曹麗英，汪 陽(yáng)，李帥波，汪 飛

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

畜牧業(yè)發(fā)展的水平對(duì)我國(guó)第一產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)有著重要影響[1],畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)飼料工業(yè)的支持，在飼料生產(chǎn)中粉碎是不可缺少的一環(huán)。粉碎機(jī)是飼料生產(chǎn)中常用機(jī)械之一，其性能的好壞影響著粉碎效率和能耗的高低，直接影響飼料的質(zhì)量和企業(yè)的效益。錘片式飼料粉碎機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、便于維修而被廣泛使用[2-4]。飼料工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了錘片式飼料粉碎機(jī)不斷優(yōu)化，文章綜述錘片式飼料粉碎機(jī)的現(xiàn)況、前人在錘片式粉碎機(jī)內(nèi)流場(chǎng)和降噪方面的研究，為粉碎機(jī)械向著低能耗、高性能和高效率方向發(fā)展提供參考。

1 錘片式飼料粉碎機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外的飼料生產(chǎn)中，由于不同地區(qū)飼料原料的不同，導(dǎo)致錘片式飼料粉碎機(jī)發(fā)展的不同。在歐洲各國(guó)的飼料生產(chǎn)中多是沒(méi)有谷物的混合粉碎（先配料后粉碎）；在美國(guó)的飼料配方中原料的含水率低于歐洲，以一半玉米或小麥作為基礎(chǔ)，并且很少使用難粉碎谷物，比如燕麥、大麥之類(lèi)。因此美國(guó)的錘片式飼料粉碎機(jī)的篩板面積大，如Champion公司及Jacobson公司等宣傳自己的產(chǎn)品為全周篩，篩板的安裝或更換只需停機(jī)打開(kāi)機(jī)殼更換即可；歐洲則需要齒板面積較大的粉碎機(jī)，其中荷蘭VanAarsen公司的2D系列產(chǎn)品最為典型，粉碎機(jī)的齒板面積占據(jù)粉碎室外圍面積的一半，并且實(shí)現(xiàn)不停機(jī)、不打開(kāi)機(jī)殼換篩板。到目前為止，國(guó)外的粉碎機(jī)發(fā)展日漸成熟，已經(jīng)形成自動(dòng)化程度高的錘片式飼料粉碎機(jī)產(chǎn)品，可控制給料量和給料速率，實(shí)時(shí)控制粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速，監(jiān)控出料口物料等。代表機(jī)型有瑞士的DNZF型錘片粉碎機(jī)，日本的ACM型粉碎機(jī)和美國(guó)的MSV型粉碎機(jī)等[5-6]。

我國(guó)的錘片式飼料粉碎機(jī)機(jī)型眾多，早在20世紀(jì)50年代就有9F和9FQ系列的錘片式飼料粉碎機(jī)；20世紀(jì)90年代以后，江蘇牧羊和正昌集團(tuán)等企業(yè)先后研發(fā)出水滴王、冠軍、優(yōu)勝等系列的錘片式飼料粉碎機(jī)，大大提高了粉碎機(jī)的質(zhì)量和工作效率。目前，我國(guó)粉碎機(jī)生產(chǎn)和研發(fā)技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，成為行業(yè)內(nèi)的佼佼者[7]。但現(xiàn)在我國(guó)市面上最受歡迎的仍是低成本、操作簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)中小型錘片式飼料粉碎機(jī)，大型粉碎機(jī)產(chǎn)品因?yàn)槌杀靖?、自?dòng)化程度高、動(dòng)力大，多用于大型飼料廠(chǎng)。牧羊集團(tuán)的先鋒668型水滴式錘片粉碎機(jī)的錘篩間隙可調(diào)，滿(mǎn)足粗細(xì)粉碎的要求；特殊的二次粉碎結(jié)構(gòu)，大大提高了粉碎效率；功率配備 55～160 kW，產(chǎn)量可達(dá) 10～32 t/h。上海春谷實(shí)業(yè)有限公司的XG68ZJ和XG136ZJ系列，粉碎效率提高了40%，并且篩的振幅能補(bǔ)償錘片的磨損1～3 mm，使錘片使用壽命延長(zhǎng) 30%～50%。

