陳宇，張濤，林通，龐有倫，李相，羅書強

(1. 西南大學工程技術學院,重慶市,400715; 2. 重慶市農(nóng)業(yè)科學院,重慶市,401329)

0 引言

我國食用菌產(chǎn)量在近年來增長迅速,從2014年的32 700 kt增長到2019年的近40 000 kt[1-3]。1978年中國食用菌產(chǎn)量為57 kt,歷經(jīng)40年的改革開放,增長了近700倍。食用菌產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為中國農(nóng)業(yè)種植業(yè)中繼糧食、蔬菜、果樹、油料之后的第五大產(chǎn)業(yè)[4]。據(jù)統(tǒng)計,每生產(chǎn)1 kg食用菌需要1.45 kg菌料。劉景坤等[5]估算目前我國食用菌菌渣年產(chǎn)生量超1億噸。廢菌棒有機質(zhì)含量較高,屬于可再生生物質(zhì)資源,對其處理不當和不及時,會造成生物質(zhì)資源的浪費和嚴重的環(huán)境污染[6-7]。如何科學有效地利用廢菌棒,引起了國內(nèi)外相關研究人員的廣泛關注。

廢菌棒循環(huán)利用初始環(huán)節(jié)是脫袋粉碎,以前人工脫袋、機械粉碎的低效率模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實需要,為改變這一模式,迫切需要操作簡單、脫袋粉碎效果好、生產(chǎn)率高、能耗小的廢菌棒粉碎分離機。廢菌棒粉碎機械不屬于食用菌工廠化生產(chǎn)設備,未能引起國內(nèi)外大型研發(fā)機構(gòu)的重視[8]。國內(nèi)少數(shù)私企和學者設計制造了菌袋分離機,但這些機器無法兼顧脫袋效果和粉碎效果,存在結(jié)構(gòu)復雜、功率消耗大、分離軸纏袋和噪聲大等問題[9-12]。郭穎杰等[8]在此基礎上進行了改進,提升了分離效果,但刀具較為復雜。重慶地區(qū)主要食用菌為平菇、秀珍菇、香菇、金針菇,它們所產(chǎn)生的廢菌棒體積較小,因此,本文在研究廢菌棒性狀基礎上,設計一種脫袋與分離一體的小型機器,通過EDEM軟件對粉碎過程進行仿真分析,探究影響粉碎程度的規(guī)律,為后續(xù)機器制造優(yōu)化提供了參考。以絞龍外徑260 mm,葉片厚度6 mm制造樣機,進行粉碎試驗,以驗證其脫袋與粉碎性能。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設計要求與技術參數(shù)

廢菌棒由塑料袋包裹,廢菌棒粉碎分離機應當有足夠功率以滿足脫袋和粉碎要求,生產(chǎn)效率應滿足生產(chǎn)標準,根據(jù)以上設計要求廢菌棒粉碎分離機設計技術參數(shù)如表1所示。

表1 分離機主要技術參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of separator

1.2 整機結(jié)構(gòu)

廢菌棒粉碎分離機主要由電機、粉碎裝置、脫袋裝置、入料口、篩網(wǎng)、菌袋出口和機架等組成,其整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時,電機通過帶傳動使粉碎裝置轉(zhuǎn)動,同時粉碎裝置帶動脫袋裝置旋轉(zhuǎn)。

圖1 廢菌棒粉碎分離機結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of waste bacteria stick crushing separator1.機架 2.菌袋出口 3.篩網(wǎng) 4.入料口 5.脫袋裝置 6.粉碎裝置 7.電機

1.3 工作原理

粉碎分離機工作時,廢菌棒從入料口落入割袋箱,在進料錕的轉(zhuǎn)動下,與割袋刀滑切,完成割袋,落入下方粉碎裝置。粉碎裝置中,廢菌棒在絞龍與篩網(wǎng)的揉搓下粉碎,并在絞龍的旋轉(zhuǎn)輸送下,運動至吹袋板。當廢菌棒被粉碎至直徑20 mm以下時,從篩網(wǎng)落出,菌袋則被吹袋板吹出,完成菌袋分離。

