基于SolidWorks的滾筒式糞污處理設備建模及發酵性能影響因素試驗研究

禹振軍，蔣 彬，楊雅靜，高 嬌，宋愛敏，閆 慧，張迪婧，王 新

(1.北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京100079；2.北京市懷柔區農業農村局，北京101400；3.中國農業大學工學院，北京100086)

0 引言

隨著我國禽蛋產業的快速發展，2019年中國禽蛋產量、銷量兩旺，產量達到3 309萬t，銷量達到3 296萬t，與2018年相比產量增長5.8%，銷量增加5.3%。但隨之而來的是大量糞便無法及時、快速和有效處理的難題，以及處理不當帶來的環境污染問題[1-2]。眾所周知，相同條件下雞糞比豬糞、牛糞的養份含量更多，發酵后的利用價值更高。由于滾筒式糞污處理設備采用密閉式結構設計，減少了雞糞堆放儲存、發酵處理過程中臭氣對環境的污染[3]。因此，針對以上問題，開展了滾筒式糞污處理設備發酵性能影響因素的試驗研究，擬提升京郊地區滾筒式糞污處理設備的作業效率，降低作業電耗[4]。由于不同的糞污處理方式，發酵工藝及相關設備的種類較多，本研究主要針對滾筒式糞污處理設備開展發酵性能影響因素研究，通過正交試驗設計，優化作業參數，提升滾筒式糞污處理設備發酵性能，提高作業效率，降低能耗，避免資源浪費。

1 滾筒式糞污處理設備特征

1.1 結構組成

滾筒式糞污處理設備主要由機架、傳動系統、進料系統、出料系統和滾筒等組成。滾筒式糞污處理設備外形尺寸為長13.75 m×寬2.00 m×高3.70 m，如圖1所示。

1.出料系統 2.滾筒 3.傳動系統 4.機架 5.進料系統圖1 滾筒式糞污處理設備示意Fig.1 Schematic diagram of drum manure treatment equipment

機架主要由縱梁、橫梁、滾筒支座組成。傳動系統由電動機、減速器座、小齒輪、齒輪軸和滾筒支座組成。出料系統由電動機、出料系統支架、出料螺旋和出料螺旋管等組成。進料系統主要由進料系統支架、料箱、電動機、進料電機支座、進料螺旋和梯子組成。滾筒主要由螺旋葉片、齒圈、支撐圈組成。

1.2 系統工作原理

膠帶式輸送機與進料箱相連，啟動進料系統，進料螺旋將膠帶輸送機傳送至料箱內的原始物料推送至發酵滾筒內。啟動滾筒使物料在滾筒內不斷翻滾并向前移動，同時加熱系統將滾筒內溫度加熱到發酵溫度，當物料從進料端移動到出料端時即視為加工過程完成。啟動出料系統電動機，出料螺旋將發酵好的物料輸送出來。物料在滾筒內發酵過程中，加熱系統不斷進行加熱，提高發酵溫度，實現快速發酵。采用正壓送風方式為滾筒內發酵物料充入新鮮空氣，提高好氧發酵效率。

1.3 機具參數

滾筒式糞污處理設備技術參數如表1所示。

表1 滾筒式糞污處理設備技術參數Tab.1 Technical parameter of drum type manure treatment equipment

2 建立虛擬樣機

為了便于開展試驗，根據滾筒式糞污處理設備工作原理、結構和技術參數，使用CAD/CAE技術在SolidWorks中建立虛擬樣機。虛擬樣機由機架、傳動系統、進料系統、出料系統和滾筒等組成。

2.1 滾筒系統建模

滾筒是糞污處理設備的核心裝置，其結構直接影響到糞污處理設備的性能，主要由螺旋葉片、齒圈和支撐圈組成。

滾筒呈長管狀，在發酵過程中盛放發酵原料，建模時先通過拉伸得到滾筒的底座，其模型如圖2所示。螺旋葉片采用斷續焊的方式與滾筒內壁焊接在一起，在發酵過程中將發酵原料不斷推向出料口，同時對原料進行攪拌、增氧和破碎[5]。建模時先建立螺旋線，在螺旋線的一端畫出螺旋葉片草圖輪廓，再掃描做些修飾便可以得到螺旋葉片，如圖3所示。齒圈采用螺栓連接的方式與滾筒外壁連接在一起，實現滾筒轉動動力的傳遞，在齒數、模數、分度圓直徑、齒頂圓直徑和齒根圓直徑參數確定后畫出齒廓圖，再通過拉伸得到齒圈。

