鏈條破碎機破碎模型構建及能耗分析

盛金良,卓俊杰,徐欣怡

(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

目前,在國外,餐廚垃圾制漿處理設備發展比較成熟[1],多數產品已形成系列化,其中分體式應用更為廣泛,除雜率高,制漿效果好;而在國內,餐廚垃圾制漿處理設備在理論和實際應用上仍是一個空白區域.分體式是將破碎制漿兩個步驟分離,先用破碎機進行破碎,再用制漿機制漿.破碎設備采用鏈條破碎機,因其破碎元件采用鏈條,具有防纏繞、防折斷等優點.

鏈條破碎機設計的關鍵在于其破碎單位物料消耗的能耗不可過大,消耗大會使后續的經濟效益差.本次選用一套已確定外形尺寸徑高為Φ600 mm×300 mm的設備,先得出破碎物料消耗的有效功率,再計算出破碎過程中的能耗占比,最終得出其最優化的工藝參數.

1 鏈條破碎機的結構

鏈條破碎機的結構如圖1所示,整機分為破碎裝置、驅動裝置和框架.鏈條破碎機的工作原理為:在破碎腔底部裝有帶鏈條的可旋轉轉盤,在軸的帶動下,鏈條也跟著高速旋轉(>500 r/min),鏈條產生強大的沖擊破碎力,使得料塊得到有效的破碎[2].在被沖擊后,由于離心力的作用被迅速拋向殼體內壁,在此沖擊摩擦破碎,反彈后再次受到高速旋轉的鏈條的二次沖擊破碎,不斷循環往復直到達到破碎要求.

圖1 鏈條破碎機Fig.1 Structure of chain crusher

2 破碎模型參數

2.1 幾何體模型參數

利用SolidWorks對設備進行三維建模,破碎鏈和殼體主要采用鋼材料,鋼幾何體模型參數根據文獻[3]可查得,泊松比為0.3,密度為7 800 kg/m3,剪切模量為7.9×1010Pa.

2.2 物料模型參數

由于餐廚垃圾的組成中大部分為有機物,且有機物中最多的成分為熟米、蔬菜和熟肉等,對比這幾種物質,熟肉屬于最難破碎的一種,因此,本次仿真采用豬后腿熟肉進行參數標定.參看相關文獻[4-7]可測得需要測定的參數,密度為1 240 kg/m3,泊松比為0.45,剪切模量為1.3×105Pa,碰撞恢復系數物料和物料為0.15,物料和幾何體為0.20,靜摩擦系數物料和物料為0.70,物料和幾何體為0.62,動摩擦系數物料和物料及物料和幾何體均為0.46.

在EDEM仿真過程中,設置小顆粒之間通過Hertz-Mindlin with bongding黏結在一起[8],形成大顆粒.形成黏結鍵的參數包括法向剛度、切向剛度、法向極限強度、切向極限強度及黏結鍵半徑[9].利用質構儀測出腿肉需要測定的參數法向剛度kn=3.1×104N/m[4].切向剛度kt一般取法向剛度kn的(2/3～1)倍[10].法向應力臨界值和切向應力臨界值可以由公式求得[9].最后得出法向剛度kn=3.1×104N/m,切向剛度kt=22 600 N/m,法向應力臨界值σmax=9.8×106Pa,切向應力臨界值τmax=7.2×106Pa.

3 破碎模型仿真

3.1 因素分析

在實際應用中,確定了設備的整體尺寸后,需要定性分析相關參數,使該設備能夠以最少的功率生產出最多的貨物.評判標準為單位小時內有效功率占后續所能產生的發電量的比值大小,即為有效能耗占比.能耗占比的大小表示了破碎的經濟性,能耗占比越小,說明該設備的經濟性越好.其計算公式為

式中:θ為能耗占比;W為生產量;Pt為每噸垃圾可產生的發電量,Pt=280 kW·h;P為有效功率,通過EDEM軟件算得[11];ρ為物料密度,餐廚垃圾密度測定為800 kg/m3;V為破碎腔內物料體積,V=πr2H,半徑r=0.3 m,高度H=0.3 m;φ為物料填充率;t為破碎循環一次所花的時間.

