基于離散元的雙齒輥農村廚余垃圾粉碎機性能仿真研究

宋剛 張鵬 連文偉 杜冬杰 肖景豐

摘 要： 基于離散元軟件，通過雙齒輥粉碎機的建模對以骨頭為代表的廚余垃圾進行粉碎仿真，改變齒輥轉速n 和落料高度h 觀察仿真所產生的對應效果。顆粒分布情況和顏色（速度大小）分析表明，在35 r/min 的齒輥轉速和230 mm 的落料高度下的效果最佳，即粉碎效果最佳。此研究借助顆粒黏結模型為雙齒輥破碎機結構優化提供理論依據。

關鍵詞：離散元；粉碎機；廚余垃圾；齒輥；仿真

中圖分類號：S22文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0093-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.016

0 引言

隨著經濟的快速發展及城市化進程的加速，廚余垃圾在生活垃圾中占比高達50% 以上。廚余垃圾易腐爛、體積大并散發惡臭，不僅造成衛生問題，也不利于垃圾收運，若不妥善處理，會影響資源化產物的品質[1-2]。近年來，大部分家庭傾向于通過粉碎機將廚余垃圾粉碎，直接排入下水道進入污水處理廠處理，增加了污水處理的難度[3]。廚余垃圾含有豐富的有機物，是放錯位置的資源，有效利用廚余垃圾可以減少資源浪費，利于垃圾的分類處理。黑水虻生物轉化法是處理廚余垃圾變廢為寶的新方法，要實現黑水虻生物轉化處理，首要是將廚余垃圾進行破碎，變成黑水虻可進食的物料。雙齒輥粉碎機對于脆性材料具有較好的破碎效果。當平行安裝的破碎輥進行相對轉動時，物料受剪切力和拉伸力而發生破碎[4]。相比依靠擠壓破碎的粉碎機，其充分利用了脆性材料抗拉應力低的特點，適合大粒度物料的破碎，能有效控制產品粒度。而且運轉速度低、工作部件磨損小、噪聲小[5-6]。離散元是CUNDALL P A 等在20 世紀70 年代以分子動力原理提出的對顆粒相互作用探究的一種方法，該方法中顆粒間內部作用力處于平衡狀態，通過對單個顆粒的追蹤，可獲得整個顆粒聚集體的相關數值。

本研究采用離散元分析雙齒輥粉碎機對廚余垃圾的破碎過程，對其過程進行仿真。通過調整結構尺寸和給料參數獲得齒輥粉碎廚余垃圾的具體效果[7-8]。

1 仿真模型

1.1 雙齒輥粉碎機三維模型

研究對象為農村廚余垃圾粉碎機，粉碎機采用雙齒輥結構，可以對骨頭等廚余垃圾進行粉碎。在不影響仿真效果的前提下，對雙齒輥破碎機構進行簡化，建立的三維簡化模型如圖1 所示，由對向轉動的主、從動輥及外部箱體構成，主、從動輥各有輥齒11 個。

1.2 廚余垃圾三維模型

為了分析物體的形狀（幾何構造）與外觀數據（如顏色、表面反照率等性質），利用3D 掃描儀對骨頭尺寸進行掃描建模，了解具體的形狀和尺寸體積以方便測量，掃描后的模型如圖2 所示。

2 離散元仿真模型建立

2.1 物料模型創建

在EDEM 中通過設置物料的顆粒模型、幾何體與它們之間的接觸模型可以模擬物料在仿真過程中的真實力學性能，物料的黏結模型是一個由多個小顆粒通過彼此之間的黏結鍵而形成的大顆粒。在粉碎仿真過程中，通過雙齒輥的碰撞剪切作用，可以克服物料顆粒之間的法向力和切向力，從而使黏結鍵斷裂，最終完成物料的粉碎。