圖2 滾筒建模Fig.2 Drum modeling

圖3 螺旋葉片建模Fig.3 Spiral blade modeling

2.2 進、出料系統建模

進料系統是原料進入滾筒進行發酵的前置部件，主要由料箱、進料箱支架、進料螺旋和料箱踏板等組成。出料系統是原料在滾筒內發酵完成后的末端出料部件，主要由出料螺旋管、出料螺旋、出料螺旋支架和出料螺旋法蘭等組成。

料箱呈倒梯形結構，是進料系統的關鍵部件，兩側壁的傾斜角度直接影響進料的流暢性，為減少原料在料箱內結拱現象，設計時加大兩側壁的角度。在建模時，通過拉伸草圖形成料箱結構。進料螺旋采用焊接的方式與螺旋軸焊接在一起，在進料過程中將原料不斷推向滾筒進料孔，同時加入發酵菌劑，該進料系統還起到混合菌劑的作用[6]。建模時先建立螺旋軸，在螺旋軸的一端作為螺旋線的起點，畫出螺旋線和葉片草圖輪廓，再掃描做些修飾便可以得到進料螺旋。在此基礎上做適當的切除和拉伸便可得到進料系統的法蘭、電動機、支架和料箱踏板等零件[7]。基于機械設計中基準制和公差等級的選擇原則，合理地裝配料箱、進料螺旋、進料電機支座和進料箱支架，得到進料系統的裝配圖模型，如圖4所示。

圖4 進料系統Fig.4 Feeding system

出料系統主要是將發酵的物料快速從滾筒中輸送出來，出料螺旋主要實現取料和輸送物料作用，出料螺旋支架主要起到固定出料電動機，支撐出料螺旋管、出料螺旋的作用。在建模時，出料螺旋管通過拉伸草圖形成管體，出料螺旋通過拉伸草圖先建立出料螺旋軸在此基礎上畫出螺旋葉片草圖輪廓掃描后得到零件，裝配后得到整體模型，如圖5所示。

圖5 出料系統Fig.5 Discharging system

2.3 機架系統建模

滾筒式糞污處理設備的機架系統主要由滾筒支撐輪和機架組成。滾筒支撐輪分為左支撐輪和右支撐輪，主要起到支撐和滾動的作用。左、右支撐輪由輪對和滾筒支座兩部分組成。在建模時，支撐輪由旋轉操作得到。滾筒支座由拉伸、切除操作得到。滾筒支撐輪、滾筒支座、縱梁、橫梁和梯子裝配形成機架系統。滾筒式糞污處理設備各部分的建模過程如上所述，將滾筒、進料系統、出料系統、傳動系統和機架系統5部分裝配后，添加圍欄、控制箱等零件，便可得到整機裝配模型，如圖6所示。

圖6 滾筒式糞污處理設備整機裝配圖Fig.6 Complete assembly drawing of drum type manure and waste treatment equipment

3 正交試驗

3.1 試驗材料與儀器

試驗所用物料：雞糞80%、其他輔料20%。試驗當天檢測物料含水率為65.3%。

試驗檢測儀器：電子稱、轉速表、秒表、干燥箱、鋼卷尺、電度表等。所選用的檢測儀器均是經過中國計量院、北京市計量院檢定合格的儀器，測量范圍在規定值內，分辨率達到試驗要求。試驗前將滾筒式糞污處理機、試驗儀器全部調整到最佳狀態。

