劉長亮，張 勁，汪 春，王金麗，鄭 勇，莊志凱，陳 程

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319; 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091)

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螺旋輸送機在干法厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及新方案研究

劉長亮1，張 勁2，汪 春1，王金麗2，鄭 勇2，莊志凱2，陳 程2

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319; 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091)

文章介紹了近年來螺旋輸送機的發(fā)展現(xiàn)狀，并對螺旋輸機的理論分析、設(shè)計制造和運動仿真方面進(jìn)行分析總結(jié)。指出螺旋輸送機在沼氣干法厭氧發(fā)酵中的可利用性，并提出適用于沼氣干法厭氧發(fā)酵設(shè)備的新型螺旋輸送機的研究方法。

螺旋輸送機；沼氣；干法厭氧發(fā)酵

我國作為農(nóng)業(yè)大國每年農(nóng)業(yè)固體廢棄物產(chǎn)量大約40多億噸，這些廢棄物既是寶貴的可再生資源，又是嚴(yán)重的環(huán)境污染源，若不經(jīng)有效的處理將造成嚴(yán)重的資源浪費和環(huán)境污染。在眾多固體有機廢棄物資源化利用中，沼氣干法厭氧發(fā)酵技術(shù)(下簡稱干發(fā)酵)是國內(nèi)外研究的熱點和重要的發(fā)展方向之一。根據(jù)干發(fā)酵的生物學(xué)特性和發(fā)酵工藝的特殊要求，干法厭氧發(fā)酵反應(yīng)器及其發(fā)酵設(shè)備研究也得到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。本文將簡單介紹各類型干法厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的進(jìn)出料輸送系統(tǒng)的形式，主要對沼氣干法發(fā)酵進(jìn)出料螺旋輸送機的理論、設(shè)計制造和運動仿真進(jìn)行分析總結(jié)；并提出一種新型的螺旋輸送機布置形式。

1 沼氣干發(fā)酵技術(shù)及其裝置概述

沼氣干發(fā)酵是指以秸稈、畜禽糞便等有機廢棄物為原料，利用厭氧微生物發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。反應(yīng)系統(tǒng)中干物質(zhì)濃度在20%以上。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

國內(nèi)外對沼氣干發(fā)酵技術(shù)和裝備進(jìn)行了長期的研究，國內(nèi)外幾種主要沼氣干發(fā)酵裝置基礎(chǔ)情況對比見表1。

表1 國內(nèi)外幾種主要沼氣干發(fā)酵裝置基礎(chǔ)情況

相對比較國內(nèi)沼氣干發(fā)酵技術(shù)和設(shè)備還停留在試驗階段，沼氣干發(fā)酵進(jìn)出料機械化程度比較低，沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)還不能進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。其主要原因是缺乏合理的高效的工程結(jié)構(gòu)，未能解決規(guī)?；a(chǎn)快速進(jìn)出料與沼氣干發(fā)酵裝置密封的矛盾，未能掌握沼氣干發(fā)酵反應(yīng)器及配套裝備的先進(jìn)技術(shù)。為配合項目的實施，使農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣干發(fā)酵技術(shù)得到實際應(yīng)用，以解決農(nóng)業(yè)廢棄物資源浪費和環(huán)境污染問題，提供高效簡易可用的發(fā)酵反應(yīng)器及其相應(yīng)的配套裝備尤其重要和迫切。國外沼氣干發(fā)酵進(jìn)出料主要運用進(jìn)料泵和螺旋輸送機進(jìn)行輸送，其中旋輸送機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、維修方便，整機體積小，占地少，生產(chǎn)效率高，輸送物料快速均勻，輸送過程中結(jié)構(gòu)氣密性好等優(yōu)點成為沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)機械化和自動化不可缺少的部分，是沼氣發(fā)酵系統(tǒng)走向工廠化生產(chǎn)的重要設(shè)備。螺旋輸送機在輸送過程中能完成揉搓、壓縮、攪拌、混合等處理，還能實現(xiàn)變頻調(diào)速和準(zhǔn)確控制輸送量[1]。螺旋輸送機在輸送沼氣干發(fā)酵物料中由于其專業(yè)性和特殊性，除具有一般螺旋輸送機的共性外又有自己的特點和發(fā)展方向。

2 國內(nèi)螺旋輸送裝置的發(fā)展?fàn)顩r

2.1 理論分析

近年來我國螺旋輸送在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，因此改善螺旋輸送機的性能，對螺旋輸送機的理論分析進(jìn)行完善，對輸送性能進(jìn)行研究，解決實際生產(chǎn)中遇到的問題，以達(dá)到自動化生產(chǎn)的目的。

