錘片式飼料粉碎機科技進展

曹麗英，汪 陽，李帥波，汪 飛

（內(nèi)蒙古科技大學 機械工程學院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

畜牧業(yè)發(fā)展的水平對我國第一產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟有著重要影響[1],畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展離不開飼料工業(yè)的支持，在飼料生產(chǎn)中粉碎是不可缺少的一環(huán)。粉碎機是飼料生產(chǎn)中常用機械之一，其性能的好壞影響著粉碎效率和能耗的高低，直接影響飼料的質(zhì)量和企業(yè)的效益。錘片式飼料粉碎機因為結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、便于維修而被廣泛使用[2-4]。飼料工業(yè)的發(fā)展促進了錘片式飼料粉碎機不斷優(yōu)化，文章綜述錘片式飼料粉碎機的現(xiàn)況、前人在錘片式粉碎機內(nèi)流場和降噪方面的研究，為粉碎機械向著低能耗、高性能和高效率方向發(fā)展提供參考。

1 錘片式飼料粉碎機的發(fā)展現(xiàn)狀

在國外的飼料生產(chǎn)中，由于不同地區(qū)飼料原料的不同，導致錘片式飼料粉碎機發(fā)展的不同。在歐洲各國的飼料生產(chǎn)中多是沒有谷物的混合粉碎（先配料后粉碎）；在美國的飼料配方中原料的含水率低于歐洲，以一半玉米或小麥作為基礎，并且很少使用難粉碎谷物，比如燕麥、大麥之類。因此美國的錘片式飼料粉碎機的篩板面積大，如Champion公司及Jacobson公司等宣傳自己的產(chǎn)品為全周篩，篩板的安裝或更換只需停機打開機殼更換即可；歐洲則需要齒板面積較大的粉碎機，其中荷蘭VanAarsen公司的2D系列產(chǎn)品最為典型，粉碎機的齒板面積占據(jù)粉碎室外圍面積的一半，并且實現(xiàn)不停機、不打開機殼換篩板。到目前為止，國外的粉碎機發(fā)展日漸成熟，已經(jīng)形成自動化程度高的錘片式飼料粉碎機產(chǎn)品，可控制給料量和給料速率，實時控制粉碎機轉(zhuǎn)速，監(jiān)控出料口物料等。代表機型有瑞士的DNZF型錘片粉碎機，日本的ACM型粉碎機和美國的MSV型粉碎機等[5-6]。

我國的錘片式飼料粉碎機機型眾多，早在20世紀50年代就有9F和9FQ系列的錘片式飼料粉碎機；20世紀90年代以后，江蘇牧羊和正昌集團等企業(yè)先后研發(fā)出水滴王、冠軍、優(yōu)勝等系列的錘片式飼料粉碎機，大大提高了粉碎機的質(zhì)量和工作效率。目前，我國粉碎機生產(chǎn)和研發(fā)技術(shù)已達到世界領先水平，成為行業(yè)內(nèi)的佼佼者[7]。但現(xiàn)在我國市面上最受歡迎的仍是低成本、操作簡單的傳統(tǒng)中小型錘片式飼料粉碎機，大型粉碎機產(chǎn)品因為成本高、自動化程度高、動力大，多用于大型飼料廠。牧羊集團的先鋒668型水滴式錘片粉碎機的錘篩間隙可調(diào)，滿足粗細粉碎的要求；特殊的二次粉碎結(jié)構(gòu)，大大提高了粉碎效率；功率配備 55～160 kW，產(chǎn)量可達 10～32 t/h。上海春谷實業(yè)有限公司的XG68ZJ和XG136ZJ系列，粉碎效率提高了40%，并且篩的振幅能補償錘片的磨損1～3 mm，使錘片使用壽命延長 30%～50%。

