田海清，王海慶，黃 濤，王 迪，劉 飛，韓寶生

?

錘片飼料粉碎機(jī)組合形篩片設(shè)計改善粉碎性能

田海清，王海慶，黃 濤，王 迪，劉 飛，韓寶生

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

針對環(huán)流層對環(huán)篩式錘片飼料粉碎機(jī)性能的影響，設(shè)計了組合形篩片，以改變環(huán)流運(yùn)動規(guī)律，改善錘片粉碎機(jī)性能。論文分析了粉碎機(jī)使用組合形篩片對粉碎性能的影響。利用計算流體力學(xué)軟件Fluent對粉碎機(jī)采用環(huán)形平篩及組合形篩片的氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬，比較粉碎機(jī)使用2種篩片時的氣流場速度、壓力分布情況，驗(yàn)證了組合形篩片的使用可有效改善粉碎室氣流場特性。在相同工況下，對裝有環(huán)形平篩及組合形篩片的CPS-280型粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎性能比較試驗(yàn)，對比分析不同篩片對物料粉碎效果的影響。結(jié)果表明，組合形篩片的使用可提高生產(chǎn)率、改善物料的粉碎質(zhì)量。尤其當(dāng)篩片等分?jǐn)?shù)目為4，翼形弧前段圓弧半徑為26 mm，后段圓弧半徑為200 mm，等邊角為120°時，物料粉碎效果更佳，生產(chǎn)率較環(huán)形平篩提高28.98%，度電產(chǎn)量提高35.84%，溫升降低2 ℃，物料粒徑分布方差降低40.62%。該文采用組合型篩片的粉碎機(jī)氣流場特征優(yōu)于環(huán)形平篩，有利于改善錘片粉碎機(jī)性能。

機(jī)械化；設(shè)計；計算機(jī)仿真；飼料粉碎機(jī)；組合形篩片；粉碎性能

0 引 言

錘片粉碎機(jī)是目前飼料生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的粉碎設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性好、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。它利用高速旋轉(zhuǎn)錘片、篩片等工作部件及粉碎室氣流的共同作用，實(shí)現(xiàn)物料顆粒的粉碎[3-4]。但在生產(chǎn)實(shí)際中，錘片粉碎機(jī)仍然存在生產(chǎn)效率低、能耗高及飼料粒度不均勻等問題[5-6]。

錘片粉碎機(jī)工作時，在粉碎室內(nèi)易形成氣固環(huán)流層，環(huán)流層是影響粉碎機(jī)性能的重要因素。為此，一些研究者通過改變粉碎室形狀、篩片形狀來破壞環(huán)流層，改善粉碎機(jī)性能。因改變篩片形狀較為容易，近年來，一些研究者先后設(shè)計了梯形篩片、間隔分段圓弧篩片及翼形篩片[7-11]，研究結(jié)果表明，合理的篩片形狀改變可改善粉碎機(jī)性能。但這些研究結(jié)論大多是宏觀、定性及試驗(yàn)推測結(jié)果，并未深入研究篩片形狀改變對流場特征的影響，以及如何設(shè)計篩片形狀可獲得較為理想的流場特征。

近年來，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，一些研究者已將計算流體力學(xué)（CFD）應(yīng)用于對粉碎機(jī)流場特征的研究。如曹麗英等[12-15]采用Fluent軟件研究了新型錘片粉碎機(jī)粉碎腔（腔內(nèi)無篩片）及分離裝置的內(nèi)部流場特征，并借助高速攝影技術(shù)驗(yàn)證了其仿真模擬的可靠性。Hideya等[16]借助數(shù)值模擬技術(shù)研究了工業(yè)用沖擊式粉碎機(jī)定子幾何參數(shù)對粉碎性能的影響。Hirohisa等[17]采用CFD與離散相模型（DPM）耦合的方法模擬了沖擊式粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)的壓強(qiáng)、速度分布規(guī)律和物料運(yùn)動軌跡。

考慮到篩片形狀改變對流場特征及粉碎機(jī)性能的影響，本研究提出一種組合形篩片設(shè)計方法，并通過理論分析、數(shù)值模擬和飼料粉碎試驗(yàn)研究這一篩片形狀對流場特征及粉碎機(jī)性能的影響，為新型篩片的設(shè)計提供理論依據(jù)及實(shí)現(xiàn)方法。

1 組合形篩片的設(shè)計

1.1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

本研究以市面上熱銷的CPS-280型錘片飼料粉碎機(jī)為研究樣機(jī)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。工作時，飼料從喂料斗6沿轉(zhuǎn)子軸向喂入到粉碎室9，首先受到高速旋轉(zhuǎn)錘片4的打擊而破裂，并在打擊力和氣流作用下飛向篩片3，與之撞擊被彈回，如此不斷反復(fù)受到錘片4打擊和篩片3的撞擊，直至粉碎成合格小顆粒碎物料，經(jīng)篩孔流出。留在篩片上的大顆粒物料在錘片4與篩片3的摩擦作用下進(jìn)一步粉碎，直至粒徑合格，經(jīng)篩孔流出。

