關(guān)鍵詞：陳腐垃圾；篩分預(yù)處理；設(shè)計方案

中圖分類號：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500(2025)07-0047-03

DOI: 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.07.013

Research on Design and Optimization of Equipment for High-Efficiency Screening and Pretreatment of Stale Refuse

WANG Zhongxing (Shandong Qunfeng Heavy Industry Technology Co.，Ltd.，Dezhou2534Oo， China)

Abstract:Inviewof theproblemssuchaslowscreeningpretreatmenteficiencyandvulnerableequipmentintheprocesofurban stalerefuse treatment，theesignoptimiationofhgeciencysreeingpretreamentequpmentwascariedout.Bystablising multi-objectiveotiizatiomodel，teoptiationoectivsofeystucturalparametersndpeformanceidexesareetened Basedontheoreticalanalysisandsimulationverification，theoptimizationschemeofnewanti-cloggingscren structureand intelligentcontrolsystem is proposed.Theoptimizedequipmentadopts modularstructuredesignand integratesadaptive adjustmentfunction，hichprovidestechnicalsupportforimprovingthesreeningandpretreatmenteficiencyofobsoleteaste. Keywords: stale refuse; screening pretreatment; design scheme

隨著城市化進(jìn)程的加快，陳腐垃圾處理問題日益突出。陳腐垃圾具有含水率高、粒度分布廣、有機(jī)質(zhì)含量高等特點，這些特性導(dǎo)致傳統(tǒng)篩分設(shè)備普遍存在效率低、易堵塞、磨損嚴(yán)重等問題。針對上述技術(shù)難題，需開發(fā)一種高效、可靠的篩分預(yù)處理裝備。開展陳腐垃圾高效篩分預(yù)處理裝備的設(shè)計與優(yōu)化研究，對提高處理效率、延長設(shè)備使用壽命、降低運(yùn)行成本具有重要意義。本研究將從設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化兩個方面入手，提出系統(tǒng)的解決方案。

括粗破碎機(jī)、輸送機(jī)、滾筒篩及風(fēng)選機(jī)。粗破碎機(jī)采用雙軸剪切破碎結(jié)構(gòu)，可高效處理大尺寸物料，控制出料粒度在 300mm 以下。輸送機(jī)采用變頻調(diào)速的皮帶輸送結(jié)構(gòu)，配備防跑偏和防堵塞裝置，確保物料輸送的連續(xù)性和均勻性。滾筒篩采用雙層篩筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)層為多邊形結(jié)構(gòu)，外層為圓柱形，兩層之間形成自清潔通道，有效防止篩孔堵塞，提高篩分效率。風(fēng)選機(jī)采用重力分選與氣流分離原理，能夠?qū)崿F(xiàn)輕質(zhì)物料的高效分離[]。

1篩分預(yù)處理裝備設(shè)計方案

2關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

篩分預(yù)處理裝備設(shè)計采用整體閉環(huán)的框架結(jié)構(gòu)，其主要功能單元如圖1所示。裝備的核心功能模塊包

2.1優(yōu)化目標(biāo)與約束條件篩分預(yù)處理裝備的優(yōu)化目標(biāo)包含篩分效率、設(shè)

垂直方向振動加速度應(yīng)小于 0.8g （重力加速度），水平方向振動加速度應(yīng)小于 0.5g ，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型

基于關(guān)鍵參數(shù)的相互作用關(guān)系，建立以篩分效率最大化、設(shè)備壽命最長化、能耗最小化為目標(biāo)的優(yōu)化模型。采用加權(quán)歸一化法處理多目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建綜合評價指標(biāo) F 優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

F=w₁?E+w₂?L-w₃?P

式中： w₁，w₂ 、 w₃ 為權(quán)重系數(shù)，通過層次分析法確定，分別取值0.4、0.35、0.25。各子目標(biāo)函數(shù)通過無量綱化處理轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一量綱。篩分效率目標(biāo)函數(shù)E 主要考慮物料分離度（目標(biāo)粒度物料的分離比例）和處理量（單位時間處理物料的質(zhì)量）的綜合影響。其中，物料分離度受篩孔尺寸、轉(zhuǎn)速和傾角影響，處理量與進(jìn)料量和物料含水率相關(guān)。設(shè)備壽命目標(biāo)函數(shù)L 主要考慮篩網(wǎng)磨損和軸承壽命兩個方面。其中，篩網(wǎng)磨損與物料硬度、含水率及沖擊力有關(guān)，軸承壽命與載荷大小和轉(zhuǎn)速密切有關(guān)[3。能耗目標(biāo)函數(shù) P 能夠反映單位處理量的功率消耗，與總功率和處理量的比值相關(guān)?？紤]參數(shù)之間的耦合關(guān)系，引入正交試驗方法確定各參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的影響程度。

備壽命和能耗3個方面。篩分效率主要考慮物料分離度和處理量，通過建立評價函數(shù)進(jìn)行量化。篩分效率目標(biāo)函數(shù) E 的表達(dá)式為

E=f(η，Q)

式中： η 為分離效率； Q 為單位時間處理量。

設(shè)備壽命主要關(guān)注篩網(wǎng)磨損率和軸承壽命，建立壽命預(yù)測模型。設(shè)備壽命目標(biāo)函數(shù) L 的表達(dá)式為

