牛糞固液分離機螺旋軸的改進

龐皓升，關正軍

（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

隨著畜禽養殖業向規模化、集約化發展，畜禽廢棄物總量呈逐年增長趨勢，用固液分離技術處理畜禽糞便是目前利用畜禽類糞便中的有機成分，改善農業生態環境的重要途徑[1-3]。Masse等研究利用固液分離技術改變豬糞的顆粒大小，提高厭氧發酵效率[4]。Harald Anlauf研究了固液分離技術的發展[5]。常志洲等利用螺旋式固液分離機研究了豬糞和牛糞的粒徑及養分分布對固液分離效率的影響[6]。關正軍等研究利用變軸徑變螺距固液分離機對牛糞進行預處理，研究了固液分離工藝參數優化、牛糞分離產物的綜合利用、分離液厭氧發酵技術，研究結果表明固液分離在對畜禽養殖糞便預處理中具有重要作用[7-10]。

當前國內的螺旋壓榨固液分離機大多采用等軸徑等螺距結構，少數采用變軸徑變螺距結構的也是憑借經驗，沒有具體的設計依據，因此，研究分離物料的摩擦與剪切特性在分離過程中的變化[11-13]，以此為依據對原有的固液分離機進行改進，提高固液分離機設計的水平是十分必要的。本文在研究流狀物螺旋壓榨固液分離裝置對牛糞進行資源化綜合利用的基礎上[14]，探討改變螺旋固液分離機中軸的直徑、螺旋的螺距和螺旋傾角，實現其對含水率和體積不斷變化物料進行高效分離效果。

1 試驗準備

1.1 螺旋傾角的測定原理

如圖1所示，將裝有物料的兩個相同薄壁圓筒重疊，并在上部加上荷重，上圓筒總重為W，下圓筒固定，僅給上圓筒以水平引力F來切斷物料層，測定產生滑動時剪切力F與法向力W之比為常數U，這就是材料力學中著名的庫侖（Coulom）公式[15]，即=U。其中先將兩個薄壁圓筒重疊后再置物料，則水平引力F為剪切力，則

若先在下圓筒里放滿物料后，再填充上圓筒，則水平引力F為摩擦力，則

圖1 摩擦與剪切試驗裝置Fig.1 Friction and shear test device

1.2 試驗數據分析

摩擦與剪切試驗結果見表1。

在分離機工作過程中，要保證物料是連續的，即物料不被剪斷，故物料間的作用力F介于摩擦力與剪切力之間，根據表1選擇臨界值φ滿足以下公式：

φ臨界值分別取 0.87，0.92，0.84，0.785，0.73，0.63，0.55（含水率為20%～80%）。

試驗結果如圖2所示。

表1 摩擦與剪切試驗結果Table 1 Friction and shear test results

圖2 物料摩擦與剪切試驗Fig.2 Material friction and shear test

2 機構設計

2.1 軸的設計

軸在工作時要承受極大的扭矩和壓力，故材料的選擇要考慮它的剛度和強度，通常用45號鋼。由原機器實測得出，螺旋葉片外徑D=285 mm，等徑螺旋軸d=125 mm，軸長l=2 000 mm，機器內不同含水率的牛糞的壓強是近似按照線性分布變化的，由經驗可知：分離機螺旋軸進料端牛糞含水量約為80%～90%，出料端牛糞含水率40%～50%，出料端部即含水率為40%的物料所受壓強為681 kPa，并進行相應的壓縮試驗；本軸設計為錐形軸，螺旋軸小徑為原軸直徑，即125 mm，由體積公式：

則進料口即初始端含水率為80%的工作體積V=1.03×105mL，通過線性關系計算得其余各含水率下軸的工作體積，則不同含水率的物料體積隨壓強變化的數據以及各含水率下軸的工作體積見表2。

由表2可知，軸的總工作體積為：

表2 壓縮試驗結果Table 2 Compression test results

軸經過變徑后：

式中，螺旋葉片外徑D=285 mm，軸長l=2 000 mm，進料端螺旋軸半徑d=125 mm，d'為出料端螺旋軸半徑，經計算得d'=165 mm，則出料端直徑取165 mm。由于原軸為空心軸，壁厚為10 mm，現為錐形軸，所以設計內壁為臺階式，初始端壁厚10 mm，中間部1 000 mm處為臺階面，壁厚10 mm，保證軸受力均勻，軸設計如圖3所示。

2.2 葉片的設計

由原機器得知，葉片為雙頭螺旋葉片，厚度為5 mm。葉片與牛糞的摩擦力應盡可能的小，故選擇不銹鋼板作為材料。由于軸長為2 000 mm則螺旋葉片螺距之和應小于2 000 mm。每隔10%的不同含水率設計一個葉片，每個葉片為一個螺旋。共4對8片葉片。其中螺旋傾角α與摩擦角Φ互為余角，如圖4所示。

在分離過程中，實際的葉片螺旋升程角需小于理論計算值才能使物料運動不自鎖，又因試測得理想狀態下摩擦角，未計算焊接部位與物料間的摩擦，綜合考慮上述因素及試驗誤差，故實際螺旋傾角α應取理論螺旋傾角計算值90%～80%，葉片螺距：

進料端d1=125 mm，出料端d5=165 mm，由于軸是圓錐形，所以直徑呈線性變化，即d2=135 mm，d3=145 mm，d4=155 mm，經計算后，各含水率下理論螺旋傾角α，實際螺旋傾角α'及葉片螺距L見表3。

圖4 螺旋傾角α與摩擦角ΦFig.4 Spiral angle α and friction angle Φ

表3 不同含水率下的螺旋傾角和葉片螺距Table 3 Spiral angle under different water content and blade pitch

每片葉片焊接前外徑為一個圓，內徑為一個螺旋線的近似圓環的形狀，故每個葉片都要單獨設計，葉片展開圖近似一個直角三角形見圖5。

圖5 葉片展開Fig.5 Blade expansion figure

葉片展開時的螺旋外周長和內周長:

式中，D=285 mm，L=L1～L5，則外徑D'長C/π；其中各段d分別在工程圖測量得出，L=L1～L5，則內徑d'長為c/π。計算結果見表4。

2.3 螺旋軸的整體結構

螺旋軸的整體結構見圖6。

表4 葉片內徑與外徑的計算結果Table 4 Results of the internal diameter and external diameter of the blade

圖6 螺旋軸結構Fig.6 Structure figure of screw shaft

3 螺旋軸的強度校核

運用Solidworks simulation對螺旋軸進行強度校核。

由原固液分離機工作時實際測量所知，出料端受壓強為681 kPa，電機提供扭矩194 Nm，葉片受到的物料間作用力為3 420 N，新機器依然采用，分析結果見圖7。

圖7 強度校核結果Fig.7 Strength check

由圖7可知，螺旋軸所受的最大應力為1.36×108N·m-1，遠小于屈服極限力5.30×109N·m-1，所以軸是安全的，設計可行。

4 結論

通過對物料摩擦與剪切試驗試果分析計算和攝像觀察，確定摩擦角的臨界值，通過壓強試驗，確定軸變直徑，設計出變直徑變螺距變螺旋傾角的固液分離機螺旋軸，使其能夠有效進行分離，但其結構參數在條件許可的情況下有待進一步的優化研究。

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