1.機(jī)架 2.出料腔 3.篩架及篩片 4.錘片 5.喂料口進(jìn)氣孔 6.喂料斗 7.粉碎室蓋板 8.錘片架 9.粉碎室 10.電機(jī)

表1 CPS-280型錘片飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1.2 組合形篩片設(shè)計方法

篩片的設(shè)計在結(jié)構(gòu)上應(yīng)滿足粉碎機(jī)原篩架對篩片的安裝尺寸要求，在形狀上應(yīng)盡可能的改變環(huán)流運(yùn)動規(guī)律，產(chǎn)生利于物料粉碎和篩分的良性流場，同時對粉碎機(jī)性能應(yīng)有較大幅度的改善。組合形篩片設(shè)計方法如圖2所示，將篩片沿周向分成等分（考慮到本研究樣機(jī)篩架結(jié)構(gòu)，篩片加工的方便性及成本，取為3或4），每一等分段由翼形弧、等邊角及圓弧三部分組成。連接各等分段中等邊角頂點(diǎn)的輪廓圓周線（=291mm）與每等分段中圓?。?271mm）同心，和也是篩架上篩片的安裝尺寸，篩片安裝在和之間。翼形弧與直徑輪廓圓周線相切，與直徑圓弧相接，由前后兩段半徑不同的圓弧依次連接組成，前段圓?。槙r針方向）半徑為1，后段圓弧半徑為2。翼形弧前后兩段圓弧的位置由、、三點(diǎn)確定，、兩點(diǎn)決定1圓弧的圓心位置，、兩點(diǎn)決定2圓弧的圓心位置。、兩點(diǎn)為翼形弧所對應(yīng)中心角（考慮到篩片的等分?jǐn)?shù)目，取30°或60°）的邊線與直徑圓弧的交點(diǎn)。點(diǎn)為翼形弧最大弦高點(diǎn)，根據(jù)空氣動力學(xué)理論和低速機(jī)翼外形設(shè)計經(jīng)驗(yàn)[18]，點(diǎn)位于翼形弧弦長的15%～30%處?？紤]到篩片加工的便利性，將點(diǎn)設(shè)定為翼形弧1/4弦長（從點(diǎn)出發(fā)）處的垂線與直徑輪廓圓周線的交點(diǎn)。1和2的大小取決于翼形弧的弦長和最大弦高max，由圖2幾何關(guān)系可知

式中max為最大相對彎度，由樣機(jī)篩片安裝尺寸決定，一般max=0.1～0.2；為半徑系數(shù)，依據(jù)半徑2與弦長的幾何關(guān)系推導(dǎo)得出，變化范圍為1 000～2 000。

1.錘片 2.圓弧 3.翼形弧 4.等邊角 5.錘片架

1.Hammer 2.Circulr arc 3.Airfoil arc 4.Equilateral angle 5.Hammer frame

注：為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)半徑，mm；1為翼形弧前段圓弧半徑，mm；2為翼形弧后段圓弧半徑，mm；為篩片各等分段中等邊角形頂點(diǎn)的輪廓圓周線的直徑，mm；為篩片每等分段中圓弧直徑，mm；為翼形弧所對應(yīng)的中心角，(°)；1為等邊角，(°)；1為錘片相對于徑向的傾角，(°)；c為錘片架半徑，mm；max為翼形弧最大弦高，mm；為翼形弧弦長，mm。

Note:is radius of gyration of rotor, mm;1is front arc radius of airfoil arc, mm;2is rear arc radius of airfoil arc, mm;is diameter of circumferential line of the contour of the isosceles corner in each segment of the sieves, mm;is diameter of each segment of sieves, mm;is central angle corresponding to airfoil arc, (°);1is equilateral angle, (°);1is angle of hammer relative to the radial direction, (°);cis radius of the hammer frame, mm;maxis maximum chord height of airfoil arc, mm;is airfoil arc chord length, mm.

圖2 組合形篩片設(shè)計原理圖

Fig.2 Design principle diagram of combination sieve

考慮到樣機(jī)篩架上固定篩片的螺桿數(shù)目（6個，均勻布置在和之間）和篩片加工的方便性，本設(shè)計以翼形弧所對應(yīng)中心角后邊線（過點(diǎn)）為始邊，對直徑輪廓圓周線12等分，第一個12等分圓弧的中心位置為等邊角頂點(diǎn)處。圖3為等邊角區(qū)域物料攻擊角示意圖。

注：b1為換算角，(°)；a1為物料顆粒對篩片的攻擊角，(°)；y為物料顆粒的拋射角，(°)；L0為物料顆粒的拋射線；L3為物料顆粒撞擊篩片A處的切線；L1為等邊角弦線，且L1// L2。