現(xiàn)階段，我國(guó)中小型飼料企業(yè)廣泛使用的傳統(tǒng)臥式錘片式飼料粉碎機(jī)，其工作原理：物料顆粒喂入粉碎室后，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，在錘片的拋射和離心力、氣流場(chǎng)的帶動(dòng)下到達(dá)篩網(wǎng)，符合粒度要求的物料顆粒透篩排出[8]。其缺點(diǎn)是在粉碎室內(nèi)存在物料環(huán)流層，即粉碎后的大物料顆粒受離心力的影響分布在外層，小顆粒分布在內(nèi)層，會(huì)對(duì)滿(mǎn)足粒度要求的顆粒透篩有一定阻礙，并且粉碎室中心存在負(fù)壓，對(duì)物料顆粒有吸附作用，使?jié)M足要求的物料顆粒來(lái)不及排出，形成二次或多次粉碎，使得粉碎機(jī)效率低下，影響粉碎質(zhì)量[9]。因此，錘片式粉碎機(jī)的現(xiàn)存缺點(diǎn)主要有粉碎能耗高、篩分效率低、噪聲大、物料被過(guò)粉碎、飼料溫升快、錘片和篩網(wǎng)磨損嚴(yán)重等[10]。

2 錘片式飼料粉碎機(jī)內(nèi)氣固環(huán)流層的研究

錘片式飼料粉碎機(jī)工作時(shí)，透篩能力和粉碎質(zhì)量受到粉碎腔內(nèi)氣固環(huán)流層的影響，我國(guó)科研人員針對(duì)環(huán)流層對(duì)粉碎機(jī)性能有什么影響，如何解決環(huán)流層問(wèn)題和增強(qiáng)粉碎機(jī)的效率問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，并且取得了突出的研究進(jìn)展[11]。

一部分科研人員認(rèn)為，環(huán)流層的存在對(duì)物料的粉碎和分離有阻礙作用，提升粉碎效率和提高粉碎質(zhì)量的前提是打破環(huán)流層。最早前蘇聯(lián)學(xué)者KPCOMHOB[12]使用高速攝影觀(guān)察到環(huán)流層內(nèi)外分層，大顆粒分布在內(nèi)層，小顆粒在外層，這種環(huán)流層阻礙了滿(mǎn)足要求的小顆粒物料穿過(guò)大顆粒層透篩，導(dǎo)致過(guò)粉碎使得粉碎質(zhì)量下降。近年來(lái)，劉憲等[13]運(yùn)用動(dòng)力學(xué)原理，分析工作時(shí)物料顆粒的受力，得到顆粒運(yùn)動(dòng)的方程式，并提出提高氣流的徑向速度可適當(dāng)改善篩分效果。劉文廣[14]分析使用梯形篩的錘片式粉碎機(jī)，得到使用梯形篩使得環(huán)流層速度處于變化中，破壞了環(huán)流層，粉碎效率得到改善。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出可以通過(guò)改變粉碎室形狀來(lái)破壞環(huán)流層，以此提升粉碎機(jī)性能。水滴式、桃形式等各種非圓形結(jié)構(gòu)的粉碎機(jī)先后問(wèn)世。此外，湯其春等[15]根據(jù)渦旋發(fā)生原理，提出在環(huán)流層中產(chǎn)生多個(gè)渦旋，形成紊流破壞物料環(huán)流層，研究認(rèn)為通過(guò)改變粉碎室的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)這一概念。董梓南[16]為有效解決物料旋轉(zhuǎn)和粉碎不充分問(wèn)題，設(shè)計(jì)出雙轉(zhuǎn)子粉碎室。田海清、杜嘉楠等[17-23]研究篩片截面形狀對(duì)粉碎機(jī)性能的影響，先后設(shè)計(jì)梯形篩片、三角形篩片、間隔分段圓弧形篩片、翼形篩片以及翼形三角形組合形篩片來(lái)破壞環(huán)流層，改善粉碎機(jī)性能。趙波等[24]利用被粉碎后的物料在錘片轉(zhuǎn)動(dòng)方向呈“人”形對(duì)稱(chēng)分布的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了篩孔沿篩板外邊呈“人”形分布的新型篩片，促使物料顆粒及時(shí)從篩孔排出，避免物料形成環(huán)流層。王永昌等[25]用振動(dòng)篩替代傳統(tǒng)的靜態(tài)篩，增加物料間的翻動(dòng)能力，以破壞環(huán)流層。

以上研究無(wú)論是通過(guò)改變粉碎室結(jié)構(gòu)還是使用振動(dòng)篩、旋渦理論，或者是改變篩片的形狀等方法來(lái)研究環(huán)流層，本質(zhì)都是改變粉碎室內(nèi)氣固環(huán)流層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如何獲得利于物料粉碎與篩分的良性氣固流場(chǎng)以及相關(guān)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

