锤片式粉碎机三角形筛片的设计及试验研究

王海庆，玛纳拉苏仁，田海清，刘 飞，赵满全，刘伟峰

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

粉碎加工是饲料加工中不可或缺的重要工序之一，粉碎机性能的好坏直接影响到企业的经济效益和饲料品质[1-2]。目前 ，锤片式粉碎机以其通用性好、技术成熟及结构简单等特点在国内外广泛应用[3]。

锤片饲料粉碎机工作时，物料喂入粉碎腔内，在高速旋转锤片的打击、物料之间的碰撞和搓擦，以及离心力等作用下，使得大颗粒物料贴附在筛片表面，小颗粒物料分布在粉碎腔内层，形成空气-物料环流层[4-5]。空气-物料环流层阻碍了小颗粒物料的出筛，减少了大颗粒物料受打击的机会，使得小颗粒物料过度粉碎，生产效率降低，能耗增加[6-7]。近年来，一些研究者采用改变粉碎室形状的方法来破坏环流层、改善粉碎机工作性能，如水滴式、全筛桃形式等不同形状的粉碎室应用于粉碎机[8]。目前，通过改变筛片形状来有效破坏粉碎室内气固环流层、提高破碎效率及增加物料出筛机会，是改善粉碎机性能的重要方法之一[9-14]。

本文针对粉碎机环流层问题，采用理论分析与粉碎性能试验相结合的方法，设计三角形筛片替代环形平筛，改变粉碎室内气流场的运动状态，使得物料以不同的速度和方向交错运动，进而打破环流层，提高生产率和度电产量，降低能耗。本研究可为设计性能优良的三角形异形筛片提供理论和数据基础。

1 三角形筛片的设计

本研究采用仿丹麦4KB锤片式粉碎机为试验样机，设计了三角形筛片。三角形筛片是在展开的环形平筛基础上弯折成连续等腰三角形组成曲折性圆环形成的，主要结构参数有：等腰三角形顶角α、高度h、边长a、三角形间距l，三角形筛片展开长度为S。其中，S的计算公式为：S=2na， 为曲折性圆环内所折三角形个数。其设计原理如图1所示。

α.角度 h.高度 a.长度 l.间距 c.筛片宽度

本文首先探究了三角形筛片主要结构参数变化对粉碎机性能的影响规律，即等腰三角形顶角α、 高度h、三角形间距l与粉碎机生产效率、度电产量和粒度变化间的关系规律，进而选取了筛片结构参数的较优解集，并获得了较佳的筛片设计方案。为较客观地考察三角形筛片各试验因素的影响作用，减少不必要的试验次数及降低试验费用，采用均匀试验设计方法设计了试验方案。依据均匀试验设计要求，筛片设计参数如表1所示。

表1 三角形筛片设计参数

2 三角形筛片粉碎室内流场特性分析

2.1 粉碎室内物料颗粒力学特性分析

物料颗粒在粉碎室内受到锤片的打击力、物料颗粒间的碰撞力、三角形区域产生的涡流阻力、筛片的反作用力、摩擦力，以及旋转气流引起的离心力等，在众多力的综合作用下实现物料颗粒的粉碎。物料颗粒受力如图2所示。

1.涡流阻力 2.离心力 3.颗粒间的碰撞力 4.锤片的冲击力 5剪切力

粉碎机工作时，物料喂入粉碎室后，受到高速旋转锤片的冲击力，使得物料初步粉碎且获得初动能，物料颗粒将以很高的速度撞击筛片，受到筛片反作用力破碎。锤片高速运动产生的旋转气流可使物料颗粒跟随运动，物料间产生相互碰撞力，使得物料进一步破碎。物料运动到锤片与三角形筛片顶角的狭小间隙处，受到强烈的剪切作用，达到物料剪切极限时而破裂。由于碎物料颗粒大小不均，在涡流流场和离心力的作用下，反复上述过程，碎物料不断破碎，直至合格经筛孔排出。此外，三角形筛片也可起到齿板的作用，有利于物料与筛片间产生摩擦和剪切作用，提高粉碎能力，进而降低能耗，改善锤片式粉碎机的工作性能。

2.2 三角形筛片粉碎室内流场分析

将三角形筛片安装于粉碎室内，随着锤片的运动，锤筛间隙不断变化，引起流场特征变化，如图 3所示。当高速旋转的锤片运动到距离筛片最近时(三角形筛片顶角部分)，锤筛间将形成一个狭窄的间隙，物料-空气环流层通过该处时可形成缩径喷射，而通过该间隙进入较宽区域时会形成主旋流。另外，随着锤片的高速旋转，物料颗粒群受到离心力作用，进而向径向运动，在碰到筛片时形成小旋流。主旋流和小旋流形成涡流流场，而空气-物料环流层的运动速度越大，越易在径向边缘靠近筛片处形成负压区。当径向流和喷射流相遇时，产生强烈的涡流颤振，进而出现湍流运动。根据工程流体力学流道截面理论分析可知[15]，当通道横截面积减小时，流体速度会增大；反之，流速随着流道的横截面积的增大而减小。通过三角形筛片构成的异形粉碎室，可改变流体通道的横截面积，使得流体的运动速度不断改变，从而破坏空气-物料环流层。

