的仿真计算模型 Fig． 1 Simulation model of impact crushing for wheat bran 本文主要讨论磨介球运动特性、 质量特性、 破碎形 式对麸皮冲击破碎性能的影响， 暂不讨论摩擦效应对 麸皮破碎性能的影响， 故令 ω1 0。建立有限元模型 时， 考虑到麸皮冲击实验常见的破而不碎现象 有些纤 维未完全断裂 ， 选择板壳单元 shell163， 长度选择 3 mm、 宽度选择 2 mm、 厚度选择 80 μm 游标卡尺测量 结果 ; 麸皮的应力 － 应变过程分为弹性形变和塑性形 变两个阶段， 材料模型选择双线性 Bkin 模型。磨介球 052振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 采用实体单元 solid164， 半径选择 2 mm 分析直径影响 特性除外 ; 由于磨介球的杨氏模量远远大于麸皮的杨 氏模量， 材料模型选择 Rigid 刚体模型。s1， s2均取 0． 5 mm; 磨介球之间无偏心 分析破碎形式的影响除 外 。麸皮采用四边形映射网格、 磨介球采用六面体映 射网格进行离散， 有限元模型如图 2 所示。麸皮单元 数为 3 600， 磨介球的单元数为 16 384。 图 2小麦麸皮冲击破碎的有限元模型 Fig． 2 Finite element model of impact crushing for wheat bran 1． 2材料参数 小麦麸皮力学特性与水分含量、 温度的关系密切。 陈 中 伟 ［17 ］、Antoine 等［18 ］、Hemery 等［19 ］、Greffeuille 等 ［20 ］国内外学者分别利用动态热机械分析仪 DMA 测出了小麦麸皮在水分含量 13、 温度 25 ℃ 时的 应力 － 应变特性曲线。本文选择 Hemery 的实验结果 作为计算数据， 其弹性应变、 弹性应力、 杨氏模量、 极限 应变、 极限应力等数据如表 1 第 2 行所示。Bkin 模型 需要输入的参数包括 弹性模量、 密度、 泊松比、 屈服应 力、 切线模量。其中， 屈服应力 σs约等于弹性应力 σela， 即 σs≈1． 26 107N/m2， 泊松比取 0． 3， 切线模量 Ep σmax － σ ela / εmax － ε ela 1． 96 10 8 N/m2。小 麦麸皮的真密度采用基于气体法的实验测量方法及装 置进行确定， 将另撰文报道。经过多次测量并取均值， 麸皮密度 ρ≈1 270 kg/m3。磨介球刚体模型需要输入 的参数包括 密度、 杨氏模量、 泊松比。为了讨论磨介 球质量特性对麸皮破碎性能的影响， 选取氧化锆球、 中 性玻璃球、 耐磨钢球作为磨介， 材料参数如表 1 第 3 ～5 列所示。根据表 1 所示磨介球和麸皮的杨氏模量可 知， 将磨介球考虑成刚体模型是合理的。 表 1小麦麸皮与磨介球的材料特性参数 Tab． 1 Material characteristic parameters of wheat bran and grinding ball 名称 密度 ρ/ kgm －3 弹性应变 εela/ 弹性应力 σela/Pa 杨氏模量 E/Pa 极限应变 εmax/ 极限应力 σmax/Pa 切线模量 Ep/Pa 泊松比 μ 小麦麸皮1 2702． 61． 26 1075． 43 1087． 72． 26 1071． 96 1080． 30 氧化锆球5 8002． 20 10110． 23 中性玻璃球2 5005． 50 10100． 25 耐磨钢球7 8502． 06 10110． 28 1． 3求解设置 求解时， 限制磨介球 2 的移动、 转动等全部自由 度。磨介球 1 的冲击速度及冲击角可以通过定义 X， Y 方向速度分量的方法进行设置。麸皮与磨介球的接触 类型采用自动面 － 面接触。动、 静摩擦因数分别取 0． 3 与氧化锆球、 玻璃球接触 、 0． 4 与耐磨钢球接 触 ［21 ］。小麦麸皮边界条件设置为中心结点沿 X 方向 运动， 四周无固定， 与实际情况相似。由于小麦麸皮在 冲击破碎过程中将会产生大变形、 甚至出现网格畸变， 采用沙漏控制 0． 1 和自适应网格控制。为保证计算 精度和收敛速度， 小麦麸皮积分点选择 5 个。 2计算结果与讨论 2． 1磨介球运动特性对破碎性能的影响 2． 