錘片式粉碎機工作參數(shù)優(yōu)化試驗研究

李春東 劉洋 曹麗英 白永強 汪飛 張上旺

摘要：為解決錘片式粉碎機工作效率低、能耗高等問題，對其工作參數(shù)進行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計。首先進行粉碎機最佳工作參數(shù)組合的優(yōu)化試驗，分析主軸速度、回料管直徑、喂料速率、篩網(wǎng)孔徑及物料含水率對生產(chǎn)率、電耗和粒度的影響規(guī)律。然后對試驗數(shù)據(jù)進行響應(yīng)面設(shè)計分析，求解出最優(yōu)組合并進行試驗驗證。試驗結(jié)果表明，粉碎機的最優(yōu)工作參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速2700r/min、回料管直徑57mm、喂料速率0.25kg/s、物料含水率10%和篩網(wǎng)孔徑6mm。對比單因素最優(yōu)的評價指標，生產(chǎn)率提高4.36%，電耗下降3.23%，粒度減小23.21%。

關(guān)鍵詞：錘片式粉碎機；正交試驗；響應(yīng)面分析；飼料加工機械

中圖分類號：S817.12+2

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02012208

收稿日期：2023年10月13日 ?修回日期：2023年12月15日

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金（2021MS05065、2022MS05030）；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學校青年科技英才支持計劃項目（NJYT23046）

第一作者：李春東，男，1981年生，內(nèi)蒙古赤峰人，教授級高級工程師；研究方向為特種車輛總體技術(shù)。Email： lichundong@imust.edu.cn

通訊作者：曹麗英，女，1980年生，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，教授，博導(dǎo)；研究方向為農(nóng)業(yè)及礦用機械智能化。Email： kdcly@imust.edu.cn

Experimental research on optimization of working parameters of hammer mill

Li Chundong1， Liu Yang2， Cao Liying2， Bai Yongqiang3， Wang Fei2， Zhang Shangwang2

（1. Engineering Training Center， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou， 014010， China;

2. School of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou， 014010， China;

3. Inner Mongolia First Machinery Group Co.， Ltd.， Baotou， 014010， China）

Abstract：

In order to address the issues of low operational efficiency and high energy consumption in the hammer mill， a response surface optimization design was conducted for its operational parameters. Initially， the optimal working parameters of the mill were optimized， and an analysis was performed on the impact of spindle speed， return pipe diameter， feed rate， screen aperture， and material water content on productivity， power consumption， and particle size. Subsequently， a response surface design analysis was carried out using test data to determine and validate the optimal combination through experimentation. Ultimately， the optimum working parameter combination for the crusher is determined as follows： spindle speed at 2700 r/min， return tube diameter at 57 mm， feed rate at 0.25 kg/s， material water content at 10%， and screen aperture at 6 mm. Compared with the single factor optimal evaluation index， the productivity increased by 4.36%， the power consumption decreased by 3.23%， and particle size reduced by 23.21%.

Keywords：

hammer mill; the multifactor orthogonal experiments; response surface analysis; feed processing machinery

0 引言

粉碎是飼料生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝之一，粉碎機是完成物料粉碎的主體設(shè)備。錘片式飼料粉碎機因具有良好的空載啟動速度、對物料的適用范圍廣，維護方便等特點而被廣泛使用。錘片式飼料粉碎機工作性能的主要影響因素是結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，如錘片尺寸、篩網(wǎng)形狀、篩網(wǎng)孔徑、形狀和排列方式、粉碎室形狀、粉碎機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、喂料量、通風量、物料含水率等［13］。

關(guān)于粉碎理論的研究主要集中在尋找粉碎能耗與物料特性、顆粒粒徑及形狀、物料含水率及粉碎后物料顆粒的分布情況等相關(guān)規(guī)律方面［4］。Gomaa等［5］設(shè)計了新的試驗粉碎設(shè)備，探究了含水率和主軸轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率和粉碎時間之間的關(guān)系，得出含水率越低，轉(zhuǎn)速越快，生產(chǎn)率越高，粉碎所需時間越少的結(jié)論。上述研究雖然得出粉碎機各工作參數(shù)與生產(chǎn)率之間的關(guān)系，但是并沒有結(jié)合粉碎機全部性能指標給出最優(yōu)的參數(shù)配合。飼料粉碎領(lǐng)域中精確而詳細的粉碎理論還有待深入研究。Takeuchi等［6］通過計算流體力學（CFD）—離散相耦合模型，對粉碎機內(nèi)單顆粒（甘蔗）運動模型進行計算，并用高速攝影機記錄其運動情況，研究表明氣流速度和頻率是影響沖擊式粉碎機性能的重要因素，這有助于設(shè)計和控制沖擊式粉碎機。

