1、項目研究的背景
    許多學(xué)者的研究結(jié)論和實際運用效果都確認(rèn)粉碎是效率極低的操作，其有效能量的利用率大約僅占0.6%～0.3%。特別是作為粉體深加工技術(shù)的微粉碎或超細(xì)粉碎，由于顆粒的超細(xì)化新增表面積所增加的表面能急劇增加，引起能耗呈數(shù)倍甚至數(shù)十倍的增長。因此，粉碎過程是巨大的耗能作業(yè)。如果僅追求粉碎產(chǎn)量而盲目加大粉碎機(jī)功率，結(jié)果只能事與愿違一產(chǎn)量增加有限功率卻大量浪費。當(dāng)代高新技術(shù)對材料深加工粉碎提出越來越高的要求，如顆粒微細(xì)化、粒度均勻化、形狀特定化、品質(zhì)高純化和表面處理功能化等，對微細(xì)粉碎技術(shù)和設(shè)備的要求也不斷提高。因此，開發(fā)性能優(yōu)越的高效低耗的微粉碎機(jī)產(chǎn)品是超細(xì)粉體工業(yè)始終不渝的追求目標(biāo)。
    目前，微粉碎設(shè)備用得較多的還是機(jī)械沖擊式粉碎機(jī)，但機(jī)械沖擊式微粉碎機(jī)存在效率低、能耗高的共性缺陷。自從上世紀(jì)九十年代引進(jìn)并研發(fā)了立軸式內(nèi)置分級的微粉碎機(jī)以來，在高檔水產(chǎn)飼料行業(yè)，這種微粉碎機(jī)得到大量的推廣應(yīng)用。近年來，由于飼料行業(yè)向規(guī)模化、現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，微粉碎機(jī)有逐漸大型化的趨勢。由于飼料原料價格和國際能源價格的大幅上漲，使飼料生產(chǎn)企業(yè)面臨嚴(yán)重的生存壓力，因此，大功率粉碎機(jī)的節(jié)能降耗研究對降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等具有重要現(xiàn)實意義。課題組針對大功率立軸式內(nèi)置分級微粉碎機(jī)開展了節(jié)能及應(yīng)用研究。
2、大功率微粉碎機(jī)的節(jié)能效果
    多年從事微粉碎機(jī)的研究實踐證明，從設(shè)計和工藝的角度分析，粉碎機(jī)的節(jié)能是大有潛力的。福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所承擔(dān)福建省科技廳“大功率微粉碎機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)研究與應(yīng)用”項目，開發(fā)研制了新一代大功率(90kW以上)節(jié)能型CWFL系列微粉碎機(jī)，并取得了實效。 3、節(jié)能型微粉機(jī)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計
3.1粉碎與分離機(jī)構(gòu)
    粉碎與分離是粉碎機(jī)的兩大重要功能，也是影響粉碎效率和能耗的關(guān)鍵因素。大多數(shù)粉碎機(jī)由于分離效果差，使細(xì)粉不能及時排出而存在著過度粉碎的問題，造成功率不必要的消耗。立軸式內(nèi)置分級微碎機(jī)比一般臥式粉碎的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢就在于可將粉碎物料進(jìn)行分級，讓細(xì)粉及時排出，以減少過度粉碎。因此，進(jìn)一步提高立軸式內(nèi)置分級微碎機(jī)的細(xì)粉排出率，是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。
    從立式微粉機(jī)的結(jié)構(gòu)可看出，粉料在粉碎室經(jīng)粉碎后，在氣流作用下沿著圓形機(jī)壁上升，經(jīng)導(dǎo)流體的外環(huán)進(jìn)入錐形分級室，通過分級葉輪后再排出機(jī)外。粉碎理論認(rèn)為，在粉碎室內(nèi)存在著一個物料環(huán)流層，阻礙著細(xì)粉的排出。此時物料在氣流的帶動下呈兩相流體的層流運動狀態(tài)，顆粒間的位置處于相對穩(wěn)定的平衡，細(xì)粉顆粒特別是里層的細(xì)顆粒難以穿過這個料流層分離出去。因此，破壞環(huán)流層，才有可能提高細(xì)粉排出率。
