錘片式粉碎機三角形篩片的設(shè)計及試驗研究

王海慶，瑪納拉蘇仁，田海清，劉 飛，趙滿全，劉偉峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

粉碎加工是飼料加工中不可或缺的重要工序之一，粉碎機性能的好壞直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟效益和飼料品質(zhì)[1-2]。目前 ，錘片式粉碎機以其通用性好、技術(shù)成熟及結(jié)構(gòu)簡單等特點在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[3]。

錘片飼料粉碎機工作時，物料喂入粉碎腔內(nèi)，在高速旋轉(zhuǎn)錘片的打擊、物料之間的碰撞和搓擦，以及離心力等作用下，使得大顆粒物料貼附在篩片表面，小顆粒物料分布在粉碎腔內(nèi)層，形成空氣-物料環(huán)流層[4-5]。空氣-物料環(huán)流層阻礙了小顆粒物料的出篩，減少了大顆粒物料受打擊的機會，使得小顆粒物料過度粉碎，生產(chǎn)效率降低，能耗增加[6-7]。近年來，一些研究者采用改變粉碎室形狀的方法來破壞環(huán)流層、改善粉碎機工作性能，如水滴式、全篩桃形式等不同形狀的粉碎室應(yīng)用于粉碎機[8]。目前，通過改變篩片形狀來有效破壞粉碎室內(nèi)氣固環(huán)流層、提高破碎效率及增加物料出篩機會，是改善粉碎機性能的重要方法之一[9-14]。

本文針對粉碎機環(huán)流層問題，采用理論分析與粉碎性能試驗相結(jié)合的方法，設(shè)計三角形篩片替代環(huán)形平篩，改變粉碎室內(nèi)氣流場的運動狀態(tài)，使得物料以不同的速度和方向交錯運動，進而打破環(huán)流層，提高生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量，降低能耗。本研究可為設(shè)計性能優(yōu)良的三角形異形篩片提供理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 三角形篩片的設(shè)計

本研究采用仿丹麥4KB錘片式粉碎機為試驗樣機，設(shè)計了三角形篩片。三角形篩片是在展開的環(huán)形平篩基礎(chǔ)上彎折成連續(xù)等腰三角形組成曲折性圓環(huán)形成的，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：等腰三角形頂角α、高度h、邊長a、三角形間距l(xiāng)，三角形篩片展開長度為S。其中，S的計算公式為：S=2na， 為曲折性圓環(huán)內(nèi)所折三角形個數(shù)。其設(shè)計原理如圖1所示。

α.角度 h.高度 a.長度 l.間距 c.篩片寬度

本文首先探究了三角形篩片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對粉碎機性能的影響規(guī)律，即等腰三角形頂角α、 高度h、三角形間距l(xiāng)與粉碎機生產(chǎn)效率、度電產(chǎn)量和粒度變化間的關(guān)系規(guī)律，進而選取了篩片結(jié)構(gòu)參數(shù)的較優(yōu)解集，并獲得了較佳的篩片設(shè)計方案。為較客觀地考察三角形篩片各試驗因素的影響作用，減少不必要的試驗次數(shù)及降低試驗費用，采用均勻試驗設(shè)計方法設(shè)計了試驗方案。依據(jù)均勻試驗設(shè)計要求，篩片設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 三角形篩片設(shè)計參數(shù)

2 三角形篩片粉碎室內(nèi)流場特性分析

2.1 粉碎室內(nèi)物料顆粒力學(xué)特性分析

物料顆粒在粉碎室內(nèi)受到錘片的打擊力、物料顆粒間的碰撞力、三角形區(qū)域產(chǎn)生的渦流阻力、篩片的反作用力、摩擦力，以及旋轉(zhuǎn)氣流引起的離心力等，在眾多力的綜合作用下實現(xiàn)物料顆粒的粉碎。物料顆粒受力如圖2所示。

1.渦流阻力 2.離心力 3.顆粒間的碰撞力 4.錘片的沖擊力 5剪切力

粉碎機工作時，物料喂入粉碎室后，受到高速旋轉(zhuǎn)錘片的沖擊力，使得物料初步粉碎且獲得初動能，物料顆粒將以很高的速度撞擊篩片，受到篩片反作用力破碎。錘片高速運動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流可使物料顆粒跟隨運動，物料間產(chǎn)生相互碰撞力，使得物料進一步破碎。物料運動到錘片與三角形篩片頂角的狹小間隙處，受到強烈的剪切作用，達到物料剪切極限時而破裂。由于碎物料顆粒大小不均，在渦流流場和離心力的作用下，反復(fù)上述過程，碎物料不斷破碎，直至合格經(jīng)篩孔排出。此外，三角形篩片也可起到齒板的作用，有利于物料與篩片間產(chǎn)生摩擦和剪切作用，提高粉碎能力，進而降低能耗，改善錘片式粉碎機的工作性能。

