張 燕，鄭慶強(qiáng)

（1.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277569；2.棗莊職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277100）

0 引言

在政府的大力倡導(dǎo)下，城鎮(zhèn)生活區(qū)普遍實(shí)現(xiàn)了垃圾的分類收集。對于分類后的廚余垃圾進(jìn)行壓榨脫水好氧堆肥是垃圾處理的一個重要途徑。基于此，通過試驗(yàn)研究菜市場垃圾有機(jī)物壓縮、脫水特性特點(diǎn)和現(xiàn)有有機(jī)物壓縮脫水設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)一種新型菜市場有機(jī)垃圾脫水機(jī)。該脫水機(jī)既可完成物料的輸送，又可實(shí)現(xiàn)壓縮脫水及簡單的破碎，將垃圾資源化。

本文以螺旋壓縮理論研究為基礎(chǔ)，選取不同季節(jié)菜市場垃圾作為試驗(yàn)原材料進(jìn)行脫水試驗(yàn)，取得有機(jī)垃圾的壓縮脫水特性及保壓時(shí)間和脫水率的關(guān)系數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)，充分考慮螺旋壓縮脫水機(jī)螺旋體的工作特點(diǎn)，從材料選擇、螺旋軸結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保經(jīng)螺旋壓榨脫水機(jī)處理后的顆粒粒徑和含水率可滿足廚余垃圾高溫好氧堆肥的條件。

1 螺旋壓縮理論研究

螺旋壓縮是通過螺旋葉片間的推力使物料向前移動，從而使物料壓縮物料產(chǎn)生推力，壓榨螺旋的螺距減小，使物料所含的水分被擠壓出來。有機(jī)垃圾含有大量的水分，含水率高達(dá)50%～92%。為提高脫水率，主壓縮倉設(shè)計(jì)篩壁和錐形體，錐形體后部裝有彈簧，通過調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力和位置，可改變排阻力和出渣口的大小，用來調(diào)節(jié)壓榨的干濕程度。用該類螺旋軸進(jìn)行壓縮脫水不僅能完成正常螺旋軸的輸送、壓縮功能，還能較好地減少物料浪費(fèi)、節(jié)省電機(jī)耗能。

2 垃圾壓縮脫水特性研究

試驗(yàn)采用的菜市場有機(jī)垃圾壓縮脫水性能檢測裝置有六大組成部分，包括機(jī)體、千斤頂、壓縮活塞、壓縮倉、位移傳感器、壓力傳感器以及滲濾液收集裝置。該裝置借助于千斤頂及活塞運(yùn)動壓縮有機(jī)垃圾，利用位移傳感器、壓力傳感器和秒表記錄位移、壓力和時(shí)間參數(shù)；利用天平分別對收集的滲濾液及烘干前后壓縮倉內(nèi)的殘余垃圾稱重，進(jìn)行有機(jī)垃圾壓縮脫水性能研究[1]。

選取的試驗(yàn)原材料包括以西瓜皮、小西紅柿、芹菜等為主的夏季菜場混合物，或者選取大白菜、冬瓜皮等為主的冬季菜場混合物。試驗(yàn)過程：選擇部分廚余垃圾物料，經(jīng)天平稱量，記下物料重量M1后放入壓縮倉，調(diào)試實(shí)驗(yàn)裝置并校對位移傳感器的初始值，通過活塞工作對物料施加壓力，分別記下壓力傳感器值和位移傳感器值和秒表記錄保壓時(shí)間；用事先準(zhǔn)備好的容器收集壓縮液，將不同時(shí)刻收集好的壓縮液用天平稱重，記錄相應(yīng)時(shí)刻壓縮出水重量N1、N2、N3、…。完成一組試驗(yàn)后關(guān)閉電源，將壓縮倉內(nèi)脫水后的垃圾取出并稱重M2，M1-M2即脫水總量，脫水率γ=（M1-M2）/M1×100%。另外，從M2中取樣m1，對其烘干并稱重得m2，可以計(jì)算出壓縮后物料的含水率ξ=（m1-m2）/m1×100%。

利用Origin 軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及回歸擬合曲線，得出位移、壓強(qiáng)以及壓縮比的變化關(guān)系（圖1）和保壓時(shí)間一定時(shí)的脫水率隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系（圖2）。

圖1 位移、壓強(qiáng)、壓縮比的變化關(guān)系曲線

圖2 保壓時(shí)間一定時(shí)脫水率隨壓強(qiáng)變化曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定生活垃圾中轉(zhuǎn)壓縮時(shí)需要的壓強(qiáng)取值范圍，一般建議為1.5～2.4 kg/cm2[2]。該數(shù)據(jù)為垃圾壓縮機(jī)的重要參數(shù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，即脫水壓強(qiáng)（1 kg/cm2=98 kPa）。

