馮 碩 王延剛 王信錕 袁 浩 劉 巍 郭鵬寧

(山東大學機電與信息工程學院，山東 威海 264209)

餐廚垃圾為餐飲垃圾和廚余垃圾的總稱，是城市固體垃圾的主要組成部分。螺旋擠壓式脫水裝置是一種被廣泛采用的餐廚垃圾脫水裝置[1-3]。在衡量一個脫水裝置的脫水能力強弱時，關(guān)鍵在于其擠壓性能的好壞。因此，借助仿真技術(shù)對螺旋擠壓機構(gòu)的擠壓性能進行分析，對于改進脫水裝置的設(shè)計參數(shù)具有指導意義。

在脫水因素研究中，李鑫[4]根據(jù)物料填充螺槽的狀態(tài)，將螺桿分為未充滿段、充滿段和摩擦段，而擠壓脫水主要發(fā)生在充滿段；賀李萍[5]研究發(fā)現(xiàn)，在影響除水率的主次因素中，初始含水率大于螺旋轉(zhuǎn)速；張林楓[6]研究表明糖泥在螺旋脫水機中的脫水率與物料本身的質(zhì)量、壓力和加載方式相關(guān)；孫邦雨[7]探討了螺旋結(jié)構(gòu)、螺旋轉(zhuǎn)速、物料初始含水率對脫水效果的影響。在顆粒的動態(tài)研究中，陳彥超[8]研究得出螺旋轉(zhuǎn)速、螺距、填充系數(shù)對顆粒速度影響較大；基于離散單元法，辛垚諭等[9]研究了顆粒在雙螺旋機內(nèi)的運動以直線運動為主，周向運動為輔。

目前，有關(guān)螺旋機構(gòu)擠壓效果的研究多集中于實物試驗，而缺少基于基本力學原理的理論設(shè)計指導。研究擬基于離散元分析方法，設(shè)計離散化虛擬試驗，探究螺旋擠壓過程中顆粒運動行為及機構(gòu)各參數(shù)對擠壓脫水效果的影響，旨在尋找擠壓脫水性能最好的一組參數(shù)。

1 螺旋擠壓脫水機

1.1 脫水機整體結(jié)構(gòu)及工作原理

螺旋擠壓機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，粉碎后的物料從頂部的入料口進入，通過螺旋葉片結(jié)構(gòu)不斷地擠壓脫水，剩余的濾餅被輸送到機構(gòu)末端。末端是整個裝置的擠出段，變徑的外通道濾網(wǎng)以及帶有彈簧的錐形擠壓塊將剩下的濾餅進行再次擠壓脫水，最后擠壓過的固體從后端排出。

1. 螺旋軸 2. 入料口 3. 螺旋葉片 4. 出料口 5. 下端出水口 6. 彈簧錐形擠壓塊圖1 螺旋擠壓機構(gòu)Figure 1 Screw extrusion mechanism

1.2 脫水機結(jié)構(gòu)參數(shù)

以餐廚垃圾螺旋擠壓裝置為研究對象，裝置各參數(shù)見表1、表2，通過三維軟件Solidworks建立螺旋擠壓裝置模型，裝置采用變螺距擠壓物料顆粒的方式進行脫水。

表1 螺旋擠壓裝置各參數(shù)Table 1 Parameters of screw extrusion device

表2 螺距參數(shù)Table 2 Pitch parameter mm

2 脫水機設(shè)計原理

2.1 顆粒力學分析

在螺旋擠壓裝置擠壓物料過程中，物料顆粒受到諸多力的作用，將之視為質(zhì)點。在顆粒受力情況中，將螺旋葉片當作一個支撐斜面，按照螺旋線展開，進行離散元力學分析[10]。

如圖2所示，螺旋葉片軸對顆粒狀物料施加一個法向推力N1，N1和物料受到的葉片摩擦力Fa合成為合力F。對該合力F進行分解，其中的徑向分力Fz推動物料向前運動，周向分力Ft會促使物料離開葉片。由于摩擦力Fa與周向分力Ft的存在，物料不會與螺旋軸發(fā)生同步運動。

α為摩擦角，φ為螺旋升角，r為物料距軸線的距離圖2 螺旋裝置運輸物料顆粒的受力分析Figure 2 Force analysis of screw device transporting/material particles

已知顆粒流中一個顆粒的運動是由移動和轉(zhuǎn)動合成的結(jié)果，可用牛頓第二定律描述單個顆粒運動時的受力情況[11-12]：

(1)

