基于EDEM的廢菌棒粉碎分離機設計與試驗*

2023-10-09 12:41:42陳宇張濤林通龐有倫李相羅書強

中國農機化學報 2023年9期

關鍵詞：模型

陳宇，張濤，林通，龐有倫，李相，羅書強

(1. 西南大學工程技術學院,重慶市,400715; 2. 重慶市農業科學院,重慶市,401329)

0 引言

我國食用菌產量在近年來增長迅速,從2014年的32 700 kt增長到2019年的近40 000 kt[1-3]。1978年中國食用菌產量為57 kt,歷經40年的改革開放,增長了近700倍。食用菌產業已經成為中國農業種植業中繼糧食、蔬菜、果樹、油料之后的第五大產業[4]。據統計,每生產1 kg食用菌需要1.45 kg菌料。劉景坤等[5]估算目前我國食用菌菌渣年產生量超1億噸。廢菌棒有機質含量較高,屬于可再生生物質資源,對其處理不當和不及時,會造成生物質資源的浪費和嚴重的環境污染[6-7]。如何科學有效地利用廢菌棒,引起了國內外相關研究人員的廣泛關注。

廢菌棒循環利用初始環節是脫袋粉碎,以前人工脫袋、機械粉碎的低效率模式已經不能滿足現實需要,為改變這一模式,迫切需要操作簡單、脫袋粉碎效果好、生產率高、能耗小的廢菌棒粉碎分離機。廢菌棒粉碎機械不屬于食用菌工廠化生產設備,未能引起國內外大型研發機構的重視[8]。國內少數私企和學者設計制造了菌袋分離機,但這些機器無法兼顧脫袋效果和粉碎效果,存在結構復雜、功率消耗大、分離軸纏袋和噪聲大等問題[9-12]。郭穎杰等[8]在此基礎上進行了改進,提升了分離效果,但刀具較為復雜。重慶地區主要食用菌為平菇、秀珍菇、香菇、金針菇,它們所產生的廢菌棒體積較小,因此,本文在研究廢菌棒性狀基礎上,設計一種脫袋與分離一體的小型機器,通過EDEM軟件對粉碎過程進行仿真分析,探究影響粉碎程度的規律,為后續機器制造優化提供了參考。以絞龍外徑260 mm,葉片厚度6 mm制造樣機,進行粉碎試驗,以驗證其脫袋與粉碎性能。

1 整機結構與工作原理

1.1 設計要求與技術參數

廢菌棒由塑料袋包裹,廢菌棒粉碎分離機應當有足夠功率以滿足脫袋和粉碎要求,生產效率應滿足生產標準,根據以上設計要求廢菌棒粉碎分離機設計技術參數如表1所示。

表1 分離機主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of separator

1.2 整機結構

廢菌棒粉碎分離機主要由電機、粉碎裝置、脫袋裝置、入料口、篩網、菌袋出口和機架等組成,其整機結構如圖1所示。工作時,電機通過帶傳動使粉碎裝置轉動,同時粉碎裝置帶動脫袋裝置旋轉。

圖1 廢菌棒粉碎分離機結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of waste bacteria stick crushing separator1.機架 2.菌袋出口 3.篩網 4.入料口 5.脫袋裝置 6.粉碎裝置 7.電機

1.3 工作原理

粉碎分離機工作時,廢菌棒從入料口落入割袋箱,在進料錕的轉動下,與割袋刀滑切,完成割袋,落入下方粉碎裝置。粉碎裝置中,廢菌棒在絞龍與篩網的揉搓下粉碎,并在絞龍的旋轉輸送下,運動至吹袋板。當廢菌棒被粉碎至直徑20 mm以下時,從篩網落出,菌袋則被吹袋板吹出,完成菌袋分離。

2 關鍵部件設計

2.1 割袋裝置

割袋裝置主要由進料輥、進料輥軸、進料輥架、限位板、割袋刀和割袋刀架等組成,用于完成廢菌棒的入料和割袋,其結構如圖2所示。其中,割袋刀和割袋刀架通過螺栓連接、割袋刀架和機架通過螺栓連接、進料輥焊接在限位板上、限位板和進料輥架通過螺栓連接,進料輥在旋轉作用下推動廢菌棒入料并和割袋刀發生滑切,完成割袋。

圖2 割袋裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of bag cutting device1.割袋刀架 2.割袋刀 3.限位板 4.進料輥架 5.進料輥軸 6.進料輥 7.機架