由圖3可知，等邊角1為

式中1為物料顆粒對篩片的攻擊角，指物料顆粒的拋射線0與物料撞擊篩片A處的圓弧切線3之間的夾角，(°)；為錘片與物料的摩擦系數(shù)。

篩片等邊角的設(shè)計應(yīng)使物料對其攻擊角盡可能的接近90°，同時考慮到樣機(jī)篩片的安裝尺寸、物料的過篩面積以及篩片加工的方便性，本設(shè)計將等邊角1設(shè)定為120°。設(shè)定篩片每一等分段中等邊角所對應(yīng)的中心角為2，圓弧所對應(yīng)的中心角為3，根據(jù)篩片等分?jǐn)?shù)目及幾何關(guān)系，確定其主要參數(shù)為：翼形弧所對應(yīng)的中心角、翼形弧前段圓弧半徑1、翼形弧后段圓弧半徑2、等邊角所對應(yīng)的中心角2、圓弧所對應(yīng)的中心角3。在保證所設(shè)計篩片中等邊角及圓弧相關(guān)參數(shù)一致的前提下，本研究通過改變每一等分段中等邊角與翼形弧的相對位置關(guān)系、篩片等分?jǐn)?shù)目，獲得了3種形狀不同的組合形篩片，如圖4所示。表2是3種不同形狀的組合形篩片的設(shè)計參數(shù)，A1篩片與A2篩片的主要區(qū)別是等分?jǐn)?shù)目不同；A2篩片與A3篩片的主要區(qū)別是篩片等分段中等邊角的相對位置不同，前者等邊角在翼形弧尾部，后者等邊角在翼形弧頭部。

注：L3為翼形弧前段圓弧弧長，mm；L4為翼形弧后段圓弧弧長，mm；L5為等邊角邊長，mm；L6為圓弧弧長，mm；q2為等邊角所對應(yīng)的中心角，(°)；q3為圓弧所對應(yīng)的中心角，(°)。

表2 3種不同形狀的組合形篩片的設(shè)計參數(shù)

1.3 組合形篩片對粉碎機(jī)性能影響分析

粉碎機(jī)采用組合形篩片工作時，將會在粉碎室等邊角形區(qū)域產(chǎn)生多個渦旋，使得環(huán)流外層的大顆粒翻轉(zhuǎn)至內(nèi)層，并以不同的速度和方向不斷與錘片軌跡交叉形成雜亂無序的紊流運(yùn)動，增大了物料顆粒的受打擊機(jī)率。同時，環(huán)流中多個渦旋的運(yùn)動疊加會不斷消耗能量，進(jìn)而降低物料速度，致使物料與錘片產(chǎn)生較大的相對速度，提高了錘片的打擊能力。

粉碎機(jī)負(fù)載工作時，物料在粉碎室無論發(fā)生何種運(yùn)動，必然會與篩片發(fā)生碰撞，該碰撞的存在會影響粉碎機(jī)性能，這與物料對篩片的攻擊角息息相關(guān)。物料對篩片的攻擊角大小直接影響到物料顆粒的破壞程度、篩分及能量消耗，攻擊角越大，越利于物料粉碎和篩分。如圖5所示，當(dāng)物料在翼形區(qū)域運(yùn)動時，物料對篩片的攻擊角較圓弧區(qū)域增大，一方面將減小物料對篩孔的入射角，使得物料的出篩機(jī)率增大，避免了物料過度粉碎；另一方面，物料與篩片將會由摩擦碰撞逐漸轉(zhuǎn)變成正面碰撞，不僅增大了物料的破壞程度，也降低了因摩擦做功引起的溫升和能量消耗。由圖5可知，當(dāng)物料在等邊角區(qū)域運(yùn)動時，攻擊角在90°附近變化，使得物料與篩片幾乎垂直撞擊，此時物料的破壞程度最大，易于實(shí)現(xiàn)物料粉碎。

注：L7為物料起拋處錘片的垂線；L8為物料撞擊篩片A處的圓弧切線；L9為輔助線，L9// L8；q為輔助角，(°)。

2 粉碎室氣流場數(shù)值模擬

2.1 模型及邊界條件

本樣機(jī)主要適用于玉米等物料的粉碎。玉米是飼料加工中最為常見的需粉碎物料，質(zhì)量輕，體積小，屬輕質(zhì)物料。輕質(zhì)物料在流體中具有良好的跟隨特性，可以較小的相對速度跟隨流體運(yùn)動，此時物料的運(yùn)動可用流體運(yùn)動近似分析[19]。篩片是粉碎室的重要組成部分，其形狀改變對流場特征產(chǎn)生較大影響，研究粉碎室氣流場特征對篩片的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

利用三維建模軟件Creo構(gòu)建環(huán)形平篩與組合形篩片實(shí)體模型，并在Gambit軟件內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分（非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格）和邊界類型定義，完成數(shù)值模擬前處理工作。計算網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件后，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行流場模擬[20-22]。論文以A3篩片為例介紹粉碎室氣流場模擬求解過程。

Fluent邊界條件設(shè)定：粉碎室入口風(fēng)速均為7 m/s（實(shí)測入口風(fēng)速），出口壓力均為大氣壓，壁面邊界為非滑移邊界條件；針對粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)問題，論文假設(shè)粉碎室氣流場為不可壓縮定常流，采用多參考坐標(biāo)系方法近似模擬氣流場[23-27]，轉(zhuǎn)子組區(qū)域轉(zhuǎn)速均設(shè)定為4 300 r/min（粉碎機(jī)主軸轉(zhuǎn)速），迭代步數(shù)均為500步，其余均為默認(rèn)設(shè)置，在此基礎(chǔ)上對粉碎腔內(nèi)的氣流場求解計算。