1． 1 冲击速度大小的影响 根据文献［ 22］ ， 选取直径为 4 mm 的氧化锆磨介 球， 暂不考虑偏心距和冲击角的影响 令 e 0 mm， α 0 ， 分别考察冲击速度为 0． 5 m/s， 1． 5 m/s， 3 m/s， 5 m/s 时对小麦麸皮破碎性能的影响。选取麸 皮与磨介球之间的接触力和接触变形作为考察指标。 如果选择麸皮中心单元的 Von Mises 应力和有效塑性 应变作为考察指标， 发现当冲击速度增大到一定程度 时 如 5 m/s ， 这两个指标值却发生下降， 主要原因可 能是麸皮接触区域已经发生破碎， 不便于比较分析。 图 3 给出了麸皮在冲击过程中冲击速度对接触力以及 接触时间的影响， 图 4 给出了冲击速度对麸皮接触区 域及变形的影响。 图 3冲击速度对接触力和接触时间的影响 Fig． 3 Influence of impact velocity on contact force and contact time 根据图 3 可知， 随着磨介球冲击速度的增大， 麸皮 152第 24 期程敏等磨介球对小麦麸皮振动冲击破碎性能的影响 ChaoXing 与磨介球之间的最大接触力随之增大， 从开始接触到 最终脱离接触所经历的接触时间却随之下降， 与实际 情况相符， 且与李艳焕等研究中所述的接触时间变化 规律一致。说明本文建立的计算模型是可靠的。根据 Hertz 接触理论可知， 磨介球与麸皮之间的接触区域呈 圆形， 且接触区域的半径近似为［23 ］ a 3PR 4E * 1 3 1 式中 P 为接触力; R 为磨介球半径; E*为等效弹性模 量， 1/E* 1 － μ2 1 /E1 1 － μ 2 2 /E2， 其中 E1为麸皮 弹性模量， E2为磨介球弹性模量， μ1为麸皮泊松比， μ2 为磨介球泊松比。由式 1 可知， 随着接触力的增大， 接触区域也随之增大; 增大磨介球的尺寸， 接触区域也 随之增大。经计算， 麸皮与氧化锆球的等效弹性模量 E*5． 951 8 108Pa; 麸皮与玻璃球的等效弹性模量 E*5． 907 0 108Pa; 麸皮与耐磨钢球的等效弹性模 量 E*5． 951 1 108Pa。如果令 E* ≈E1 ， 在接触力和 磨介球半径一定的情况下， 根据式 1 可知氧化锆球、 玻璃球、 耐磨钢球的弹性模量对接触区域半径的影响 分别为 3． 02， 2． 77， 3． 02， 均小于 5， 说明磨介 球弹性模量对接触区域大小的影响可忽略不计， 把磨 介球考虑为刚体是合适的。 注 括号内 t 是指磨介球与麸皮发生冲击后开始脱离接触的 时刻， 下同 图 4冲击速度对麸皮接触变形的影响 Fig． 4 Influence of impact velocity on contact deation of wheat bran 根据图 4 可知， 随着冲击速度的增大， 麸皮接触区 域亦随之增大， 与 Hertz 接触理论相符。在磨介球的冲 击作用下， 麸皮首先发生弹性变形， 然后发生弹塑性变 形， 当变形超过应变极限时出现破碎， 最后麸皮与磨介 球脱离接触时发生弹性恢复。当速度为 0． 5 m/s 时接 触区域中心部位网格出现滑移收缩现象; 当速度为 1． 5 m/s时接触区域中心部位网格出现扭曲重叠现象， 但未出现破碎; 当速度为3 m/s 时接触区域中心部位开 始出现大变形， 网格发生畸变， 麸皮发生破碎; 当速度 为5 m/s 时接触区域进一步增大， 压碎由中心向四周扩 散， 破碎面积增大。由此可知在 1． 5 ～3 m/s 存在一个 临界破碎速度， 经计算该临界速度约为 2． 5 m/s， 此时 临界接触力约为 10 N 左右， 大约在图 1 所示两条曲线 的交点处。为了提高麸皮的破碎性能， 应在振动磨机 外部动力条件许可的情况下提高磨介球的冲击速度， 增大接触力， 这与杨小兰等研究中所得结论一致。 2． 1． 2 冲击角的影响 仍选择直径为 4 mm 的耐磨钢球， 不考虑偏心距的 影响 令 e 0 mm ， 冲击速度为 3 m/s， 分析冲击角 α 分别为 0， 15， 30， 45时对麸皮破碎性能的影响。图 5、 图 6 分别给出了冲击角对麸皮接触力、 接触时间和 接触变形的影响情况。 图 5冲击角对麸皮接触力的影响 Fig． 