牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)設(shè)計*

劉文權(quán)

(北京京鵬環(huán)宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094)

0 引言

隨著我國奶牛養(yǎng)殖規(guī)?；⒓s化的不斷發(fā)展，其產(chǎn)生的大量糞污已成為影響牧區(qū)環(huán)境、制約牧場生產(chǎn)的主要問題。畜禽養(yǎng)殖業(yè)利潤低、風(fēng)險大，不能簡單地依靠單一的末端治理手段解決環(huán)境污染問題，應(yīng)以資源化和循環(huán)利用為基本立足點，從實際出發(fā)，通過合理規(guī)劃、防治結(jié)合的方式進行治理。

臥床對于奶牛來說意義重大，因為奶牛在其上每天可臥8 h～16 h，其表面的質(zhì)地對動物來說至關(guān)重要?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)牛床墊料價格不斷上漲，尋找優(yōu)質(zhì)、舒適、價廉的墊料來源已經(jīng)迫在眉睫。

為了解決糞污過盛及墊料價格上漲等一系列問題，將牛糞制作為牛床墊料，從經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益來講都是一個不錯的選擇。牛糞與傳統(tǒng)的稻殼、木屑、鋸末、秸稈等有機墊料相比，可自給，因此可降低成本；與沙子相比，不會造成清糞設(shè)備、固液分離設(shè)備、泵、攪拌機等嚴重磨損，在輸送過程中也不易堵塞管路，不會沉積于儲液池池底，不需要經(jīng)常清理；與沙土相比，牛糞松軟、不易結(jié)塊，不易導(dǎo)致奶牛肢蹄受傷。牛糞作為牛床墊料既衛(wèi)生又安全，具有保障奶牛健康、提高奶牛舒適度、減少肢蹄病和易于進行糞污處理的特點，因而成為最佳選擇[1]。

用牛糞制作牛床墊料的工藝流程如下：首先將舍內(nèi)的糞污經(jīng)過沖洗或刮板處理收集到集污池中，再經(jīng)過固液分離機實現(xiàn)固液分離；然后將固液分離后的固體經(jīng)過好氧發(fā)酵，降低牛糞的水分到合適程度，此時的牛糞即可用作牛床墊料。其中固液分離后的固體好氧發(fā)酵的過程對于確保墊料的衛(wèi)生及安全至關(guān)重要，牛床墊料再生系統(tǒng)裝置可保證牛糞在其內(nèi)好氧發(fā)酵產(chǎn)生的熱量達到巴氏殺菌溫度，從而對牛糞進行殺菌。牛床墊料再生系統(tǒng)裝置中的攪拌系統(tǒng)一方面可以確保好氧發(fā)酵更充分，另一方面也可為牛糞提供好氧發(fā)酵所需氧氣，對于整個裝置而言至關(guān)重要。為此，本文對牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)進行設(shè)計。

1 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)

牛床墊料再生系統(tǒng)裝置是用來將固液分離后的牛糞進行處理并再次運用到臥床中的設(shè)備，其由底座、稱重系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、鼓風(fēng)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、罐體、護欄系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、出料系統(tǒng)等組成[2]，如圖1、圖2所示。

1.2 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置工作原理

牛床墊料再生系統(tǒng)裝置是一種將固液分離后的牛糞制作成干燥無菌的牛床墊料設(shè)備，其工作原理為：固液分離后的牛糞進入到牛床墊料再生系統(tǒng)罐體中，鼓風(fēng)系統(tǒng)為牛糞好氧發(fā)酵提供足夠的氧氣，攪拌系統(tǒng)可加快物料的發(fā)酵速度，稱重系統(tǒng)可控制設(shè)備內(nèi)牛糞的重量，溫控系統(tǒng)可以確保牛糞經(jīng)過巴氏殺菌，排風(fēng)系統(tǒng)可減少罐體內(nèi)水蒸氣使物料更為干燥，待滿足所設(shè)定的參數(shù)，牛糞可以通過出料系統(tǒng)輸出作為墊料使用。

2 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)設(shè)計

2.1 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)

牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)由攪拌軸1、第一攪拌葉片2、第二攪拌葉片3、第三攪拌葉片4、第四攪拌葉片5組成，如圖3所示，其三維模型如圖4所示。物料進入牛床墊料再生系統(tǒng)裝置中，為了保證其好氧發(fā)酵更加充分，需要向其內(nèi)部鼓氣并攪拌。物料通過焊接在攪拌軸上的葉片來攪拌，葉片為中空結(jié)構(gòu)，攪拌軸也是中空結(jié)構(gòu)，攪拌葉片的中空與攪拌軸的中空相連接，攪拌軸的中空與安裝在牛床墊料再生系統(tǒng)裝置底部的鼓風(fēng)裝置相連接。

1-支架；2-底攪拌；3-上攪拌系統(tǒng)；4-承重單元；5-底座；6-普通側(cè)壁；7-通風(fēng)側(cè)壁；8-測溫側(cè)壁；9-排風(fēng)系統(tǒng)1；10-排風(fēng)系統(tǒng)2；11-護欄系統(tǒng)；12-欄桿連接件；13-中頂板；14-軸承座固定板；15-頂板筋板；16-頂板；17-檢修口蓋板；18-保溫板上扣件；19-保溫板長扣板

