箱式格栅除铁器有限元分析及在奶粉生产中的应用_程健博.pdf
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1、基金项目:黑龙江省自然科学基金(编号:L H C );中央支持地方高校人才培养支持计划(高水平人才)项目(编号:)作者简介:程健博,男,黑龙江飞鹤乳业有限公司中级工程师,硕士.通信作者:孙立瑞(),女,哈尔滨商业大学讲师,博士.E m a i l:f e r e_s u n c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()箱式格栅除铁器有限元分析及在奶粉生产中的应用F i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f b o xg r i dm a g n e t i c i r o n s e p a r a t o ra n
2、d i t sa p p l i c a t i o n i nm i l kp o w d e rp r o d u c t i o n程健博,CHENGJ i a n b o,陈宝库CHENB a o k u李辉L IH u i郭林G U OL i n王艳WANGY a n孙立瑞S UNL i r u i(哈尔滨商业大学食品工程学院食品科学与工程重点实验室,黑龙江 哈尔滨 ;黑龙江飞鹤乳业有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 ;德磁机电科技 上海 有限公司,上海 )(K e yL a b o r a t o r yf o rF o o dS c i e n c ea n dE n g i n e e
3、 r i n g,C o l l e g eo fF o o dE n g i n e e r i n g,H a r b i nU n i v e r s i t yo fC o mm e r c e,H a r b i n,H e i l o n g j i a n g ,C h i n a;H e i l o n g j i a n gF e i h eD a i r yC o,L t d,Q i q i h a r,H e i l o n g j i a n g ,C h i n a;D e u M a g n e tT e c h n o l o g yS h a n g h a i
4、C o,L t d,S h a n g h a i ,C h i n a)摘要:目的:将箱式格栅除铁器应用在奶粉生产中.方法:在完全模拟奶粉工厂真实生产条件下,基于有限元仿真分析,探究除铁器的有效工作原理,进而通过单因素试验及矩阵分析,探究物料的下落高度、金属异物种类、场强强度、磁棒净距对箱式格栅除铁器有效拦截率的影响及优选设计方案.结果:假设最低可接受标准为对铸铁、不锈钢、不锈钢有效拦截率 ,则临界设计条件为:当磁棒强磁环场强为 T时,下落高度 mm,磁棒层数层,净距 mm.当磁 棒强 磁环 场 强为T时,如物料下落高度 mm,则磁棒层数层,净距 mm;如 m物料下落高度 mm,则磁棒层数层
5、,净距 mm.结论:该研究成果可应用于奶粉及其他粉末状食品物料,如蛋白类原料、粉末油脂、淀粉、食品添加剂等.关键词:箱式格栅除铁器;奶粉;有限元分析;设计方案;拦截率A b s t r a c t:O b j e c t i v e:T h eo p t i m a ld e s i g ns c h e m eo fb o x g r i dm a g n e t i c i r o n s e p a r a t o ri n m i l kp o w d e rp r o d u c t i o np r o c e s sw a se x p l o r e d M e t h o d
6、 s:I nt h i ss t u d y,t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eb o xg r i dm a g n e t i c i r o n s e p a r a t o rw a se x p l o r e db yu s i n gt h e f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n a n a l y s i s m e t h o d u n d e r r e a l p r o d u c t i o nc o n d i t i o n s i naf u l l y
7、s i m u l a t e dm i l kp o w d e rp l a n t T h r o u g ht h es i n g l e f a c t o r t e s t,t h ee f f e c t so fm a t e r i a l d r o ph e i g h t,t h e t y p eo fm e t a l f o r e i g nm a t t e r,t h e f i e l ds t r e n g t h,a n dt h en e td i s t a n c eo ft h em a g n e t i cb a ro nt h ee
8、 f f e c t i v e i n t e r c e p t i o nr a t eo f t h eb o xg r i dm a g n e t i c i r o n s e p a r a t o rw e r ee x p l o r e d,a n dt h ed e s i g ns o l u t i o nw a so p t i m i z e db yu s i n gm a t r i xa n a l y s i s R e s u l t s:A s s u m i n gt h a tt h em i n i m u ma c c e p t a b l