2.2 氣流場數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本研究以樣機(jī)主軸靠近進(jìn)料口端平面中心為原點(diǎn)，水平方向?yàn)檩S，垂直方向?yàn)檩S，樣機(jī)主軸中心線方向?yàn)檩S建立三維坐標(biāo)系，對粉碎機(jī)氣流場壓力、速度進(jìn)行模擬分析。圖6a是環(huán)形平篩水平面內(nèi)的壓力云圖，粉碎機(jī)采用環(huán)形平篩的氣流場壓力沿轉(zhuǎn)子徑向具有明顯的分層和梯度分布特征，且數(shù)值較大。粉碎室氣流場壓力從錘片末端到轉(zhuǎn)子中心逐漸減小，在轉(zhuǎn)子中心形成極小壓力區(qū)。另外，氣流場壓力從篩片表面到錘片末端逐漸遞增，在錘片末端邊緣形成高壓區(qū)，最大壓力可達(dá)2 210 Pa。圖6b是環(huán)形平篩平面的速度分布，從圖中可以看出，氣流場速度從轉(zhuǎn)子中心到篩片表面逐漸增大，在靠近篩片附近形成明顯的高速環(huán)流區(qū)，此時最大速度為60.9 m/s。在高速旋轉(zhuǎn)錘片的作用下，在轉(zhuǎn)子中心處形成負(fù)壓區(qū)，并在錘片末端形成高速、高壓環(huán)流層，使得物料向轉(zhuǎn)子中心收縮，阻礙了物料的出篩。

圖6 環(huán)形平篩壓力和速度分布

由組合形篩片水平面壓力云圖（圖7a）可知，粉碎機(jī)采用組合形篩片時，粉碎室氣流場壓力沿轉(zhuǎn)子徑向無明顯變化規(guī)律，呈現(xiàn)出雜亂無序的分布狀態(tài)。轉(zhuǎn)子中心到篩片表面的氣流場壓力雖有遞增趨勢，但增幅較小；另外，氣流場壓力總體較小，在篩片表面附近形成相對較大壓力區(qū)，此時最大壓力為542 Pa，僅為環(huán)形平篩的1/4。

圖7 組合形篩片壓力和速度分布

圖7b是組合形篩片平面的速度分布，圖7c是組合形篩片平面的速度矢量局部放大圖，圖7d是等邊角區(qū)域速度矢量放大圖，由上述三圖（圖7b、圖7c、圖7d）可知，粉碎機(jī)采用組合形篩片的氣流場速度較低且無明顯的分層，局部區(qū)域產(chǎn)生渦旋和加速氣流。這一氣流場特征會影響物料顆粒在粉碎室的運(yùn)動軌跡，從而對物料顆粒的粉碎及篩分產(chǎn)生較大影響。

圖7c表明在篩片圓弧與翼形弧相接部位會產(chǎn)生一股不隨主流運(yùn)動的加速氣流噴射至翼形弧區(qū)域。此股加速氣流將會夾帶物料顆粒做高速運(yùn)動，使得篩片表面的大顆粒及時輸送，減小了篩片表面的顆粒密度，從而增加了合格物料的出篩機(jī)會。由圖7d可知，氣流沿轉(zhuǎn)子周向運(yùn)動至等邊角區(qū)域時，流道截面擴(kuò)大，會使氣流脫離壁面而產(chǎn)生突擴(kuò)運(yùn)動，形成氣流噴射。在流場粘性、壓力以及等邊角形結(jié)構(gòu)的共同作用下，氣流產(chǎn)生劇烈的渦旋運(yùn)動，使得粉碎室流場呈現(xiàn)雜亂無序的紊流狀態(tài)。另外，氣流作渦旋運(yùn)動時不斷消耗能量，使得粉碎室氣流速度降低，對物料顆粒的攜帶作用減弱，這將增大物料與錘片的相對速度，有利于物料顆粒的粉碎。

通過對裝有環(huán)形平篩及組合形篩片的粉碎機(jī)氣流場特征對比分析發(fā)現(xiàn)，粉碎機(jī)采用環(huán)形平篩工作時，轉(zhuǎn)子中心易形成負(fù)壓區(qū)，并在高速、高壓氣流的作用下，使粉碎室產(chǎn)生氣固環(huán)流層，這將阻礙物料顆粒的出篩，降低生產(chǎn)率。粉碎機(jī)采用組合形篩片的氣流場速度、壓力較低，對物料顆粒的攜帶作用較弱，增大了物料顆粒與錘片的相對速度，從而提高了錘片的打擊能力；劇烈的氣流渦旋夾帶物料顆粒不斷翻轉(zhuǎn)運(yùn)動，使得粉碎室氣固兩相流形成雜亂無序的湍流運(yùn)動，從而增加物料顆粒的碰撞和受打擊概率；另外，篩片翼形弧區(qū)域產(chǎn)生的加速氣流可增加物料顆粒動能，提高了物料顆粒穿越篩孔的能力。

