1、項目研究的背景
許多學者的研究結論和實際運用效果都確認粉碎是效率極低的操作，其有效能量的利用率大約僅占0.6%～0.3%。特別是作為粉體深加工技術的微粉碎或超細粉碎，由于顆粒的超細化新增表面積所增加的表面能急劇增加，引起能耗呈數倍甚至數十倍的增長。因此，粉碎過程是巨大的耗能作業。如果僅追求粉碎產量而盲目加大粉碎機功率，結果只能事與愿違一產量增加有限功率卻大量浪費。當代高新技術對材料深加工粉碎提出越來越高的要求，如顆粒微細化、粒度均勻化、形狀特定化、品質高純化和表面處理功能化等，對微細粉碎技術和設備的要求也不斷提高。因此，開發性能優越的高效低耗的微粉碎機產品是超細粉體工業始終不渝的追求目標。
目前，微粉碎設備用得較多的還是機械沖擊式粉碎機，但機械沖擊式微粉碎機存在效率低、能耗高的共性缺陷。自從上世紀九十年代引進并研發了立軸式內置分級的微粉碎機以來，在高檔水產飼料行業，這種微粉碎機得到大量的推廣應用。近年來，由于飼料行業向規模化、現代化轉型，微粉碎機有逐漸大型化的趨勢。由于飼料原料價格和國際能源價格的大幅上漲，使飼料生產企業面臨嚴重的生存壓力，因此，大功率粉碎機的節能降耗研究對降低生產成本、提高企業經濟效益等具有重要現實意義。課題組針對大功率立軸式內置分級微粉碎機開展了節能及應用研究。
2、大功率微粉碎機的節能效果
多年從事微粉碎機的研究實踐證明，從設計和工藝的角度分析，粉碎機的節能是大有潛力的。福建省農業機械化研究所承擔福建省科技廳“大功率微粉碎機節能降耗技術研究與應用”項目，開發研制了新一代大功率(90kW以上)節能型CWFL系列微粉碎機，并取得了實效。
3、節能型微粉機的結構創新設計
3.1粉碎與分離機構
粉碎與分離是粉碎機的兩大重要功能，也是影響粉碎效率和能耗的關鍵因素。大多數粉碎機由于分離效果差，使細粉不能及時排出而存在著過度粉碎的問題，造成功率不必要的消耗。立軸式內置分級微碎機比一般臥式粉碎的結構優勢就在于可將粉碎物料進行分級，讓細粉及時排出，以減少過度粉碎。因此，進一步提高立軸式內置分級微碎機的細粉排出率，是節能降耗的關鍵。
從立式微粉機的結構可看出，粉料在粉碎室經粉碎后，在氣流作用下沿著圓形機壁上升，經導流體的外環進入錐形分級室，通過分級葉輪后再排出機外。粉碎理論認為，在粉碎室內存在著一個物料環流層，阻礙著細粉的排出。此時物料在氣流的帶動下呈兩相流體的層流運動狀態，顆粒間的位置處于相對穩定的平衡，細粉顆粒特別是里層的細顆粒難以穿過這個料流層分離出去。因此，破壞環流層，才有可能提高細粉排出率。
課題組在分級導流體的結構型式和空間尺寸上做了一些探索。首先是改變了立軸式內置分級微粉碎機的錐形導流環結構和尺寸，調節內外導流環的徑向尺寸，改變分級腔與粉碎導流腔的空間大小，為調整粉碎機的環流層大小，改善粉體的分級、分離提供了條件。其次，在導流體的圓錐導流環與圓形外環之間增加了阻流裝置，沿粉碎導流腔內圓周方向設置四道阻流板，破壞粉碎腔內的物料環流層，形成四個紊流區，造成顆粒在紊流狀態下的離散效果，便于氣流帶走粉體穿過分級輪，提高粉碎機粉體的分離率，從而提高粉碎機的生產效率，達到降低能耗的目的。圖l為粉碎腔結構示意圖，圖中箭頭所示方向為粉碎后符合細度要求的物料流流動方向。
3.2轉盤直徑
在一定的錘刀末端線速度下，粉碎機轉盤直徑大小決定粉碎機轉速，轉盤直徑的確定應使粉碎機轉速與臨界轉速保持一定距離并在臨界轉速下工作，以免引起機器共振，對設備性能及粉碎效率產生不良影響。設計時考慮到尺寸的系列分配，取粉碎轉盤直徑1300mm。
3.3粉碎錘刀的線速度
