趙維松，朱德文，曲浩麗，謝 虎，王冬冬，韓柏和，曹 杰

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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斷齒式螺旋擠壓裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙維松，朱德文，曲浩麗，謝 虎，王冬冬，韓柏和，曹 杰

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

螺旋擠壓裝置是影響擠壓分離機(jī)工作性能的關(guān)鍵部件，為了提高其分離效率，采用兩段式變螺距設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種連續(xù)葉片與斷齒葉片相結(jié)合、具有切割功能的斷齒式螺旋擠壓器，并對(duì)篩網(wǎng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出一種斷齒式螺旋擠壓裝置。以豬糞為原料，以擠出物含水率和擠出固形物產(chǎn)量為考核指標(biāo)，進(jìn)行了脫水分離性能試驗(yàn)，并與連續(xù)式螺旋擠壓分離機(jī)進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：斷齒式螺旋擠壓裝置能夠大幅度地提高畜禽糞污的分離速度，擠出固形物產(chǎn)量約為460kg/h，擠出物含水率約為60%；與連續(xù)式螺旋擠壓分離裝置相比，具有建壓時(shí)間短、出料阻力小及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿足畜禽糞污高效分離的生產(chǎn)工藝要求。

高濃度糞污；擠壓脫水；斷齒螺旋

0 引言

我國畜禽糞污年產(chǎn)量接近40億t/年，沼液沼渣年產(chǎn)量超過3億t/年，大量的畜禽糞污和沼液、沼渣亟需高效處理、實(shí)現(xiàn)資源化利用[1]。固液分離是畜禽糞污和沼液沼渣后處理利用的重要環(huán)節(jié)，研究與優(yōu)化固液分離機(jī)技術(shù)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。目前，畜禽糞便機(jī)械脫水國內(nèi)外采用的技術(shù)主要有 離心式、壓濾式及篩分式3種。其中，螺旋擠壓式分離機(jī)具有能耗低、 維修方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是連續(xù)式螺旋擠壓分離機(jī)在畜禽糞便處理及沼液、沼渣分離領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛[3-6]；但連續(xù)式螺旋擠壓裝置分離效率較低、針對(duì)高濃度物料分離效果較差，只有在進(jìn)料速度和濃度較為合適時(shí)才能達(dá)到較好的分離效果[7-8]。近幾年，有學(xué)者研究了一種斷式螺旋擠壓裝置，具有處理量大、能處理粘稠物料等優(yōu)點(diǎn)，但針對(duì)斷齒式螺旋結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化研究尚未見報(bào)道[9-10]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型斷齒式螺旋擠壓脫水裝置，旨在提高畜禽糞污擠壓分離效率、降低能耗。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

斷齒式螺旋擠壓分離機(jī)主要由電機(jī)、減速器、篩網(wǎng)、斷齒式螺旋、連接件及機(jī)頭等組成，如圖1所示。其中，螺旋是擠壓分離機(jī)的關(guān)鍵部件之一，用來完成輸送物料、擠壓脫水和出料等過程。工作時(shí)，糞污經(jīng)過污水泥漿泵抽吸進(jìn)入擠壓腔體內(nèi)，在螺旋的推動(dòng)下不斷向前輸送；物料在輸送過程中受螺旋葉片推力、出料口阻力及篩網(wǎng)摩擦力等綜合作用，形成物料與螺旋、物料與篩網(wǎng)及物料與物料之間的摩擦剪切力，通過出口壓力控制、間斷和螺距變化等手段使得物料在腔體內(nèi)不斷受擠壓作用而脫水；液體由篩網(wǎng)滲流出去，截留在篩網(wǎng)內(nèi)部的殘?jiān)沙鲈谂懦?，進(jìn)而完成擠壓脫水作業(yè)[11-12]。

1.電機(jī) 2.減速器 3.進(jìn)料口 4.篩網(wǎng) 5.螺旋擠壓裝置 6.機(jī)頭 7.出渣口 8.出液口 9.配重塊 10.機(jī)架