2.2 三角形篩片粉碎室內(nèi)流場分析

將三角形篩片安裝于粉碎室內(nèi)，隨著錘片的運動，錘篩間隙不斷變化，引起流場特征變化，如圖 3所示。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的錘片運動到距離篩片最近時(三角形篩片頂角部分)，錘篩間將形成一個狹窄的間隙，物料-空氣環(huán)流層通過該處時可形成縮徑噴射，而通過該間隙進入較寬區(qū)域時會形成主旋流。另外，隨著錘片的高速旋轉(zhuǎn)，物料顆粒群受到離心力作用，進而向徑向運動，在碰到篩片時形成小旋流。主旋流和小旋流形成渦流流場，而空氣-物料環(huán)流層的運動速度越大，越易在徑向邊緣靠近篩片處形成負壓區(qū)。當(dāng)徑向流和噴射流相遇時，產(chǎn)生強烈的渦流顫振，進而出現(xiàn)湍流運動。根據(jù)工程流體力學(xué)流道截面理論分析可知[15]，當(dāng)通道橫截面積減小時，流體速度會增大；反之，流速隨著流道的橫截面積的增大而減小。通過三角形篩片構(gòu)成的異形粉碎室，可改變流體通道的橫截面積，使得流體的運動速度不斷改變，從而破壞空氣-物料環(huán)流層。

1.縮徑氣流噴射 2.篩片 3.徑向氣流 4.徑向氣流邊的負壓區(qū) 5.渦流顫振區(qū)

通過對粉碎室內(nèi)流場特征的分析發(fā)現(xiàn)，三角形區(qū)域產(chǎn)生的渦流流場阻礙空氣-物料環(huán)流層運動，可使物料顆粒的運動速度在徑向和切向方向不斷變化，并在錘片和篩片的打擊、離心力等作用下，使得粒徑不一的物料顆粒以不同的速度和方向相互交錯運動形成紊流，從而破壞空氣-物料環(huán)流層。另外，渦流流場的產(chǎn)生可增大物料顆粒和錘片的相對速度，增強錘片對物料的沖擊作用，進而提高錘片的破碎能力。粉碎室內(nèi)湍流運動的產(chǎn)生使得物料顆粒翻轉(zhuǎn)、無規(guī)則運動，有利于增加大顆粒物料的碰撞及受打擊的機會，從而提高粉碎機的生產(chǎn)效率。另外，高度湍流的存在也可增加小顆粒物料的出篩機會，減少篩片表面的物料顆粒密度，進而避免物料顆粒的過度粉碎，有利于提高飼料均勻度和溫升改善。

上述理論分析表明，三角形篩片的使用可有效改善粉碎機性能。

3 三角形篩片粉碎性能試驗

3.1 試驗設(shè)備及評價指標

試驗采用仿丹麥4KB型錘片式飼料粉碎機為試驗樣機，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：①采用繞銷軸旋轉(zhuǎn)的4組錘片，形狀為長方形；②采用圓孔篩片，篩孔直徑為 3mm；③粉碎室寬度為 80mm；④配套電機功率1.5kW，額定電流 3.23 A，轉(zhuǎn)速 2 850r/min ；⑤轉(zhuǎn)子直徑 360mm。試驗采用的主要儀器有：三相四線有功電度表(200r/kW·h) 、VARISPEED-616G5型變頻器、電熱干燥箱、水銀溫度計、秒表(0.01s)、電子天平(0.001g)、臺秤、B0.6611振篩機，以及高度25mm、直徑400mm的標準篩。

試驗以含水率為13.13%的玉米物料作為粉碎對象。為了客觀評價粉碎機性能，本研究選擇粉碎機的生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量、溫升及粒徑的分布范圍為粉碎性能評價指標。

3.2 試驗結(jié)果及分析

將所設(shè)計的5種三角形篩片分別安裝在仿丹麥4KB錘片式粉碎機上進行粉碎性能試驗，試驗嚴格遵守粉碎機粉碎試驗國家標準(GB/T 6971-2007《飼料粉碎機試驗方法》)，試驗評價指標數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

由表2可知：在相同工況條件下進行粉碎性能試驗，5種三角形篩片的生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量較環(huán)形平篩均取得了有效的提高，說明三角形篩片可提高錘片式粉碎機的生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量；5種三角形篩片在溫升方面得到不同程度的降低，說明篩片表面物料顆粒密度減小，物料過篩效率提高，能耗降低。

表2 各篩片性能相關(guān)結(jié)果

表3 篩子篩后每層的質(zhì)量

在生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量方面提高較大的是篩片1，生產(chǎn)率為321.48kg/h，比環(huán)形平篩片增加22.70%，度電產(chǎn)量為185.04kg/kW·h，增加29.40%。就改善溫升而言，篩片5的效果較為理想，溫升比環(huán)形平篩降低2.50℃。綜合考慮生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量及溫升方面，當(dāng)三角形篩片頂角α=110°、高度h=4mm、間距l(xiāng)=7mm時(即篩片1)，綜合效果較好，說明三角形篩片1的使用對粉碎機綜合性能有較大的改善，粉碎效果較為理想，是較優(yōu)的設(shè)計方案。

