硕士论文-SWFP66X60A型锤式粉碎机锤片尺寸及排列方式优化研究.pdf

江南大学 硕士学位论文 swfp66x60a型锤式粉碎机锤片尺寸及排列方式优化研究 姓名：徐健 申请学位级别：硕士 专业：食品科学与工程 指导教师：许学勤;程亮 20090701 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m m i n u t i o nm a c h i n eh a v ew i d ea p p l i c a t i o ni nm i n e ，m e t a l l u r g y , c e r e a la n do i lf o o d p r o c e s s i n g ，f e e dp r o c e s s i n g ，e t c h o w e v e r , t h er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sf r o mr e s e a r c h e r so n c o m m i n u t i o nm a c h i n es t r u c t u r ea n dm a i ni n s i d ep a r t ss h o w st h a tt h e r ei sn od e f i n i t et h e o r y t h a ta l l o w sp e o p l et oc a l c u l a t ea n dg e to p t i m a lc h a m b e ra n dm a i np a r to fc o m m i n u t i o n m a c h i n e 删si se s p e c i a l l yt r u ef o rt h ed i m e n s i o n s 。s t r u c t u r e sa n de n e r g yc o n s u m p t i o no f e a s i l yw e a rp a r t ss u c ha sh a m m e r s ，a st h e r ei sn os i m p l ew a yo fh a v i n gt h e mc a l c u l a t e da n d d e s i g n e da n dg e tm a x i m a lc o m m i n u t i o ne f f i c i e n c yw i t hl o w e s te n e r g yc o n s u m p t i o n c o n s e q u e n t l y f o rc o m m i n u t i o nm a c h i n en e w l yd e s i g n e d ，i ti sn e c e s s a r yt of i r s t l yf i n di t s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb yt e s t i n g ，a n dt h e nt oh a v ei t ss t r u c t u r e so p t i m i z e dw i mt h e a i do fc l a s s i ce n e r g ya s s u m p t i o na n da n a l o g i c a ld e s i g nt h e o r i e s ，t og e ta t y p eo f t h em a c h i n e w i t ho p t i m a lc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e s t h e r e f o r e ，f o ra n yn e wt y p eo fc o m m i n u t i o n m a c h i n e ，i ti se s s e n t i a la n dm e a n i n g f u lt oh a v ei td e e p l ya n a l y z e da n ds t u d i e d t h ei n f l u e n c eo ft h et h r e ed i m e n s i o n s ，v a r i a t i o na n da r r a n g e m e n to ft w od i f f e r e n t t h i c k n e s s e sh a m m e r si nt h es a m e m a c h i n eo nt h ec o m m i n u t i o n e f f i c i e n c ya n de n e r g y c o n s u m p t i o nh a sb e e nt e s t