式中： W 為磨損率； N 為軸承壽命系數(shù)。

能耗評價采用單位處理量功耗指標(biāo)，能耗目標(biāo)函數(shù) P 的表達(dá)式為

P=M/Q

式中： M 為設(shè)備運(yùn)行功率。

約束條件涵蓋結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)3個層面[2]。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)約束，篩筒長度為 2000～ 3000mm 、篩筒直徑為 800～1200mm ，篩孔尺寸為40～60mm 。工藝參數(shù)約束包括進(jìn)料含水率 ?60% 、進(jìn)料粒度 ?200mm 。根據(jù)運(yùn)行參數(shù)約束，轉(zhuǎn)速為10～25r/min ，傾角為 10°～20° 。此外，考慮到物料特性，對進(jìn)料裝置的給料均勻性提出要求，波動系數(shù)需控制在 15% 以內(nèi)。對振動幅度設(shè)置了限制條件，

2.3參數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化計算結(jié)果顯示，在給定約束條件下，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合為篩筒長度 2500mm 、直徑1000mm 、篩孔尺寸 50mm ，最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)為轉(zhuǎn)速18r/min 、傾角 15^° 。優(yōu)化后的性能指標(biāo)對比結(jié)果如表1所示，篩分效率達(dá)到 92% ，篩網(wǎng)設(shè)計壽命從1 000h 提升至 1 300h ，單位處理量能耗明顯降低。參數(shù)靈敏度分析表明，轉(zhuǎn)速和傾角對篩分效率影響最大，兩者的貢獻(xiàn)率分別為 32% 和 28% 。篩孔尺寸與篩網(wǎng)壽命呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 -0.85 。進(jìn)料含水率對能耗影響最大，當(dāng)含水率超過 50% 時，能耗急劇上升。通過響應(yīng)面分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速與傾角存在交互作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 18r/min 時，傾角的影響最顯著[4]。

3 優(yōu)化方案驗證

3.1 仿真分析驗證

采用ANSYSWorkbench軟件進(jìn)行有限元分析，建立篩分機(jī)構(gòu)的三維實體模型。網(wǎng)格劃分采用六面體主導(dǎo)方法，網(wǎng)格單元數(shù)量為286542個，節(jié)點數(shù)量為312658個。邊界條件設(shè)置：篩筒兩端軸承支撐，施加重力載荷和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。模態(tài)分析結(jié)果表明，裝備前六階固有頻率分別為8.76、12.43、15.87、21.54、26.92、 31.45Hz ，與工作頻率存在足夠的裕度，避免了共振風(fēng)險。動力學(xué)仿真分析表明，在優(yōu)化工況下，篩筒最大變形量為 2.36mm ，最大應(yīng)力為 156MPa 均低于設(shè)計限值。通過CFD軟件模擬物料運(yùn)動軌跡，驗證了優(yōu)化后參數(shù)組合的合理性[5。從物料運(yùn)動軌跡分析可見，在給定的工作參數(shù)下，物料沿篩面呈螺旋式運(yùn)動。物料在篩面停留時間平均為 4.2s ，與理論計算值4.5s基本吻合，相對誤差為 6.7% 。篩分過程中物料分布均勻，篩孔利用率達(dá)到 85% ，驗證了優(yōu)化方案的可行性。

3.2性能指標(biāo)評價

基于仿真結(jié)果建立性能評價體系，從篩分效果、運(yùn)行穩(wěn)定性和工藝適應(yīng)性3個維度進(jìn)行綜合評價。篩分效果評價指標(biāo)包括分離效率、處理量和分離精度，運(yùn)行穩(wěn)定性評價指標(biāo)包括振動強(qiáng)度、噪聲水平和溫升，工藝適應(yīng)性評價指標(biāo)包括含水率適應(yīng)范圍和粒度適應(yīng)范圍。評價結(jié)果顯示，優(yōu)化后的裝備在額定工況下，物料分離效率達(dá)到 92% ，粒徑小于 50mm 的物料分離精度為 95% ，處理量穩(wěn)定在3.2t/h 。設(shè)備振動加速度最大值為 0.62g ，運(yùn)行噪聲控制在 85dB 以內(nèi)，軸承溫升不超過 35K 。含水率適應(yīng)范圍擴(kuò)大到 25%～65% ，物料粒度適應(yīng)范圍為20～200mm 。

3.3 可靠性評估

通過加速壽命試驗和失效模式分析，對裝備關(guān)鍵部件進(jìn)行可靠性評估。試驗在模擬工況下進(jìn)行，采用應(yīng)力加速方法，加速因子取1.5。經(jīng)過 1000h 的考核試驗，記錄各部件的失效數(shù)據(jù)和磨損情況。裝備可靠性評估結(jié)果如表2所示。在設(shè)計壽命 1 300h 內(nèi)，篩網(wǎng)系統(tǒng)的平均無故障工作時間為 800h ，可靠度為

0.92 。軸承系統(tǒng)平均無故障工作時間達(dá)到 2000h 可靠度為 0.95 。驅(qū)動裝置的平均無故障工作時間為1500h ，可靠度為 0.97 。整機(jī)系統(tǒng)的平均無故障工作時間為 600h ，可靠度為0.85，滿足連續(xù)運(yùn)行要求。失效模式分析結(jié)果顯示，篩網(wǎng)磨損和堵塞是主要失效模式，占比達(dá)到 65% 。

4結(jié)論

通過對陳腐垃圾高效篩分預(yù)處理裝備的設(shè)計優(yōu)化研究，建立了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。優(yōu)化后的裝備采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，集成了智能控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略方面均有創(chuàng)新。該研究不僅提出了切實可行的工程解決方案，還建立了具有普遍意義的優(yōu)化設(shè)計方法，對提升陳腐垃圾處理裝備的技術(shù)水平具有重要的參考價值。

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