3.2 試驗方法

參考GB/T 5667—2008《農業機械生產試驗方法》，每一水平檢測3次。應用Excel進行數據統計分析。

3.3 試驗指標及其影響因素的確定

滾筒式糞污處理設備的主要作用是對雞糞等畜禽糞便進行密閉式發酵、加溫、攪拌、翻堆和充氣等操作，從而實現替代人工攪拌、翻堆等煩瑣作業的目地，提高作業效率，降低作業能耗。因此，選取滾筒式糞污處理設備的處理效率、作業電耗為滾筒式糞污處理設備性能的主要考察指標。以發酵溫度(A)、滾筒轉速(B)、裝料量(C)3個影響因素為變量，對發酵效率、作業電耗進行3因素對比試驗，每組試驗設置3個水平，每個水平設置3次重復并取平均值，考察不同水平下發酵效率、作業電耗情況，試驗現場如圖7所示[8]。在滾筒式糞污處理設備作業性能允許的范圍內，將滾筒式糞污處理設備試驗相關參數分別設置為發酵溫度60、65和70 ℃，滾筒轉速0.2、0.3和0.4 r/min，裝料量50%、60%和70%，進行測試[9]。

圖7 滾筒式糞污處理設備試驗Fig.7 Test of drum manure treatment equipment

3.4 試驗設計

采用正交試驗法設計試驗，對確定的試驗指標及影響因素進行試驗因素水平設計如表2所示。表2中A、B、C表示發酵溫度、滾筒轉速、上料量的編碼值，在各因素合理變化范圍內分別選取3個水平。通過試驗，根據影響因素的主次順序確定最優水平組合，進而可以確定滾筒式糞污處理設備最佳作業參數組合方案。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test factor level

4 試驗結果與分析

根據正交表進行正交試驗，在試驗時，檢測不同水平下的發酵效率和電耗情況。試驗方案及結果如表3所示。

表3 試驗設計與結果Tab.3 Experimental design and results

4.1 發酵效率試驗結果分析

從表3和表4可以得出，各因素對發酵效率試驗指標的影響程度按主次為裝料量、發酵溫度、滾筒轉速，最優組合為C1A3B3，即裝料量50%，發酵溫度70 ℃，滾筒轉速0.4 r/min。綜合分析裝料量對試驗中各指標的影響最大[10]。

表4 發酵效率統計分析Tab.4 Statistical analysis of fermentation efficiency 單位：m3/d

4.2 電耗試驗結果分析

從表3和表5可以得出，各因素對電耗試驗指標的影響程度按主次為裝料量、滾筒轉速、發酵溫度，最優組合C2B2A1，即裝料量60%，滾筒轉速0.3 r/min，發酵溫度60 ℃。綜合分析裝料量對試驗中各指標的影響最大[11]。

表5 電耗統計分析Tab.5 Statistical analysis of power consumption 單位：kW/d

5 結論

一是根據滾筒式糞污處理設備工作原理、結構和技術參數，使用SolidWorks對滾筒系統、進出料系統、機架系統進行了虛擬樣機分析。

二是采用直觀分析法，通過正交試驗對發酵效率、能耗兩個指標進行了分析。結果表明：影響發酵效率試驗指標的因素由大到小依次為裝料量、發酵溫度、滾筒轉速，最優組合為C1A3B3，即裝料量50%、發酵溫度70 ℃、滾筒轉速0.4 r/min；影響電耗試驗指標的因素由大到小依次為裝料量、滾筒轉速、發酵溫度，最優組合為C2B2A1，即裝料量60%、滾筒轉速0.3 r/min、發酵溫度60 ℃。

三是通過試驗發現，影響發酵效率、運行電耗兩個指標的因素由大到小有所不同，但最重要的影響因素均為裝料量。裝料量大，處理效率高，需要加溫時間長，能耗隨之升高。裝料量小，處理效率低，需要加溫時間短，能耗隨之降低。

通過上述結論分析可知，在生產實踐中，可根據生產實際要求，選擇發酵效率的影響因素最優組合C1A3B3，選擇電耗的影響因素最優組合C2B2A1，兼顧發酵效率和電耗兩項指標的影響因素組合優先考慮C1A3B3，其次為C2B2A1。