陳作炳，項勤，呂銀雷，鄒遠(yuǎn)志，印世杰

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立式有機廢物發(fā)酵系統(tǒng)攪拌器的阻力分析

陳作炳，項勤，呂銀雷，鄒遠(yuǎn)志，印世杰

(武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

研究開發(fā)了一種立式有機廢棄物發(fā)酵系統(tǒng)，系統(tǒng)由主軸攪拌器、上料裝置、通風(fēng)系統(tǒng)、傳動機構(gòu)、卸料裝置組成。系統(tǒng)通過上料裝置進料并接入適量菌種，由主軸攪拌器攪拌混合，通風(fēng)系統(tǒng)提供足量新鮮空氣，傳動機構(gòu)為系統(tǒng)提供動力，待發(fā)酵完成由卸料裝置完成卸料。針對系統(tǒng)在固定工況條件下主軸攪拌器發(fā)酵攪拌過程中的阻力展開研究，運用現(xiàn)代化離散元模型(EDEM)模擬和分析物料在筒體內(nèi)的運動和攪拌器受力情況，并建立攪拌器數(shù)學(xué)模型，對攪拌阻力進行理論計算。結(jié)果表明：EDEM數(shù)值模擬計算得到攪拌器轉(zhuǎn)矩平均值為84 927.6 N?m，理論計算得到攪拌器理論轉(zhuǎn)矩計算值為86 549 N?m，比模擬值略大，與數(shù)值模擬計算結(jié)果具有一致性。

有機廢物發(fā)酵系統(tǒng)；攪拌器；阻力分析

目前，有機廢棄物處理方式主要有衛(wèi)生填埋法和焚燒法和傳統(tǒng)堆肥法[1]。衛(wèi)生填埋法容易引起環(huán)境污染，打破環(huán)境平衡，惡化土質(zhì)；焚燒法產(chǎn)生煙氣劇毒物質(zhì)，焚燒廠選址困難[2–4]；傳統(tǒng)堆肥法存在堆肥反應(yīng)時間長、成本高、堆肥效果不理想等問題[5]。筆者根據(jù)有機廢棄物處理需遵循的資源化、無害化、減量化原則[6–7]，開發(fā)設(shè)計出一種立式有機廢棄物發(fā)酵系統(tǒng)，系統(tǒng)5~7 d可快速完成發(fā)酵，成本較低。筆者針對系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主軸攪拌器攪拌過程中的阻力進行分析，運用離散元模型(EDEM)模擬和分析物料的運動情況，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

1　發(fā)酵系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由主軸攪拌器、上料裝置、通風(fēng)系統(tǒng)、傳動機構(gòu)以及卸料裝置5部分組成，如圖1所示。上料裝置進料并接入適量菌種后，由主軸攪拌器攪拌混合，通風(fēng)系統(tǒng)通入足量新鮮空氣，傳動機構(gòu)為系統(tǒng)提供動力，待發(fā)酵完成由后卸料裝置完成卸料。

圖1　立式有機廢物發(fā)酵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

發(fā)酵系統(tǒng)筒體內(nèi)徑2.7 m，筒體高4.6 m，總高8.2 m。主軸攪拌器為中空不銹鋼管，可通過主軸通入新鮮空氣，主軸攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 r/h。轉(zhuǎn)速可以根據(jù)有機廢棄物材料特性和外部環(huán)境的需要進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍2~8 r/h。

2　攪拌器的力學(xué)分析

主軸攪拌器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，針對主軸攪拌器發(fā)酵攪拌過程中的阻力展開研究。將有機廢棄物料視為一系列獨立運動的離散單元[8]，通過離散元模型模擬物料運動情況和受力分析。

2.1　幾何模型的建立

通過CREO建立發(fā)酵系統(tǒng)筒體簡化模型，如圖2所示。對簡化模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖2　系統(tǒng)簡化模型

圖3　網(wǎng)格劃分模型

2.2　計算模型的選取

有機廢棄物料發(fā)酵過程中，用Hertz– Mindlin (no–slip)接觸模型[9–10]模擬其內(nèi)部的運動過程。

2.3　材料特性參數(shù)確定

在進行有機廢棄物料EDEM仿真計算時，經(jīng)過相似理論轉(zhuǎn)換后的模型需要滿足計算機的解算條件限制。實際物理模型和轉(zhuǎn)換后的EDEM模型參數(shù)基本保持一致，同時需要對有機廢棄物料參數(shù)進行確定。通過查閱相關(guān)文獻資料、材料手冊和參考類似物料性質(zhì)[11–14]，將有機廢棄物料和發(fā)酵菌種的特征參數(shù)確定如表1所示。

表1　有機廢棄物料和發(fā)酵菌種的特性參數(shù)