斷齒式螺旋擠壓分離機(jī)主要參數(shù)如下：

總功率/kW：5.5

處理能力/m3·h-1：3～15

擠出固形物產(chǎn)量/kg·h-1：400～1 000

擠出物含水率/%：45～70

畜禽糞污含水率/%：70～90

螺旋形式：間斷式

螺距：變螺距

螺旋葉片：具有切割功能，防堵

篩網(wǎng)：條狀楔形篩

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

固液分離作業(yè)通常包括送料、擠壓脫水和出料3個(gè)工作過程。傳統(tǒng)螺旋擠壓裝置在采取變螺距設(shè)計(jì)時(shí)，由進(jìn)料端到出料端螺距通常是由大變小，以增加壓縮比，提高壓榨力，能夠有效降低擠出物含水率[13-15]。但這種設(shè)計(jì)方法存在嚴(yán)重弊端：由于出口螺距小，且物料堆積密度最大，流動(dòng)性最差，導(dǎo)致出料速度慢，且易造成機(jī)器堵塞無法出料；進(jìn)料段僅有送料作用，且進(jìn)料段越長(zhǎng)物料建壓所需時(shí)間就越長(zhǎng)，導(dǎo)致分離效率偏低、能耗偏大。針對(duì)這種設(shè)計(jì)弊端，本文提出了斷齒式兩段式設(shè)計(jì)，將螺旋擠壓裝置作業(yè)過程分為輸送擠壓段和擠壓出料段，物料在螺旋腔體內(nèi)能夠快速建壓，擠壓作用貫穿整個(gè)作業(yè)過程。

斷齒式螺旋擠壓裝置采用變螺距雙螺旋結(jié)構(gòu)，參照一般螺旋輸送器設(shè)計(jì)理論[16-17]，并結(jié)合畜禽糞污擠壓脫水實(shí)際使用條件，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)

(2)

螺距S=λD

(3)

(4)

式中Q—生產(chǎn)率，取Q=0.5t /h；

K—物料綜合特性系數(shù)，取K=0.06；

φ—填充系數(shù)，取φ=0.6～0.9；

γ—物料容積密度，取γ=600～1 000kg/m3；

λ—變距系數(shù)，取λ=0.3～1；

C—傾角系數(shù)，水平軸時(shí)取C=1.0；

ρ—畜禽糞污密度，取豬糞密度ρ=611kg/m3；

S—螺旋，取S=0.07m；

d—螺旋軸直徑。

基于以上螺旋輸送器計(jì)算設(shè)計(jì)，并結(jié)合連續(xù)式螺旋擠壓分離機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，展開對(duì)斷齒式螺旋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定。

2.1 螺旋葉片設(shè)計(jì)

2.1.1 葉片受力分析

當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物料受到葉片的法向推力和切向摩擦力以及螺旋篩網(wǎng)軸向和周向摩擦力，在合力作用下做類螺旋運(yùn)動(dòng)[18-19]。螺旋升角對(duì)物料運(yùn)動(dòng)具有重要影響，取一個(gè)螺旋單元進(jìn)行葉片的受力分析，如圖2所示。

圖2 螺旋葉片受力

假設(shè)此時(shí)擠壓裝置穩(wěn)定運(yùn)行，腔體內(nèi)充滿物料，物料與擠壓裝置接觸面的摩擦系數(shù)均為μ1，物料間內(nèi)摩擦因數(shù)為μ2。由力平衡條件可知

(5)

其中，μ1<1；螺旋升角γ=arctan(S/2πD)；F1為物料對(duì)葉片的周向摩擦力；P1為物料對(duì)葉片左側(cè)的法向推力。

P1==μ1φρgπ(D1-d1)(S-δ)/4cosγ-F1tanγ

(6)

由式(6)可知：螺距小則螺旋升角大，葉片左側(cè)法向推力P1增大，有利于物料的推進(jìn)和壓縮。因此，采用從進(jìn)料到出料螺距漸大的變螺距設(shè)計(jì)，使物料進(jìn)入螺旋后快速產(chǎn)生壓縮作用，并使葉片具有較強(qiáng)推力迫使物料向前輸送。將斷齒式螺旋整體分為擠壓送料(A段)和擠壓出料(B段)兩段式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.2 單葉片設(shè)計(jì)

由式(1)計(jì)算得螺旋外徑D≥73mm，結(jié)合實(shí)際情況取D=180mm。螺距由式(3)確定，A段和B段螺距λ值分別為0.77、0.88，得到A、B段螺距S1、S2分別為140、160mm。其中，每個(gè)單獨(dú)葉片如圖3所示。

