一種剪切式秸稈粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)*

石艷春 ，莊兆恒 ，王洪波

（中廣核環(huán)保產(chǎn)業(yè)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣是秸稈資源化利用的重要途徑，而秸稈粉碎機(jī)是秸稈產(chǎn)沼氣過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。錘片式粉碎機(jī)是應(yīng)用較廣的秸稈粉碎裝備，以打擊粉碎、撞擊粉碎和搓擦粉碎等粉碎模式為主。但錘片式秸稈粉碎機(jī)存在能耗大、粉碎粒度不集中、過(guò)粉碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重等問(wèn)題[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)由于秸稈抗壓強(qiáng)度小、纖維較長(zhǎng)，物料間碰撞自行破碎的概率較小，故采用剪切力粉碎更為有效。

王振偉等[2]設(shè)計(jì)研發(fā)了一種低速剪切式粉碎機(jī)，并對(duì)其展開(kāi)了理論分析、樣機(jī)試制和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終成功研制出了一種粉碎粒度集中、噪聲小、粉塵少的秸稈粉碎機(jī)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。袁斌[3]介紹了一種液壓低速剪切式粉碎系統(tǒng)，該粉碎機(jī)應(yīng)用于秸稈粉碎時(shí)每噸秸稈物料的粉碎能耗為3.75 kW，在降低運(yùn)行成本方面取得了良好效果。

目前，業(yè)界對(duì)剪切式秸稈粉碎機(jī)的具體受力和電機(jī)功率確定還缺乏相關(guān)研究，為解決上述問(wèn)題，滿(mǎn)足逐漸擴(kuò)大的秸稈粉碎需求，本文從理論上探討了剪切式秸稈粉碎機(jī)主要參數(shù)的計(jì)算方法，以期為該類(lèi)型的秸稈粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

一臺(tái)錘片式粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)功率是110 kW，每小時(shí)產(chǎn)量為8 t，進(jìn)料秸稈長(zhǎng)度在10 cm～20 cm，出料粒徑為3 cm～5 cm。現(xiàn)因該粉碎機(jī)能耗高，希望設(shè)計(jì)一款新型粉碎機(jī)，將每噸秸稈粉碎能耗降低30%以上。

2 傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)的能耗問(wèn)題及改進(jìn)分析

錘片式粉碎機(jī)是目前粉碎秸稈和飼料最常用的粉碎機(jī)之一，其工作原理是：秸稈物料進(jìn)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。傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)存在以下兩方面的問(wèn)題。

2.1 問(wèn)題1

第一個(gè)問(wèn)題是錘片式粉碎機(jī)存在粉碎能耗高、篩分效率低、噪聲大、物料被過(guò)粉碎、飼料升溫快、錘片和篩網(wǎng)磨損嚴(yán)重等不足之處[1]。其中，物料環(huán)流層是影響粉碎機(jī)的能耗和效率的重要因素之一[4]，由于傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)存在較為嚴(yán)重的環(huán)流層，使得其過(guò)粉碎現(xiàn)象嚴(yán)重，物料分離效率較低，粉碎機(jī)能耗較高。針對(duì)如何破壞物料環(huán)流層以降低能耗，業(yè)界開(kāi)展了眾多研究。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種三角形篩片代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形平篩以構(gòu)成異形粉碎室，進(jìn)而破壞環(huán)流層、改善粉碎機(jī)性能。該研究首先根據(jù)工程流體力學(xué)流道截面理論，分析了三角形篩片異形粉碎室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)特性以及對(duì)粉碎機(jī)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了三角形篩片改善粉碎性能的有效性。

文獻(xiàn)[6]介紹了一種粉碎篩片的振動(dòng)專(zhuān)利技術(shù)，該項(xiàng)國(guó)際專(zhuān)利技術(shù)使錘片式粉碎機(jī)的錘篩間隙動(dòng)態(tài)變化，既破壞了傳統(tǒng)粉碎機(jī)存在的物料環(huán)流層，又增加了對(duì)物料穿過(guò)篩孔的推動(dòng)力，顯著提高了物料過(guò)篩速度和粉碎產(chǎn)量，特別是提高了高水分物料、高油脂物料、高黏性物料的過(guò)篩率。

