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0、引言
    粉碎機(jī)是工農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的通用設(shè)備，可以粉碎各種類型的固體物料，應(yīng)用范圍很廣。尤其是錘片式粉碎機(jī)，由于其通用性好，使用維修方便，應(yīng)用非常普遍。目前，生產(chǎn)中使用的錘片式粉碎機(jī)雖然技術(shù)上已比較成熟，但是由于本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和被加工物料的物理特征，不同程度地存在耗能較大、粉碎物料粒度不均和度電產(chǎn)量不高等問(wèn)題，為能最有效地發(fā)揮粉碎機(jī)的綜合效益、降低生產(chǎn)成本產(chǎn)生影響，本文提出采用梯形篩片構(gòu)成異型粉碎室的方法，以解決粉碎過(guò)程中出現(xiàn)的上述問(wèn)題，從而提高了粉碎機(jī)的綜合性能。
1、錘片式粉碎機(jī)粉碎過(guò)程分析
    粉碎是指在外力的作用下克服固體物料分子間的內(nèi)聚力，使固體物料產(chǎn)生破裂的過(guò)程，也就是外觀尺寸由大變小、物料顆粒的比表面積（單位質(zhì)量的表面積）由小變大的過(guò)程。粉碎可以提高物料的物理作用及化學(xué)反應(yīng)的速度，在把固體物料變成最終產(chǎn)品的許多加工過(guò)程中，粉碎是一個(gè)非常重要的工藝過(guò)程。
    錘片式粉碎機(jī)工作時(shí)，物料在一定的供料裝置作用下進(jìn)入粉碎室，受到高速旋轉(zhuǎn)錘片的打擊而破裂，并以較高的速度飛向齒板和篩片，與齒板和篩片撞擊進(jìn)一步破碎，通過(guò)如此反復(fù)打擊和撞擊，物料被粉碎成小碎顆粒，這些物料顆粒在離心力的作用下產(chǎn)生物料一氣流環(huán)流層，進(jìn)一步受到上述作用。與此同時(shí)，物料受到錘片端部及齒板和篩面的摩擦和搓擦作用而進(jìn)一步粉碎。在這一過(guò)程中，較細(xì)顆粒由篩片的篩孔漏出，留在篩面上的較大顆粒再次受到綜合作用，直到從篩孔漏出，最后從出料口排出。
    據(jù)研究，在整個(gè)粉碎工作過(guò)程中，錘片式粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)存在物料一氣流環(huán)流層現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于粉碎室的環(huán)形結(jié)構(gòu)和物料受高速錘片的沖擊作用，使得物料在離心力作用下貼著篩面形成圓周運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生物料一氣流環(huán)流層。1986年，中國(guó)農(nóng)機(jī)院南效景借助高速攝影技術(shù)對(duì)錘片式粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)的物料粉碎過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)分析。從高速攝影機(jī)拍下的影片中可以看出，在正常工作負(fù)荷下粉碎時(shí)，物料在粉碎室內(nèi)明顯地形成物料一氣流環(huán)流層，如圖1所示。
    粉碎室內(nèi)的物料一氣流環(huán)流層做與錘片旋轉(zhuǎn)方向相同的圓周運(yùn)動(dòng)，速度約為錘片速度的70%左右，從而降低了錘片沖擊物料的相對(duì)速度，使粉碎物料的能力下降。此外，物料一氣流環(huán)流層使得大顆粒緊貼篩面運(yùn)動(dòng)，小顆粒則處于大顆粒的上方，阻礙了小顆粒出篩，減少了大顆粒受打擊的機(jī)會(huì)，造成物料的過(guò)度粉碎，能耗隨之增加，也影響了粉碎效率。
