0、引言
    粉碎機是工農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中應用較多的通用設備，可以粉碎各種類型的固體物料，應用范圍很廣。尤其是錘片式粉碎機，由于其通用性好，使用維修方便，應用非常普遍。目前，生產(chǎn)中使用的錘片式粉碎機雖然技術上已比較成熟，但是由于本身的結構特點和被加工物料的物理特征，不同程度地存在耗能較大、粉碎物料粒度不均和度電產(chǎn)量不高等問題，為能最有效地發(fā)揮粉碎機的綜合效益、降低生產(chǎn)成本產(chǎn)生影響，本文提出采用梯形篩片構成異型粉碎室的方法，以解決粉碎過程中出現(xiàn)的上述問題，從而提高了粉碎機的綜合性能。
1、錘片式粉碎機粉碎過程分析
    粉碎是指在外力的作用下克服固體物料分子間的內(nèi)聚力，使固體物料產(chǎn)生破裂的過程，也就是外觀尺寸由大變小、物料顆粒的比表面積（單位質(zhì)量的表面積）由小變大的過程。粉碎可以提高物料的物理作用及化學反應的速度，在把固體物料變成最終產(chǎn)品的許多加工過程中，粉碎是一個非常重要的工藝過程。
    錘片式粉碎機工作時，物料在一定的供料裝置作用下進入粉碎室，受到高速旋轉錘片的打擊而破裂，并以較高的速度飛向齒板和篩片，與齒板和篩片撞擊進一步破碎，通過如此反復打擊和撞擊，物料被粉碎成小碎顆粒，這些物料顆粒在離心力的作用下產(chǎn)生物料一氣流環(huán)流層，進一步受到上述作用。與此同時，物料受到錘片端部及齒板和篩面的摩擦和搓擦作用而進一步粉碎。在這一過程中，較細顆粒由篩片的篩孔漏出，留在篩面上的較大顆粒再次受到綜合作用，直到從篩孔漏出，最后從出料口排出。
    據(jù)研究，在整個粉碎工作過程中，錘片式粉碎機粉碎室內(nèi)存在物料一氣流環(huán)流層現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于粉碎室的環(huán)形結構和物料受高速錘片的沖擊作用，使得物料在離心力作用下貼著篩面形成圓周運動，從而產(chǎn)生物料一氣流環(huán)流層。1986年，中國農(nóng)機院南效景借助高速攝影技術對錘片式粉碎機粉碎室內(nèi)的物料粉碎過程進行了試驗分析。從高速攝影機拍下的影片中可以看出，在正常工作負荷下粉碎時，物料在粉碎室內(nèi)明顯地形成物料一氣流環(huán)流層，如圖1所示。
    粉碎室內(nèi)的物料一氣流環(huán)流層做與錘片旋轉方向相同的圓周運動，速度約為錘片速度的70%左右，從而降低了錘片沖擊物料的相對速度，使粉碎物料的能力下降。此外，物料一氣流環(huán)流層使得大顆粒緊貼篩面運動，小顆粒則處于大顆粒的上方，阻礙了小顆粒出篩，減少了大顆粒受打擊的機會，造成物料的過度粉碎，能耗隨之增加，也影響了粉碎效率。
    從粉碎過程的分析可以明顯看出，粉碎室內(nèi)的物料一氣流環(huán)流層隨錘片以較高的環(huán)流速度運動，不利于物料排出篩孔。由于只有物料顆粒相對于篩面運動的速度較低時才適合于排料，那么較高的環(huán)流速度使粉碎后的物料不能及時排出，就會造成過度粉碎，從而導致生產(chǎn)率下降、度電產(chǎn)量低和粒度不均勻等一系列問題。從理論上講，解決這些問題的關鍵是通過改進錘片式粉碎機的粉碎室結構來破壞物料一氣流環(huán)流層，改變物料的運動方向，降低環(huán)流速度，增加物料的打擊機會，并使小顆粒及時排出篩孔。為此，國內(nèi)外的許多粉碎機生產(chǎn)廠家和科研單位對破壞粉碎室內(nèi)的物料一氣流環(huán)流層做了大量試驗研究工作，研制出一些異型的粉碎室（如水滴形粉碎室和橢圓形粉碎室），在不同程度上解決了物料一氣流環(huán)流層對粉碎性能的影響。
2、錘片式粉碎機異型粉碎室粉碎機理
    在錘片式粉碎機工作中，應該避免不必要的重復過度粉碎，使合格的顆粒及時排出，同時增加大顆粒受打擊的機會，提高錘片式粉碎機的工作性能。因此，首先是提高物料的篩落能力，結構上要盡可能破壞物料一氣流環(huán)流層，使細粒能夠及時地排出，避免重復而無效地過度粉碎；其次是提高對物料沖擊破碎的能力。
    根據(jù)錘片式粉碎機粉碎過程分析以及改變粉碎室形狀可以提高粉碎性能的研究，本文提出一種新的方法，即采用截面為梯形的篩片來構成異型粉碎室，如圖2所示。應用異型粉碎室目的是破壞物料一氣流環(huán)流層，使粉碎后的小顆粒及時出篩和增加大顆粒受打擊的機會，從而提高粉碎性能，使粉碎后的物料粒度盡可能均勻。
2.1梯形篩片異型粉碎室內(nèi)物料流場分析
