气压喷吹的锤片式粉碎机设计

■孔腾华 巩桂芬

(陕西科技大学，陕西西安710021)

随着我国经济的不断发展，我国每年都用数百万斤粮食和农作物秸秆被粉碎加工成饲料，饲料工业已经发展成为国民经济中不可缺少的重要基础产业。锤片粉碎机是目前饲料行业应用较为广泛的一种粉碎机类型，具有结构简单，通用性好，效率高的特点，目前国内外对锤片式粉碎机的研究主要集中在对原有结构的改进上。从创新的方面出发，运用创新的转子系统改善粉碎机性能，粉碎机效率对我国农业经济效益有重要影响。因此有必要进一步研究锤片式粉碎机创新方案的可实用性。

1 气压喷吹的锤片式粉碎机整体设计

1.1 设计要求

为了满足不断扩大的市场需求，对粉碎机粉碎效率进行不断提高，使其在满足高效率的同时，粉碎机各零件保持稳定，消除粉碎室内的空气物料环流层，筛网的堵塞，以及由于筛网的堵塞引起的大量动能转化为热能，减少能源浪费，和机器热产量，提高机器使用寿命，提高生产效率。

1.2 粉碎原理

物料从入料口在自身重力和进料导向机构的作用下进入粉碎室，低速的物料在首次与高速旋转的锤片接触，发生剧烈撞击后粉碎，被撞击到筛网上，与筛网摩擦，满足出筛条件的物料从筛网漏出，进入出料口；不满足条件的物料被撞击反弹，再次与锤片碰撞接触，如此反复多次，直至满足出筛条件，从出料口出来，得到被粉碎的物料。

物料粉碎是一个非常复杂的过程，影响其粉碎效果的因素很多，其中最关键的是容易形成物料环流层。即粉碎室在工作时，锤片转动粉碎物料，在离心力的作用下，物料由于锤片的旋转与锤片同方向运动，形成物料环流层，造成大颗粒在外层运动无法通过筛网，小颗粒在内层运动无法通过筛网，与锤片多次碰撞，过度粉碎，造成筛网损坏率较高，粉碎不均匀，粉碎效率低等影响。

1.3 方案设计

设计了一种气压喷吹的锤片式粉碎机，如图1、图2所示，所述粉碎机包括机座、机壳、锤架板、筛网、锤片、喷管、喷嘴、转子等。其特点在于在原转子系统与主轴之间连接多道喷管，在其上添加多个喷嘴，通过喷吹部件引入高压气体，与主轴采用旋转接头的方式连接配以电磁阀控制，由喷嘴向粉碎室内喷入高压气体。采用向粉碎室内喷入高压气体，打破物料环流层；清洁筛网上附着的物料，提高筛网使用寿命，增大出料效率。

图1 创新方案主视示意图

一种气压喷吹的锤片式粉碎机，包括有机座上设有机壳，机壳顶部设有进料导向机构，机壳的粉碎室中设有与电动机相连的主轴；主轴上设有至少两块锤架板，锤架板四周设有锤片；机壳的粉碎室壁内设有筛网；其特征在于，在两块锤架板之间设有与主轴平行的喷管；喷管的管壁上设有数个喷嘴；喷管通过喷吹部件引入高压气体；喷管与主轴采用旋转接头连接，喷管通过电磁阀控制，旋转接头设在轴承中。

图2 创新方案俯视示意图

如图3所示，所述的喷管穿过旋转接头与储气罐相连，气体喷吹部件采用带压力表的储气罐，储气罐至少设有一个总出气孔，与该气孔连接一过渡分气管，该过渡分气管上至少有一个分出气孔，各分出气孔上设有一电磁阀，每个电磁阀控制至少一条喷管，喷管通过法兰与锤架板相连，锤架板与锤片组成转子。喷吹部件通过旋转接头与主轴相连，再通过连接在锤架板的喷管将高压气体引入喷管上的多个喷嘴中，由电磁阀控制高压气体向粉碎室内喷入。高压气体通过空气压缩机经由滤油器除油过滤后，再经冷冻室干燥机对压缩空气中的水蒸气析出，降低压缩空气温度，保证粉碎过程中由于物料温度过高引起的事故。

储气罐的出气孔所接的过渡分气管通过旋转接头与主轴连接，并通过电磁阀控制分出多道带有喷嘴的喷管，由法兰与锤架板相连向粉碎室内喷气，喷吹孔在喷管上，通过电磁阀控制。

图3 喷管示意图

2 主要部件设计

选用型号为SFSP112×30型号的锤片式粉碎机进行创新设计，查看说明书可知转子直径为1 080 mm，主轴转速为：1 480 r/min，锤片数量16片，配用动力55∶75，产量为9 t/12 h。

根据确定的主轴转速，查找电动机选型表可知，选用Y280S型三相异步电动机，查表知，同步转速1 500 r/min，额定功率75 kW，额定功率时的效率为92.7%。

2.1 主轴的设计

轴是机械传动中的重要零件，设计时应满足合理的结构和足够的强度等，根据传动参数选择主轴材料为45号中碳钢，经过调质处理，得到具有良好综合力学性能。由《机械设计》表12-5可得，C为126～103，[τT]为25～45 MPa。