(2)

式中：

Fn,ij——顆粒i、j之間的法向接觸力，N；

Ft,ij——顆粒i、j之間的切向接觸力，N。

2.2 物料脫水影響因素

2.2.1 物理因素

(1) 填充率：填充率是指散體狀物料的顆粒占有其堆積體體積的程度。如果填充率改變，輸送物料的軸向和周向速度也會隨之發(fā)生變化。填充系數(shù)的值為：

(3)

式中：

φ——填充率；

Q——螺旋擠壓機的運輸能力，t/h；

D——螺旋葉片的公稱直徑，m；

H——螺距，m；

n——螺旋軸轉(zhuǎn)速，r/min；

λ——物料特性，t/m3；

ε——傾斜輸送系數(shù)。

(2) 最大轉(zhuǎn)速：螺旋轉(zhuǎn)速在實際作業(yè)中，當輸送量Q為定值時，螺旋軸轉(zhuǎn)速不應(yīng)過快，且要根據(jù)物料屬性、螺旋擠壓機的功率對螺旋軸轉(zhuǎn)速進行配合，轉(zhuǎn)速的最大值由經(jīng)驗公式得出[13]：

(4)

式中：

A——物料的綜合系數(shù)。

2.2.2 幾何因素

(1) 螺旋傾角：隨著傾角的增大，重力分量逐漸在物料擠壓過程中顯現(xiàn)出來，使得顆粒之間的擠壓力增大。但螺旋擠壓機輸送物料的質(zhì)量與傾角緊密相關(guān)，其質(zhì)量流率隨傾角的增大而降低，并且越接近垂直狀態(tài)時，物料質(zhì)量流率的減小趨勢越大[14]，當螺旋擠壓機腔體內(nèi)質(zhì)量流率下降時，顆粒間的擠壓效果會降低，所以在分析螺旋傾角的過程中，也要考慮傾角增大帶來的輸送效率降低的問題。

(2) 螺距：螺距決定了物料在螺旋機內(nèi)的滑移角度，同時決定了螺旋葉片的升角，影響螺旋裝置的輸送效率和填充效率[15]，進而導致擠壓效率的改變。

(5)

式中：

s——螺距，mm；

D——螺旋軸直徑，mm；

φ——螺旋升角，°。

3 脫水機EDEM仿真及分析

3.1 動態(tài)模擬

利用軟件EDEM模擬顆粒在擠壓過程中的運動和受力情況，先合理選擇材料的物性參數(shù)，需處理的物料是餐廚垃圾，其密度和稻谷的密度相近，故采用稻谷密度代替。裝置采用鋼為材料，故幾何體采用鋼密度。接觸參數(shù)采用稻谷和鋼的數(shù)值，各參數(shù)取值見表3和表4。

表3 材料物理參數(shù)Table 3 Physical parameters of materials

表4 顆粒的接觸參數(shù)Table 4 Contact parameters of particles

單個顆粒體積為39.8 mm3，采用雙球模型來模擬物料顆粒的實際形狀，形狀的不規(guī)則性用正態(tài)分布來體現(xiàn)，顆粒均值為1，標準差為0.05，同時通過計算得到螺旋軸可容納顆粒個數(shù)約為71 554，表5為螺旋擠壓裝置在容納不同顆粒數(shù)目下的填充系數(shù)。

表5 填充系數(shù)對照表Table 5 Filling factor comparison table

餐廚垃圾的含水率一般為70%～85%，由于物料是濕顆粒，顆粒之間有黏性，故顆粒的接觸模型采用Hertz-Mindlin with JKR模型，顆粒與幾何體的接觸模型采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型。重力加速度取9.81 m/s2,求解器中模擬單位時間步長為6.5×10-5s，總時長為18～20 s，數(shù)據(jù)記錄時間間隔為0.01 s，網(wǎng)格單元個數(shù)為50 000～100 000，網(wǎng)格大小設(shè)置為最小半徑的3.0～3.5倍。顆粒模型和EDEM模型如圖3和圖4所示。

圖3 顆粒模型Figure 3 Particle model

圖4 EDEM模型Figure 4 The model of EDEM

3.2 數(shù)據(jù)分析與處理

3.2.1 填充率 模擬水平螺旋裝置，螺旋軸轉(zhuǎn)速為60 r/min，入料口處粒子生成速度分別為2 500，3 000，3 500顆/s，其T=18.5 s的填充率分別為41%，51%，60%時的顆粒運動情況(見圖5)。