實際生產(chǎn)中，發(fā)酵菌種需要量很小，約為0.1%，但在進行EDEM數(shù)值模擬的時候，考慮到模型的代表性和典型性，物料含量過小會導(dǎo)致模擬難以正常進行，分析結(jié)果也會不準(zhǔn)確，因此在EDEM數(shù)值模擬過程中將發(fā)酵菌種與有機廢棄物料顆粒數(shù)調(diào)整為1∶8，以保證數(shù)值模擬過程的順利進行。

2.4　結(jié)果與分析

經(jīng)過EDEM數(shù)值模擬計算，發(fā)酵系統(tǒng)攪拌效果如圖4所示。開始攪拌前，物料分批次進料，發(fā)酵菌種和有機廢棄物料均勻散落在每一層表面。圖4–a中，綠色代表有機廢棄物料，紅色代表發(fā)酵菌種。筒體內(nèi)2種物料總共分為4層，界限明顯；攪拌完成后，發(fā)酵菌種均勻分布在整個筒體，達(dá)到了有機廢物與發(fā)酵菌種攪拌均勻的效果，如圖4–b所示。

a　攪拌前 b　攪拌后

圖5為攪拌主軸各部位受力圖，是由Hertz– Mindlin(no–slip)接觸模型中的法向力和切向力經(jīng)過數(shù)值模擬計算得到的結(jié)果。圖5–a為攪拌軸受力云圖，由于物料主要集中在下部區(qū)域，因此底層攪拌葉片既需要推動物料作旋轉(zhuǎn)運動，又需要承受來自上部物料的壓力作剪切運動，受力較大；隨著有機廢物高度的上升，攪拌葉片受力逐漸減小，因此需要對底部葉片設(shè)置加強筋板來保證攪拌葉片強度。圖5–b為攪拌軸受力處理云圖，由圖可知，主要受力集中部位在攪拌葉片頂端，這是由于攪拌葉片離主軸越遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑越大，需要帶動的物料也越多，因此受力越大；受力面主要為與物料直接接觸的剪切面，因而需要考慮攪拌葉片主切割板的材質(zhì)，減輕剪切面磨損。

a攪拌軸受力圖

b攪拌軸受力處理圖

圖5攪拌軸受力

Fig.5Force diagram of agitator’s shaft

3　攪拌器阻力的理論計算

發(fā)酵系統(tǒng)容積為27 m3，可裝入21 t左右有機廢棄物原料，攪拌裝置對物料進行攪拌混合過程，主軸所受扭矩較大。通過對攪拌裝置建立工作的數(shù)學(xué)模型，可計算出整機所需要的扭矩，以便對傳動系統(tǒng)中關(guān)鍵部件進行力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計。

3.1　攪拌機構(gòu)數(shù)學(xué)模型

攪拌主軸葉片對有機廢棄物料和發(fā)酵菌種進行攪拌、混合[15]，是主要的受力構(gòu)件，葉片在運動時受力情況如圖6所示。葉片在沿中心線回轉(zhuǎn)作攪拌運動時，主要承受上部物料施加給葉片的重力、葉片帶動運動方向物料的擠壓力和葉片附近物料對葉片的摩擦力F，攪拌主軸上呈螺旋90°均勻布置8層葉片，為使攪拌效果更好，葉片軸向分布為下部緊密，上部稀疏，因此每層葉片受力不同，同一葉片沿徑向方向各點對主軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也不相同。

圖6　運動時攪拌主軸葉片的受力

攪拌軸由底部傳動系統(tǒng)驅(qū)動，主軸轉(zhuǎn)動時，物料對葉片產(chǎn)生作用力，葉片對主軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的大小對于傳動系統(tǒng)選型、動力設(shè)計有重要指導(dǎo)意義。以筒體內(nèi)所有物料為研究對象，攪拌裝置推動物料在筒體內(nèi)運動，攪拌裝置簡化后的機構(gòu)運動簡圖，如圖7所示。

圖7　攪拌器

3.2　攪拌主軸扭矩的理論計算

筒體內(nèi)部物料對主軸產(chǎn)生的扭矩可分為2部分：一是葉片向前推動物料進行攪拌混合時對主軸產(chǎn)生的扭矩；二是葉片運動過程中與物料之間摩擦阻力所產(chǎn)生的扭矩。

3.2.1推動物料運動產(chǎn)生的扭矩

分析攪拌裝置在筒體內(nèi)的運動時，為了分析方便，假設(shè)物料是不可壓縮的，采用瞬時穩(wěn)態(tài)假定方法，將筒體內(nèi)物料均勻劃分為個微單元，取筒體內(nèi)任意一微元物料作為研究對象，如圖8所示。微元距離筒體中心線為，微元長為d，高為d，寬為dα。由于筒體內(nèi)葉片沿軸線方向按層分布，葉片在筒體內(nèi)運動時，只能帶動部分物料運動，主要作用在葉片上下附近的物料，2層葉片之間部分物料沒有運動，記1為物料的運動系數(shù)，即筒體內(nèi)葉片推動的物料體積與總物料體積之比。