2 關鍵部件設計

2.1 割袋裝置

割袋裝置主要由進料輥、進料輥軸、進料輥架、限位板、割袋刀和割袋刀架等組成,用于完成廢菌棒的入料和割袋,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,割袋刀和割袋刀架通過螺栓連接、割袋刀架和機架通過螺栓連接、進料輥焊接在限位板上、限位板和進料輥架通過螺栓連接,進料輥在旋轉(zhuǎn)作用下推動廢菌棒入料并和割袋刀發(fā)生滑切,完成割袋。

圖2 割袋裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of bag cutting device1.割袋刀架 2.割袋刀 3.限位板 4.進料輥架 5.進料輥軸 6.進料輥 7.機架

為確定割袋刀架的長度L,對廢秀珍菇菌棒進行取樣統(tǒng)計,測得其直徑D1=104～115 mm,長度L1=175～184 mm。

割袋刀架長度應大于廢菌棒長度的兩倍,便于多根菌棒同時入料,取L=390 mm。割袋刀選用尖頭U型定刀,其寬度L2=33 mm;割袋刀安裝間距d1應小于100 mm,d1過小則刀具數(shù)量過多,割袋刀架負載過大,d1過大則出現(xiàn)漏割,分析后取d1=90 mm。

割袋刀數(shù)量計算公式如式(1)所示。

L1+(n1-1)d1+b=L

(1)

式中:n1——割袋刀數(shù)量;

b——預留寬度,mm。

確定割袋刀數(shù)量n為4,預留寬度b為87 mm。

2.2 粉碎裝置

粉碎裝置選用絞龍粉碎器,主要作用是將割袋后的廢菌棒和菌袋粉碎,將菌袋吹出。絞龍粉碎器主要由軸體、絞龍、分離篩、吹袋板組成,如圖3所示。其中,軸頭焊接在軸兩側(cè)、吹袋板和吹袋板底座螺栓連接、吹袋板底座焊接在軸體一側(cè)、絞龍焊接在軸體上、分離篩焊接在機架上。在傳動帶輪的帶動下,進入粉碎裝置的廢菌棒和菌袋一邊被絞龍粉碎,一邊沿軸體向一側(cè)移動,粉碎后的菌渣受重力從篩網(wǎng)落下,菌袋在吹袋板的吹送作用下經(jīng)菌袋出口離開粉碎裝置。

圖3 絞龍粉碎器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure diagram of auger crusher1.軸體 2.絞龍 3.分離篩 4.吹袋板

2.2.1 絞龍粉碎器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

絞龍粉碎器的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括絞龍內(nèi)徑、外徑、螺距、螺旋升角和分離篩內(nèi)徑。

該機在工作過程中,絞龍內(nèi)徑所承受負荷相對較小,滿足一定剛度[13],選取絞龍內(nèi)徑Dn=60 mm。在絞龍內(nèi)徑一定時,絞龍外徑Dw過小易發(fā)生堵塞和分離軸纏袋現(xiàn)象,影響絞龍的輸送,故設計絞龍外徑Dw為260 mm。絞龍葉片與分離篩面的間隙d2應滿足0

螺距的大小影響絞龍粉碎器的工作效率和效果,螺距過小輸送效率太低,螺距過大粉碎效果差,參考無殼取籽器絞龍破碎器[15]的設計,取螺距與外徑之比為0.9,螺距E為236 mm。絞龍葉片邊緣上的點的法線與軸線間的角為螺旋升角,計算公式如式(2)所示。

(2)