以直徑和高度為Φ600 mm×300 mm的設備為研究對象,破碎鏈半徑、轉速和填充率是影響能耗占比的主要影響因素.① 破碎鏈半徑.鏈條長度過短,導致鏈條與物料接觸面過小,使得物料與鏈條的沖擊效果較差;鏈條長度過長,物料離開鏈條后直接碰到殼體內壁,不產生沖擊殼體的破碎效果.仿真過程根據經驗選取為0.25,0.27和0.29 m.② 轉速.轉速過小,物料不會彈射起來,達不到破碎效果;轉速過大,有效能耗占比變大,轉子和殼體的磨損也變大,不可取.仿真過程選取轉速為800,1 000和1 200 r/min.③ 填充率.物料填充率太小,會導致轉子空轉,做無用功;物料填充率過大,會出現滿倉現象,只能破碎底部物料;填充率過大過小都會導致有效能耗占比變大,參照破碎機在礦石上的應用,選取物料填充率為0.30,0.35和0.40.以破碎鏈半徑、轉速和填充率作為影響因素進行仿真,利用響應曲面法進行實驗數據分析,實驗結果如表1所示.

3.2 響應面法結果分析

在Design-Expert中對實驗結果分析,分析過程中通過對線性模型、兩因素模型、二階模型和三階模型進行顯著性實驗分析,推薦出合適的模型.用自變量A,B,C分別代表破碎鏈半徑、轉速和填充率,先分析各因素對有效功率的影響.

表1 實驗數據Tab.1 Experimental data

輸入Design-Expert后本次實驗結果推薦采用二階模型.根據所選擇的模型進行方差和顯著性試驗分析,通過方差分析模型的P>F值小于0.05,表示該模型表現顯著,即該模型具有可研究性.當P>F值大于0.05時,表示對應項對該模型的影響不顯著,可通過去除該項目,以達到最優化的模型.以此為基準,優化后的模型如表2所示.

表2 有效功率方差分析表Tab.2 Effective power variance analysis table

由表2可知:鏈條長度對有效功率的影響為二階模型,在分析有效功率時,需使它越大越好,才能達到更好的破碎效果.利用Design-Expert上的Numerical功能,得出在有效功率取最大值時,鏈條長度為0.27 mm.在此基礎上繼續分析轉速和填充率對能耗占比的影響.

同樣,在Design-Expert中對實驗結果分析,以能耗占比為響應值的模型選取二階模型,通過去除不顯著項目,達到最優化的模型.優化后的模型如表3所示.

表3 能耗占比方差分析表Tab.3 Energy consumption ratio variance analysis table

由表3可知,能耗占比與破碎鏈半徑、轉速和填充率均成二次關系,且A2,B2,C2的P>F值遠小于0.05,表示對能耗占比的影響極其顯著.擬合回歸方程為

根據優化后得出預測模型和BC的響應曲面圖,如圖2所示.

圖2 BC響應曲面Fig.2 BC response surface

由圖2可知:其響應曲面為凹面狀,故有一個最低點為其極小值,該點即為實驗的最優方案.結果與之前分析吻合,在轉速和填充率增大的情況下,能耗占比均會先減小后增大.由上可知,鏈條破碎機的最優工藝參數如表4所示.

表4 優化方案Tab.4 Optimization

4 結論

本研究利用離散元法對鏈條破碎機的破碎過程進行模擬仿真,以豬后腿肉為例,標定模擬過程中所需的參數,構建破碎模型.再利用響應面法對有效功率和能耗占比進行分析,將這兩個因素作為響應值,在Design-Expert中得出其回歸方程,同時利用該模型對一臺半徑和高度為Φ600 mm×300 mm的鏈條破碎機的工藝參數進行分析,得出其最佳工藝參數為破碎鏈半徑取0.27 mm,轉速為947 r/min,填充率為0.31.