Bulatov等［7］在分析了錘式破碎機的優(yōu)缺點后，提出了一種谷物破碎機，將篩網(wǎng)端面與周邊分離，在使用帶直錘的轉(zhuǎn)子時，端面篩網(wǎng)比周邊篩網(wǎng)的透篩率高2%～38%。田海清等［8］試圖以篩片形狀設(shè)計作為突破點以改變粉碎機內(nèi)流場特征，從而提高生產(chǎn)率；李洪成等［9］用切片法構(gòu)建了適用于AbT10破碎模型的玉米籽粒凸面體模型，為玉米粉碎過程離散元模擬提供了模型；此外，自動控制技術(shù)，有限元、離散元等仿真技術(shù)，高速攝影技術(shù)也在粉碎機研究領(lǐng)域得到應(yīng)用［1014］。

目前，針對錘片式粉碎機整機多參數(shù)優(yōu)化及綜合評價指標影響規(guī)律的研究工作還比較少。同時，錘片式粉碎機作業(yè)時其結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)的匹配缺乏充分的理論指導(dǎo)，由于錘片式粉碎機參數(shù)不能實時、精確調(diào)控而導(dǎo)致能量有效利用率低。因此，本文旨在以提高飼料粉碎及整機能量利用率為目的，采用多目標參數(shù)優(yōu)化方法，通過正交旋轉(zhuǎn)組合試驗和響應(yīng)面分析，揭示錘片式粉碎機工作性能和其影響因素之間的規(guī)律，為參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

以中國的9F-40型飼料粉碎機的基礎(chǔ)，研發(fā)了一臺新型錘片式飼料粉碎機。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.齒板

2.粉碎室

3.回料管

4.出料口

5.篩網(wǎng)

6.分離裝置

7.錘片

8.發(fā)動機

9.帶輪

10.進料口

11.底座

該機的工作原理是：物料從進料口進入粉碎室被粉碎后，在轉(zhuǎn)子組拋射及氣流帶動的雙重作用下，在分離裝置內(nèi)進行篩分。滿足粒度要求的顆粒透篩后從出料口排出，未滿足粒度要求的大顆粒從回料管再次進入粉碎室進行循環(huán)粉碎［1819］。根據(jù)GB/T 17890—2008《飼料用玉米》要求，選用含水率為14%的黃玉米，密度1.1 g/cm3。

2 錘片式粉碎機工作參數(shù)優(yōu)化組合試驗

參照國家標準GB/T 6971—2007《飼料粉碎機試驗方法》，對生產(chǎn)率、電耗和GB/T 40944—2021《飼料粒度測定幾何平均粒度法》粒度三個評價指標進行計算。每組試驗重復(fù)3次取平均值。

參考相關(guān)研究以及課題前期試驗研究結(jié)果［2021］，選取粉碎機主軸轉(zhuǎn)速A（2200 r/min，2500 r/min，2800 r/min）、回料管直徑B（50 mm，60 mm，70 mm）、喂料速率C（0.25 kg/s，0.3 kg/s，0.35 kg/s）、含水率D（10%，14%，18%）、篩網(wǎng)孔徑E（4 mm，6 mm，8 mm）作為影響因素，設(shè)計5因素3水平試驗，結(jié)果如表1所示。

表1中的單因素最優(yōu)性能指標單獨列出，通過計算獲取這個水平的生產(chǎn)率、電耗和粒度的平均值分別為 800.5 kg/h、9.15 kWh/t和2.25 mm，指標的范圍誤差分別為21.9 kg/h、0.3 kWh/t和0.1 mm。