e d d u r i n gs t u d d i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i a t i o no ft h et h r e e h a m m e rd i m e n s i o n so np e r f o r m a n c ei ne f f i c i e n c ya n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，b o t hs i n g l ef a c t o r t e s ta n dc o m p l e xf a c t o r st e s t sh a v eb ec a r d e do u t b yas e r i e so ft e s t i n gi n v e s t i g a t i o n ，g e tt h e f o l l o w i n gm a i nc o n c l u s i o n s ： 1 i nv i e wo ft h ei n f l u e n c eo ft h et h r e eh a m m e rd i m e n s i o n so nc o m m i c u t i o n e f f i c i e n c y , t h e ya l ls h o w e dt h e i ro w no p t i m a lt e s t i n gd a t a ，w i t ht h eh a m m e r t h i c k n e s sh a v i n gm a x i m a li n f l u e n c e 2 a m o n gt h ee f f e c t so fc o m b i n a t i o n a la s s e m b l i n go fw i t hd i f f e r e n c eh a m m e r s ，w h i l e t h ea r r a n g e m e n to ft w ot y p e sh a m m e rd i f f e r e n ti nt h i c k n e s ss h o w e dm o r e c o m m i m u t i o na n de n e r g ye f f i c i e n c yt h a nt h a to fh a m m e ra r r a n g e m e n tw i t h i d e n t i c a lt h i c k n e s s o f h a m m e r s ，t h et h i n n e rh a m m e r sc o n c e n t r a t e di nm i d d l e z o n eb e h a v e db e t t e rr e s u l t si nc o m p a r i n gt h ea r r a n g e m e n t so ft h i c k e rh a m m e r s b u i l t u pi no n ez o n ea n dt h et h i n n e ro n e si na n o t h e rz o n e t h e r ew a sn o ts i g n i f i c a n t d i f f e r e n c eo fe f f e c tb e t w e e ne v e na r r a n g e m e n to ft h i c ka n dt h i nh a m m e r sa n d t h a t o fd i f f e r e n tt h i c k n e s sh a m m e ra r r a n g e di nd i f f e r e n tz o n e s 3 i ti sk n o w nf r o mt h et e s t i n gr e s u l t st h a t e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nw a sa l m o s t i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n ，t h a ti s ：t h eh i g h e ri n p r o d u c t i o n ，t h el o w e ri ne l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：c o m m i n u t i o nm a c h i n e ，h a m m e r ，h a m m e ra r r a n g e m e n t ，e f f i c i e n c y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任4 * - j 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：绍! 