王元生 賴飛云 王 芳

飼料粉碎機作為飼料工業(yè)的主要裝備，對飼料質量、飼料加工成本等起著關鍵的作用。自擊式飼料粉碎機是一種新型飼料粉碎設備，可以控制出料粒度大小，并能有效地降低粉碎能耗。本文用故障樹分析法對自擊式飼料粉碎機樣機試驗中出現的問題進行了具體分析，并對飼料粉碎機的臨界轉速進行了計算，找出了自擊式飼料粉碎機的設計缺陷，在此基礎上提出了結構改進措施。

1 工作原理

自擊式飼料粉碎機結構如圖1所示。

圖1 自擊式飼料粉碎機結構

頂部電機通過聯軸節(jié)直接帶動內轉盤，底部電機通過皮帶輪，經三角皮帶帶動外轉盤。工作時，內轉盤、外轉筒以相反方向高速旋轉。塊狀飼料通過進料口下落，經進料預篩分，放走細顆粒后，進入內轉盤區(qū)，飼料即在該區(qū)內受到撒料盤的拋撒及打擊板錘的沖擊并獲得高速而被拋向外轉筒區(qū)（該區(qū)由拋物線反擊板構成），此時飼料轉而受到高速且旋轉方向相反的外轉盤拋物線反擊板的強烈反沖擊，部分飼料被急劇破碎。同時，在內轉盤、外轉盤間隙處飼料被剪切或被反彈與后續(xù)高速塊狀飼料相遇而發(fā)生高速碰撞破碎，然后又以高速從外轉盤反擊板處被拋向內轉盤，再次接受打擊板錘沖擊。飼料經過在上述三個區(qū)受到的強烈沖擊、剪切和互相碰撞等作用而被破碎成為粉料，經出料篩篩分后，合格產品通過底部上的出料口卸出，大塊的未破碎飼料在離心力驅動下沿篩面斜坡爬升至外轉盤內襯下部，再次進入破碎區(qū)被破碎。

2 樣機故障與故障分析

2.1 樣機故障

在自擊式飼料粉碎機完成初次設計、加工后首次試機時，對整個系統(tǒng)進行運行狀況監(jiān)測，發(fā)現飼料粉碎機振動的振幅隨轉速上升而由弱到強遞增，并且徑向振動比軸向振動劇烈，在內轉盤轉速上升到1300 r/min左右時（內轉盤工作轉速為1450 r/min；外轉盤工作轉速為700 r/min），整個系統(tǒng)發(fā)生異常強烈的振動,致使電機毀壞，整個系統(tǒng)也隨之崩潰。整個系統(tǒng)開機運行到產生這一重大故障的過程只發(fā)生在很短的時間內。

2.2 故障分析

從飼料粉碎機振幅隨轉速上升來看，故障可能與內轉盤不平衡、軸承早期損傷、內轉盤缺損或有裂紋、內轉盤零部件配合松動或地腳螺栓聯接松動有關?？疾炝私獾皆擄暳戏鬯闄C是參照國內外類似產品開發(fā)設計的，對具有較高轉速的內轉盤僅用一般常規(guī)設計方法，而沒做結構模態(tài)分析和動態(tài)設計計算，所以，內轉盤轉速上升到一定程度振動突然加劇，也可能存在設計失誤，致使內轉盤臨界轉速靠近工作轉速引起了系統(tǒng)共振。此外，還可能同時存在聯軸器安裝不正、內轉盤局部碰摩等原因，從而加劇系統(tǒng)的振動。

結合飼料粉碎機結構特點、故障現象及旋轉機械通常的故障機理，對飼料粉碎機故障作故障樹分析，如圖2所示。

圖2 內轉盤故障樹分析

經對飼料粉碎機逐步進行檢查，發(fā)現在所有的基礎事件（除共振外）中，同時存在內外轉盤沒有進行動平衡、加工裝配精度低、內轉盤上的零件裝配精度低、內轉盤長期存放不當及安裝時造成軸彎曲變形等事件，這些事件均會不同程度地造成飼料粉碎機的振動。但振動如此劇烈，除此之外是否還存在設計缺陷，飼料粉碎機工作轉速是否接近內轉盤臨界轉速呢？從現象上分析，此次劇烈振動與共振很相似，但還需從理論上進行確定。

3 飼料粉碎機內轉盤臨界轉速計算

3.1 臨界轉速計算方法

根據國際標準（ISO），臨界轉速定義為：系統(tǒng)共振時發(fā)生響應的特征轉速。由于軸是一個彈性體，其旋轉時產生以離心力為表征的干擾力，從而引起軸的彎曲振動，當這種強迫振動的頻率與軸彎曲自振頻率相重合時，就出現彎曲共振現象。從理論上說，此時軸的彎曲變形將無限制地增加，以致造成軸的破壞。