除了脫水壓強(qiáng)之外，脫水保壓時(shí)間則是影響有機(jī)垃圾壓縮脫水機(jī)工作性能的另一個重要參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，保壓時(shí)間在30 s 左右時(shí)，有機(jī)垃圾壓縮脫水機(jī)的工作效率比較高，而且耗能較低。將圖2 保壓30 s 的曲線進(jìn)行變換，可得到30 s 保壓時(shí)間下的脫水率。大白菜脫水試驗(yàn)得出合理的壓強(qiáng)為2.4 kg/cm2左右，最佳保壓時(shí)間為30 s。

3 壓縮機(jī)螺旋體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

螺旋體的主體是螺旋軸，螺旋軸的設(shè)計(jì)主要考慮其在壓榨脫水時(shí)的工作條件和所要滿足的工作要求，確定出螺旋軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如：螺旋軸直徑、壓縮比、螺距和螺旋槽深度等。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)試驗(yàn)情況對其進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核，以防止螺旋軸在工作中受各種阻力及物料的摩擦力而磨損，甚或是因強(qiáng)度不夠而破壞。為提高脫水率，設(shè)計(jì)螺旋壓縮機(jī)時(shí)可適當(dāng)考慮軸向和徑向都有力作用于物料，即：選用變徑變螺距的螺旋軸[3]。

3.1 螺旋軸的材料選擇

3.1.1 確定轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是決定脫水機(jī)生產(chǎn)能力的一個主要因素，而影響螺旋軸轉(zhuǎn)速的主要因素是物料在脫水機(jī)內(nèi)停留的時(shí)間。由于本脫水機(jī)壓縮倉的橫截面較大，脫水較為困難，故應(yīng)選擇較高的螺旋轉(zhuǎn)速，螺旋軸直徑越大轉(zhuǎn)速相對越低，故選擇小直徑的螺旋轉(zhuǎn)速，一般為5～20 r/min。綜合實(shí)際生產(chǎn)等設(shè)計(jì)因素，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)速為6.5 r/min。

3.1.2 螺旋軸的材料

結(jié)合螺旋脫水機(jī)工作特點(diǎn)及螺旋軸的受力狀態(tài)，該脫水機(jī)螺旋軸選擇鑄造結(jié)構(gòu)，即螺旋葉片和軸是一個整體，采用鑄造性能較好的鑄鋼材料。鑄剛強(qiáng)度高、塑性好，切削性能良好，圖3 為螺旋壓榨脫水機(jī)螺旋軸局部效果圖。

圖3 螺旋軸局部效果

3.2 螺旋軸結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

螺旋壓縮脫水機(jī)的螺旋軸在結(jié)構(gòu)上分為輸送段和壓縮段，輸送段起到計(jì)量和喂料的作用，它將給料機(jī)輸送的物料經(jīng)螺旋葉片輸送至螺旋軸的壓縮段，以利于進(jìn)料和輸送；壓縮段實(shí)現(xiàn)以很大的軸向力將輸送至螺旋軸的物料強(qiáng)行推入脫水機(jī)后部的壓縮倉內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)足夠的脫水壓力。螺旋軸的參數(shù)主要包括軸徑、螺距、葉片厚度及螺旋升角等，各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)。要確定合適的軸徑和螺距必須考慮螺旋面和物料的摩擦關(guān)系，從而明確物料的滑移方向，其次要考慮物料滑移速度分量的合理分布，還要綜合考慮生產(chǎn)及脫水效率等綜合因素設(shè)計(jì)。

3.2.1 螺旋軸軸徑

參考試驗(yàn)結(jié)論及同類產(chǎn)品的尺寸規(guī)格，根據(jù)實(shí)際情況，外徑取值：D=Φ=400 mm，軸徑取值：d=（0.20～0.35）D=80～140 mm，本文螺旋軸直經(jīng)為100 mm，軸長為1500 mm。

3.2.2 螺距和螺距數(shù)目

輸送段的螺距大小決定著進(jìn)料的難易程度，故一般輸送段的螺距取值較大，考慮物料整體顆粒的大小及整臺設(shè)備的長度，螺距取值：L=320 mm；因?yàn)閴嚎s段要提供足夠大的軸向力以實(shí)現(xiàn)脫水的目的，故在外徑確定的情況下，螺距越小螺旋升角越小，軸向力越大，故壓縮段的螺距一般取值較小，?。篖=240 mm。另外，應(yīng)考慮物料與螺旋葉片及物料與壓縮倉之間的摩擦因數(shù)大小，以防止出現(xiàn)“抱死”現(xiàn)象。綜合整個設(shè)備的長度，取輸送段螺距數(shù)目為2，壓縮段螺距數(shù)目為2。圖4 為螺旋軸結(jié)構(gòu)仿真圖，輸送段螺距較大，壓縮段螺距較小。

