锤片式饲料粉碎机科技进展

曹丽英，汪 阳，李帅波，汪 飞

（内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古包头 014010）

0 引言

畜牧业发展的水平对我国第一产业经济有着重要影响[1],畜牧养殖业的发展离不开饲料工业的支持，在饲料生产中粉碎是不可缺少的一环。粉碎机是饲料生产中常用机械之一，其性能的好坏影响着粉碎效率和能耗的高低，直接影响饲料的质量和企业的效益。锤片式饲料粉碎机因为结构简单、操作方便、便于维修而被广泛使用[2-4]。饲料工业的发展促进了锤片式饲料粉碎机不断优化，文章综述锤片式饲料粉碎机的现况、前人在锤片式粉碎机内流场和降噪方面的研究，为粉碎机械向着低能耗、高性能和高效率方向发展提供参考。

1 锤片式饲料粉碎机的发展现状

在国外的饲料生产中，由于不同地区饲料原料的不同，导致锤片式饲料粉碎机发展的不同。在欧洲各国的饲料生产中多是没有谷物的混合粉碎（先配料后粉碎）；在美国的饲料配方中原料的含水率低于欧洲，以一半玉米或小麦作为基础，并且很少使用难粉碎谷物，比如燕麦、大麦之类。因此美国的锤片式饲料粉碎机的筛板面积大，如Champion公司及Jacobson公司等宣传自己的产品为全周筛，筛板的安装或更换只需停机打开机壳更换即可；欧洲则需要齿板面积较大的粉碎机，其中荷兰VanAarsen公司的2D系列产品最为典型，粉碎机的齿板面积占据粉碎室外围面积的一半，并且实现不停机、不打开机壳换筛板。到目前为止，国外的粉碎机发展日渐成熟，已经形成自动化程度高的锤片式饲料粉碎机产品，可控制给料量和给料速率，实时控制粉碎机转速，监控出料口物料等。代表机型有瑞士的DNZF型锤片粉碎机，日本的ACM型粉碎机和美国的MSV型粉碎机等[5-6]。

我国的锤片式饲料粉碎机机型众多，早在20世纪50年代就有9F和9FQ系列的锤片式饲料粉碎机；20世纪90年代以后，江苏牧羊和正昌集团等企业先后研发出水滴王、冠军、优胜等系列的锤片式饲料粉碎机，大大提高了粉碎机的质量和工作效率。目前，我国粉碎机生产和研发技术已达到世界领先水平，成为行业内的佼佼者[7]。但现在我国市面上最受欢迎的仍是低成本、操作简单的传统中小型锤片式饲料粉碎机，大型粉碎机产品因为成本高、自动化程度高、动力大，多用于大型饲料厂。牧羊集团的先锋668型水滴式锤片粉碎机的锤筛间隙可调，满足粗细粉碎的要求；特殊的二次粉碎结构，大大提高了粉碎效率；功率配备 55～160 kW，产量可达 10～32 t/h。上海春谷实业有限公司的XG68ZJ和XG136ZJ系列，粉碎效率提高了40%，并且筛的振幅能补偿锤片的磨损1～3 mm，使锤片使用寿命延长 30%～50%。

现阶段，我国中小型饲料企业广泛使用的传统卧式锤片式饲料粉碎机，其工作原理：物料颗粒喂入粉碎室后，受到高速旋转锤片的打击和内腔齿板摩擦的共同作用，物料被粉碎成颗粒，在锤片的抛射和离心力、气流场的带动下到达筛网，符合粒度要求的物料颗粒透筛排出[8]。其缺点是在粉碎室内存在物料环流层，即粉碎后的大物料颗粒受离心力的影响分布在外层，小颗粒分布在内层，会对满足粒度要求的颗粒透筛有一定阻碍，并且粉碎室中心存在负压，对物料颗粒有吸附作用，使满足要求的物料颗粒来不及排出，形成二次或多次粉碎，使得粉碎机效率低下，影响粉碎质量[9]。因此，锤片式粉碎机的现存缺点主要有粉碎能耗高、筛分效率低、噪声大、物料被过粉碎、饲料温升快、锤片和筛网磨损严重等[10]。

2 锤片式饲料粉碎机内气固环流层的研究

锤片式饲料粉碎机工作时，透筛能力和粉碎质量受到粉碎腔内气固环流层的影响，我国科研人员针对环流层对粉碎机性能有什么影响，如何解决环流层问题和增强粉碎机的效率问题进行了大量研究，并且取得了突出的研究进展[11]。