文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種水滴形齒爪粉碎機(jī)，能夠破壞物料旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的環(huán)流層，極大地提高了粉碎效率。

還有部分研究針對(duì)錘片式粉碎機(jī)篩網(wǎng)的篩分效率開(kāi)展了研究。文獻(xiàn)[6]提出采用梯形篩片構(gòu)成異型粉碎室的方法提高粉碎機(jī)的工作性能。試驗(yàn)證明，異型粉碎室能有效改善粉碎性能。

文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]介紹了新型錘片式粉碎機(jī)，改變物料顆粒的分離方式，利用氣流輸送和錘片擊打作用將物料顆粒運(yùn)送到分離裝置進(jìn)行篩分，對(duì)該粉碎機(jī)分離裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，圓弧型出料口的物料透篩效率略高于直板型出料口。

粉碎室和篩網(wǎng)方面的各項(xiàng)研究成果為錘片式粉碎機(jī)的改進(jìn)提供了諸多有價(jià)值的參考，但能耗過(guò)大的問(wèn)題依然存在[4]。總體而言，錘片式粉碎機(jī)的物料環(huán)流層問(wèn)題和高能耗問(wèn)題目前還有待深入研究。

2.2 問(wèn)題2

第二個(gè)問(wèn)題是錘片式粉碎機(jī)目前沒(méi)有清晰的能耗模型。文獻(xiàn)[10]介紹了傳統(tǒng)的三大粉碎功耗學(xué)說(shuō)。歷史上許多學(xué)者試圖采用定量分析的方法建立破碎理論假設(shè)，以提示能量消耗與物料粉碎狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系。在破碎理論的研究上，主要有三大粉碎功耗學(xué)說(shuō)以及在三大學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的相關(guān)學(xué)說(shuō)。三大破碎功耗理論是機(jī)械破碎工藝研究和實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，基本認(rèn)為物料破碎前，會(huì)在壓力的作用下先產(chǎn)生形變，形變積累到一定程度后產(chǎn)生裂紋，最后發(fā)生破裂。

三大學(xué)說(shuō)包括1 8 6 7 年德國(guó)學(xué)者P.R.雷廷格（P.R.Rittinger）提出的面積學(xué)說(shuō)、1885 年德國(guó)學(xué)者F.基克（F.Kick）提出的體積學(xué)說(shuō)和1952 年美國(guó)學(xué)者F.C.榜德（F.C.Bond）提出的裂縫學(xué)說(shuō)。以上述三種學(xué)說(shuō)為代表的傳統(tǒng)破碎理論在破碎領(lǐng)域中起著重要的指導(dǎo)作用，促進(jìn)了物料破碎技術(shù)的發(fā)展。但三大理論分別注意的是破碎過(guò)程的某一個(gè)階段，體積學(xué)說(shuō)注意的是物體受外力發(fā)生形變的階段，裂縫學(xué)說(shuō)注意的是裂縫的形成和發(fā)展，面積學(xué)說(shuō)關(guān)注的是破碎后新生成的表面積。因此各自帶有一定的片面性，對(duì)破碎粉碎的指導(dǎo)作用并不強(qiáng)，而且由于物料物理特性的差異性，這些理論并不能直接用于秸稈粉碎機(jī)的能耗研究中。

文獻(xiàn)[11]針對(duì)錘片式粉碎機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，結(jié)合撞擊原理認(rèn)為：錘片式粉碎機(jī)是靠錘片的撞擊、擠壓、剪切、研磨等作用來(lái)粉碎物料的，其原理實(shí)際屬于撞擊粉碎，即錘片對(duì)物料的撞擊動(dòng)能大于物料內(nèi)部凝聚力的能量，迫使物料由大塊逐漸被粉碎成碎屑。該文獻(xiàn)還根據(jù)動(dòng)量守恒定律，推導(dǎo)了部分動(dòng)能在碰撞時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉鬯槲锪系哪芰恐担?/p>

