有機垃圾脫水試驗及壓榨脫水機螺旋體結構設計

張 燕，鄭慶強

（1.棗莊科技職業學院，山東棗莊 277569；2.棗莊職業學院，山東棗莊 277100）

0 引言

在政府的大力倡導下，城鎮生活區普遍實現了垃圾的分類收集。對于分類后的廚余垃圾進行壓榨脫水好氧堆肥是垃圾處理的一個重要途徑。基于此，通過試驗研究菜市場垃圾有機物壓縮、脫水特性特點和現有有機物壓縮脫水設備的優缺點，設計研發一種新型菜市場有機垃圾脫水機。該脫水機既可完成物料的輸送，又可實現壓縮脫水及簡單的破碎，將垃圾資源化。

本文以螺旋壓縮理論研究為基礎，選取不同季節菜市場垃圾作為試驗原材料進行脫水試驗，取得有機垃圾的壓縮脫水特性及保壓時間和脫水率的關系數據，并以此為依據，充分考慮螺旋壓縮脫水機螺旋體的工作特點，從材料選擇、螺旋軸結構參數等方面進行設計，確保經螺旋壓榨脫水機處理后的顆粒粒徑和含水率可滿足廚余垃圾高溫好氧堆肥的條件。

1 螺旋壓縮理論研究

螺旋壓縮是通過螺旋葉片間的推力使物料向前移動，從而使物料壓縮物料產生推力，壓榨螺旋的螺距減小，使物料所含的水分被擠壓出來。有機垃圾含有大量的水分，含水率高達50%～92%。為提高脫水率，主壓縮倉設計篩壁和錐形體，錐形體后部裝有彈簧，通過調節彈簧的預緊力和位置，可改變排阻力和出渣口的大小，用來調節壓榨的干濕程度。用該類螺旋軸進行壓縮脫水不僅能完成正常螺旋軸的輸送、壓縮功能，還能較好地減少物料浪費、節省電機耗能。

2 垃圾壓縮脫水特性研究

試驗采用的菜市場有機垃圾壓縮脫水性能檢測裝置有六大組成部分，包括機體、千斤頂、壓縮活塞、壓縮倉、位移傳感器、壓力傳感器以及滲濾液收集裝置。該裝置借助于千斤頂及活塞運動壓縮有機垃圾，利用位移傳感器、壓力傳感器和秒表記錄位移、壓力和時間參數；利用天平分別對收集的滲濾液及烘干前后壓縮倉內的殘余垃圾稱重，進行有機垃圾壓縮脫水性能研究[1]。

選取的試驗原材料包括以西瓜皮、小西紅柿、芹菜等為主的夏季菜場混合物，或者選取大白菜、冬瓜皮等為主的冬季菜場混合物。試驗過程：選擇部分廚余垃圾物料，經天平稱量，記下物料重量M1后放入壓縮倉，調試實驗裝置并校對位移傳感器的初始值，通過活塞工作對物料施加壓力，分別記下壓力傳感器值和位移傳感器值和秒表記錄保壓時間；用事先準備好的容器收集壓縮液，將不同時刻收集好的壓縮液用天平稱重，記錄相應時刻壓縮出水重量N1、N2、N3、…。完成一組試驗后關閉電源，將壓縮倉內脫水后的垃圾取出并稱重M2，M1-M2即脫水總量，脫水率γ=（M1-M2）/M1×100%。另外，從M2中取樣m1，對其烘干并稱重得m2，可以計算出壓縮后物料的含水率ξ=（m1-m2）/m1×100%。

利用Origin 軟件對實驗數據進行分析以及回歸擬合曲線，得出位移、壓強以及壓縮比的變化關系（圖1）和保壓時間一定時的脫水率隨壓強的變化關系（圖2）。

圖1 位移、壓強、壓縮比的變化關系曲線

圖2 保壓時間一定時脫水率隨壓強變化曲線

根據實驗數據，確定生活垃圾中轉壓縮時需要的壓強取值范圍，一般建議為1.5～2.4 kg/cm2[2]。該數據為垃圾壓縮機的重要參數設計提供了依據，即脫水壓強（1 kg/cm2=98 kPa）。

