張秀麗，劉云鵬，李連豪，仝振偉，楊丁元，侯朝朋

0 引 言

有機(jī)肥可充分改善土壤物理性質(zhì)、增加土壤水分庫(kù)，抑制土壤水分蒸發(fā)、增加降水入滲、提高土壤有效水含量[1-3]。有機(jī)肥生產(chǎn)是通過(guò)動(dòng)植物殘?bào)w或廢棄物采用物理、化學(xué)、生物或三者兼有的技術(shù)經(jīng)過(guò)發(fā)酵前的預(yù)處理、發(fā)酵處理、發(fā)酵后處理等加工工藝流程，消除其中的有害物質(zhì)達(dá)到無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)而形成的[4-5]。有機(jī)肥在預(yù)處理過(guò)程中常通過(guò)固液分離設(shè)備、粉碎設(shè)備或攪拌設(shè)備制備滿足發(fā)酵要求的發(fā)酵原料，然后在發(fā)酵設(shè)備中進(jìn)行發(fā)酵。目前常見(jiàn)發(fā)酵方式有3種：條垛式、槽式和塔式[6-7]。其中條垛式和槽式發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，占地面積大，產(chǎn)品與生產(chǎn)環(huán)境差，自動(dòng)化程度低，需要借助翻堆機(jī)定期對(duì)物料翻拋；塔式發(fā)酵占地面積最小，效率最高，但發(fā)酵周期仍需持續(xù)一周，且設(shè)備費(fèi)用及設(shè)備維護(hù)費(fèi)用最高。近年來(lái)采用先進(jìn)的科技和設(shè)備，利用微生物的生活學(xué)特性，通過(guò)加熱在高溫段對(duì)物料進(jìn)行殺菌，低溫段加菌，在短時(shí)間內(nèi)將有機(jī)廢棄物分解轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料，發(fā)酵快，無(wú)污染。這種快速發(fā)酵技術(shù)要求發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)的物料發(fā)酵條件均一，因此栗劃等[8-9]將攪龍應(yīng)用到有機(jī)肥的發(fā)酵設(shè)備中進(jìn)行攪拌，大大提高了自動(dòng)化程度。

針對(duì)目前有機(jī)肥生產(chǎn)過(guò)程中物料混合不均勻、易堵料和尾端積料等問(wèn)題，結(jié)合鄭州中鼎環(huán)保設(shè)備有限公司的有機(jī)肥生產(chǎn)設(shè)備，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適用于有機(jī)肥生產(chǎn)的多段式攪龍，采用離散元軟件EDEM對(duì)攪龍性能進(jìn)行分析研究，同時(shí)研制樣機(jī)進(jìn)行了物料混合均勻性能、抗堵料性能和防積料性能試驗(yàn)，驗(yàn)證該裝置能夠滿足有機(jī)肥生產(chǎn)要求。

1 多段式攪龍工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

如圖1a所示為設(shè)計(jì)的有機(jī)肥生產(chǎn)裝置，由上中下3層組成，其中上層完成對(duì)渣土的高溫殺菌，中層和下層主要完成物料的接種和發(fā)酵過(guò)程。上中下 3層內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)基本一致，均由一個(gè)單獨(dú)的發(fā)酵倉(cāng)組成，如圖1b所示，多段式攪龍安裝在發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)，發(fā)酵倉(cāng)上設(shè)置有進(jìn)料口和出料口。多段式攪龍是整個(gè)有機(jī)肥生產(chǎn)裝置的核心部件，生產(chǎn)過(guò)程要保證發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)物料混合均勻以提高肥效，保證不堵塞、不積料以促使設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率。多段式攪龍整體結(jié)構(gòu)由進(jìn)料段、變徑送料段、大徑送料段、出料段和反旋向段組成；在變徑送料段和大徑送料段內(nèi)設(shè)置有伸縮扒齒，在出料口處設(shè)置有 2組弧形扒齒。如圖1c所示為傳統(tǒng)攪龍結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)酵倉(cāng)為圓筒形，傳統(tǒng)攪龍外徑尺寸與多段式攪龍進(jìn)料段外徑尺寸相等，用D1表示，傳統(tǒng)攪龍總長(zhǎng)和新設(shè)計(jì)的多段式攪龍總長(zhǎng)相等，用L表示。

圖1 有機(jī)肥生產(chǎn)裝置和多段式攪龍及傳統(tǒng)攪龍結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of organic fertilizer production device and multi-segment type auger and traditional auger