5 Influence of impact angle on contact force of wheat bran 图 6冲击角对麸皮接触变形的影响 Fig． 6 Influence of impact angle on contact deation of wheat bran 根据图 5 可知， 随着冲击角的增大， 磨介球与麸皮 之间的接触力逐渐减小， 接触开始的时间向后推移， 整 体接触时间逐渐增长， 说明冲击角的存在对麸皮破碎 252振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 性能的影响是不利的。当 α 45时， 接触力小于10 N， 麸皮未出现破碎， 如图 6 d 所示。主要原因在于冲击 速度在 X 方向的分量减小， 正向冲击动量减小， 影响麸 皮与磨介球之间的接触力。至于接触时间的变化， 主 要与麸皮 Y 方向速度分量有关系。冲击角越大， Y 方向 速度分量越大， 接触开始的时间越晚， 达到最大接触力 的时间越长， 接触结束的时间也越晚， 导致有效接触时 间增长， 这与实际情况也相符。 根据图 6 可知， 随着冲击角的增大， 麸皮接触区域 逐渐变小， 直至消失。由于接触力随着冲击角的增大 而减小， 麸皮破碎情况由严重变形 压碎 到一般变形 滑移收缩 。冲击角越大， 出现滑移收缩现象的麸皮 网格越多， 如图 6 d 所示; 冲击角越小， 基本未出现滑 移收缩变形就已发生压碎， 如图6 a 所示。总之， 冲击 角的存在不利于麸皮的破碎， 一般可通过增大磨介球 与麸皮的填充量来减小冲击角。 2． 2磨介球质量特性对破碎性能的影响 2． 2． 1 磨介球密度的影响 分别选择直径为 4 mm 的中性玻璃球、 氧化锆球、 耐磨钢球， 讨论磨介球密度对麸皮破碎性能的影响， 具 体密度参数见表 1， 冲击速度设置为 3 m/s。图 7 给出 了三种不同密度的磨介球与麸皮之间的接触力。图 8 给出了磨介球密度对麸皮接触变形的影响。 图 7磨介球密度对麸皮接触力的影响 Fig． 7 Influence of grinding ball density on the contact force of wheat bran 图 8磨介球密度对麸皮接触变形的影响 t 0． 5 ms Fig． 8 Influence of grinding ball density on the contact deation of wheat bran t 0． 5 ms 图 7 表明随着磨介球密度的增大， 麸皮与磨介球 之间的接触力逐渐增大， 接触时间基本相同。根据图 7 可得玻璃球、 氧化锆球、 耐磨钢球的冲量之比约为 0． 43∶0． 81∶1， 动量变化之比约为 0． 33∶0． 73∶1 假设塑 性碰撞 ， 近似满足动量定理。由于玻璃球密度较小， 接触力小于 10 N， 麸皮未发生破碎， 如图 8 所示， 而由 于氧化锆和耐磨钢球的接触力均大于 10 N， 麸皮均发 生了破碎。图 8 表明在相同运动条件下高密度磨介球 接触变形区域更大， 更有利于麸皮的破碎， 主要原因在 于磨介球的密度越大， 质量越大， 动能越大， 致使麸皮 与磨介球之间的破碎能也越大， 因此耐磨钢球的破碎 效果优于氧化锆球和玻璃球。以上分析表明， 在麸皮 粉碎过程中应向粉碎腔内添加高密度的磨介球。 2． 2． 2 磨介球直径的影响 根据杨小兰等的研究， 选择直径为 4 mm， 6 mm， 8 mm， 10 mm 的耐磨钢球， 冲击速度设置为3 m/s， 探讨 磨介球直径对麸皮破碎性能的影响。图 9、 图 10 分别 给出磨介球的直径对接触力和麸皮接触变形的影响。 图 9磨介球直径对接触力的影响 Fig． 9 Influence of grinding ball diameter on contact force 图 10磨介球直径对麸皮接触变形的影响 Fig． 10 Influence of grinding ball diameter on contact deation of wheat bran 根据图 9 可知， 磨介球的直径越大， 麸皮与磨介球 之间的接触力越大， 但接触时间也越长， 而不是随着接 352第 24 期程敏等磨介球对小麦麸皮振动冲击破碎性能的影响 ChaoXing 触力的增大而变短， 不利于麸皮的冲击性破碎， 主要原 因在于过大的冲击力导致麸皮与磨介球之间产生粘着 现象， 同时随着磨介球直径的增大， 磨介球与麸皮之间 的接触面积增大， 二者界面间的毛细力也逐渐增大， 增 长了麸皮的弹性恢复时间。