粉碎机是工农牧业生产中应用较多的通用设备，可以粉碎各种类型的固体物料，应用范围很广。尤其是锤片式粉碎机，由于其通用性好，使用维修方便，应用非常普遍。目前，生产中使用的锤片式粉碎机虽然技术上已比较成熟，但是由于本身的结构特点和被加工物料的物理特征，不同程度地存在耗能较大、粉碎物料粒度不均和度电产量不高等问题，为能最有效地发挥粉碎机的综合效益、降低生产成本产生影响，本文提出采用梯形筛片构成异型粉碎室的方法，以解决粉碎过程中出现的上述问题，从而提高了粉碎机的综合性能。
1、锤片式粉碎机粉碎过程分析
粉碎是指在外力的作用下克服固体物料分子间的内聚力，使固体物料产生破裂的过程，也就是外观尺寸由大变小、物料颗粒的比表面积（单位质量的表面积）由小变大的过程。粉碎可以提高物料的物理作用及化学反应的速度，在把固体物料变成最终产品的许多加工过程中，粉碎是一个非常重要的工艺过程。
锤片式粉碎机工作时，物料在一定的供料装置作用下进入粉碎室，受到高速旋转锤片的打击而破裂，并以较高的速度飞向齿板和筛片，与齿板和筛片撞击进一步破碎，通过如此反复打击和撞击，物料被粉碎成小碎颗粒，这些物料颗粒在离心力的作用下产生物料一气流环流层，进一步受到上述作用。与此同时，物料受到锤片端部及齿板和筛面的摩擦和搓擦作用而进一步粉碎。在这一过程中，较细颗粒由筛片的筛孔漏出，留在筛面上的较大颗粒再次受到综合作用，直到从筛孔漏出，最后从出料口排出。
据研究，在整个粉碎工作过程中，锤片式粉碎机粉碎室内存在物料一气流环流层现象。这一现象的产生是由于粉碎室的环形结构和物料受高速锤片的冲击作用，使得物料在离心力作用下贴着筛面形成圆周运动，从而产生物料一气流环流层。1986年，中国农机院南效景借助高速摄影技术对锤片式粉碎机粉碎室内的物料粉碎过程进行了试验分析。从高速摄影机拍下的影片中可以看出，在正常工作负荷下粉碎时，物料在粉碎室内明显地形成物料一气流环流层，如图1所示。
粉碎室内的物料一气流环流层做与锤片旋转方向相同的圆周运动，速度约为锤片速度的70%左右，从而降低了锤片冲击物料的相对速度，使粉碎物料的能力下降。此外，物料一气流环流层使得大颗粒紧贴筛面运动，小颗粒则处于大颗粒的上方，阻碍了小颗粒出筛，减少了大颗粒受打击的机会，造成物料的过度粉碎，能耗随之增加，也影响了粉碎效率。
从粉碎过程的分析可以明显看出，粉碎室内的物料一气流环流层随锤片以较高的环流速度运动，不利于物料排出筛孔。由于只有物料颗粒相对于筛面运动的速度较低时才适合于排料，那么较高的环流速度使粉碎后的物料不能及时排出，就会造成过度粉碎，从而导致生产率下降、度电产量低和粒度不均匀等一系列问题。从理论上讲，解决这些问题的关键是通过改进锤片式粉碎机的粉碎室结构来破坏物料一气流环流层，改变物料的运动方向，降低环流速度，增加物料的打击机会，并使小颗粒及时排出筛孔。为此，国内外的许多粉碎机生产厂家和科研单位对破坏粉碎室内的物料一气流环流层做了大量试验研究工作，研制出一些异型的粉碎室（如水滴形粉碎室和椭圆形粉碎室），在不同程度上解决了物料一气流环流层对粉碎性能的影响。
2、锤片式粉碎机异型粉碎室粉碎机理
在锤片式粉碎机工作中，应该避免不必要的重复过度粉碎，使合格的颗粒及时排出，同时增加大颗粒受打击的机会，提高锤片式粉碎机的工作性能。因此，首先是提高物料的筛落能力，结构上要尽可能破坏物料一气流环流层，使细粒能够及时地排出，避免重复而无效地过度粉碎；其次是提高对物料冲击破碎的能力。
根据锤片式粉碎机粉碎过程分析以及改变粉碎室形状可以提高粉碎性能的研究，本文提出一种新的方法，即采用截面为梯形的筛片来构成异型粉碎室，如图2所示。应用异型粉碎室目的是破坏物料一气流环流层，使粉碎后的小颗粒及时出筛和增加大颗粒受打击的机会，从而提高粉碎性能，使粉碎后的物料粒度尽可能均匀。
2.1梯形筛片异型粉碎室内物料流场分析
应用梯形筛片异型粉碎室，可以使锤片末端和梯形筛片之间形成局部回流。由于安装锤片的转子旋转，使得在每一个梯形区域的空气流形成涡流流场，这种涡流运动是一种复杂的运动，如图3所示。