綜合大量文獻(xiàn)多數(shù)理論研究集中在對螺旋輸送裝置的理論分析和給出合理的計算方法。尹忠俊[2]等人通過對開式螺旋輸送機的輸送機理進(jìn)行了分析探討，從運動學(xué)角度出發(fā)探討開式螺旋的輸送原理，得出避免產(chǎn)生阻滯物料流動，物料填充角度及螺旋轉(zhuǎn)速滿足的條件；推導(dǎo)出料槽具有初速度的開式螺旋輸送機參數(shù)計算公式；給出物料輸送速度隨螺旋外徑及螺距變化曲線。王東霞[3]通過對小麥臥式螺旋輸送機的主要技術(shù)參數(shù)、輸送能力和性能影響的分析，總結(jié)和確定了主要技術(shù)參數(shù)的確定方法和計算公式，為輸送小麥的臥式螺旋輸送機的設(shè)計、選型、制造等提供了可靠的理論依據(jù)。胡海偉[4]對車載飼料運輸車中的卸料系統(tǒng)進(jìn)行全新設(shè)計與開發(fā)，該卸料系統(tǒng)的工作原理及各組件的設(shè)計，達(dá)到了大大節(jié)約人力和提高生產(chǎn)效率的目的。這些研究主要集中在對螺旋輸送裝置的輸送機理進(jìn)行理論分析，對螺旋軸進(jìn)行設(shè)計和校核以及壽命預(yù)測，對螺旋葉片的設(shè)計，外密封裝置的研制，傳動裝置的設(shè)計及驅(qū)動電機的選擇等方面做了研究，并給出了計算公式。但是，對于傳統(tǒng)的設(shè)計理論和設(shè)計方法而言，過程繁瑣且精度低，仍然存在生產(chǎn)率低、功耗大的關(guān)鍵問題。

2.2 參數(shù)優(yōu)化

隨著我國對螺旋輸送機的用途越來越廣泛，對輸送機的輸送性能要求越來越高，針對螺旋輸送機的參數(shù)選擇和優(yōu)化也更加深入的研究。在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，有變速，變螺距，變外殼直徑，變軸徑，大傾角，可伸縮，無軸螺旋等螺旋輸送裝置。這些裝置適應(yīng)于淤泥、糧食、秸稈、飼料等的運輸。

針對不同物料的特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，對提高輸送效率，減少功率消耗，意義重大，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。張東海[5]運用遺傳優(yōu)化算法，建立螺旋輸送機參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并對模型進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化，應(yīng)用改進(jìn)的遺傳算法得到了較好的螺旋輸送機的優(yōu)化結(jié)果。李曉豁，林其岳[6]等人運用遺傳算法和螞蟻算法的混合算法(GAAA算法)對螺旋鉆采煤機輸送機構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；優(yōu)化結(jié)果達(dá)到了，提高輸送效率，降低功率消耗的目的。徐余偉[7-8]等人從輸送機理、物料的特性等方面入手，對不同用途的螺旋輸送機械進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而設(shè)計出較符合實際情況的螺旋輸送機。在參數(shù)優(yōu)化過程中很多數(shù)據(jù)分析軟件被運用，通過動靜態(tài)分析得出較優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。龔玉友[9]通過運用Matlab對建模后的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并運用Ansys軟件對螺旋主體進(jìn)行不同工作情況下的有限元分析，得出了應(yīng)力應(yīng)變云圖，通過比較得出最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。通過大量研究表明，針對特定物料對螺旋輸送機的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對避免運輸過程中的堵塞，提高運輸效率，減少功率消耗，延長使用壽命具有重要作用。