丝未 日 期：2 竺2 ：兰：! ! 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：犯牛一撕鞔聋盟 目飙型乒盟l 第一章前言 第一章前言 1 1 课题背景 应用粉碎机械可以减小物料的粒度至一定大小，增加物料的表面积，以提高其物理 作用的效果或化学反应的速度，使物料中的不同组分在粉碎后单体分离，以便进一步将 其彼此分开等。例如，磨制面粉、粉碎饲料、磨细颜料和水泥的生熟料、研磨制备悬浮 液的浆料，以及增加物料的流动性、填充性；磨碎有待人工干燥的物料，以加快其干燥 速度、磨细触媒剂和吸附剂，以分别加强其触媒效能和吸附作用；将煤块磨成煤粉，以 提高其燃烧速度和燃烧的完全程度；将铁矿石粉碎后，通过磁选或浮选来获得精细铁矿 粉、将铅锌矿石粉碎后分选出铅矿粉和锌矿粉等。 谷物及其它营养物料的粉碎在现今的食品、饲料加工中是极其重要的一环，因为它 关系到能量的消耗、动物对营养的吸收、重量损耗( 水分和粉尘) 、家畜的健康( 溃疡) ( k e i t h c b e h n k e ，1 9 9 9 ) n 1 、操作环境的改善( 粉尘、噪声) 、设备的使用寿命及操作 的难易程度等。因而粉碎工艺历来是饲料加工厂设计中的重要组成之一。工、农业生产 中的大量粉碎工作消耗的能量很大，但在粉碎作业中，输入粉碎机械中的能量的绝大部 分都转化为热而由粉碎机械、循环空气和被粉碎的物料等所吸收，直接用于物料粉碎上 的却为量极小：在破碎机械中，一般不超过1 0 ；在粉磨机械中，则常不足1 。因此， 为了减少能耗，就必须选取适当的粉碎机械、采用正确的操作方法、规定最佳的粉碎比 和单位时间内的产量。粉碎工序的动力消耗一般占到全厂总动力消耗的3 0 ，_ - - 5 0 ，如 何减少动力消耗是粉碎工序设计的一个首要因素，也是人们值得研究和探讨的课题。目 前人们对粉碎工序研究的主要内容有粉碎效率的提高、合理的粉碎工艺、粉碎机结构、 粉碎机电耗、粉碎机操作的方便性、粉碎粒度的大小和均匀性、易损部件的耐磨性、粉 碎机噪声的控制、粉碎机的自动控制、对产品质量和畜禽鱼生产性能的影响等比1 。 本文从对电力消耗影响很大、也是最重要的易损件之一锤片的结构尺寸及装配 形式进行研究。虽然前人作过不少研究，也有丰富的经典理论成果，但就粉碎理论来说， 对于各种各样的粉碎机不太可能有一个统一而精准的数学理论公式，对粉碎腔、室改动 过或作过革新的各种个案机型也不能确切做出理论或实际的具体指导，只能借助于经典 能量假说理论和相似设计理论等来进行验算、修正及应用。故本研究对于个案化的试验 机型及相关延伸研究还是很有必要，因为这样可以确定其最佳参数，调整和修改设计的 不足。本研究就是在我公司需要对新研发的机型s f w p 6 6 6 0 a 进行详细的性能考量，需 要对比数据的基础上展开的，所以对该机型本身很有必要，同时对其它普遍性研究具有 一定参考价值及意义。 1 2 粉碎机的发展历史与现状 从古老的石磨到当今流行的电力粉碎机，物料粉碎工艺历经了几千年的历史。我国 到了晋代，就发明了用水力作为动力的水磨，极大地推动了食品和饲料工业的发展。 江南大学硕士学位论文 粉碎机械( 英文名称c o m m i n u t i o nm a c h i n e ) ，是破碎机械和粉磨机械的总称，这两 者通常安排料粒度的大小作区分：排料粒度大于3 毫米的含量占总排料量5 0 以上者称 为破碎机械；小于3 毫米的含量占总排料量5 0 以上者则称为粉磨机械。有时也将粉磨 机械称为粉碎机械，这是粉碎机械的狭义含意。 在中国，公元前两千多年就出现了最为简单的粉碎工具一杵臼。杵臼进一步演变为 公元前2 0 0 “ - - 前1 0 0 年的脚踏碓。这些工具运用了杠杆原理，初步具备了机械的雏形， 不过，它们的粉碎动作仍是间歇的。 最早采用连续粉碎动作的粉碎机械是公元前四世纪由公输班发明的畜力磨，另一种 采用连续粉碎动作的粉碎机械是辊碾：它的出现时期稍晚于磨。公元二百年之后，中国 杜预等在脚踏碓和畜力磨的基础上研制出了以水力为原动力的连机水碓、连二水磨、水 转连磨等，把生产效率提高到一个新的水平。这些机械除用于谷物加工外，还扩展到其 他物料的粉碎作业上。 近代的粉碎机械是在蒸汽机和电动机等动力机械逐渐完善和推广之后相继创造出 来的。1 8 0 6 年出现了用蒸汽机驱动的辊式破碎机；1 8 5 8 年，美国的布莱克发明了破碎 岩石的颚式破碎机；1 8 7 8 年美国发展了具有连续破碎动作的旋回破碎机，其生产效率高 于作间歇破碎动作的颚式破碎机；1 8 9 5 年，美国的威廉发明能耗较低的冲击式破碎机。 与此同时，粉磨机械也有了相应的发展，1 9 世纪初期出现了用途广泛的球磨机；1 8 7 0 年在球磨机的基础上，发展出排料粒度均匀的棒磨机；1 9 0 8 年又创制出不用研磨介质的 自磨机。