式中：V——转子的圆周速度（m/s）；

D——转子直径（m）。

由材料力学可知，实心轴的抗扭强度条件为：

由此得到轴的基本直径为

该轴上有一键槽，轴径加大5%～7%，dmin=(1+6%)×44=47 mm

考虑到轴所受冲击与载荷变化，取dmin=d1=55 mm

式中：dmin——轴截面处的直径（mm）；

τT——扭应力（MPa）；

WT——轴的抗扭截面系数（mm3）；

n——轴的转速（r/min）；

P——轴传递的功率（kW）；

T——轴所受的转矩（N·mm）；

τT——许用扭剪应力（MPa）；

C——计算常数，取决于轴的材料及受载情况。

由此估算

因转子主轴的转速为1 480 r/min，负荷很大，综合考虑，选用深沟球轴承，轴承代号为6313，外圈D=140，内圈d=65，宽度B=33。

d4=65 mm；

d5=60 mm考虑轴承的影响，d5

已知l1=B=(z-1)e+2f=82 mm

式中：z——轮槽数为4；

e——槽间距为19 mm；

f——槽边宽为12.5 mm。

由此选择C型键，键长度选为80，宽度为16，高度为10。

因为轴承的宽度为33，取轴承盖的宽度为20，轴承盖外端面与带轮的下端面的间距为27，所以轴2段长度l2=33+20+27=80 mm，轴3段长度l3为转子长度，l3=700 mm，根据轴承宽度，l4=33 mm，l5=34 mm。设计图如图4所示。

2.2 锤片的设计

锤片是锤片式粉碎机最主要的部件，亦是最易损耗的部件。锤片借助销轴连接在锤架板上，其尺寸、形状、材料属性等，都对粉碎效率有重大影响。基于对SFSP112×30型锤片式粉碎机的研究，选取材质为45号经淬火处理的中碳钢，形状为矩形板条状锤片。设计图如5所示。

锤片安装在转子销轴上，与锤架板相固定的位置，它的排列方式关系到转子的平衡、物料在粉碎室内的分布、锤片的磨损程度与粉碎机的效率等。对锤片的排列要求为运动轨迹不重复，物料在粉碎室内保持均匀，有利于转子的动平衡。综上所述，本设计选用对称交错排列。排列方式如图6所示。

图4 主轴设计示意图

图5 锤片设计图

图6 锤片排列示意图

2.3 筛网的设计

筛网是锤片式粉碎机又一主要的工作部件和易损原件，对粉碎效率和粉碎质量有较大的影响。本设计选用中孔圆柱形孔筛，其结构简单，制造方便，应用范围广。设计图如图7所示。

图7 筛片分布示意图

筛网的开孔率（开孔率反映物料过筛能力）为：

式中：D——筛孔直径（mm）；

T——筛孔中心距（mm）。

3 建模与校核

3.1 转子系统建模

传统设计以二维平面图为主，抽象性强，不直观，也不便于修改，本设计引用三维模型，以SolidWorks软件为模型，基于主要零件的设计与计算，对锤片式粉碎机的转子系统进行首先进行主要零部件的三维建模，再统一装配，形成三维设计建模。各零部件建模如图8～图15所示。组合各零件，得到装配图如图16、图17所示。

图8 主轴三维图

图9 轴套三维图

图10 键的三维图

图11 锤架板三维图

图12 锤片三维图

图13 锤片隔套三维图

图14 销轴三维图

图15 筛网三维图

图16 装配图一

图17 装配图二

3.2 转子系统强度校核[19]

根据轴的结构图做出轴的计算简图如图18所示。

图18 轴的结构图

由于粉碎机在工作中承受冲击载荷，而这种冲击载荷主要集中在打击物料的锤头处，为了计算方便，现将载荷简化为作用于转子上的均布载荷。假设物料以某一角度与锤头碰撞（α＜10°）。则有

取应力的余裕系数e=1.5则：

那么，作用与转子上的合力则为：

Ft合==4×1 344.45=5 377.8 N

Fγ合=4Fγ=4×212.94=851.76 N

Fa合==4×1 361.2=5 444.8 N

将此合力简化为一作用于转子上的均布载荷其集度分别为：

则作用于轴上的支反力分别为：

水平面内支反力为：

垂直面内支反力：

水平面和垂直面内各力产生的弯矩为：

已知轴的计算弯矩后，即可针对某些危险截面作强度校核计算。通常只校核轴上承受最大计算弯矩的截面（即危险截面转子中间截面）的强度。

由式：

可得

故安全。此处由于主轴有过载保护装置，当有过大的瞬时过载及严重的应力循环不对称时，安全装置可保护主轴不产生塑性变形，故可略去静强度校核。

平键连接最易发生的失效形式是压溃和磨损，此处针对挤压强度和耐磨性条件进行校核。

抗压强度计算为：

键连接的挤压强度满足要求。

抗剪强度计算为：

键的抗剪强度满足要求。

轴承选用深沟球轴承，则其当量动载荷的计算为：

式中：fp——载荷系数，取2；

X——径向动载荷系数，取0.56；

Y——轴向动载荷系数，取1。

深沟球轴承的寿命计算为：

C——额定动载荷，查得取93.8。

4 小结

本文针对锤片式粉碎机的效率为出发点，设计了一种由气压喷吹的锤片式粉碎机，在原有粉碎机的基础上，对粉碎室内的环境进行了改进，并完成了气压喷吹的锤片式粉碎机的设计与计算，对主要部件进行了强度校核，为后续的理论研究奠定了基础。