常金攀 果 霖 賀小梅 王建坤 方啟明

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201)

餐廚垃圾為食物垃圾的一種。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，中國(guó)每年產(chǎn)生餐廚廢棄物4 000多萬(wàn)t，且還在以每年5%～10%的增速上漲。餐廚垃圾長(zhǎng)時(shí)間得不到處理，其有害物質(zhì)可能會(huì)不斷擴(kuò)散，進(jìn)而污染水資源，土地資源，危害人類(lèi)健康[2]。目前國(guó)內(nèi)外利用先進(jìn)的工藝技術(shù)和科技技術(shù)研制了餐廚垃圾處理設(shè)備，資金投入較大，設(shè)備維護(hù)成本較高，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，還無(wú)法保證處理效果達(dá)到預(yù)期。侯嘉鑫等[3]研制了一種綠色廚余垃圾處理器，但在壓榨過(guò)程中是通過(guò)人力進(jìn)行研磨和擠壓，處理效率低；羅文苑等[4]設(shè)計(jì)了一種小型餐廚垃圾處理設(shè)備，集自動(dòng)化、小型化、低能耗于一體，但無(wú)法調(diào)節(jié)螺旋桿轉(zhuǎn)速，壓縮效率不高；金榮通等[5]設(shè)計(jì)的廚余垃圾處理器，居民在家中可直接對(duì)廚房食物垃圾進(jìn)行初步處理但螺旋擠壓脫水裝置的壓縮距離過(guò)短，對(duì)食物殘?jiān)臄D壓力不夠，因此在排出時(shí)有水流帶出；黃將誠(chéng)等[6]設(shè)計(jì)了一種食物垃圾處理器，可以在攪拌和壓榨過(guò)程中進(jìn)行智能切換，操作簡(jiǎn)單，但在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面需進(jìn)一步優(yōu)化。王浩璇等[7]設(shè)計(jì)了一種餐廚垃圾渣液分離機(jī)，實(shí)現(xiàn)了快速而有效的固液分離，但在粉碎和固液分離的智能控制方面需進(jìn)一步優(yōu)化。

針對(duì)目前餐廚垃圾固液分離裝置中存在的脫水率低，出料不暢問(wèn)題，研究擬針對(duì)原有的餐廚垃圾固液分離裝置中螺旋軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并對(duì)螺旋軸進(jìn)行EDEM離散元仿真分析，對(duì)制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，旨在為新型固液分離裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參考和依據(jù)。

1 固液分離裝置螺旋軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的餐廚垃圾處理器主要包括粉碎裝置、固液分離裝置、油水分離裝置、控制裝置4部分，壓縮裝置作為餐廚垃圾處理器的關(guān)鍵部分，由機(jī)架、減速機(jī)、螺旋桿、出料葉片、出料板、過(guò)濾網(wǎng)等組成。固液分離裝置的關(guān)鍵部件為螺旋軸，其決定了脫水率的高低。圖1為基于Creo三維制圖軟件繪制的固液分離裝置三維圖。

1. 機(jī)架 2. 底板 3. 出水口 4. 進(jìn)料口 5. 分離中板 6. 減速機(jī)板 7. 減速機(jī) 8. 出料葉片 9. 螺旋軸 10. 出料口 11. 過(guò)濾網(wǎng) 12. 外殼 13. 底座圖1 固液分離裝置Figure 1 Solid liquid separation device

1.1 工作原理

餐廚垃圾處理過(guò)程：將餐廚垃圾緩慢投入粉碎裝置進(jìn)料口處，粉碎，研磨，粉碎后的餐廚垃圾直徑約為3 mm，在水流的沖擊下流入固液分離裝置進(jìn)行擠壓脫水。擠壓脫水工作原理：食物殘?jiān)诼菪S的輸送階段作軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，水流經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)排出，剩下的固體殘?jiān)惠斔椭翂嚎s階段，隨著空間逐漸變小，進(jìn)入壓縮階段后在螺旋軸和濾網(wǎng)的擠壓和摩擦下將殘?jiān)械乃趾陀椭?jīng)過(guò)濾網(wǎng)縫隙排出，而固體殘?jiān)诼菪S的離心力和出料葉片的旋轉(zhuǎn)作用下排出。擠壓脫水過(guò)程中，可以通過(guò)控制裝置調(diào)節(jié)螺旋軸轉(zhuǎn)速，處理含纖維量不同的食物殘?jiān)?/p>