綜上所述，粉碎機(jī)使用組合形篩片后，氣流場速度、壓力較小，產(chǎn)生了渦旋氣流和加速氣流，有利于物料粉碎和出篩。這說明了篩片形狀改變對粉碎機(jī)流場特征有明顯影響。

2.3 氣流場速度測定試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)儀器與方法

為驗(yàn)證粉碎機(jī)氣流場數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，同時考慮到粉碎機(jī)錘片及錘片架高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，難于在粉碎室內(nèi)部布置傳感器，以及測試的方便性，采用DT-8880熱線風(fēng)速儀對分別裝有環(huán)形平篩和組合形篩片的粉碎機(jī)（空載）出料口平面進(jìn)行了氣流速度測定。

本文采用的測定方法為等面積法，即：將粉碎機(jī)出料口平面劃分成9個等面積的矩形，測試各個矩形幾何中心的氣流速度。每個測點(diǎn)獨(dú)立重復(fù)測試3次，以其均值作為該測點(diǎn)的氣流速度值。氣流速度測點(diǎn)分布如圖8所示。

圖8 粉碎機(jī)出料口氣流速度測點(diǎn)分布

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

表3為裝有環(huán)形平篩和組合形篩片（A3篩片）的粉碎機(jī)出料口氣流速度模擬值與實(shí)測值對比，由表3可知，氣流速度仿真結(jié)果在數(shù)值上稍高于實(shí)測結(jié)果，相對誤差在8.62%以下，這可能與氣流場仿真時粉碎室壁面條件設(shè)定為絕對光滑，而實(shí)際壁面存在一定的粗糙度有關(guān)。仿真結(jié)果雖然存在誤差，但與實(shí)測結(jié)果變化趨勢基本一致，這足以說明仿真結(jié)果是可靠的。

表3 裝有環(huán)形平篩和組合形篩片（A3篩片）的粉碎機(jī)出料口氣流速度模擬值與實(shí)測值對比

3 粉碎性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)采用的主要儀器：三相四線有功電度表（200 r/(kWh)）、VARISPEED-616G5型變頻器、水銀溫度計、秒表（0.01 s）、電子天平（0.001 g）、臺秤及高度50 mm、直徑400 mm的標(biāo)準(zhǔn)物料粒徑分級篩。選用內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)種植的黃玉米，品種為金山126，實(shí)測含水率為9.77%，物性參數(shù)如表4所示。

表4 玉米顆粒物性參數(shù)

3.1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6971-2007《飼料粉碎機(jī)試驗(yàn)方法》[28]，對分別裝有環(huán)形平篩和3種所設(shè)計組合形篩片的粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎性能試驗(yàn)，粉碎機(jī)性能評價指標(biāo)為生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量、飼料溫升及粒度分布范圍。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知，在相同工況條件下，粉碎機(jī)采用組合形篩片的生產(chǎn)率較環(huán)形平篩分別提高了28.98%（A1）、16.74%（A2）和20.47%（A3）；度電產(chǎn)量分別提高了35.84%（A1）、16.43%（A2）、和25.38%（A3）。這說明組合形篩片的使用可有效提高粉碎機(jī)生產(chǎn)率，降低能耗。在組合形篩片中，尤其當(dāng)篩片等分?jǐn)?shù)目為4、等邊角為120°、翼形弧前段圓弧半徑為26 mm、后段圓弧半徑200 mm（A1篩片）時，粉碎機(jī)生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量最高，分別為466.20 kg/h、166.67 kg/(kW·h)。

表5 篩片試驗(yàn)評價指標(biāo)數(shù)據(jù)

針對碎物料溫升而言，組合形篩片的使用較環(huán)形平篩分別降低了2 ℃（A1）、2.5 ℃（A2）和3 ℃（A3），平均降低2.5 ℃，這說明物料溫升得到有效降低。分析其原因，可能在于：一方面，粉碎機(jī)采用組合形篩片后，物料的過篩能力得到了有效提高，使得篩片表面的物料顆粒密度減小，物料與篩片摩擦機(jī)率減少；另一方面，物料對篩片的碰撞方式發(fā)生了變化，由摩擦碰撞轉(zhuǎn)變成正面碰撞，摩擦做功減少。

表6是采用不同目數(shù)分級篩對已粉碎物料篩分后留在各篩上物料質(zhì)量。由表6可知，粉碎機(jī)采用組合形篩片對物料粉碎后，留在底盤上的碎物料質(zhì)量較環(huán)形平篩有所減少，說明物料過度粉碎得到一定程度的緩解。根據(jù)不同目數(shù)篩面上的物料顆粒質(zhì)量可得，粉碎機(jī)采用環(huán)形平篩的物料粒徑分布方差為50.61 g2。采用組合形篩片的物料粒徑分布方差分別為30.05 g2（A1）、46.47 g2（A2）、41.87 g2（A3），較環(huán)形平篩分別降低了40.62%（A1）、8.18%（A2）、17.27%。這說明采用組合形篩片的粉碎機(jī)對物料粉碎后，物料粒徑分布均勻性較環(huán)形平篩有所提高，且A1篩片的物料粒徑均勻性最好。綜合考慮生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量、溫升及飼料粒度均勻性，A1篩片為較優(yōu)的設(shè)計方案。

