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(jī)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(jī)性能的好壞直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和飼料品質(zhì)[1-2]。目前 ，錘片式粉碎機(jī)以其通用性好、技術(shù)成熟及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用[3]。

錘片飼料粉碎機(jī)工作時(shí)，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]?？諝?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(jī)會(huì)，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(jī)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(jī)[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(jī)會(huì)，是改善粉碎機(jī)性能的重要方法之一[9-14]。

本文針對(duì)粉碎機(jī)環(huán)流層問題，采用理論分析與粉碎性能試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)三角形篩片替代環(huán)形平篩，改變粉碎室內(nèi)氣流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得物料以不同的速度和方向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)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(jì)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(jì)

本研究采用仿丹麥4KB錘片式粉碎機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，設(shè)計(jì)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(zhǎng)a、三角形間距l(xiāng)，三角形篩片展開長(zhǎng)度為S。其中，S的計(jì)算公式為：S=2na， 為曲折性圓環(huán)內(nèi)所折三角形個(gè)數(shù)。其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

α.角度 h.高度 a.長(zhǎng)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(duì)粉碎機(jī)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(jī)生產(chǎn)效率、度電產(chǎn)量和粒度變化間的關(guān)系規(guī)律，進(jìn)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(jì)方案。為較客觀地考察三角形篩片各試驗(yàn)因素的影響作用，減少不必要的試驗(yàn)次數(shù)及降低試驗(yàn)費(fèi)用，采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案。依據(jù)均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，篩片設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 三角形篩片設(shè)計(jì)參數(shù)

2 三角形篩片粉碎室內(nèi)流場(chǎng)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(shí)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(jī)工作時(shí)，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(dòng)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流可使物料顆粒跟隨運(yùn)動(dòng)，物料間產(chǎn)生相互碰撞力，使得物料進(jìn)一步破碎。物料運(yùn)動(dòng)到錘片與三角形篩片頂角的狹小間隙處，受到強(qiáng)烈的剪切作用，達(dá)到物料剪切極限時(shí)而破裂。由于碎物料顆粒大小不均，在渦流流場(chǎng)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(jìn)而降低能耗，改善錘片式粉碎機(jī)的工作性能。

2.2 三角形篩片粉碎室內(nèi)流場(chǎng)分析

將三角形篩片安裝于粉碎室內(nèi)，隨著錘片的運(yùn)動(dòng)，錘篩間隙不斷變化，引起流場(chǎng)特征變化，如圖 3所示。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的錘片運(yùn)動(dòng)到距離篩片最近時(shí)(三角形篩片頂角部分)，錘篩間將形成一個(gè)狹窄的間隙，物料-空氣環(huán)流層通過該處時(shí)可形成縮徑噴射，而通過該間隙進(jìn)入較寬區(qū)域時(shí)會(huì)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(jìn)而向徑向運(yùn)動(dòng)，在碰到篩片時(shí)形成小旋流。主旋流和小旋流形成渦流流場(chǎng)，而空氣-物料環(huán)流層的運(yùn)動(dòng)速度越大，越易在徑向邊緣靠近篩片處形成負(fù)壓區(qū)。當(dāng)徑向流和噴射流相遇時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流顫振，進(jìn)而出現(xiàn)湍流運(yùn)動(dòng)。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(shí)，流體速度會(huì)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(yùn)動(dòng)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(fù)壓區(qū) 5.渦流顫振區(qū)

通過對(duì)粉碎室內(nèi)流場(chǎng)特征的分析發(fā)現(xiàn)，三角形區(qū)域產(chǎn)生的渦流流場(chǎng)阻礙空氣-物料環(huán)流層運(yùn)動(dòng)，可使物料顆粒的運(yùn)動(dòng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)形成紊流，從而破壞空氣-物料環(huán)流層。另外，渦流流場(chǎng)的產(chǎn)生可增大物料顆粒和錘片的相對(duì)速度，增強(qiáng)錘片對(duì)物料的沖擊作用，進(jìn)而提高錘片的破碎能力。粉碎室內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生使得物料顆粒翻轉(zhuǎn)、無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有利于增加大顆粒物料的碰撞及受打擊的機(jī)會(huì)，從而提高粉碎機(jī)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(jī)會(huì)，減少篩片表面的物料顆粒密度，進(jìn)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(jī)性能。

3 三角形篩片粉碎性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)采用仿丹麥4KB型錘片式飼料粉碎機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，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(zhǎng)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(jī)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(yàn)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(jì)、秒表(0.01s)、電子天平(0.001g)、臺(tái)秤、B0.6611振篩機(jī)，以及高度25mm、直徑400mm的標(biāo)準(zhǔn)篩。

試驗(yàn)以含水率為13.13%的玉米物料作為粉碎對(duì)象。為了客觀評(píng)價(jià)粉碎機(jī)性能，本研究選擇粉碎機(jī)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將所設(shè)計(jì)的5種三角形篩片分別安裝在仿丹麥4KB錘片式粉碎機(jī)上進(jìn)行粉碎性能試驗(yàn)，試驗(yàn)嚴(yán)格遵守粉碎機(jī)粉碎試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 6971-2007《飼料粉碎機(jī)試驗(yàn)方法》)，試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jìn)行粉碎性能試驗(yàn)，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(jī)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(shí)(即篩片1)，綜合效果較好，說明三角形篩片1的使用對(duì)粉碎機(jī)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(jì)方案。

由表2和表3可知：

1)采用三角形篩片的粉碎機(jī)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(jī)會(huì)，產(chǎn)生粒度不同的顆粒，使其碰撞產(chǎn)生的動(dòng)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(duì)變化是隨機(jī)的，再加上物料顆粒隨機(jī)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(chǎng)湍動(dòng)能過大，過于加大了物料的碰撞機(jī)會(huì)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(jī)性能指標(biāo)關(guān)系規(guī)律

通過對(duì)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(dòng)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(jī)，可使粉碎室內(nèi)氣流場(chǎng)特征不斷變化，進(jìn)而在三角形區(qū)域形成局部渦流流場(chǎng)，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(duì)速度，提高粉碎效率，增大有效篩理面積，從而改善粉碎機(jī)性能。

2)試驗(yàn)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(jī)時(shí)，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(jì)方案。

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