3 錘片式粉碎機工作參數(shù)組合優(yōu)化分析

3.1 生產(chǎn)率

3.1.1 生產(chǎn)率方差分析與貢獻率的計算

利用Design Expert 13軟件對各性能指標進行響應(yīng)面分析，通過對目標函數(shù)設(shè)置相應(yīng)的約束函數(shù)，求解出最優(yōu)工作參數(shù)組合，為錘片式粉碎機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。生產(chǎn)率的方差分析結(jié)果如表2所示。表2中F為模型的決定系數(shù)，能夠反映出（用于反應(yīng)）響應(yīng)值抵抗變異的程度，P值用于分析各工作參數(shù)對性能指標的影響程度［22］，生產(chǎn)率的回歸方程

Pw=

800.53+28.91A+3.72B+2.01C-

8.93D+7.294E-4.05A2-3.29B2+

11.39C2-7.78D2-4.15E2+18.55AB+

10.63AC+7.90 AD-9.28AE+9.95BC-

0.90BD-6.80BE+9.55CD-18.05CE+2.02DE

（1）

回歸方程中的P＜0.01，R2=0.858 0，A項、D項、AB項及CE項的P＜0.01，對生產(chǎn)率的影響極為顯著；E項的P＜0.05，E項對生產(chǎn)率影響效果顯著，其余各項P＞0.05，表示對生產(chǎn)率的影響不顯著。

3.1.2 生產(chǎn)率的響應(yīng)面效應(yīng)分析

由表2可知，主軸轉(zhuǎn)速與物料含水率對生產(chǎn)率的影響極為顯著。篩網(wǎng)孔徑與回料管直徑對生產(chǎn)率影響不顯著，故不進行分析，只進行顯著項與生產(chǎn)率的響應(yīng)效應(yīng)分析。先對主軸轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)率的響應(yīng)效應(yīng)進行分析：由圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）顯示隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加生產(chǎn)率顯著提高，圖2（d）顯示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從2 200 r/min增加到2 700 r/min時，生產(chǎn)率顯著提高，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于2 700 r/min時，生產(chǎn)率變化趨勢幾乎為0。

（a） Pw（A，B，0，0，0）

（b） Pw（A，0，C，0，0）

（c） Pw（A，0，0，D，0）

（d） Pw（A，0，0，0，E）

（e） Pw（0，B，0，D，0）

（f） Pw（0，0，C，D，0）

（g） Pw（0，0，0，D，E）

隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，生產(chǎn)率呈現(xiàn)明顯上升趨勢。因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率的影響極其顯著。因為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，粉碎室中心負壓越大，對物料的吸附力強，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與回料管直徑之間存在極顯著的交互作用，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過2 700 r/min時，粉碎室內(nèi)負壓對物料的吸附力增強，物料透篩機會減少，生產(chǎn)率下降。喂料速率增加，物料撞擊篩網(wǎng)的數(shù)量增加，物料透篩機會增加，所以喂料速率和篩網(wǎng)孔徑存在顯著的交互作用，但物料速率增大超過0.3 kg/s時，透篩能力飽和，因此生產(chǎn)率變化趨勢幾乎為0。

從圖2（e）、圖2（f）、圖2（g）可知，隨著物料含水率的升高，生產(chǎn)率呈先上升后下降趨勢，變化拐點在含水率為14%±2%時出現(xiàn)。這是因為物料含水率低，物料干燥易碎，含水率達14%±2%時，物料濕度大，不易被粉碎，生產(chǎn)率降低。

3.2 電耗

3.2.1 電耗方差分析與貢獻率的計算

電耗方差分析結(jié)果如表3所示。

由表3得到電耗的回歸方程為

Pt=9.15+0.293 7A-0.050 0B+0.287 5C-0.087 5D+0.031 2E-0.235 4A2+0.043 8B2-0.177 1C2+0.006 3D2-0.168 8E2+0.125 0AB-0.075 0AC+0.100 0AD-0.175 0AE+0.025 0BC-0.100 0BD+0.100 0BE-0.025 0CD+0.075 0CE+0.025 0DE