現(xiàn)階段，我國中小型飼料企業(yè)廣泛使用的傳統(tǒng)臥式錘片式飼料粉碎機，其工作原理：物料顆粒喂入粉碎室后，受到高速旋轉(zhuǎn)錘片的打擊和內(nèi)腔齒板摩擦的共同作用，物料被粉碎成顆粒，在錘片的拋射和離心力、氣流場的帶動下到達篩網(wǎng)，符合粒度要求的物料顆粒透篩排出[8]。其缺點是在粉碎室內(nèi)存在物料環(huán)流層，即粉碎后的大物料顆粒受離心力的影響分布在外層，小顆粒分布在內(nèi)層，會對滿足粒度要求的顆粒透篩有一定阻礙，并且粉碎室中心存在負壓，對物料顆粒有吸附作用，使?jié)M足要求的物料顆粒來不及排出，形成二次或多次粉碎，使得粉碎機效率低下，影響粉碎質(zhì)量[9]。因此，錘片式粉碎機的現(xiàn)存缺點主要有粉碎能耗高、篩分效率低、噪聲大、物料被過粉碎、飼料溫升快、錘片和篩網(wǎng)磨損嚴重等[10]。

2 錘片式飼料粉碎機內(nèi)氣固環(huán)流層的研究

錘片式飼料粉碎機工作時，透篩能力和粉碎質(zhì)量受到粉碎腔內(nèi)氣固環(huán)流層的影響，我國科研人員針對環(huán)流層對粉碎機性能有什么影響，如何解決環(huán)流層問題和增強粉碎機的效率問題進行了大量研究，并且取得了突出的研究進展[11]。

一部分科研人員認為，環(huán)流層的存在對物料的粉碎和分離有阻礙作用，提升粉碎效率和提高粉碎質(zhì)量的前提是打破環(huán)流層。最早前蘇聯(lián)學者KPCOMHOB[12]使用高速攝影觀察到環(huán)流層內(nèi)外分層，大顆粒分布在內(nèi)層，小顆粒在外層，這種環(huán)流層阻礙了滿足要求的小顆粒物料穿過大顆粒層透篩，導致過粉碎使得粉碎質(zhì)量下降。近年來，劉憲等[13]運用動力學原理，分析工作時物料顆粒的受力，得到顆粒運動的方程式，并提出提高氣流的徑向速度可適當改善篩分效果。劉文廣[14]分析使用梯形篩的錘片式粉碎機，得到使用梯形篩使得環(huán)流層速度處于變化中，破壞了環(huán)流層，粉碎效率得到改善。國內(nèi)外學者提出可以通過改變粉碎室形狀來破壞環(huán)流層，以此提升粉碎機性能。水滴式、桃形式等各種非圓形結(jié)構(gòu)的粉碎機先后問世。此外，湯其春等[15]根據(jù)渦旋發(fā)生原理，提出在環(huán)流層中產(chǎn)生多個渦旋，形成紊流破壞物料環(huán)流層，研究認為通過改變粉碎室的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)這一概念。董梓南[16]為有效解決物料旋轉(zhuǎn)和粉碎不充分問題，設計出雙轉(zhuǎn)子粉碎室。田海清、杜嘉楠等[17-23]研究篩片截面形狀對粉碎機性能的影響，先后設計梯形篩片、三角形篩片、間隔分段圓弧形篩片、翼形篩片以及翼形三角形組合形篩片來破壞環(huán)流層，改善粉碎機性能。趙波等[24]利用被粉碎后的物料在錘片轉(zhuǎn)動方向呈“人”形對稱分布的特點，設計了篩孔沿篩板外邊呈“人”形分布的新型篩片，促使物料顆粒及時從篩孔排出，避免物料形成環(huán)流層。王永昌等[25]用振動篩替代傳統(tǒng)的靜態(tài)篩，增加物料間的翻動能力，以破壞環(huán)流層。

以上研究無論是通過改變粉碎室結(jié)構(gòu)還是使用振動篩、旋渦理論，或者是改變篩片的形狀等方法來研究環(huán)流層，本質(zhì)都是改變粉碎室內(nèi)氣固環(huán)流層的運動規(guī)律。如何獲得利于物料粉碎與篩分的良性氣固流場以及相關(guān)機理有待進一步研究。