    從粉碎過(guò)程的分析可以明顯看出，粉碎室內(nèi)的物料一氣流環(huán)流層隨錘片以較高的環(huán)流速度運(yùn)動(dòng)，不利于物料排出篩孔。由于只有物料顆粒相對(duì)于篩面運(yùn)動(dòng)的速度較低時(shí)才適合于排料，那么較高的環(huán)流速度使粉碎后的物料不能及時(shí)排出，就會(huì)造成過(guò)度粉碎，從而導(dǎo)致生產(chǎn)率下降、度電產(chǎn)量低和粒度不均勻等一系列問(wèn)題。從理論上講，解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵是通過(guò)改進(jìn)錘片式粉碎機(jī)的粉碎室結(jié)構(gòu)來(lái)破壞物料一氣流環(huán)流層，改變物料的運(yùn)動(dòng)方向，降低環(huán)流速度，增加物料的打擊機(jī)會(huì)，并使小顆粒及時(shí)排出篩孔。為此，國(guó)內(nèi)外的許多粉碎機(jī)生產(chǎn)廠家和科研單位對(duì)破壞粉碎室內(nèi)的物料一氣流環(huán)流層做了大量試驗(yàn)研究工作，研制出一些異型的粉碎室（如水滴形粉碎室和橢圓形粉碎室），在不同程度上解決了物料一氣流環(huán)流層對(duì)粉碎性能的影響。
2、錘片式粉碎機(jī)異型粉碎室粉碎機(jī)理
    在錘片式粉碎機(jī)工作中，應(yīng)該避免不必要的重復(fù)過(guò)度粉碎，使合格的顆粒及時(shí)排出，同時(shí)增加大顆粒受打擊的機(jī)會(huì)，提高錘片式粉碎機(jī)的工作性能。因此，首先是提高物料的篩落能力，結(jié)構(gòu)上要盡可能破壞物料一氣流環(huán)流層，使細(xì)粒能夠及時(shí)地排出，避免重復(fù)而無(wú)效地過(guò)度粉碎；其次是提高對(duì)物料沖擊破碎的能力。
    根據(jù)錘片式粉碎機(jī)粉碎過(guò)程分析以及改變粉碎室形狀可以提高粉碎性能的研究，本文提出一種新的方法，即采用截面為梯形的篩片來(lái)構(gòu)成異型粉碎室，如圖2所示。應(yīng)用異型粉碎室目的是破壞物料一氣流環(huán)流層，使粉碎后的小顆粒及時(shí)出篩和增加大顆粒受打擊的機(jī)會(huì)，從而提高粉碎性能，使粉碎后的物料粒度盡可能均勻。
2.1梯形篩片異型粉碎室內(nèi)物料流場(chǎng)分析
    應(yīng)用梯形篩片異型粉碎室，可以使錘片末端和梯形篩片之間形成局部回流。由于安裝錘片的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使得在每一個(gè)梯形區(qū)域的空氣流形成渦流流場(chǎng)，這種渦流運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。
    工作中，轉(zhuǎn)子上的錘片和篩片凸起部分形成一個(gè)狹窄的間隙，使得物料一氣流環(huán)流層通過(guò)該處時(shí)形成縮徑氣流噴射。在梯形篩片結(jié)構(gòu)形狀的引導(dǎo)下，氣流噴人粉碎室的錘片與篩片間隙之間，形成主旋流。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)大的離心力產(chǎn)生徑向氣流形成小旋流，并在徑向氣流邊出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。噴射氣流和徑向氣流的激烈運(yùn)動(dòng)形成的渦流顫振區(qū)產(chǎn)生高度湍流運(yùn)動(dòng)。
    據(jù)工程流體力學(xué)分析得出這樣的結(jié)論：當(dāng)流道逐漸減小時(shí)，流體的速度隨通道橫截面積減小而增加；反之，當(dāng)流道橫截面積逐漸增大時(shí)，則流速反而下降。梯形篩片異型粉碎室正是通過(guò)改變氣固流體的通道橫截面積來(lái)實(shí)現(xiàn)其流速的變化，進(jìn)而破壞物料一氣流環(huán)流層，使物料產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。
    依粉碎過(guò)程分析，物料進(jìn)入梯形篩片異型粉碎室后，首先受到旋轉(zhuǎn)錘片的沖擊力作用，當(dāng)顆粒所受的沖擊力達(dá)到其破壞極限時(shí)，物料被初次粉碎，并獲得動(dòng)能，加上渦流流場(chǎng)中高速氣流的攜帶作用，隨之做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，離心切向飛出，受到篩片反擊而被粉碎，并改變?cè)�有的運(yùn)動(dòng)方向，與旋轉(zhuǎn)的錘片或做環(huán)向運(yùn)動(dòng)的物料碰撞。由于粉碎室渦流場(chǎng)中氣流的速度沿徑向和環(huán)向是變化的，物料顆粒大小不同，受到的離心力也不同，并且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受錘片的沖擊和篩片的反擊，使物料的粒徑不斷發(fā)生變化，粒徑變化又馬上導(dǎo)致速度的變化，各顆粒以不同的速度、按不同的方向相互交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而形成紊流。這些不規(guī)則的漫射碰撞以及由梯形篩片決定的局部渦流使物料產(chǎn)生高速顫振，有效地增大了大顆粒的碰撞機(jī)會(huì)和小顆粒的出篩機(jī)會(huì)。同時(shí)，由于錘片和篩片凸起部分所形成的狹窄間隙，使物料的通道在此處突然局部收縮，使物料顆粒之間以及與篩片之間發(fā)生劇烈的相互摩擦、剪切和擠壓，小顆粒容易排出，大顆粒繼續(xù)粉碎，粉碎效率顯著提高。