計算可得外徑螺旋升角為16.11°。

2.2.2 絞龍粉碎器運動參數(shù)確定

當廢菌棒進入絞龍與分離篩之間的間隙時,其外表面分別與絞龍、分離篩表面接觸,在絞龍的作用力F作用下完成粉碎。

點O為絞龍與分離篩的共同軸心,以廢菌棒外表面與絞龍的接觸點A為原點建立坐標系,將力F分解如圖4所示。

圖4 廢菌棒表面受力示意圖Fig. 4 Schematic diagram of stress

絞龍作用力F可分解為沿軸向的輸送力Fa、沿絞龍半徑的徑向擠壓力Fr和沿圓周的切向力Fτ,如式(3)所示。

(3)

式中:ω——A點角速度,rad/s;

n——絞龍轉(zhuǎn)速,r/min;

Pτ——A點切向粉碎功率,W;

β——擠壓角,(°)。

廢菌棒的粉碎效果與切向粉碎功率、絞龍轉(zhuǎn)速、絞龍外徑、螺旋升角和擠壓角有關,在切向粉碎功率、螺旋升角和擠壓角一定時,絞龍轉(zhuǎn)速和外徑越大,切向力Fτ、軸向的輸送力Fa、徑向擠壓力Fr越小。

3 粉碎作業(yè)仿真

在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面,在篩網(wǎng)半徑固定時,絞龍外徑、葉片厚度會影響撕搓空間的間隙,從而影響粉碎程度;在工作參數(shù)方面,絞龍轉(zhuǎn)速同樣會影響粉碎程度。因此本文運用離散元仿真來分析絞龍外徑、葉片厚度和絞龍轉(zhuǎn)速對粉碎程度的影響。

3.1 廢菌棒參數(shù)測定

對廢菌棒進行參數(shù)測定使仿真貼合真實情況,本次試驗選用由重慶市農(nóng)業(yè)科學院食用菌研究中心提供的培養(yǎng)秀珍菇的廢棄菌棒進行試驗。

廢菌棒為半徑55 mm,高180 mm的圓柱形,求出體積v,稱出質(zhì)量m,求出密度ρ,取3組試驗的密度平均值ρ=836 kg/m3,密度平均值的計算公式如式(4)所示。

(4)

3.2 機器模型簡化

為便于仿真,在Solidworks中對廢菌棒粉碎分離機進行結(jié)構(gòu)簡化,儲存為stp格式,導入EDEM以便菌棒定位,簡化后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 粉碎分離機簡化圖Fig. 5 Simplified diagram of crushing separator

3.3 廢菌棒模型建立

3.3.1 接觸模型的選擇

離散元技術中顆粒法向接觸力與切向接觸力有多種接觸模型,常見的接觸模型有:Hertz-Mindin with JKR Cohesion凝聚力接觸模型、Hert-Mindin無粘結(jié)接觸模型及Hertz-Mindin with Bonding粘結(jié)斷裂接觸模型等。

Hertz-Mindlin with Bonding粘結(jié)接觸模型用粘結(jié)鍵將顆粒粘結(jié)成可粉碎的單元體,能夠有效模擬廢菌棒顆粒粉碎,故選用Hert-Mindin無粘結(jié)接觸模型及Hertz-Mindin with Bonding粘結(jié)斷裂接觸模型。

在粘結(jié)之后,模型根據(jù)式(5)在每個時間步對顆粒上的法向力矩Tn、切向力矩Tt與法向力Fn、切向力Ft進行更新。

(5)

式中:δ——時間步長;

t——時間;

vn——顆粒法向速度,m/s;

vt——顆粒切向速度,m/s;

Sn——是顆粒切向剛度,N·m;

ωn——顆粒法向角速度,rad/s;

ωt——顆粒切向角速度,rad/s;

A——顆粒接觸面積,m2;

J——顆粒慣性矩,m4;

RB——顆粒間黏結(jié)半徑,m。

當顆粒間外力達到粘接鍵極限時廢菌棒粉碎為菌粒,在后處理界面中統(tǒng)計粉碎粘接鍵數(shù)量與總粘接鍵數(shù)量之比,即為粉碎程度,其臨界法切向應力如式(6)所示。

(6)

