新型錘片式飼料粉碎機粉碎性能的試驗研究與參數優化

■李 震 韋安寧 曹麗英* 高雨航 劉 彭 趙鈺龍

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭014010；2.同濟大學航空航天與力學學院，上海200082）

我國已經成為世界第一飼料生產大國。粉碎在飼料生產過程中占有舉足輕重的地位。錘片式粉碎機因其對原料的適應性強、通用性好和結構簡單等優點得到廣泛應用，我國大約一半以上的飼料是由錘片式粉碎機粉碎的[1-2]。但實際工作中，錘片組高速轉動，在粉碎室內容易產生較強旋轉氣流，氣流場內靠近錘片組主軸的氣流層流速小、壓力大，遠離錘片組的氣流層則流速大、壓力小[3]，氣流層壓力差使得粉碎室內形成環流層，使錘片組對飼料產生吸附作用導致飼料不易分離；同時受離心力作用，大顆粒飼料在環流層外層運動，容易堵塞篩孔，使得內層符合孔徑大小的小顆粒飼料不能及時過篩，從而導致生產效率低、耗電量高、飼料粉碎粒度分散度大、飼料溫升高等多方面不利影響[4]。近年來，國內外對改善錘片式粉碎機的生產效率、能耗、粉碎質量等重要問題進行了研究[5-7]，主要集中在粉碎室結構形狀、篩網形式和篩分方式等方面。劉文廣[8]將粉碎室設計成水滴形、八角形和橢圓形等形狀，可破壞粉碎室內環流層，提高粉碎效率，但粉碎機體積大，適應性差，制造成本高；用波紋型、梯形及分段圓弧型等篩網代替傳統篩網，具有增大篩網有效篩分面積，破壞環流層等優點，但存在篩網磨損快，通用性差等問題[9]；歐美同行業研制的粉碎機機型多以大中型粉碎機為主，國內使用存在購置成本高，維護不便等問題[10]。曹麗英等[11-12]以傳統錘片式粉碎機為基礎，在粉碎室內用環形齒板代替環形篩網，并將篩網安裝在分離裝置出料口處，同時在篩網下方加裝回料管與粉碎室連通，研制出具有回料裝置的新型錘片式粉碎機，能破壞環流層，但飼料易與分離裝置碰撞和摩擦，雖粉碎效率得到提高，但篩分效率有待于進一步提升。汪建新等[13]在此基礎上對分離裝置應具有的合理外形進行了改進計算和軟件模擬，但缺少針對此粉碎機的精確優化設計及試驗研究。

本文針對錘片式粉碎機中分離裝置結構進行了優化設計及改造，采用理論分析與試驗研究相結合方法，采用二次回歸正交旋轉中心組合試驗[14]，研究篩網傾角、主軸轉速和喂入量對粉碎機粉碎性能的影響規律，得到篩分工藝參數的最佳組合，為高生產率、低能耗錘片式粉碎機分離裝置的研制及后續優化改進提供參考。

1 錘片式粉碎機整體結構及工作原理

1.1 錘片式粉碎機整體結構

錘片式粉碎機如圖1所示，主要由分離裝置、進料斗、電機、粉碎室、回料管和篩網等部分組成。

1.2 錘片式粉碎機分離裝置工作原理

該粉碎機的特點是在粉碎室內以環形齒板代替篩片，將篩片安裝在分離裝置出口處，在篩片前設置回料管與粉碎室連通。粉碎機工作時，受錘片高速擊打及環流層雙重作用的物料顆粒沿粉碎室豎直切線方向進入分離裝置，在分離裝置內壁碰撞和裝置內氣流共同作用下運動至篩網處，符合篩網孔徑粒度要求的物料顆粒過篩，大于篩網孔徑及部分應過未過的顆粒被篩網彈回，通過回料管返回粉碎室內繼續進行粉碎，直至顆粒滿足生產粒度要求，全部過篩。