2.3 運動仿真和加工制造

近年來國內(nèi)外機械設(shè)計中采用了動態(tài)仿真設(shè)計的新方法，通過仿真得到輸出參數(shù)和結(jié)果，為設(shè)計提供依據(jù)?，F(xiàn)代設(shè)計方法已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到運用，同樣運動仿真被運用到螺旋輸送機的設(shè)計制造中，利用虛擬的樣機技術(shù)對螺旋輸送機進(jìn)行選型和設(shè)計，并進(jìn)行有限元分析。Solidworks,Pro-E,AutoCAD,UG等軟件被廣泛應(yīng)用，王仁標(biāo)[10]運用EDEM.軟件對螺旋輸送機各因素之間的影響關(guān)系，為不同生產(chǎn)條件下螺旋輸送機各參數(shù)的取值及優(yōu)化提供了依據(jù)。鄭招強[11]運用Pro-E對混凝土攪拌車螺旋葉片進(jìn)行三維造型，完成了等斜率圓柱螺旋線的精確數(shù)學(xué)推導(dǎo)，基于Pro-E命令方便地實現(xiàn)螺旋葉片的參數(shù)化設(shè)計。趙橄培[12]等人以VS2005為編程平臺，綜合運用Pro-E二次開發(fā)工具，開發(fā)出混凝土攪拌車螺旋葉片專用CAD系統(tǒng)，為螺旋葉片的模塊化生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。通過計算機仿真軟件的運用，為螺旋輸送機的設(shè)計制造提供方便，使參數(shù)優(yōu)化更準(zhǔn)確，設(shè)計的產(chǎn)品能夠廣泛應(yīng)用，使螺旋輸送機的性能和工作效率有了大幅度提高。

在加工制造方面國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究，對螺旋葉片的加工工藝及安裝方法進(jìn)行改進(jìn)，從而得到更好的輸送性能和使用壽命。呂陽濱[13]等人通過對無軸螺旋輸送機的螺旋葉片進(jìn)行展開，分析葉片成型各方法之間的區(qū)別，得出運用加熱彎曲成型的方法可實現(xiàn)無軸螺旋葉片的方便加工及葉片加厚。郭在云[14]通過對螺旋輸送機圓柱螺旋葉片的制作工藝及安裝方法進(jìn)行理論分析和研究，針對葉片及傳動軸材料的焊接性能，制定了行之有效的焊接方案，為生產(chǎn)實踐提供了相應(yīng)的方法和合理的建議。雖然我國學(xué)者對螺旋葉片成型方法已有了進(jìn)一步研究，但在連續(xù)的厚葉片生產(chǎn)上，其工藝及裝置上還達(dá)不到國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)要求，因此對厚葉片連續(xù)生產(chǎn)工藝還需進(jìn)一步研究；螺旋葉片生產(chǎn)的自動化與智能化調(diào)試程度還比較低，螺旋葉片的自動化生產(chǎn)設(shè)備有待改進(jìn)；同樣螺旋葉片的標(biāo)準(zhǔn)化也需要完善，進(jìn)而使螺旋葉片的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化。

3 國外螺旋輸送裝置的發(fā)展?fàn)顩r

3.1 理論分析

國外對螺旋輸送機械理論分析方面的研究已比較深入，螺旋輸送機械被充分運用在粉狀、顆粒狀、糊狀等流動性好的物料的中短距離運輸和提升，并能對輸送量精確控制。諸多學(xué)者對螺旋輸送機的輸送過程進(jìn)行理論分析，得出了各參數(shù)對輸送過程的影響及各影響因素之間的關(guān)系。P C Kapur T P Meloy[15]對螺旋葉片的幾何形狀和物料性質(zhì)進(jìn)行分析，得出了螺旋葉片的幾何形狀對物料流動性的影響。A W Roborts[16]等人分析了懸浮液的渦旋流動對螺旋輸送器受力的影響；Wallace W F Leung[17-18]等人研究了污泥脫水用臥螺離心機的螺旋輸送器所承受扭轉(zhuǎn)力矩的計算方法。瑞典學(xué)者Nilsson和芬蘭學(xué)者Rademacher[19]提出運用力學(xué)的理論分析方法，他們把散粒物料抽象為理想流體，分析作為理想流體的整體流動在輸送過程中的規(guī)律性，得出物料自由表面與壓力分布的解析圖。通過對螺旋輸送機的理論深入的研究，對螺旋輸送機的機理有了更深入的認(rèn)識，但是對螺旋輸送理論分析還不夠完善，很多參數(shù)對輸送性能的影響了解還不夠。設(shè)計過程中很多結(jié)構(gòu)參數(shù)還要依靠經(jīng)驗公式來確定，因而在實際生產(chǎn)過程中輸送量控制不準(zhǔn)確，效率低，功耗大等缺點仍需要進(jìn)一步研究。