圖5 T=18.5 s時不同填充系數(shù)的顆粒運動情況Figure 5 Particle motion with different filling coefficients when T=18.5 s

當T=18.5 s時，螺旋擠壓過程已進入穩(wěn)定狀態(tài)，填充率為60%的裝置擠壓段和充滿段長度比41%，51%的更長，擠壓力更大，擠壓更充分。

由圖6可知，當T<12 s時，擠壓過程尚未穩(wěn)定，在充滿段和擠壓段形成之前，隨著填充率的增加，顆粒所受擠壓力的增長不明顯。當T≥12 s時，物料顆粒所受擠壓力隨填充率的增大而增大，而且填充率越高，擠壓力的增長速率越大，表明填充率越高，物料顆粒的擠壓效果越好。

圖6 不同填充率下顆粒擠壓力變化曲線Figure 6 Variation curve of extrusion force under different filling rate

3.2.2 螺旋轉(zhuǎn)速對擠壓效果的影響 模擬水平螺旋裝置，入料口處粒子生成速度為4 000顆/s，螺旋軸轉(zhuǎn)速分別為60，80，100 r/min時的顆粒運動情況(見圖7)。

圖7 T=20 s時不同螺旋轉(zhuǎn)速的顆粒運動情況Figure 7 Particle motion at different screw speeds when T=20 s

當T=20 s，所有裝置擠壓過程穩(wěn)定時，60 r/min的擠壓效果最好，其擠壓段和充滿段長度更長，顆粒所受擠壓力更大。

由圖8可知，轉(zhuǎn)速越低，擠壓力發(fā)生明顯變化的時間越晚，擠壓力的變化速率越大，這是因為低螺旋轉(zhuǎn)速的裝置運輸能力低，形成擠壓段和充滿段所花費的時間長，但其在擠壓過程穩(wěn)定后，擠壓段和充滿段的長度比高螺旋轉(zhuǎn)速的更長，所以其擠壓力變化速率更大，物料顆粒間的擠壓更充分。因此，螺旋軸轉(zhuǎn)速越小，擠壓效果越好。

圖8 不同螺旋轉(zhuǎn)速下顆粒擠壓力變化曲線Figure 8 Variation curve of extrusion force under different screw speeds

3.2.3 傾角對擠壓效果的影響 模擬螺旋軸轉(zhuǎn)速為60 r/min時，入料口處粒子生成速度為3 000顆/s，傾角分別為0°，15°，30°時的顆粒運動情況(見圖9)。

圖9 T=18.5 s時不同傾角的顆粒運動情況Figure 9 The movement of particles with different inclinations when T=18.5 s

當T=18.5 s時，傾角越大，裝置尾部未被擠壓的粒子越多，但在傾角變化時，所有裝置的充滿段和擠壓段長度基本相同，擠壓力變化不明顯。

由圖10可知，0°，15°裝置的充滿段長度幾乎相同，但由于傾角的存在，15°裝置中顆粒在重力分量和螺旋軸軸向力的共同作用下，其擠壓效果更好。30°裝置顆粒平均擠壓力低于15°裝置的原因在于顆粒的重力分量過大，物料顆粒松散，甚至會掉落，所以造成擠壓效果變差，18.5 s時，顆粒在不同傾角裝置中所受擠壓力大小為15°裝置>0°裝置>30°裝置。因此，傾角為15°的裝置擠壓效果優(yōu)于0°和30°裝置。

圖10 不同傾角下顆粒擠壓力變化曲線Figure 10 Variation curve of extrusion force under different inclination angles

4 結(jié)論

借助離散單元法對顆粒進行力學分析，研究了影響變螺距擠壓裝置脫水效果的因素，并建立了螺旋擠壓裝置模型。結(jié)果表明，針對變螺距螺旋擠壓裝置，影響擠壓效果的因素包括填充率、轉(zhuǎn)速和傾角，填充率和轉(zhuǎn)速對擠壓力的影響明顯，而從0°～30°變化的傾角對擠壓力的影響較弱。在擠壓過程穩(wěn)定后，擠壓主要發(fā)生在小螺距軸段的擠壓段和充滿段。螺旋擠壓裝置在填充率為60%、轉(zhuǎn)速為60 r/min、傾角為15°時，擠壓性能會顯著提高。后續(xù)可以研究擠壓裝置對其他成分的餐廚垃圾的擠壓效果，并得出規(guī)律性結(jié)論。