山東濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院工學(xué)院　　杜文圣　王睿晗

蚯蚓分選用篩網(wǎng)自清理裝置研究

山東濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院工學(xué)院杜文圣王睿晗

本文分析了蚯蚓分選用直線振動(dòng)篩篩網(wǎng)產(chǎn)生堵孔、粘孔的主要原因，并據(jù)此提出了解決蚯蚓分選過(guò)程當(dāng)中堵孔、粘孔問(wèn)題的方法；設(shè)計(jì)了一種凸輪式篩網(wǎng)自清理裝置，能夠在直線振動(dòng)篩工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)篩網(wǎng)的自清理，從而解決堵孔、粘孔問(wèn)題，并對(duì)該裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了其實(shí)現(xiàn)的可行性。

蚯蚓分選；篩網(wǎng)堵孔；粘孔；篩網(wǎng)自清理裝置；ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

1　篩網(wǎng)堵孔、粘孔問(wèn)題研究

蚯蚓飼養(yǎng)基混合物主要成分為較為潮濕的蚯蚓糞，將飼養(yǎng)基混合物中絕大部分的蚯蚓糞分選出后，其他產(chǎn)物就較為容易分選［1］。然而蚯蚓飼養(yǎng)基混合物含水量較高、體量大、粒度小，利用直線振動(dòng)篩進(jìn)行蚯蚓分選時(shí)，容易產(chǎn)生堵孔、粘孔現(xiàn)象，蚯蚓飼養(yǎng)基混合物很難松散、分層，使直線振動(dòng)篩篩分的有效面積減小，篩分效率將明顯降低，最終可能導(dǎo)致篩機(jī)無(wú)法正常工作。

1.1篩網(wǎng)堵孔的原因分析

在直線振動(dòng)篩運(yùn)行過(guò)程中，由于一部分蚯蚓飼養(yǎng)基中的顆粒略大于或者接近篩網(wǎng)網(wǎng)孔直徑，在這部分顆粒跳動(dòng)透篩過(guò)程中，顆粒與篩網(wǎng)網(wǎng)孔之間產(chǎn)生一定的夾緊力使顆粒無(wú)法透過(guò)篩網(wǎng)網(wǎng)孔，從而產(chǎn)生堵孔現(xiàn)象；其次，由于編織篩網(wǎng)的篩絲過(guò)粗，在透篩過(guò)程中顆粒容易卡住篩孔；還有因?yàn)轭w粒的不規(guī)則性，使其與篩網(wǎng)網(wǎng)孔有多個(gè)接觸點(diǎn)，極易堵孔；篩網(wǎng)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)不合理，特別是橡膠篩網(wǎng)［2］，由于橡膠篩網(wǎng)較厚，沿其厚度方向上篩網(wǎng)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)下小上大，容易使顆?？ㄗ。涣硗?，篩網(wǎng)堵孔還與物料與篩網(wǎng)之間的摩擦力以及靜電有關(guān)。普通振動(dòng)篩篩網(wǎng)由于不具有自清理能力而導(dǎo)致篩網(wǎng)堵孔問(wèn)題無(wú)法解決，從而導(dǎo)致振動(dòng)篩無(wú)法正常運(yùn)行［3］。

1.2篩網(wǎng)粘孔的原因分析

在潮濕的蚯蚓飼養(yǎng)基混合物中，主要起到為蚯蚓糞顆粒之間液體橋引起的毛細(xì)管力的作用。蚯蚓糞越潮濕，顆粒越容易黏結(jié)成團(tuán)。當(dāng)進(jìn)行篩分時(shí)，由于物料的流速較大，顆粒因?yàn)槊?xì)管力黏結(jié)在一起，一部分顆粒雖然分散，但仍有黏附在一起的趨勢(shì)［4］。因此，蚯蚓糞顆粒黏附在一起形成團(tuán)狀易與篩網(wǎng)發(fā)生非彈性碰撞，將荷點(diǎn)的空氣壓縮排出，從而黏連在篩網(wǎng)上。形成低密度的真空間隙，外部的氣壓高于內(nèi)部的氣壓，蚯蚓糞穩(wěn)定地黏附在篩網(wǎng)上。另外，篩網(wǎng)上的篩絲交叉點(diǎn)很容易使蚯蚓糞顆粒滯留，篩面上的加固螺釘、支撐橫梁、支撐橫梁與篩網(wǎng)交界處等都容易使蚯蚓糞顆粒滯留，成為進(jìn)一步聚集的凝聚核，最終在篩孔上形成一個(gè)覆蓋膜，堵塞網(wǎng)孔。