除了脫水壓強之外，脫水保壓時間則是影響有機垃圾壓縮脫水機工作性能的另一個重要參數。根據試驗數據分析結果，保壓時間在30 s 左右時，有機垃圾壓縮脫水機的工作效率比較高，而且耗能較低。將圖2 保壓30 s 的曲線進行變換，可得到30 s 保壓時間下的脫水率。大白菜脫水試驗得出合理的壓強為2.4 kg/cm2左右，最佳保壓時間為30 s。

3 壓縮機螺旋體結構參數設計

螺旋體的主體是螺旋軸，螺旋軸的設計主要考慮其在壓榨脫水時的工作條件和所要滿足的工作要求，確定出螺旋軸的主要結構參數，比如：螺旋軸直徑、壓縮比、螺距和螺旋槽深度等。設計時要根據試驗情況對其進行受力分析和強度校核，以防止螺旋軸在工作中受各種阻力及物料的摩擦力而磨損，甚或是因強度不夠而破壞。為提高脫水率，設計螺旋壓縮機時可適當考慮軸向和徑向都有力作用于物料，即：選用變徑變螺距的螺旋軸[3]。

3.1 螺旋軸的材料選擇

3.1.1 確定轉速

轉速是決定脫水機生產能力的一個主要因素，而影響螺旋軸轉速的主要因素是物料在脫水機內停留的時間。由于本脫水機壓縮倉的橫截面較大，脫水較為困難，故應選擇較高的螺旋轉速，螺旋軸直徑越大轉速相對越低，故選擇小直徑的螺旋轉速，一般為5～20 r/min。綜合實際生產等設計因素，經計算轉速為6.5 r/min。

3.1.2 螺旋軸的材料

結合螺旋脫水機工作特點及螺旋軸的受力狀態，該脫水機螺旋軸選擇鑄造結構，即螺旋葉片和軸是一個整體，采用鑄造性能較好的鑄鋼材料。鑄剛強度高、塑性好，切削性能良好，圖3 為螺旋壓榨脫水機螺旋軸局部效果圖。

圖3 螺旋軸局部效果

3.2 螺旋軸結構參數的確定

螺旋壓縮脫水機的螺旋軸在結構上分為輸送段和壓縮段，輸送段起到計量和喂料的作用，它將給料機輸送的物料經螺旋葉片輸送至螺旋軸的壓縮段，以利于進料和輸送；壓縮段實現以很大的軸向力將輸送至螺旋軸的物料強行推入脫水機后部的壓縮倉內，并實現足夠的脫水壓力。螺旋軸的參數主要包括軸徑、螺距、葉片厚度及螺旋升角等，各參數相互關聯。要確定合適的軸徑和螺距必須考慮螺旋面和物料的摩擦關系，從而明確物料的滑移方向，其次要考慮物料滑移速度分量的合理分布，還要綜合考慮生產及脫水效率等綜合因素設計。

3.2.1 螺旋軸軸徑

參考試驗結論及同類產品的尺寸規格，根據實際情況，外徑取值：D=Φ=400 mm，軸徑取值：d=（0.20～0.35）D=80～140 mm，本文螺旋軸直經為100 mm，軸長為1500 mm。

3.2.2 螺距和螺距數目

輸送段的螺距大小決定著進料的難易程度，故一般輸送段的螺距取值較大，考慮物料整體顆粒的大小及整臺設備的長度，螺距取值：L=320 mm；因為壓縮段要提供足夠大的軸向力以實現脫水的目的，故在外徑確定的情況下，螺距越小螺旋升角越小，軸向力越大，故壓縮段的螺距一般取值較小，取：L=240 mm。另外，應考慮物料與螺旋葉片及物料與壓縮倉之間的摩擦因數大小，以防止出現“抱死”現象。綜合整個設備的長度，取輸送段螺距數目為2，壓縮段螺距數目為2。圖4 為螺旋軸結構仿真圖，輸送段螺距較大，壓縮段螺距較小。