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 伸縮扒齒

為保證較高的有機(jī)肥質(zhì)量，物料應(yīng)該在攪龍里面運(yùn)動(dòng)足夠的時(shí)間來(lái)完成充分殺菌和發(fā)酵，可通過(guò)增加攪龍的長(zhǎng)度或減小攪龍的螺距和轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，但前者占地面積大且成本高，維修也不方便，所以，該設(shè)計(jì)通過(guò)降低螺距和轉(zhuǎn)速來(lái)保證物料在發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)停留足夠的時(shí)間。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)攪龍的性能主要是完成對(duì)物料輸送，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，很難完成對(duì)多種物料的混合，不適用于有機(jī)肥生產(chǎn)作業(yè)。如圖 2所示，本設(shè)計(jì)通過(guò)在攪龍軸上安裝伸縮扒齒，伸縮扒齒旋轉(zhuǎn)軸偏心于攪龍軸中心，為做對(duì)比分析，在圖中同時(shí)表示出固定扒齒的位置。當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，伸縮扒齒的攪拌行程Δθ1更大，角速度更快，增加顆粒與顆粒間的碰撞效果，加快物料混合；同時(shí)伸縮扒齒的偏心設(shè)計(jì)使入料角和出料角增大，入料角大能更好的扒料，出料角大能增大對(duì)物料的拋翻角度在，因此同等情況下伸縮扒齒的攪拌范圍更大。在工作過(guò)程中，伸縮扒齒一邊隨攪龍軸轉(zhuǎn)動(dòng)一邊在攪龍軸的方孔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)伸縮扒齒的復(fù)合運(yùn)動(dòng)不斷翻拋打散物料，提高對(duì)渣土的殺菌效果以及物料的混合均勻性能。

1.2.2 變徑結(jié)構(gòu)

螺旋送料機(jī)的物料填充度在很大程度上可反映抗堵料性能：一方面，隨著物料填充度增大，在輸送過(guò)程中攪龍的葉片受到的阻力會(huì)增加，導(dǎo)致物料間的擠壓力隨之升高，容易產(chǎn)生堵料問(wèn)題；另一方面，在物料輸送過(guò)程中，隨著輸送距離的增加，物料間的擠壓力會(huì)逐漸增大，易導(dǎo)致部分輸送段物料產(chǎn)生堆積而使填充度增大，誘發(fā)堵料風(fēng)險(xiǎn)。說(shuō)明物料在發(fā)酵倉(cāng)不同位置的擁擠程度與其填充度大小有緊密關(guān)系。物料的填充度與自身性質(zhì)有很大關(guān)系，運(yùn)送不同物料所要求的填充度也不同，同一種性質(zhì)的物料，一般填充度越高，越容易出現(xiàn)堵料的問(wèn)題。

圖2 伸縮扒齒與固定扒齒運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Motion diagram of telescopic gear and fixed gear

本設(shè)計(jì)在保證進(jìn)料口物料進(jìn)料量不變的前提下，通過(guò)變徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)逐級(jí)降低倉(cāng)內(nèi)物料的填充度，提高物料的抗堵料性能。如圖1b所示，進(jìn)料段為較小圓筒狀結(jié)構(gòu)，可保證進(jìn)料量穩(wěn)定不變；變徑送料段為錐形筒結(jié)構(gòu)，大徑送料段為較大圓筒狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)物料從進(jìn)料口移到出料口的過(guò)程中，倉(cāng)內(nèi)的空間非均勻增大，物料間的擠壓力相應(yīng)降低，可改善倉(cāng)內(nèi)物料的分布，降低堵料的風(fēng)險(xiǎn)，提高有機(jī)肥生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性。此外，對(duì)有機(jī)肥發(fā)酵而言，變徑結(jié)構(gòu)為物料提供的空間更大，可提高氧氣的供應(yīng)量，使好氧發(fā)酵更徹底，提高有機(jī)肥的質(zhì)量。

1.2.3 反旋向結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)攪龍隨著攪龍葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，物料受到向前的推力，部分物料被擠至攪龍尾端，堵塞尾部軸承部件，造成積料問(wèn)題，影響裝備的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)在多段式攪龍的尾部設(shè)置反旋向的葉片，可將尾端積存的物料送回出料口排出。在出料口處設(shè)置兩組呈螺旋排列的弧形扒齒，將來(lái)自進(jìn)料端和尾端 2個(gè)方向的物料打散，加快物料的出倉(cāng)，也緩解了堵料的問(wèn)題。

