基于離散元的蛆糞分離多維振動篩的設計與研究

蔡靜 周昕 楊啟志

摘要：利用固體畜禽糞便養殖蠅蛆不僅能夠有效解決規模化畜禽養殖造成的環境污染問題，而且可以為畜禽養殖和水產養殖提供高蛋白飼料，但是如何將蠅蛆養殖業中蠅蛆和固體畜禽糞便培養基快速有效、機械、可控地分離是目前養殖戶面臨的難題。首先建立了蠅蛆和固體畜禽糞顆粒混合物離散元振動仿真模型，通過離散元方法分析蛆糞混合物篩分時透篩率的主要影響因素;其次對多維振動篩進行結構優化設計，并且對多維振動篩透篩率進行正交試驗，最終確定并聯振動篩最佳透篩率實現的條件。

關鍵詞：離散元;蛆糞分離;多維振動篩;離散元;振動仿真模型;結構優化設計;透篩率

中圖分類號： S817.5 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）03-0251-04

據不完全統計，我國由于規模化畜禽養殖和養殖小區建立而造成的固體畜禽糞便的年排放量已經超過了40億t[1]。畜禽養殖造成的危害主要表現為：降低了養殖區范圍內的水環境質量;對周邊生活環境造成了嚴重影響;對養殖區周邊的土壤環境造成重金屬污染[2];對在該養殖區所在周邊土地上種植的農產品質量安全造成影響[3]。

蠅蛆具有高蛋白營養成分[4-6]，適用于水產以及畜禽養殖的蛋白飼料供給，目前利用固體畜禽糞便養殖蠅蛆不僅可以緩解環境污染問題，而且可以為我國畜禽養殖業提供急需的高蛋白餌料，經過養殖蠅蛆處理后殘留的畜禽糞渣，不須要經過復雜處理就可以轉化為有機肥料或者沼氣原料。

利用畜禽糞便養殖蠅蛆沒有得到快速發展的很大原因是缺少蠅蛆養殖生產鏈中成熟蠅蛆與畜禽糞培養基的快速可控分離技術，目前幾乎全部為不可控的、利用蠅蛆生物學特性的、非機械式分離技術，分離效率低，無法實現大規模養殖生產[7-8]。利用振動篩來分離蠅蛆和固體畜禽糞（簡稱為“蛆糞”）是一種十分有效的方法，傳統的振動篩大多為一維振動篩[9]，篩分軌跡單一、效率不高，不能實現蛆糞的快速分離。而并聯振動篩與傳統的一維振動篩相比較而言，具有剛度大、結構緊湊、承載力強、工作空間小等優點[10-12]，在進行物料的分選篩分作業時可以高效率地實現功能，所以利用并聯振動篩來振動分離蛆糞混合物十分具有研究意義，并且直接影響畜禽糞養殖蠅蛆產業的發展。

1 離散顆粒動力學仿真

1.1 仿真顆粒模型建立

蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒是潮濕顆粒，在實際振動過程中是經過碰撞后又能夠迅速恢復自然形態的，因此本研究將蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒設定為軟球模型，結合實際工程應用和非線性阻尼思想，將蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒的運動模型簡化為彈簧阻尼運動，顆粒間的接觸模型可以簡化為圖1。

物性試驗測得了4日齡蠅蛆的基本物性參數，得到了蠅蛆的體長參數、大頭直徑參數、小頭直徑參數以及質量參數等，將測得的蠅蛆參數根據培養時的實際情況分別測定不同特征蠅蛆的占比，經過統計計算，將不同尺寸的蠅蛆區分為兩類：（1）正常體積的蠅蛆，其大頭直徑為1.2 mm，小頭直徑為0.2 mm，蠅蛆體長為10 mm;（2）由于生長環境和其他內在因素影響，蠅蛆的尺寸略小于正常蠅蛆尺寸，其大頭直徑約為0.8 mm，小頭直徑為 0.05 mm;2類蠅蛆的數量比為 1 600 ∶ 80。固體畜禽糞便顆粒在測量時受到環境影響因素較高，故采取的是參考農業有機肥料的基本參數，將固體畜禽糞顆粒根據不同的尺寸分為3個類別，將固體畜禽糞便顆粒形狀簡化為球形，半徑為0.5、0.8、1.0 mm，3種半徑尺寸顆粒的比例為3 ∶ 3 ∶ 4。

由于蠅蛆在振動篩分過程中會發生形狀變形，使得篩分效果不是很理想，因此可以對蠅蛆進行降溫或者通過噴灑化學試劑使得蠅蛆在瞬間保持一定的狀態不變，這樣便于篩分處理。通過這樣的工業應用分析，可以在離散元振動篩分過程中參考這樣的實際工況，因此建立的三維仿真模型是固定不變的。

1.2 仿真

從力學角度出發，對蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒在振動過程中產生的新位移以及新的位移和相關力的關系計算出新的相互作用力，重復計算過程，隨時跟蹤和記錄蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒在振動過程中的狀態。