式中:Mn——顆粒間切向力矩,N·m;

Mτ——顆粒間法向力矩,N·m。

3.3.2 參數(shù)設置

一種價值觀要真正發(fā)揮作用，必須融入社會生活，與社會生活緊密聯(lián)系起來，讓人們在實踐中感知它、領悟它，增強認同感和歸屬感。志愿服務活動，是人人可為、人人能為的重要載體，有利于增強社會主義核心價值觀的吸引力、感染力，提高人們對主流價值觀的認同感。

查閱相關資料[16-19],設定離散元仿真參數(shù)見表2。

表2 物料物理參數(shù)Tab. 2 Physical parameters of materials

3.3.3 廢菌棒模型建立

廢菌棒由細小顆粒組成,選用球形顆粒模擬菌棒顆粒,粘結(jié)成整體以模擬廢菌棒,球形顆粒半徑為1.5 mm。

根據(jù)廢菌棒外形,運用Cylinder功能放置直徑110 mm、長180 mm的圓柱形菌棒盒,并放置在入料口的上方,用菌料顆粒填充菌棒盒,添加初始速度5 m/s使之壓實,壓實后,導出為simulation deck。打開simulation deck后再次堆積,如此多次堆積后,填滿菌棒盒,得到廢菌棒外形。

運用Hertz-Mindin with Bonding模型生成bond鍵,將菌棒盒設為虛擬即可得到廢菌棒模型,廢菌棒與粘結(jié)模型如圖6所示。

(a) 廢菌棒外形

(b) 粘結(jié)模型

(c) 粘結(jié)鍵圖

(d) 堆積中圖6 廢菌棒與粘結(jié)模型Fig. 6 Waste stick and adhesive model

3.4 廢菌棒粉碎過程仿真分析

菌棒粘結(jié)完成后,將絞龍相關零件設為整體,其余部分設為機架。為絞龍?zhí)砑永@軸的旋轉(zhuǎn)運動,設置其轉(zhuǎn)速為300 r/min,設定仿真總時長1 s,隨后開始仿真分析,粉碎過程如圖7所示。

(a) 0 s

(b) 0.20 s

(c) 0.45 s

(d) 1.0 s圖7 廢菌棒粉碎過程圖Fig. 7 Crushing process of waste bacteria rods

隨著絞龍轉(zhuǎn)動,廢菌棒逐漸粉碎,從篩網(wǎng)下方出料,極少部分菌粒從菌袋出口落出,少部分粘結(jié)鍵未能斷裂,損失菌粒和未斷裂鍵如圖8所示。

(a) 菌粒圖

(b) 粘結(jié)鍵圖圖8 損失菌粒和未斷裂鍵Fig. 8 Loss of bacterial particles and unbroken bonds

3.4.1 絞龍扭矩和粉碎程度分析

通過后處理,導出斷裂的bond鍵數(shù),除以總鍵數(shù),即可得出粉碎程度與時間關系。菌棒粉碎過程中,絞龍所受扭矩是判斷絞龍工作的穩(wěn)定性的重要指標,本試驗中,絞龍扭矩和粉碎程度隨時間變化情況如圖9所示。

圖9 扭矩與粉碎程度隨時間變化情況Fig. 9 Torque and crushing degree change with time

從圖9可以看出,0～0.2 s,廢菌棒生成并豎直下落,粉碎程度不變,絞龍所受扭矩為0 N;0.2～0.4 s,絞龍開始粉碎,扭矩略有波動;0.4～0.45 s,隨著菌棒粉碎程度的提升,絞龍和菌粒與分離篩間撕搓加劇,扭矩上升至峰值41.98 N·m;0.45～0.81 s,粉碎程度逐漸達到峰值,扭矩小幅度波動;0.81～1.0 s,廢菌棒粉碎程度保持穩(wěn)定,扭矩小幅度波動。