（4）

回歸方程的P＜0.01，R2=0.795 8。其中A項、C項與A2項對電耗的影響極大，而C2與E2項對電耗的影響較大。其余各項對電耗的回歸模型影響不顯著。

根據(jù)式（2）、式（3）得到的各參數(shù)對生產(chǎn)率的貢獻率：A為2.381 25、B為0.166 7、C為1.816 85、D為0.661 01、E為1.163 28。

3.2.2 電耗的響應(yīng)面效應(yīng)分析

由表3可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和喂料速率對電耗的影響極顯著，而回料管直徑、物料含水率及篩網(wǎng)孔徑對電耗的影響不顯著，由圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）可知，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，電耗顯著提高。圖3（d）中，隨著篩網(wǎng)孔徑的減小，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從2 200 r/min增加到2 400 r/min時，電耗逐漸增加；當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過2 400 r/min時，電耗呈明顯下降趨勢。主軸轉(zhuǎn)速對電耗的影響極其顯著，且存在顯著的二次作用，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，一方面，耗電量增加，破碎能力增強，物料粒度減小；另一方面，粉碎室內(nèi)負壓升高，對回料管中物料的吸附力增強，物料不易透篩，能耗利用率降低。

由圖3（e）、圖3（f）、圖3（g）可知，喂料速率增加，電耗逐漸增加，這是因為單位時間喂料量增加，粉碎機的載荷增加，導(dǎo)致其能耗升高。

3.3 粒度

3.3.1 粒度方差分析與貢獻率的計算

粒度方差分析結(jié)果如表4所示，得到粒度的回歸方程為

Pd=

2.25-0.275 0A+0.012 5B+0.043 8C+0.031 3D+

0.125 0E-0.189 6A2-0.039 6B2+0.018 8C2-

0.031 3D+0.110 4E2+0.025 0AB+0.025 0AC+

0.050 0AD+0.100 0AE+0.025 0BC-0.150 0BD+

0.050 0BE-0.050 0CD+0.025 0CE+0.075 0DE

（5）

回歸方程的P＜0.01，R2=0.900 6。其中A項、E項、BD項、A2項和E2項的P＜0.01，對粒度的影響極為顯著，其余各項的P值均大于0.05，對粒度的影響不顯著。

根據(jù)式（2）、式（3）得到的各參數(shù)對生產(chǎn)率的貢獻率：A為2.333 19、B為0.703 14、C為0.669 97、D為1.074 51、E為2.51 415。

3.3.2 粒度的響應(yīng)面效應(yīng)分析

由表4可知，篩網(wǎng)孔徑與主軸轉(zhuǎn)速對粒度的影響顯著，回料管直徑、物料含水率和喂料量對粒度的影響不顯著。由圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）可知，當主軸轉(zhuǎn)速由2 200 r/min增加到2 400 r/min時，粒度的變化不明顯，當主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大超過2 400 r/min后，平均粒徑開始明顯下降。如圖4（d）所示，主軸轉(zhuǎn)速增加，錘片作用在物料顆粒上的力增大，物料更易破碎且粒度下降。此外，當篩網(wǎng)孔徑較大時，物料易透篩且出料量增加，粉碎后粒度增大。篩網(wǎng)孔徑較小，物料不易透篩，粉碎機產(chǎn)量下降，粉碎后的粒度減小。

由圖4e、圖4（f）、圖4（g）可知，篩網(wǎng)孔徑對粒度的影響趨勢是減小的。響應(yīng)面綜合分析結(jié)果顯示，篩網(wǎng)孔徑對粒度的影響極大且存在極強的二次作用，此外，物料含水率越高，需要二次粉碎的物料越多，回料管利用率越高，所以回料管直徑與物料含水率對粒度的影響存在顯著的交互作用。