每個(gè)斷齒螺旋葉片均存在兩個(gè)斷口，物料在此處集聚形成 “軟擠壓”區(qū)。只有物料間相互擠壓達(dá)到足夠壓力時(shí)，才能推進(jìn)物料向前輸送，因而大大提升了其脫水效果。但纖維粗大的牛糞或其他雜物極易在斷口處掛住，物料不斷富集后導(dǎo)致出料困難或不出料，這個(gè)極小卻十分關(guān)鍵的問題常常被忽視。本文在每個(gè)葉片進(jìn)料端斷口處進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使每個(gè)葉片都具有切割功能。如圖3A處位置所示，葉片下斷口為夾角30°、刃厚1mm的坡面，并對(duì)切口加焊合金材料提升其強(qiáng)度和耐磨性，鋒利的切口在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可有效切斷雜物，防止機(jī)器堵塞卡死。

圖3 斷齒葉片

A段部分具有較強(qiáng)的推送能力，采用雙頭連續(xù)螺旋，以提高其有效壓縮面積，提升軸向輸送能力，達(dá)到快速出料的目的。葉片形式如圖4所示。其中，螺距S1為140mm，葉片焊接為連續(xù)葉片，總長(zhǎng)為1.5S1。

圖4 連續(xù)葉片

葉片厚度δ選取范圍與擠壓物料性質(zhì)緊密相關(guān)，畜禽糞污分離時(shí)葉片厚度一般為2～10mm薄鋼板，壓縮出料段由于物料含水率降低，摩擦阻力最大。因此，葉片厚度應(yīng)適當(dāng)增加，而輸送擠壓段螺距小，軸向分力增加，但物料含水率高，摩擦阻力小，整體受壓偏小，故A段葉片厚度δ1取8mm，B段δ2取10mm。

2.1.3 整體葉片設(shè)計(jì)

螺旋葉片整體設(shè)計(jì)如圖5所示。其中，A段由兩片連續(xù)葉片交錯(cuò)布置，B段共4個(gè)螺旋單元，每個(gè)螺旋單元由兩片斷齒葉片交錯(cuò)布置形成，相鄰螺旋單元葉片兩兩正交。螺旋單元之間無螺旋面部分為間斷處，此處“軟擠壓區(qū)”區(qū)間大小是控制腔體內(nèi)壓力大小的重要參數(shù)。此處間斷距離d保持一致，取d=30mm，每個(gè)螺旋單元腔體間距D2=90mm，共4個(gè)單元；A段每個(gè)螺旋單元腔體葉間距D1=70mm，共3個(gè)單元。

圖5 斷齒式螺旋葉片

2.1.4 螺旋軸設(shè)計(jì)

螺旋軸是承受極大彎矩的部件，通常使用具有較大強(qiáng)度和剛度的45鋼空心軸[20]，空心軸內(nèi)徑69mm，外徑89mm。經(jīng)校核，強(qiáng)度滿足要求。有效工作軸長(zhǎng)L為

L=3D1+4D2+4d+δ1+4δ2+20=718mm

2.2 螺旋轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

螺旋轉(zhuǎn)速是影響分離機(jī)分離效率的主要因素，提升轉(zhuǎn)速有助于提高分離效率。畜禽糞便的產(chǎn)生具有量大、連續(xù)、集中等特點(diǎn)，必須及時(shí)地對(duì)糞污進(jìn)行處理，這對(duì)分離機(jī)的工作效率提出了較高要求。斷齒式螺旋能夠在較高轉(zhuǎn)速工況下依然保持較好工作效果，因而有助于提高分離效率。螺旋轉(zhuǎn)速為n=37r/min。

2.3 篩網(wǎng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前使用最多的有薄板沖孔篩和條狀楔形篩兩種。本文采用抗擠壓強(qiáng)度大、處理能力較大的條狀楔形篩，如圖6所示 。

圖 6 楔形篩網(wǎng)展開結(jié)構(gòu)示意圖

條狀楔形篩另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有一定的自我清潔功能，能很好地避免篩網(wǎng)堵塞。條狀楔形篩可由彼此平行的楔形不銹鋼鋼條焊接而成，通過打磨篩網(wǎng)內(nèi)壁使其與螺旋葉片外緣間隙盡可能小又不相互交涉。根據(jù)畜禽糞便種類將篩網(wǎng)篩縫尺寸設(shè)計(jì)為不同參數(shù)，結(jié)合畜禽糞便顆粒直徑[21]，設(shè)計(jì)豬場(chǎng)篩縫尺寸為0.3mm，孔隙率約為21%；牛場(chǎng)用篩縫尺寸為0.6mm，孔隙率約為43%；篩網(wǎng)總長(zhǎng)均為480mm。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用螺旋擠壓部件如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)用兩種螺旋