為確定割袋刀架的長度L,對廢秀珍菇菌棒進行取樣統計,測得其直徑D1=104～115 mm,長度L1=175～184 mm。

割袋刀架長度應大于廢菌棒長度的兩倍,便于多根菌棒同時入料,取L=390 mm。割袋刀選用尖頭U型定刀,其寬度L2=33 mm;割袋刀安裝間距d1應小于100 mm,d1過小則刀具數量過多,割袋刀架負載過大,d1過大則出現漏割,分析后取d1=90 mm。

割袋刀數量計算公式如式(1)所示。

L1+(n1-1)d1+b=L

(1)

式中:n1——割袋刀數量;

b——預留寬度,mm。

確定割袋刀數量n為4,預留寬度b為87 mm。

2.2 粉碎裝置

粉碎裝置選用絞龍粉碎器,主要作用是將割袋后的廢菌棒和菌袋粉碎,將菌袋吹出。絞龍粉碎器主要由軸體、絞龍、分離篩、吹袋板組成,如圖3所示。其中,軸頭焊接在軸兩側、吹袋板和吹袋板底座螺栓連接、吹袋板底座焊接在軸體一側、絞龍焊接在軸體上、分離篩焊接在機架上。在傳動帶輪的帶動下,進入粉碎裝置的廢菌棒和菌袋一邊被絞龍粉碎,一邊沿軸體向一側移動,粉碎后的菌渣受重力從篩網落下,菌袋在吹袋板的吹送作用下經菌袋出口離開粉碎裝置。

圖3 絞龍粉碎器結構示意圖Fig. 3 Structure diagram of auger crusher1.軸體 2.絞龍 3.分離篩 4.吹袋板

2.2.1 絞龍粉碎器結構參數確定

絞龍粉碎器的結構參數主要包括絞龍內徑、外徑、螺距、螺旋升角和分離篩內徑。

該機在工作過程中,絞龍內徑所承受負荷相對較小,滿足一定剛度[13],選取絞龍內徑Dn=60 mm。在絞龍內徑一定時,絞龍外徑Dw過小易發生堵塞和分離軸纏袋現象,影響絞龍的輸送,故設計絞龍外徑Dw為260 mm。絞龍葉片與分離篩面的間隙d2應滿足0

螺距的大小影響絞龍粉碎器的工作效率和效果,螺距過小輸送效率太低,螺距過大粉碎效果差,參考無殼取籽器絞龍破碎器[15]的設計,取螺距與外徑之比為0.9,螺距E為236 mm。絞龍葉片邊緣上的點的法線與軸線間的角為螺旋升角,計算公式如式(2)所示。

(2)

計算可得外徑螺旋升角為16.11°。

2.2.2 絞龍粉碎器運動參數確定

當廢菌棒進入絞龍與分離篩之間的間隙時,其外表面分別與絞龍、分離篩表面接觸,在絞龍的作用力F作用下完成粉碎。

點O為絞龍與分離篩的共同軸心,以廢菌棒外表面與絞龍的接觸點A為原點建立坐標系,將力F分解如圖4所示。

圖4 廢菌棒表面受力示意圖Fig. 4 Schematic diagram of stress

絞龍作用力F可分解為沿軸向的輸送力Fa、沿絞龍半徑的徑向擠壓力Fr和沿圓周的切向力Fτ,如式(3)所示。

(3)

式中:ω——A點角速度,rad/s;

n——絞龍轉速,r/min;

Pτ——A點切向粉碎功率,W;

β——擠壓角,(°)。

廢菌棒的粉碎效果與切向粉碎功率、絞龍轉速、絞龍外徑、螺旋升角和擠壓角有關,在切向粉碎功率、螺旋升角和擠壓角一定時,絞龍轉速和外徑越大,切向力Fτ、軸向的輸送力Fa、徑向擠壓力Fr越小。

3 粉碎作業仿真

在結構參數方面,在篩網半徑固定時,絞龍外徑、葉片厚度會影響撕搓空間的間隙,從而影響粉碎程度;在工作參數方面,絞龍轉速同樣會影響粉碎程度。因此本文運用離散元仿真來分析絞龍外徑、葉片厚度和絞龍轉速對粉碎程度的影響。

