滾筒式蚯蚓分選裝置研究與試驗

2021-09-14 08:12:46國瑞坤楊先海吳祥臻肖龍波山東理工大學機械工程學院山東淄博255049

家畜生態學報 2021年8期

賀磊，國瑞坤，楊先海，吳祥臻，肖龍波(山東理工大學機械工程學院，山東淄博 255049)

蚯蚓養殖有著很高的經濟效益，蚯蚓中所含有的生物酶、激素和蛋白被廣泛應用于生物制藥領域，蚯蚓養殖產生的蚓糞含有大量有益微生物，富含大量的氮磷鉀以及有機物，被稱作“有機肥之王”。蚯蚓養殖的整個生產鏈有很高經濟效益[1-3]。但是目前國內外仍無高效率蚯蚓蚓糞分選裝置。蚯蚓的生長周期較短，如何快速高效地進行蚯蚓和蚓糞的采收成為制約蚯蚓養殖業發展的關鍵技術難題。目前，蚯蚓養殖多為小規模養殖，采用的分選方法多為人工分選，分選過程需要耗費大量人力資源，限制了蚯蚓養殖的規模。因此，急需設計一種新型蚯蚓分選裝置，實現蚯蚓蚓糞采收高效化[4]、自動化[5]。

1 滾筒內蚓糞顆粒的運動分析

1.1 滾筒式蚯蚓分選方案提出

大規模蚯蚓養殖時采用室內恒溫恒濕環境下養殖箱式養殖模式，蚯蚓生長周期短，蚯蚓成熟時需要將其從培養基中篩分出來。研究蚯蚓分選，需要先對篩分物進行分析。本文研究的待分選蚯蚓培養基為無土培養基，其主要成分為蚓糞、蚯蚓以及殘余基料(圖1)，其中含量最高的成分是蚓糞，其次是蚯蚓。表1為蚯蚓培養基的主要成分。

表1 蚯蚓培養基的主要成分Table 1 Main components of earthworm culture medium

圖1 蚯蚓培養基的主要成分Fig. 1 The main components of the sputum medium

蚯蚓培養基含水量較高，且成分復雜，滾筒篩在處理此類物料時具有較好的分選效果[6-7]。但是由于蚯蚓培養基顆粒表面存在一層水化膜，液橋力的作用使得蚓糞顆粒之間的粘附力增大，培養基顆粒容易相互之間粘附結球，從而導致顆粒的粒度增大，蚓糞顆粒的過篩概率降低。因此，在設計滾筒式分選裝置之前需要對蚓糞粘附結球機理進行研究。

1.2 粘附結球模型

由于顆粒之間存在粘附力，蚓糞顆粒在運動過程中會形成二次、三次蚓糞顆粒，在這一過程中蚓糞顆粒的粒度不斷增大，顆粒粘附過程如圖2所示。建立顆粒粘附結球模型，如圖3所示。假設顆粒間的接觸角為0°，則顆粒間的粘附力：

圖2 蚓糞粘附結球過程Fig. 2 Process of earthworm feces adhered to become sphere

圖3 蚓糞顆粒粘附結球模型Fig. 3 A model of earthworm excrement binding into spheres

(1)

R1=r(secβ-1)

(2)

R2=r(tanβ-secβ+1)

(3)

由公式(1)、(2)、(3)可得：

(4)

式中：τ.表面張力;r.顆粒半徑;β.鉗角

由公式(4)可知，兩顆粒之間發生接觸時，蚓糞顆粒之間的粘附力與顆粒半徑、鉗角大小以及含水率有關。在體積為V的空間中存在N個顆粒，t時間內任意兩顆粒之間發生碰撞的概率為：

(5)

式中：Vr.顆粒相對運動速度;N/V.顆粒濃度。

由公式(5)知，蚓糞顆粒之間發生碰撞的概率與顆粒直徑、相對運動速度以及顆粒濃度有關。

1.3 滾筒內蚓糞顆粒的運動分析

滾筒篩如圖4所示，滾筒由滾輪支撐安裝在滾筒架上，滾筒架與底架通過擺頁連接，可根據分選需要調整滾筒安裝傾角。裝置由三相異步電動機提供動力。作業時，從裝置的進料端投入待分選物料，細狀蚓糞顆粒透篩，大塊蚓糞與蚯蚓沿滾筒傾斜面移動。篩上物經過喇叭形出料口，將蚯蚓從大塊物料顆粒中分離開來，蚯蚓從出料口的一側流出，大塊物料從出料口中間位置流出。

圖4 滾筒型活體蚯蚓分選裝置設計與試驗 1.擋板；2.喇叭形出料口；3.輪轂；4.固定輪；5.滾筒固定架；6.托輪；7.擋排；8.主動軸；9.帶座軸承；10.滾筒架；11.電機；12.底架；13.擺頁 1.baffle；2. tubaeform discharge hole；3.hub；4.tight pulley；5. fixed mount of roller；6.riding wheel；7.retaining drainage； 8.driving shaft；9.plummer block；10.roller mount；11.electronic machinenary；12.chassis；13.pendulumFig. 4 Design and test of drum-type living earthworm separation device