2 多段式攪龍的主要參數(shù)確定

2.1 螺旋葉片直徑

螺旋葉片直徑根據(jù)螺旋輸送機(jī)生產(chǎn)能力、輸送物料類型、結(jié)構(gòu)和布置形式等確定為[10]

式中0D表示螺旋葉片直徑，m；K表示物料綜合系數(shù)，取值 0.045；Q表示輸送能力，t/h，該設(shè)備可每小時(shí)生產(chǎn) 2t有機(jī)肥；C表示傾角系數(shù)，取值 1；λ為物料的單位容積質(zhì)量，t/m3，它同原料的種類、濕度、切料的長(zhǎng)度以及凈化方式、效果等多種因素有關(guān)，取值1.1 t/m3；ψ表示顆粒的填充度，取值0.35[11]。代入計(jì)算求得：0D≥0.087 m。

上述計(jì)算值為螺旋葉片的最小外徑值，結(jié)合車間的空間情況，攪龍總長(zhǎng)L定為7 000 mm，多段式攪龍進(jìn)料段攪龍外徑D1為600 mm，大徑送料段攪龍外徑D2為700 mm，進(jìn)料段長(zhǎng)度L1為1 000 mm；變徑段長(zhǎng)度L2為2500 mm，大徑送料段長(zhǎng)度L3為2 600 mm；出料段長(zhǎng)度L4為480 mm。

2.2 螺距

螺距不僅決定著螺旋的升角，還決定物料運(yùn)行的滑移面，所以螺距的大小直接影響著物料輸送過(guò)程。通常可按下式計(jì)算螺距

式中P表示螺距，m；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的螺旋輸送機(jī)，通常K1=（0.8～1.0），當(dāng)傾斜布置或輸送物料流動(dòng)性較差時(shí) K1≤0.8[11]。有機(jī)肥物料流動(dòng)性較差，取K1為0.6，則進(jìn)料口處螺距為360 mm，大徑送料段螺距為420 mm。

2.3 攪龍軸直徑

攪龍軸直徑d的計(jì)算公式為[10]

式中x=（0.2～0.35），由于多段式攪龍為變徑結(jié)構(gòu)，將進(jìn)料段攪龍外徑 D1和大徑段攪龍外徑 D2的平均值D作為公式（3）中的計(jì)算直徑 D0參與計(jì)算，即：

經(jīng)計(jì)算，攪龍軸直徑d取值范圍在130～227.5 mm之間，綜合考慮強(qiáng)度和質(zhì)量等因素，設(shè)計(jì)攪龍軸為空心軸，取攪龍軸直徑d為207 mm。

3 攪龍性能仿真分析

3.1 仿真假設(shè)與建模

離散單元法能夠模擬顆粒流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，根據(jù)不同物料的特性，在EDEM中有多種接觸模型用于各個(gè)領(lǐng)域分析[12-20]。本研究假設(shè)有機(jī)肥顆粒表面間沒(méi)有黏附力，性質(zhì)接近于常見(jiàn)的農(nóng)作物種子，選擇 Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型[21-25]。該接觸模型將顆粒間接觸作用按照靜彈性接觸進(jìn)行處理，得到顆粒間圓形接觸面積與彈性形變的關(guān)系，能有效解決顆粒曲面接觸問(wèn)題[26-30]。

在誤差允許范圍內(nèi)，為減小EDEM的仿真規(guī)模并突出主要研究問(wèn)題，結(jié)合有機(jī)肥的生產(chǎn)特點(diǎn)，在EDEM的仿真中做以下假設(shè)：1）將伸縮扒齒與攪龍作為剛性結(jié)構(gòu)；2）渣土顆粒尺寸大小一致；3）采用一次添加定量的顆粒仿真代替持續(xù)進(jìn)料。此外，由于實(shí)際設(shè)備尺寸較大，在EDEM中按實(shí)際尺寸建模，會(huì)導(dǎo)致CPU計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)甚至出現(xiàn)“假死機(jī)”狀態(tài)，所以，本次仿真模型尺寸為實(shí)際模型尺寸的0.58倍。

在EDEM仿真過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置如表1所示，生產(chǎn)有機(jī)肥的主要物料是經(jīng)篩選后的農(nóng)村生活垃圾渣土，渣土顆粒的直徑近似為3 mm，渣土密度由多次測(cè)量取平均值，其他相關(guān)模型參數(shù)[31]如表1所示。

