組合式飼料粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)

■劉 巍 鞏桂芬

（陜西科技大學(xué)，陜西西安710021）

飼料粉碎就是將所加工飼料顆粒的尺寸變小，并使其單位質(zhì)量表面積增大的過程[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，從2012年至2016年，全球飼料加工產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)良好上升趨勢(shì)，2016年全球飼料產(chǎn)量首次超過10億噸。而我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，2016年飼料產(chǎn)量約為1.87億噸，占亞洲飼料總產(chǎn)量的50.8%，每年因粉碎機(jī)消耗電力多達(dá)30億千瓦每小時(shí)。

2007年初，上海沃仕機(jī)械有限公司首次研制開發(fā)了“雙轉(zhuǎn)子錘片粉碎機(jī)”，該設(shè)備能夠有效阻止空氣環(huán)流層的形成。2009年8月，江蘇牧羊集團(tuán)研制出第三代“超越”錘片式微粉碎機(jī)，該設(shè)備主要對(duì)錘片進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)來提高其性能；牧羊集團(tuán)生產(chǎn)的SFSP112型錘

片粉碎機(jī)提出特殊的二級(jí)粉碎設(shè)計(jì)，以此來提高粉碎效率。美國(guó)的Roskamp Champion公司研發(fā)的HM型錘片式粉碎機(jī)，首先采用了臥式水滴形粉碎室來增大篩網(wǎng)的有效使用面積，篩孔采用T型交錯(cuò)排列，使其篩分效率提高了10%～15%。而歐洲國(guó)家一般通過沖擊齒板面積最大化來提高粉碎機(jī)性能，荷蘭VanArsen公司生產(chǎn)的GD-1400型粉碎機(jī)，采用分體式結(jié)構(gòu)，具有良好的物料適應(yīng)性。飼料粉碎機(jī)作為飼料加工的主要裝備，對(duì)飼料加工成本、加工質(zhì)量等起著重要的影響作用[3]。一些學(xué)者的研究表明[4-8]，影響飼料粉碎機(jī)加工效率的主要因素有空氣環(huán)流層、錘片的尺寸及排列、篩片的尺寸等，而堵篩已經(jīng)成為粉碎機(jī)粉碎效率低下最主要的影響因素之一。因此，深入研究粉碎機(jī)理并能選用適當(dāng)?shù)姆鬯闄C(jī)型是飼料生產(chǎn)加工中急需解決的問題，本文從谷物類飼料的屬性入手，結(jié)合理論分析、工藝設(shè)計(jì)等，綜合設(shè)計(jì)滿足飼料加工要求的，高透篩率、高效率、低能耗、使用壽命長(zhǎng)的組合式飼料粉碎機(jī)。

1 粉碎方案設(shè)計(jì)

1.1 工藝路線設(shè)計(jì)

通常從能耗、成品顆粒直徑以及產(chǎn)量等對(duì)于粉碎機(jī)的粉碎效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，一般情況下，現(xiàn)有的飼料粉碎機(jī)大多只對(duì)加工物料進(jìn)行一次粉碎，待物料直徑小于篩片直徑便被透篩并收集，這就使得堵篩的情況頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致能耗增大。另一方面，一次粉碎工藝增加了設(shè)備中主要部件的磨損率，造成設(shè)備使用壽命較短，同時(shí)會(huì)增加安全隱患。因此，如何在保證飼料成品質(zhì)量要求的前提下提高透篩效率成為飼料粉碎領(lǐng)域的技術(shù)難題。

綜合市面上已有飼料粉碎機(jī)，本方案提出了一種組合式飼料粉碎機(jī)裝置，本裝置將擊碎、碰撞、透篩、收集等功能組合成一體，可將粉碎過程分為兩步進(jìn)行，以此來改善粉碎質(zhì)量與效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料粉碎效率的提升。具體工藝路線為：原料-一次粉碎-風(fēng)機(jī)傳送-二次粉碎-收集。圖1為組合式飼料粉碎機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為二級(jí)粉碎結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 組合式飼料粉碎機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

由圖1、圖2可知，本次設(shè)計(jì)中組合式飼料粉碎機(jī)的粉碎結(jié)構(gòu)可分為錘片式粉碎結(jié)構(gòu)和盤式粉碎結(jié)構(gòu)，在一級(jí)粉碎室內(nèi)設(shè)有主軸、轉(zhuǎn)子、錘片以及篩片，加工物料在一級(jí)粉碎室內(nèi)的碰撞形式主要有物料和錘片的碰撞、物料和篩片的碰撞以及物料之間的碰撞；在二級(jí)粉碎室內(nèi)設(shè)有從動(dòng)軸、動(dòng)齒盤和定齒盤，動(dòng)齒盤上設(shè)置有不銹鋼柱軸、刀具，定齒盤上設(shè)置有鋸齒，加工物料在二級(jí)粉碎室內(nèi)的碰撞形式主要有物料和柱軸的碰撞、物料和刀具的碰撞、物料和鋸齒的碰撞、物料和篩片的碰撞以及物料之間的碰撞。加工物料在經(jīng)過兩次粉碎及透篩后，由出料口被排出并進(jìn)行收集。

