锤片饲料粉碎机组合形筛片设计改善粉碎性能

第34卷第22期农业工程学报V ol.34 No.22 2018年11月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov. 2018 45锤片饲料粉碎机组合形筛片设计改善粉碎性能田海清，王海庆，黄涛，王迪，刘飞，韩宝生（内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特010018）摘要：针对环流层对环筛式锤片饲料粉碎机性能的影响，设计了组合形筛片，以改变环流运动规律，改善锤片粉碎机性能。

论文分析了粉碎机使用组合形筛片对粉碎性能的影响。

利用计算流体力学软件Fluent对粉碎机采用环形平筛及组合形筛片的气流场进行数值模拟，比较粉碎机使用2种筛片时的气流场速度、压力分布情况，验证了组合形筛片的使用可有效改善粉碎室气流场特性。

在相同工况下，对装有环形平筛及组合形筛片的CPS-280型粉碎机进行粉碎性能比较试验，对比分析不同筛片对物料粉碎效果的影响。

结果表明，组合形筛片的使用可提高生产率、改善物料的粉碎质量。

尤其当筛片等分数目为4，翼形弧前段圆弧半径为26 mm，后段圆弧半径为200 mm，等边角为120°时，物料粉碎效果更佳，生产率较环形平筛提高28.98%，度电产量提高35.84%，温升降低2 ℃，物料粒径分布方差降低40.62%。

该文采用组合型筛片的粉碎机气流场特征优于环形平筛，有利于改善锤片粉碎机性能。

关键词：机械化；设计；计算机仿真；饲料粉碎机；组合形筛片；粉碎性能doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.006中图分类号：S817.12+2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2018)-22-0045-08田海清，王海庆，黄 涛，王 迪，刘 飞，韩宝生. 锤片饲料粉碎机组合形筛片设计改善粉碎性能[J]. 农业工程学报，2018，34(22)：45－52. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.006 Tian Haiqing, Wang Haiqing, Huang Tao, Wang Di, Liu Fei, Han Baosheng. Design of combination sieve for hammer feed mill to improve crushing performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 45－52. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.006 0 引 言锤片粉碎机是目前饲料生产中广泛应用的粉碎设备，具有结构简单、实用性好、操作简便等优点[1-2]。

它利用高速旋转锤片、筛片等工作部件及粉碎室气流的共同作用，实现物料颗粒的粉碎[3-4]。

但在生产实际中，锤片粉碎机仍然存在生产效率低、能耗高及饲料粒度不均匀等问题[5-6]。

锤片粉碎机工作时，在粉碎室内易形成气固环流层，环流层是影响粉碎机性能的重要因素。

为此，一些研究者通过改变粉碎室形状、筛片形状来破坏环流层，改善粉碎机性能。

因改变筛片形状较为容易，近年来，一些研究者先后设计了梯形筛片、间隔分段圆弧筛片及翼形筛片[7-11]，研究结果表明，合理的筛片形状改变可改善粉碎机性能。

但这些研究结论大多是宏观、定性及试验推测结果，并未深入研究筛片形状改变对流场特征的影响，以及如何设计筛片形状可获得较为理想的流场特征。

近年来，随着数值模拟技术的快速发展，一些研究者已将计算流体力学（CFD）应用于对粉碎机流场特征的研究。

如曹丽英等[12-15]采用Fluent软件研究了新型收稿日期：2018-05-18 修订日期：2018-09-30基金项目：国家自然科学基金资助项目（51765055）作者简介：田海清，教授，博士生导师，主要从事农牧业机械智能化研究。

Email：hqtian@ 锤片粉碎机粉碎腔（腔内无筛片）及分离装置的内部流场特征，并借助高速摄影技术验证了其仿真模拟的可靠性。

Hideya等[16]借助数值模拟技术研究了工业用冲击式粉碎机定子几何参数对粉碎性能的影响。

Hirohisa等[17]采用CFD与离散相模型（DPM）耦合的方法模拟了冲击式粉碎机粉碎室内的压强、速度分布规律和物料运动轨迹。

考虑到筛片形状改变对流场特征及粉碎机性能的影响，本研究提出一种组合形筛片设计方法，并通过理论分析、数值模拟和饲料粉碎试验研究这一筛片形状对流场特征及粉碎机性能的影响，为新型筛片的设计提供理论依据及实现方法。

1 组合形筛片的设计1.1 样机结构与工作原理本研究以市面上热销的CPS-280型锤片饲料粉碎机为研究样机，具体结构如图1所示，主要结构及技术参数如表1所示。

工作时，饲料从喂料斗6沿转子轴向喂入到粉碎室9，首先受到高速旋转锤片4的打击而破裂，并在打击力和气流作用下飞向筛片3，与之撞击被弹回，如此不断反复受到锤片4打击和筛片3的撞击，直至粉碎成合格小颗粒碎物料，经筛孔流出。

