陳腐垃圾高效篩分預處理裝備的設計與優(yōu)化研究

關鍵詞：陳腐垃圾；篩分預處理；設計方案

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500(2025)07-0047-03

DOI: 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.07.013

Research on Design and Optimization of Equipment for High-Efficiency Screening and Pretreatment of Stale Refuse

WANG Zhongxing (Shandong Qunfeng Heavy Industry Technology Co.，Ltd.，Dezhou2534Oo， China)

Abstract:Inviewof theproblemssuchaslowscreeningpretreatmenteficiencyandvulnerableequipmentintheprocesofurban stalerefuse treatment，theesignoptimiationofhgeciencysreeingpretreamentequpmentwascariedout.Bystablising multi-objectiveotiizatiomodel，teoptiationoectivsofeystucturalparametersndpeformanceidexesareetened Basedontheoreticalanalysisandsimulationverification，theoptimizationschemeofnewanti-cloggingscren structureand intelligentcontrolsystem is proposed.Theoptimizedequipmentadopts modularstructuredesignand integratesadaptive adjustmentfunction，hichprovidestechnicalsupportforimprovingthesreeningandpretreatmenteficiencyofobsoleteaste. Keywords: stale refuse; screening pretreatment; design scheme

隨著城市化進程的加快，陳腐垃圾處理問題日益突出。陳腐垃圾具有含水率高、粒度分布廣、有機質含量高等特點，這些特性導致傳統(tǒng)篩分設備普遍存在效率低、易堵塞、磨損嚴重等問題。針對上述技術難題，需開發(fā)一種高效、可靠的篩分預處理裝備。開展陳腐垃圾高效篩分預處理裝備的設計與優(yōu)化研究，對提高處理效率、延長設備使用壽命、降低運行成本具有重要意義。本研究將從設備結構設計和參數(shù)優(yōu)化兩個方面入手，提出系統(tǒng)的解決方案。

括粗破碎機、輸送機、滾筒篩及風選機。粗破碎機采用雙軸剪切破碎結構，可高效處理大尺寸物料，控制出料粒度在 300mm 以下。輸送機采用變頻調速的皮帶輸送結構，配備防跑偏和防堵塞裝置，確保物料輸送的連續(xù)性和均勻性。滾筒篩采用雙層篩筒結構設計，內層為多邊形結構，外層為圓柱形，兩層之間形成自清潔通道，有效防止篩孔堵塞，提高篩分效率。風選機采用重力分選與氣流分離原理，能夠實現(xiàn)輕質物料的高效分離[]。

1篩分預處理裝備設計方案

2關鍵參數(shù)優(yōu)化

篩分預處理裝備設計采用整體閉環(huán)的框架結構，其主要功能單元如圖1所示。裝備的核心功能模塊包

2.1優(yōu)化目標與約束條件篩分預處理裝備的優(yōu)化目標包含篩分效率、設

垂直方向振動加速度應小于 0.8g （重力加速度），水平方向振動加速度應小于 0.5g ，確保設備穩(wěn)定運行。

2.2 多目標優(yōu)化模型

基于關鍵參數(shù)的相互作用關系，建立以篩分效率最大化、設備壽命最長化、能耗最小化為目標的優(yōu)化模型。采用加權歸一化法處理多目標函數(shù)，構建綜合評價指標 F 優(yōu)化模型的目標函數(shù)表達式為

F=w₁?E+w₂?L-w₃?P

式中： w₁，w₂ 、 w₃ 為權重系數(shù)，通過層次分析法確定，分別取值0.4、0.35、0.25。各子目標函數(shù)通過無量綱化處理轉換為統(tǒng)一量綱。篩分效率目標函數(shù)E 主要考慮物料分離度（目標粒度物料的分離比例）和處理量（單位時間處理物料的質量）的綜合影響。其中，物料分離度受篩孔尺寸、轉速和傾角影響，處理量與進料量和物料含水率相關。設備壽命目標函數(shù)L 主要考慮篩網磨損和軸承壽命兩個方面。其中，篩網磨損與物料硬度、含水率及沖擊力有關，軸承壽命與載荷大小和轉速密切有關[3。能耗目標函數(shù) P 能夠反映單位處理量的功率消耗，與總功率和處理量的比值相關。考慮參數(shù)之間的耦合關系，引入正交試驗方法確定各參數(shù)對目標函數(shù)的影響程度。

備壽命和能耗3個方面。篩分效率主要考慮物料分離度和處理量，通過建立評價函數(shù)進行量化。篩分效率目標函數(shù) E 的表達式為

E=f(η，Q)