圖8　積分單元

式中：1為葉片可撥動筒體內(nèi)物料的高度(m)；1為筒體內(nèi)物料的高度(m)；1為攪拌葉片所能帶動物料的高度(m)；2為刮料葉片所能帶動物料的高度(m)；為攪拌葉片層數(shù)。

由于1=3.9 m，1=0.1 m，2=0.047 m，=8，因而1=0.847 m，1=0.217。

則物料對軸的扭矩為：

式中：d1為微元對于軸的扭矩(N?m)；1為筒體內(nèi)物料對于軸的扭矩(N?m)；為微元距離軸線的距離(m)；d為微元長度，m；d為微元高度(m)；為微元夾角(°)。

對(2)式積分得：

3.2.2葉片與物料之間摩擦阻力產(chǎn)生的扭矩

當(dāng)攪拌裝置在筒體內(nèi)推動物料運動時，葉片與上下層物料發(fā)生相對運動，物料與葉片之間產(chǎn)生摩擦力，摩擦力對主軸產(chǎn)生扭矩。把攪拌裝置作為一個整體來分析，則葉片承受筒體內(nèi)所有物料重力，簡化筒體內(nèi)葉片受力如圖9，物料對葉片的摩擦力作用于半徑中點。

圖9　摩擦阻力產(chǎn)生的扭矩

葉片受到的正壓力等于筒體內(nèi)物料重力。

葉片所受摩擦力為：

則摩擦力產(chǎn)生的扭矩為：

即：

所以，攪拌裝置的主軸承受扭矩為：

(9)

式中：1為材料與物料之間的摩擦系數(shù)，1=0.4。

3.3　攪拌阻力

3.3.1數(shù)值計算

圖10為攪拌軸在攪拌過程中所承受的扭矩變化曲線。0~5 s時，為下料階段，物料在下落過程中對攪拌葉片有沖擊，攪拌葉片受到很小的轉(zhuǎn)矩；下料完成后，攪拌軸開始轉(zhuǎn)動，葉片帶動物料在筒體內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動，受到的阻力增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩急劇上升達(dá)到76 800.1 N·m，當(dāng)攪拌軸攪拌速度穩(wěn)定后，攪拌軸承受總轉(zhuǎn)矩在85 000 N·m上下浮動，這是由于物料在攪拌過程中，物料在筒體內(nèi)分布不均勻造成的，因此攪拌葉片承受的轉(zhuǎn)矩數(shù)值以一穩(wěn)定值為基礎(chǔ)上下浮動。由EDEM導(dǎo)出的數(shù)據(jù)顯示，攪拌軸在攪拌過程中承受的總轉(zhuǎn)矩平均值為84 927.6 N·m。

圖10　攪拌過程中攪拌軸轉(zhuǎn)矩的變化

3.3.2理論計算結(jié)果分析

發(fā)酵系統(tǒng)正常工作時，筒體上方需預(yù)留出40~50 cm高的空間，用于氣體流動、熱交換、水分蒸發(fā)等。當(dāng)加入筒體內(nèi)物料高度為3.9 m時，攪拌裝置主軸所受扭矩為：

=86 549 N·m (10)

理論計算值略大于模擬計算值，具有一致性。在理論計算時，對葉片受力進行了假設(shè)，把攪拌葉片作為一個整體來分析，葉片承受筒體內(nèi)所有物料重力，而實際情況物料之間也存在相互作用力，因此葉片只承受筒體內(nèi)物料大部分重力，因此數(shù)值模擬計算值比理論計算值略小，符合生產(chǎn)實際。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Resistance analysis of the agitator in the vertical organic waste fermentation treatment system

CHEN Zuobing, XIANG Qin, Lü Yinlei, ZOU Yuanzhi, YIN Shijie

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

An vertical organic waste fermentation treatment system has been developed, which composed of main agitator, feeding device, ventilation system, transmission, and discharge part. The organic waste was fed through the feeding device as well as the appropriate bacteria, and then mixed by the main agitator. The ventilation system provided adequate fresh air to ensure the organic waste fermenting completely. The transmission transmitted power to the whole system. When the fermentation is finished, the organic waste was discharged by the discharge part. Resistance of the main agitator was studied during the fermentation process under normal condition. The mathematical model of the agitator was established to simulate and analyze the movement of the material in the cylinder and the force on the agitator by discrete element soft of EDEM. The results show that the average torque on the main agitator was 84 927.6 N?m obtained by simulation, which slightly larger than the value of 86 549 N?m from theoretical calculation. It is found that the simulation by EDEM is consistency with theoretical calculation.

organic waste fermentation system; agitator; resistance analysis

X705

A

1007-1032(2017)05-0570-05

2017–02–24

2017–07–05

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院水體污染控制與治理科技重大專項(2017ZX07603–002)

陳作炳(1962— )，男，湖北孝感人，教授，主要從事節(jié)能環(huán)保技術(shù)及其應(yīng)用研究，zbchen01@126.com

投稿網(wǎng)址：http://xb.hunau.edu.cn