基于EDEM固液分離裝置螺旋軸參數優化與試驗

常金攀 果 霖 賀小梅 王建坤 方啟明

(云南農業大學機電工程學院，云南 昆明 650201)

餐廚垃圾為食物垃圾的一種。據統計[1]，中國每年產生餐廚廢棄物4 000多萬t，且還在以每年5%～10%的增速上漲。餐廚垃圾長時間得不到處理，其有害物質可能會不斷擴散，進而污染水資源，土地資源，危害人類健康[2]。目前國內外利用先進的工藝技術和科技技術研制了餐廚垃圾處理設備，資金投入較大，設備維護成本較高，費工費時，還無法保證處理效果達到預期。侯嘉鑫等[3]研制了一種綠色廚余垃圾處理器，但在壓榨過程中是通過人力進行研磨和擠壓，處理效率低；羅文苑等[4]設計了一種小型餐廚垃圾處理設備，集自動化、小型化、低能耗于一體，但無法調節螺旋桿轉速，壓縮效率不高；金榮通等[5]設計的廚余垃圾處理器，居民在家中可直接對廚房食物垃圾進行初步處理但螺旋擠壓脫水裝置的壓縮距離過短，對食物殘渣的擠壓力不夠，因此在排出時有水流帶出；黃將誠等[6]設計了一種食物垃圾處理器，可以在攪拌和壓榨過程中進行智能切換，操作簡單，但在控制系統設計方面需進一步優化。王浩璇等[7]設計了一種餐廚垃圾渣液分離機，實現了快速而有效的固液分離，但在粉碎和固液分離的智能控制方面需進一步優化。

針對目前餐廚垃圾固液分離裝置中存在的脫水率低，出料不暢問題，研究擬針對原有的餐廚垃圾固液分離裝置中螺旋軸的結構進行參數優化，并對螺旋軸進行EDEM離散元仿真分析，對制作樣機進行實驗驗證，旨在為新型固液分離裝置的設計和優化提供一定的參考和依據。

1 固液分離裝置螺旋軸結構優化

試驗設計的餐廚垃圾處理器主要包括粉碎裝置、固液分離裝置、油水分離裝置、控制裝置4部分，壓縮裝置作為餐廚垃圾處理器的關鍵部分，由機架、減速機、螺旋桿、出料葉片、出料板、過濾網等組成。固液分離裝置的關鍵部件為螺旋軸，其決定了脫水率的高低。圖1為基于Creo三維制圖軟件繪制的固液分離裝置三維圖。

1. 機架 2. 底板 3. 出水口 4. 進料口 5. 分離中板 6. 減速機板 7. 減速機 8. 出料葉片 9. 螺旋軸 10. 出料口 11. 過濾網 12. 外殼 13. 底座圖1 固液分離裝置Figure 1 Solid liquid separation device

1.1 工作原理

餐廚垃圾處理過程：將餐廚垃圾緩慢投入粉碎裝置進料口處，粉碎，研磨，粉碎后的餐廚垃圾直徑約為3 mm，在水流的沖擊下流入固液分離裝置進行擠壓脫水。擠壓脫水工作原理：食物殘渣在螺旋軸的輸送階段作軸向運動和徑向運動，水流經過濾網排出，剩下的固體殘渣被輸送至壓縮階段，隨著空間逐漸變小，進入壓縮階段后在螺旋軸和濾網的擠壓和摩擦下將殘渣中的水分和油脂經過濾網縫隙排出，而固體殘渣在螺旋軸的離心力和出料葉片的旋轉作用下排出。擠壓脫水過程中，可以通過控制裝置調節螺旋軸轉速，處理含纖維量不同的食物殘渣。

1.2 螺旋軸結構參數優化

螺旋軸的主要結構參數有螺旋輸送距離、螺旋壓縮距離、螺旋軸壓縮端直徑、螺旋葉片直徑、螺旋葉片厚度、螺距等。為了進一步研究螺旋壓縮距離、螺旋軸壓縮端直徑和螺旋葉片直徑3個因素對螺旋軸工作性能指標的影響，采用L9(34)的正交表進行三因素三水平正交試驗，并應用EDEM軟件進行模擬仿真，得出最優結構參數組合。正交試驗因素水平表見表1，試驗設計及結果見表2。