1.2 工作過程分析

組合式飼料粉碎機(jī)的工作過程是：打開電源開關(guān)，電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸與從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。物料由進(jìn)料口進(jìn)入一級(jí)粉碎倉(cāng)，在主軸高速旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下，轉(zhuǎn)子上設(shè)置的錘片對(duì)所加物料進(jìn)行撞擊摩擦加工，粉碎后的物料通過一級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)壁上的篩片落入儲(chǔ)料箱，初次粉碎后的物料采用氣力輸送，從導(dǎo)料管徑向進(jìn)入二級(jí)粉碎倉(cāng)，在從動(dòng)軸的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，動(dòng)齒盤表面上設(shè)有的柱軸和刀具與定齒盤表面上設(shè)有的鋸齒對(duì)物料進(jìn)行第二次加工，加工后的物料通過二級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)壁上的環(huán)篩從出料口依靠重力排出并被收集。一級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)壁上篩片的篩孔直徑較二級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)壁上環(huán)篩的篩孔直徑要大，這就使得一級(jí)粉碎的透篩率和產(chǎn)量被提高，同時(shí)二級(jí)粉碎環(huán)篩的設(shè)置可以確保產(chǎn)品的加工精度要求，風(fēng)機(jī)的設(shè)置可以輔助控制物料從儲(chǔ)料箱進(jìn)入二級(jí)粉碎倉(cāng)的量，進(jìn)一步確保產(chǎn)品加工精度和效率。

2 組合式飼料粉碎機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

在帶有二級(jí)粉碎結(jié)構(gòu)的飼料粉碎機(jī)中，電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、錘片的形狀及排列以及錘片與篩片的間隙等參數(shù)，對(duì)粉碎成品的質(zhì)量以及粉碎效率與成本有著重要的影響。參考相關(guān)文獻(xiàn)資料以及依據(jù)機(jī)器產(chǎn)品運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)型號(hào)進(jìn)行選擇，并對(duì)錘片的形狀及排列、錘片與篩片的間隙、篩片的尺寸、盤式粉碎結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 電機(jī)的選擇

在帶有二級(jí)粉碎結(jié)構(gòu)的組合式飼料粉碎機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直接帶動(dòng)主軸進(jìn)行加工作業(yè)。粉碎機(jī)主軸轉(zhuǎn)速與加工物料等因素有關(guān)[9]，設(shè)計(jì)中的粉碎機(jī)主要粉碎物料為干燥類谷物及飼料，故選用額定功率為90 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為2 970 r/min，型號(hào)為Y280M-2。

2.2 風(fēng)機(jī)的選擇

在儲(chǔ)料箱與二級(jí)粉碎室之間設(shè)置有管道風(fēng)機(jī)[10]，初次被加工的物料通過風(fēng)力被輸送至二級(jí)粉碎倉(cāng)。采用增設(shè)抽風(fēng)系統(tǒng)能有效提高組合式粉碎機(jī)的工作效率，通過提高透篩率來減少粉碎環(huán)節(jié)的壓力。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量可通過公式（1）計(jì)算，風(fēng)扇流量與輸送裝置的氣流量可用公式（2）計(jì)算：

式中：Q——風(fēng)機(jī)的風(fēng)量(m3/h)；

Gs——輸送裝置的生產(chǎn)率(kg/h)；

m——?dú)夤瘫龋?/p>

Pa——取 1.2 kW/m3；

Q'——風(fēng)扇流量(m3/h)。

對(duì)于導(dǎo)料管內(nèi)徑的確定可通過公式（3）計(jì)算：

式中：Qa——風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量（m3/h）；

n——裝置工作時(shí)導(dǎo)料管數(shù)量；

va——導(dǎo)料管中的風(fēng)速(m/s)，取V=60 m/s。

設(shè)計(jì)采用低真空的輸送方式，m取1，生產(chǎn)率取20 000 kg/h，通過公式（1）、（2）和（3），計(jì)算可得風(fēng)扇流量Q'≈19 200 m3/h，導(dǎo)料管內(nèi)徑Ds=336 mm，考慮到風(fēng)機(jī)應(yīng)留有部分余量，本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為SF-6G-2的風(fēng)機(jī)。

2.3 錘片的形狀及排列

錘片是錘片式粉碎機(jī)中最主要的易損件，其形狀尺寸和排列方法等對(duì)粉碎效率有較大影響[11]。參考標(biāo)準(zhǔn)[12]，取錘片寬度B=40 mm，厚度e=3.5 mm，錘片所選用的材料為10號(hào)鋼，如圖3所示。

