錘片式飼料粉碎機的研究發展現狀

曹麗英 李帥波 李春東 汪 陽 汪 飛

（內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭014010）

目前，我國已成為世界飼料生產大國之一[1]。粉碎作為飼料加工的重要環節之一，其效果直接影響著飼料加工成本及加工質量。飼料粉碎機是飼料加工的主要設備之一，其中錘片式飼料粉碎機因其質量好、空載啟動迅速、物料適應度高、維修便捷等優勢，得到了廣泛使用。粉碎機的高質量發展，有利于保持我國飼料行業的持續健康發展，有利于推動我國經濟的高質量發展。

1 錘片式飼料粉碎機的分類和特點

錘片式飼料粉碎機經多年發展，類型眾多[2]。按機器轉子的速度可分為低速、中速、高速粉碎機；按結構類型則可分為如表1所示。

表1 錘片式飼料粉碎機的結構分類

根據粉碎室形狀的不同，又可分為圓形、水滴形、偏心形等。與圓形相比，水滴形和偏心形能有效破壞粉碎室內環流層，增大透篩面積，提高篩分效率[3]。

2 錘片式飼料粉碎機國內外相關研究現狀

改善粉碎機的工作性能，提升其物料的篩分效率是關鍵。為了探究影響粉碎機篩分效率的因素，早期西德學者Friedrich[4]首先采用高速攝影機對粉碎室內物料的運動情況進行試驗；前蘇聯學者B. C. Kpcom?HoB 等運用高速攝影技術對錘片式粉碎機粉碎過程中物料狀態進行研究，證實了粉碎室內部物料環流層的存在；Thyn 等[5]則采用同位素示蹤法對錘片式粉碎機粉碎室內篩片動態響應規律、物料運動規律進行研究。20 世紀八九十年代，國內學者朱建東、劉曼茹、朱新華等[6-10]也利用高速攝影技術對粉碎機的工作機理及物料在粉碎室內的運動規律進行研究。提出了，物料環流層是影響粉碎機的能耗和效率的重要因素之一。劉承俊等對錘片式粉碎機的喂料量、進風量與度電產量進行了研究，通過數學計算得到了粉碎效率最佳時的理論參數取值區間，這為整機的設計參數提供了支持；朱建東等則認為，對于傳統粉碎加工過程中的相關現象，可調節錘篩間隙及錘片的排列方式使加工產品的顆粒大小不同，從而提高飼料加工的質量；朱新華等研究認為，環流層是造成其功耗大、效率低的主要原因，指出可通過改變粉碎機的轉子結構來降低環流速度，從而提升效率、降低能耗。

在這些早期的研究中，高速攝影技術和同位素示蹤法的使用，有效的記錄了粉碎過程中物料的運動狀態和規律，證實了粉碎室內物料環流層的存在，對后續錘片式飼料粉碎機的研究具有重要意義。然而，這些研究大多是宏觀的、定性的，不能定量地揭示環流層與粉碎分離性能的客觀規律。

近年來，隨著計算機技術的高速發展，各種仿真模 擬 軟 件ANSYS FLUENT、MATLAB、EDEM、Lab?VIEW等在錘片式飼料粉碎機的相關課題研究中廣泛運用。目前，有關粉碎機分離效率、噪聲測試等課題，國內外學者進行了大量的研究，對錘片式飼料粉碎機的研究可概括為以下幾方面。

2.1 篩分效率方面

國內學者對此進行了大量相關研究試驗。為了提高新型錘片式粉碎機的篩分效率，曹麗英等[11]通過搭建透篩裝置平臺，對分離裝置的顆粒粒度進行探究，試驗對篩分過程進行拍照，把透篩過程數據采用MATLAB 進行圖像處理后，發現提高物料顆粒粒度的均勻性能顯著提高物料透篩效率。然而，要提高物料顆粒的透篩率，進一步定量的、具體的提升錘片式粉碎機的篩分效率，就要找出影響篩分過程的影響因子。曹麗英等[12]在原試驗平臺基礎上，又運用顆粒動力學仿真法，采用仿真軟件EDEMFLUENT 對物料篩分過程進行全真模擬，綜合模擬與試驗數據相結合，得到了最佳篩分效率，四種影響因子的近似量化參數如表2。不足之處在于，試驗的物料顆粒單一，不同物料顆粒的篩分效率可能存在差異性。