2.2梯形篩片異型粉碎室內(nèi)的物料受力分析
    通過(guò)異型粉碎室內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)情況分析可知，物料顆粒受到的作用力有錘片的沖擊力、篩片的反作用力、顆粒間的碰撞沖擊力、剪切力、摩擦力和渦流場(chǎng)中的氣流作用力等。各力的聯(lián)合作用使顆粒在粉碎室內(nèi)產(chǎn)生綜合粉碎效應(yīng)，如圖4所示。
    在梯形篩片組成的異型粉碎室內(nèi)，顆粒主要有3種粉碎方式，即沖擊粉碎、剪切粉碎和摩擦粉碎。轉(zhuǎn)子上銷鏈的錘片前端和由篩片凸起部分所形成的狹窄間隙，使旋轉(zhuǎn)物料流的通道在此處突然出現(xiàn)局部收縮，流動(dòng)阻力增大，而物料一氣流環(huán)流層攜帶物料匯集而來(lái)。這樣使物料顆粒之間發(fā)生急劇的相互摩擦和擠壓，同時(shí)在狹窄間隙處物料顆粒受到強(qiáng)烈的剪切作用，當(dāng)所受的剪切力達(dá)到物料的剪切強(qiáng)度極限時(shí)，物料即被粉碎。粉碎后的合格小顆粒可以很容易地出篩。
    此外，錘篩間隙（工作時(shí)錘片末端與篩片內(nèi)表面之間的距離）是個(gè)變量，將會(huì)在不同部位產(chǎn)生對(duì)物料的阻礙，起到齒板作用，從而降低物料層的速度，提高相對(duì)速度，使錘片沖擊破碎的能力增強(qiáng)；伴隨出現(xiàn)物料一氣流環(huán)流層的翻轉(zhuǎn)，大顆粒受沖擊的機(jī)會(huì)增多，小顆粒出篩的能力增強(qiáng)。由此達(dá)到提高粉碎效率、改善物料粒度不均以及減少能耗工效的目的。
3、試驗(yàn)結(jié)果
    為了證實(shí)應(yīng)用梯形篩片構(gòu)成異型粉碎室能夠提高粉碎機(jī)工作性能，采用環(huán)形平篩和梯形篩構(gòu)成的粉碎室進(jìn)行粉碎過(guò)程的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中以配套電機(jī)功率1.5kW的仿丹麥4KB型錘片式飼料粉碎機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，選擇飼料加工廠使用的含水率為12. 32%的谷物物料一玉米進(jìn)行粉碎加工試驗(yàn)，并對(duì)獲得的性能指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，證明異型粉碎室對(duì)粉碎性能的改善在理論分析與試驗(yàn)結(jié)果上是相符的。由此可以得出如下結(jié)論：
    1)理論上，應(yīng)用氣固兩相流理論分析了物料在梯形篩片構(gòu)成的異型粉碎室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性，指出使用異型粉碎室可以改善粉碎性能。理論上的分析有助于進(jìn)一步探明異型粉碎室的粉碎機(jī)理。
    2)應(yīng)用梯形篩片構(gòu)成的異型粉碎室比使用平篩片構(gòu)成的粉碎室在生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量方面取得了有效的提高，分別提高9.9%和17.3%，過(guò)度粉碎現(xiàn)象也得到了改善。
    3)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證丁異型粉碎室形狀對(duì)物料一空氣環(huán)流層破壞的有效性，可以提高物料顆粒受到的沖擊力，增加大顆粒受沖擊的機(jī)會(huì)和細(xì)小顆粒通過(guò)篩孔的機(jī)會(huì)，使物料粉碎粒度的均勻程度有所提高。本文為錘片式粉碎機(jī)的異型粉碎室改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。