1.缩径气流喷射 2.筛片 3.径向气流 4.径向气流边的负压区 5.涡流颤振区

通过对粉碎室内流场特征的分析发现，三角形区域产生的涡流流场阻碍空气-物料环流层运动，可使物料颗粒的运动速度在径向和切向方向不断变化，并在锤片和筛片的打击、离心力等作用下，使得粒径不一的物料颗粒以不同的速度和方向相互交错运动形成紊流，从而破坏空气-物料环流层。另外，涡流流场的产生可增大物料颗粒和锤片的相对速度，增强锤片对物料的冲击作用，进而提高锤片的破碎能力。粉碎室内湍流运动的产生使得物料颗粒翻转、无规则运动，有利于增加大颗粒物料的碰撞及受打击的机会，从而提高粉碎机的生产效率。另外，高度湍流的存在也可增加小颗粒物料的出筛机会，减少筛片表面的物料颗粒密度，进而避免物料颗粒的过度粉碎，有利于提高饲料均匀度和温升改善。

上述理论分析表明，三角形筛片的使用可有效改善粉碎机性能。

3 三角形筛片粉碎性能试验

3.1 试验设备及评价指标

试验采用仿丹麦4KB型锤片式饲料粉碎机为试验样机，主要结构参数为：①采用绕销轴旋转的4组锤片，形状为长方形；②采用圆孔筛片，筛孔直径为 3mm；③粉碎室宽度为 80mm；④配套电机功率1.5kW，额定电流 3.23 A，转速 2 850r/min ；⑤转子直径 360mm。试验采用的主要仪器有：三相四线有功电度表(200r/kW·h) 、VARISPEED-616G5型变频器、电热干燥箱、水银温度计、秒表(0.01s)、电子天平(0.001g)、台秤、B0.6611振筛机，以及高度25mm、直径400mm的标准筛。

试验以含水率为13.13%的玉米物料作为粉碎对象。为了客观评价粉碎机性能，本研究选择粉碎机的生产率、度电产量、温升及粒径的分布范围为粉碎性能评价指标。

3.2 试验结果及分析

将所设计的5种三角形筛片分别安装在仿丹麦4KB锤片式粉碎机上进行粉碎性能试验，试验严格遵守粉碎机粉碎试验国家标准(GB/T 6971-2007《饲料粉碎机试验方法》)，试验评价指标数据如表2和表3所示。

由表2可知：在相同工况条件下进行粉碎性能试验，5种三角形筛片的生产率和度电产量较环形平筛均取得了有效的提高，说明三角形筛片可提高锤片式粉碎机的生产率和度电产量；5种三角形筛片在温升方面得到不同程度的降低，说明筛片表面物料颗粒密度减小，物料过筛效率提高，能耗降低。

表2 各筛片性能相关结果

表3 筛子筛后每层的质量

在生产率和度电产量方面提高较大的是筛片1，生产率为321.48kg/h，比环形平筛片增加22.70%，度电产量为185.04kg/kW·h，增加29.40%。就改善温升而言，筛片5的效果较为理想，温升比环形平筛降低2.50℃。综合考虑生产率、度电产量及温升方面，当三角形筛片顶角α=110°、高度h=4mm、间距l=7mm时(即筛片1)，综合效果较好，说明三角形筛片1的使用对粉碎机综合性能有较大的改善，粉碎效果较为理想，是较优的设计方案。

由表2和表3可知：

1)采用三角形筛片的粉碎机生产率、度电产量及温升得到有效改善，然而粒径的分布范围不均匀。分析其原因，主要在于：三角形筛片的特殊结构增加了物料颗粒碰撞机会，产生粒度不同的颗粒，使其碰撞产生的动能变化不一，物料粒径分配处在非均匀的状态；三角形筛片形状特征使得筛孔直径相对变化是随机的，再加上物料颗粒随机由筛孔排出，使得排出的物料颗粒粒径分布不均匀。

2)筛片1与环形筛片相比，粉碎后物料的颗粒质量大大减少，底盘上物料的质量比环形平筛有所增加，且平均粒径较小，说明出现了过度粉碎现象，导致这一现象产生的原因可能是三角形区域产生的涡流流场湍动能过大，过于加大了物料的碰撞机会与锤片的破碎能力。筛片2与环形筛片相比，较好地破坏了环流层，底盘上物料与环形平筛片相比有所减少，粉碎物粒径均匀效果较为理想。筛片3、4、5底盘上物料的质量与环形筛片相比有不同程度的增加，说明有过粉碎现象，原因可能在于环流层未能很好破坏。

3.3 三角形筛片结构参数变化与粉碎机性能指标关系规律

通过对表1和表2分析可知：生产率、度电产量与三角形筛片的角度、高度呈递减关系；生产率、度电产量与三角形筛片的三角形间距呈递增关系；随着角度、高度、间距的改变，物料颗粒的平均粒径呈波动性变化。

4 结论

1)理论分析表明：将三角形筛片应用于锤片式粉碎机，可使粉碎室内气流场特征不断变化，进而在三角形区域形成局部涡流流场，破坏空气-物料环流层。另外，三角形筛片的使用可增大物料的相对速度，提高粉碎效率，增大有效筛理面积，从而改善粉碎机性能。

2)试验结果表明：当三角形筛片1(α=110°，h=4mm，l=7mm)应用于锤片式粉碎机时，生产率为321.48kg/h，比环形平筛增加22.70%；度电产量为185.04kg/kW·h，比环形平筛增加29.40%；温升降低39.10%，粒度也较为均匀。筛片1是本研究较优的三角形筛片设计方案。

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