    課題組在分級導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)型式和空間尺寸上做了一些探索。首先是改變了立軸式內(nèi)置分級微粉碎機(jī)的錐形導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)和尺寸，調(diào)節(jié)內(nèi)外導(dǎo)流環(huán)的徑向尺寸，改變分級腔與粉碎導(dǎo)流腔的空間大小，為調(diào)整粉碎機(jī)的環(huán)流層大小，改善粉體的分級、分離提供了條件。其次，在導(dǎo)流體的圓錐導(dǎo)流環(huán)與圓形外環(huán)之間增加了阻流裝置，沿粉碎導(dǎo)流腔內(nèi)圓周方向設(shè)置四道阻流板，破壞粉碎腔內(nèi)的物料環(huán)流層，形成四個紊流區(qū)，造成顆粒在紊流狀態(tài)下的離散效果，便于氣流帶走粉體穿過分級輪，提高粉碎機(jī)粉體的分離率，從而提高粉碎機(jī)的生產(chǎn)效率，達(dá)到降低能耗的目的。圖l為粉碎腔結(jié)構(gòu)示意圖，圖中箭頭所示方向為粉碎后符合細(xì)度要求的物料流流動方向。
3.2轉(zhuǎn)盤直徑
    在一定的錘刀末端線速度下，粉碎機(jī)轉(zhuǎn)盤直徑大小決定粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)盤直徑的確定應(yīng)使粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速保持一定距離并在臨界轉(zhuǎn)速下工作，以免引起機(jī)器共振，對設(shè)備性能及粉碎效率產(chǎn)生不良影響。設(shè)計時考慮到尺寸的系列分配，取粉碎轉(zhuǎn)盤直徑1300mm。
3.3粉碎錘刀的線速度
    粉碎錘刀線速度是沖擊式粉碎機(jī)最重要的運動參數(shù)之一，它直接影響了粉碎機(jī)的生產(chǎn)率、能耗以及粉碎工況和機(jī)器壽命等。理論上粉碎錘刀速度越大，粉碎時獲得的產(chǎn)品粒度越細(xì)，但從粉碎機(jī)能量利用來講，對某一種特定的物料粉碎，都有一個特定的沖擊粉碎速度，在一定范圍內(nèi)提高線速度可以提高粉碎機(jī)生產(chǎn)率、降低電耗、使粒度變細(xì)；但線速度過高，將使粉碎機(jī)的空載功率加大，振動和噪聲增加，粉碎效率反而下降。對旋轉(zhuǎn)式?jīng)_擊粉碎機(jī)，由于實際機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，沒有具體的設(shè)計計算公式。經(jīng)驗上，一般錘片粉碎機(jī)在粉碎脆性飼料時線速度取65～80m/s，在粉碎多纖維的物料時取80～105 m/s左右。根據(jù)多年來CWFL系列微粉碎機(jī)在鰻魚預(yù)混合料粉碎的試驗和應(yīng)用，確定微粉碎機(jī)的線速度為100 - 110 m/s，大功率機(jī)型取105m/s。
3.4錘刀形式和數(shù)量
    錘刀應(yīng)均勻地分布在轉(zhuǎn)盤上，錘刀數(shù)量對性能的影響不可忽視。錘刀數(shù)量多，密度大，單位時間內(nèi)錘刀打擊喂入物料的次數(shù)增加，但空載功率高，對分級后回到粉碎室內(nèi)的粗料，很難通過粉碎轉(zhuǎn)盤上的錘刀甩向機(jī)壁襯板；錘刀數(shù)量少，在單位時間內(nèi)錘刀打擊物料的次數(shù)減少，粉碎能力下降。原CWFL系列微粉碎機(jī)為厚矩形方塊錘刀，在錘刀的迎料面上焊以高強(qiáng)度耐磨的碳化鎢合金剛片，數(shù)量為24片，且錘刀工作面與轉(zhuǎn)盤徑向顯一定夾角。在研制大功率機(jī)型時課題組重點在錘刀的數(shù)量、外形尺寸、重量、與轉(zhuǎn)盤的相對位置的布置關(guān)系作出了一系列的實驗。