表2 篩分效率最佳時的各影響因子值

王亮等[13]選用圓弧形的分離裝置外壁管，在回料管泄壓條件下進行試驗，采用Fluent軟件進行氣固兩相流仿真，綜合作用下理論上能夠有效提高過篩率，但實際生產中可能存在回料管漏料的問題。為了提升整機工作過程中的性能，即提高篩分效率，降低能耗。李震等[14]對其粉碎性能進行試驗研究，以粉碎機的兩指標、三因子為對象，采用二次回歸正交旋轉中心組合試驗研究及分析，得出的結果如表3所示。得到了三個影響因子的準確值，這對提升整機的工作性能具有借鑒意義。

表3 粉碎性能最佳時各影響參數

對臥式錘片式飼料粉碎機的研究中，劉憲等[15]從動力學角度出發，提出物料環流層的速度決定了物料顆粒的速度大小和方向，提高徑向氣流速度有助于提高粉碎機過篩率；同時，簡略分析了粉碎機的減速篩片和長孔篩片對粉碎室內負壓的影響，此為整機篩分能力的改善提供理論指導。熊英俊等[16]對現有粉碎機進行改進，在機殼頂部設置進氣管、機殼上裝上溫度傳感器、濕度傳感器等，整機工作過程氣管氣體流量、粉碎室內濕度和溫度均可調，此設計可以提高粉碎效率，增加度電產量等；孔騰華等[17]在粉碎室內引入高壓氣體，通過破壞物料環流層，達到提升粉碎效率的目的，這為錘片式粉碎機的優化設計提供參考；郝波等[18]則在錘片式粉碎機的粉碎室內的機殼和篩板間安裝高壓噴管，通過高壓氣體，在工況下破壞物料環流層，達到提高篩分效率的目的。以上研究中，引入高壓氣體，從而破壞粉碎室內物料環流層，進而提升粉碎機篩分效率的方法，對后續整機的優化設計具有重要參考價值。

對于錘片式飼料粉碎機而言，物料環流層是影響其能耗和效率的重要因素之一。在探究篩分效率過程中，EDEM-FLUENT 耦合法的使用、MATLAB 的數據處理、二次回歸正交旋轉組合試驗的設計等，為后續研究提供參考。此外，以引入氣體破壞粉碎室內物料環流層的方式來實現篩分效率和度電產量的提高，這仍然是后續研究的重點。

2.2 結構優化方面

近年來，各行業興起了創新優化的浪潮。對于錘片式飼料粉碎機而言，為了提升整機的性能指標，國內外學者對其轉子結構、篩片結構、錘片、篩網等關鍵部件進行了大量的試驗和研究，得到了許多研究成果。

早在20世紀末，朱新華等[19]就對粉碎室內物料顆粒的碰撞方式進行了分析，提出改變轉子結構的方法，減小粉碎室內環流速度，從而增大顆粒的有效碰撞率，為提升整機的度電產量提供了理論指導，不足在于，沒有進行試驗探究。王曉博等[20]對錘片式飼料粉碎機運用ANSYS 進行動力學仿真，得到各動態影響參數，對轉子結構進行優化，仿真中運用靈敏度分析法，這為錘片式粉碎機的優化提供參考。汪建新等[21]針對物料顆粒在粉碎室內運動軌跡進行研究，一方面建立單顆粒物料分離裝置內運動的數學模型，并且運用MATLAB軟件對其數值模擬分析，模擬獲得理論運動軌跡；另一方面在試驗中運用高速攝影機采集物料粉碎過程中顆粒運動軌跡。國外學者Kosse等[22]采用虛擬設計和力學分析對錘片式粉碎機轉子進行研究，提出導致整機被破壞的原因之一是振動。這些研究結果對粉碎機的結構優化具有參考意義。

