王永昌 俞信国
（接第17期）
3 影响有筛锤片粉碎机粉碎效率的因素
有筛锤片粉碎机的粉碎效率主要取决于两个因素:一是物料粉碎到所需粒度的效果，是确保粉碎效率的基础；二是已达到粉碎粒度的粉料能否迅速通过筛孔，是确保粉碎效率的关键。两者都是影响粉碎效率的重要因素。由于有筛锤片粉碎机的结构设计与参数确定不够合理、粉碎机筛板的开孔率不高或吸风系统设计、操作不够正确,使物料粉碎效果不佳或通过筛孔机会下降,就影响了粉碎效率。以下就影响粉碎和过筛两个环节来进行讨论。
3.1 粉碎
影响有筛锤片粉碎机的粉碎效率主要有以下两个因素：一是物料粉碎效果，核心是取决于物料与锤片的速度差；二是已粉碎到粒度要求的物料应迅速通过筛孔，核心是破坏料环层的效果和物料通过筛孔的作用力，如进风效果及筛板的穿孔速度等因素。
料环层破坏得越好，其翻动好、密度下降，有利于小颗粒靠近筛板和吸风阻力下降，风量就提高，亦就提高了穿孔速度和粉碎效率。
影响粉碎效率的结构及工艺参数有如下因素。
① 锤片：锤片线速、锤片线速与物料运动之间的速差、锤片数量及锤片总截面积与粉碎室总面积之比、锤片排列、锤片厚度和锤片的端部形状；
② 筛板：开孔率、孔径、孔形、锤筛间隙、筛板的运动特性、筛面的粗糙程度；
③ 吸风：风量、风压及筛板内外的压差；
④ 物料：物料特性，如颗粒大小、密度、水分、脂肪及纤维含量等因素；
⑤ 操作：流量及流量按粉碎室内宽度方向的分布均匀程度。
在这众多影响因素之中,大家都比较了解的因素,在此不再赘叙,现就不经常讨论的影响因素进行分析。
3.1.1 锤片
3.1.1.1 锤片线速
锤片线速是锤片粉碎的重要参数，不仅与第一次撞击粉碎效果有关，而且影响粉碎料环的旋转速度，影响摩擦粉碎的效果。同时从粉料通过筛孔的运动分析来看，锤片线速及吸风风量和风压均是粉粒通过筛孔的重要参数。对于不同物料，锤片较理想的线速根据资料报道见表1。
试验以玉米为例：锤片线速52～70 m/s时电度产量和粉碎效率达最高。但实际锤片线速的配制与表中所列线速有所不同。对粉碎玉米和小麦等常用物料的锤片线速均高于表中数值20%～40%。大多资料报道认为是考虑适应粉碎多种原料的要求。如是考虑多种原料的关系，可选用不同线速的专用粉碎机，就可以满足不同物料的最佳粉碎要求。
3.1.1.2 锤片线速与物料运动之间的速度差
速度差是影响粉碎效果的主要因素，速度差是提高撞击粉碎效果的核心。在一次撞击时，因速差大粉碎效果均较好。在二次撞击时，物料已作旋转运动，物料颗粒大、密度大，物料线速低和速差大，二次撞击粉碎效果较好。物料颗粒小、密度小，物料线速高和速差小，二次撞击粉碎效果下降。为此，物料颗粒小或密度小，常采用提高转子的转速来增加速差，提高粉碎效果。如在两片锤片之间增设静减速档块（见图6）。经一次撞击粉碎后的物料进入提速区，很大一部分物料就碰到静减速档块，使物料得到不同程度的减速而增加速差，最大的速度差将达到锤片的线速。速度差增大，经计算锤片撞击力将增加一倍以上，经试验粉碎效果提高50%以上。粉碎室内增设静减速档块，既增加了锤片与物料的速差，又能较好破坏了料环，料环密度下降，小颗粒易与筛面接触通过筛孔。所以，粉碎效果将大幅度的提高，同时物料粉碎的粒度均匀性将明显提高，但平均粒度将略粗些。
3.1.1.3 锤片的端部形状
锤片的端部形状直接影响粉碎效果。为了提高耐磨性，一般在锤片端部采用碳化钨堆焊，由于堆焊工艺不当，堆焊后其截面呈圆形（见图7），严重影响粉碎效率，国内几乎都是圆形堆焊工艺，美国30年前碳化钨堆焊的锤片截面就呈方角或凹面(见图7)，该截面既提高锤片的耐磨性，又提高粉碎效率。
由于粉碎室内物料层厚度在40～60 mm，高速旋转锤片的端部与物料之间的速差具有较强的摩擦作用，所以，锤片端部侧面在60 mm的范围内均拉毛或压花，可增加摩擦粉碎的效果。
3.1.2 筛板