3.2 設(shè)計制造

國外螺旋輸送機械發(fā)展比較早，螺旋輸送機的設(shè)計制造已經(jīng)基本成熟。除常用的螺旋輸送機外，還根據(jù)應(yīng)用場所的特殊性，將螺旋葉整體設(shè)計成錐形，螺旋葉變徑，螺距變化，變徑變螺距，螺旋軸設(shè)計成錐形等各種形式的螺旋輸送機，以滿足不同的工作環(huán)境需要。但因這些特殊形式的輸送機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，功率消耗大等原因，不能夠被推廣，因此很多方面還需要進(jìn)一步提高。

在螺旋輸送機的加工方法上，螺旋葉的成型方式對機械的強度，剛度都有很大影響；F soavi和 O Int J Mach[20]通過對螺旋葉片的材料、質(zhì)量、形狀、車削加工程度得到了各因素對輸送性能的影響。20世紀(jì)60年代，英國科學(xué)家提出了錐輥異面輾軋成形理論，并將冷軋成形理論研究與試驗技術(shù)應(yīng)用到螺旋葉片的實際生產(chǎn)中，使螺旋葉片的生產(chǎn)方式發(fā)生根本性的改變。I'eBxo B M在20世紀(jì)80年代進(jìn)一步發(fā)展完善了冷軋成形理論。螺旋葉片錐輥連軋成形技術(shù)趨向于對超大葉片、超厚葉片、等厚葉片、大變形葉片、高強度葉片和微型葉片的生產(chǎn)工藝研究，以及加工設(shè)備研制、軋制過程的數(shù)值模擬與系統(tǒng)仿真等方面的研究。

國外很多輸送裝置已經(jīng)組合出現(xiàn)，通過水平螺旋輸送機和垂直螺旋輸送機構(gòu)成一個輸送系統(tǒng)。組合出現(xiàn)的螺旋輸送機在輪船裝卸方面得到了廣泛應(yīng)用，國際上比較成型的螺旋卸船機卸船能力可以達(dá)到1000 t·h-1以上，其中瑞典的Siwertell公司設(shè)計的螺旋卸船機可達(dá)到2700 t·h-1。螺旋輸送機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用，北歐丹麥的Bioener公司開發(fā)的秸稈的系統(tǒng)化輸送設(shè)備在歐洲得到了大規(guī)模的應(yīng)用。

3.3 仿真研究

在仿真方面，已經(jīng)由三維試圖層面上升到動態(tài)仿真和動畫仿真，運用一些模擬現(xiàn)實軟件，可以模擬整個工程的運行過程。在螺旋輸送機設(shè)計上，運用虛擬的樣機技術(shù)對機器進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控及可視化分析。Peter[21]等人通過運DEM法，完成了螺旋輸送機的運動仿真；Keisuke Uchida[22]通過運用x射線測量技術(shù)對螺旋加料器粉末流的擴散系數(shù)進(jìn)行可視化研究；P J Owen[23]使用離散單元法(DEM)對螺旋輸送機的性能進(jìn)行預(yù)測Philip Joweny[24]運用離散單元法對散粒物料在不同狀態(tài)下的螺旋輸送機內(nèi)的運動情況進(jìn)行模擬仿真，并把得出的結(jié)論與試驗值和經(jīng)驗值比較，得到仿真值與實驗結(jié)果一致。有限元分析法被設(shè)計行業(yè)廣泛應(yīng)用，運用有限元分析法能夠?qū)崿F(xiàn)物料在螺旋運輸機內(nèi)運動的整個過程的動態(tài)觀察和分析。通過螺旋輸送機的動態(tài)分析與監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而提高螺旋輸送機運行性能和可靠性。

4 螺旋輸送機在干法厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

相較國外螺旋輸送機的發(fā)展現(xiàn)狀，我國現(xiàn)有螺旋輸送機發(fā)展依然運用剛性理論，各行業(yè)發(fā)不均衡，缺少動態(tài)分析與檢測，缺乏可控軟件啟動技術(shù)與功率平衡技術(shù)，裝機功率相差大，機型少，功能單一，最大輸送能力相差大，運行的可靠性低。國外的設(shè)備大型化，應(yīng)用動態(tài)分析和自動化技術(shù)，新型高可靠性關(guān)鍵元部件技術(shù)，設(shè)備運行性能好，運輸效率高。借鑒外國比較成熟的計算機仿真技術(shù)和靜態(tài)分析與動態(tài)分析相結(jié)合的設(shè)計方法，并運用到我國螺旋輸送機的設(shè)計和制造上來。