20世紀90年代初，有學者提出了另一種關(guān)于物料環(huán)流層運動規(guī)律的假說：在粉碎室內(nèi)，由于物料處于高速運動，不存在大顆粒物料阻礙符合透篩顆粒的透篩現(xiàn)象，打破環(huán)流層并不能改善粉碎機性能、提高效率。1991年，劉承俊等[26]利用高速攝影技術(shù)研究了粉碎室氣固環(huán)流層的生成和規(guī)律，結(jié)果表明：存在環(huán)流層，但是環(huán)流層內(nèi)大小顆粒相互混合，后又進行異形粉碎室試驗，并未明顯改變粉碎機性能，指出要使粉碎機性能良好需選擇合適的氣料比。周向農(nóng)等[27]設計試驗裝置，測取環(huán)流分布數(shù)據(jù)，得出物料顆粒在粉碎室內(nèi)做服從統(tǒng)計規(guī)律的自由運動，環(huán)流層物料的分布密度沿半徑方向從小到大，并且靠近篩片密度最大。

以上2種理論，需要研究人員進一步探索。

3 錘片式飼料粉碎機流場數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)和有限元思想的不斷發(fā)展完善，仿真技術(shù)和計算流體力學越來越廣泛地應用于科研領域，數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合成為研究方法的一大主流。各類粉碎裝備和飼料加工機械的研發(fā)中不斷地使用CFD方法，且取得了很大進展，極大地推動了我國農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。

HIROHISA 等[28]采用 CFD-DPM 相耦合的方法，對粉碎機中的流體流動和單個粒子運動進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明粉碎物料速度受粉碎室流場特征的影響。BUD?CAN等[29]建立計算流體力學模型，采用數(shù)值模型預測和改善錘片式粉碎機的流動特性，分析流體的壓力、速度和湍流區(qū)域并根據(jù)結(jié)果對錘片式飼料粉碎機的結(jié)構(gòu)進行了改進優(yōu)化。曹麗英等[30]提出一種帶回料管的新型錘片式粉碎機，并利用Fluent軟件模擬新型錘片式粉碎機分離裝置的氣固兩相流，以此分析粉碎機分離效率與裝置內(nèi)物料濃度、分離裝置彎曲半徑和回料管出口負壓的關(guān)系，得到影響分離效率的重要因數(shù)，為該粉碎機的設計完善提供了理論依據(jù)。黃濤[31]應用數(shù)值模擬技術(shù)對比分析了環(huán)形平篩粉碎機和異形三角篩粉碎機的流場，結(jié)果表明使用合理篩片能影響粉碎機內(nèi)的流場特性，為提高粉碎機生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量提供理論指導。GHODKI等[32]基于離散元模型，對比錘片式粉碎機不同轉(zhuǎn)速下黑胡椒種子的運動速度和粒度分布特征，并進行試驗驗證，以此對粉碎機內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行改進。宋濤等[33]采用數(shù)值模擬的方法，對錘片式粉碎機內(nèi)部的速度場、壓力場、湍動能場的分布和運動規(guī)律進行模擬分析，結(jié)果表明湍動能場的存在使得氣流速度在粉碎室上部大幅下降，不利于物料的粉碎和收集，此結(jié)論可為錘片式飼料粉碎機結(jié)構(gòu)改進和基礎理論的完善提供參考。王海慶[34]利用Fluent軟件的Mixture多相流模型，采用數(shù)值模擬技術(shù)獲取了粉碎機使用不同篩片時的流場特征，合理的篩片形狀有利于粉碎機形成改善性能的良性流場。賀殿民等[35]使用Fluent進行流場分析計算，使用MATLAB分析粉碎機的出料量與回料管負壓值的關(guān)系，為新型錘片式粉碎機的優(yōu)化提供理論支持。錢義等[36]采用數(shù)值模擬技術(shù)，對安裝異形篩片的錘片式飼料粉碎機工作時粉碎室內(nèi)顆粒的受力以及流場運動規(guī)律進行模擬，結(jié)果表明采用分段圓弧篩片時物料透篩率提高，并通過試驗證明，使用優(yōu)化后的異形篩片粉碎機效率提升，能耗降低，物料溫升也得到改善，對錘片式飼料粉碎機性能的提升有參考價值。

使用數(shù)值模擬技術(shù)可以降低試驗成本，縮短試驗周期，特別是對于粉碎腔內(nèi)復雜的流場研究，數(shù)值模擬技術(shù)具有很大優(yōu)勢和便利。但是結(jié)果空泛，需要相應的試驗來驗證結(jié)果的準確性和精確性。