一部分科研人员认为，环流层的存在对物料的粉碎和分离有阻碍作用，提升粉碎效率和提高粉碎质量的前提是打破环流层。最早前苏联学者KPCOMHOB[12]使用高速摄影观察到环流层内外分层，大颗粒分布在内层，小颗粒在外层，这种环流层阻碍了满足要求的小颗粒物料穿过大颗粒层透筛，导致过粉碎使得粉碎质量下降。近年来，刘宪等[13]运用动力学原理，分析工作时物料颗粒的受力，得到颗粒运动的方程式，并提出提高气流的径向速度可适当改善筛分效果。刘文广[14]分析使用梯形筛的锤片式粉碎机，得到使用梯形筛使得环流层速度处于变化中，破坏了环流层，粉碎效率得到改善。国内外学者提出可以通过改变粉碎室形状来破坏环流层，以此提升粉碎机性能。水滴式、桃形式等各种非圆形结构的粉碎机先后问世。此外，汤其春等[15]根据涡旋发生原理，提出在环流层中产生多个涡旋，形成紊流破坏物料环流层，研究认为通过改变粉碎室的结构可以实现这一概念。董梓南[16]为有效解决物料旋转和粉碎不充分问题，设计出双转子粉碎室。田海清、杜嘉楠等[17-23]研究筛片截面形状对粉碎机性能的影响，先后设计梯形筛片、三角形筛片、间隔分段圆弧形筛片、翼形筛片以及翼形三角形组合形筛片来破坏环流层，改善粉碎机性能。赵波等[24]利用被粉碎后的物料在锤片转动方向呈“人”形对称分布的特点，设计了筛孔沿筛板外边呈“人”形分布的新型筛片，促使物料颗粒及时从筛孔排出，避免物料形成环流层。王永昌等[25]用振动筛替代传统的静态筛，增加物料间的翻动能力，以破坏环流层。

以上研究无论是通过改变粉碎室结构还是使用振动筛、旋涡理论，或者是改变筛片的形状等方法来研究环流层，本质都是改变粉碎室内气固环流层的运动规律。如何获得利于物料粉碎与筛分的良性气固流场以及相关机理有待进一步研究。

20世纪90年代初，有学者提出了另一种关于物料环流层运动规律的假说：在粉碎室内，由于物料处于高速运动，不存在大颗粒物料阻碍符合透筛颗粒的透筛现象，打破环流层并不能改善粉碎机性能、提高效率。1991年，刘承俊等[26]利用高速摄影技术研究了粉碎室气固环流层的生成和规律，结果表明：存在环流层，但是环流层内大小颗粒相互混合，后又进行异形粉碎室试验，并未明显改变粉碎机性能，指出要使粉碎机性能良好需选择合适的气料比。周向农等[27]设计试验装置，测取环流分布数据，得出物料颗粒在粉碎室内做服从统计规律的自由运动，环流层物料的分布密度沿半径方向从小到大，并且靠近筛片密度最大。

以上2种理论，需要研究人员进一步探索。

3 锤片式饲料粉碎机流场数值模拟研究现状

随着计算机技术和有限元思想的不断发展完善，仿真技术和计算流体力学越来越广泛地应用于科研领域，数值模拟与试验相结合成为研究方法的一大主流。各类粉碎装备和饲料加工机械的研发中不断地使用CFD方法，且取得了很大进展，极大地推动了我国农牧业的发展。

HIROHISA 等[28]采用 CFD-DPM 相耦合的方法，对粉碎机中的流体流动和单个粒子运动进行数值模拟，结果表明粉碎物料速度受粉碎室流场特征的影响。BUDĂCAN等[29]建立计算流体力学模型，采用数值模型预测和改善锤片式粉碎机的流动特性，分析流体的压力、速度和湍流区域并根据结果对锤片式饲料粉碎机的结构进行了改进优化。曹丽英等[30]提出一种带回料管的新型锤片式粉碎机，并利用Fluent软件模拟新型锤片式粉碎机分离装置的气固两相流，以此分析粉碎机分离效率与装置内物料浓度、分离装置弯曲半径和回料管出口负压的关系，得到影响分离效率的重要因数，为该粉碎机的设计完善提供了理论依据。黄涛[31]应用数值模拟技术对比分析了环形平筛粉碎机和异形三角筛粉碎机的流场，结果表明使用合理筛片能影响粉碎机内的流场特性，为提高粉碎机生产率和度电产量提供理论指导。GHODKI等[32]基于离散元模型，对比锤片式粉碎机不同转速下黑胡椒种子的运动速度和粒度分布特征，并进行试验验证，以此对粉碎机内结构参数进行改进。宋涛等[33]采用数值模拟的方法，对锤片式粉碎机内部的速度场、压力场、湍动能场的分布和运动规律进行模拟分析，结果表明湍动能场的存在使得气流速度在粉碎室上部大幅下降，不利于物料的粉碎和收集，此结论可为锤片式饲料粉碎机结构改进和基础理论的完善提供参考。王海庆[34]利用Fluent软件的Mixture多相流模型，采用数值模拟技术获取了粉碎机使用不同筛片时的流场特征，合理的筛片形状有利于粉碎机形成改善性能的良性流场。贺殿民等[35]使用Fluent进行流场分析计算，使用MATLAB分析粉碎机的出料量与回料管负压值的关系，为新型锤片式粉碎机的优化提供理论支持。钱义等[36]采用数值模拟技术，对安装异形筛片的锤片式饲料粉碎机工作时粉碎室内颗粒的受力以及流场运动规律进行模拟，结果表明采用分段圆弧筛片时物料透筛率提高，并通过试验证明，使用优化后的异形筛片粉碎机效率提升，能耗降低，物料温升也得到改善，对锤片式饲料粉碎机性能的提升有参考价值。