3.4.2 單因素試驗分析

為了研究絞龍轉(zhuǎn)速對機器工作性能的影響,利用離散元軟件EDEM,依次設置絞龍轉(zhuǎn)速為200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min、400 r/min,進行粉碎分析,結(jié)果如圖10所示。

圖10 絞龍轉(zhuǎn)速對工作性能影響Fig. 10 Influence of auger speed on working performance

由圖10可以看出,在絞龍轉(zhuǎn)速在200～300 r/min期間時,隨著絞龍轉(zhuǎn)速的增加,廢菌棒粉碎程度呈上升趨勢;隨絞龍轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加且大于300 r/min時,從菌袋出口落出的菌料增多,粉碎程度呈下降趨勢;在200～400 r/min期間,絞龍轉(zhuǎn)速增大,其所受最大扭矩逐漸下降。綜上分析可得:絞龍轉(zhuǎn)速在300 r/min時,廢菌棒粉碎程度最大,絞龍所受最大扭矩41.98 N。

本設計選用YL100L24電機,額定功率3 kW,校核如式(7)所示。

(7)

式中:P——作業(yè)功率,kW;

T——扭矩,N·m;

η——傳動效率,取85%。

在200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min、400 r/min時,絞龍所受最大功率分別為1.43 kW、1.58 kW、1.55 kW、1.64 kW、1.71 kW,均小于3 kW,工作穩(wěn)定。

3.5 仿真試驗設計與結(jié)果

以絞龍外徑、絞龍轉(zhuǎn)速及葉片厚度為因素,運用Design-Expert12軟件設計三因素三水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗,探究對粉碎程度Y的影響。試驗因素編碼如表3所示,試驗設計方案和結(jié)果如表4所示,A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗因素編碼表Tab. 3 Table of test factor codes

表4 試驗方案及結(jié)果Tab. 4 Test scheme and results

3.6 回歸模型建立與方差分析

進行數(shù)據(jù)分析,得到粉碎程度Y的回歸模型為

Y=80.9+1.34A+0.862 5B+0.425C-0.025AC+0.125BC-2.75A2-1.05B2+0.025C2

(8)

對仿真試驗結(jié)果進行方差分析,結(jié)果如表5所示。

表5 粉碎程度的方差分析Tab. 5 Variance analysis of crushing degree

由表5可知,粉碎程度的模型F值為135.77,P<0.000 1,表明二次回歸模型極為顯著;失擬項P值大于0.05,表明無失擬因素存在,模型擬合度高;模型的多元系數(shù)R2為0.994 3,表明模型相關性好,信噪比APrecision為36.650 8遠大于4,表明該模型可信度高。對參數(shù)P值、F值分析得到各參數(shù)對粉碎程度影響的顯著性大小為:二階絞龍外徑A2>絞龍外徑A>絞龍轉(zhuǎn)速B>二階絞龍轉(zhuǎn)速B2>葉片厚度C。

從圖11(a)可知,在同一葉片厚度下,隨著絞龍轉(zhuǎn)速增大,粉碎程度先增大后減小;隨著絞龍外徑增大,粉碎程度先增大后減小。由圖11(b)可知,在同一絞龍轉(zhuǎn)速下,隨著葉片厚度增大,粉碎程度增大;隨著絞龍外徑增大,粉碎程度先增大后減小。由圖11(c)可知,在同一絞龍外徑下,粉碎程度隨葉片厚度增大而增大;隨著絞龍轉(zhuǎn)速增大,粉碎程度先增大后減小。

(a) 絞龍轉(zhuǎn)速和絞龍外徑的影響

(b) 葉片厚度和絞龍外徑的影響

(c) 葉片厚度和絞龍轉(zhuǎn)速的影響圖11 粉碎程度的雙因素響應曲面Fig. 11 Two factor response surface of crushing degree

3.7 參數(shù)優(yōu)化與驗證

根據(jù)粉碎分離機的粉碎性能要求,粉碎程度越高,粉碎的效果越好。各因素對粉碎程度的影響不一致,以粉碎程度為目標函數(shù),對絞龍外徑、絞龍轉(zhuǎn)速、葉片厚度3個因素進行綜合優(yōu)化,其約束及目標函數(shù)如式(9)所示。