表1 模擬相關(guān)參數(shù)Table 1 Simulation parameters

3.2 混合均勻性分析

為了分析攪龍內(nèi)部物料的混合性能，需要取一些特征位置，如圖 3所示，將進(jìn)料口中心位置設(shè)為坐標(biāo)零點(diǎn)L0，每間隔500 mm標(biāo)記為一個(gè)取樣點(diǎn)，用大寫字母A～F表示（其中A、B和C點(diǎn)在變徑送料段，D、E和F點(diǎn)在大徑送料段）。在攪龍進(jìn)料段距零點(diǎn)200 mm增加取樣點(diǎn)O作為參考取樣點(diǎn)。

圖3 采樣位置Fig.3 Sampling position

在有機(jī)肥生產(chǎn)中首先將部分物料與發(fā)酵菌混合，再將這部分物料作為菌源與其他物料混合。結(jié)合上述生產(chǎn)特點(diǎn)，本次分析將大小形狀相同的顆粒分成 2種顏色，深色代表沾附發(fā)酵液的顆粒，淺色代表未沾附發(fā)酵液的顆粒，然后在上述取樣位置對(duì)料堆進(jìn)行混合均勻度檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比多段式攪龍和傳統(tǒng)攪龍對(duì)物料的混合均勻程度，分析多段式攪龍的物料混合均勻性能。如圖 4所示為物料分別在多段式攪龍和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)攪龍內(nèi)不同位置O、B、D和F的混合狀態(tài)，可以直觀看出多段式攪龍?jiān)诎惭b伸縮扒齒的位置顆粒混合程度明顯高于同位置的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)攪龍。

圖4 物料在不同位置的混合狀態(tài)Fig.4 Mixing status of materials in different sampling position

為進(jìn)一步比較物料在 2種不同結(jié)構(gòu)攪龍內(nèi)的混合均勻度，采取劃網(wǎng)格分區(qū)的方法把料堆集中的區(qū)域劃分成一個(gè)個(gè)的小網(wǎng)格，對(duì)不同位置的料堆取樣統(tǒng)計(jì)，通過(guò)計(jì)算物料在每個(gè)小網(wǎng)格內(nèi)的混合度來(lái)反映整體物料的混合程度。定義物料混合均勻度的計(jì)算公式為

式中γ表示混合均勻度；W 表示樣品中沾附發(fā)酵液的顆粒總數(shù)；N表示樣品內(nèi)的顆?？倲?shù)。

通過(guò)計(jì)算取樣網(wǎng)格內(nèi)顆粒的混合均勻度與最佳混合均勻度之間的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)不同位置的混合均勻度與最佳混合均勻度之間的偏離程度，進(jìn)而反映物料的混合情況。標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如式（5）所示。

式中 s表示樣本與最佳混合值間的標(biāo)準(zhǔn)差；γi表示第 i個(gè)網(wǎng)格的顆?；旌暇鶆蚨?，即該網(wǎng)格內(nèi)深色顆粒的總數(shù)與該網(wǎng)格內(nèi)的顆粒總數(shù)的比值；0γ表示最佳混合均勻度，即參與計(jì)算的深色顆?？倲?shù)與參與計(jì)算的顆?？倲?shù)的比值；n表示參與計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量。在具體計(jì)算過(guò)程中，為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)顆粒數(shù)少于20的網(wǎng)格，將不參與計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)差越大，說(shuō)明此刻物料的混合均勻度偏離最佳混合均勻度越大，物料混合越不均勻；標(biāo)準(zhǔn)差越接近0，說(shuō)明物料的混合均勻度偏離最佳混合均勻度越小，物料混合越均勻。在混合均勻性分析時(shí)，將所有取樣點(diǎn)依次測(cè)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，可以看出在多段式攪龍內(nèi)，物料混合均勻度標(biāo)準(zhǔn)差下降速度明顯快于傳統(tǒng)攪龍，說(shuō)明伸縮扒齒對(duì)物料的拋翻作用可加快發(fā)酵菌與物料的混合。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)攪龍內(nèi)，物料混合較慢，最終混合均勻度標(biāo)準(zhǔn)差趨向于0.2；但當(dāng)多段式攪龍達(dá)到0.2時(shí)，需要輸送的距離是傳統(tǒng)攪龍距離的0.6倍，且混合均勻度標(biāo)準(zhǔn)差的最小值比傳統(tǒng)攪龍還要低0.042左右，說(shuō)明物料在多段式攪龍內(nèi)，不僅混合速度快而且混合程度還高。

