弱弹性碰撞粉碎

赵 波

破坏固体质点间的内聚力作用而形成新表面的过程，通称为粉碎。实施粉碎的作用力主要有：撞击力、挤压力、剪切力、碾磨力等。饲料加工中的粉碎机械通常亦以上述作用力作为主要粉碎施力，即：撞击粉碎、挤压粉碎、剪切粉碎、碾磨粉碎等。

锤片式粉碎机以高速旋转呈离心展开状的锤片作为粉碎执行工具，顾名思义，撞击粉碎是其主要粉碎手段。在高速运转及撞击过程中，锤片同时也对物料施以挤压、剪切和碾磨等作用。锤片式粉碎机的粉碎过程是以撞击粉碎效应为主，同时包含了挤压、剪切和碾磨等综合粉碎效应。

本文认为挤压粉碎、剪切粉碎、碾磨粉碎是撞击粉碎的特殊形式：

挤压粉碎是物料受到了整体撞击粉碎作用；

剪切粉碎是物料被剪切部位受到了集中撞击粉碎作用；

碾磨粉碎主要是物料的外层部位受到了撞击粉碎作用，碾磨粉碎同时又融合了挤压粉碎、剪切粉碎效应。

破坏的过程即能量传递的过程，破坏执行体将破坏能量传递给了被破坏物体，被破坏物体在被传递了破坏能量后导致自身破损，破损程度取决于接收到的有效破坏能量的大小。本文仅借助枪弹创伤学原理（不涉及生命科学）进行说明。

枪弹对人体的创伤，在创伤原理学中认为是创伤能量传递的过程，创伤程度就是枪弹传递给人体的动能。

设枪弹参数如下：

1.枪弹质量=m1

2.枪弹击中人体前速度=v1

3.枪弹穿出人体后速度=v2

有：0≤v2＜v1

4.枪弹损失动能=E1

在上述设定中，人体被击中后位于原地，没有被枪弹加速，即枪弹损失的动能全部用于对人体的破坏，E1值越大，则对人体的破坏越大。

参照上述原理，锤片式粉碎机高速旋转的锤片携带电机赋予的动能，在对被粉碎物料进行打击时，将动能传递给了物料。由于运行中锤片获得电机连续性动能补充，所以可大致认为锤片在打击物料前后携带的动能基本不变，而只是将电功传递给了物料。

物料在受到锤片打击，获得了锤片传递的能量E2。

E2主要由以下三个方面组成：

1.物料被加速，获得动能E3；

2.物料及锤片发热，获得热能E4；

3.物料被击碎，物料组织吸收破碎能E5。

在（b）式中，物料发热E4不可避免。实践中发现，粉碎效果越好，物料的发热程度就越低。要在粉碎过程中向物料组织传递更多的破碎能E5，其中方法之一，就是降低物料被打击后的动能E3消耗。

设物料颗粒参数如下：

1.物料颗粒粉碎前的质量=m2

2.物料颗粒粉碎后的质量：m3；m4；m5；......；mn

3.物料颗粒粉碎后各颗粒速度：v3；v4；v5；......vn

物料颗粒粉碎前的质量和粉碎后的质量总和没有变化，根据（d）式，要降低 E3，只有降低 v3；v4；v5；......；vn

根据物理学原理，碰撞运动有以下三种形式：

①完全弹性碰撞

刚性物质碰撞，碰撞物将动能完全传递给被碰撞物，被碰撞物吸收到的动能完全转变为自身的动能增值。

恢复系数：κ1=1

②弹性碰撞

非刚性物质碰撞，碰撞物所传递动能的一部分转变为被碰撞物的动能增值，另一部分被吸收转变为其它能量形式。

恢复系数：0＜κ2＜1

③完全塑性碰撞

非刚性物质碰撞，碰撞物所传递的动能完全没有转变为被碰撞物的动能增值，而是完全被吸收转变为其它能量形式。

恢复系数：κ3=0

除非在理论状态下，实际应用中第一、三种碰撞形式是不存在的，显然，粉碎过程中锤片打击物料的碰撞运动属于第二种形式：弹性碰撞。

锤片打击物料后，物料发生破碎，设被击碎后的某物料颗粒mn，其击后速度为vn，根据动量守衡定理，有：

式中：ma——锤片质量，为定值；

Va——锤片线速度，为定值；

Vb——物料落入粉碎室的速度；

相对于锤片的线速度 va、vb可忽略不计，即：vb≈0。简化公式：

根据（f）式，只有降低κ2值，才能降低vn值。

降低κ2值的有效方法是，在碰撞运动中减弱弹性碰撞效应，增强塑性碰撞效应。

因此，弱化锤片打击物料过程中的弹性碰撞效应，强化塑性碰撞效应，有利于锤片动能转变为物料组织的破碎能，从而提高粉碎机的粉碎性能。

借助上述推断，在实践中以某种材料经特殊工艺制成一种新型锤片，其κ2值低于目前通用锤片，以促使上述假说效应的发生。应用于锤片式粉碎机的产量调试，产量获得了提高（见表1、表2）。

经实践初步总结，实践中使用的这种新型锤片的总产量优势不及相应的普通碳化钨锤片，但粉碎效率高、单产产量大、电能消耗低。以辽宁某饲料企业为例，这种锤片在φ0.8×φ0.8孔筛片状态下粉碎鱼饲料的总产量约为750 t，则：

表1 辽宁某饲料企业90 kW锤片式粉碎机

表2 山东某饲料企业75 kW锤片式粉碎机

调试前耗时750 t÷2.3 t/h=326 h

调试后耗时750 t÷5.0 t/h=150 h

辽宁该市的工业电价为：0.76元/度（平期电价），则该饲料企业每粉碎750 t鱼饲料所节约的电费约为：

0.76 元×90 kW×（326 h-150 h）=12038(元)

由此例可见，这种锤片在该饲料企业的效率提高超过一倍多，有利于饲料企业较大地降低成本，且能迅速完成生产任务，单位生产周期内获得更多产出，甚至减少加班时间和加班付出，其综合效益是可观的。

本文将这种新型粉碎工艺称为弱弹性碰撞粉碎；将这种新型锤片称为弱弹性碰撞锤片。