試驗(yàn)在江蘇海門某養(yǎng)豬場(chǎng)進(jìn)行，豬糞污TS=17.32%，表觀粘度K=7 361.9MPa·s。試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速范圍30～65r/min，試驗(yàn)時(shí)分低速、中速、高速這3個(gè)層次。其出口壓力由配重位置來決定， 配重位置范圍為300～500mm。為研究斷齒式螺旋和連續(xù)式螺旋對(duì)物料的適應(yīng)性，控制攪拌器是否運(yùn)行對(duì)比研究?jī)煞N裝置在物料均勻和不均勻時(shí)的工作狀況，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：沒有混合攪拌的物料濃度分布不均勻，對(duì)機(jī)具的穩(wěn)定運(yùn)行具有一定影響；螺旋轉(zhuǎn)速不同，分離效率具有較大差異。

3.2 結(jié)果分析

對(duì)畜禽糞污進(jìn)行固液分離時(shí)，要求機(jī)具能夠在單位時(shí)間內(nèi)分離效率盡可能大。斷齒式螺旋和連續(xù)式螺旋在有攪拌情況下分離效率的對(duì)比分析如圖8所示。由圖8可以看出：在相同情況下斷齒式螺旋擠出物產(chǎn)量明顯高于連續(xù)式螺旋，且提升轉(zhuǎn)速能夠有效提高產(chǎn)量，說明單位時(shí)間內(nèi)斷齒式螺旋處理的糞污遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)式螺旋。原因在于斷齒式螺旋采用了兩段式設(shè)計(jì)，且從進(jìn)料段到出料段螺距是增大的，大大提升了出料速度。

表1 分離裝置試驗(yàn)結(jié)果

圖 8 擠出物產(chǎn)量平均值對(duì)比

擠出物產(chǎn)量反應(yīng)了單位時(shí)間內(nèi)處理糞污的多少，擠出物含水率是考核分離裝置脫水性能的另一重要指標(biāo)。斷齒式螺旋和連續(xù)式螺旋在有攪拌情況下擠出物含水率的對(duì)比分析如圖9所示。由圖9可以看出：相同條件下斷齒式螺旋擠出物含水率較連續(xù)式螺旋偏高，斷齒式螺旋擠出物含水率范圍為55%～60%，連續(xù)螺旋擠出物含水率為48%～55%；含水率隨轉(zhuǎn)速均有所增加，但斷齒式螺旋變化幅度較為緩慢，連續(xù)螺旋變化幅度較大。這說明，斷齒式螺旋更能適應(yīng)高轉(zhuǎn)速作業(yè)，因而有利于提高分離效率。

圖 9 擠出物含水率平均值對(duì)比

為了更清晰對(duì)比兩種螺旋裝置單位時(shí)間內(nèi)分離出干物質(zhì)的多少，由擠出物產(chǎn)量和擠出物含水率計(jì)算得出單位時(shí)間內(nèi)分離出干物料的絕對(duì)質(zhì)量，如圖10所示。由圖10可以看出：盡管斷齒式螺旋擠出物含水率較連續(xù)式偏高，但單位時(shí)間內(nèi)擠出物料的絕對(duì)干重仍明顯多于連續(xù)式螺旋；低速、中速、高速3種轉(zhuǎn)速條件下，斷齒式螺旋擠出物絕對(duì)干重較連續(xù)式分別提高了63.27%、63.6%、39.53%。