二十世纪3 0 “ - 5 0 年代，美国和德国相继研制出辊碗磨煤机、辊盘磨煤机等立 轴式中速磨煤机。这些粉碎机械的出现，大大提高了粉碎作业的功效。但是，由于各种 物料的粉碎特性互有差异，不同行业对产品的粒度要求也彼此不同，于是又先后创制出 按不同工作原理进行粉碎作业的多种粉碎机械，如轮碾机、振动磨、涡轮粉碎机、气流 粉碎机、风扇磨煤机、砂磨机、胶体磨等。 到了7 0 年代初期，已制造出每小时产量为5 0 0 0 吨、最大给料直径达2 0 0 0 毫米的 大型旋回破碎机，和能将物料磨细到粒度小于0 0 1 微米的胶体磨。用机械粉碎固体物料 的主要方法有五种，即挤压、弯曲、劈裂、研磨和冲击。前四种都是使用静力，最后一 种则应用动能。在绝大多数粉碎机械中，物料常常在两种以上粉碎方法的作用下被粉碎， 例如，在旋回破碎机中，主要应用挤压、劈裂和弯曲；在球磨机中，主要应用冲击和研 磨。粉碎方法是根据物料的物理特性、料块的大小和所要求的细化程度来选择的。对于 坚硬物料，应采用挤压、弯曲和劈裂；对于脆性物料，应采用冲击和劈裂；料块较大时， 应采用劈裂和弯曲；料块较小或要求排料粒度很小，则应采用冲击和研磨。粉碎方法如 果选择不当，就会出现粉碎困难或过度粉碎现象，两者都会增大粉碎过程中的能量消耗。 1 3 粉碎机种类 粉碎机按照行业的不同有不同的分类，就饲料行业来说粉碎机械的分类方法也有多 种，或按结构形式或按粉碎方法，或按运动速度，或按受力种类，或按细化程度来划分。 如粉碎机类型的不同及粉碎机结构的变化，对粉碎物料的影响相当大。根据粉碎物料的 2 第一苹前言 粒度可分为普通粉碎机、微粉碎机、超微粉碎机；根据粉碎机的结构可分为销连锤片式、 劲锤式、对辊式和齿爪式。一般的畜禽料通常采用普通的锤片粉碎机或对辊粉碎机，幼 小动物、普通的水产饲料可采用微粉碎机、水滴式锤片粉碎机、爪式粉碎机，而特种水 产饲料和水产的开口饲料需要采用超微粉碎机，有的甚至需要用胶体磨才能达到开口饲 料所需要的粒度要求。 普通锤片粉碎机是饲料工业生产中应用最广泛的。其粉碎原理是无支承式的冲击粉 碎，在粉碎过程中，锤片与物料的碰撞绝大部分为偏心冲击，使物料在粉碎室内发生旋 转，会消耗一部分的能量，这也是锤片粉碎机耗能高的重要原因之一。同时，由于锤片 粉碎机的粉碎室结构和物料受高速锤片的冲击作用，物料在离。动力作用下会贴着筛面 形成圆周运动，产生环流层，大颗粒的物料在外层，小颗粒的物料在内层，粉碎达到粒 度要求后小颗粒不能及时从筛孔正常排出，出现了物料与锤片的反复冲击，形成物料的 过度粉碎，粉碎电耗增加，粉料的温度升高，使物料内的水分形成水蒸汽，水蒸汽与细 粉末会粘附于筛板，更加严重堵塞筛孔，粉碎效率下降，尤其是在物料细粉碎时，环流 对粉碎效率的影响更严重。要提高锤片粉碎机效率，就必须破坏粉碎过程的环流产生。 1 3 2 水滴型粉碎机 水滴型粉碎机是研究人员针对普通锤片粉碎机结构特点，将粉碎室从圆形变为水滴 形，这样既增大了粉碎室筛板的有效筛理面积，又能破坏物料在粉碎室形成环流，有利 于粉碎后物料排出粉碎室，粉碎效率提高1 5 。另外水滴型粉碎机有主粉碎室和再粉碎 室，物料在粉碎室内可形成二次打击，同一台粉碎机就能实现粗、细、微细3 种粉碎形 式，粉碎后的物料平均粒度为1 0 0 “ - “ 5 0 0 1 x m 。适应畜禽鱼对物料粉碎粒度的不同要求， 综合性饲料厂粉碎工艺中应用水滴型粉碎机有独特的优势。 立轴式粉碎机也是锤片粉碎机的一种，粉碎过程可分成预粉碎和主粉碎2 个区域， 其特征是采用了3 6 0 。环筛，还有底面的筛板，筛理面积大，有助于粉碎后物料快速排 料，同时由于物料的重力作用，环筛的垂直筛面上粘附物料少，筛孔通过能力强；粉碎 机转子上的刮板保证了底筛的有效利用，且产生一定的风压，促进粉碎后物料的快速排 出，有效提高了整个粉碎室的筛落能力，无需在排料中设置独立吸风系统，既省去吸风 系统的设备投资，又解决了长期困扰饲料厂因吸风系统故障而产生的粉碎效率低下的问 题，且减少了物料在粉碎过程中水分损失。粉碎效率和粉碎机产量有较大程度的提高， 粉碎后的物料粒径均匀，潜在的细粉少，粉碎电耗可以节省2 5 。立轴式锤片粉碎机适 合于饲料粗粉碎及二次粉碎工艺前道粉碎，但不适用于物料的细粉碎。 3 江南大学硕十学位论文 对辊粉碎机是有支承的粉碎。物料的粉碎作用主要由对辊的剪切、挤压作用产生， 外力的作用绝大部分用于物料的粉碎，物料的粉碎效率比较高，大大降低了粉碎的能耗 ( 没有物料的旋转、过度粉碎，物料的温度升高较小) ，据介绍，r o s k a m p 辊式粉碎机 与传统的锤片粉碎机系统相比，节约能量在6 0 以上。可减少粉尘产生和维持费用，降 低噪音。粉碎过程中物料水分损失少，粉碎产品的粒度均匀性好，产品的物理特征极佳， 有利于物料流动和混合。在物料的粗粉碎中能取得较好的粉碎效果，但辊式粉碎机木适 用于细粉碎，对多种物料的通用性也较差，尤其是各种物料混合以后的粉碎性能就更差， 轧辊的维修需要专用设备，这些特性限制了对辊粉碎机在饲料生产中的应用。