    應用梯形篩片異型粉碎室，可以使錘片末端和梯形篩片之間形成局部回流。由于安裝錘片的轉子旋轉，使得在每一個梯形區(qū)域的空氣流形成渦流流場，這種渦流運動是一種復雜的運動，如圖3所示。
    工作中，轉子上的錘片和篩片凸起部分形成一個狹窄的間隙，使得物料一氣流環(huán)流層通過該處時形成縮徑氣流噴射。在梯形篩片結構形狀的引導下，氣流噴人粉碎室的錘片與篩片間隙之間，形成主旋流。同時，由于轉子的高速旋轉，強大的離心力產(chǎn)生徑向氣流形成小旋流，并在徑向氣流邊出現(xiàn)負壓區(qū)。噴射氣流和徑向氣流的激烈運動形成的渦流顫振區(qū)產(chǎn)生高度湍流運動。
    據(jù)工程流體力學分析得出這樣的結論：當流道逐漸減小時，流體的速度隨通道橫截面積減小而增加；反之，當流道橫截面積逐漸增大時，則流速反而下降。梯形篩片異型粉碎室正是通過改變氣固流體的通道橫截面積來實現(xiàn)其流速的變化，進而破壞物料一氣流環(huán)流層，使物料產(chǎn)生翻轉。
    依粉碎過程分析，物料進入梯形篩片異型粉碎室后，首先受到旋轉錘片的沖擊力作用，當顆粒所受的沖擊力達到其破壞極限時，物料被初次粉碎，并獲得動能，加上渦流流場中高速氣流的攜帶作用，隨之做旋轉運動，離心切向飛出，受到篩片反擊而被粉碎，并改變原有的運動方向，與旋轉的錘片或做環(huán)向運動的物料碰撞。由于粉碎室渦流場中氣流的速度沿徑向和環(huán)向是變化的，物料顆粒大小不同，受到的離心力也不同，并且運動過程中受錘片的沖擊和篩片的反擊，使物料的粒徑不斷發(fā)生變化，粒徑變化又馬上導致速度的變化，各顆粒以不同的速度、按不同的方向相互交錯運動而形成紊流。這些不規(guī)則的漫射碰撞以及由梯形篩片決定的局部渦流使物料產(chǎn)生高速顫振，有效地增大了大顆粒的碰撞機會和小顆粒的出篩機會。同時，由于錘片和篩片凸起部分所形成的狹窄間隙，使物料的通道在此處突然局部收縮，使物料顆粒之間以及與篩片之間發(fā)生劇烈的相互摩擦、剪切和擠壓，小顆粒容易排出，大顆粒繼續(xù)粉碎，粉碎效率顯著提高。
2.2梯形篩片異型粉碎室內(nèi)的物料受力分析
    通過異型粉碎室內(nèi)物料顆粒的運動情況分析可知，物料顆粒受到的作用力有錘片的沖擊力、篩片的反作用力、顆粒間的碰撞沖擊力、剪切力、摩擦力和渦流場中的氣流作用力等。各力的聯(lián)合作用使顆粒在粉碎室內(nèi)產(chǎn)生綜合粉碎效應，如圖4所示。
    在梯形篩片組成的異型粉碎室內(nèi)，顆粒主要有3種粉碎方式，即沖擊粉碎、剪切粉碎和摩擦粉碎。轉子上銷鏈的錘片前端和由篩片凸起部分所形成的狹窄間隙，使旋轉物料流的通道在此處突然出現(xiàn)局部收縮，流動阻力增大，而物料一氣流環(huán)流層攜帶物料匯集而來。這樣使物料顆粒之間發(fā)生急劇的相互摩擦和擠壓，同時在狹窄間隙處物料顆粒受到強烈的剪切作用，當所受的剪切力達到物料的剪切強度極限時，物料即被粉碎。粉碎后的合格小顆�？梢院苋菀椎爻龊Y。
    此外，錘篩間隙（工作時錘片末端與篩片內(nèi)表面之間的距離）是個變量，將會在不同部位產(chǎn)生對物料的阻礙，起到齒板作用，從而降低物料層的速度，提高相對速度，使錘片沖擊破碎的能力增強；伴隨出現(xiàn)物料一氣流環(huán)流層的翻轉，大顆粒受沖擊的機會增多，小顆粒出篩的能力增強。由此達到提高粉碎效率、改善物料粒度不均以及減少能耗工效的目的。
3、試驗結果
    為了證實應用梯形篩片構成異型粉碎室能夠提高粉碎機工作性能，采用環(huán)形平篩和梯形篩構成的粉碎室進行粉碎過程的試驗研究。試驗中以配套電機功率1.5kW的仿丹麥4KB型錘片式飼料粉碎機為試驗樣機，選擇飼料加工廠使用的含水率為12. 32%的谷物物料一玉米進行粉碎加工試驗，并對獲得的性能指標相關數(shù)據(jù)進行回歸分析，證明異型粉碎室對粉碎性能的改善在理論分析與試驗結果上是相符的。由此可以得出如下結論：
    1)理論上，應用氣固兩相流理論分析了物料在梯形篩片構成的異型粉碎室內(nèi)的運動特性，指出使用異型粉碎室可以改善粉碎性能。理論上的分析有助于進一步探明異型粉碎室的粉碎機理。
    2)應用梯形篩片構成的異型粉碎室比使用平篩片構成的粉碎室在生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量方面取得了有效的提高，分別提高9.9%和17.3%，過度粉碎現(xiàn)象也得到了改善。
    3)試驗結果進一步驗證丁異型粉碎室形狀對物料一空氣環(huán)流層破壞的有效性，可以提高物料顆粒受到的沖擊力，增加大顆粒受沖擊的機會和細小顆粒通過篩孔的機會，使物料粉碎粒度的均勻程度有所提高。本文為錘片式粉碎機的異型粉碎室改進設計提供了參考依據(jù)。