由表2和表3可知：

1)采用三角形篩片的粉碎機生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量及溫升得到有效改善，然而粒徑的分布范圍不均勻。分析其原因，主要在于：三角形篩片的特殊結(jié)構(gòu)增加了物料顆粒碰撞機會，產(chǎn)生粒度不同的顆粒，使其碰撞產(chǎn)生的動能變化不一，物料粒徑分配處在非均勻的狀態(tài)；三角形篩片形狀特征使得篩孔直徑相對變化是隨機的，再加上物料顆粒隨機由篩孔排出，使得排出的物料顆粒粒徑分布不均勻。

2)篩片1與環(huán)形篩片相比，粉碎后物料的顆粒質(zhì)量大大減少，底盤上物料的質(zhì)量比環(huán)形平篩有所增加，且平均粒徑較小，說明出現(xiàn)了過度粉碎現(xiàn)象，導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是三角形區(qū)域產(chǎn)生的渦流流場湍動能過大，過于加大了物料的碰撞機會與錘片的破碎能力。篩片2與環(huán)形篩片相比，較好地破壞了環(huán)流層，底盤上物料與環(huán)形平篩片相比有所減少，粉碎物粒徑均勻效果較為理想。篩片3、4、5底盤上物料的質(zhì)量與環(huán)形篩片相比有不同程度的增加，說明有過粉碎現(xiàn)象，原因可能在于環(huán)流層未能很好破壞。

3.3 三角形篩片結(jié)構(gòu)參數(shù)變化與粉碎機性能指標關(guān)系規(guī)律

通過對表1和表2分析可知：生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量與三角形篩片的角度、高度呈遞減關(guān)系；生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量與三角形篩片的三角形間距呈遞增關(guān)系；隨著角度、高度、間距的改變，物料顆粒的平均粒徑呈波動性變化。

4 結(jié)論

1)理論分析表明：將三角形篩片應(yīng)用于錘片式粉碎機，可使粉碎室內(nèi)氣流場特征不斷變化，進而在三角形區(qū)域形成局部渦流流場，破壞空氣-物料環(huán)流層。另外，三角形篩片的使用可增大物料的相對速度，提高粉碎效率，增大有效篩理面積，從而改善粉碎機性能。

2)試驗結(jié)果表明：當(dāng)三角形篩片1(α=110°，h=4mm，l=7mm)應(yīng)用于錘片式粉碎機時，生產(chǎn)率為321.48kg/h，比環(huán)形平篩增加22.70%；度電產(chǎn)量為185.04kg/kW·h，比環(huán)形平篩增加29.40%；溫升降低39.10%，粒度也較為均勻。篩片1是本研究較優(yōu)的三角形篩片設(shè)計方案。

參考文獻：

[1] 劉晃.我國飼料粉碎機的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2004,3(1):42-43.

[2] 曹麗英.新型錘片式粉碎機物料分離特性的模擬與測試分析[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[3] 張海江,萬向.錘片粉碎機的應(yīng)用及影響其粉碎性能的因素[J].飼料加工,2013(6):28-30.

[4] 南效景.物料在粉碎室內(nèi)的運動規(guī)律[J].糧油加工與食品機械,1986(6):39-42.

[5] 曹麗英,賀龍,張玉寶,等.錘片式粉碎機內(nèi)氣固兩相流場壓強的測試方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,32(11):90-97.

[6] 朱建東.錘片和篩板的不同參數(shù)對粉碎機性能的影響[J].飼料工業(yè),1998,19(12):9-12.

[7] 吉穎風(fēng).新型錘片式粉碎機篩分效率的研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2001.

[8] 李忠平.飼料加工技術(shù)研究新進展[J].飼料工業(yè),2001(5):6-8.

[9] 劉偉峰,劉文廣,馬彥華.錘片粉碎機異形粉碎室的理論分析與試驗研究[J].農(nóng)機化研究,2010,32(2): 63-65.

[10] 屈豐富,劉偉峰,田海清,等.間隔圓弧異型粉碎室對錘片粉碎機性能的影響及試驗研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,32(3):235-237.

[11] 田海清,屈豐富,劉偉峰,等.錘片式粉碎機分段圓弧篩片設(shè)計與粉碎性能試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011, 42(4): 92-95.

[12] 杜佳楠.錘片式粉碎機翼形篩片的設(shè)計與試驗研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[13] 黃濤.錘片式粉碎機內(nèi)流場數(shù)值模擬和試驗研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.

[14] 劉文廣,劉偉峰.梯形篩片對錘片式粉碎機性能影響的試驗研究[J].農(nóng)機化研究,2006(11):168-170.

[15] 莊禮賢,尹協(xié)遠,馬暉揚,等.流體力學(xué)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009.

[16] 瑪納拉蘇仁.錘片式粉碎機三角形篩片異型粉碎室的理論分析與試驗研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[17] GB/T6971-2007.飼料粉碎機試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2007.