1、项目研究的背景
许多学者的研究结论和实际运用效果都确认粉碎是效率极低的操作，其有效能量的利用率大约仅占0.6%～0.3%。特别是作为粉体深加工技术的微粉碎或超细粉碎，由于颗粒的超细化新增表面积所增加的表面能急剧增加，引起能耗呈数倍甚至数十倍的增长。因此，粉碎过程是巨大的耗能作业。如果仅追求粉碎产量而盲目加大粉碎机功率，结果只能事与愿违一产量增加有限功率却大量浪费。当代高新技术对材料深加工粉碎提出越来越高的要求，如颗粒微细化、粒度均匀化、形状特定化、品质高纯化和表面处理功能化等，对微细粉碎技术和设备的要求也不断提高。因此，开发性能优越的高效低耗的微粉碎机产品是超细粉体工业始终不渝的追求目标。
目前，微粉碎设备用得较多的还是机械冲击式粉碎机，但机械冲击式微粉碎机存在效率低、能耗高的共性缺陷。自从上世纪九十年代引进并研发了立轴式内置分级的微粉碎机以来，在高档水产饲料行业，这种微粉碎机得到大量的推广应用。近年来，由于饲料行业向规�；�、现代化转型，微粉碎机有逐渐大型化的趋势。由于饲料原料价格和国际能源价格的大幅上涨，使饲料生产企业面临严重的生存压力，因此，大功率粉碎机的节能降耗研究对降低生产成本、提高企业经济效益等具有重要现实意义。课题组针对大功率立轴式内置分级微粉碎机开展了节能及应用研究。
2、大功率微粉碎机的节能效果
多年从事微粉碎机的研究实践证明，从设计和工艺的角度分析，粉碎机的节能是大有潜力的。福建省农业机械化研究所承担福建省科技厅“大功率微粉碎机节能降耗技术研究与应用”项目，开发研制了新一代大功率(90kW以上)节能型CWFL系列微粉碎机，并取得了实效。
3、节能型微粉机的结构创新设计
3.1粉碎与分离机构
粉碎与分离是粉碎机的两大重要功能，也是影响粉碎效率和能耗的关键因素。大多数粉碎机由于分离效果差，使细粉不能及时排出而存在着过度粉碎的问题，造成功率不必要的消耗。立轴式内置分级微碎机比一般卧式粉碎的结构优势就在于可将粉碎物料进行分级，让细粉及时排出，以减少过度粉碎。因此，进一步提高立轴式内置分级微碎机的细粉排出率，是节能降耗的关键。
从立式微粉机的结构可看出，粉料在粉碎室经粉碎后，在气流作用下沿着圆形机壁上升，经导流体的外环进入锥形分级室，通过分级叶轮后再排出机外。粉碎理论认为，在粉碎室内存在着一个物料环流层，阻碍着细粉的排出。此时物料在气流的带动下呈两相流体的层流运动状态，颗粒间的位置处于相对稳定的平衡，细粉颗粒特别是里层的细颗粒难以穿过这个料流层分离出去。因此，破坏环流层，才有可能提高细粉排出率。
课题组在分级导流体的结构型式和空间尺寸上做了一些探索。首先是改变了立轴式内置分级微粉碎机的锥形导流环结构和尺寸，调节内外导流环的径向尺寸，改变分级腔与粉碎导流腔的空间大小，为调整粉碎机的环流层大小，改善粉体的分级、分离提供了条件。其次，在导流体的圆锥导流环与圆形外环之间增加了阻流装置，沿粉碎导流腔内圆周方向设置四道阻流板，破坏粉碎腔内的物料环流层，形成四个紊流区，造成颗粒在紊流状态下的离散效果，便于气流带走粉体穿过分级轮，提高粉碎机粉体的分离率，从而提高粉碎机的生产效率，达到降低能耗的目的。图l为粉碎腔结构示意图，图中箭头所示方向为粉碎后符合细度要求的物料流流动方向。
3.2转盘直径
在一定的锤刀末端线速度下，粉碎机转盘直径大小决定粉碎机转速，转盘直径的确定应使粉碎机转速与临界转速保持一定距离并在临界转速下工作，以免引起机器共振，对设备性能及粉碎效率产生不良影响。设计时考虑到尺寸的系列分配，取粉碎转盘直径1300mm。
3.3粉碎锤刀的线速度