圖2 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置虛擬樣機

攪拌葉片在整個發(fā)酵系統(tǒng)中主要有以下三個方面的作用：①對物料進行攪拌，使得物料發(fā)酵充分；②葉片背向旋轉(zhuǎn)方向的一側(cè)開有等距的小孔，高壓風(fēng)機將空氣鼓入空心軸中，經(jīng)過攪拌葉片的小孔進入牛床墊料再生系統(tǒng)裝置中，保證好氧發(fā)酵氧氣量的需求；③輔助出料。為減小攪拌時所產(chǎn)生的阻力，將攪拌葉片截面設(shè)計成類似等腰直角三角形的形狀,攪拌時物料沿攪拌葉片斜面翻動[3]。

2.2 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)受力分析

攪拌軸在工作過程中主要受到阻力扭矩作用，為計算主軸尺寸，需要分析攪拌葉片的受力情況。攪拌葉片靜止時主要受到物料均勻分布的重力載荷，為彎曲應(yīng)力；攪拌葉片轉(zhuǎn)動時除受到物料的壓力外，還受到其與物料摩擦力的作用，這些力都對主軸產(chǎn)生扭矩作用。

采用積分法對攪拌葉片表面產(chǎn)生的摩擦力矩和推動力矩進行計算[4]。物料在被推動時沿攪拌葉片斜表面向上運動，此摩擦力對主軸產(chǎn)生的摩擦力矩M1為：

(1)

其中：ρ為物料密度，取ρ=780 kg/m3；g為重力加速度,取g=9.8 m/s2；h為葉片上物料高度，m；b為葉片寬度，m；f為物料與葉片間的摩擦因數(shù)，考慮到含水率的影響，取f=0.1；l為葉片長度，m。

攪拌葉片受到垂直于斜表面的物料均布重力載荷作用，為推動物料轉(zhuǎn)動需克服的力矩T2為：

(2)

1-攪拌軸；2-第一攪拌葉片；3-第二攪拌葉片；4-第三攪拌葉片；5-第四攪拌葉片

圖4 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)三維模型

初步計算攪拌軸所受扭矩，發(fā)酵罐總高度為5.2 m，頂部預(yù)留1.04 m操作空間，則上攪拌系統(tǒng)中第一攪拌葉片、第二攪拌葉片、第三攪拌葉片、第四攪拌葉片距離頂部高度(即物料高度)分別為 1.04 m、2.08 m、3.12 m、4.16 m。

根據(jù)整個牛床墊料再生系統(tǒng)裝置設(shè)計攪拌機系統(tǒng)，其中取葉片寬度b=0.2 m，葉片長度l=1.72 m，則可得：

第一攪拌葉片摩擦力矩M11=321.7 N·m，推動力矩T12=3 217 N·m。

第二攪拌葉片摩擦力矩M21=643.4 N·m，推動力矩T22=6 434 N·m。

第三攪拌葉片摩擦力矩M31=965.1 N·m，推動力矩T32=9 651 N·m。

第四攪拌葉片摩擦力矩M41=1 286.8 N·m，推動力矩T42=12 868 N·m。

則攪拌軸所受的總扭矩為：

T總=M11+T12+M21+T22+M31+T32+
M41+T42=35 387 N·m.

(3)

為保證設(shè)計安全可靠，取安全系數(shù)φ=1.5，則設(shè)計扭矩T=φT總=53 080.5 N·m。

考慮到牛糞的腐蝕性及承受扭矩的大小，攪拌軸及葉片采用45鋼并對表面作防腐處理。

3 牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)仿真分析

利用SolidWorks三維建模軟件對牛床墊料再生系統(tǒng)裝置的攪拌系統(tǒng)進行建模并對其進行仿真分析。定義其材質(zhì)為45鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.28，密度為7 800 kg/m3。對攪拌系統(tǒng)模型進行自動劃分網(wǎng)格，如圖5所示。

根據(jù)前述結(jié)果，對牛床墊料再生系統(tǒng)裝置攪拌系統(tǒng)進行扭矩添加，并在底部添加固定約束，其結(jié)果如圖6所示。然后進行求解，得到的攪拌系統(tǒng)應(yīng)力分布云圖和位移云圖分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知：攪拌系統(tǒng)最大應(yīng)力為113 MPa，在攪拌軸底部；最大位移為8.176 mm，位于攪拌葉片的末端。45鋼的拉伸強度為600 MPa，屈服強度為355 MPa，攪拌系統(tǒng)滿足實際使用要求。

圖5 攪拌系統(tǒng)網(wǎng)格模型圖6 攪拌系統(tǒng)加載模型

4 結(jié)語

本文根據(jù)牛場墊料再生系統(tǒng)裝置在實際使用中的要求對其攪拌系統(tǒng)進行了設(shè)計，并運用SolidWorks對所設(shè)計系統(tǒng)進行了靜力學(xué)分析，分析其應(yīng)力分布及變形情況。從分析結(jié)果來看：攪拌系統(tǒng)受力最大的地方

在攪拌軸底部，材料的屈服強度是其最大應(yīng)力處的3倍，最大變形量位于攪拌葉片的末端，最大變形為8.176 mm，對于其整體長度1.72 m而言變形可以忽略不計。故此設(shè)計滿足使用需求。

圖7 攪拌系統(tǒng)應(yīng)力分布云圖 圖8 攪拌系統(tǒng)位移云圖