    由表2可見，提高錘刀數(shù)量和重量對粉碎結(jié)果并沒有明顯的提高，錘刀長度越長反而對粉碎效果產(chǎn)生反作用。在不影響生產(chǎn)成品的品質(zhì)條件下，降低用戶生成使用過程中微粉碎機(jī)錘刀的維護(hù)成本，最后確定錘刀數(shù)量為24片。在大功率機(jī)型的微粉碎機(jī)上對厚矩形方塊錘刀非工作面切除一定角度的倒角，減小錘刀的重量，試驗證明對粉碎性能并無影響。
3.5錘刀與齒板間隙
    沖擊式粉碎機(jī)錘刀與齒板間隙一般為10～16 mm，對于微粉碎機(jī)要求粉料細(xì)度較高，應(yīng)選擇較小的粉碎間隙。100型粉碎機(jī)間隙為12mm，130型粉碎機(jī)設(shè)計確定錘刀與齒板間隙為8mm。
3.6粉碎機(jī)智能負(fù)荷控制系統(tǒng)的應(yīng)用
    充分發(fā)揮電機(jī)的功率和效能，保持最佳工況是提高粉碎效率和能量利用率的關(guān)鍵。粉碎機(jī)智能負(fù)荷控制系統(tǒng)是根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的實際負(fù)荷與額定負(fù)荷的差異情況，運用PID控制算法，自動調(diào)節(jié)物料喂入量，實現(xiàn)粉碎主電機(jī)負(fù)荷的自動調(diào)節(jié)。自動調(diào)節(jié)粉碎機(jī)喂料攪攏的送料量，使粉碎主電機(jī)負(fù)荷與額定負(fù)荷一致，實現(xiàn)粉碎機(jī)經(jīng)濟(jì)、高效、安全地運行。
4、性能試驗和結(jié)果分析
    樣機(jī)試制后進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和驗證，CWFL-130機(jī)型在福建正源飼料有限公司安裝生產(chǎn)，經(jīng)過將近一年的主要性能指標(biāo)的跟蹤測試，這種大功率、節(jié)能型的微粉碎機(jī)的產(chǎn)量、粉碎細(xì)度及粉料溫升和耗能指標(biāo)都有良好的改善。
    130型微粉碎機(jī)的節(jié)能措施在CWFL系列機(jī)型中已經(jīng)獲得比較滿意的效果。與國內(nèi)許多知名品牌的飼料機(jī)械廠的同類微粉碎機(jī)產(chǎn)品相比，其性能也具有優(yōu)勢。
    由表3、表4可見，CWFL-130型微粉碎機(jī)的性能指標(biāo)相較國內(nèi)主要的品牌產(chǎn)品，在生產(chǎn)率和能耗指標(biāo)方面，已達(dá)到相當(dāng)或領(lǐng)先的水平，這也可從用戶的反饋中得到驗證。在相同的生產(chǎn)線功率配套下，生產(chǎn)率越高，噸料電耗越低。大功率微粉機(jī)配套的生產(chǎn)線比起中小功率來，其經(jīng)濟(jì)性由于節(jié)能的效果而更為優(yōu)越。正如表1所示，雖然CWFL型系列粉碎機(jī)的功率增大，由于生產(chǎn)率的提高，反而噸料電耗在降低。
5、結(jié)論
    (1)立式微粉機(jī)粉碎腔和導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，使分離效率大大提高，提高粉碎效率，降低了能耗；
    (2)合理的粉碎機(jī)參數(shù)，如錘刀速度、數(shù)量、型式，粉碎間隙等決定粉碎性能的好壞；
    (3)智能負(fù)荷控制系統(tǒng)的運用，能有效提高生產(chǎn)效率，降低了單位能耗和人工成本；
    (4) 130型微粉碎機(jī)的節(jié)能降耗效果良好。大功率微粉機(jī)配套的生產(chǎn)線比起中小功率來，其經(jīng)濟(jì)性由于節(jié)能的效果而更為優(yōu)越。