3.1 廢菌棒參數測定

對廢菌棒進行參數測定使仿真貼合真實情況,本次試驗選用由重慶市農業科學院食用菌研究中心提供的培養秀珍菇的廢棄菌棒進行試驗。

廢菌棒為半徑55 mm,高180 mm的圓柱形,求出體積v,稱出質量m,求出密度ρ,取3組試驗的密度平均值ρ=836 kg/m3,密度平均值的計算公式如式(4)所示。

(4)

3.2 機器模型簡化

為便于仿真,在Solidworks中對廢菌棒粉碎分離機進行結構簡化,儲存為stp格式,導入EDEM以便菌棒定位,簡化后的結構如圖5所示。

圖5 粉碎分離機簡化圖Fig. 5 Simplified diagram of crushing separator

3.3 廢菌棒模型建立

3.3.1 接觸模型的選擇

離散元技術中顆粒法向接觸力與切向接觸力有多種接觸模型,常見的接觸模型有:Hertz-Mindin with JKR Cohesion凝聚力接觸模型、Hert-Mindin無粘結接觸模型及Hertz-Mindin with Bonding粘結斷裂接觸模型等。

Hertz-Mindlin with Bonding粘結接觸模型用粘結鍵將顆粒粘結成可粉碎的單元體,能夠有效模擬廢菌棒顆粒粉碎,故選用Hert-Mindin無粘結接觸模型及Hertz-Mindin with Bonding粘結斷裂接觸模型。

在粘結之后,模型根據式(5)在每個時間步對顆粒上的法向力矩Tn、切向力矩Tt與法向力Fn、切向力Ft進行更新。

(5)

式中:δ——時間步長;

t——時間;

vn——顆粒法向速度,m/s;

vt——顆粒切向速度,m/s;

Sn——是顆粒切向剛度,N·m;

ωn——顆粒法向角速度,rad/s;

ωt——顆粒切向角速度,rad/s;

A——顆粒接觸面積,m2;

J——顆粒慣性矩,m4;

RB——顆粒間黏結半徑,m。

當顆粒間外力達到粘接鍵極限時廢菌棒粉碎為菌粒,在后處理界面中統計粉碎粘接鍵數量與總粘接鍵數量之比,即為粉碎程度,其臨界法切向應力如式(6)所示。

(6)

式中:Mn——顆粒間切向力矩,N·m;

Mτ——顆粒間法向力矩,N·m。

3.3.2 參數設置

一種價值觀要真正發揮作用，必須融入社會生活，與社會生活緊密聯系起來，讓人們在實踐中感知它、領悟它，增強認同感和歸屬感。志愿服務活動，是人人可為、人人能為的重要載體，有利于增強社會主義核心價值觀的吸引力、感染力，提高人們對主流價值觀的認同感。

查閱相關資料[16-19],設定離散元仿真參數見表2。

表2 物料物理參數Tab. 2 Physical parameters of materials

3.3.3 廢菌棒模型建立

廢菌棒由細小顆粒組成,選用球形顆粒模擬菌棒顆粒,粘結成整體以模擬廢菌棒,球形顆粒半徑為1.5 mm。

根據廢菌棒外形,運用Cylinder功能放置直徑110 mm、長180 mm的圓柱形菌棒盒,并放置在入料口的上方,用菌料顆粒填充菌棒盒,添加初始速度5 m/s使之壓實,壓實后,導出為simulation deck。打開simulation deck后再次堆積,如此多次堆積后,填滿菌棒盒,得到廢菌棒外形。

運用Hertz-Mindin with Bonding模型生成bond鍵,將菌棒盒設為虛擬即可得到廢菌棒模型,廢菌棒與粘結模型如圖6所示。

(a) 廢菌棒外形

(b) 粘結模型

(d) 堆積中圖6 廢菌棒與粘結模型Fig. 6 Waste stick and adhesive model

3.4 廢菌棒粉碎過程仿真分析

菌棒粘結完成后,將絞龍相關零件設為整體,其余部分設為機架。為絞龍添加繞軸的旋轉運動,設置其轉速為300 r/min,設定仿真總時長1 s,隨后開始仿真分析,粉碎過程如圖7所示。