20世紀(jì)90年代初，有學(xué)者提出了另一種關(guān)于物料環(huán)流層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的假說(shuō)：在粉碎室內(nèi)，由于物料處于高速運(yùn)動(dòng)，不存在大顆粒物料阻礙符合透篩顆粒的透篩現(xiàn)象，打破環(huán)流層并不能改善粉碎機(jī)性能、提高效率。1991年，劉承俊等[26]利用高速攝影技術(shù)研究了粉碎室氣固環(huán)流層的生成和規(guī)律，結(jié)果表明：存在環(huán)流層，但是環(huán)流層內(nèi)大小顆粒相互混合，后又進(jìn)行異形粉碎室試驗(yàn)，并未明顯改變粉碎機(jī)性能，指出要使粉碎機(jī)性能良好需選擇合適的氣料比。周向農(nóng)等[27]設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置，測(cè)取環(huán)流分布數(shù)據(jù)，得出物料顆粒在粉碎室內(nèi)做服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的自由運(yùn)動(dòng)，環(huán)流層物料的分布密度沿半徑方向從小到大，并且靠近篩片密度最大。

以上2種理論，需要研究人員進(jìn)一步探索。

3 錘片式飼料粉碎機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元思想的不斷發(fā)展完善，仿真技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于科研領(lǐng)域，數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合成為研究方法的一大主流。各類(lèi)粉碎裝備和飼料加工機(jī)械的研發(fā)中不斷地使用CFD方法，且取得了很大進(jìn)展，極大地推動(dòng)了我國(guó)農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。

HIROHISA 等[28]采用 CFD-DPM 相耦合的方法，對(duì)粉碎機(jī)中的流體流動(dòng)和單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明粉碎物料速度受粉碎室流場(chǎng)特征的影響。BUD?CAN等[29]建立計(jì)算流體力學(xué)模型，采用數(shù)值模型預(yù)測(cè)和改善錘片式粉碎機(jī)的流動(dòng)特性，分析流體的壓力、速度和湍流區(qū)域并根據(jù)結(jié)果對(duì)錘片式飼料粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。曹麗英等[30]提出一種帶回料管的新型錘片式粉碎機(jī)，并利用Fluent軟件模擬新型錘片式粉碎機(jī)分離裝置的氣固兩相流，以此分析粉碎機(jī)分離效率與裝置內(nèi)物料濃度、分離裝置彎曲半徑和回料管出口負(fù)壓的關(guān)系，得到影響分離效率的重要因數(shù)，為該粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)完善提供了理論依據(jù)。黃濤[31]應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)比分析了環(huán)形平篩粉碎機(jī)和異形三角篩粉碎機(jī)的流場(chǎng)，結(jié)果表明使用合理篩片能影響粉碎機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)特性，為提高粉碎機(jī)生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量提供理論指導(dǎo)。GHODKI等[32]基于離散元模型，對(duì)比錘片式粉碎機(jī)不同轉(zhuǎn)速下黑胡椒種子的運(yùn)動(dòng)速度和粒度分布特征，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以此對(duì)粉碎機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。宋濤等[33]采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)錘片式粉碎機(jī)內(nèi)部的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍動(dòng)能場(chǎng)的分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明湍動(dòng)能場(chǎng)的存在使得氣流速度在粉碎室上部大幅下降，不利于物料的粉碎和收集，此結(jié)論可為錘片式飼料粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和基礎(chǔ)理論的完善提供參考。王海慶[34]利用Fluent軟件的Mixture多相流模型，采用數(shù)值模擬技術(shù)獲取了粉碎機(jī)使用不同篩片時(shí)的流場(chǎng)特征，合理的篩片形狀有利于粉碎機(jī)形成改善性能的良性流場(chǎng)。賀殿民等[35]使用Fluent進(jìn)行流場(chǎng)分析計(jì)算，使用MATLAB分析粉碎機(jī)的出料量與回料管負(fù)壓值的關(guān)系，為新型錘片式粉碎機(jī)的優(yōu)化提供理論支持。錢(qián)義等[36]采用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)安裝異形篩片的錘片式飼料粉碎機(jī)工作時(shí)粉碎室內(nèi)顆粒的受力以及流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬，結(jié)果表明采用分段圓弧篩片時(shí)物料透篩率提高，并通過(guò)試驗(yàn)證明，使用優(yōu)化后的異形篩片粉碎機(jī)效率提升，能耗降低，物料溫升也得到改善，對(duì)錘片式飼料粉碎機(jī)性能的提升有參考價(jià)值。

使用數(shù)值模擬技術(shù)可以降低試驗(yàn)成本，縮短試驗(yàn)周期，特別是對(duì)于粉碎腔內(nèi)復(fù)雜的流場(chǎng)研究，數(shù)值模擬技術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì)和便利。但是結(jié)果空泛，需要相應(yīng)的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性。