3.1.2.1 筛板的运动特性
筛板是否运动是衡量粉碎机粉碎效率的极为重要的新标志，在传统的粉碎机筛板几乎全部为静止的。所以，粉碎效率的提高受到一定限制，虽然经过研究人员的努力，大多粉碎效率的提高仅在10%～20%。自有振动筛面的出现，使粉碎机粉碎效率的提高产生了质的飞跃，粉碎效率的提高达50%～100%，见表2。
单位电度产量如下：
水滴型筛孔：?椎2.0 mm时为0.11～0.13 t/(kW·h)；?椎1.5 mm时为0.06 t/(kW·h)；?椎1.0 mm时为0.032 t/(kW·h)。
振动型筛孔：?椎1.5 mm时为0.121 t/（kW·h）；?椎1.0 mm时为0.059 t/(kW·h)。
补充风型：?椎1.0 mm时为0.072 t/(kW·h)。
从上可知，振动型粉碎机筛孔?椎1.5 mm单位电度产量已达到?椎2.0 mm非振动粉碎机较先进的指标的单位电度产量，补充风型亦具有优良的粉碎性能，振动型和补充风型主要是既破坏了料环，又提高了物料通过筛孔的作用力。
粉碎室内物料受高速旋转锤片的影响，物料亦作旋转运动，旋转运动的物料受到离心惯性力的作用，便产生自动分级，颗粒大、密度大的在外层，紧靠筛面；颗粒小、密度小的则反之。同时有部分颗粒将堵塞筛孔，这就影响到粒度物料的过筛，而且孔径越小影响率越大。振动筛面的破坏料环、清理堵塞的筛孔和提高物料过筛能力是行之有效的措施，特别对小孔径筛孔、粘性、油性和纤维型等易堵塞筛孔的物料更为有效。
振动筛面具有以下功能。
① 破坏料环:物料在粉碎室内高速旋转产生的自动分级，物料在筛面振动时，使物料之间的松散度和破坏物料自动分级，小颗粒可从内部穿过大颗粒层与筛面接触，就增加了过筛的机率，亦就提高粉碎效率。
② 清理堵塞筛孔:粉碎机筛孔在?椎1 mm以下、粘性、油性和纤维型物料，在粉碎作业后将有15%以上的筛孔被堵塞,特别是略大于筛孔的颗粒易堵塞筛孔,筛面振动易清除筛孔的堵塞，确保筛孔出料的畅通。
③ 提高物料通过筛孔的能力：筛面振动的方向与物料过筛孔的方向一致，振动力向筛外时，增加了筛孔内物料向外的作用力，从而加速了筛孔内的物料通过筛孔的能力，亦提高了物料的穿孔速度。
以上三个状态均有利于提高过筛能力，提高粉碎效率，其分析如下。
物料过筛孔有三种状态：①物料粒度略大于筛孔；②物料粒度等于筛孔；③物料粒度小于筛孔。设物料为球形。
① 物料粒度略大于筛孔状态的分析；物料堵在孔内时其受力分析见图8。
筛孔不堵的条件计算：2Pcosβ=mg，P=mg/2cosβ，ma>2Nf
式中：ma——向上清出筛孔所需的力；
f——物料与筛板的摩擦系数；
N——物料作用于筛孔的两侧正压力所分解垂直与筛孔的合力。
N=Psinβ=mg·tgβ/2,筛孔不堵的条件为a>fg·tgβ，当物料粒径r=1.002R，sinβ=R/r=0.980，β=86.38°，f=tg?覫=tg22=0.404时，要使物料离开筛孔的条件为：a>6.38×g，而随a的提高，筛孔不堵塞机会越大。物料离开筛孔的振动力需大于物料离开筛孔的作用力。
物料质量：0.05×g=0.000 5 kg
物料离开筛孔的作用力：
m×6.38×g=m×6.38×9.8=m×62.5=0.000 5×62.5=0.031(N)
如采用振动电机为振动源:转子转速n=970 r/min,振动偏心块重0.5 kg，偏心半径30 mm。筛面振幅在0.5～1 mm左右，其振动力：
mrω2=0.5×r×(V/r)2=0.5×(n×3.14×2r/60)2/r=145.6(N)
振动电机的振动力远大于清理物料堵筛孔所需要的力。其作用力为筛孔的垂直方向为佳，筛板作圆运动的振动方式为最优，使360°筛孔均有最佳清理筛孔的振动力，确保了堵孔的清理和提高物料的穿孔速度。
② 物料粒度等于筛孔状态的分析见图9。
