螺旋輸送機在干法厭氧發酵系統中的應用現狀及新方案研究

劉長亮，張 勁，汪 春，王金麗，鄭 勇，莊志凱，陳 程

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319; 2.中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，廣東 湛江 524091)

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螺旋輸送機在干法厭氧發酵系統中的應用現狀及新方案研究

劉長亮1，張 勁2，汪 春1，王金麗2，鄭 勇2，莊志凱2，陳 程2

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319; 2.中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，廣東 湛江 524091)

文章介紹了近年來螺旋輸送機的發展現狀，并對螺旋輸機的理論分析、設計制造和運動仿真方面進行分析總結。指出螺旋輸送機在沼氣干法厭氧發酵中的可利用性，并提出適用于沼氣干法厭氧發酵設備的新型螺旋輸送機的研究方法。

螺旋輸送機；沼氣；干法厭氧發酵

我國作為農業大國每年農業固體廢棄物產量大約40多億噸，這些廢棄物既是寶貴的可再生資源，又是嚴重的環境污染源，若不經有效的處理將造成嚴重的資源浪費和環境污染。在眾多固體有機廢棄物資源化利用中，沼氣干法厭氧發酵技術(下簡稱干發酵)是國內外研究的熱點和重要的發展方向之一。根據干發酵的生物學特性和發酵工藝的特殊要求，干法厭氧發酵反應器及其發酵設備研究也得到國內外研究人員的廣泛關注。本文將簡單介紹各類型干法厭氧發酵系統的進出料輸送系統的形式，主要對沼氣干法發酵進出料螺旋輸送機的理論、設計制造和運動仿真進行分析總結；并提出一種新型的螺旋輸送機布置形式。

1 沼氣干發酵技術及其裝置概述

沼氣干發酵是指以秸稈、畜禽糞便等有機廢棄物為原料，利用厭氧微生物發酵生產沼氣。反應系統中干物質濃度在20%以上。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

國內外對沼氣干發酵技術和裝備進行了長期的研究，國內外幾種主要沼氣干發酵裝置基礎情況對比見表1。

表1 國內外幾種主要沼氣干發酵裝置基礎情況

相對比較國內沼氣干發酵技術和設備還停留在試驗階段，沼氣干發酵進出料機械化程度比較低，沼氣干發酵系統還不能進行規模化生產。其主要原因是缺乏合理的高效的工程結構，未能解決規模化生產快速進出料與沼氣干發酵裝置密封的矛盾，未能掌握沼氣干發酵反應器及配套裝備的先進技術。為配合項目的實施，使農業廢棄物沼氣干發酵技術得到實際應用，以解決農業廢棄物資源浪費和環境污染問題，提供高效簡易可用的發酵反應器及其相應的配套裝備尤其重要和迫切。國外沼氣干發酵進出料主要運用進料泵和螺旋輸送機進行輸送，其中旋輸送機具有結構簡單，制造、安裝、維修方便，整機體積小，占地少，生產效率高，輸送物料快速均勻，輸送過程中結構氣密性好等優點成為沼氣干發酵系統機械化和自動化不可缺少的部分，是沼氣發酵系統走向工廠化生產的重要設備。螺旋輸送機在輸送過程中能完成揉搓、壓縮、攪拌、混合等處理，還能實現變頻調速和準確控制輸送量[1]。螺旋輸送機在輸送沼氣干發酵物料中由于其專業性和特殊性，除具有一般螺旋輸送機的共性外又有自己的特點和發展方向。

2 國內螺旋輸送裝置的發展狀況

2.1 理論分析

近年來我國螺旋輸送在各領域廣泛應用，因此改善螺旋輸送機的性能，對螺旋輸送機的理論分析進行完善，對輸送性能進行研究，解決實際生產中遇到的問題，以達到自動化生產的目的。

綜合大量文獻多數理論研究集中在對螺旋輸送裝置的理論分析和給出合理的計算方法。尹忠俊[2]等人通過對開式螺旋輸送機的輸送機理進行了分析探討，從運動學角度出發探討開式螺旋的輸送原理，得出避免產生阻滯物料流動，物料填充角度及螺旋轉速滿足的條件；推導出料槽具有初速度的開式螺旋輸送機參數計算公式；給出物料輸送速度隨螺旋外徑及螺距變化曲線。王東霞[3]通過對小麥臥式螺旋輸送機的主要技術參數、輸送能力和性能影響的分析，總結和確定了主要技術參數的確定方法和計算公式，為輸送小麥的臥式螺旋輸送機的設計、選型、制造等提供了可靠的理論依據。胡海偉[4]對車載飼料運輸車中的卸料系統進行全新設計與開發，該卸料系統的工作原理及各組件的設計，達到了大大節約人力和提高生產效率的目的。這些研究主要集中在對螺旋輸送裝置的輸送機理進行理論分析，對螺旋軸進行設計和校核以及壽命預測，對螺旋葉片的設計，外密封裝置的研制，傳動裝置的設計及驅動電機的選擇等方面做了研究，并給出了計算公式。但是，對于傳統的設計理論和設計方法而言，過程繁瑣且精度低，仍然存在生產率低、功耗大的關鍵問題。