圖3 錘片示意圖

錘片的排列方式對(duì)粉碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、物料在粉碎室內(nèi)的分布、錘片磨損的均勻程度等有著直接影響。目前常用的錘片排列方式螺旋線排列、對(duì)稱排列、交錯(cuò)排列及對(duì)稱交錯(cuò)排列四種排列方式[13]。本次設(shè)計(jì)采用對(duì)稱交錯(cuò)排列方式，如圖4所示。

圖4 對(duì)稱交錯(cuò)排列

2.4 錘篩間隙

錘篩間隙是指處在徑向位置時(shí)錘片頂端到篩片內(nèi)表面的距離，它也是影響粉碎效率的參數(shù)之一。在飼料加工過程中，由于粉碎室內(nèi)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，使得加工物料隨其一起做圓周運(yùn)動(dòng)，并易在錘篩之間形成物料環(huán)流層。如果錘篩間隙較大，環(huán)流層外層物料速度較慢，有利于物料的透篩過程，但速度減慢會(huì)降低錘片對(duì)物料的撞擊作用，使粉碎機(jī)的產(chǎn)量降低；如果間隙過大，會(huì)導(dǎo)致環(huán)流層外層物料運(yùn)動(dòng)速度過慢，從而會(huì)引起堵篩。如果錘篩間隙過小，較快的物料環(huán)流層速度會(huì)造成透篩困難，從而造成了過度粉碎情況的出現(xiàn)[14]。

綜合考慮加工物料等因素，錘篩間隙可根據(jù)成品尺寸進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔR——錘篩間隙；

d——被粉碎谷粒的直徑。

對(duì)于加工谷物類選取ΔR=4～8 mm，秸稈類選取ΔR=10～14 mm。在本次設(shè)計(jì)中，錘片式粉碎為一次粉碎結(jié)構(gòu)，故取較大的錘篩間隙ΔR=12 mm，如圖5所示。

2.5 篩片的選擇

一般篩孔按其直徑可分為四個(gè)等級(jí)：小孔1～2 mm，中孔3～4 mm，粗孔5～6 mm，大孔8 mm。篩片是錘片式粉碎機(jī)中主要的工作件與易損件之一，對(duì)粉碎的效率也有著重大的影響。篩片在粉碎機(jī)中既可對(duì)加工物料進(jìn)行篩分，又可與加工物料進(jìn)行摩擦碰撞，進(jìn)一步粉碎加工物料[15]。因此，合理的篩片參數(shù)選擇會(huì)改善粉碎機(jī)的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)中采用兩次粉碎的工藝路線，故一級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)篩片孔徑應(yīng)大于二級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)環(huán)篩孔徑，綜合得出一級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)篩片的篩孔直徑為8 mm，二級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)環(huán)篩的篩孔直徑為4 mm[16]。

圖5 錘篩間隙

2.6 盤式粉碎裝置

二次粉碎結(jié)構(gòu)為盤式粉碎結(jié)構(gòu)，定齒盤上設(shè)置有鋸齒，動(dòng)齒盤上安裝有柱軸和刀具，柱軸位于刀具外側(cè)，鋸齒位于柱軸與刀具之間，且柱軸、刀具和鋸齒所圍成圓均為同心圓。柱軸、鋸齒和刀具之間的距離影響著粉碎效率，若相距距離過小，會(huì)出現(xiàn)過度加工現(xiàn)象，從而造成能耗的增加；若其相聚距離過遠(yuǎn)，則不利于粉碎過程的進(jìn)行[17]。取鋸齒相距柱軸和刀具的距離均為10 mm。在柱軸的外側(cè)設(shè)有環(huán)篩，根據(jù)（4）式，取環(huán)篩與柱軸間隙為8 mm，如圖6所示。

圖6 環(huán)篩與柱軸間隙

3 結(jié)論

通過對(duì)以往粉碎機(jī)理的研究，介紹了一種新型組合式飼料粉碎機(jī)。本方案采用增加粉碎次數(shù)的方法，一級(jí)粉碎裝置與二級(jí)粉碎裝置分別安裝于主動(dòng)軸和從動(dòng)軸，且要求一級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)篩孔直徑大于二級(jí)粉碎倉(cāng)內(nèi)篩孔直徑，即通過提高一次粉碎的透篩率，再利用二次盤式粉碎來確保其加工成品質(zhì)量，并對(duì)錘片的形狀及排列、錘片與篩片的間隙等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地提出了利用主軸加工余量進(jìn)行二次粉碎加工的方法，不僅可以解決堵篩以及錘片等關(guān)鍵部件磨損的問題，同時(shí)也對(duì)提高生產(chǎn)率及降低成本等具有重要的意義。