9、 es t a n d a r d i sa ne f f e c t i v e i n t e r c e p t i o nr a t eg r e a t e rt h a n f o rc a s ti r o n,s t a i n l e s ss t e e la n d s t a i n l e s ss t e e l,t h ec r i t i c a ld e s i g nc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s:Wh e nt h em a g n e t i c f i e l d s t r e n g t ho f
10、t h em a g n e t i c b a r i s T,t h ed r o ph e i g h ts h o u l db el e s st h a n mm,t h en u m b e ro fl a y e r so f t h em a g n e t i cb a rs h o u l db eg r e a t e rt h a no re q u a l t o,a n dt h ec l e a r a n c eo ft h eb a r m a g n e ti s mm Wh e nt h em a g n e t i c f i e l ds t r e
11、 n g t ho f t h em a g n e t i cb a r i s T,i f t h e f a l l i n gh e i g h to f t h em a t e r i a l i s l e s s t h a n mm,t h en u m b e ro f l a y e r so f t h em a g n e t i cb a rs h o u l db eg r e a t e r t h a no r e q u a l t o,a n d t h ec l e a r a n c eo f t h eb a rm a g n e t i s mm;
12、I f t h e f a l l i n gh e i g h t o f t h em a t e r i a li sb e t w e e n a n d mm,t h e nt h en u m b e ro fm a g n e t i cr o d l a y e r s s h o u l db eg r e a t e r t h a n,a n d t h e c l e a r a n c e o ft h eb a rm a g n e t i s mm C o n c l u s i o n:T h er e s e a r c hr e s u l t sh a v
13、 ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o nv a l u ef o rm i l kp o w d e ra n do t h e rp o w d e r e df o o dm a t e r i a l s,s u c ha sp r o t e i n b a s e dr a w m a t e r i a l s,p o w d e r e df a t sa n do i l s,s t a r c h,f o o da d d i t i v e s,e t c K e y w o r d s:b o xg r i dm a g n
14、e t i c i r o n s e p a r a t o r;m i l kp o w d e r;f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s;d e s i g ns c h e m e;i n t e r c e p t i o nr a t e保证食品安全,保障公众身体健康和生命安全是所有食品行业从业人员需要始终秉承的原则.中华人民F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|共和国食品安全法 第十三条第四款明确规定禁止生产经营混有异物的食品.异物作为危害分析的关键控制点管理体系(HA C C P)中典型的物理性危害,
15、尤其金属类异物可能严重威胁生命安全,在食品生产加工中必须进行有效控制.但据公开资料显示,中国质量万里行消费投诉平台每年都会接到近百名消费者投诉奶粉中发现异物,多家奶粉品牌也频报疑似不明金属类异物投诉事件.食品生产通用卫生规范 中规定应采取设置筛网、捕集器、磁铁、金属检查器等有效措施降低金属或其他异物污染食品的风险,婴幼儿配方乳粉生产许可审查细则(版)中明确规定婴配奶粉企业应对不小于mm球径金属进行有效控制.除铁器作为一种永磁设备,可将非磁性物料中的铁磁性金属类异物清除.近年来箱式格栅除铁器在制糖、粮食收储、固体饮料等食品深加工领域,尤其是在婴儿配方奶粉行业得到广泛应用,但使用过程中对金属异物的
16、有效拦截率受各类因素影响,若无合理设计方案,很难达到预期拦截效果.目前关于除铁器的科学研究主要集中在电子元件、化工、建筑、矿石 等工业领域,在奶粉生产中的实际应用研究鲜少有报道.研究拟在完全模拟奶粉工厂真实生产条件下,基于有限元分析(f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s,F E A)对除铁器的磁场环境进行模拟,进而对其几何和载荷工况进行模拟.同时,以生产线常见各类金属体作为目标测试物,通过单因素试验,探究不同物料下落高度、金属种类、场强强度、磁棒净距对除铁器有效拦截率的影响,以期对箱式格栅除铁器在奶粉行业中的实际选型、安装及制定有效的金属异物控制方案提
17、供理论依据.材料与方法材料与仪器配方奶粉:星飞帆段,黑龙江飞鹤乳业有限公司;铸铁、不锈钢、不锈钢:德磁机电科技(上海)有限公司;二氧化硅干燥剂:分析纯,河南诺恒生物科技有限公司;箱式格栅除铁器:GH S型,德磁机电科技(上海)有限公司;高斯计:型,美国S Y P R I S公司;工业显微镜:Z Q 型,上海致旗实业有限公司;精密天平:M E型,梅特勒托利多科技(中国)有限公司;恒温烘箱:H P G B型,哈尔滨东联电子技术开发有限公司;玻璃干燥器:型,成都典锐实验仪器有限公司.方法除铁器单体有限元分析为更直观了解除铁器单体的磁通量及磁感线分布,基于磁场基本方程及已有关于永磁体的有限元分析模型