如圖 5所示為物料在傳統(tǒng)攪龍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，分析認(rèn)為由于物料以“流動(dòng)”的形式向前“滾動(dòng)”，造成在滾動(dòng)中心形成顆?！八绤^(qū)”，這部分物料很難與周圍物料混合或混合緩慢；而在圖4a中可以看到，由于伸縮扒齒將“死區(qū)”處的物料不斷打散翻拋，才使得“死區(qū)”內(nèi)的物料能夠與周圍的物料混合，所以，在多段式攪龍內(nèi)，物料的標(biāo)準(zhǔn)差極限值會(huì)低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的攪龍。

表2 不同采樣位置物料的標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 Standard deviation of materials in different sampling position

圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)攪龍內(nèi)物料的混合形態(tài)Fig.5 Mixing status of materials in traditional structure auger

3.3 抗堵料性能分析

物料的抗堵料性能與物料的填充度有很大關(guān)系，流動(dòng)性差的粉狀顆粒物料（類似渣土狀）的填充度一般約0.35左右[11]。在抗堵料性能分析時(shí)，選擇O、B、D和F四個(gè)取樣點(diǎn)研究，當(dāng)料堆依次經(jīng)過(guò) 4個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)，以經(jīng)過(guò)取樣點(diǎn)垂直于攪龍軸的平面為基準(zhǔn)面，統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)面前后25 mm范圍內(nèi)的物料體積與該范圍內(nèi)的料倉(cāng)體積的比值，得到物料的填充度，結(jié)果如表3所示。

其中每個(gè)取樣段內(nèi)顆粒填充度的計(jì)算公式如下

式中r表示顆粒的半徑，mm；R表示發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)壁的半徑，mm；M表示截面內(nèi)顆粒的數(shù)量；H表示截面的厚度，mm。

表3 抗堵性能分析的相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters of anti-clogging ability analysis

如圖 6所示為料堆經(jīng)過(guò)發(fā)酵倉(cāng)不同采樣位置時(shí)的填充度。對(duì)于多段式攪龍，當(dāng)料堆輸送至采樣O點(diǎn)時(shí)，由于該處發(fā)酵倉(cāng)的內(nèi)徑較小，使得顆粒的填充度較大近似為0.359；當(dāng)料堆輸送到變徑段B點(diǎn)時(shí)，由于發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)徑的增大，使得顆粒的填充度下降到0.297；當(dāng)料堆輸送到大徑段上的采樣D點(diǎn)時(shí)，顆粒填充度降為0.223；之后料堆被繼續(xù)送至采樣 F點(diǎn)，由于發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)徑不再變化，使得料堆的填充度也基本保持在0.222不變。多段式攪龍和傳統(tǒng)攪龍?jiān)诜抡孢^(guò)程中，進(jìn)料口處的填充度都近似相等，但傳統(tǒng)攪龍各處的物料填充度基本在 0.313～0.351之間變動(dòng)，變化較??；多段式攪龍內(nèi)物料的填充度變化幅度為38.1%，說(shuō)明多段式攪龍的抗堵料性能優(yōu)于傳統(tǒng)攪龍。

圖6 發(fā)酵倉(cāng)4處采樣位置的填充度Fig.6 Degree of filling of four sampling positions in fermentation bins

3.4 防積料性能分析

傳統(tǒng)攪龍?jiān)谒土线^(guò)程中，葉片一直單向向前推動(dòng)物料，超過(guò)出料口的物料便會(huì)積存到料倉(cāng)尾端（如圖7a所示），積存物料量會(huì)隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增加導(dǎo)致積料問(wèn)題。而在多段式攪龍的尾部，由于設(shè)置有反旋向葉片，將尾部積存的物料回送至出料口沒(méi)有物料積存（如圖7b所示），避免積料問(wèn)題。

圖7 防積料性能仿真Fig.7 Simulation of anti accumulation performance

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 多段式攪龍性能驗(yàn)證試驗(yàn)

為了測(cè)試和觀察的方便，多段式攪龍性能驗(yàn)證試驗(yàn)選擇在按比例縮小后的樣機(jī)上進(jìn)行。

4.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

樣機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，為突出試驗(yàn)效果和方便對(duì)物料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選，試驗(yàn)材料選取大小形狀相同的 2種不同顏色的顆粒球，分別代表沾附發(fā)酵液和未沾附發(fā)酵液的顆粒。樣機(jī)的攪龍外殼為透明有機(jī)玻璃，可實(shí)時(shí)觀察攪龍倉(cāng)內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)情況。