表6 經(jīng)篩分后各篩上物料質(zhì)量

3.3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果比較

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，粉碎機(jī)采用組合形篩片時，粉碎室氣流場壓力、速度較低，有利于提高錘片的打擊能力；另外，組合形篩片的使用，使得氣流作無序、非穩(wěn)態(tài)的紊流運(yùn)動，增大了物料顆粒受打擊和出篩概率。粉碎機(jī)性能試驗(yàn)表明，錘片粉碎機(jī)使用組合形篩片后，生產(chǎn)率較環(huán)形平篩平均提高22.15%，度電產(chǎn)量平均提高25.88%，溫升平均降低2.5 ℃，粉碎性能得到有效改善。數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果表明，裝有組合形篩片的粉碎機(jī)氣流場較環(huán)形平篩更利于物料粉碎和出篩，能夠改善粉碎機(jī)性能。

4 結(jié) 論

本文針對環(huán)流層對環(huán)篩式錘片粉碎機(jī)性能的影響，以市場上熱銷的CPS-280型粉碎機(jī)為研究樣機(jī)，設(shè)計了組合形篩片，并從理論分析、氣流場數(shù)值模擬和粉碎性能試驗(yàn)3個方面研究了組合形篩片的使用對流場特征、粉碎機(jī)性能的影響，得出的主要結(jié)論如下：

1）理論分析表明，采用本研究設(shè)計的組合形篩片代替環(huán)形平篩，增大了物料對篩片的攻擊角，使得物料與篩片由摩擦碰撞逐漸轉(zhuǎn)變成正面碰撞，降低了能耗。另外，組合形篩片的使用也增加了物料穿越篩孔的機(jī)率，有利于改善物料過度粉碎現(xiàn)象。

2）氣流場數(shù)值模擬結(jié)果表明，粉碎機(jī)采用組合形篩片運(yùn)行時，粉碎室氣流場產(chǎn)生劇烈的渦旋運(yùn)動，使其呈現(xiàn)出雜亂無序的的紊亂狀態(tài)；另外，這種劇烈的渦旋運(yùn)動不斷消耗能量，使得粉碎室氣流場壓力、速度較低，轉(zhuǎn)子中心負(fù)壓區(qū)不明顯，有利于物料顆粒的粉碎。氣流速度數(shù)值計算結(jié)果與試驗(yàn)測定結(jié)果相比，相對誤差在8.6%以內(nèi)。

3）粉碎性能試驗(yàn)結(jié)果表明，裝有A1篩片（篩片等分?jǐn)?shù)目為4，等邊角為120°，翼形弧前段圓弧半徑為26 mm，后段圓弧半徑200 mm）的CPS-280型粉碎機(jī)生產(chǎn)率最高，為466.20 kg/h，較環(huán)形平篩提高28.98%，度電產(chǎn)量比環(huán)形平篩增加35.84%，溫升降低2 ℃，物料粒徑更為均勻，分布方差降低40.62%。

4）本文研究結(jié)果表明，篩片形狀變化影響粉碎機(jī)流場特征，進(jìn)而影響粉碎機(jī)性能，合理的篩片形狀改變有利于粉碎機(jī)形成改善性能的良性流場。本研究設(shè)計的組合形篩片有助于環(huán)篩式錘片粉碎機(jī)形成良性流場，改善粉碎性能。

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

Liu Huang. The current situation and development of China’s feed mill[J]. Fishery Modernization, 2004, 3(1): 42－43. (in Chinese with English abstract)

[2] 王與，王順喜. 飼料粉碎機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J]. 糧食與飼料工業(yè)，2007(10)：4－19.

Wang Yu, Wang Shunxi. The development status analysis of the feed mill[J]. Cereal and Feed Industry, 2007(10): 4－19. (in Chinese with English abstract)

[3] 唐軍，秦永林，劉培生. 淺析影響錘片式粉碎機(jī)效率的因素[J]. 飼料工業(yè)，2007，28(15)：9－11.

Tang Jun, Qin Yonglin, Liu Peisheng. Analysis of the factors that affect the efficiency of the hammer mill[J]. Feed Industry, 2007, 28(15): 9－11.(in Chinese with English abstract)

[4] 曹麗英. 新型錘片式粉碎機(jī)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.

Cao Liying. Measuring and Simulating Analysis on Material-Sieving Properties for a New Hammer Mill[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[5] 王永昌，俞信國，俞政. 物料與錘片的線速差和物料通過篩孔的能力決定了錘片粉碎機(jī)的粉碎效果[J]. 飼料工業(yè)，2016，37(11)：1－9.

Wang Yongchang, Yu Xinguo, Yu Zheng. Line speed difference between material and hammer, and material's screen passing ability determine hammer mill’s grinding effect[J]. Feed Industry, 2016, 37(11): 1－9. (in Chinese with English abstract)

[6] 蘇從毅，王永昌，俞信國，等. 開刃錘片是提高粉碎機(jī)效率的新途徑[J]. 飼料工業(yè)，2016，37(1)：12－18.