以上原因导致图 9 所示的 接触力波峰出现削平现象， 导致接触时间增长， 从而降 低磨介球与麸皮之间的碰撞频率。根据图 9 可知， 四 种直径磨介球的冲量之比约为 0． 077∶0． 239∶0． 462∶1， 动量之比约为 0． 064∶0． 216∶0． 512∶1， 也近似满足动量 定理。图 10 表明随着磨介球直径的增大， 接触变形区 域随之增大。经计算可知， 四种直径磨介球接触变形 区域占比分别为 5． 97， 23． 85， 42． 42， 66． 27。 根据式 1 可知， 这与接触力和磨介球直径都有关系。 在相同接触深度下， 直径越大， 接触面积越大。随着磨 介球直径的增大会造成磨筒内磨介球数量的减小， 也 会降低麸皮与磨介球之间的接触概率。因此， 单纯依 靠增大磨介球直径来提高麸皮的破碎性能并不经济， 这会造成磨介球因过大接触力而产生变形， 加剧磨损。 一般先采用大直径磨介球对大尺寸麸皮进行破碎， 使 麸皮表面产生大量裂纹， 如图 10 c 、 图 10 d 所示， 然 后再利用小直径磨介球进行冲击， 使麸皮表面裂纹扩 展， 发生断裂， 也即应采取合适的磨介级配制度， 提高 振动磨机的破碎性能。 2． 3磨介球破碎形式对破碎性能的影响 根据图 1 可知， 当 α 0， e 0 mm 时， 磨介球 1、 2 之间产生对心碰撞， 使麸皮具有冲击挤压效应; 当 α 0， e≠0 mm 时， 磨介球 1、 2 之间产生偏心碰撞， 使 麸皮具有冲击剪切效应。为了分析因偏心距而引起的 冲击挤压、 冲击剪切破碎形式对麸皮破碎性能的影响， 选取直径为 4 mm 的氧化锆球进行冲击计算， 冲击速度 设置 为 3 m/s， 偏 心 距 分 别 选 取 0 mm， 0． 2 mm， 0． 4 mm， 0． 6 mm。图 11 给出了不同偏心距时麸皮与 磨介球之间的接触力以及接触时间的变化情况。图 12 给出了偏心距对麸皮接触变形情况的影响。 图 11偏心距对麸皮接触力的影响 Fig． 11 Influence of eccentricity on contact force of wheat bran 根据图 11 可知， 随着偏心距的增大， 麸皮与磨介 球之间的接触力基本保持不变， 接触时间也基本相同。 经计算可知， 不同偏心距时的冲击剪切接触力比冲击 挤压力分别高 7． 46， 5． 07， 3． 66。单从接触力来 看， 冲击剪切比冲击挤压更有利于麸皮的破碎。但表 现在接触变形方面的影响可忽略不计， 如图 12 所示。 接触圆的大小基本相同， 破碎变形也基本相同。如果 选取麸皮中心单元应变作为考察指标， 可以作出麸皮 中心单元有效塑性应变与偏心距之间的关系， 如图 13 所示。 图 12偏心距对麸皮接触变形的影响 Fig． 12 Influence of eccentricity on contact deation of wheat bran 图 13偏心距对麸皮中心单元应变的影响 Fig．13 Influence of eccentricity on strain of wheat bran center unit 根据图 13 可知， 当偏心距为零时， 麸皮几何中心 处单元的有效塑性应变最大， 此时冲击挤压破坏占据 优势。随着偏心距的增大， 麸皮中心附近的单元有效 塑性应变逐渐增大， 说明冲击剪切破坏起主导作用。 但总体来说， 冲击挤压应变大于冲击剪切应变。这与 文献［ 24］所得结论一致。这是因为随着偏心距的增 大， 承担接触力的单元增多， 导致麸皮单元最大有效塑 性应变值降低。这就是脆性物料选择冲击粉碎的原 因。因此， 对于大尺寸麸皮应以冲击挤压为主， 增大破 碎变形程度; 对于小尺寸麸皮应以冲击剪切为主， 增大 452振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 接触力， 剪断麸皮中的纤维。因此， 在粉碎大尺寸麸皮 时， 应增大麸皮与磨介球的填充量， 增大冲击挤压的发 生概率。当麸皮尺寸较小时， 可以降低麸皮与磨介球 的填充量， 增大冲击剪切的发生概率。 