2　篩網(wǎng)堵孔、粘孔問(wèn)題的解決方案

目前，解決篩網(wǎng)堵孔、粘孔問(wèn)題主要從以下三個(gè)方面入手［7］。

（1）通過(guò)改變物料的運(yùn)動(dòng)方式而采用專用的振動(dòng)篩。這些振動(dòng)篩往往具有較大的傾角及振動(dòng)強(qiáng)度，能夠使黏附在一起形成的團(tuán)塊破碎，并將堵塞在篩孔中的顆粒拋出，從而有效地解決振動(dòng)篩堵孔、粘孔的問(wèn)題。

（2）通過(guò)改變篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和材料對(duì)篩網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明潮濕顆粒在表面光滑的疏水性材料聚氨酯篩網(wǎng)上的黏附量要比在金屬篩網(wǎng)上的黏附量少很多。另外，通過(guò)改變篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，能夠有效地防止振動(dòng)篩堵孔。

（3）在篩網(wǎng)下方加入篩網(wǎng)自清理裝置。振動(dòng)篩與篩網(wǎng)自清理裝置同時(shí)工作，在外力的作用下，使篩網(wǎng)產(chǎn)生短暫的彈性變形，從而解決了篩網(wǎng)堵孔、粘孔問(wèn)題。

蚯蚓飼養(yǎng)基混合物含有一部分蚯蚓，對(duì)蚯蚓飼養(yǎng)基混合物進(jìn)行篩分的過(guò)程中，不宜采用較大的拋擲強(qiáng)度，以避免對(duì)蚯蚓造成損傷。參考以上三種解決潮濕顆粒堵孔、粘孔的方案，對(duì)篩網(wǎng)進(jìn)行選取并設(shè)計(jì)了一種篩網(wǎng)自清理裝置。

2.1篩網(wǎng)的選取

篩網(wǎng)是振動(dòng)篩的關(guān)鍵部件，通過(guò)合理地選取篩網(wǎng)可以節(jié)約成本，并能在一定程度上解決堵孔、粘孔現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)篩網(wǎng)材料可以將其分為三種：蠶絲篩網(wǎng)、金屬篩網(wǎng)、合成纖維篩網(wǎng)。根據(jù)篩網(wǎng)的加工工藝可以將其分為三類：編織篩網(wǎng)、沖孔板篩網(wǎng)、電成型篩網(wǎng)。根據(jù)蚯蚓分選的要求，防止篩網(wǎng)堵孔、粘孔，并考慮耐磨性、制造成本等因素選擇沖孔板篩網(wǎng)，選用合成纖維材料。

2.2篩網(wǎng)自清理裝置研究

蚯蚓飼養(yǎng)基混合物的主要成分為蚯蚓糞，將蚯蚓糞分選出，其他產(chǎn)物分選過(guò)程將較為容易。直線振動(dòng)篩篩網(wǎng)發(fā)生堵孔、粘孔時(shí)，由于不具有自清理能力導(dǎo)致篩機(jī)處理能力下降，嚴(yán)重時(shí)篩機(jī)將無(wú)法正常工作。此時(shí)需要將直線振動(dòng)篩停機(jī)，將篩網(wǎng)拆卸下來(lái)，待清理完篩網(wǎng)堵孔后才能繼續(xù)工作［4］。這一過(guò)程嚴(yán)重影響了振動(dòng)篩工作的連續(xù)性，使振動(dòng)篩的篩分效率明顯下降。

為了解決篩網(wǎng)粘孔、堵孔問(wèn)題，擬采用在篩網(wǎng)下方加入兩個(gè)拍打桿，對(duì)篩網(wǎng)進(jìn)行往復(fù)拍打，篩網(wǎng)隨之產(chǎn)生短暫的彈性變形。由于篩網(wǎng)產(chǎn)生二次振動(dòng)，能夠?qū)⒍氯念w粒拋出篩網(wǎng)，從而解決了篩網(wǎng)堵孔、粘孔的問(wèn)題。由于物料在篩網(wǎng)中部滯留的時(shí)間較長(zhǎng)，容易產(chǎn)生堵孔、粘孔，所以，需要將兩個(gè)拍打桿安裝在篩網(wǎng)中部。拍打桿的往復(fù)作用使篩網(wǎng)產(chǎn)生二次振動(dòng)，從而使堵塞和粘附在篩網(wǎng)上的顆粒脫離篩網(wǎng)。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并且裝置運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢，對(duì)蚯蚓的損傷較小，是一種較為理想的篩網(wǎng)自清理裝置。

