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，關鍵在于其擠壓性能的好壞。因此，借助仿真技術對螺旋擠壓機構的擠壓性能進行分析，對于改進脫水裝置的設計參數具有指導意義。

在脫水因素研究中，李鑫[4]根據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，在影響除水率的主次因素中，初始含水率大于螺旋轉速；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量、壓力和加載方式相關；孫邦雨[7]探討了螺旋結構、螺旋轉速、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]研究得出螺旋轉速、螺距、填充系數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的運動以直線運動為主，周向運動為輔。

目前，有關螺旋機構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計指導。研究擬基于離散元分析方法，設計離散化虛擬試驗，探究螺旋擠壓過程中顆粒運動行為及機構各參數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。

1 螺旋擠壓脫水機

1.1 脫水機整體結構及工作原理

螺旋擠壓機構的整體結構如圖1所示，粉碎后的物料從頂部的入料口進入，通過螺旋葉片結構不斷地擠壓脫水，剩余的濾餅被輸送到機構末端。末端是整個裝置的擠出段，變徑的外通道濾網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Figure 1 Screw extrusion mechanism

1.2 脫水機結構參數

以餐廚垃圾螺旋擠壓裝置為研究對象，裝置各參數見表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Table 1 Parameters of screw extrusion device

表2 螺距參數Table 2 Pitch parameter mm

2 脫水機設計原理

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動合成的結果，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——螺旋軸轉速，r/min；

λ——物料特性，t/m3；

ε——傾斜輸送系數。

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

(4)

式中：

A——物料的綜合系數。

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量與傾角緊密相關，其質量流率隨傾角的增大而降低，并且越接近垂直狀態(tài)時，物料質量流率的減小趨勢越大[14]，當螺旋擠壓機腔體內質量流率下降時，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，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。接觸參數采用稻谷和鋼的數值，各參數取值見表3和表4。

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

表4 顆粒的接觸參數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，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約為71 554，表5為螺旋擠壓裝置在容納不同顆粒數目下的填充系數。

表5 填充系數對照表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，數據記錄時間間隔為0.01 s，網格單元個數為50 000～100 000，網格大小設置為最小半徑的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 數據分析與處理

3.2.1 填充率 模擬水平螺旋裝置，螺旋軸轉速為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，螺旋軸轉速越小，擠壓效果越好。

圖8 不同螺旋轉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、轉速和傾角，填充率和轉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)律性結論。