農村生活垃圾粉碎機篩網設計研究

翁曉星，王 剛，陸丹丹，王 潔，趙 晉，戴津婧

（浙江省農業機械研究院，浙江 金華 321000）

目前我國農村人口占總人數的45%，每年產出約1.5億噸生活垃圾，其中約50%未得到有效處理，嚴重影響農村生態環境和村民的健康安全。因此，農村生活垃圾處理減量化、資源化具有現實意義。經調查研究，由于農村地區有大量農業生產垃圾，如秸稈、廢果蔬等，有機成分較高。如果能夠加以合理利用，不僅可以實現生活垃圾的資源化利用，還可減少由處理生活垃圾而帶來的時間和經濟成本。為了滿足農村垃圾減量化太陽能漚肥處理工藝要求，研發一款小型適合農村生活垃圾減量化處理粉碎機械有重要意義。由王剛[1]設計的一款小型農村生活垃圾粉碎機為基礎，對其篩網進行研究，為粉碎效率提高了理論依據。

1 粉碎機工作原理與結構

粉碎機主要包括機架、傳動系統、喂入口、切碎機構、拋送部件等。錘片式粉碎機是利用高速旋轉的錘片對物料進行沖擊粉碎。粉碎機通過皮帶輪進行一級減速，動力由電機傳遞給主軸，通過齒輪箱將動力傳輸到上下喂料輥上。同時在下喂料輥軸上設置齒輪，帶動鏈條滾軸，實現喂料輸送。物料被喂料輥壓縮夾緊送入粉碎機構，錘片式刀盤高速旋轉實現切屑粉碎，最后經過粉碎的物料通過出料口拋出[2]。

2 錘片式粉碎機理研究現狀

在錘片式粉碎機的早期研究中提到，物料在粉碎室內受到錘片的正面沖擊，與齒板、粉碎機內壁、篩網發生碰撞之后反彈到錘片上，物料的粉碎是通過以上的反復碰撞作用得以實現[3]。隨著技術的發展，國外學者紛紛對粉碎機理進行了理論研究。其中，日本學者通過粉碎物料顆粒的粒徑分布情況來分析粉碎機理，Rosin-Rammler公式[4]廣泛應用：

式中：n為指數；d為顆粒的直徑；G為顆粒累計重量百分比；a為系數。

國內錘片式粉碎機的研發以標準化、自動化為主要發展方向。例如江蘇牧羊集團生產的臥式錘片式粉碎機，其將粉碎機構設置成水滴型，通過調節錘篩間隙來實現粗、細不同的粉碎[5]。

2.1 粉碎篩網研究

根據擬合所得多元回歸模型，各因素對粉碎機工作小時生產率影響程度依次為主軸轉速＞篩網傾角＞喂入量[6]。物料篩分，理論上是當物料顆粒半徑小于等于篩孔孔徑的物料全部透篩過去，而其余物料全部流回粉碎機構再粉碎[7]。但在實際應用過程中發現，由于物料與物料以及物料與篩網邊界兩種碰撞，使得許多比較小的物料無法透篩，重回粉碎室的現象。篩分效率影響的因素主要有：物料特性和篩網結構參數。而影響篩分效率的篩網結構參數主要有：篩網開孔率、篩網安裝角度、篩孔形狀和篩孔排列方式等。本文利用離散元軟件仿真分析，針對篩網篩分效率較低的問題對篩網安裝角度進行改進。

2.2 篩網角度分析

以歐洲立軸式傳統錘片式粉碎機[8]為代表的高物料分離率大面積篩網，曹麗英[9]以此為切入點對新型錘片式粉碎機篩網進行改進。在平板型與凹面型篩網寬相同的情況下，對顆粒撞擊篩網邊界彈回路徑分析，由于當物料顆粒撞到篩網邊界時彈回角度與顆粒的撞擊，存在二次透篩的可能性。在此基礎上，本文通過對篩網傾斜角的流場分析，進一步驗證凹面較平板更加有利于顆粒透篩。

3 仿真分析

3.1 數學模型

物質以均勻的入口速度uin從左側進入通道，并以均勻的壓力p0=0Pa從右側排出。通過槽道的流動被傾斜角為的斜篩阻擋。阻力和偏折（切向速度分量）的組合效應在斜篩下游側形成不均勻的速度分布。傾斜角較小的情況下有效的漸近解為：

其中K和η分別是斜篩的阻力系數和偏折系數。為了便于與漸近解進行比較，假設流動為不可壓縮流，并在通道壁上應用自由滑移邊界條件。為濾網類型和偏折，將阻力系數K設為2.2，將偏折系數η設為0.78。

3.2 模擬仿真

通過理論基礎研究，針對傾斜角θ取值為10°，20°，30°，40°及 45°，將出口速度與方程（2）得出的漸近解作分析。分析發現漸近解與仿真結果一致，即使在θ為45°時，也是基本一致的。圖1顯示壓力場的表面圖以及斜篩上游和下游側的速度矢量。物質通過斜篩存在明顯的壓降。經過粉碎的物料通過篩孔排出，分布在斜篩附近的粉碎物料會受到斜篩的磨擦作用，使得速度降低，同時物料受到與斜篩垂直的離心力、壓力和氣流作用，通過出料口被拋出篩外。

圖1

4 結 語

《金華市農村生活垃圾分類管理條例》已于2017年12月28日經金華市第七屆人民代表大會常務委員會第九次會議通過。目前有序推進農村說垃圾分類處理是大勢所趨。生活垃圾粉碎機是垃圾處理的前處理，是實施處理垃圾并使之資源化利用的重要過程。因此，粉碎設備的研發應用是關鍵。

通過理論基礎研究，傾斜角θ取值為10°，20°，30°，40°及45°，出口速度與漸近解是基本一致的。對仿真結果進行分析，斜角篩網兩側壓力差明顯，有利于物料出料。其分析結果與曹麗英等人提出的凹面型篩網篩分用時小于平板型篩網一致。以上研究為該粉碎機的篩分效率的提高設計提供了一種新思路，并為其他機械的篩網改進提供了理論依據。