(9)

得出最佳工作參數(shù)為:絞龍轉(zhuǎn)速323.4 r/min,絞龍外徑為261.185 mm,葉片厚度為6 mm,此時模型預測粉碎程度為81.739%,將該參數(shù)代入仿真試驗,得出仿真粉碎程度為83.2%,誤差為1.79%,與優(yōu)化結(jié)果基本一致,表明預測模型有效。

4 樣機試驗

2022年11月,在重慶市農(nóng)業(yè)機械研究所開展樣機試驗,結(jié)合生產(chǎn)實際,將絞龍參數(shù)進行圓整,以絞龍外徑260 mm,葉片厚度6 mm制造樣機,配套動力3 kW,絞龍轉(zhuǎn)速設定為320 r/min,通過分析粉碎合格率、菌袋脫凈率和生產(chǎn)率來檢驗設計的可行性。

本次試驗采用的廢菌棒來自重慶市農(nóng)業(yè)科學院食用菌研究中心,廢菌棒要求底面平整,菌袋外表面完整,菌料無損傷或開裂,廢菌棒底面直徑104～115 mm,高度175～184 mm。

從粉碎后的菌料中隨機抽取一定量菌料,粉碎合格率計算方式如式(10)所示。

(10)

式中:M1——粉碎后的菌料質(zhì)量,g;

M2——長度大于20 mm的菌塊質(zhì)量,g。

菌袋脫凈率計算方式如式(11)所示。

(11)

式中:M3——5 min內(nèi)從菌袋出口排出的菌袋總質(zhì)量,g;

M4——菌料出口排出的碎片總質(zhì)量,g。

試驗采用平均法,同一試驗條件下實驗3次,取平均值,其試驗結(jié)果如表6所示。

作業(yè)后廢菌棒粉碎合格率為92%,菌袋脫凈率為93%,各項指標均已達標。作業(yè)過程廢菌棒入料順暢,無菌袋纏繞現(xiàn)象,該廢菌棒粉碎分離機有效解決廢菌棒粉碎脫袋問題,對促進我國廢菌棒回收利用具有重要意義。

5 結(jié)論

1) 設計一臺廢菌棒粉碎分離機,包括割袋裝置、粉碎裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)廢菌棒脫袋與粉碎一體;設計割袋裝置,根據(jù)廢菌棒外形尺寸設計割袋刀架寬度為390 mm,割袋刀安裝間距為90 mm;設計絞龍粉碎器內(nèi)徑為60 mm,外徑為260 mm,螺距為236 mm。

2) 運用EDEM中bond鍵建立廢菌棒模型,對廢菌棒進行粉碎仿真,當廢菌棒粉碎至一定時間,粉碎程度穩(wěn)定,不再提升;通過絞龍所受最大扭矩對機器進行簡要校核。應用Design-Expert12設計仿真正交試驗,通過方差分析得到各參數(shù)對粉碎程度影響的顯著性為:二階絞龍外徑A2>絞龍外徑A>絞龍轉(zhuǎn)速B>二階絞龍轉(zhuǎn)速B2>葉片厚度C;建立回歸模型,對機器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)進行了優(yōu)化,得到的結(jié)果為:粉碎軸轉(zhuǎn)速323.4 r/min,絞龍外徑261.185 mm,葉片厚度6 mm時,粉碎程度為81.739%。經(jīng)過仿真驗證得出粉碎程度模型預測值與仿真值的相對誤差為1.79%,表明在一定的誤差允許范圍內(nèi)該預測模型的有效性。

3) 樣機以320 r/min的絞龍轉(zhuǎn)速進行粉碎試驗時,整機工作性能穩(wěn)定,廢菌棒喂入順暢,粉碎合格率為92%,菌袋脫凈率為93%,各項指標均已達到或超過設計技術指標。