4 錘片式飼料粉碎機噪聲的研究

噪聲問題日益被人們關(guān)注，飼料廠的減振降噪措施除了隔離，科研人員對飼料粉碎機也做了一些減振降噪的創(chuàng)新。范文海[37]測量了無錘片情況下粉碎機的振動和噪聲，得出錘片式粉碎機噪聲來源是錘片擊打空氣。房菁[38]對飼料粉碎機使用LabVIEW和MATLAB相結(jié)合的方法，對振動信號進行提取處理，分析出粉碎機振動的原因，對產(chǎn)品的改進和優(yōu)化有參考意義。曹麗英等[39]使用傳感器和虛擬技術(shù)相結(jié)合的方法，解決了傳統(tǒng)噪聲研究中儀器不足的問題，實現(xiàn)實時對粉碎機噪聲進行采集，進行聲壓級、1/3倍頻程分析和計權(quán)分析，得出空氣動力性噪聲在粉碎機噪聲中占主要，轉(zhuǎn)速對粉碎機噪聲影響顯著，錘片只影響噪聲幅值，對主頻變化影響不大，為后來研究噪聲識別和降噪提供基礎。楊陽[40]為減少工作噪聲，在電機下面設置減振氣囊，底座下面設置防滑墊，取得了成效，有效減少噪聲。俞繼來[41]研制一種降噪的粉碎機，回風管被分為上下2部分，用隔音棉處理，從傳播途徑上解決噪聲問題，也減少回風管內(nèi)的磨損，提高使用壽命，但是對現(xiàn)有粉碎機降噪無太大作用。陳碩[42]針對粉碎室工作生熱和噪聲問題，在外側(cè)添加水冷層和隔音層，有效解決了降溫降噪問題，但此方法局限性很大，只適用于特定場合，不能對現(xiàn)有粉碎機降噪提供太多價值。張弘玉等[43]用Fluent和Virtual.Lab軟件聯(lián)合對粉碎機內(nèi)部流場進行模擬仿真，研究粉碎機的空氣動力性噪聲，得到氣動噪聲主要從出料口向外擴散，在166.7 Hz處達到峰值，為新型錘片式飼料粉碎機降噪提供依據(jù)。楊左文等[44]對影響噪聲的主要因素如錘片、篩網(wǎng)、進料口、出料口和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等進行相應的聲壓級和頻譜分析，找出聲源與主要因素的關(guān)系，改進整機各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的設計，提出降噪的關(guān)鍵是空氣動力性噪聲，錘片對噪聲的產(chǎn)生影響最大，轉(zhuǎn)速對粉碎機的噪聲有顯著的影響，篩網(wǎng)、錘片數(shù)量和進料口只影響幅值，對主頻沒影響，低轉(zhuǎn)速時渦流噪聲為主，高轉(zhuǎn)速時旋轉(zhuǎn)噪聲占主要等。

5 結(jié)語

目前錘片式飼料粉碎機的型號越來越多，性能越來越完善，研究者們使用不同的方法，通過對錘片式飼料粉碎機研究分析，取得了較多的成果。但是這些成果多為宏觀上定性的試驗推測，缺乏定量的對機理的研究。對流場的研究，因為其復雜性和多樣性，主軸轉(zhuǎn)速過高，使用的研究方法較為單一，不能全面反映真實情況；一些研究方法和發(fā)明專利局限性較大，不宜推廣。降噪主要是降低空載時空氣動力性噪聲，且錘片對噪聲的產(chǎn)生影響最大。

對于粉碎機問題有大量研究方法借鑒，可以從多方入手，將多源信息進行互補、融合，相互驗證、補充，提高研究精度和效率，也可將其他領域的方法嘗試引入粉碎機研究中。隨著“中國制造2025”的推進，大中型粉碎機的發(fā)展方向?qū)⑹堑驮肼?、高效率和低能耗，將向著智能化、自動化方向發(fā)展，實現(xiàn)PLC控制、不停機換篩片和自動在線檢測粉碎質(zhì)量等。面向農(nóng)戶的小型機將是更便于操作，實現(xiàn)多種飼料粉碎、攪拌為一體的多功能機械。