圖1　篩網(wǎng)自清理裝置原理簡(jiǎn)圖

為了達(dá)到設(shè)計(jì)目的，擬采用以下方案：如圖2所示，減速電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與凸輪1連接，凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使與凸輪配合的桿2連續(xù)擺動(dòng)，兩個(gè)拍打桿分別安裝在桿2和桿4上，經(jīng)過(guò)反平行四桿機(jī)構(gòu)2-3-4使兩個(gè)拍打桿同步反向擺動(dòng)，從而達(dá)到拍打篩網(wǎng)的目的。

圖2　凸輪連桿式篩網(wǎng)自清理裝置簡(jiǎn)圖

3　凸輪連桿式篩網(wǎng)自清理裝置的實(shí)現(xiàn)

對(duì)凸輪連桿式篩網(wǎng)自清理裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用和發(fā)展，利用解析法進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)得到的結(jié)果越來(lái)越精確［5］。

圖3　凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3為凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖，在本文中擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪的理論輪廓線方程為：

（1）推程階段

其中δ為凸輪擺動(dòng)的角度，δ=ωt，

（3）回程階段

其中，π≤δ≤5π。3

（4）近休止階段

將凸輪的主要參數(shù)代入算式中，可以得到凸輪的輪廓曲線方程。通過(guò)UGNX6. 0中的工具/表達(dá)式選項(xiàng)將凸輪的曲線方程轉(zhuǎn)化為適用于UG NX6.0的相應(yīng)的表達(dá)式，最終得到所要設(shè)計(jì)的凸輪實(shí)體。

4　篩網(wǎng)自清理裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

由于與凸輪機(jī)構(gòu)串聯(lián)的反平行四桿機(jī)構(gòu)相對(duì)的桿長(zhǎng)相等，所以設(shè)計(jì)較為容易，只要保證機(jī)架長(zhǎng)度能夠滿足兩個(gè)拍打桿之間的安裝距離。按照各個(gè)構(gòu)件的尺寸建立三維模型并裝配，最終裝配圖如圖4所示。

圖4 篩網(wǎng)自清理裝置的三維模型

將完成裝配的篩網(wǎng)拍打裝置的三維模型導(dǎo)入ADAMS/View中，然后進(jìn)行仿真分析，分別建立兩個(gè)拍打桿與水平線之間的夾角并測(cè)量其角度變化、角速度、角加速度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 拍打桿1的

角位移、角速度、角加速度運(yùn)動(dòng)曲線圖

圖6　拍打桿2的

角位移、角速度、角加速度曲線圖

將以上兩圖與理論運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線對(duì)比可知，仿真結(jié)果基本上符合理論值。由于凸輪與從動(dòng)件存在沖擊，因此實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪音，尤其在角加速度變化曲線中表現(xiàn)較為明顯。對(duì)比圖5和圖6可以看出，拍打桿1和拍打桿2角位移、角速度、角加速度曲線呈正余弦曲線變化規(guī)律，變化范圍相同，角位移變化約為20°。兩個(gè)桿的角速度、角加速度兩拍打桿的角速度呈現(xiàn)出正弦曲線規(guī)律，但是波峰波谷呈反向分布。由此可以判定該裝置的拍打桿1、2能夠同步反向運(yùn)行，從而能夠滿足篩網(wǎng)自清理裝置的設(shè)計(jì)要求。

5　小結(jié)

通過(guò)分析蚯蚓糞堵孔、粘孔的主要原因，針對(duì)蚯蚓糞透篩過(guò)程容易產(chǎn)生堵孔、粘孔的問(wèn)題，分別從選取篩網(wǎng)和增加篩網(wǎng)自清理裝置來(lái)解決這一問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種篩網(wǎng)自清理裝置，利用拍打桿往復(fù)拍打振動(dòng)篩篩網(wǎng)來(lái)解決篩網(wǎng)堵孔問(wèn)題，并制作了該裝置的三維模型，對(duì)該裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)基本吻合，驗(yàn)證了其穩(wěn)定性及可靠性。

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