圖1 錘片式粉碎機整體結構

2 試驗設計與方法

2.1 試驗用材料與設備

選取內蒙古中部地區的玉米并常溫保存。新型錘片式粉碎機如圖1所示，其主要技術參數如表1所示；Y132S1-2型三相異步電動機；V1000型變頻器；金屬絲編織篩，4目方孔；ACS-計價型電子秤；SF-011型棉糧含水測量儀；ON START 300型電子秒表。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗方案

工作小時生產率和噸料電耗是錘片式粉碎機的重要工作性能評價指標[15]，它直接影響粉碎機的生產質量、效率和能耗。參考相關研究以及課題前期試驗研究結果[16-18]，選擇粉碎機工作小時生產率和噸料電耗為指標進行試驗，以篩網傾角、主軸轉速、喂入量為影響因素。首先通過含水率測量儀將玉米含水率調整到14%。其次分別稱取5、5.5、6、6.5、7 kg喂入量的玉米。再根據飼料生產及試驗要求，將篩網傾角調整為50°～70°。采用正交試驗方法，并求出試驗指標的回歸方程，進行影響因素尋優計算，找出本錘片式粉碎機在不同篩網孔徑下的最佳工藝參數，提高整體生產質量[19]。X1～X3表示各自變量的編碼值，Y1、Y2表示評價指標的試驗值。試驗各因素與水平編碼表如表2所示，試驗方案及結果如表3所示。

表1 新型錘片式粉碎機主要技術參數

表2 各因素水平編碼

表3 試驗方案及結果

2.2.2 工作小時生產率的測定

在粉碎機達到正常工作狀態開始測試，計時開始與停止應與取樣同步，測定該區段內過篩的飼料質量與相應的時間。工作小時生產率計算公式為：

式中：Ec——工作小時生產率(kg/h)；

式中：G——噸料電耗(kW·h/t)；

Gn——工作時間內耗電量(kW·h)。

2.2.4 試驗數據處理

應用SPSS軟件對試驗數據進行回歸分析，并對兩因素間交互效應進行分析。

3 結果與分析

3.1 回歸模型的建立與檢驗

3.1.1 工作小時生產率回歸方程

工作小時生產率回歸方程方差分析結果如表4所示，模型P＜0.01，模型方程極顯著，并且該模型R2調整值為0.998，大于0.800[20]，說明回歸方程與本試驗值整體上符合度較高，擬合水平良好，因變量與自變量間有極顯著的相關關系，說明回歸模型可用于粉碎機工作小時生產率的預測。對偏回歸系數進行顯著性檢驗分析，因方程中X1X2系數的P＞0.01，不顯著，故可忽略[21]。剔除不顯著項后工作小時生產率與各因素編碼值的回歸方程如式所示。

Qc——工作時間內的作業量(kg)；

tc——工作時間(h)。

2.2.3 噸料電耗的測定

在測定工作小時生產率的同時，測定粉碎機工作時間內的耗電量。噸料電耗計算公式為：

表4 工作小時生產率回歸方程方差分析

3.1.2 噸料電耗回歸方程

噸料電耗回歸方程方差分析結果如表5所示，模型P＜0.01，模型方程極顯著，并且該模型R2調整值為0.999，大于0.800，說明回歸方程與本試驗值整體上符合度較高，擬合水平良好，因變量與自變量間有極顯著的相關關系，說明回歸模型可用于粉碎機噸料電耗的預測。對偏回歸系數進行顯著性檢驗分析，因方程中X2X3系數的P＞0.01，不顯著，故可忽略。剔除不顯著項后噸料電耗與各因素編碼值的回歸方程如式所示。

表5 噸料電耗回歸方程方差分析

3.2 單因素對各項評價指標影響主次分析

根據擬合所得多元回歸模型方差分析結果F值可得[22]，各因素對粉碎機工作小時生產率影響程度大小依次為主軸轉速＞篩網傾角＞喂入量；各因素對粉碎機噸料電耗影響程度大小依次為主軸轉速＞喂入量＞篩網傾角。