18、,利用AN S Y S软件对除铁器中单根磁棒的最小完整单体(如图所示)进行有限元仿真分析.图除铁器最小完整单体F i g u r eM i n i m u mc o m p l e t em o n o m e ro f t h em a g n e t i ci r o n s e p a r a t o r金属模拟测试物制备对除铁器吸附的金属异物进行长时间收集,发现除铁器吸附的异物主要为铸铁(椭球状)、奥氏体不锈钢(扁片状)、奥氏体不锈钢(扁片状)三类.椭球状铸铁多为管道内壁焊接处脱落导致,扁片状奥氏体不锈钢多为螺旋输送器与管壁摩擦、管道焊接脱落导致.为最大限度模拟在真实生产条件下控制干扰
19、因素,人为制作金属碎片,然后利用工业显微镜挑选出规格统一的金属模拟测试物(如图所示).根据企业正常生产过程中的异物收集数据及消费者相关投诉数据选取真实生产条件下占比最大的()异物尺寸确定金属模拟测试物的大小.除铁器测试平台搭建搭建层可调节箱式格栅除铁器(如图所示),除铁器上端连接不同长度的物料管线,下端连接物料收集袋,磁棒直径 mm.试验时,将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处倒入,收集袋对通过磁棒的物料进行收集.搭桥试验方法将奶粉倒入一个内壁光滑的容器中,轻轻向下震荡,将垫片置于容器上方,然后连同容器图金属模拟测试物F i g u r eM e t a l s i m u l a
20、t i o nt e s to b j e c t食品装备与智能制造F OO DE QU I PME NT&I NT E L L I G E NT MANU F A C TUR I NG总第 期|年月|图箱式格栅除铁器F i g u r eB o xg r i dm a g n e t i c i r o n s e p a r a t o r一起倒扣至磁棒表面(如图所示),快速抽出垫片,观察奶粉状态.如奶粉整体停留在两根磁棒之间,则出现搭桥现象,表示生产过程中存在潜在堵料风险;如奶粉瞬间垮塌,从磁棒之间快速通过,则不存在堵料风险.图搭桥试验示意图F i g u r eS c h e m a
21、t i cd i a g r a mo fb r i d g i n gt e s t拦截率测定采用重量法.首先将金属模拟测试物冲洗干净后置于 烘箱内烘干,然后置于放有二氧化硅干燥剂的玻璃干燥器内备用.投料试验结束后,用软毛刷将磁棒表面的奶粉去除,用擦镜纸轻轻擦下金属模拟测试物并收集,冲洗干净后置于 烘箱内烘干.投料试验收集到的金属模拟测试物重量与测试初始添加量的比值即为拦截率.单因素试验设计()下落高度对拦截率的影响:分别将 k g铸铁金属模拟测试物与 k g奶粉充分混合,分别安装 ,mm高度的物料管线,统一使用层磁棒,磁棒净 距(净 距中 心 距磁 棒 直 径,如 图所 示)mm,强磁环场
22、强T,依次将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处匀速倒入,记录每层除铁器拦截率.()金属种类对拦截率的影响:分别将 k g铸铁、不锈钢、不锈钢金属模拟测试物与 k g奶粉充分混合,安装 mm高度的物料管线,统一使用层图磁棒净距示意图F i g u r eS c h e m a t i cd i a g r a mo fm a g n e t i cb a rc l e a rd i s t a n c e磁棒,磁棒净距 mm,磁棒强磁环场强T,依次将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处匀速倒入,记录每层除铁器拦截率.()场强对拦截率的影响:分别将 k g铸铁金属模拟测试物与 k
23、 g奶粉充分混合,安装 mm高度的物料管线,统一使用层磁棒,磁棒净距 mm,分别换装强磁环场强,T磁棒,依次将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处匀速倒入,记录每层除铁器拦截率.()磁棒净距对拦截率的影响:分别将 k g铸铁金属模拟测试物与 k g奶粉充分混合,安装 mm高度的物料管线,统一使用层磁棒,强磁环场强T磁棒,分别换装磁棒净距,mm,依次将混有金属模拟测试物的奶粉物料由物料管线开口处匀速倒入,记录每层除铁器拦截率,每组同时进行搭桥试验.结果与分析除铁器单体有限元分析结果除铁器是由数根规律穿插排列的磁棒组成,而每根磁棒最小完整单体由端堵、半磁环、磁体、强磁环构成,且磁体采用同极
24、相对排列方式,其中磁体与强磁环可根据实际设计需求适当增加数量.在AN S Y S的W o r k b e n c h模块中,选用几何结构及F l u e n t(带F l u e n t网格剖分)组件系统 ,设置磁棒规格为磁体长度 mm、磁环厚mm、端堵厚mm、直径 mm,以强磁环中心为坐标原点进行模拟分析.最小完整单体有限元分析模型见图,模型整体网格划分见图.图有限元分析模型F i g u r eF i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e l图模型整体网格划分F i g u r eO v e r a l l g r i dd i v i s
25、 i o nd i a g r a mo f t h em o d e l|V o l ,N o 程健博等:箱式格栅除铁器有限元分析及在奶粉生产中的应用由图可知,迭代数值设置为 ,施加载荷后,强磁环处磁通量明显增高(如图所示),而与磁体平行的磁感线位置,磁通量非常弱(如图所示).饱和吸附试验也验证了载荷下强磁环处磁通量增加的结果(如图 所示),说明在奶粉实际生产加工过程中,磁棒的强磁环位置为最有效吸附位置.单因素试验中选取强磁环处场强进行各因素影响分析.图磁棒内部磁通量分布图F i g u r eM a g n e t i c f l u xd i s t r i b u t i o n i
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