（a） Pt（A，B，0，0，0）

（b） Pt（A，0，C，0，0）

（c） Pt（A，0，0，D，0）

（d） Pt（A，0，0，0，E）

（e） Pt（0，B，C，0，0）

（f） Pt（0，0，C，D，0）

（g） Pt（0，0，C，0，E）

4 性能參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

4.1 錘片式粉碎機性能參數(shù)優(yōu)化

錘片式粉碎機工作時要求生產(chǎn)率高，噸料電耗小，以達到高效和節(jié)能的目的。在參數(shù)優(yōu)化過程中，以最小粒度作為邊界條件，在其他參數(shù)不變的條件下，粒度越小，粉碎能耗越大（在實際生產(chǎn)中，粒度要根據(jù)實際需求設(shè)定）。在篩網(wǎng)傾角、篩網(wǎng)形狀及齒板形狀等其余飼料粉碎機結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，粉碎速度決定喂入量，因此提高飼料粉碎機生產(chǎn)率要求粉碎速度越快越好。本次試驗中的5個因素均在水平范圍內(nèi)取值，由此即可確定目標函數(shù)為生產(chǎn)率最大、噸料電耗最小。所以錘片式粉碎機工作參數(shù)組合優(yōu)化模型為

max Pw

min Pt

min Pd

2 200 r/min≤A≤2 800 r/min

40 mm≤B≤80 mm

0.25 kg/s≤C≤0.35 kg/s

10%≤D≤18%

1 mm≤E≤3 mm

（6）

運行Design Expter13.0軟件，在水平參數(shù)范圍內(nèi)求解出以最高生產(chǎn)率、最小電耗及最小粒度為目標函數(shù)的粉碎機最佳工作參數(shù)組合，即：主軸轉(zhuǎn)速2 701.1 r/min、回料管直徑57.15 mm、喂料速率0.25 kg/s、物料含水率10%和篩網(wǎng)孔徑5.8mm，此時生產(chǎn)率為821.6 kg/h、電耗為9.3 kWh/t、粒度為1.7 mm。

（a） Pd（A，B，0，0，0）

（b） Pd（A，0，C，0，0）

（c） Pd（A，0，0，D，0）

（d） Pd（A， 0，0，0，E）

（e） Pd（0，B，0，0，E）

（f） Pd（0，0，C，0，E）

（g） Pd（0，0，0，D，E）

圖4 各因素對粒度的響應(yīng)面分析圖

Fig. 4 Response surface analysis diagram of each factor for particle size

4.2 最佳工作參數(shù)組合試驗驗證

為驗證錘片式粉碎機工作參數(shù)組合模型可靠性，根據(jù)求解出的錘片式粉碎機最佳工作參數(shù)組合，在同一臺飼料粉碎機下進行試驗驗證，由于部分工作參數(shù)的設(shè)定值無法精確到小數(shù)，因此最佳工作參數(shù)組合調(diào)整為：主軸轉(zhuǎn)速2 700 r/min、回料管直徑57.00 mm、喂料速率0.25 kg/s、物料含水率10%和篩網(wǎng)孔徑6 mm，結(jié)合錘片式粉碎機性能參數(shù)和最佳工作參數(shù)共完成3次飼料粉碎生產(chǎn)驗證試驗，計算3組試驗的生產(chǎn)率、電耗和粒度的平均值，如表5所示。本次試驗結(jié)果與前述理論分析結(jié)果進行對比，得出生產(chǎn)率、噸料電耗和粒度的相對誤差分別為1.40%、3.23%、1.93%。表明錘片式粉碎機最佳參數(shù)組合試驗中的生產(chǎn)率提高了4.36%，電耗下降3.23%，粒度下降了23.21%。

5 結(jié)論

本文運用旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方法，研究錘片式粉碎機性能指標及其影響因素，得到以下結(jié)論。

1） ?對生產(chǎn)率影響的主次順序為喂料速率、主軸轉(zhuǎn)速、物料含水率、篩網(wǎng)孔徑、回料管直徑；對電耗影響的主次順序為主軸轉(zhuǎn)速、喂料速率、篩網(wǎng)孔徑、物料含水率、回料管直徑；對粒度影響的主次順序為篩網(wǎng)孔徑、主軸轉(zhuǎn)速、物料含水率、回料管直徑、喂料速率。

2） ?在生產(chǎn)率最大、電耗最小、粒度最小的要求下，最佳參數(shù)組合為主軸轉(zhuǎn)速2 700 r/min、回料管直徑57 mm、喂料速率0.25 kg/s、物料含水率10%和篩網(wǎng)孔徑6 mm。

3） ?試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合度較高，表明，通過最優(yōu)參數(shù)設(shè)計使得生產(chǎn)率提高了4.36%，電耗下降3.23%，粒度下降了23.21%。

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