使用数值模拟技术可以降低试验成本，缩短试验周期，特别是对于粉碎腔内复杂的流场研究，数值模拟技术具有很大优势和便利。但是结果空泛，需要相应的试验来验证结果的准确性和精确性。

4 锤片式饲料粉碎机噪声的研究

噪声问题日益被人们关注，饲料厂的减振降噪措施除了隔离，科研人员对饲料粉碎机也做了一些减振降噪的创新。范文海[37]测量了无锤片情况下粉碎机的振动和噪声，得出锤片式粉碎机噪声来源是锤片击打空气。房菁[38]对饲料粉碎机使用LabVIEW和MATLAB相结合的方法，对振动信号进行提取处理，分析出粉碎机振动的原因，对产品的改进和优化有参考意义。曹丽英等[39]使用传感器和虚拟技术相结合的方法，解决了传统噪声研究中仪器不足的问题，实现实时对粉碎机噪声进行采集，进行声压级、1/3倍频程分析和计权分析，得出空气动力性噪声在粉碎机噪声中占主要，转速对粉碎机噪声影响显著，锤片只影响噪声幅值，对主频变化影响不大，为后来研究噪声识别和降噪提供基础。杨阳[40]为减少工作噪声，在电机下面设置减振气囊，底座下面设置防滑垫，取得了成效，有效减少噪声。俞继来[41]研制一种降噪的粉碎机，回风管被分为上下2部分，用隔音棉处理，从传播途径上解决噪声问题，也减少回风管内的磨损，提高使用寿命，但是对现有粉碎机降噪无太大作用。陈硕[42]针对粉碎室工作生热和噪声问题，在外侧添加水冷层和隔音层，有效解决了降温降噪问题，但此方法局限性很大，只适用于特定场合，不能对现有粉碎机降噪提供太多价值。张弘玉等[43]用Fluent和Virtual.Lab软件联合对粉碎机内部流场进行模拟仿真，研究粉碎机的空气动力性噪声，得到气动噪声主要从出料口向外扩散，在166.7 Hz处达到峰值，为新型锤片式饲料粉碎机降噪提供依据。杨左文等[44]对影响噪声的主要因素如锤片、筛网、进料口、出料口和转子转速等进行相应的声压级和频谱分析，找出声源与主要因素的关系，改进整机各部分结构参数的设计，提出降噪的关键是空气动力性噪声，锤片对噪声的产生影响最大，转速对粉碎机的噪声有显著的影响，筛网、锤片数量和进料口只影响幅值，对主频没影响，低转速时涡流噪声为主，高转速时旋转噪声占主要等。

5 结语

目前锤片式饲料粉碎机的型号越来越多，性能越来越完善，研究者们使用不同的方法，通过对锤片式饲料粉碎机研究分析，取得了较多的成果。但是这些成果多为宏观上定性的试验推测，缺乏定量的对机理的研究。对流场的研究，因为其复杂性和多样性，主轴转速过高，使用的研究方法较为单一，不能全面反映真实情况；一些研究方法和发明专利局限性较大，不宜推广。降噪主要是降低空载时空气动力性噪声，且锤片对噪声的产生影响最大。

对于粉碎机问题有大量研究方法借鉴，可以从多方入手，将多源信息进行互补、融合，相互验证、补充，提高研究精度和效率，也可将其他领域的方法尝试引入粉碎机研究中。随着“中国制造2025”的推进，大中型粉碎机的发展方向将是低噪声、高效率和低能耗，将向着智能化、自动化方向发展，实现PLC控制、不停机换筛片和自动在线检测粉碎质量等。面向农户的小型机将是更便于操作，实现多种饲料粉碎、搅拌为一体的多功能机械。