1.2 螺旋軸結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

螺旋軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有螺旋輸送距離、螺旋壓縮距離、螺旋軸壓縮端直徑、螺旋葉片直徑、螺旋葉片厚度、螺距等。為了進(jìn)一步研究螺旋壓縮距離、螺旋軸壓縮端直徑和螺旋葉片直徑3個(gè)因素對(duì)螺旋軸工作性能指標(biāo)的影響，采用L9(34)的正交表進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，并應(yīng)用EDEM軟件進(jìn)行模擬仿真，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Table of test factors

由表2可知，平均受力最優(yōu)方案為A2B3C2，平均速度最優(yōu)方案為A2B2C1。對(duì)于平均受力指標(biāo)來(lái)講，B的極差最大，故取B2最好；對(duì)于平均速度指標(biāo)來(lái)說(shuō)，C的極差最大，故取C1最好。因此最優(yōu)的參數(shù)組合為A2B3C1，即螺旋軸壓縮距離180 mm，螺旋軸壓縮端直徑96 mm，螺旋葉片直徑97 mm，根據(jù)樣機(jī)大小，將螺旋軸總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為553 cm，螺旋葉片厚度選取4 mm，螺距為50～10 mm線性漸變，進(jìn)料螺旋均選用15°螺旋角。圖2為優(yōu)化后的螺旋軸二維圖。

圖2 螺旋軸二維圖Figure 2 Two-dimensional plot of the helix axis

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Test scheme and test results table

2 EDEM仿真分析

2.1 仿真模型建立

通過(guò)Creo軟件建立餐廚垃圾固液分離裝置優(yōu)化后的三維模型，為了使EDEM離散元仿真計(jì)算更加方便、準(zhǔn)確，對(duì)固液分離裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略不必要的結(jié)構(gòu)。保留固液分離裝置中的螺旋桿、過(guò)濾網(wǎng)、出料葉片、出料板、進(jìn)料口等結(jié)構(gòu)，省去減速器、機(jī)架等結(jié)構(gòu)。將三維模型保存為*.igs格式，導(dǎo)入EDEM前，選擇以毫米為單位進(jìn)行導(dǎo)入，導(dǎo)入EDEM后的固液分離裝置實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 壓縮裝置實(shí)體模型Figure 3 Solid model of the compression unit

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

導(dǎo)入模型后，對(duì)殘?jiān)w粒和不銹鋼的物理特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)置(見(jiàn)表3)。對(duì)導(dǎo)入后的螺旋軸添加驅(qū)動(dòng)，速度方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?00 r/min，結(jié)束時(shí)間≥仿真時(shí)間。添加虛擬幾何體至食物殘?jiān)M(jìn)口處，于幾何體上添加顆粒工廠，設(shè)置動(dòng)態(tài)生成顆粒，顆粒總數(shù)30 000，生成速度1 000顆/s，顆粒初始速度1 m/s，速度方向垂直于食物殘?jiān)M(jìn)口界面，對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，保存。仿真前，設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為20%，仿真時(shí)間22 s,采樣時(shí)間0.05 s，選取合適的單元網(wǎng)格。仿真完成后，進(jìn)入Analysis界面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

表3 材料屬性參數(shù)Table 3 Property parameters of the material

2.3 顆粒接觸模型

EDEM仿真可以獲得包括顆粒等疏松材料與機(jī)器表面相互作用的內(nèi)部行為，系統(tǒng)內(nèi)元素之間相互碰撞的級(jí)別、頻率和分布，每個(gè)顆粒的速度和位置，與散貨中顆粒沖擊、磨損、凝聚和分離相關(guān)的能量，金屬微粒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力鏈和結(jié)構(gòu)完整性[8]。

運(yùn)用EDEM離散元軟件進(jìn)行壓縮過(guò)程仿真，用顆粒模型代替食物殘?jiān)畲蟪潭鹊剡€原食物殘?jiān)奈锢硖匦?，使仿真結(jié)果更加接近真實(shí)情況，圖4為顆粒模型，顆粒直徑大小為4 mm左右，質(zhì)量為2.4 g，表4為材料的相互接觸參數(shù)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，顆粒與顆粒之間會(huì)產(chǎn)生相互作用力。物料之間存在相互作用的黏性力、碰撞力等[9]，Hertz-Mindlin模型是EDEM中使用的默認(rèn)模型，在力的計(jì)算方面精確且高效。該模型中，法向力分量基于Hertzian接觸理論[10]，切向力模型基于Middlin-Deresiewicz模型[11]。因此，根據(jù)實(shí)際情況，采用Hertz-Mindlin with bonding接觸模型[12-13]。

表4 材料的相互接觸參數(shù)Table 4 Mutual contact parameters of the materials

圖4 顆粒模型Figure 4 The particle model

2.4 結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)餐廚垃圾固液分離裝置仿真產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到優(yōu)化后的螺旋軸顆粒速度云圖、受力云圖、出料口最大速度變化圖、出料口最大受力變化圖如圖5～圖8所示。