目前国内 的一些次质小麦因价格便宜而广泛应用于饲料生产，开发粉碎小麦的专用粉碎机有相当 的市场需求，对辊粉碎机在这方面应有一席之地。 微粉碎机一般用于水产饲料或乳仔猪饲料的原料粉碎，这些饲料粉碎粒度较细，采 用普通粉碎机效率极低，甚至不能完成其工作。在生产2 5 0 1 x m 粒度的粉料时，锤片式 粉碎机的效率是3 0 ，而气流排料式微粉碎机的效率则是9 5 。对于要求粒度分布在 5 0 0 1 x m 以下时，应该考虑使用专用的微粉碎机来进行粉碎，粉碎后物料的平均粒度可达 到1 0 0 “ 5 0 0 1 x m 。 超微粉碎机一般为无筛式粉碎机，粉碎物料粒度由气流速度控制，粉碎粒度要求9 5 通过0 1 5 m m ( 1 0 0 目) ，一般用于特种水产饵料或水产开口饵料，超微粉碎通常由超 微粉碎机、气力输送、分级机配套来完成。原料的粉碎粒度非常细，可能显示出意想不 到的特性，但也带来了比较多的问题，如静电吸附，物料的流动性差，粉碎消耗的能量 大，提高了生产成本，对加工操作的影响比较大，这些不利影响可以采取不同的方法加 以克服( 如改变饲料加工工艺) 。 1 3 7 其它类型的粉碎机 其他类型的粉碎机，如爪式粉碎机、其特点是体积小，重量轻，工作转速高，产品 粒度细，对加工物料的适应性广，但其不足之处是功率消耗大、噪声高、单机粉碎产量 小。 4 第章前占 1 4 s w f p 6 6 6 0 a 锤片粉碎机结构度特点 s w f p 6 6 x 6 0 a 锤片粉碎机足牧羊公司在“牧羊水滴王9 6 8 ”机型的基础上进行改制 而成的机型，希望在原机型主要用于粗粉的基础七能兼用于细粉，并有较好的综合性能。 1 4 1 外形蕊结构 ( i ) 设备外形图 s w f p 6 6 6 0 a 的外形如图1 - 1 所示。 ( 2 ) 结构与工作原理 总体结构 图1 - ls w f p 6 6 6 0 a 型锤式特碎机外形 f i 9 1 1t h e s w f p 6 6 x 6 0 ah a m m e r m i l r 江南大学硕+ 学位论文 s w f p 6 6 6 0 a 型锤式粉碎机的总体结构如图1 - 2 所示。本粉碎机采用钢板焊接 结构，主要由底座、上机壳、转子、操作门、压筛机构、导料机构等组成。进料口 和出料口分别在粉碎室的上下中心位置。转子与电机安装在同一底座上，采用弹性 柱销联轴器或弹性销式联轴器( s w f p 6 6 1 2 5 ) 直联传动。 1 进料导向机构 5 电机 2 机座3 压筛机构4 操作门 6 上机壳7 转子 图1 2s w f p 6 6 6 0 a 粉碎机总体结构 f i g1 2t h eo v e r a us t r u c 嘶o ft h es w f p 6 6 6 0 ah a m m e rm i h 工作原理 需粉碎的物料通过与本机相配的喂料机构由顶部进料口喂入，经进料导向板从左边 或右边进入粉碎室，在高速旋转的锤片打击和筛板摩擦作用下，物料逐渐被粉碎，并在 离心力和气流作用下穿过筛孔从底座出料口排出。 主要部件结构 转子 s w f p 6 6 6 0 a 粉碎机的转子结构如图卜3 所示。由主轴、锤架板、轴销、锤片、轴 承等零件组成，是粉碎机的主要运动部件。在每次更换锤片时一般只允许使用4 m m 厚的 锤片，并且必须严格按照锤片排列示意图安装，同时，对称两组的锤片称重总质量相差 不能超过2 9 。本试验在研发中心的指导下，经过论证，采用非机器规定的锤片厚度，排 6 第一章前言 列方式按照要求。 筛片 筛片置于压筛机构中，很容易更换。 进料导向机构 使物料从左边或右边进入粉碎室。进料导向板的换向由气缸控制，自动改变电机的 转向，使与进料方向相符。 保护装置 为了防止机器工作时发生意外，操作门有安全互锁装置，以保证操作门打开时电机 无法启动( 图1 1 ) 。 用钳子取i = | = ；销辘上的开口销，抽出销辘，更援铘片 图1 3转子结构 f i g1 3t h er o t a t o rs t r u c t u r e ( 3 ) 产品特点 1 ) 先进的水滴形粉碎室设计，合理的二次粉碎结构，有利产量提高。 2 ) 充分优化的锤片排列，使粉碎的效率更高。 3 ) 轴向补风设计，有效地破坏坏流层，有利物料的粉碎和过筛，同时也有利于轴 承的降温。 4 ) 包括高精度的动平衡在内的各项精密检测，确保运转更平稳，噪音更低，性能 更理想。 5 ) 可正反向工作的转子，大大延长易损件的使用寿命。 6 ) 可移位的全开式操作门和安全互锁装置，以保证开门的方便和安全。 7 ) 联动式压筛机构，使筛片的更换操作更方便可靠。 8 ) 可配备先进技术的变频叶轮式或自动式喂料器，使其工作更可靠。 7 南人学i 学恤玲文 9 ) 锤筛间隙可调，可适应不同物料的高效率粉碎。 1o ) 上作条件为最大限度发挥粉碎机的效能，建议进料尺寸不大于8 m m ，水分h i 大 十1 6 。 ( 4 ) 工作方式 s w f p 6 6 x 6 0 a 粉碎机可分别以辅助吸风( 图1 4 ) 和气力输送( 罔1 5 ) 进料方式对 物料进行粉碎。 敛筮蕉 国14辅助吸风精碎方式 f i g l 4c o m m i n u t i o nw i t ha i ds u c t i o n 固15 气力输送粉碎方式 f i g l 5 c o m m i n u t i o n w i t hp n e u m a t i c c o n v e y i n g 进料 聚削i “ w i ，y 或s w iz 喂料器可实现最佳可靠的喂料，借助变频器【u 实现喂料器的自动 # 第一章前言 控制。 出料 粉碎机输出的粉料既可采用风运也可以收集在一个储料斗内并配以辅助吸风。在出 料口连接处应有密封。 带风运装置的结构( 图卜5 ) ，在排料口连接口应有密封 附带储料斗的结构( 图1 4 ) 图1 4 显示的是配输出绞龙和除尘器的结构； 本试验用储料斗具有足够容积空间，以使微粒尽可能少的被吸风装置带走。 吸风装置 如图1 - 4 、1 - 5 所示，储料斗必须被吸风，其需要风量4 0 0 0m 3 h 1 5 粉碎机研究方向和改进 1 5 1 粉碎机的研究发展方向 在过去的二十几年中，饲料粉碎技术，特别是粉碎设备和粉碎工艺技术方面取得了 长足的进步，将来的粉碎技术研究主要集中在以下几个方面： 一、研究各种畜禽鱼饲料的最佳粉碎粒度，以达到有利于畜禽消化吸收，饲料加工 方法可行，粉碎成本的经济合理。 二、新型锤片粉碎机开发研究，对锤片粉碎机的结构进行优化，锤筛间隙可在线调 整。同时开发一些专用粉碎机，提高安全系数，加大粉碎效率、降低能耗，充分减少显 性和隐性成本【2 3 1 。 三、粉碎机与微粉碎系统对饲料粉碎粒度和电耗的影响研究。通过对粉碎机结构的 改进、粉碎工艺系统的合理配置，以获得最佳运行效果。 四进一步提高锤片和筛片的质量，降低单位产量锤片和筛片消耗率，延长其使用 寿命，降低易损耗件对粉碎成本的影响。 五进一步提高粉碎系统作业的效率，同时对与粉碎机相配套设备和操作参数进行研究。 六提高粉碎机加工精度与装配精度，从结构上进行优化，降低粉碎机的噪卢。 1 5 2 本机值得优化改进之处 在设计该机型时，主要根据之前机型的试验数据及相关经验，对粉碎室的大小尺寸 及转子、销轴、锤片等相关尺寸进行了优化和改进，但其实际效果还有待实验的证明， 特别是粉碎室的宽度及形状确定、转子主要尺寸、锤片三维尺寸，而且根据经典粉碎理 论及以往经验数据，锤片的长、宽、厚三维尺寸对粉碎效率及粉碎能耗有很大影响，机 型的每一次更新，都必须经过相关实验才能得到最佳尺寸。 9 江南大学硕十学位论文 本研究就是在上述换型的情形下，结合公司对该机型深入考量的要求而进行的研 究，一是希望得到该机型的优化数据；二是为该产品的系列化做好准备，同时也为其它 形式的粉碎机提供相关参考数据，同时也对相关粉碎理论提供有价值的佐证。 1 0 第二章粉碎原理和理论 第二章粉碎原理和理论 2 1 粉碎原理 粉碎是应用机械力对固体物料进行粉碎作业，使物料克服其质点间的内聚力作用而 形成新表面，变为小块、细粉或粉末的过程。影响粉碎过程的因素很多，如物料的几何 特性及其物理化学性质和结构力学性质；粉碎机械工作构件的几何参数及材质；粉碎过 程的工艺参数( 粉碎粒度、单位流量等) ，以及产品粒度要求等等。饲料加工中粉碎机 通常使用以下几种作用力的方式： ( 1 ) 撞击力：利用安装在粉碎室内的高速旋转的构件对饲料撞击而进行粉碎时主 要为撞击力。这种方法适应性广、生产效率高，在饲料厂的应用比较广泛。 ( 2 ) 挤压力：一对相向力使被加工物料受到挤压而粉碎时，主要受挤压力。 ( 3 ) 剪切力：表面齿的粉碎作用工件，使饲料受到一对平行相向力而剪碎。 ( 4 ) 碾磨力：利用表面毛糙的磨盘作相对运动，对饲料进行挤压、切削、撕拉和 摩擦而破碎物料。 实际机械操作运动中，所受的粉碎力总是由上述几种力结合而成。值得注意的是， 选择粉碎方法的重要依据是被粉碎物料的物理性质。其中，物料的硬度和破裂性尤其重 要。如对于坚而不韧的物料采用撞击和挤压比较有效；而对于韧性物料，则采用剪切方 式较好；对于脆性物料，则以撞击为宜。因此，选择正确的物料粉碎方式对饲料加工具 有很大的经济意义。 2 2 物碎理论 粉碎理论主要是研究粉碎过程中能耗与细化程度之间的关系，确定因外力破碎物料 时所作的功、消耗的能量和粉碎效率，来指导设计和评价一台粉碎机性能的好坏。由于 粉碎作业是涉及多种因素的极其复杂的过程，因此在粉碎理论方面尚无公认的统一结 论，没有精确建立的数学理论公式，目前只能借助于经典的能量假说理论和相似设计理 论等来验算和修正。本文主要研究能量消耗问题，对相似设计理论暂不赘述。 经典的能量假说理论主要分两大类，一是粉碎所需能量假说，一是粉碎所需作功假 说。 2 2 1 粉碎所需的能量假说 ( 1 ) 表面积假说 表面积假说又称丁格( r i u i n g e r ) 假说。