2.2 參數優化

隨著我國對螺旋輸送機的用途越來越廣泛，對輸送機的輸送性能要求越來越高，針對螺旋輸送機的參數選擇和優化也更加深入的研究。在結構參數方面，有變速，變螺距，變外殼直徑，變軸徑，大傾角，可伸縮，無軸螺旋等螺旋輸送裝置。這些裝置適應于淤泥、糧食、秸稈、飼料等的運輸。

針對不同物料的特性進行結構參數的優化，對提高輸送效率，減少功率消耗，意義重大，國內學者進行了大量研究。張東海[5]運用遺傳優化算法，建立螺旋輸送機參數優化的數學模型，并對模型進行了參數化設計和優化，應用改進的遺傳算法得到了較好的螺旋輸送機的優化結果。李曉豁，林其岳[6]等人運用遺傳算法和螞蟻算法的混合算法(GAAA算法)對螺旋鉆采煤機輸送機構進行參數優化；優化結果達到了，提高輸送效率，降低功率消耗的目的。徐余偉[7-8]等人從輸送機理、物料的特性等方面入手，對不同用途的螺旋輸送機械進行參數優化，從而設計出較符合實際情況的螺旋輸送機。在參數優化過程中很多數據分析軟件被運用，通過動靜態分析得出較優的設計參數。龔玉友[9]通過運用Matlab對建模后的各參數進行優化，并運用Ansys軟件對螺旋主體進行不同工作情況下的有限元分析，得出了應力應變云圖，通過比較得出最優的設計參數。通過大量研究表明，針對特定物料對螺旋輸送機的參數進行優化，選擇合理的結構參數，對避免運輸過程中的堵塞，提高運輸效率，減少功率消耗，延長使用壽命具有重要作用。

2.3 運動仿真和加工制造

近年來國內外機械設計中采用了動態仿真設計的新方法，通過仿真得到輸出參數和結果，為設計提供依據。現代設計方法已經在許多領域得到運用，同樣運動仿真被運用到螺旋輸送機的設計制造中，利用虛擬的樣機技術對螺旋輸送機進行選型和設計，并進行有限元分析。Solidworks,Pro-E,AutoCAD,UG等軟件被廣泛應用，王仁標[10]運用EDEM.軟件對螺旋輸送機各因素之間的影響關系，為不同生產條件下螺旋輸送機各參數的取值及優化提供了依據。鄭招強[11]運用Pro-E對混凝土攪拌車螺旋葉片進行三維造型，完成了等斜率圓柱螺旋線的精確數學推導，基于Pro-E命令方便地實現螺旋葉片的參數化設計。趙橄培[12]等人以VS2005為編程平臺，綜合運用Pro-E二次開發工具，開發出混凝土攪拌車螺旋葉片專用CAD系統，為螺旋葉片的模塊化生產提供了基礎。通過計算機仿真軟件的運用，為螺旋輸送機的設計制造提供方便，使參數優化更準確，設計的產品能夠廣泛應用，使螺旋輸送機的性能和工作效率有了大幅度提高。

在加工制造方面國內學者做了大量的研究，對螺旋葉片的加工工藝及安裝方法進行改進，從而得到更好的輸送性能和使用壽命。呂陽濱[13]等人通過對無軸螺旋輸送機的螺旋葉片進行展開，分析葉片成型各方法之間的區別，得出運用加熱彎曲成型的方法可實現無軸螺旋葉片的方便加工及葉片加厚。郭在云[14]通過對螺旋輸送機圓柱螺旋葉片的制作工藝及安裝方法進行理論分析和研究，針對葉片及傳動軸材料的焊接性能，制定了行之有效的焊接方案，為生產實踐提供了相應的方法和合理的建議。雖然我國學者對螺旋葉片成型方法已有了進一步研究，但在連續的厚葉片生產上，其工藝及裝置上還達不到國內企業的生產要求，因此對厚葉片連續生產工藝還需進一步研究；螺旋葉片生產的自動化與智能化調試程度還比較低，螺旋葉片的自動化生產設備有待改進；同樣螺旋葉片的標準化也需要完善，進而使螺旋葉片的生產標準化，規范化。