粉碎锤刀线速度是冲击式粉碎机最重要的运动参数之一，它直接影响了粉碎机的生产率、能耗以及粉碎工况和机器寿命等。理论上粉碎锤刀速度越大，粉碎时获得的产品粒度越细，但从粉碎机能量利用来讲，对某一种特定的物料粉碎，都有一个特定的冲击粉碎速度，在一定范围内提高线速度可以提高粉碎机生产率、降低电耗、使粒度变细；但线速度过高，将使粉碎机的空载功率加大，振动和噪声增加，粉碎效率反而下降。对旋转式冲击粉碎机，由于实际机械结构比较复杂，没有具体的设计计算公式。经验上，一般锤片粉碎机在粉碎脆性饲料时线速度取65～80m/s，在粉碎多纤维的物料时取80～105 m/s左右。根据多年来CWFL系列微粉碎机在鳗鱼预混合料粉碎的试验和应用，确定微粉碎机的线速度为100 - 110 m/s，大功率机型取105m/s。
3.4锤刀形式和数量
锤刀应均匀地分布在转盘上，锤刀数量对性能的影响不可忽视。锤刀数量多，密度大，单位时间内锤刀打击喂入物料的次数增加，但空载功率高，对分级后回到粉碎室内的粗料，很难通过粉碎转盘上的锤刀甩向机壁衬板；锤刀数量少，在单位时间内锤刀打击物料的次数减少，粉碎能力下降。原CWFL系列微粉碎机为厚矩形方块锤刀，在锤刀的迎料面上焊以高强度耐磨的碳化钨合金刚片，数量为24片，且锤刀工作面与转盘径向显一定夹角。在研制大功率机型时课题组重点在锤刀的数量、外形尺寸、重量、与转盘的相对位置的布置关系作出了一系列的实验。
由表2可见，提高锤刀数量和重量对粉碎结果并没有明显的提高，锤刀长度越长反而对粉碎效果产生反作用。在不影响生产成品的品质条件下，降低用户生成使用过程中微粉碎机锤刀的维护成本，最后确定锤刀数量为24片。在大功率机型的微粉碎机上对厚矩形方块锤刀非工作面切除一定角度的倒角，减小锤刀的重量，试验证明对粉碎性能并无影响。
3.5锤刀与齿板间隙
冲击式粉碎机锤刀与齿板间隙一般为10～16 mm，对于微粉碎机要求粉料细度较高，应选择较小的粉碎间隙。100型粉碎机间隙为12mm，130型粉碎机设计确定锤刀与齿板间隙为8mm。
3.6粉碎机智能负荷控制系统的应用
充分发挥电机的功率和效能，保持最佳工况是提高粉碎效率和能量利用率的关键。粉碎机智能负荷控制系统是根据驱动电机的实际负荷与额定负荷的差异情况，运用PID控制算法，自动调节物料喂入量，实现粉碎主电机负荷的自动调节。自动调节粉碎机喂料搅拢的送料量，使粉碎主电机负荷与额定负荷一致，实现粉碎机经济、高效、安全地运行。
4、性能试验和结果分析
样机试制后进行了产业化应用和验证，CWFL-130机型在福建正源饲料有限公司安装生产，经过将近一年的主要性能指标的跟踪测试，这种大功率、节能型的微粉碎机的产量、粉碎细度及粉料温升和耗能指标都有良好的改善。
130型微粉碎机的节能措施在CWFL系列机型中已经获得比较满意的效果。与国内许多知名品牌的饲料机械厂的同类微粉碎机产品相比，其性能也具有优势。
由表3、表4可见，CWFL-130型微粉碎机的性能指标相较国内主要的品牌产品，在生产率和能耗指标方面，已达到相当或领先的水平，这也可从用户的反馈中得到验证。在相同的生产线功率配套下，生产率越高，吨料电耗越低。大功率微粉机配套的生产线比起中小功率来，其经济性由于节能的效果而更为优越。正如表1所示，虽然CWFL型系列粉碎机的功率增大，由于生产率的提高，反而吨料电耗在降低。
5、结论
(1)立式微粉机粉碎腔和导流体的结构创新，使分离效率大大提高，提高粉碎效率，降低了能耗；
(2)合理的粉碎机参数，如锤刀速度、数量、型式，粉碎间隙等决定粉碎性能的好坏；
(3)智能负荷控制系统的运用，能有效提高生产效率，降低了单位能耗和人工成本；
(4) 130型微粉碎机的节能降耗效果良好。大功率微粉机配套的生产线比起中小功率来，其经济性由于节能的效果而更为优越。