该假说认为，粉碎物料需要的纯能量e ，与 粉碎后物料所形成的新的比表面积差的大小成正比。即： e - - - - c 函夕( 2 一1 ) 江南大学硕士学位论文 设粉碎前物料的平均直径为d 1 ，粉碎后的平均直径为d ：，粉碎前的比表面积s 1 为： s , - 继：旦：墨上( 2 2 ) 咖d ：jd 1 1 d 1 同理，粉碎后的物料比表面积s ：为： 岛= k x 土( 2 3 ) 上) 2 式中少r 表面积形状系数，球形为丌； 咖1 一体积形状系数，球形为6 ； 西体积形状系数，球形为6 ： 硒，配比例系数。 因此，粉碎所需能量e 为：e = c ( 击一百1 ”c 2 4 ， 式中：c 为粉碎能消耗的比例系数，可由实验测得，确定后可以估算出另一相似条 件下所需的粉碎能。 ( 2 ) 体积假说 体积假说又称基克( k i c k ) 假说。该假说认为，假定粉碎前后颗粒形状完全相似， 则粉碎物料所需的能量与单个颗粒体积的减小成比例。体积假说的表达式为： e = 靠l l l 争= g l i l ，( 2 - 5 ) 乜 式中卜粉碎所需的能量； q 一比例系数； l 厂一粉碎前单个颗粒特征尺寸； 广粉碎后单个颗粒特征尺寸； r 粉碎比l j 膨。 ( 3 ) 第三假说 在上述假说的基础上彭德又提出第三假说，又称彭德( b o n d ) 假说。该假说认为粉 碎能反比于产品直径的平方根。 即： 肛文寺一万1 ) q 石， 式中卜输给粉碎机的总能； 卜比例系数； 卜粉碎后粒子直径； 卜粉碎前粒子直径。 1 2 第二蕈粉砰原理和理论 可以直观看出，以上公式并不能直接给出定量的分析计算数据，比例系数均为未知 数。因此这几种假说用于粉碎过程的定性研究，由假说确定粉碎过程能耗的相对值。也 可对某一粉碎设备进行各种粒度的系列测定，由测定值计算出相应的比例系数。由求得 的比例系数进行粉碎过程能量消耗的定量确定。 一般认为，基克假说适用于粗碎的情况，因为相对地说粗碎时体积变化较大，表面 积变化较小。而在细碎时由于表面积增加的影响大，里丁格假说比较适用。 这三种假说建立的公式，主要区别在于比例系数和破碎后物料直径d 的指数上，如 认为粉碎前物料的粒径为单位值，则将三式统一起来可得： e = j 跹) ，l 。( 2 - 7 ) 式中k 和m 与粉碎形式、粉碎物特性、粉碎程度等因素不相关。 ( 4 ) 恰利斯假说 恰利斯( c h a r l e s ) 将上述粉碎能耗假说进行了统一。他认为颗粒粒度d 发生微小变 化 d ( d ) 时所需的能量d a 是粒度的函数，粉碎能耗表达式为： d a ：一k 兰盟( 2 8 ) d ” 式中以使颗粒粒度减少讲d ，所需能量； k 比例系数； n 状态系数。 聆与颗粒粉碎前后的粒度变化有关。当n 分别取2 ，1 ，1 5 代入上式并积分后，可 分别得出表面积假说、体积假说和裂缝假说表达式。针对某种特定的粉碎过程，选用合 适的，z 值，上述表达式可更准确地反映出实际的能量消耗量。 ( 5 ) 撞击粉碎能 在饲料生产加工中，采用较多的粉碎形式为撞击粉碎。假设粉碎机的高速撞击构件 和被粉碎物料撞击后以同一速度运动，则有部分动能转变为饲料的粉碎能。根据动量守 恒定律可以推导出可能转化为粉碎能的最大动能值为 丝：堡垒! ： 2 ( + m 2 ) b _ 系数( 大麦、玉米相应为3 0 4 、2 7 9 4 ) 。 式中丝可能转化为粉碎能的最大动能值( j ) ； m 。单颗饲料质量( k g ) ： m 2 撞击构件质量( k g ) ： 1 ，撞击前饲料和撞击构件的相对速度( m s ) 如再引入饲料和撞击构件的一些相关物理特性参数，则可发现提高粉碎效率应从以 下几点入手： 1 3 江南大学硕士学位论文 增大矿值，即提高饲料和撞击物的相对速度。实际运用中可通过增加撞击构件旋 转速度及旋转半径来提高撞击物速度，另一方面阻止饲料跟随撞击构件运动。 增大m 。，即增大单颗饲料质量。撞击构件的质量远远大于单颗饲料的质量，在这 一前提下，只有增加单颗饲料质量才会明显增大粉碎应力。在粉碎操作中，饲料第一次 撞击的效率，对粉碎总效率有很大影响。 减小撞击表面的半径。采用薄型撞击构件，既有利于减小撞击表面半径，又可减 小设备的空载能耗，是提高粉碎效率的又一有效措施。 改变饲料的物理特性。对某些难以粉碎的饲料进行干燥，可减小饲料的泊松比和 弹性模数。对少量特别难粉碎的饲料进行冷冻处理，可大幅度提高粉碎效率。 2 2 3 粉碎所需作功假说 物料破碎的总功a ，等于作用在破碎物料块变形体积上的变形功a 。和生成新表面 积所作功a ：的总和。 ( 1 ) 列宾捷尔公式 物料破碎的总功a ，等于作用在破碎物料块变形体积上的变形功a l 和生成新表面 所作功a 2 的总和： a = a 1 + 如= k a v + 凼s ( 2 - 1 0 ) 式中a v 破碎的变形体积( c m 3 ) s 新生表面积大小( c m 2 ) k 比例系数( k g m ) 仃比例系数( k g m ) ( 2 ) 粉碎谷物饲料所需的功耗计算 ( 芏) j a c o b s o n 公式 ，= 兰一( 2 11 ) p d 式中，_ 称为- ，因素； 卜粉碎机的产量( k g h ) ： 卜输入功率( k w ) ； 卜筛片孔径( m m ) 。 