Su Congyi, Wang Yongchang, Yu Xinguo, et al. Groove welding on hammers will enhance crusher’s working efficiency[J]. Feed Industry, 2016, 37(1): 12－18. (in Chinese with English abstract)

[7] 劉文廣，劉偉峰. 梯形篩片對錘片式粉碎機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2006，28(11)：168－170.

Liu Wenguang, Liu Weifeng. Experimental research on influence of the trapezium screen on hammer mill capability[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2006, 28(11): 168－170. (in Chinese with English abstract)

[8] 田海清，屈豐富，劉偉峰，等. 錘片式粉碎機(jī)分段圓弧篩片設(shè)計與粉碎性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(3)：92－95.

Tian Haiqing, Qu Fengfu, Liu Weifeng, et al. Design and Experiment of piece wise arc-shaped screen on hammer mill to grinding performance[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(3): 92－95. (in Chinese with English abstract)

[9] 田海清. 翼形組合型篩片：CN201420503118.1[P]. 2015-03-11.

[10] 杜嘉楠. 錘片式粉碎機(jī)翼形篩片的設(shè)計與試驗(yàn)研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

Du Jianan. The Design and Experimental Study on Airfoil Sieve Crushing Chamber of Hammer Mill[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[11] 王海慶，瑪納拉蘇仁，田海清，等. 錘片式粉碎機(jī)三角形

篩片的設(shè)計及試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40(7)：72－76.

Wang Haiqing, Manalasuren, Tian Haiqing, et al. The design and experimental study on the triangular screen of hammer mill[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(7): 72－76. (in Chinese with English abstract)

[12] 曹麗英，史興華，汪建新，等.錘片式飼料粉碎機(jī)分離裝置設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(11)：128－133.

Cao Liying, Shi Xinghua, Wang Jianxin, et al. Design and experiment of separation device of hammer feed mill[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(11): 128－133. (in Chinese with English abstract)

[13] 曹麗英，李燕燕，張玉寶，等. 錘片式粉碎機(jī)的回料管優(yōu)化設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 飼料工業(yè)，2014，35(21)：6－9.

Cao Liying, Li Yanyan, Zhang Yubao, et al. Optimal designing and experimental research on the material returning pipe of hammer mill[J]. Feed Industry, 2014, 35(21): 6－9. (in Chinese with English abstract)

[14] 曹麗英，武佩. 粉碎機(jī)分離裝置氣-固兩相流研究-基于FLUENT[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(2)：23－26.

Cao Liying, Wu Pei. Study on air-solid Tow-phase flow in the sieving set up of a hammer mill-based on fluent[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(2): 23－26. (in Chinese with English abstract)

[15] 曹麗英，史興華，石煒，等. 錘片式粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)流場仿真分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(8)：22－26.

Cao Liying, Shi Xinghua, Shi Wei, et al. Simulation and analysis on flow field in crashing cavity of new-type feed hammer mill[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(8): 22－26. (in Chinese with English abstract)

[16] Hideya N, Hiroyuki K, Hirohisa T, et al. Effect of stator geometry of impact pulverizer on its grinding performance[J]. Chemical Engineering Science, 2015, 122: 565－572.

[17] Hirohisa T, Hideya N, Tomohiro I, et al. Numerical modeling of fluid and particle behaviors in impact pulverizer[J]. Powder Technology, 2012, 217: 148－156.

[18] 酈正勇. 飛行器結(jié)構(gòu)學(xué)[M]. 北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2010：144－146.

[19] 沈鈞濤，陳十一. 球形粒子在流體中的跟隨性[J]. 空氣動力學(xué)學(xué)報，1989(7)：50－58.

Shen Juntao, Chen Shiyi. The pollowing behaviours of a spherical particle in fluid flow[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 1989(7): 50－58. (in Chinese with English abstract)

[20] BudǎCan I, Deac I. Numerical modeling of CFD model applied to a hammer mill[J]. Bulletin of University of Agricultural Sciences and Veterinary Medicine Cluj-Napoca. Agriculture, 2013, 70(1): 273－282.

[21] 宋濤，孔麗麗，邊炳傳，等. 錘片式飼料粉碎機(jī)內(nèi)自由流的流場特性分析[J]. 飼料工業(yè)，2017，38(21)：10－13.

Song Tao, Kong Lili, Bian Bingchuan, et al. Analysis of flow field characteristics of free flow in hammer feed mill[J]. Feed Industry, 2017, 38(21): 10－13. (in Chinese with English abstract)

[22] 袁竹林，朱立平，耿凡，等. 氣固兩相流動與數(shù)值模擬[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，2013：57－60.

[23] 王娟，王春光，王芳. 基于Fluent的9R-40型揉碎機(jī)三維流場數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(2)： 165－169.

Wang Juan, Wang Chunguang, Wang Fang. Numerical simulation on three-dimensional turbulence air flow of 9R-40 rubbing andbreaking machine based on Fluent software[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 165－169. (in Chinese with English abstract)

[24] 翟之平，李建嘯，吳雅梅，等. 葉片式拋送裝置氣固兩相流仿真及優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計與研究，2014(6)：154－157.

