小麦籽粒辊式粉磨流场模拟与磨辊磨损特性研究

The roller milling is a main type of wheat flour processing. High energy consumption, difficulty of flour quality control and mill roll wear failure are the bottleneck of restricting the development of roll milling equipment. This project uses the discrete element method to simulate the grinding process of granular flow, and analyze the relationship between microscopic features and macroscopic properties of the material. The computational fluid dynamics simulation will be used to study the parameters of powder and operating parameters of flow field in order to clarify the effect of these parameters on energy consumption, the distribution of the quality of flour and roll pressure. By that, the roll mill flow field will be visible. The simulation results will be validated by test mill. Simulated roller milling will be selected as the technical conditions to study the process of milling material to reveal the wear characteristics regularity between wheat powder chemical composition and roller. The results not only can provide the reference of the design of roll milling device structure critical parameters to improve the sustainability of the wear resistance of roll grinding, but will also improve the roller mill equipment efficiency, promote the flour quality and develop the wheat deep processing.

辊式粉磨是小麦面粉的主要加工型式。能耗高、面粉质量难以控制和磨辊磨损失效是制约辊式粉磨设备发展的瓶颈与难点。本项目利用离散单元法对粉磨过程进行颗粒流数值模拟，剖析对辊粉磨过程中物料微观特性与宏观特性之间的关系；采用计算流体动力学方法模拟研究不同结构参数和操作参数的粉磨流场，阐明这些参数对能量消耗、面粉质量和辊间压力分布的影响，实现辊式粉磨流场的可视化，通过试验磨粉机对模拟结果进行验证；选用模拟辊式粉磨工况的摩擦磨损试验机，以流场模拟结果为技术条件，研究粉磨过程中物料对磨辊的磨损特性，揭示小麦粉料及其化学成分对磨辊的磨损规律。研究结果不仅能为对辊粉磨设备结构优化设计提供关键参数，为提高磨辊耐磨性的可持续性研究提供相关科学依据，而且将对解决辊式粉磨设备效率低、提高面粉品质、促进小麦深加工企业发展具有显著的科学意义。

辊式粉磨是小麦面粉的主要加工型式，能耗高、面粉质量难以控制和磨辊磨损失效是制约辊式粉磨设备发展的瓶颈与难点。项目采用计算流体力学方法，视磨粉过程中流动的小麦粉料为颗粒流，建立物料颗粒流的数学模型，运用FLUENT软件模拟研究不同结构参数和操作参数的粉磨流场，分析这些参数对能量消耗、面粉质量和辊间压力分布的影响，实现了辊式粉磨流场的可视化，通过制粉的正交试验，研究了快辊转速、轧距、喂料量对面粉质量的影响规律。项目运用三维可视化的离散单元法软件EDEM，结合非线性Hertz-Mindlin（no slip）接触模型，对料层颗粒流进行了仿真分析，得到可视化的光辊和料层颗粒的接触变化及受力曲线，在通用颗粒粒度下，光辊快辊起到了主要研磨作用，不同对辊速比下研磨效果不同，当速比为1.45:1时，对辊表面圆周速度差增大，研磨作用加强，速比对研磨效果影响最为显著，其次为轧距，在1.45-1.05范围内变动速比，能耗变化较小。项目选用模拟辊式粉磨工况的磨损试验机，以流场模拟结果为技术条件，研究粉磨过程中物料对磨辊的磨损特性，以小麦籽粒不同组分为磨料的磨损试验表明，面粉对金属材料磨损性能影响最小，对金属表面起研磨和机械抛光作用，麸皮对磨损影响最大，呈现出软磨损中有硬磨损的特征，以疲劳磨损机制为主，伴以显微切削；在保证面粉质量达标的前提下，运用响应曲面法建立了以磨料粒度、转速和轧距为影响因素的二次多项式预测模型，并利用方差分析法对各个影响因素及其交互作用的显著性和预测模型的可靠性进行了分析；对最小磨损失重参数组合进行了优化，并完成试验验证；通过对磨损表面的微观形貌进行分析显示，在软磨料磨损时，以疲劳磨损和塑变剥落机制为主，在硬磨料磨损时，以微观切削磨损机制为主，软磨料磨损中有硬磨料磨损特征的出现，磨损是软硬磨料交互作用的结果。研究结果可为对辊粉磨设备设计提供关键参数，可为提高磨辊耐磨性的可持续性研究提供相关科学依据。