不同物料，通过试验得出不同g 、j ，可很方便地比较两台粉碎机的粉碎效率和功耗。 比功耗a 和千瓦时产量w a 比功耗 a = 口+ ( j 增( 2 1 2 ) 口g w 式中 d 酊一粉碎产品的重量几何平均直径( u m ) ； a 、卜系数。 蔓三兰塑! 堕堡塑里丝 从上式可知，a 、b 愈小，则比功耗愈低。物料不同，则a 、b 系数不同，功耗各异。 玉米易粉碎，功耗小；大麦难粉碎，功耗大。 b 千瓦小时产量 w = a + b d 一( 2 - 1 3 ) 式中d 筛孔直径( m m ) ； r 系数( 大麦、玉米相应为5 8 2 、一0 5 4 ) ； 同机型、同物料、不同筛片，根据上式可得： 堕：a + b d l ( ，l - 1 4 ) 一i i t ， a + b d 2 根据上式可预报粉碎机的产量或电耗。 功耗经验公式 n = ( 6 4 1 0 5 ) q ( k w ) 式中q 一粉碎机额定生产率( t h ) 。 6 4 “ - 1 0 5 为经验系数，粗粉碎取小值，细粉碎取大值。 ( 3 ) 粉碎比 物料粉碎前、后颗粒直径的算术平均值为粗细度。粉碎前的物料粗细度以d 表示， 粉碎后成品粗细度以d 表示，物料的粉碎度( 比) 是两者之比，它是检查粉碎效果的一 个重要指标，其表达式为： ：一dn ( 2 1 5 )= z 1 ) j d 经过粗粉碎后的粉碎度n 约为2 6 ，中碎或细碎后的粉碎度为5 “ - 5 0 ，超微粉碎的 粉碎度一般大于5 0 。 粉碎比表达的是粉碎前后物料粒度的大小变化程度。对于单台粉碎机械来说，它等 于给料的最大粒度与排料的最大粒度之比；对于由多台粉碎机械所组成的粉碎系统来 说，它等于最初给料粒度与最终排料粒度之比，或等于各单台粉碎机械的粉碎比的连乘 积。当使用破碎机械破碎物料时，粉碎比通常称为破碎比。 当粉碎比要求很大时，粉碎作业往往要在由若干台粉碎机械组成的粉碎系统中来完 成。物料在这个系统中经过各台粉碎机械，其粒度逐步减小，最后达到所要求的粒度。 在这种粉碎系统中，每个阶段都应选用适当的粉碎机械和粉碎比，在各个阶段之间保持 相互配合的生产能力。同时，为减少过度粉碎以提高粉碎效能和降低能耗，还须在每道 粉碎作业之后进行筛分或分级，以防止过度粉碎，达到节能的目的。 ( 4 ) 粉碎过程的效率 粉碎过程的效率等于直接消耗于粉碎物料的能量与总能耗之比值( 综合“表面积“ 1 5 假设和“体积“ 假设理论推导出的公式) ，即： e a s d 7 i “ 仇21 r 其中： 彬= + m 譬+ ( a s f i “ 以上二式中 仇粉碎过程效率； 彬输入总功； w 0 粉碎机工作部件变形与磨损消耗的功； m 物料颗粒变形( 粉碎) 次数； o r 。粉碎物料的破碎应力； e 一粉碎物料的弹性模数； v _ 一粉碎物料的体积； 翻粉碎物料每产生单位新表面积所消耗能量； 肚粉碎物料新产生的表面面积。 z “= ( 鲁 4 ，其中f z 和f - 分别为物料粉碎后及粉碎前的总表面面积，两者之比值即 为粉碎程度。在配合饲料生产上，一般i = 3 0 0 4 0 0 。 粉碎机的结构特性及粉碎过程的条件，均考虑在无因次系数f “之内。 大量的研究和生产实践结果表明，不同品种的物料，其矿。是不同的。就大多数原料 而言，包括粮谷的原料，不同应力状态下的仃。，其差别甚大。例如，压缩应力状态下 的o r ，往往大于剪切应力状态下盯，的1 5 5 倍。所以，在粉碎过程中，提供最佳的剪切 应力作用条件，是当今改进和完善粉碎设备及工艺的主要准则。 2 2 3 锤片粉碎机设计中锤片几何质心、圆周速度和锤筛间隙的确定 ( 1 ) 锤片几何质心的确定 在锤片粉碎机的设计计算上，锤片的几何质心及其作用动力学具有重要意义。锤片 粉碎机转子驱动轴及轴承上，除了受到团转子的重力作用以外，还受到转子的离心力作 用，以及因锤片打击物料而受到的冲击反作用力。当转子静力学不平衡时，也就是当转 子重心与旋转几何轴心不一致时，以及当转子动力学不平衡时，即产生不平衡的惯性力 矩时，在锤片粉碎机的转子驱轴及轴承上，均会受到离心力的作用。 转子重心相对于旋转轴心即使只有不大的偏位，也会在锤片粉碎机上引起大的不平 衡惯性离心力。例如，在锤片粉碎机转子的角速度( i ) = 3 1 4 弧度秒( 6 0 0 0 r m i n ) ，若转 1 6 第二章粉碎原理和理论 子重心相对于整个形体旋转轴心偏位l - - - - o 1 m m 那么，这时的不平衡惯性离心力f c 将可 高达转子的重力g r 。 n ：g r ( 31 4 ) 2 1 0 - 4 名g ，( 2 16 ) g 由此可见，锤片粉碎机转子各零件的设计及制造，必须准确地符合各零件的几何形 状、锤片和锤