式中，ΔE為可能轉(zhuǎn)化為粉碎能的最大動(dòng)能；M1為單顆物料質(zhì)量；M2為撞擊構(gòu)件質(zhì)量；v為撞擊前撞擊構(gòu)件相對(duì)物料的速度。

動(dòng)能改變量ΔE使顆粒發(fā)生變形粉碎，此能量越大，粉碎機(jī)的粉碎能力越高。故文獻(xiàn)[11]得出結(jié)論：可以通過(guò)提高撞擊部件也就是錘片的質(zhì)量及其與物料的相對(duì)速度，來(lái)提高粉碎機(jī)的粉碎效率。該論斷對(duì)脆性材料粉碎受力分析有一定的啟發(fā)，但是對(duì)于秸稈這種纖維狀高韌性材料并不合適。而且錘片式粉碎機(jī)在粉碎室內(nèi)的實(shí)際粉碎機(jī)理包括撞擊、揉搓、擠壓、剪切、研磨等，仍有多種情形不完全適合。因此，秸稈粉碎能耗機(jī)理還有待深入研究。

2.3 改進(jìn)分析

近年來(lái)，一些專(zhuān)家對(duì)錘片進(jìn)行了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)與探究，以提高錘片式粉碎機(jī)的粉碎效率，發(fā)現(xiàn)錘片的剪切作用對(duì)提高粉碎效率具有較大影響。

文獻(xiàn)[6]提出一種開(kāi)刃錘片，如圖1 所示。傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)兩個(gè)錘片的工作面為平面結(jié)構(gòu)，在高速旋轉(zhuǎn)打擊物料時(shí)，會(huì)將物料直接推向前部。而開(kāi)刃錘片則是將錘片的工作部位兩端加工成斜面開(kāi)刃形狀，將錘片前端工作端面制作成斜面，錘擊物料時(shí)將物料推向兩個(gè)側(cè)面，降低了物料跟著錘片旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，增加了后繼錘片與物料的錘擊速度差，提高了粉碎效率。

圖1 開(kāi)刃錘片示意圖

文獻(xiàn)[6]還介紹了在粉碎室內(nèi)增加定錘的專(zhuān)利技術(shù)，該專(zhuān)利技術(shù)是在粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的各錘架板的外圈空間加裝與錘架板數(shù)量相同的固定環(huán)，在固定環(huán)上均勻安裝若干定錘。定錘的作用有：1）定錘的安裝使得每組高速旋轉(zhuǎn)的錘片與兩側(cè)定錘表面之間的間隙與無(wú)定錘的傳統(tǒng)粉碎機(jī)的錘片與兩側(cè)錘架板之間的間隙相比大大縮小，因而形成了高速旋轉(zhuǎn)的錘片與靜態(tài)的定錘表面之間對(duì)物料的剪切式粉碎作用，提高了粉碎效率；2）由于存在多個(gè)定錘，物料在錘片的打擊下或運(yùn)動(dòng)時(shí)每撞擊一次定錘，就增加一次粉碎機(jī)會(huì)，因而大大增加了物料在粉碎室內(nèi)被撞擊的次數(shù)和受剪切式粉碎的次數(shù)，增加了粉碎的概率，提高了粉碎的效率。

文獻(xiàn)[12]開(kāi)展了秸稈多級(jí)循環(huán)粉碎新方法研究。針對(duì)傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)能耗大、效率低、工作環(huán)境粉塵嚴(yán)重、噪聲大等缺點(diǎn)，依據(jù)多碎少磨、多級(jí)粉碎的思想，提出了先高速預(yù)切割，再中速粉碎，然后低速螺旋篩分，篩上物料通過(guò)氣流循環(huán)送回粉碎室再次粉碎、篩分出料的多級(jí)循環(huán)粉碎新方法。充分發(fā)揮了高速切割效率高、中速粉碎能耗低、低速螺旋篩分出料快、氣力循環(huán)輸送粉塵控制好等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)切割、粉碎、篩分和循環(huán)輸送四個(gè)工藝階段有機(jī)配合，綜合解決秸稈粉碎物料易形成環(huán)流層，導(dǎo)致過(guò)粉碎、能耗高、效率低的難題，該研究新研制的多級(jí)循環(huán)粉碎系統(tǒng)與3FC-500 粉碎機(jī)相比，能耗降低了80%，產(chǎn)量提高到2.5倍，改進(jìn)效果顯著。