Zhai Zhiping, Li Jianxiao, Wu Yamei, et al. Simulation and optimization of solid- gas two flow in an impeller blower[J]. Machine Design and Research, 2014(6): 154－157. (in Chinese with English abstract)

[25] 麻乾，劉飛，趙滿全. 揉碎機(jī)揉碎機(jī)理分析及錘片結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(增刊2)：7－15.

Ma Qian, Liu Fei, Zhao Manquan. Working mechanism and structure optimization of hammer of rubbing machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(Supp.2): 7－15. (in Chinese with English abstract)

[26] 孫幫成，李明高，李明，等. ANSYS FLUENT 14.0仿真分析與優(yōu)化設(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：36－37.

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

Huang Tao. Numerical Simulation and Experimental Study on the Inner Flow Field of Hammer Mill[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2016.(in Chinese with English abstract)

[28] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T6971-2007，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). 飼料粉碎機(jī)試驗(yàn)方法[S].

Design of combination sieve for hammer feed mill to improve crushing performance

Tian Haiqing, Wang Haiqing, Huang Tao, Wang Di, Liu Fei, Han Baosheng

(,010018,)

The ring-sieve hammer feed mill is widely used, but the problems of low productivity, high energy consumption and circulation layer also exist. In order to improve the performance of ring-sieve hammer feed mill and crush materials with high efficiency and quality, a kind of combination sieve was designed for the CPS-280 hammer feed mill in this paper. First, according to the change of the attack angle of the material against the sieve, the influence of combination sieve on the crushing performance of the mill was analyzed. The air flow field of the mill with the circular flat sieve and the combination sieve (A3 sieve) were numerical simulated by computational fluid dynamics software (Fluent). Design parameters of A3 sieve are as follows: Equal division number is 3, Center angle of airfoil arc is 60o，F(xiàn)ront arc radius of airfoil arc is 52 mm, Rear arc radius of airfoil arc is 196 mm, Equilateral angle is 120o，Center angle of equilateral angle is 16o，Center angle of arc is 37o. The velocity and pressure distribution of air flow field in crushing chamber were compared between the 2 sieves. Through the simulation analysis, it was found that the pressure of the air flow field gradually increased from the center of the rotor to the end of the hammer when the mill adopted the circular flat sieve. The maximum pressure reached 2 210 Pa at the end of the hammer. At the same time, the air flow formed a high-speed circulation layer in the interval between the hammer and the sieve. The maximum velocity was 60.9 m/s. When the hammer mill was operated with the combination sieve, the air flow field of the crushing chamber produced a violent vortex motion, which made the air flow disorderly and chaotic. In addition, this violent vortex movement constantly consumed energy, making the flow field of the crushing chamber pressure and velocity lower, and the maximum pressure was 542 Pa which was -1/4 of the circular flat sieve. The above results verified that the air flow field characteristics of the crushing chamber could be effectively improved by using the combination sieve. In order to verify the accuracy of the numerical simulation of the hammer feed mill airflow field, the velocity of the air flow field of the hammer feed mill with the circular flat sieve and the combination sieve (A3 sieve) was tested. Compared with the measurement results, the simulation results showed that the error was within 8.62%. In the same working condition, the hammer feed mill equipped with the circular flat sieve or combination sieve was used for crushing performance test, and the actual crushing effect of different sieves on the material particle of the corn was analyzed. Compared with the circular flat sieve, the productivity was increased by average 22.15% and electrical output per kW·h was increased by average 25.88%, respectively, and the temperature rise of the corn was decreased by 2.5 ℃ on average. This showed the use of a combination sieve could increase productivity and improve the quality of materials. The material crushing performance was better than the circular flat sieve, especially when the sieve equal division number was 4, the front arc radius of the airfoil arc was 26 mm, the rear arc radius of the airfoil arc was 200 mm, and the equilateral angle was 120°, respectively. The productivity and electrical output per kW·h were increased by 28.98% and 35.84%, respectively, and the temperature rise of the corn was decreased 2 ℃. The particle size of the corn was more uniform and the over crushing phenomenon was improved. The distribution variance was decreased by 40.62%. The theoretical analysis, numerical simulation and experimental results showed that the air flow field characteristics of the hammer feed mill using the combination sieve were better than the circular flat sieve, which was more conducive to improve the performance of the mill. This study provides theoretical basis and implementation method for the design of new sieves.

mechanization; design; computer simulation; feed mill; combination sieve; crushing performance

田海清，王海慶，黃 濤，王 迪，劉 飛，韓寶生. 錘片飼料粉碎機(jī)組合形篩片設(shè)計改善粉碎性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(22)：45－52. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.006 http://www.tcsae.org

Tian Haiqing, Wang Haiqing, Huang Tao, Wang Di, Liu Fei, Han Baosheng. Design of combination sieve for hammer feed mill to improve crushing performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 45－52. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.006 http://www.tcsae.org

2018-05-18

2018-09-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51765055）

田海清，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)牧業(yè)機(jī)械智能化研究。Email：hqtian@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.006

S817.12+2

A

1002-6819(2018)-22-0045-08