圖10 擠出物干重平均值對(duì)比

試驗(yàn)時(shí)，攪拌器開啟時(shí)能夠?qū)⒇i糞混合均勻，保持濃度具有較高一致性，未進(jìn)行攪拌的物料濃度一致性較差。對(duì)比了兩種螺旋裝置分別在未進(jìn)行攪拌和經(jīng)過攪拌兩種物料工況下的作業(yè)性能，每個(gè)轉(zhuǎn)速條件下重復(fù)試驗(yàn)3次，以重復(fù)試驗(yàn)所得擠出物含水率衡量裝置對(duì)物料濃度條件的適應(yīng)性，結(jié)果分析如圖11、圖12所示。由此可以看出：在經(jīng)過攪拌和未攪拌的兩種物料條件下，斷齒式螺旋擠出物含水率擬合曲線較吻合，每次重復(fù)試驗(yàn)的含水率差異較小，試驗(yàn)重復(fù)性較好，說明斷齒式螺旋分離作業(yè)時(shí)對(duì)物料濃度均勻性要求不高，物料濃度在一定變化范圍內(nèi)對(duì)擠出物含水率的影響較小；而連續(xù)螺旋擠出物含水率的擬合度較差，在物料未經(jīng)過攪拌時(shí)，試驗(yàn)重復(fù)性較差，說明連續(xù)螺旋裝置對(duì)物料均勻性要求較大，裝置適應(yīng)性較斷齒螺旋差。

圖11 斷齒式螺旋擠出物含水率對(duì)比

圖12 連續(xù)式螺旋擠出物含水率對(duì)比

4 結(jié)論與討論

1)設(shè)計(jì)了畜禽糞污斷齒式螺旋擠壓分離裝置，尤其對(duì)斷齒式螺旋進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提出輸送擠壓段和擠壓出料段兩段式設(shè)計(jì)，螺旋外徑D=180mm，軸徑d=89mm，螺距S1=140mm、S2=160mm；并設(shè)計(jì)了具有切割功能的螺旋葉片，可在旋轉(zhuǎn)時(shí)快速切割雜草等雜物，防止機(jī)具堵塞。斷齒式螺旋擠壓裝置分離效率高、能耗低、對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，中等螺旋轉(zhuǎn)速時(shí)，擠出物產(chǎn)量約為484kg/h，擠出物含水率約為58%，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

2)斷齒式螺旋和連續(xù)式螺旋的對(duì)比試驗(yàn)表明：相同工況下，斷齒式螺旋擠出物含水率較連續(xù)式螺旋高，但擠出物產(chǎn)量較連續(xù)螺旋提升程度更大。綜合而言，斷齒式螺旋單位時(shí)間可分離更多糞污，單位時(shí)間內(nèi)分離出干物質(zhì)更多，比連續(xù)螺旋擠出物干重提高63%左右。這對(duì)解決養(yǎng)殖場(chǎng)大量糞污無處儲(chǔ)存、難以處理的難題具有重要意義，為畜禽糞污后續(xù)處理利用降低了難度。

3)針對(duì)螺旋擠壓分離裝置分離效率低、性能較差等不足，在前人研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了斷齒式螺旋擠壓分離裝置，并試驗(yàn)驗(yàn)證了其出料快、對(duì)物料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。后續(xù)可針對(duì)斷齒式螺旋擠壓分離裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)其模塊化生產(chǎn)，降低其生產(chǎn)制造難度，以便更好實(shí)現(xiàn)斷齒式螺旋擠壓分離裝置的推廣和應(yīng)用。

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Design and Experiment of Interrupted-whorl Screw Extrusion Device

Zhao Weisong, Zhu Dewen, Qu Haoli，Xie Hu, Wang Dongdong，Han Baihe，Cao Jie

(Nanjing Research Institute for Agriculture Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

In order to improve the work of screw separator, designed a new type Interrupted-whorl screw extrusion device, using transport- extrusion and extrusion-export two sections of the design, increased the effective time of compression and effective compression path. The flight with cutting function was designed，which make the device can quickly discharge . The results show that Interrupted-whorl screw extrusion device separation effect is better , the moisture content of the extrusion is about 60%, which is more higher than the moisture content of continuous screw extrusion device. However, separation efficiency of Interrupted-whorl screw extrusion is 1.63 times than the efficiency of continuous screw extrusion device；Interrupted-whorl screw extrusion device can be fast and efficient separation of high concentration of livestock and poultry dung，extrudate moisture content meet the technological requirements (< 70%), the study for livestock and poultry waste efficient separation device design and subsequent optimization to improve reference.

high concentrations of livestock and poultry waste; squeeze dewatering； interrupted-whorl screw

2016-07-06

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201403019)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20151073)

趙維松(1990-)，男，安徽六安人，碩士研究生，(E-mail)wszhao77@sina.com。

朱德文(1970-)，男，安徽定遠(yuǎn)人，研究員，博士，(E-mail) zdwww7009@sina.com。

S216；S375

A

1003-188X(2017)08-0086-06