2.1.2 骨頭物料顆粒元黏結模型

黏結模型如圖4 所示。為使顆粒在雙齒輥的切碎過程中整體不產生炸開現象，設置顆粒與顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding[9]。模型可以通過黏結鍵將兩顆小球黏結在一起，黏結后小球的法向運動和切向運動被阻斷，當施加的外力超過黏結鍵的強度時，黏結狀態將被破壞，分離后的小球以硬球模型計算[10]。將骨頭模型設定成由細小顆粒通過Bonding 鍵黏合在一起，以模擬相應的內部力學結構特征，設定其單位面積法向剛度、單位面積剪切剛度、臨界法向應力、臨界剪切應力和Bonded Disk 半徑5 個參數，選擇在某一個時間點讓顆粒之間生成黏結鍵。

2.2 前處理過程

2.2.1 材料性質及參數選擇

材料屬性設置的主要內容是設置仿真模型中的幾何體和物料顆粒的材料屬性，每一個零件、每一種物料顆粒均對應一種特定的材料。需要設置的材料屬性參數主要有泊松比、剪切模量和密度3 個，如表1 所示。

2.2.2 材料顆粒黏結參數選擇

為了使EDEM 物料模型的力學性能參數接近真實骨頭，球形顆粒之間黏結參數應該根據骨頭的力學性能參數進行擬合，如表2 所示。

2.2.3 材料顆粒接觸參數選擇

為保證仿真過程更接近真實，顆粒與顆粒之間及顆粒與幾何體模型之間需要設置準確的參數，3 個參數設置需要經過大量試驗對其進行標定，如表3 所示。

2.3 仿真參數設置

前處理后，進入求解界面對仿真時間步長及數據保存頻率進行設置。仿真的時間步長是指前后時間點間的差值，時間步長設置不合理會導致失真，使仿真結果不準確，從而失去參考意義。

首先設置時間步長，時間步長的設置包括固定時間步長設置和Rayleigh 時間步長設置，其中Rayleigh時間步長是由程序根據顆粒的半徑、密度等參數自動計算的，而固定時間步長一般為Rayleigh 時間步長的20%～30%[11]。通常情況下，黏結顆粒接觸模型需要比Hertz-Mindlin 更小的時間步長，設置為5e-06 s，對應12.008 7%。然后設置總仿真時間0.5 s 和數據保存時間0.01 s。

3 仿真試驗設計與結果分析

為進一步研究齒輥轉速、落料高度等工作與結構參數對粉碎效果的影響，采用單因素試驗法分析各參數對粉碎效果的影響規律。

依據現實粉碎常用技術參數，進行各試驗參數的設定。①齒輥轉速n，一般廚余垃圾粉碎機雙輥轉速15～ 35 r/min， 試驗參數可取15、20、25、30 和35 r/min。②落料高度h，一般廚余垃圾粉碎機的落料高度230～ 270 mm， 試驗參數可取230、240、250、260 和270 mm。

3.1 齒輥轉速對粉碎效果的影響

總的仿真時間0.5 s，為觀察顆粒破碎分散情況，選取35 r/min 轉速時的時間歷程進行觀察。由圖5 可知，0.02 s 時顆粒生成， 有初始速度0.1 m/s， 顆粒呈綠色；0.1 s 顆粒接觸雙輥，開始產生形變，出現藍色顆粒（阻力降低了速度）；接下來到0.5 s 顆粒分散趨勢明顯，顏色出現紅色（速度增加），仿真效果明顯且有效。

給定的中心距為固定值350 mm，時間固定0.5 s。改變齒輥轉速時，出現如圖6 所示的效果。由圖6 可知，轉速15 r/min 時，顆粒分布較集中，速度也較低，隨著轉速增加，邊界處的顆粒越來越多，分散越來越稀疏，顆粒速度也越來越快。改變轉速值，效率增加明顯。