4.1 沼氣干發(fā)酵螺旋輸送機存在的問題

(1)由于我國沼氣發(fā)酵規(guī)?；a(chǎn)起步晚，機械化生產(chǎn)水平也比較低，再者螺旋輸送機的基礎(chǔ)研究比較薄弱；螺旋輸送機的專業(yè)化，標(biāo)準(zhǔn)化和自動化水平都有待提高。

(2)由于沼氣發(fā)酵原料的多樣性和特殊性對螺旋輸送機的要求也不盡相同，對物料性質(zhì)分析還不夠充分，螺旋輸送機對不同物料的輸送性能差異很大；因而在實際生產(chǎn)過程中總會出現(xiàn)輸送效率低，輸送不暢，可靠性低等問題。

(3)缺乏對物料輸送過程的理論分析與研究，螺旋輸送裝置已成為沼氣發(fā)酵物料輸送和收集過程中的必要設(shè)備，但是輸送過程中存在嚴(yán)重的堵塞起拱等現(xiàn)象導(dǎo)致輸送裝置的生產(chǎn)率低功耗大等問題。

4.2 沼氣干發(fā)酵螺旋輸送機新方法研究

國內(nèi)外對沼氣發(fā)酵用螺旋輸送機的研究還比較少，制約了螺旋輸送機在沼氣發(fā)酵行業(yè)中的發(fā)展。針對國家能源缺乏和環(huán)境保護(hù)的迫切需要，根據(jù)輸送物料的特殊性質(zhì)，對沼氣發(fā)酵用螺旋輸送設(shè)備進(jìn)行理論研究和系統(tǒng)優(yōu)化，使參數(shù)達(dá)到最佳匹配，保證物料的連續(xù)輸送，并且解決生產(chǎn)過程中存在結(jié)拱和堵塞的現(xiàn)象；與此同時對螺旋輸送機的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，采用三段式布置形式以滿足沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)對輸送過程氣密性的要求。螺旋輸送機結(jié)構(gòu)見圖2。

1.進(jìn)料斗；2.第一段螺旋葉片；3.螺旋軸；4.空腔；5.第二段螺旋葉片圖2 螺旋輸送機結(jié)構(gòu)簡圖

該結(jié)構(gòu)以分段形式進(jìn)行運輸，兩段螺旋保證了運輸?shù)倪B續(xù)性，中間空腔結(jié)構(gòu)通過前一段螺旋運輸?shù)奈锪显诳涨惶幈粔簩?，通過物料間的擠壓再把物料推送到下一段螺旋，空腔內(nèi)被壓實的物料在空腔內(nèi)保證輸送過程中螺旋輸送機腔體內(nèi)部的密封。當(dāng)輸送停止時，前一段螺旋不再向空腔內(nèi)推送物料，被壓實的物料停留在空腔內(nèi)不能被后一段螺旋運走，停留在腔體內(nèi)的壓實物料將螺旋輸送機的腔體密封。該分段式螺旋輸送機結(jié)構(gòu)保證了整個進(jìn)出料過程沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)裝置的氣密性。該螺旋輸送機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)對實現(xiàn)沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn)和干發(fā)酵系統(tǒng)裝置的氣密性起到一定的作用，為沼氣干發(fā)酵工廠化發(fā)展提供了一條新的途徑，具有一定的理論和實際價值。

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Present Situation and New Methods of Screw Conveyor Application in Dry Anaerobic Fermentation/

LIU Chang-liang1,ZHANG Jin2,WANG Chun1,WANG Jin-li2，ZHENG Yong2，ZHUANG Zhi-kai2，CHEN Cheng2/

(1.Heilongjiang Bayi Agricualtural University,Daqing 163319，China; 2.Agricultural Machinery Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524091,China)

This paper introduced the present situation of screw conveyor applied in dry anaerobic system,and its theoretical analysis,design,manufacturing,and motion simulation,were analyzed and summarized,pointing out the availability of screw conveyor in biogas dry anaerobic fermentation.And the prospect of new study of screw conveyor suitable for dry anaerobic fermentation equipment were put forward.

screw conveyor；biogas；dry anaerobic fermentation

2015-06-01

2015-08-01

項目來源：國家公益性行業(yè)專項(201203072；1630062014022)

劉長亮(1990-)，男，黑龍江省哈爾濱人，碩士，主要從事機械制造及其自動化以及加工設(shè)備自動化研究，E-mail：564183280@qq.com

張 勁，E-mail：zj1204@tom.com；汪 春，E-mail：wangchun1963@126.com

S216.4；X71

B

1000-1166(2016)03-0058-05