粒度通过筛孔的条件：F>2F摩，F=F风＋F振＋F推
式中：F风——风压作用力；
F振——筛面振动力；
F推——物料在筛孔内无离心惯性力，仅受粉碎室内物料挤压力和风压差的作用力；
F摩——物料与筛板的摩擦力F摩=Nf,f=0.38,F摩=0.0145 7 N。
风压2 000 Pa，孔径?椎1.5 mm，F风=2 000×3.14×0.752×1×10-6=0.003 5 N
F推=mrω2=0.05×10-3×(30/0.556)2/0.556=0.26 N
筛面无振动时粒度等于筛孔直径，排料的作用力为：F=F风＋F推
F=0.003 5 N＋0.26 N=0.263 5 N>>2F摩=0.029 4 N
筛面无振动时可以排料，但堵塞筛孔就难以清理。筛面有振动时，特别有利于物料排除堵塞筛孔和更有利于加速物料通过筛孔。
③ 物料粒度小于筛孔。
物料小于孔径时，当作用于物料离开筛孔方向的力，远大于物料通过筛孔的阻力，为此，物料小于孔径更易排出筛孔。
从上分析不难看出，振动筛面是有筛粉碎机在结构上一个重大突破。使物料提高了过筛能力，亦就提高粉碎效率。
3.1.2.2 筛面内表面的粗糙程度
物料在粉碎室内随转子作旋转运动，旋转运动的物料受到离心惯性力的作用紧贴筛面，紧贴筛面的物料的旋转速度比内层物料速度有所下降，但仍有30～50 m/s较高线速，为摩擦粉碎提供了必要的条件。如筛板内表面为粗糙的，就增加了摩擦粉碎的能力。当筛板使用一段时间内表面光滑后，不妨在筛板内表面再拉毛或压花，确保摩擦粉碎的效果。
3.2 过筛
粉碎室内达到粒度的粉料应尽早通过筛孔，否则已粉碎的物料再粉碎，该粉碎所做的功均属无用功。实际有筛锤片粉碎机往往已粉碎的粉料不能迅速通过筛孔，引起已达到粒度的粉料仍在粉碎室内过度粉碎即平均粒度变小，同时影响到尚未粉碎到粒度要求物料的粉碎。这是影响有筛锤片粉碎机粉碎效率的主要因素，提高过筛能力是提高粉碎效率的关键所在。如仅提高粉碎室内的粉碎效果，而没有提高物料通过筛孔的有效措施，提高粉碎效率是有限的。
影响有筛粉碎机过筛能力主要有以下因素。
3.2.1 吸风
吸风有助于小颗粒靠近筛面，有利于小颗粒通过筛孔。所以，良好的吸风有助于提高粉碎效率15%～30%，降低电耗、控制粉碎粒度、降低料温和减少粉尘等功能。不同粉碎机、不同结构及参数对其吸风的配制参数要求各不相同。要获得较好吸风效果，需从吸风过程每一个吸风阻力的细部来分析。现就对有筛锤片粉碎机各部的吸风阻力进行如下分析计算：
有筛锤片粉碎机的吸风阻力主要由4部分组成：
① 锤片粉碎机进风口阻力；
② 粉碎机筛板阻力；
③ 脉冲布袋除尘器阻力；
④ 其它局部阻力。
现以132 kW有筛锤片粉碎机，筛孔?椎1.5 mm为例，分别作如下计算，确定粉碎机所配制风机的风量、风压和配用动力。
① 锤片粉碎机进风口阻力。
有筛锤片粉碎机，进风口处配有编织网。进风口长×宽为0.5 m×0.25 m。
编织网进风口有效面积计算进风口面积的利用系数以0.8计：
进风面积F=进风口长×宽×面积利用系数=0.5 m×0.25 m×0.8=0.1 m2，
如进风口宽度为0.125 m，进风口面积F=0.05 m2
粉碎机吸风量的确定：Q=8 424 m3/h。
处理风量确定参照国内外粉碎机的吸风量及有关的参数综合考虑：有资料依筛板面积为依据，经分析吸风量不仅与筛板面积有关，而且与孔径和开孔率有关，孔径小和开孔率低，更需要有助于排料的吸风，其风压和风量将有所增大。同时国外最初的资料都为畜禽粉碎之用，孔径为?椎2～3 mm，而且筛孔的开孔率要比国内高20%左右。现国内孔径为?椎1.5 mn时，开孔率较低仅为18％～20%，吸风阻力增加，吸风量下降，需提高风压或增加30%左右的吸风量。国外132 kW粉碎机孔径为?椎2～3 mm，开孔率45%～50%时的风量一般配制为5 000～6 000 m3/h。现配制的风量：6 000 m3/h×1.3=7 800 m3/h