圖4 螺旋軸整體結(jié)構(gòu)仿真

3.2.3 螺旋葉片厚度選取

螺旋葉片的厚度和葉片的材料、軸向力的大小及葉片和軸的連接方式有關(guān)。初步取螺旋葉片的厚度為10 mm。

3.2.4 旋槽深度

螺旋槽的深度是螺旋軸外半徑與根半徑之間的差值，取值參考物料的脫水性質(zhì)，易脫水的物料取大值，反之取小值，一般?。?.2～0.3）D。若螺旋槽過深，則物料層變厚，會增加脫水難度，而且易發(fā)生打滑現(xiàn)象。因此該螺旋脫水機(jī)螺旋槽深度取值為400/2-100/2=150 mm，稍微大于0.3D。

3.2.5 螺旋升角

在螺旋軸的設(shè)計(jì)過程中，螺旋升角不能太大，否則不能起到推動物料前進(jìn)的作用，圖5 所示為螺旋葉片的提升角。圖中斜邊L 與周長πD 的夾角為螺旋外提升角α1，斜邊l 與πd 之間的夾角為內(nèi)提升角α2，α2＞α1，并且（α2—α1）連續(xù)漸漸升高。

圖5 螺旋提升角示意

如圖6 所示，處于螺旋葉片外緣的物料M，受到螺旋葉片推動而向右前進(jìn)，螺旋葉片施加于物料M 的法向壓力為N，N的軸向分力Ncosɑ1，促使物料M 前進(jìn)。與此同時(shí)，M 又受到摩擦阻力Nf1的影響（其中f1為物料M 與葉片之間的摩擦因數(shù)，f1=tgρ，ρ 為物料M 與葉片之間的外摩擦角），摩擦阻力的軸向分力為Nf1sinα1，成為物料向前運(yùn)動的阻力。因此要使物料向前運(yùn)動，必須滿足的條件為：Ncosɑ1≥Nf1sinα1，即：ctgɑ1≥f1=tgρ，所以有：ɑ1≤90°-ρ。同樣對于螺旋內(nèi)角也可以得到：ɑ2≤90°-ρ。由于ɑ2＞α1，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算螺旋提升角時(shí)，只需驗(yàn)算ɑ2是否滿足條件即可。本設(shè)計(jì)中，tgɑ2==1.108 6，ɑ2=arctg45.53°。

圖6 物料在螺旋葉片上受力分析

3.3 螺旋軸的設(shè)計(jì)

螺桿在工作中受物料壓力F、螺桿本身的自重以及克服物料流動阻力的力矩。螺桿在擠壓脫水機(jī)內(nèi)為懸臂梁，螺桿為浮動式[4]，彎矩可以忽略不計(jì)。對螺桿的強(qiáng)度校核時(shí)，要考慮螺桿所受的徑向壓力，即為壓、扭、彎組合作用的復(fù)合計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，初步選定螺旋軸直徑100 mm，對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行彎扭合成強(qiáng)度校核。

對于鋼制螺旋軸可按第三強(qiáng)度理論計(jì)算，強(qiáng)度條件為：σca=則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為：σca=［σ-1］，推得螺旋軸設(shè)計(jì)公式為：d3≥。其中，σca是軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa；M 是軸所受的彎矩，N·mm；T 是軸所受的扭矩，N·mm；W 是螺旋軸危險(xiǎn)截面彎曲截面系數(shù)，mm3。其中，W為抗彎截面模量，且W=≈0.1d3，M 為危險(xiǎn)截面上的合成彎矩，可根據(jù)電機(jī)功率計(jì)算得出。

由于芯軸工作時(shí)只受彎矩不受扭矩，計(jì)算時(shí)應(yīng)取T=0。

實(shí)體材料以45#鋼為例，彎曲許用應(yīng)力為245～275 MPa[6]，設(shè)計(jì)中取245 MPa。在要使螺旋軸獲得等強(qiáng)度，根部的螺桿軸直徑需滿足：d3≥0.00 873 347，得到d≥0.095 586 29 m。這里螺旋軸取值為100 mm，滿足彎扭聯(lián)合強(qiáng)度要求。

通過推演計(jì)算，確定螺旋體結(jié)構(gòu)參數(shù)（表1）。

表1 脫水機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)語

通過對螺旋壓縮機(jī)的理論研究，參照菜場垃圾的壓縮脫水特性，對螺旋體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)分析并初步確定關(guān)鍵參數(shù)，基于此，可對螺旋體的受力情況做進(jìn)一步的分析計(jì)算，進(jìn)而研究脫水機(jī)的其他幾個核心部件，如螺旋軸的動力源選型、主壓縮倉的設(shè)計(jì)以及反壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。