以上研究通過(guò)對(duì)錘片結(jié)構(gòu)的改變，使物料在錘片刃口處受到較大的剪切力作用，定錘的設(shè)計(jì)則增加了錘片和定錘之間的剪切副，使得粉碎原料能被快速破碎，提高了錘片對(duì)物料的破碎效率。錘片式粉碎機(jī)的撞擊粉碎研究表現(xiàn)出往剪切粉碎方向遷移的跡象。

綜上所述，可以認(rèn)為以撞擊方式為粉碎原理的錘片式粉碎機(jī)，要求采用有較大質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的錘片，比較適合脆性硬質(zhì)物料，其能耗一般較高；針對(duì)柔韌性較高的秸稈類(lèi)物料，適合采用比較鋒利的刀片，選用切割和剪切方式。

3 總體設(shè)計(jì)要求

根據(jù)上文分析，本文采用剪切粉碎機(jī)理來(lái)改進(jìn)某秸稈粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)要求如表1 所示。

表1 秸稈粉碎機(jī)總體設(shè)計(jì)要求

4 系統(tǒng)組成

該雙齒輥剪切式秸稈粉碎機(jī)系統(tǒng)組成有料斗、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架和刀箱等，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。粉碎機(jī)工作時(shí)，秸稈物料在料斗的引導(dǎo)作用下進(jìn)入刀箱，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下被機(jī)箱內(nèi)的齒輥卷入進(jìn)行剪切破碎。

圖2 雙齒輥剪切式秸稈粉碎機(jī)總體結(jié)構(gòu)

破碎刀箱固定于機(jī)架上的刀箱座上，減速機(jī)一端與破碎刀箱主軸連接，另一端通過(guò)減震碟片固定于機(jī)架減震板上。破碎刀箱平行布置有主、副軸，電機(jī)通過(guò)減速機(jī)為主軸提供低速高轉(zhuǎn)矩動(dòng)力，主軸與副軸之間的齒輪可將動(dòng)力分配至副軸上，并使主、副軸帶動(dòng)上面的動(dòng)刀做相向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的剪切破碎。

5 刀具剪切受力分析

已知錘片式粉碎機(jī)的能耗較高，并且沒(méi)有清晰的能耗模型來(lái)計(jì)算受力和電機(jī)選型，因此考慮改良為剪切粉碎，以77 kW的剪切粉碎機(jī)為例，探討其優(yōu)化效果。

5.1 玉米秸稈力學(xué)參數(shù)

有莖節(jié)試樣秸稈的剪切力最大為2 016.84 N，最小為621.25 N；無(wú)莖節(jié)試樣秸稈的剪切力最大為1 783.27 N，最小為491.46 N。有莖節(jié)試樣秸稈的抗剪強(qiáng)度最大為4.26 MPa，最小為2.32 MPa；無(wú)莖節(jié)試樣秸稈的抗剪強(qiáng)度最大為4.11 MPa，最小為2.05 MPa。玉米秸稈整體的平均密度為1 g/cm3，平均直徑為16±4.05 mm。

5.2 所需剪切力計(jì)算

5.2.1 單層剪切計(jì)算

玉米秸稈的平均直徑為16 mm，最大剪切強(qiáng)度τ為4.26 MPa，刀片長(zhǎng)200 mm。那么，平均直徑為16 mm 的秸稈在刀片切割部位的最大數(shù)量為200/16=12.5個(gè)，最大剪切面積為200×16=3 200 mm2。單層剪切受力示意圖如圖3所示。

圖3 單層剪切受力示意圖

則刀片受到的剪切阻力F1為：

5.2.2 多層剪切計(jì)算

多層剪切受力示意圖如圖4 所示。R表示剪切齒最高點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑；剪切齒高度為H，即剪切齒回轉(zhuǎn)半徑減去刀柄回轉(zhuǎn)半徑。