3结论 本文基于 “磨介 － 小麦麸皮 － 磨介” 双边冲击计算 模型， 利用 LS- DYNA 软件数值模拟分析了磨介球对麸 皮振动冲击破碎性能的影响， 得到如下结论 1 与单边冲击计算模型相比 ， “磨介 － 小麦麸 皮 － 磨介” 双边冲击计算模型不仅可以模拟冲击挤压， 还可以模拟冲击剪切， 且数值模拟结果与单边冲击计 算模型以及其他方法的研究结论一致， 说明双边冲击 计算模型是正确的、 可靠的。 2 磨介球对小麦麸皮破碎性能的影响是显著的。 冲击速度越大， 破碎性能越好; 冲击角越大， 破碎性能 越差。密度参数越大， 破碎性能越好; 直径越大， 接触 力越大， 接触变形也越大， 但接触次数降低。偏心距对 冲击挤压和冲击剪切的接触力、 接触区域的影响较小， 冲击挤压产生的有效塑性应变大于冲击剪切的有效塑 性应变， 对于大尺寸麸皮应以冲击挤压为主， 对于小尺 寸麸皮应以冲击剪切为主。 3 本文的研究思路和方法也为研究小麦麸皮的 自身状态、 物理特性以及粉碎环境对其破碎性能的影 响提供一条新的途径， 将另撰文阐述。 参 考 文 献 ［1］ ONIPE O O，JIDEANI A I O，BESWA D． Composition and functionality of wheat bran and its application in some cereal food products ［J］ ． International Journal of Food Science ＆ Technology， 2016， 50 12 2509 －2518． ［2］ 程敏，刘保国，王攀，等． 小麦麸皮超微粉碎技术研究进 展［J］ ． 河南工业大学学报 自然科学版 ，2017 6 123 －130． CHENG Min，LIU Baoguo，WANG Pan，et al． Research progress on superfine grinding technology of wheat bran［ J］ ． JournalofHenanUniversityofTechnologyNatural Science ， 2017 6 123 －130． ［3］ 袁惠新，俞建峰． 超微粉碎的理论、 实践及其对食品工业 发展的作用［ J］ ． 包装与食品机械， 2001， 19 1 5 －10． YUAN Huixin，YU Jianfeng． Theory and practice of ultra- fine pulverization and its impact on food industries ［J］ ． Packaging and Food Machinery， 2001， 19 1 5 －10． ［4］ 李状， 朱德明， 李积华， 等． 振动超微粉碎对毛竹笋干物化 特性的影响［ J］ ． 农业工程学报， 2014， 30 3 259 －263． LI Zhuang，ZHU Deming，LI Jihua，et al．Influence of micronization on physicochemical properties of dried moso- bamboo shoots［J］ ． Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30 3 259 －263． ［5］ 黄晟， 朱科学， 钱海峰， 等． 超微及冷冻粉碎对麦麸膳食纤 维理化 性 质 的 影 响［J］ ． 食 品 科 学，2009，30 15 40 －44． HUANG Sheng，ZHU Kexue，QIAN Haifeng，et al． Effects of ultrafine comminution and freeze- grinding on physico- chemical properties of dietary fiber prepared from wheat bran ［ J］ ． Food Science， 2009， 30 15 40 －44． ［6］ LUO F，ZHANG X，HOU H，et al． Effects of debranning and ultra- fine grinding on the quality of flour and cookies from blue wheat［ J］ ． Af