張永杰等[23]用ANSYS Workbench 對粉碎機轉子系統中的架板結構進行了數學建模，進行靜力學分析和模態仿真，并采用拓撲法進行關鍵部分的優化，得到了符合工況剛度和強度的架板，且去除了冗雜材料，如表4所示為優化前后架板特性。優化方法具有通用性，優化后的架板質量大幅減少，此對粉碎機的輕量化發展具有參考價值。然而，每次實驗工況具有不確定性，則本數據不具有通用性。

表4 架板特性

田海清等[24]在整機的篩片優化方面進行了大量研究。根據物料環流層對工況的影響，設計的分段圓弧篩片能顯著提高生產率，對碎室內溫升也有改善作用；使用組合形的篩片，通過FLUENT 對組合形篩片和環形篩片進行了數值模擬，對粉碎室內部氣流場進行比較，提出了改善整機性能的新方法——組合形篩片，通過改善氣流場特征，達到生產率的提高[25]；王海慶等[26]設計的三角形篩片，也是如此。三種設計均從篩片形狀角度切入，通過改變環流層運動從而提高粉碎機生產率，后續可對三種篩片進行綜合對比試驗，進一步探究優劣性。

此外，劉巍等[27]為了改善錘片式粉碎機粉碎率低下，工況下堵篩的問題，對錘片分布和形狀、篩片形狀等進行優化設計，設計出組合式粉碎機。這對改善機器能耗有參考價值；國外學者Haryanto 等[28]通過粉碎機分別對咖啡豆和可可豆進行了粉碎實驗，選用四個不同尺寸的篩網進行篩分，得到不同篩網的質量分數，得到了咖啡粉的質量百分率大于可可粉，印證了顆粒的硬度和濕度影響粉碎的效率；錢義等[29]通過在整機上安裝異形篩片，進行軟件仿真和試驗論證，試驗中考慮到了玉米顆粒的含水率，得到了不同尺寸篩片的速度云圖以及壓力云圖，提出安裝篩片可提升整機物料出篩速度，從而達到降能耗提效率的目的。

在以上對于轉子結構的研究中，ANSYS Work?bench動力學仿真法、靈敏度分析法、拓撲法等研究方法，對于粉碎機其他關鍵零部件的優化具有通用性。圓弧篩片、組合形篩片、三角形篩分三種不同形狀篩片，通過改變環流層運動從而提高粉碎機生產率。對于錘片式飼料粉碎機而言，粉碎物料的硬度和濕度對粉碎效率的影響是顯著的，國內學者對其研究甚少，可對此進一步研究。

2.3 噪聲方面

噪聲引起環境污染，粉碎機噪聲影響工人身心健康。降噪已成為眾多領域研究的重點課題，對于錘片式飼料粉碎機的降噪，已經得出了頗多具有參考意義的研究成果。錘片式飼料粉碎機噪聲的產生機理如表5所示。

表5 錘片式粉碎機噪聲源分析

在早期研究中，為了探究整機噪聲的主要來源，武佩等[30]通過對多種不同型號錘片式粉碎機的噪聲測試，發現了空載時的噪聲大于額定載荷下的噪聲，提出空氣動力性噪聲占主導。范文海[31]對與振動噪聲密切相關的機座轉子的支撐部件進行結構優化，且對七種不同類型的結構進行綜合對比，研究發現M型結構具有較高的固有頻率和剛度；同時利用虛擬儀器工具對改良后的結構進行了噪聲測試，結果顯示優化后的支撐部件振動加速度降低，噪聲也明顯下降。鄧可遠[32]在噪聲分析方法上，采用MATLAB軟件設計出一種1∕3 倍頻程分析法，其基于快速傅里葉變換（FFT），這為噪聲的測試提供了新的方法。為了降低噪聲，減小震動，獲得高品質的粉碎機，李青等[33]通過魚骨圖分析法，列出了影響機器品質的因素，對機器品質的改善提供參考，這為錘片式飼料粉碎機的研究提供了新的分析法。

曹麗英等[34-36]針對傳統檢噪系統的不足，通過虛擬儀器和傳感器融合的方式，搭建了一套完整的粉碎機噪聲采集平臺，為檢測噪聲和降噪提供技術支持；在對空氣動力性噪聲的研究中，采用Fluent和Virtual.Lab 軟件進行聯合仿真，提出其氣動噪聲絕大部分由出料口向外擴散，峰值為166.7 Hz；對影響噪聲的主要因素錘片、篩網、進料口、出料口和轉子轉速等進行相對應的頻譜測試和聲壓級分析，找出聲源與主要因素的關系，并對整機各部件的結構參數進行改進設計。