由圖5、圖6可知，顆粒在固液分離裝置中經(jīng)過(guò)輸送階段和壓縮階段，輸送過(guò)程中，顆粒的速度、受力逐漸增大，在出料口處達(dá)最大。由圖7、圖8可知，物料在8 s內(nèi)被擠壓排出，8 s后顆粒的速度和受力幅度平穩(wěn)，固液分離裝置穩(wěn)定運(yùn)行。因此，選取8～11 s擠壓過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得出固液分離裝置出料口的受力范圍為2.7～4.5 N，平均受力3 N，出料速度范圍為1.3～4.7 m/s，平均速度1.9 m/s，該受力結(jié)果滿(mǎn)足餐廚垃圾固液分離裝置正常工作要求。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，需制作樣機(jī)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖5 顆粒速度云圖Figure 5 Particle velocity cloud map

圖6 顆粒受力云圖Figure 6 Cloud map of particle particles

圖7 出料口最大速度變化圖Figure 7 Maximum speed change diagram of the material outlet

圖8 出料口最大受力變化圖Figure 8 Maximum force change diagram of the feeding outlet

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件

選用餐廳的熟食作為試驗(yàn)材料，主要包括肉類(lèi)、蔬菜、米飯等。對(duì)熟食進(jìn)行粉碎，粉碎后的殘?jiān)谒鞯臎_擊下進(jìn)入固液分離裝置，水流通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)流入下水道，固體殘?jiān)诼菪S和過(guò)濾網(wǎng)的擠壓和摩擦下，經(jīng)出料口排出，對(duì)擠出的物料進(jìn)行后續(xù)分析。

3.2 試驗(yàn)方法

為了使試驗(yàn)結(jié)果更具普遍性，對(duì)優(yōu)化前后的螺旋軸進(jìn)行比較，分別投入20，25，30，35，40，45 kg物料，計(jì)算每次試驗(yàn)物料的脫水率ω及處理量M，含水率ω0通過(guò)WL型餐廚垃圾含水率測(cè)定儀器測(cè)出，并按式(1)、式(2)分別計(jì)算物料脫水率和處理量。

(1)

(2)

式中：

ω——物料脫水率，%；

M——物料處理量，kg/h；

M1——投入粉碎機(jī)原始物料質(zhì)量，kg；

M2——擠出物料質(zhì)量，kg；

M——擠出物料處理量，kg/h；

T——擠出物料所需時(shí)間，h。

3.3 結(jié)果與分析

由表5可知，當(dāng)物料原始質(zhì)量為30 kg時(shí)，優(yōu)化前，餐廚垃圾固液分離裝置的平均擠出物料質(zhì)量為10.6 kg，平均處理量為106.38 kg/h，平均脫水率為64.68%，擠出物料的平均含水率為78.98%；優(yōu)化后，餐廚垃圾固液分離裝置的平均擠出物料質(zhì)量為5.52 kg，平均處理量為315.5 kg/h，平均脫水率為81.4%，擠出物料的平均含水率為53.38%；優(yōu)化后的脫水效果優(yōu)于優(yōu)化前的，說(shuō)明優(yōu)化后的裝置在出料順暢的情況下，提高了物料的脫水率。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental data table

4 結(jié)論

(1) 優(yōu)化后的餐廚垃圾固液分離裝置螺旋軸結(jié)構(gòu)輸送長(zhǎng)度為373 mm，壓縮長(zhǎng)度為180 mm，螺旋軸壓縮端直徑為96 mm，螺旋葉片直徑為98 mm，總長(zhǎng)度為553 mm。

(2) 通過(guò)EDEM離散元仿真軟件對(duì)擠壓過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得出固液分離裝置出料口的受力范圍為2.7～4.5 N，平均受力3 N，出料速度范圍為1.3～4.7 m/s，平均速度1.9 m/s，固體殘?jiān)诼菪S輸送階段速度、受力穩(wěn)定，在物料被擠出前，隨著時(shí)間的增加，物料的速度和擠壓力逐漸增大，且在出料口處均達(dá)最大值。

(3) 通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了EDEM對(duì)餐廚垃圾固液分離裝置仿真的效果，優(yōu)化后的螺旋軸脫水效果優(yōu)于優(yōu)化前，說(shuō)明正交試驗(yàn)得出的參數(shù)為螺旋軸最優(yōu)參數(shù)。

(4) 試驗(yàn)對(duì)螺旋軸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，此外，后續(xù)可以考慮通過(guò)優(yōu)化過(guò)濾網(wǎng)孔隙直徑的方式來(lái)提高食物殘?jiān)拿撍省?/p>