考虑有漏风量5%～10%,漏风量主要在转子轴处、水平输送机的不良料封及提升机进口处进风。总风量7 800 m3/h×1.08=8 424 m3/h
通过进风口风量为7 800 m3/h=2.16 m3/s。
吸风口阻力H进风=10×ξγＶ2/2g(Pa)
式中：ξ——进风口阻力系数1.6~1.8，取1.8；
γ——空气比重为1.2 kg/m3；
g——重力加速度9.8m/s2；
Ｖ——进风口风速，Ｖ=Q/F=2.16/0.1=21.6 m/s。
吸风口阻力为：514 Pa。
如进风口面积调小50%即为F=0.05 m2，进风口风速Ｖ=43.2 m/s，进风口阻力为：2 056 Pa。可明显看出进风口面积小,吸风口阻力大幅度增加，如风机风压不提高,则阻力增加后,风量就下降，影响粉碎效果。
② 锤片粉碎机筛板阻力。
转子直径1.12 m，宽度0.55 m，包角300°开孔率为18%，筛孔?椎1.5 mm，筛板吸风阻力系数ξ=35(经对筛板测试后计算)，筛板前漏风量以4%计、水平输送机不良的料封，使提升机进口处漏风4%。筛板阻力随孔径减小和开孔率下降而增加。
筛板有效面积：3.14×1.12×0.55×0.18×300/360=0.28 m2，
如考虑筛孔堵塞而减少筛板有效面积以10%计，则筛板实际有效面积为0.252 m2。
粉碎机筛板穿孔风速计算：吸风量＝7 800×1.04=8 112 m3/h=2.25 m3/s。
筛板有效面积0.28 m2时，筛板穿孔风速：2.25/0.28=8.04 m/s；
筛板有效面积0.252 m2时，筛板穿孔风速：2.25/0.252=8.93 m/s；
筛板有效面积0.28 m2时，粉碎机筛板理论吸风阻力：H筛=10×ξγＶ2/2 g=1 600 Pa；
筛板有效面积0.252 m2时，粉碎机筛板理论吸风阻力1 870 Pa；
③ 脉冲布袋除尘器吸风阻力取900 Pa。
④ 其它局部吸风阻力为150 Pa。
吸风系统总阻力：
a、进风口面积0.1 m2,进风口阻力514 Pa，筛板有效面积0.28 m2时，粉碎吸风系统总阻力为：514 Pa＋1 600 Pa＋900 Pa＋150 Pa=3 164 Pa。
b、进风口面积0.1 m2，进风口阻力514 Pa,筛板有效面积0.252 m2时，粉碎吸风系统总阻力为：514 Pa＋1 870 Pa＋900 Pa＋150 Pa=3 434 Pa。
c、进风口面积0.05 m2，进风口阻力为2 398 Pa，筛板有效面积0.252 m2时，粉碎吸风系统总阻力为：2 056 Pa＋1 600 Pa＋900 Pa＋150 Pa=4 706 Pa。
风机的风压和风量：
进风口面积0.1 m2，筛板有效面积0.28时，风机的风压和风量为3 164 Pa和8 424 m3/h。
进风口面积0.1 m2，筛板有效面积0.252时，风机的风压和风量为3 434 Pa和8 424 m3/h。
如进风口面积0.05 m2时,筛板有效面积0.252时,风机的风压和风量为4 706 Pa和8 424 m3/h。
从以上分析可知筛孔内的物料,原来作用于物料粉粒上的离心惯性力已消失,仅受到吸风的作用力为风速8.93 m/s的动压(47.8 Pa)、1 870 Pa的静压差和内部料环的挤压力,该作用力足以将小于筛孔的物料吸出。对有振动筛面时,振动力和该作用力共同作用下很容易将粒度物料从筛孔中排出,易获得较好的吸风效果。
为了确保吸入的风量能从筛板前进入，因此，筛板后所有设备的连接和密封程度须处于良好状态，否则吸风效果难以保证，粉碎效率亦就难以提高。
3.2.2 破坏料环