采用降維法分析[27]，得出單一因素分別與工作小時生產率和噸料電耗的關系，即將其他因素均控制在0水平，得另一因素分別與兩評價指標的一次回歸模型，并做出相應曲線，結果如圖2和圖3所示。

圖2 各因素與工作小時生產率關系

圖3 各因素與噸料電耗關系

3.2.1 各因素對工作小時生產率的影響分析

由圖2可以看出，篩網傾角、主軸轉速和喂入量與工作小時生產率呈拋物線關系。隨著主軸轉速和喂入量的增大，工作小時生產率呈先上升后下降的趨勢，當轉速和喂入量達到一定程度時對生產率影響較小，適當的參數有利于提高工作小時生產率。隨著篩網傾角的增加，工作小時生產率呈現先增加后減小的趨勢且變化較為明顯，在0點水平之間達到最大，故選用篩網60°左右傾角為宜。

3.2.2 各因素對噸料電耗的影響分析

由圖3可知，篩網傾角對噸料電耗影響比較明顯，隨著篩網傾角的增加，噸料電耗呈現先降低后增加的趨勢，噸料電耗較低時的篩網傾角為60°～65°。隨著主軸轉速的增大，噸料電耗呈現先降低后增加的趨勢，但變化較為平緩，表明主軸轉速的變化對噸料電耗影響較小，噸料電耗較低時的主軸轉速為2 200～2 800 r/min。隨著喂入量的增大，噸料電耗呈現先降低后增加的趨勢，在喂入量為6～6.5 kg時噸料電耗較低，說明適中的喂入量有利于節約能源。

3.3 工藝參數優化及驗證試驗

3.3.1 工藝參數優化

應用MATLAB對工藝參數進行優化，并結合試驗結果分析，綜合考慮實際生產中粒度不同要求、產量、耗電量及成本等要素，對結果進一步優化，得到不同篩網孔徑下工作小時生產率和噸料電耗的優化結果為：篩網傾角61.78°、主軸轉速2 477.5 r/min、喂入量6.42 kg，所獲得的工作小時生產率最大值為649.89 kg/h，噸料電耗最小值為6.49 kW·h/t。

3.3.2 驗證試驗

為了驗證粉碎機的工作小時生產率和噸料電耗回歸方程及工藝參數優化結果的可靠性，均采用在較優結果下對應工藝參數值進行3組重復試驗，分別通過回歸方程對工作小時生產率和噸料電耗進行預測。對3組試驗結果進行統計，驗證試驗結果如表6所示。

表6 驗證試驗結果

粉碎機的工作小時生產率和噸料電耗實測值與預測值之間的相對誤差均小于4%，說明其回歸方程預測值與實測值很接近，得到較好的工作小時生產率與噸料電耗綜合經濟效益。驗證結果表明，利用優化工藝參數，可使用最小摩擦功耗曲線分離裝置的錘片式粉碎機，工作小時生產率和噸料電耗滿足實際生產中高產量與低耗電量的要求；且較采用原始分離裝置的粉碎機，工作小時生產率提高1.48%，噸料電耗降低3.38%（見表7）。

表7 原始分離裝置試驗結果

4 結論

①本文針對新型錘片式粉碎機生產效率低、耗電量高等不足，對采用最小摩擦功耗曲線分離裝置的新型粉碎機進行參數優化試驗，得到粉碎機工藝參數的優化組合方案為：篩網傾角61.78°、主軸轉速2 477.5 r/min、喂入量6.42 kg。在該組合條件下，工作小時生產率為649.89 kg/h，噸料電耗為6.49 kW·h/t，滿足實際生產需求。

②在含水率為14%左右、篩網孔徑4目條件下，各因素對工作小時生產率的影響程度大小為：主軸轉速＞篩網傾角＞喂入量；對噸料電耗的影響程度大小為：主軸轉速＞喂入量＞篩網傾角。

③在試驗條件下，采用最小摩擦功耗曲線分離裝置的新型粉碎機運行平穩，性能良好，具有更高的工作小時生產率和更低的噸料電耗，分別比原始粉碎機提高1.48%，降低3.38%。