表1 試驗因素水平表Table 1 Table of test factors

由表2可知，平均受力最優方案為A2B3C2，平均速度最優方案為A2B2C1。對于平均受力指標來講，B的極差最大，故取B2最好；對于平均速度指標來說，C的極差最大，故取C1最好。因此最優的參數組合為A2B3C1，即螺旋軸壓縮距離180 mm，螺旋軸壓縮端直徑96 mm，螺旋葉片直徑97 mm，根據樣機大小，將螺旋軸總長度設計為553 cm，螺旋葉片厚度選取4 mm，螺距為50～10 mm線性漸變，進料螺旋均選用15°螺旋角。圖2為優化后的螺旋軸二維圖。

圖2 螺旋軸二維圖Figure 2 Two-dimensional plot of the helix axis

表2 正交試驗方案及結果Table 2 Test scheme and test results table

2 EDEM仿真分析

2.1 仿真模型建立

通過Creo軟件建立餐廚垃圾固液分離裝置優化后的三維模型，為了使EDEM離散元仿真計算更加方便、準確，對固液分離裝置進行簡化，省略不必要的結構。保留固液分離裝置中的螺旋桿、過濾網、出料葉片、出料板、進料口等結構，省去減速器、機架等結構。將三維模型保存為*.igs格式，導入EDEM前，選擇以毫米為單位進行導入，導入EDEM后的固液分離裝置實體模型如圖3所示。

圖3 壓縮裝置實體模型Figure 3 Solid model of the compression unit

2.2 仿真參數設置

導入模型后，對殘渣顆粒和不銹鋼的物理特性進行參數設置(見表3)。對導入后的螺旋軸添加驅動，速度方向為順時針方向200 r/min，結束時間≥仿真時間。添加虛擬幾何體至食物殘渣進口處，于幾何體上添加顆粒工廠，設置動態生成顆粒，顆?？倲?0 000，生成速度1 000顆/s，顆粒初始速度1 m/s，速度方向垂直于食物殘渣進口界面，對仿真環境進行設定，保存。仿真前，設置固定時間步長為20%，仿真時間22 s,采樣時間0.05 s，選取合適的單元網格。仿真完成后，進入Analysis界面進行數據處理，并對仿真結果進行分析。

表3 材料屬性參數Table 3 Property parameters of the material

2.3 顆粒接觸模型

EDEM仿真可以獲得包括顆粒等疏松材料與機器表面相互作用的內部行為，系統內元素之間相互碰撞的級別、頻率和分布，每個顆粒的速度和位置，與散貨中顆粒沖擊、磨損、凝聚和分離相關的能量，金屬微粒結構的應力鏈和結構完整性[8]。

運用EDEM離散元軟件進行壓縮過程仿真，用顆粒模型代替食物殘渣，最大程度地還原食物殘渣的物理特性，使仿真結果更加接近真實情況，圖4為顆粒模型，顆粒直徑大小為4 mm左右，質量為2.4 g，表4為材料的相互接觸參數。運動過程中，顆粒與顆粒之間會產生相互作用力。物料之間存在相互作用的黏性力、碰撞力等[9]，Hertz-Mindlin模型是EDEM中使用的默認模型，在力的計算方面精確且高效。該模型中，法向力分量基于Hertzian接觸理論[10]，切向力模型基于Middlin-Deresiewicz模型[11]。因此，根據實際情況，采用Hertz-Mindlin with bonding接觸模型[12-13]。

表4 材料的相互接觸參數Table 4 Mutual contact parameters of the materials

圖4 顆粒模型Figure 4 The particle model

2.4 結果與分析

通過對餐廚垃圾固液分離裝置仿真產生的相關數據進行處理與分析，得到優化后的螺旋軸顆粒速度云圖、受力云圖、出料口最大速度變化圖、出料口最大受力變化圖如圖5～圖8所示。