3.2 落料高度對粉碎效果的影響

如圖7 所示，在給定的最佳轉速35 r/min 值下，進一步通過改變顆粒給料的高度，分析落料高度對粉碎效率的影響。由圖7 可知，對顆粒最終的速度和分布影響沒有轉速那么明顯，由于落料高度增加，顆粒的最高位置呈現增加的趨勢，由于重力勢能的影響，顆粒呈現回彈現象，越高的落料高度越不利于粉碎，因盡可能地放低落料高度，來減小碰撞回彈。

4 結束語

借助廚余垃圾中代表物骨頭的參數，通過EDEM中導入建模進行仿真，觀察具體效果。從齒輥轉速、落料高度兩個參數進行范圍特征值的選取。結果表明：①齒輥轉速對粉碎效果的影響明顯，尤其是在大轉速下，并且顆粒速度和分散效果皆為最佳；②落料高度對粉碎效果的影響較小，為了提高粉碎效果和避免回彈，盡量選取較低的落料高度提升粉碎效果。

參考文獻

朱斌．異齒結構廚余垃圾破碎機[J]．農業裝備與車輛工程，2022，60（1）：107-110．

ZHU Bin． Kitchen waste crusher with different cutter teethstructure[J]． Agricultural Equipment & Vehicle Engineering， 2022，60（1）：107-110．

買崇，袁亞雄．廚余垃圾預處理工藝設計與應用[J]．水泥工程，2021（6）：78-79．

楊建新，劉鶴．廚余垃圾粉碎機應用的環境影響研究現狀與展望[J]．環境工程學報，2022，16（9）：2 949-2 957．

YANG Jianxin， LIU He． The state of art and prospects of studies onenvironmental impact of food waste disposers[J]． Chinese Journal ofEnvironmental Engineering，2022，16（9）：2 949-2 957．

吳遠遠，SEGUN G A，鄭明霞，等．基于破碎處理的家庭廚余垃圾減量及其對下水的影響[J]． 環境工程學報， 2016， 10（ 5） ：2 576-2 580．

WU Yuanyuan， SEGUN G A， ZHENG Mingxia， et al． Householdkitchen waste treatment based on food waste disposers in China[J]． Chinese Journal of Environmental Engineering， 2016， 10（ 5） ：2 576-2 580．

王宏迪．雙齒輥破碎機工作參數與破碎機理數值模擬研究[D]．長春：吉林大學，2017．

WANG Hongdi．Numerical simulation study on working parameters andbreaking mechanism of double toothed roller crusher[D]． Changchun：Jilin University，2017．

劉梅英，譚鶴群，牛智有，等．基于Pro/E 的雙輥破碎機的三維建模[J]．糧油加工，2010（7）：84-86．

肖觀發． 基于EDEM 的顎式破碎機襯板參數分析與結構優化[D]．贛州：江西理工大學，2015．

XIAO Guanfa．Analysis work's parameters and optimizing structure forlinersof crusher jaw based on EDEM[D]． Ganzhou： Jiangxi Universityof Technology，2015．

李東，樊冰露，趙倩等．基于EDEM 的圓錐破碎機破碎機理分析[J]．現代礦業，2017，33（8）：190-192．

張瑞新，劉煜，鄭群飛，等．基于EDEM 的雙齒輥破碎機破碎效率影響因素仿真分析[J]．金屬礦山，2018（2）：154-159．

ZHANG Ruixin，LIU Yu，ZHENG Qunfei，et al．Simulation analysisof influencing factors of double-geared roller crusher crushing efficiencybased on EDEM[J]．Metal Mines，2018（2）：154-159．

車雨嵩．基于EDEM 的雙級錘式破碎機的優化分析[J]．煤礦機械，2020，41（7）：121-123．

CHE Yusong． Optimization analysis of double stage hammer crusherbased on EDEM[J]． Coal Mining Machinery， 2020， 41（ 7） ： 121-123．

王慧振．基于EDEM 的圓錐破碎機主要特性參數研究[D]．武漢：湖北工業大學，2018．