式中： η 為分離效率； Q 為單位時間處理量。

設備壽命主要關注篩網磨損率和軸承壽命，建立壽命預測模型。設備壽命目標函數(shù) L 的表達式為

式中： W 為磨損率； N 為軸承壽命系數(shù)。

能耗評價采用單位處理量功耗指標，能耗目標函數(shù) P 的表達式為

P=M/Q

式中： M 為設備運行功率。

約束條件涵蓋結構參數(shù)、工藝參數(shù)和運行參數(shù)3個層面[2]。根據(jù)結構參數(shù)約束，篩筒長度為 2000～ 3000mm 、篩筒直徑為 800～1200mm ，篩孔尺寸為40～60mm 。工藝參數(shù)約束包括進料含水率 ?60% 、進料粒度 ?200mm 。根據(jù)運行參數(shù)約束，轉速為10～25r/min ，傾角為 10°～20° 。此外，考慮到物料特性，對進料裝置的給料均勻性提出要求，波動系數(shù)需控制在 15% 以內。對振動幅度設置了限制條件，

2.3參數(shù)優(yōu)化結果分析

優(yōu)化計算結果顯示，在給定約束條件下，關鍵結構參數(shù)的最優(yōu)組合為篩筒長度 2500mm 、直徑1000mm 、篩孔尺寸 50mm ，最優(yōu)運行參數(shù)為轉速18r/min 、傾角 15^° 。優(yōu)化后的性能指標對比結果如表1所示，篩分效率達到 92% ，篩網設計壽命從1 000h 提升至 1 300h ，單位處理量能耗明顯降低。參數(shù)靈敏度分析表明，轉速和傾角對篩分效率影響最大，兩者的貢獻率分別為 32% 和 28% 。篩孔尺寸與篩網壽命呈現(xiàn)顯著負相關，相關系數(shù)為 -0.85 。進料含水率對能耗影響最大，當含水率超過 50% 時，能耗急劇上升。通過響應面分析發(fā)現(xiàn)，轉速與傾角存在交互作用，當轉速為 18r/min 時，傾角的影響最顯著[4]。

3 優(yōu)化方案驗證

3.1 仿真分析驗證

采用ANSYSWorkbench軟件進行有限元分析，建立篩分機構的三維實體模型。網格劃分采用六面體主導方法，網格單元數(shù)量為286542個，節(jié)點數(shù)量為312658個。邊界條件設置：篩筒兩端軸承支撐，施加重力載荷和驅動轉矩。模態(tài)分析結果表明，裝備前六階固有頻率分別為8.76、12.43、15.87、21.54、26.92、 31.45Hz ，與工作頻率存在足夠的裕度，避免了共振風險。動力學仿真分析表明，在優(yōu)化工況下，篩筒最大變形量為 2.36mm ，最大應力為 156MPa 均低于設計限值。通過CFD軟件模擬物料運動軌跡，驗證了優(yōu)化后參數(shù)組合的合理性[5。從物料運動軌跡分析可見，在給定的工作參數(shù)下，物料沿篩面呈螺旋式運動。物料在篩面停留時間平均為 4.2s ，與理論計算值4.5s基本吻合，相對誤差為 6.7% 。篩分過程中物料分布均勻，篩孔利用率達到 85% ，驗證了優(yōu)化方案的可行性。

3.2性能指標評價

基于仿真結果建立性能評價體系，從篩分效果、運行穩(wěn)定性和工藝適應性3個維度進行綜合評價。篩分效果評價指標包括分離效率、處理量和分離精度，運行穩(wěn)定性評價指標包括振動強度、噪聲水平和溫升，工藝適應性評價指標包括含水率適應范圍和粒度適應范圍。評價結果顯示，優(yōu)化后的裝備在額定工況下，物料分離效率達到 92% ，粒徑小于 50mm 的物料分離精度為 95% ，處理量穩(wěn)定在3.2t/h 。設備振動加速度最大值為 0.62g ，運行噪聲控制在 85dB 以內，軸承溫升不超過 35K 。含水率適應范圍擴大到 25%～65% ，物料粒度適應范圍為20～200mm 。

3.3 可靠性評估

通過加速壽命試驗和失效模式分析，對裝備關鍵部件進行可靠性評估。試驗在模擬工況下進行，采用應力加速方法，加速因子取1.5。經過 1000h 的考核試驗，記錄各部件的失效數(shù)據(jù)和磨損情況。裝備可靠性評估結果如表2所示。在設計壽命 1 300h 內，篩網系統(tǒng)的平均無故障工作時間為 800h ，可靠度為

0.92 。軸承系統(tǒng)平均無故障工作時間達到 2000h 可靠度為 0.95 。驅動裝置的平均無故障工作時間為1500h ，可靠度為 0.97 。整機系統(tǒng)的平均無故障工作時間為 600h ，可靠度為0.85，滿足連續(xù)運行要求。失效模式分析結果顯示，篩網磨損和堵塞是主要失效模式，占比達到 65% 。

4結論

通過對陳腐垃圾高效篩分預處理裝備的設計優(yōu)化研究，建立了系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法。優(yōu)化后的裝備采用模塊化結構設計，集成了智能控制系統(tǒng)，在結構設計和控制策略方面均有創(chuàng)新。該研究不僅提出了切實可行的工程解決方案，還建立了具有普遍意義的優(yōu)化設計方法，對提升陳腐垃圾處理裝備的技術水平具有重要的參考價值。

參考文獻

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