由圖5、圖6可知，顆粒在固液分離裝置中經過輸送階段和壓縮階段，輸送過程中，顆粒的速度、受力逐漸增大，在出料口處達最大。由圖7、圖8可知，物料在8 s內被擠壓排出，8 s后顆粒的速度和受力幅度平穩，固液分離裝置穩定運行。因此，選取8～11 s擠壓過程進行仿真分析，得出固液分離裝置出料口的受力范圍為2.7～4.5 N，平均受力3 N，出料速度范圍為1.3～4.7 m/s，平均速度1.9 m/s，該受力結果滿足餐廚垃圾固液分離裝置正常工作要求。為了驗證仿真結果，需制作樣機對仿真結果進行進一步驗證。

圖5 顆粒速度云圖Figure 5 Particle velocity cloud map

圖6 顆粒受力云圖Figure 6 Cloud map of particle particles

圖7 出料口最大速度變化圖Figure 7 Maximum speed change diagram of the material outlet

圖8 出料口最大受力變化圖Figure 8 Maximum force change diagram of the feeding outlet

3 實驗驗證

3.1 試驗條件

選用餐廳的熟食作為試驗材料，主要包括肉類、蔬菜、米飯等。對熟食進行粉碎，粉碎后的殘渣在水流的沖擊下進入固液分離裝置，水流通過過濾網流入下水道，固體殘渣在螺旋軸和過濾網的擠壓和摩擦下，經出料口排出，對擠出的物料進行后續分析。

3.2 試驗方法

為了使試驗結果更具普遍性，對優化前后的螺旋軸進行比較，分別投入20，25，30，35，40，45 kg物料，計算每次試驗物料的脫水率ω及處理量M，含水率ω0通過WL型餐廚垃圾含水率測定儀器測出，并按式(1)、式(2)分別計算物料脫水率和處理量。

(1)

(2)

式中：

ω——物料脫水率，%；

M——物料處理量，kg/h；

M1——投入粉碎機原始物料質量，kg；

M2——擠出物料質量，kg；

M——擠出物料處理量，kg/h；

T——擠出物料所需時間，h。

3.3 結果與分析

由表5可知，當物料原始質量為30 kg時，優化前，餐廚垃圾固液分離裝置的平均擠出物料質量為10.6 kg，平均處理量為106.38 kg/h，平均脫水率為64.68%，擠出物料的平均含水率為78.98%；優化后，餐廚垃圾固液分離裝置的平均擠出物料質量為5.52 kg，平均處理量為315.5 kg/h，平均脫水率為81.4%，擠出物料的平均含水率為53.38%；優化后的脫水效果優于優化前的，說明優化后的裝置在出料順暢的情況下，提高了物料的脫水率。

表5 試驗結果Table 5 Experimental data table

4 結論

(1) 優化后的餐廚垃圾固液分離裝置螺旋軸結構輸送長度為373 mm，壓縮長度為180 mm，螺旋軸壓縮端直徑為96 mm，螺旋葉片直徑為98 mm，總長度為553 mm。

(2) 通過EDEM離散元仿真軟件對擠壓過程進行仿真分析，得出固液分離裝置出料口的受力范圍為2.7～4.5 N，平均受力3 N，出料速度范圍為1.3～4.7 m/s，平均速度1.9 m/s，固體殘渣在螺旋軸輸送階段速度、受力穩定，在物料被擠出前，隨著時間的增加，物料的速度和擠壓力逐漸增大，且在出料口處均達最大值。

(3) 通過樣機實驗驗證了EDEM對餐廚垃圾固液分離裝置仿真的效果，優化后的螺旋軸脫水效果優于優化前，說明正交試驗得出的參數為螺旋軸最優參數。

(4) 試驗對螺旋軸參數進行了優化，此外，后續可以考慮通過優化過濾網孔隙直徑的方式來提高食物殘渣的脫水率。