圖4 多層剪切受力示意圖

若每小時(shí)粉碎處理8 t秸稈，則每秒要剪切的量為：

玉米秸稈的堆積密度為100 kg/m3，那么每秒鐘需要剪切的體積為：

假設(shè)剪切刀具長(zhǎng)1 m，剪切寬度為0.022 2 m，那么需要剪切的面積為：

假設(shè)秸稈進(jìn)入剪切階段，壓縮成板材狀，長(zhǎng)1 m，寬0.022 2 m，高1 m，那么體積為：

在剪切瞬間，秸稈局部壓縮成一個(gè)長(zhǎng)1 m，寬1 m，厚0.022 2 m 的長(zhǎng)方體，整個(gè)剪切過(guò)程可以認(rèn)為剪切了這樣一個(gè)長(zhǎng)方體。

5.2.3 剪切阻力計(jì)算、旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算

由于秸稈板材高1 m，如果每段剪切成5 cm 長(zhǎng)，那么每秒需要剪切的次數(shù)為100/5=20 次。這是旋轉(zhuǎn)剪切一次的情況，相當(dāng)于只有一個(gè)剪切刀齒。

如果旋轉(zhuǎn)一周剪切40 次，那么剪切20 次只需要每秒旋轉(zhuǎn)0.5 次，每分鐘旋轉(zhuǎn)60×0.5=30次，旋轉(zhuǎn)速度為30 r/min。

每次剪切，剪切刀齒受到的最大剪切阻力為：

6 電機(jī)功率和回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算

力矩可以用來(lái)表示力對(duì)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。由于刀具是固定在傳動(dòng)軸上并繞軸心勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此根據(jù)空間任意力系的平衡方程，有以下限制條件：

即剪切力和剪切力矩在剪切過(guò)程中是平衡的。因此，在剪切刀具工作過(guò)程中，其所受的力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力矩不能超過(guò)電機(jī)所能提供的刀具軸的最大扭轉(zhuǎn)力矩，即MT≤Mmax。

由于整體設(shè)計(jì)要求電機(jī)功率不超過(guò)78.4 kW，此處選用雙齒輥剪切，如圖5 所示，也就是有兩個(gè)軸、兩個(gè)電機(jī)以及兩套剪切刀齒，因此每個(gè)軸的電機(jī)不超過(guò)39.2 kW。

圖5 雙齒輥剪切

雙齒輥剪切咬入幾何關(guān)系如圖6所示。

圖6 雙齒輥剪切咬入幾何關(guān)系

因?yàn)榈毒卟煌恢眉羟辛Φ牧Ρ鄹鞑幌嗤?，其距離與咬入角有關(guān)，故刀具剪切時(shí)所受到的力矩為：

其中，F(xiàn)為被剪切材料對(duì)刀具的作用力，r為F到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的力臂，即F到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的半徑。

根據(jù)剪切秸稈所需要的最大剪切力來(lái)反推電機(jī)功率。這里采用低速大扭矩永磁電機(jī)，不選用減速機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

前面已經(jīng)推算出轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式：n=30 r/min，剪切秸稈所需要的力為94 572 N，正切時(shí)最大回轉(zhuǎn)半徑R為0.1 m（剪切刀齒到刀軸半徑）。因此，最大剪切力矩為：

可得P=29.7 kW，取整為30 kW。

考慮齒輥剪切方式需要兩個(gè)電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)的功率為60 kW。即選用具有兩個(gè)30 kW 電機(jī)的雙齒輥剪切粉碎機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)切割8 t 秸稈的生產(chǎn)要求，總功率為60 kW，小于77 kW的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此，本設(shè)計(jì)滿(mǎn)足能耗和額定功率要求。

本研究設(shè)計(jì)的剪切式秸稈粉碎機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表2 剪切式秸稈粉碎機(jī)主要參數(shù)

7 結(jié)論

本文對(duì)剪切式秸稈粉碎機(jī)的粉碎機(jī)理、電機(jī)功率選型計(jì)算、回轉(zhuǎn)半徑等進(jìn)行了研究，為剪切式秸稈粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一種從力學(xué)模型出發(fā)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可為秸稈粉碎機(jī)未來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。