工作中，转子上的锤片和筛片凸起部分形成一个狭窄的间隙，使得物料一气流环流层通过该处时形成缩径气流喷射。在梯形筛片结构形状的引导下，气流喷人粉碎室的锤片与筛片间隙之间，形成主旋流。同时，由于转子的高速旋转，强大的离心力产生径向气流形成小旋流，并在径向气流边出现负压区。喷射气流和径向气流的激烈运动形成的涡流颤振区产生高度湍流运动。
据工程流体力学分析得出这样的结论：当流道逐渐减小时，流体的速度随通道横截面积减小而增加；反之，当流道横截面积逐渐增大时，则流速反而下降。梯形筛片异型粉碎室正是通过改变气固流体的通道横截面积来实现其流速的变化，进而破坏物料一气流环流层，使物料产生翻转。
依粉碎过程分析，物料进入梯形筛片异型粉碎室后，首先受到旋转锤片的冲击力作用，当颗粒所受的冲击力达到其破坏极限时，物料被初次粉碎，并获得动能，加上涡流流场中高速气流的携带作用，随之做旋转运动，离心切向飞出，受到筛片反击而被粉碎，并改变原有的运动方向，与旋转的锤片或做环向运动的物料碰撞。由于粉碎室涡流场中气流的速度沿径向和环向是变化的，物料颗粒大小不同，受到的离心力也不同，并且运动过程中受锤片的冲击和筛片的反击，使物料的粒径不断发生变化，粒径变化又马上导致速度的变化，各颗粒以不同的速度、按不同的方向相互交错运动而形成紊流。这些不规则的漫射碰撞以及由梯形筛片决定的局部涡流使物料产生高速颤振，有效地增大了大颗粒的碰撞机会和小颗粒的出筛机会。同时，由于锤片和筛片凸起部分所形成的狭窄间隙，使物料的通道在此处突然局部收缩，使物料颗粒之间以及与筛片之间发生剧烈的相互摩擦、剪切和挤压，小颗粒容易排出，大颗粒继续粉碎，粉碎效率显著提高。
2.2梯形筛片异型粉碎室内的物料受力分析
通过异型粉碎室内物料颗粒的运动情况分析可知，物料颗粒受到的作用力有锤片的冲击力、筛片的反作用力、颗粒间的碰撞冲击力、剪切力、摩擦力和涡流场中的气流作用力等。各力的联合作用使颗粒在粉碎室内产生综合粉碎效应，如图4所示。
在梯形筛片组成的异型粉碎室内，颗粒主要有3种粉碎方式，即冲击粉碎、剪切粉碎和摩擦粉碎。转子上销链的锤片前端和由筛片凸起部分所形成的狭窄间隙，使旋转物料流的通道在此处突然出现局部收缩，流动阻力增大，而物料一气流环流层携带物料汇集而来。这样使物料颗粒之间发生急剧的相互摩擦和挤压，同时在狭窄间隙处物料颗粒受到强烈的剪切作用，当所受的剪切力达到物料的剪切强度极限时，物料即被粉碎。粉碎后的合格小颗粒可以很容易地出筛。
此外，锤筛间隙（工作时锤片末端与筛片内表面之间的距离）是个变量，将会在不同部位产生对物料的阻碍，起到齿板作用，从而降低物料层的速度，提高相对速度，使锤片冲击破碎的能力增强；伴随出现物料一气流环流层的翻转，大颗粒受冲击的机会增多，小颗粒出筛的能力增强。由此达到提高粉碎效率、改善物料粒度不均以及减少能耗工效的目的。
3、试验结果
为了证实应用梯形筛片构成异型粉碎室能够提高粉碎机工作性能，采用环形平筛和梯形筛构成的粉碎室进行粉碎过程的试验研究。试验中以配套电机功率1.5kW的仿丹麦4KB型锤片式饲料粉碎机为试验样机，选择饲料加工厂使用的含水率为12. 32%的谷物物料一玉米进行粉碎加工试验，并对获得的性能指标相关数据进行回归分析，证明异型粉碎室对粉碎性能的改善在理论分析与试验结果上是相符的。由此可以得出如下结论：
1)理论上，应用气固两相流理论分析了物料在梯形筛片构成的异型粉碎室内的运动特性，指出使用异型粉碎室可以改善粉碎性能。理论上的分析有助于进一步探明异型粉碎室的粉碎机理。
2)应用梯形筛片构成的异型粉碎室比使用平筛片构成的粉碎室在生产率和度电产量方面取得了有效的提高，分别提高9.9%和17.3%，过度粉碎现象也得到了改善。
3)试验结果进一步验证丁异型粉碎室形状对物料一空气环流层破坏的有效性，可以提高物料颗粒受到的冲击力，增加大颗粒受冲击的机会和细小颗粒通过筛孔的机会，使物料粉碎粒度的均匀程度有所提高。本文为锤片式粉碎机的异型粉碎室改进设计提供了参考依据。