篩分發生于物料在滾筒內運動過程中，為了簡化分析過程，取物料中單個顆粒進行運動分析[8]，建立顆粒在滾筒內的運動模型，顆粒在滾筒內的受力如圖5所示。

圖5 顆粒受力圖Fig. 5 Particle force diagram

顆粒在靜摩擦力Fm的作用下隨滾筒轉動，上升的最大高度與滾筒轉速的大小有關。顆粒上升的過程中，重力在滾筒切線方向上的分力不斷增大，摩擦力F也隨之增大，由于顆粒重力在滾筒切線方向上的分力一直小于最大靜摩擦力Fm，顆粒與滾筒之間無相對滑動，在此過程中無顆粒的過篩。當摩擦力F達到最大靜摩擦力Fm時，顆粒發生滑落，由于顆粒的滑動摩擦力較小，顆粒將滑至滾筒底部，在此過程中有顆粒的過篩。隨著滾筒轉動，物料將一直重復上述過程[9]。由于滾筒安裝存在傾角，物料在下滑的同時還進行軸向運動，直至運動到出料口處。在顆粒在滾筒內的運動過程中，當顆粒處于平衡臨界點時，由平衡條件得：

(6)

式中：Fm.最大靜摩擦力；α.位置角；m.顆粒質量;μ*.顆粒靜摩擦系數，μ*=tanσ，σ為靜摩擦角;R.滾筒半徑。

公式(6)整理可得：

(7)

(8)

(9)

在實際中滾筒傾角的余弦值近似等于1，因此暫不考慮傾角對顆粒受力的影響。由以上公式推導可知，顆粒平衡臨界點位置角是滾筒轉速的函數，由公式(8)作出顆粒位置角α對應ω2的函數圖像，如圖6所示。

對圖6曲線進行分析，可以得到以下結論：

圖6 蚓糞顆粒P受力分析Fig. 6 Force analysis of sputum granules P

(1)當位置角α<σ時，由于顆粒在滾筒內處于自鎖狀態，顆粒在任意轉速均不會下滑。

(2)當位置角σ≤α≤σ+π/2時，取此區間內一點α<α0進行分析，由公式(9)得：

(10)

當滾筒轉速以ω1轉動時，顆粒可到達的最大位置角為α0，在到達此位置角之前，顆粒均不會發生滑動。

(3)當位置角α=σ+π/2時，由公式(10)得：

(11)

當滾筒以ωm轉動時，顆粒可達到的最大位置角為σ+π/2，該點也為曲線的臨界轉速點。當滾筒轉速大于該極限轉速時，顆粒與滾筒之間將不發生相對滑動，顆粒將與滾筒一起做同步圓周運動[10]。此外，位置角不得超過為90°，否則將顆粒將沿速度方向拋落回篩面，過篩概率較低。位置角90°時滾筒轉速為：

(12)

但是物料在滾筒篩中是以顆粒群的形式過篩的，因此，需要進一步對顆粒群在滾筒內的運動進行分析。由公式(5)可知，顆粒碰撞概率與顆粒之間的相對運動速度有關。滾筒轉速超過顆粒最大位置角90°對應的轉速時，一部分物料會在滾筒中做斜拋運動，滾筒的篩分率大大降低。根據相關文獻[11-12]，物料在滾筒內篩分的最大位置角通常為20～60°，在進行設計時，位置角選為45°，則公式(12)改寫為：

(13)

通過公式(13)得出了滾筒式分選裝置的理論最佳轉速，在此轉速下的實際分選效果將進一步通過試驗進行驗證。

2 滾筒式分選裝置篩分試驗

前文對滾筒式分選裝置篩分機理進行了分析，推導了分選裝置的理論最佳轉速，后面將通過樣機正交試驗確定最佳篩分參數。

2.1 試驗條件

不同的溫濕條件對蚯蚓生長有不同的影響，當濕度低于40%時生長量和產繭量都會降低，濕度超過70%時產繭量會下降，培養基溫度為20 ℃、濕度為60%～65%左右時蚯蚓生長和產繭數達到最高值[13]。為了提高篩分率，生產時適當降濕至50%～55%左右，本次試驗如圖7所示。

圖7 滾筒式蚯蚓分選裝置現場試驗Fig. 7 Field test of drum-type living earthworm separation device

試驗目的：(1)測試滾筒式分選裝置的篩分效果;(2)分析各篩分參數對篩選的影響;(3)通過試驗確定滾筒式篩分裝置的最佳篩分參數。

2.2 正交試驗

正交試驗是研究多因素試驗的重要數理方法[14]，滾筒轉速、滾筒傾角以及進料速度是影響篩分效果的重要工藝參數，每個因素取4個水平，進行滾筒式分選裝置篩分試驗，如表2所示。

表2 試驗因素水平設置Table 2 Test factor level setting

建立三因素四水平滾筒型分選裝置正交試驗[15]，選用正交表L16(45)安排試驗，需要進行的試驗次數為16次，正交試驗設計如表3所示。

表3 正交試驗表Table 3 Orthogonal testTable

2.3 試驗結果

根據正交試驗表進行篩分試驗，試驗結果如表4、表5所示，試驗得到的分選物如圖8所示。對篩分率進行極差分析[16]，具體如表 6所示。由表6可知，RA>RB>RC，說明各因素對于滾筒篩分率影響的重要程度由大到小依次是：滾筒轉速、滾筒傾角、進料速度。結合表5可知，16組篩分試驗中蚯蚓的過篩損失率在3%以內，蚯蚓過篩損失率在可接受的范圍內，篩下物的質量可近似視為過篩蚓糞的質量。以篩分率為試驗指標，對于A因素來說，不同水平下的篩分率為：k2>k3>k1>k4，B因素不同水平下的篩分率為：k2>k3>k1>k4，C因素不同水平下的篩分率為：k1>k2>k3>k4。因此，滾筒式分選裝置在取得最大篩分率時的篩分參數組合為A2B2C1，即：滾筒轉速為18 r/min，滾筒傾角為7°，進料速度為0.6 t/h時篩分率最高。