在對錘片式飼料粉碎機噪聲的研究中，Labview、Fluent、Virtual.Lab 等軟件的使用，為噪聲的測試和研究提供了技術支撐。粉碎機噪聲主要源于空載條件下的氣動噪聲，其中低轉速和高轉速時，占主要優勢的噪聲分別為渦流噪聲和旋轉噪聲。粉碎機噪聲受其結構影響：篩網具有降噪作用；錘片對噪聲產生的作用最大。錘片的數量僅影響噪聲幅值，對噪聲主要頻率變化影響較小。

2.4 氣固兩相流的研究現狀

在早期工程應用問題研究中，Tsuji[37-38]率先把離散元素法與CFD 方法相結合對二維氣固流化床問題進行研究；國內學者王濤、李世海等[39-42]把離散元素法與連續體求解的研究，應用于巖石工程界。這些早期的研究，對錘片式飼料粉碎機粉碎過程中物料運動規律的探索具有重要的意義。

在錘片式飼料粉碎機的研究和優化過程中，進行了大量研究和試驗。利用FLUENT 軟件對整機的分離裝置進行了數學建模，模擬了粉碎室內部工況條件下的物料的運動規律，選取了粉碎過程中的重要因數，對物料篩分效率及其影響因素的關系進行了分析[43]；曹媛等[44]通過FLUENT 建立了粉碎室流場和其運動網格的數學模型，在此基礎上設計UDF 算法，得到粉碎機內部的速度場云圖和不同入口速度下的流場中的最大速度值，得出當增加肋片數后，最大速度數值明顯大于不加肋片，為提高機械效率提供參考；曹麗英等[45]為提高粉碎機篩分效率，對篩網結構進行改進，對凹型和平板型兩者對比，經EDEM 仿真和試驗的驗證，在相同時刻，凹面型過篩物料明顯大于平板型，提出凹面型篩網對篩分效率的提高有顯著作用等。

以上研究表明，通過氣固兩相流耦合的方法能夠有效的記錄粉碎機粉碎室內物料顆粒的運動狀態，這為錘片式飼料粉碎機的進一步研究提供技術支持。

3 總結

本文通過對近年來國內外學者對錘片式飼料粉碎機的研究回顧，從粉碎機的篩分效率、結構、噪聲、分析方式等方面進行歸納：

①物料環流層是影響飼料粉碎機的效率和能耗的重要因素之一。粉碎機的篩分效率受轉子結構、篩片形狀、錘片厚度和形狀、物料的濕度和硬度以及分離裝置等影響。

②錘片式飼料粉碎機降噪重點在于降低空載條件下的氣動噪聲。錘片式飼料粉碎機的錘片、篩網、轉子轉速等影響噪聲產生。合理的錘片數量與篩網結構有助于降噪。錘片的數量僅影響噪聲幅值，對噪聲主要頻率變化影響較小。

③離散元素法與CFD 耦合的分析，可以有效地模擬粉碎室內物料的運動規律，給飼料粉碎機的進一步優化研究提供了基礎。

4 展望

目前，人們在錘片式飼料粉碎機的設計和研究方面日益成熟，且在各部件結構的參數優化方面取得了頗多進展，為提高飼料粉碎機工作效率方面的研究提供了理論支撐。然而，要進一步提高錘片式飼料粉碎機的綜合使用性能，迎合市場發展的需求，應從以下方面研究：

①錘片式飼料粉碎機篩分效率雖已達到較高水平，但是噸料能耗過大的問題依然存在。提升整機的度電產量，降低噸料能耗，仍是后續研究的重點。

②隨著中國制造2025 的到來，實現飼料粉碎機的智能化勢在必行。鑒于錘片式飼料粉碎機工作過程中，粉碎前后物料的投放和收集費時費力，效率低下，為飼料粉碎機設計一套集自動上料和自動打包于一體的智能化機械系統尤為重要。