3 國外螺旋輸送裝置的發展狀況

3.1 理論分析

國外對螺旋輸送機械理論分析方面的研究已比較深入，螺旋輸送機械被充分運用在粉狀、顆粒狀、糊狀等流動性好的物料的中短距離運輸和提升，并能對輸送量精確控制。諸多學者對螺旋輸送機的輸送過程進行理論分析，得出了各參數對輸送過程的影響及各影響因素之間的關系。P C Kapur T P Meloy[15]對螺旋葉片的幾何形狀和物料性質進行分析，得出了螺旋葉片的幾何形狀對物料流動性的影響。A W Roborts[16]等人分析了懸浮液的渦旋流動對螺旋輸送器受力的影響；Wallace W F Leung[17-18]等人研究了污泥脫水用臥螺離心機的螺旋輸送器所承受扭轉力矩的計算方法。瑞典學者Nilsson和芬蘭學者Rademacher[19]提出運用力學的理論分析方法，他們把散粒物料抽象為理想流體，分析作為理想流體的整體流動在輸送過程中的規律性，得出物料自由表面與壓力分布的解析圖。通過對螺旋輸送機的理論深入的研究，對螺旋輸送機的機理有了更深入的認識，但是對螺旋輸送理論分析還不夠完善，很多參數對輸送性能的影響了解還不夠。設計過程中很多結構參數還要依靠經驗公式來確定，因而在實際生產過程中輸送量控制不準確，效率低，功耗大等缺點仍需要進一步研究。

3.2 設計制造

國外螺旋輸送機械發展比較早，螺旋輸送機的設計制造已經基本成熟。除常用的螺旋輸送機外，還根據應用場所的特殊性，將螺旋葉整體設計成錐形，螺旋葉變徑，螺距變化，變徑變螺距，螺旋軸設計成錐形等各種形式的螺旋輸送機，以滿足不同的工作環境需要。但因這些特殊形式的輸送機結構復雜，制造成本高，功率消耗大等原因，不能夠被推廣，因此很多方面還需要進一步提高。

在螺旋輸送機的加工方法上，螺旋葉的成型方式對機械的強度，剛度都有很大影響；F soavi和 O Int J Mach[20]通過對螺旋葉片的材料、質量、形狀、車削加工程度得到了各因素對輸送性能的影響。20世紀60年代，英國科學家提出了錐輥異面輾軋成形理論，并將冷軋成形理論研究與試驗技術應用到螺旋葉片的實際生產中，使螺旋葉片的生產方式發生根本性的改變。I'eBxo B M在20世紀80年代進一步發展完善了冷軋成形理論。螺旋葉片錐輥連軋成形技術趨向于對超大葉片、超厚葉片、等厚葉片、大變形葉片、高強度葉片和微型葉片的生產工藝研究，以及加工設備研制、軋制過程的數值模擬與系統仿真等方面的研究。

國外很多輸送裝置已經組合出現，通過水平螺旋輸送機和垂直螺旋輸送機構成一個輸送系統。組合出現的螺旋輸送機在輪船裝卸方面得到了廣泛應用，國際上比較成型的螺旋卸船機卸船能力可以達到1000 t·h-1以上，其中瑞典的Siwertell公司設計的螺旋卸船機可達到2700 t·h-1。螺旋輸送機在農業生產中也得到了廣泛的應用，北歐丹麥的Bioener公司開發的秸稈的系統化輸送設備在歐洲得到了大規模的應用。

3.3 仿真研究

在仿真方面，已經由三維試圖層面上升到動態仿真和動畫仿真，運用一些模擬現實軟件，可以模擬整個工程的運行過程。在螺旋輸送機設計上，運用虛擬的樣機技術對機器進行動態監控及可視化分析。Peter[21]等人通過運DEM法，完成了螺旋輸送機的運動仿真；Keisuke Uchida[22]通過運用x射線測量技術對螺旋加料器粉末流的擴散系數進行可視化研究；P J Owen[23]使用離散單元法(DEM)對螺旋輸送機的性能進行預測Philip Joweny[24]運用離散單元法對散粒物料在不同狀態下的螺旋輸送機內的運動情況進行模擬仿真，并把得出的結論與試驗值和經驗值比較，得到仿真值與實驗結果一致。有限元分析法被設計行業廣泛應用，運用有限元分析法能夠實現物料在螺旋運輸機內運動的整個過程的動態觀察和分析。通過螺旋輸送機的動態分析與監控技術，設計選擇最優的結構參數，從而提高螺旋輸送機運行性能和可靠性。