設定仿真分析顆粒總數為20 000顆，篩分效果評價指數以透篩率來進行評價，透篩率是篩分出去的固體畜禽糞顆粒總數與固體畜禽糞便顆粒的總數的比值，設定篩分的時間為3 s。可知在蠅蛆和固體畜禽糞顆粒的振動篩分仿真分析過程中，并不是振幅越大，篩分的效果就越佳。因為在實際篩分的過程中，振幅的變化范圍是通過機械結構本身來決定的，存在一個臨界值，過大或者過小的振幅都不利于獲得最佳的振動篩分效果。

2 多維振動篩設計

2.1 整體結構設計

多維振動篩的整體結構由框架（靜平臺）、篩框（動平臺）、3條支鏈以及物料收納框組成，其中多維振動篩的3條支鏈分別是：支鏈1，SOC1{-R11-R12-S13-};支鏈2，SOC2{-R21//R22-S23-};支鏈3，SOC3{-R31-R32-S33-}。機構組成的動平臺是{MP}：（S13，S23，S33），靜平臺是{FB}：{R13，R23，R33}，其機構簡圖見圖2。

多維振動篩的整體尺寸是：長1 200 mm、寬 1 000 mm、高 1 100 mm，篩框的整體尺寸為：長 800 mm、寬600 mm、高 100 mm，根據蠅蛆的基本尺寸選擇2目方孔篩網。

2.2 拓撲結構分析

維振動篩機構的第1條支鏈SOC1{-R11-R12-S13-}可以等效成為SOC1{-R11-}和SOC1{-R12-} 以及SOC1{-S11-} 3個運動副串聯而成，將這第1條支鏈上面的運動副的位姿矩陣代入下面的位姿矩陣公式：Mb1=t1（//R11）r2（⊥R11）;第2條支鏈SOC2{-R21//R22-S23-}可以等效為3個單開鏈支鏈串聯而成，代入位姿矩陣公式，得到第2條支鏈的末端構件的輸出位姿矩陣為：Mb2=t2（⊥R11）r2（⊥R21，R22）;第3條支鏈SOC3{-R31-R32-S33-}可以等效為3個單開鏈支鏈串聯而成，代入位姿矩陣公式，得到第3條支鏈的末端構件的輸出位姿矩陣為：Mb3=t2（⊥R11）r2（⊥R21，R22）。

將并聯機構的3條支鏈的輸出位姿矩陣Mb1、Mb2以及Mb3代入并聯機構輸出位姿矩陣方程的計算公式，可以得到：MPa=t1（//R11）

r2（//R21，R31）。由此可知，多維并聯振動篩最終在動平臺（篩框）實現的是2個轉動和1個平移的運動方式。

2.3 工作空間分析

物料如何在篩網上運動彈跳取決于振動篩的振動方向角和篩網篩分時與水平面之間的傾角，物料顆粒在篩網上的傾角可以達到20°，此時物料在篩面上不存在與傾斜篩面之間滑動，由此分析出設定機構運動的限制條件：-20°≤α≤+20°，-20°≤β≤+20°;同時，根據設計初的機構設計和機械結構設計的設定，可以得到動平臺上的輸出角γ的變化范圍，即 70°≤γ≤110°;根據機構的對稱性以及運動特性得到2條對稱支鏈和第1條支鏈的長度變化范圍，即動平臺支鏈的長度變化范圍是484 mm≤l5+l6≤584 mm，484 mm≤l3+l4≤584 mm，450 mm≤l1+l2≤584 mm。用Matlab軟件搜索并聯振動篩機構的可達空間，代入并聯振動篩的約束條件以及3條支鏈長度的變化范圍可以得到動平臺（篩框）的工作空間（圖4）。

3 試驗結果與分析

3.1 多維振動篩樣機

固體畜禽糞便顆粒和蠅蛆混合物在篩分過程中的透篩效果受到多種因素的影響和限制，如固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物的含水率、蠅蛆和固體畜禽糞顆粒混合物的不同質量配比、并聯振動篩的振幅、并聯振動篩的振動頻率、并聯振動篩的自由度數目以及其他雜質的含量、振動篩篩網網孔的尺寸、篩網的材料等。本試驗擬采用正交試驗方案來分析并聯振動篩（圖5）分離固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物的篩分效果，驗證并聯振動篩的透篩率。

3.2 正交試驗

采用L16（45）正交試驗進行篩分試驗分析，正交試驗的試驗設計因素從固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物的含水率、并聯振動篩的振幅、并聯振動篩的振動頻率、并聯振動篩的自由度數目以及其他雜質含量5個因素進行評價分析，評價指標為固體畜禽糞便顆粒的透篩率。現將本試驗設計的正交試驗因素水平見表1。

通過試驗結果對比，分析出固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物篩分效果即透篩率影響因素大小順序是自由度數目、振幅、振動頻率、含水率以及雜質含量（表2）。由于本試驗進行時篩分對象是固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物，其中雜質含量受到畜禽養殖環境的限制，在本次正交試驗過程中，對透篩率的影響效果并不是十分顯著。

4 結論

多維振動篩在振幅為15 mm、振動頻率為5 Hz、含水率為5%、自由度數目為3、雜質含量為15%時，透篩能力最佳。多維振動篩可以單獨驅動各個支鏈，根據實際需求分別對蛆糞混合物進行振動篩分，并且每個支鏈實現的篩分效果都不同。多維振動篩的篩分效率明顯高于一維振動篩。

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