4 錘片式飼料粉碎機(jī)噪聲的研究

噪聲問(wèn)題日益被人們關(guān)注，飼料廠(chǎng)的減振降噪措施除了隔離，科研人員對(duì)飼料粉碎機(jī)也做了一些減振降噪的創(chuàng)新。范文海[37]測(cè)量了無(wú)錘片情況下粉碎機(jī)的振動(dòng)和噪聲，得出錘片式粉碎機(jī)噪聲來(lái)源是錘片擊打空氣。房菁[38]對(duì)飼料粉碎機(jī)使用LabVIEW和MATLAB相結(jié)合的方法，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取處理，分析出粉碎機(jī)振動(dòng)的原因，對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)和優(yōu)化有參考意義。曹麗英等[39]使用傳感器和虛擬技術(shù)相結(jié)合的方法，解決了傳統(tǒng)噪聲研究中儀器不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)粉碎機(jī)噪聲進(jìn)行采集，進(jìn)行聲壓級(jí)、1/3倍頻程分析和計(jì)權(quán)分析，得出空氣動(dòng)力性噪聲在粉碎機(jī)噪聲中占主要，轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎機(jī)噪聲影響顯著，錘片只影響噪聲幅值，對(duì)主頻變化影響不大，為后來(lái)研究噪聲識(shí)別和降噪提供基礎(chǔ)。楊陽(yáng)[40]為減少工作噪聲，在電機(jī)下面設(shè)置減振氣囊，底座下面設(shè)置防滑墊，取得了成效，有效減少噪聲。俞繼來(lái)[41]研制一種降噪的粉碎機(jī)，回風(fēng)管被分為上下2部分，用隔音棉處理，從傳播途徑上解決噪聲問(wèn)題，也減少回風(fēng)管內(nèi)的磨損，提高使用壽命，但是對(duì)現(xiàn)有粉碎機(jī)降噪無(wú)太大作用。陳碩[42]針對(duì)粉碎室工作生熱和噪聲問(wèn)題，在外側(cè)添加水冷層和隔音層，有效解決了降溫降噪問(wèn)題，但此方法局限性很大，只適用于特定場(chǎng)合，不能對(duì)現(xiàn)有粉碎機(jī)降噪提供太多價(jià)值。張弘玉等[43]用Fluent和Virtual.Lab軟件聯(lián)合對(duì)粉碎機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，研究粉碎機(jī)的空氣動(dòng)力性噪聲，得到氣動(dòng)噪聲主要從出料口向外擴(kuò)散，在166.7 Hz處達(dá)到峰值，為新型錘片式飼料粉碎機(jī)降噪提供依據(jù)。楊左文等[44]對(duì)影響噪聲的主要因素如錘片、篩網(wǎng)、進(jìn)料口、出料口和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等進(jìn)行相應(yīng)的聲壓級(jí)和頻譜分析，找出聲源與主要因素的關(guān)系，改進(jìn)整機(jī)各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，提出降噪的關(guān)鍵是空氣動(dòng)力性噪聲，錘片對(duì)噪聲的產(chǎn)生影響最大，轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎機(jī)的噪聲有顯著的影響，篩網(wǎng)、錘片數(shù)量和進(jìn)料口只影響幅值，對(duì)主頻沒(méi)影響，低轉(zhuǎn)速時(shí)渦流噪聲為主，高轉(zhuǎn)速時(shí)旋轉(zhuǎn)噪聲占主要等。

5 結(jié)語(yǔ)

目前錘片式飼料粉碎機(jī)的型號(hào)越來(lái)越多，性能越來(lái)越完善，研究者們使用不同的方法，通過(guò)對(duì)錘片式飼料粉碎機(jī)研究分析，取得了較多的成果。但是這些成果多為宏觀(guān)上定性的試驗(yàn)推測(cè)，缺乏定量的對(duì)機(jī)理的研究。對(duì)流場(chǎng)的研究，因?yàn)槠鋸?fù)雜性和多樣性，主軸轉(zhuǎn)速過(guò)高，使用的研究方法較為單一，不能全面反映真實(shí)情況；一些研究方法和發(fā)明專(zhuān)利局限性較大，不宜推廣。降噪主要是降低空載時(shí)空氣動(dòng)力性噪聲，且錘片對(duì)噪聲的產(chǎn)生影響最大。

對(duì)于粉碎機(jī)問(wèn)題有大量研究方法借鑒，可以從多方入手，將多源信息進(jìn)行互補(bǔ)、融合，相互驗(yàn)證、補(bǔ)充，提高研究精度和效率，也可將其他領(lǐng)域的方法嘗試引入粉碎機(jī)研究中。隨著“中國(guó)制造2025”的推進(jìn)，大中型粉碎機(jī)的發(fā)展方向?qū)⑹堑驮肼暋⒏咝屎偷湍芎?，將向著智能化、自?dòng)化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)PLC控制、不停機(jī)換篩片和自動(dòng)在線(xiàn)檢測(cè)粉碎質(zhì)量等。面向農(nóng)戶(hù)的小型機(jī)將是更便于操作，實(shí)現(xiàn)多種飼料粉碎、攪拌為一體的多功能機(jī)械。