破坏料环是提高粉碎效果的有效措施，有利于物料密度下降，有利于小颗粒靠近筛面，通过筛孔。破坏料环方式众多，如粉碎室内增设适当数量的静减速档块、筛面振动或在粉碎室内增加补风进气装置等形式，同时具有不同程度的提高粉碎效率。其中在粉碎室内增加进气装置效果较佳，因气流的稳定性较差，料环破坏显著，同时增加了风量，提高穿孔速度，有利于物料通过筛孔。增设静减速档块和筛面振动亦具有良好的料环破坏效果。
① 粉碎室内增设适当数量的静减速档块，有利于破坏料环，利于粉碎效果，经试验可提高粉碎效率50%以上。
② 筛面振动有利于破坏料环，利于物料通过筛孔，可提高粉碎效率50%以上；如同时采用筛面振动和粉碎室内增设静减速档块，经试验可提高粉碎效率100%。
③ 粉碎室内设置补风进气装置有利于破坏料环，提高筛孔的穿孔速度，有利于物料通过筛孔，经试验可提高粉碎效率30%～50%。
在粉碎室内采用增加补充进风，该措施既破坏了料环层，又提高气流通过筛孔的穿孔速度，亦就提高了粉碎效率(见表3)。如仅提高粉碎室内的粉碎效果，而没有提高物料通过筛孔能力的有效措施，提高粉碎效率是有限的，特别对?椎1.5 mm以下筛孔的微粉碎，筛孔的穿孔速度极为重要。吸风系统不佳，如风机虽配有较大的风量，实际因吸风阻力较大，风机工作点已向特性曲线左下移位，风量大大减少，筛板的穿孔速度明显下降，粉碎效率就不可能提高。
表中粉碎机配用动力200 kW，如增加补充进风量2 376 m3/h，提高筛孔穿孔速度2.1 m/s，粉碎效果提高明显，粉碎能力提高达50%。
4 有筛锤式粉碎机的改进意见
4.1 粉碎机须有良好的进风口
进风口阻力一般控制在500～700 Pa，确保进风量，目前粉碎机进风口多半较小，吸风阻力较大，亦就影响进风量。
4.2 筛面振动
增加筛孔垂直方向的作用力，可减少筛孔堵塞，增加了物料通过筛孔的能力。随筛板孔径减小，筛面振动防堵效果更为明显，提高粉碎效率更为显著。
4.3 在粉碎室内两片锤片之间增设静减速档块，使一次撞击粉碎后的物料进入增速区，有物料受减速档块的阻挡，物料得到不同程度的减速而增加速差。随速差增大，二次撞击力将增加一倍以上。特别对颗粒小、密度小，难以粉碎的物料更为有效。同时料环破坏较好，物料密度下降，有利于小颗粒靠近筛面，通过筛孔而提高粉碎效率。
4.4 在粉碎室内增设补风进气装置,具有有效地破坏料环和提高筛板穿孔速度的作用,来提高粉碎效率。
4.5 提高筛板的开孔率，是提高粉碎效率的第一因素，还可降低吸风阻力，节约动耗。
4.6 筛板内表面和锤片头部两侧表面宜压花或拉毛，增加摩擦粉碎的效果，提高粉碎效率。
4.7 对小于?椎1 mm筛孔适当提高吸风量和风压，使小颗粒易穿过料环靠近筛面和穿过筛孔，亦就有利于提高粉碎效率。
4.8 对饲料厂粉碎量大或粉碎品种比较单一，可采用专用粉碎机，以最佳线速来获得较佳的粉碎效果。
4.9 粉碎机出料输送机及相应设备连接处应有较好的密封性能，确保粉碎机吸风所需的风量。
4.10 粉碎机出料输送机的输送方向与脉冲除尘器的方向相反为宜，以减少进脉冲除尘器的粉尘含量，亦就提高了粉碎效率。
总之提高有筛粉碎机的粉碎效率,特别是小孔径筛板的粉碎,首先从有利于物料粉碎着手,然后有效地破料环和尽力提高物料通过筛孔的能力等综合措施。在粉碎效果较好时,提高物料通过筛孔的能力,已成为提高粉碎效率的第一要素。如仅提高粉碎效果,不提高物料通过筛孔的能力,对提高粉碎效率作用不大。因此,需从多种因素着手,才能获得最佳的粉碎效率。
参考资料
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王永昌，国家粮食局无锡科学研究设计院，教授级高工，214063,江苏省无锡市梁青路金色江南集景花园91号602室。
俞信国，上海春谷实业有限公司。
收稿日期：2009-07-20 |
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