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括3部分，1）防積料檢驗(yàn)，即測(cè)試尾部的反旋向葉片是否起到防積料作用；2）對(duì)物料的混合均勻度檢驗(yàn)，試驗(yàn)中采取多次取樣方法來(lái)代替仿真分析中網(wǎng)格分區(qū)取樣；3）抗堵料性能檢驗(yàn)，與仿真中的填充度計(jì)算方法不同，樣機(jī)試驗(yàn)通過(guò)公式（7）測(cè)量物料橫截面積與相應(yīng)料倉(cāng)橫截面積的比值得到物料的填充度。

式中iD表示發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)壁的直徑，mm；d表示攪龍軸的直徑，mm；h表示倉(cāng)內(nèi)物料距離發(fā)酵倉(cāng)底的距離，mm。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

樣機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與仿真基本類似，如圖 8a，很明顯觀察到發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)形成的“死區(qū)”被伸縮扒齒打散，使得物料混合更快更加均勻；從圖8b可看出多段式攪龍尾端的反旋向葉片把尾部的積料送回落料口，達(dá)到防積料的效果，與仿真結(jié)果一致。分別在樣機(jī)進(jìn)料段、變徑送料段段和大徑送料段取樣計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：物料在多段式攪龍的填充度依次降低，變化范圍是0.36～0.23，變化幅度為36.1%；物料在多段式攪龍混合均勻度標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍是0.41～0.17，表明物料混合均勻度提高。與仿真數(shù)據(jù)也基本吻合。

圖8 樣機(jī)試驗(yàn)裝置Fig.8 Testing apparatus of prototype

4.2 輸運(yùn)效率評(píng)估

本設(shè)計(jì)的多段式攪龍裝備在登封中鼎環(huán)保設(shè)備有限公司已投入有機(jī)肥生產(chǎn)，與原有的傳統(tǒng)攪龍有機(jī)肥生產(chǎn)裝備的轉(zhuǎn)運(yùn)效率進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。在保證單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)料量相等的情況下，對(duì)近2個(gè)月2種攪龍的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到：多段式攪龍裝備運(yùn)行良好，輸運(yùn)效率為2 t/h，未出現(xiàn)堵料問(wèn)題，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；傳統(tǒng)攪龍裝備在作業(yè)過(guò)程中，正常運(yùn)轉(zhuǎn)也達(dá)到2 t/h的輸運(yùn)效率，但幾乎每天都有堵塞問(wèn)題導(dǎo)致停產(chǎn)進(jìn)行人工維修，而單次67.1 t/h，造成設(shè)備實(shí)際輸運(yùn)效率降低。即多段式攪龍裝備比原有的傳統(tǒng)攪龍裝備輸運(yùn)效率提高 20%，更適合有機(jī)肥的生產(chǎn)作業(yè)。

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種用于有機(jī)肥生產(chǎn)的多段式攪龍結(jié)構(gòu)，包含進(jìn)料段、變徑送料段、大徑送料段、出料段和反旋向段 5部分，在變徑送料段和大徑送料段內(nèi)設(shè)置有伸縮扒齒，在出料口處設(shè)置有兩組弧形扒齒，能提高物料混合均勻程度和抗堵料能力，滿足防積料性能要求。

2）基于離散元方法對(duì)多段式攪龍結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能研究。結(jié)果表明，在攪龍軸上安裝伸縮扒齒，可將顆?！八绤^(qū)”打散，提高物料混合均勻性能。當(dāng)混合均勻度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.2時(shí)，多段式攪龍需要輸送的距離近似是傳統(tǒng)攪龍的0.6倍左右；將攪龍?jiān)O(shè)計(jì)成變徑結(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)倉(cāng)內(nèi)物料的填充度，提高攪龍的抗堵料性能，物料在多段式攪龍內(nèi)的填充度依次減小，減小量為38.1%；在攪龍尾部設(shè)置反旋向葉片，可將攪龍尾端物料送回出料口，防止尾端積料。

3）樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，物料在多段式攪龍的填充度依次降低，變化幅度為36.1%；物料在多段式攪龍混合均勻度標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍是 0.41～0.17，與離散元分析結(jié)果基本吻合。樣機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)效率提高20%，滿足使用要求。

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