留在筛片上的大颗粒物料在锤片4与筛片3的摩擦作用下进一步粉碎，直至粒径合格，经筛孔流出。

农业工程学报（ ） 2018年461.机架2.出料腔3.筛架及筛片4.锤片5.喂料口进气孔6.喂料斗7.粉碎室盖板8.锤片架9.粉碎室 10.电机1.Frame2.Discharge cavity3.Sieve frame and sieve4.Hammer5.Inlet port of feeding mouth6.Feeding hopper7.Cover plate of crushing chamber8.Hammer frame9.Crushing chamber 10.Electric motor图1 CPS-280型锤片饲料粉碎机结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of CPS-280 hammer feed mill 表1 CPS-280型锤片饲料粉碎机结构及技术参数 Table 1 Structure and technical parameters ofCPS-280 hammer feed mill参数Parameter数值Numerical values外形尺寸（长×宽×高） Overall dimension(Length×Width×Height)/(mm×mm×mm)650×380×930配套动力（电机）Matching power (Electric motor)/kW2.2 主轴转速Spindle speed/(r·min -1) 4 300 转子直径Rotor diameter/mm 260 筛片宽度Sieve width/mm 120 筛孔直径Sieve pore diameter/mm3 喂料方式Feeding manner轴向1.2 组合形筛片设计方法筛片的设计在结构上应满足粉碎机原筛架对筛片的安装尺寸要求，在形状上应尽可能的改变环流运动规律，产生利于物料粉碎和筛分的良性流场，同时对粉碎机性能应有较大幅度的改善。

组合形筛片设计方法如图2所示，将筛片沿周向分成n 等分（考虑到本研究样机筛架结构，筛片加工的方便性及成本，n 取为3或4），每一等分段由翼形弧、等边角及圆弧三部分组成。

连接各等分段中等边角顶点的轮廓圆周线（D =291mm ）与每等分段中圆弧（d =271mm ）同心，D 和d 也是筛架上筛片的安装尺寸，筛片安装在D 和d 之间。

翼形弧与直径D 轮廓圆周线相切，与直径d 圆弧相接，由前后两段半径不同的圆弧依次连接组成，前段圆弧（顺时针方向）半径为R 1，后段圆弧半径为R 2。

翼形弧前后两段圆弧的位置由a 、b 、c 三点确定，a 、c 两点决定R 1圆弧的圆心位置，c 、b 两点决定R 2圆弧的圆心位置。

a 、b 两点为翼形弧所对应中心角 （考虑到筛片的等分数目， 取30°或60°）的边线与直径d 圆弧的交点。

c 点为翼形弧最大弦高点，根据空气动力学理论和低速机翼外形设计经验[18]，c 点位于翼形弧弦长的15%～30%处。

考虑到筛片加工的便利性，将c 点设定为翼形弧1/4弦长（从a 点出发）处的垂线与直径D 轮廓圆周线的交点。

R 1和R 2的大小取决于翼形弧的弦长L 和最大弦高h max ，由图2几何关系可知sin2L d （1）max 1h R （2）maxmax h f L（3） 2max R kf （4）式中f max 为最大相对弯度，由样机筛片安装尺寸决定，一般f max =0.1～0.2；k 为半径系数，依据半径R 2与弦长的几何关系推导得出，变化范围为1 000～2 000。

1.锤片2.圆弧3.翼形弧4.等边角5.锤片架1.Hammer2.Circulr arc3.Airfoil arc4.Equilateral angle5.Hammer frame 注：R 为转子回转半径，mm ；R 1为翼形弧前段圆弧半径，mm ；R 2为翼形弧后段圆弧半径，mm ；D 为筛片各等分段中等边角形顶点的轮廓圆周线的直径，mm ；d 为筛片每等分段中圆弧直径，mm ； 为翼形弧所对应的中心角，(°)； 1为等边角，(°)； 1为锤片相对于径向的倾角，(°)；L c 为锤片架半径，mm ；h max 为翼形弧最大弦高，mm ；L 为翼形弧弦长，mm 。

Note: R is radius of gyration of rotor, mm; R 1 is front arc radius of airfoil arc, mm; R 2 is rear arc radius of airfoil arc, mm; D is diameter of circumferential line of the contour of the isosceles corner in each segment of the sieves, mm; d is diameter of each segment of sieves, mm; a is central angle corresponding to airfoil arc, (°); 1 is equilateral angle, (°); 1 is angle of hammer relative to the radial direction, (°); L c is radius of the hammer frame, mm; h max is maximum chord height of airfoil arc, mm; L is airfoil arc chord length, mm.图2 组合形筛片设计原理图Fig.2 Design principle diagram of combination sieve考虑到样机筛架上固定筛片的螺杆数目（6个，均匀布置在D 和d 之间）和筛片加工的方便性，本设计以翼形弧所对应中心角 后边线（过b 点）为始边，对直径D 轮廓圆周线12等分，第一个12等分圆弧的中心位置为等边角顶点处。