粉碎錘刀線速度是沖擊式粉碎機最重要的運動參數之一，它直接影響了粉碎機的生產率、能耗以及粉碎工況和機器壽命等。理論上粉碎錘刀速度越大，粉碎時獲得的產品粒度越細，但從粉碎機能量利用來講，對某一種特定的物料粉碎，都有一個特定的沖擊粉碎速度，在一定范圍內提高線速度可以提高粉碎機生產率、降低電耗、使粒度變細；但線速度過高，將使粉碎機的空載功率加大，振動和噪聲增加，粉碎效率反而下降。對旋轉式沖擊粉碎機，由于實際機械結構比較復雜，沒有具體的設計計算公式。經驗上，一般錘片粉碎機在粉碎脆性飼料時線速度取65～80m/s，在粉碎多纖維的物料時取80～105 m/s左右。根據多年來CWFL系列微粉碎機在鰻魚預混合料粉碎的試驗和應用，確定微粉碎機的線速度為100 - 110 m/s，大功率機型取105m/s。
3.4錘刀形式和數量
錘刀應均勻地分布在轉盤上，錘刀數量對性能的影響不可忽視。錘刀數量多，密度大，單位時間內錘刀打擊喂入物料的次數增加，但空載功率高，對分級后回到粉碎室內的粗料，很難通過粉碎轉盤上的錘刀甩向機壁襯板；錘刀數量少，在單位時間內錘刀打擊物料的次數減少，粉碎能力下降。原CWFL系列微粉碎機為厚矩形方塊錘刀，在錘刀的迎料面上焊以高強度耐磨的碳化鎢合金剛片，數量為24片，且錘刀工作面與轉盤徑向顯一定夾角。在研制大功率機型時課題組重點在錘刀的數量、外形尺寸、重量、與轉盤的相對位置的布置關系作出了一系列的實驗。
由表2可見，提高錘刀數量和重量對粉碎結果并沒有明顯的提高，錘刀長度越長反而對粉碎效果產生反作用。在不影響生產成品的品質條件下，降低用戶生成使用過程中微粉碎機錘刀的維護成本，最后確定錘刀數量為24片。在大功率機型的微粉碎機上對厚矩形方塊錘刀非工作面切除一定角度的倒角，減小錘刀的重量，試驗證明對粉碎性能并無影響。
3.5錘刀與齒板間隙
沖擊式粉碎機錘刀與齒板間隙一般為10～16 mm，對于微粉碎機要求粉料細度較高，應選擇較小的粉碎間隙。100型粉碎機間隙為12mm，130型粉碎機設計確定錘刀與齒板間隙為8mm。
3.6粉碎機智能負荷控制系統的應用
充分發揮電機的功率和效能，保持最佳工況是提高粉碎效率和能量利用率的關鍵。粉碎機智能負荷控制系統是根據驅動電機的實際負荷與額定負荷的差異情況，運用PID控制算法，自動調節物料喂入量，實現粉碎主電機負荷的自動調節。自動調節粉碎機喂料攪攏的送料量，使粉碎主電機負荷與額定負荷一致，實現粉碎機經濟、高效、安全地運行。
4、性能試驗和結果分析
樣機試制后進行了產業化應用和驗證，CWFL-130機型在福建正源飼料有限公司安裝生產，經過將近一年的主要性能指標的跟蹤測試，這種大功率、節能型的微粉碎機的產量、粉碎細度及粉料溫升和耗能指標都有良好的改善。
130型微粉碎機的節能措施在CWFL系列機型中已經獲得比較滿意的效果。與國內許多知名品牌的飼料機械廠的同類微粉碎機產品相比，其性能也具有優勢。
由表3、表4可見，CWFL-130型微粉碎機的性能指標相較國內主要的品牌產品，在生產率和能耗指標方面，已達到相當或領先的水平，這也可從用戶的反饋中得到驗證。在相同的生產線功率配套下，生產率越高，噸料電耗越低。大功率微粉機配套的生產線比起中小功率來，其經濟性由于節能的效果而更為優越。正如表1所示，雖然CWFL型系列粉碎機的功率增大，由于生產率的提高，反而噸料電耗在降低。
5、結論
(1)立式微粉機粉碎腔和導流體的結構創新，使分離效率大大提高，提高粉碎效率，降低了能耗；
(2)合理的粉碎機參數，如錘刀速度、數量、型式，粉碎間隙等決定粉碎性能的好壞；
(3)智能負荷控制系統的運用，能有效提高生產效率，降低了單位能耗和人工成本；
(4) 130型微粉碎機的節能降耗效果良好。大功率微粉機配套的生產線比起中小功率來，其經濟性由于節能的效果而更為優越。