臨界轉速分析的主要目的在于確定轉子支承系統(tǒng)的各階臨界轉速，并按照經驗或有關技術規(guī)定，調整轉速，使其適當遠離機械的工作轉速，以得到可靠設計。例如，設計地面旋轉機械時，一般要求：對于工作轉速（n）低于一階臨界轉速（nc1）的轉子，應使 n＜0.75nc1；對于工作轉速高于其一階臨界轉速的轉子，應使 1.4nck＜n＜0.7nck+1。

目前已經發(fā)展出多種較為完善的臨界轉速計算方法，如矩陣迭代法、傳遞矩陣法、能量法、特征方程法和數值積分法等。其中傳遞矩陣法是各類旋轉機械制造工業(yè)中最為通用的臨界轉速計算方法，發(fā)展得也最為完善。內轉盤的臨界轉速用傳遞矩陣法計算。

傳遞矩陣法的基本原理是:取不同轉速值，循環(huán)進行各軸段截面狀態(tài)參數的逐段推算，直至滿足轉軸另一端的邊界條件。計算轉子支承系統(tǒng)臨界轉速時，要把轉軸分成許多等截面段（軸段），凡是輪盤、集中質量、聯軸器、軸承等所在位置，以及軸徑（外徑或內徑）或材料有變化的地方，都應取為軸段截面。為了進行每一段的計算，需要寫出這一段起始端和終端狀態(tài)參數的轉換方程

式中:Ki和Oi——第i段的終端和起始端；

X、θ、M和Q——撓度、轉角、彎矩和剪力；

a11和a12——終端單位剪力和彎矩在終端引起的撓度；

a21、a22——終端單位剪力和彎矩在終端造成的轉角。

從內轉盤的初始截面逐段推算其狀態(tài)參數，在每一跨度終端的截面，進行參數消除和變換，遞推到整個轉子的末端，并應用末端邊界條件，可寫出兩個具有未知參數的齊次方程。也就是說，借整個轉子兩端的邊界條件及整個轉子的傳遞矩陣，總存在關系式

式中:q1、q2——X0、θ0或 θ0、Q0；

a11、a12、a21、a22——由傳遞矩陣遞乘并借邊界條件變換后得到，它們在給定試算轉速條件下皆各為常數。

假如齊次方程系數的二階行列式等于零，則試算轉速n就是臨界轉速。若這一條件不能滿足，則須另選值，重復以上運算。

3.2 內轉盤臨界轉速計算

為了便于計算，把內轉盤簡化為具有若干個集中質量的多自由度系統(tǒng)，如圖3所示。即沿軸線把轉子質量及轉動慣量集中到若干結點上，結點一般選在有集中質量的葉輪、聯軸器和軸截面有突變處及軸支承點、軸端部等位置。結點的質量及轉動慣量除本身以外，還應加上左右軸段二分之一的質量和轉動慣量。

對于內轉盤，最后一段是一個懸臂，沒有外力和力矩，即M與Q均等于零，因此在方程中其系數的行列式△等于零。首先選取轉速n=1300 r/min計算，輸入各軸段參數計算得：Δ=101270，用n=1325 r/min計算，得：Δ=-9710，Δ變?yōu)樨撝?，可見等于零的值存在?300～1325。這時，可根據兩次計算所得行列式之值應用插值法，求得一階臨界轉速為1322.8 r/min。

臨界轉速的計算結果與現場實際相吻合，說明在轉速上升過程中激勵了內轉盤的固有頻率，發(fā)生了共振。因此，初始設計存在失誤，設計缺陷是造成本次故障的主要原因。同時，結合對內轉盤的故障分析可以看出，設備在加工制造過程中留下的工藝缺陷及安裝不當等原因加劇了設備開機后的振動，從而一并造成此次樣機試驗中的重大故障。

圖3 內轉盤質量離散化

4 飼料粉碎機改進

針對以上分析和內轉盤臨界轉速的計算結果，以及設備的特點，對自擊式飼料粉碎機提出如下改進措施：①重新確定工作轉速，在不明顯影響粉碎效率的情況下，將工作轉速重新調整到為900 r/min，以避免激勵內轉盤的固有頻率；②增加內轉盤軸的支承剛度，并適當減小內轉盤直徑尺寸，以增加其固有頻率；③提高加工精度、焊接質量，嚴格、正確地進行裝配；④將反擊板等易損件換為新型耐沖擊、抗磨損特殊材料；⑤按技術要求對轉子進行動平衡處理。

通過采取上述措施，對飼料粉碎機結構設計等進行改進后，重新試機，其運行狀況良好，振動幅度明顯降低在正常范圍之內。

5 結語

飼料原料的粉碎是飼料加工中非常重要的一個環(huán)節(jié)。自擊式飼料粉碎機科學地綜合了塊狀飼料沖擊破碎與打擊破碎及動態(tài)篩分的功能，可以較好地控制出料粒度大小，獲得較為顯著的節(jié)能效果。通過改進后，飼料粉碎機機件負荷達到了較合理的配置，穩(wěn)定性有了較大幅度的提高。隨著產品設計與制造的進一步完善，該機有望成為一種應用廣泛的新型高效飼料粉碎設備。