圖4 螺旋軸整體結構仿真

3.2.3 螺旋葉片厚度選取

螺旋葉片的厚度和葉片的材料、軸向力的大小及葉片和軸的連接方式有關。初步取螺旋葉片的厚度為10 mm。

3.2.4 旋槽深度

螺旋槽的深度是螺旋軸外半徑與根半徑之間的差值，取值參考物料的脫水性質，易脫水的物料取大值，反之取小值，一般取（0.2～0.3）D。若螺旋槽過深，則物料層變厚，會增加脫水難度，而且易發生打滑現象。因此該螺旋脫水機螺旋槽深度取值為400/2-100/2=150 mm，稍微大于0.3D。

3.2.5 螺旋升角

在螺旋軸的設計過程中，螺旋升角不能太大，否則不能起到推動物料前進的作用，圖5 所示為螺旋葉片的提升角。圖中斜邊L 與周長πD 的夾角為螺旋外提升角α1，斜邊l 與πd 之間的夾角為內提升角α2，α2＞α1，并且（α2—α1）連續漸漸升高。

圖5 螺旋提升角示意

如圖6 所示，處于螺旋葉片外緣的物料M，受到螺旋葉片推動而向右前進，螺旋葉片施加于物料M 的法向壓力為N，N的軸向分力Ncosɑ1，促使物料M 前進。與此同時，M 又受到摩擦阻力Nf1的影響（其中f1為物料M 與葉片之間的摩擦因數，f1=tgρ，ρ 為物料M 與葉片之間的外摩擦角），摩擦阻力的軸向分力為Nf1sinα1，成為物料向前運動的阻力。因此要使物料向前運動，必須滿足的條件為：Ncosɑ1≥Nf1sinα1，即：ctgɑ1≥f1=tgρ，所以有：ɑ1≤90°-ρ。同樣對于螺旋內角也可以得到：ɑ2≤90°-ρ。由于ɑ2＞α1，因此在設計計算螺旋提升角時，只需驗算ɑ2是否滿足條件即可。本設計中，tgɑ2==1.108 6，ɑ2=arctg45.53°。

圖6 物料在螺旋葉片上受力分析

3.3 螺旋軸的設計

螺桿在工作中受物料壓力F、螺桿本身的自重以及克服物料流動阻力的力矩。螺桿在擠壓脫水機內為懸臂梁，螺桿為浮動式[4]，彎矩可以忽略不計。對螺桿的強度校核時，要考慮螺桿所受的徑向壓力，即為壓、扭、彎組合作用的復合計算。根據實驗結果和生產經驗，初步選定螺旋軸直徑100 mm，對轉軸進行彎扭合成強度校核。

對于鋼制螺旋軸可按第三強度理論計算，強度條件為：σca=則軸的彎扭合成強度條件為：σca=［σ-1］，推得螺旋軸設計公式為：d3≥。其中，σca是軸的計算應力，MPa；M 是軸所受的彎矩，N·mm；T 是軸所受的扭矩，N·mm；W 是螺旋軸危險截面彎曲截面系數，mm3。其中，W為抗彎截面模量，且W=≈0.1d3，M 為危險截面上的合成彎矩，可根據電機功率計算得出。

由于芯軸工作時只受彎矩不受扭矩，計算時應取T=0。

實體材料以45#鋼為例，彎曲許用應力為245～275 MPa[6]，設計中取245 MPa。在要使螺旋軸獲得等強度，根部的螺桿軸直徑需滿足：d3≥0.00 873 347，得到d≥0.095 586 29 m。這里螺旋軸取值為100 mm，滿足彎扭聯合強度要求。

通過推演計算，確定螺旋體結構參數（表1）。

表1 脫水機主要設計參數

4 結語

通過對螺旋壓縮機的理論研究，參照菜場垃圾的壓縮脫水特性，對螺旋體的結構進行相關分析并初步確定關鍵參數，基于此，可對螺旋體的受力情況做進一步的分析計算，進而研究脫水機的其他幾個核心部件，如螺旋軸的動力源選型、主壓縮倉的設計以及反壓裝置的結構設計等。