4 螺旋輸送機在干法厭氧發酵系統中的應用研究

相較國外螺旋輸送機的發展現狀，我國現有螺旋輸送機發展依然運用剛性理論，各行業發不均衡，缺少動態分析與檢測，缺乏可控軟件啟動技術與功率平衡技術，裝機功率相差大，機型少，功能單一，最大輸送能力相差大，運行的可靠性低。國外的設備大型化，應用動態分析和自動化技術，新型高可靠性關鍵元部件技術，設備運行性能好，運輸效率高。借鑒外國比較成熟的計算機仿真技術和靜態分析與動態分析相結合的設計方法，并運用到我國螺旋輸送機的設計和制造上來。

4.1 沼氣干發酵螺旋輸送機存在的問題

(1)由于我國沼氣發酵規模化生產起步晚，機械化生產水平也比較低，再者螺旋輸送機的基礎研究比較薄弱；螺旋輸送機的專業化，標準化和自動化水平都有待提高。

(2)由于沼氣發酵原料的多樣性和特殊性對螺旋輸送機的要求也不盡相同，對物料性質分析還不夠充分，螺旋輸送機對不同物料的輸送性能差異很大；因而在實際生產過程中總會出現輸送效率低，輸送不暢，可靠性低等問題。

(3)缺乏對物料輸送過程的理論分析與研究，螺旋輸送裝置已成為沼氣發酵物料輸送和收集過程中的必要設備，但是輸送過程中存在嚴重的堵塞起拱等現象導致輸送裝置的生產率低功耗大等問題。

4.2 沼氣干發酵螺旋輸送機新方法研究

國內外對沼氣發酵用螺旋輸送機的研究還比較少，制約了螺旋輸送機在沼氣發酵行業中的發展。針對國家能源缺乏和環境保護的迫切需要，根據輸送物料的特殊性質，對沼氣發酵用螺旋輸送設備進行理論研究和系統優化，使參數達到最佳匹配，保證物料的連續輸送，并且解決生產過程中存在結拱和堵塞的現象；與此同時對螺旋輸送機的結構形式進行改進，采用三段式布置形式以滿足沼氣干發酵系統對輸送過程氣密性的要求。螺旋輸送機結構見圖2。

1.進料斗；2.第一段螺旋葉片；3.螺旋軸；4.空腔；5.第二段螺旋葉片圖2 螺旋輸送機結構簡圖

該結構以分段形式進行運輸，兩段螺旋保證了運輸的連續性，中間空腔結構通過前一段螺旋運輸的物料在空腔處被壓實，通過物料間的擠壓再把物料推送到下一段螺旋，空腔內被壓實的物料在空腔內保證輸送過程中螺旋輸送機腔體內部的密封。當輸送停止時，前一段螺旋不再向空腔內推送物料，被壓實的物料停留在空腔內不能被后一段螺旋運走，停留在腔體內的壓實物料將螺旋輸送機的腔體密封。該分段式螺旋輸送機結構保證了整個進出料過程沼氣干發酵系統裝置的氣密性。該螺旋輸送機結構參數優化和結構改進對實現沼氣干發酵系統的連續生產和干發酵系統裝置的氣密性起到一定的作用，為沼氣干發酵工廠化發展提供了一條新的途徑，具有一定的理論和實際價值。

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Present Situation and New Methods of Screw Conveyor Application in Dry Anaerobic Fermentation/

LIU Chang-liang1,ZHANG Jin2,WANG Chun1,WANG Jin-li2，ZHENG Yong2，ZHUANG Zhi-kai2，CHEN Cheng2/

(1.Heilongjiang Bayi Agricualtural University,Daqing 163319，China; 2.Agricultural Machinery Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524091,China)

This paper introduced the present situation of screw conveyor applied in dry anaerobic system,and its theoretical analysis,design,manufacturing,and motion simulation,were analyzed and summarized,pointing out the availability of screw conveyor in biogas dry anaerobic fermentation.And the prospect of new study of screw conveyor suitable for dry anaerobic fermentation equipment were put forward.

screw conveyor；biogas；dry anaerobic fermentation

2015-06-01

2015-08-01

項目來源：國家公益性行業專項(201203072；1630062014022)

劉長亮(1990-)，男，黑龍江省哈爾濱人，碩士，主要從事機械制造及其自動化以及加工設備自動化研究，E-mail：564183280@qq.com

張 勁，E-mail：zj1204@tom.com；汪 春，E-mail：wangchun1963@126.com

S216.4；X71

B

1000-1166(2016)03-0058-05