(a) 0 s

(b) 0.20 s

(d) 1.0 s圖7 廢菌棒粉碎過程圖Fig. 7 Crushing process of waste bacteria rods

隨著絞龍轉動,廢菌棒逐漸粉碎,從篩網下方出料,極少部分菌粒從菌袋出口落出,少部分粘結鍵未能斷裂,損失菌粒和未斷裂鍵如圖8所示。

(a) 菌粒圖

(b) 粘結鍵圖圖8 損失菌粒和未斷裂鍵Fig. 8 Loss of bacterial particles and unbroken bonds

3.4.1 絞龍扭矩和粉碎程度分析

通過后處理,導出斷裂的bond鍵數,除以總鍵數,即可得出粉碎程度與時間關系。菌棒粉碎過程中,絞龍所受扭矩是判斷絞龍工作的穩定性的重要指標,本試驗中,絞龍扭矩和粉碎程度隨時間變化情況如圖9所示。

圖9 扭矩與粉碎程度隨時間變化情況Fig. 9 Torque and crushing degree change with time

從圖9可以看出,0～0.2 s,廢菌棒生成并豎直下落,粉碎程度不變,絞龍所受扭矩為0 N;0.2～0.4 s,絞龍開始粉碎,扭矩略有波動;0.4～0.45 s,隨著菌棒粉碎程度的提升,絞龍和菌粒與分離篩間撕搓加劇,扭矩上升至峰值41.98 N·m;0.45～0.81 s,粉碎程度逐漸達到峰值,扭矩小幅度波動;0.81～1.0 s,廢菌棒粉碎程度保持穩定,扭矩小幅度波動。

3.4.2 單因素試驗分析

為了研究絞龍轉速對機器工作性能的影響,利用離散元軟件EDEM,依次設置絞龍轉速為200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min、400 r/min,進行粉碎分析,結果如圖10所示。

圖10 絞龍轉速對工作性能影響Fig. 10 Influence of auger speed on working performance

由圖10可以看出,在絞龍轉速在200～300 r/min期間時,隨著絞龍轉速的增加,廢菌棒粉碎程度呈上升趨勢;隨絞龍轉速繼續增加且大于300 r/min時,從菌袋出口落出的菌料增多,粉碎程度呈下降趨勢;在200～400 r/min期間,絞龍轉速增大,其所受最大扭矩逐漸下降。綜上分析可得:絞龍轉速在300 r/min時,廢菌棒粉碎程度最大,絞龍所受最大扭矩41.98 N。

本設計選用YL100L24電機,額定功率3 kW,校核如式(7)所示。

(7)

式中:P——作業功率,kW;

T——扭矩,N·m;

η——傳動效率,取85%。

在200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min、400 r/min時,絞龍所受最大功率分別為1.43 kW、1.58 kW、1.55 kW、1.64 kW、1.71 kW,均小于3 kW,工作穩定。

3.5 仿真試驗設計與結果

以絞龍外徑、絞龍轉速及葉片厚度為因素,運用Design-Expert12軟件設計三因素三水平二次回歸正交旋轉組合試驗,探究對粉碎程度Y的影響。試驗因素編碼如表3所示,試驗設計方案和結果如表4所示,A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗因素編碼表Tab. 3 Table of test factor codes

表4 試驗方案及結果Tab. 4 Test scheme and results

3.6 回歸模型建立與方差分析

進行數據分析,得到粉碎程度Y的回歸模型為

Y=80.9+1.34A+0.862 5B+0.425C-0.025AC+0.125BC-2.75A2-1.05B2+0.025C2

(8)

對仿真試驗結果進行方差分析,結果如表5所示。

表5 粉碎程度的方差分析Tab. 5 Variance analysis of crushing degree

由表5可知,粉碎程度的模型F值為135.77,P<0.000 1,表明二次回歸模型極為顯著;失擬項P值大于0.05,表明無失擬因素存在,模型擬合度高;模型的多元系數R2為0.994 3,表明模型相關性好,信噪比APrecision為36.650 8遠大于4,表明該模型可信度高。對參數P值、F值分析得到各參數對粉碎程度影響的顯著性大小為:二階絞龍外徑A2>絞龍外徑A>絞龍轉速B>二階絞龍轉速B2>葉片厚度C。

從圖11(a)可知,在同一葉片厚度下,隨著絞龍轉速增大,粉碎程度先增大后減小;隨著絞龍外徑增大,粉碎程度先增大后減小。由圖11(b)可知,在同一絞龍轉速下,隨著葉片厚度增大,粉碎程度增大;隨著絞龍外徑增大,粉碎程度先增大后減小。由圖11(c)可知,在同一絞龍外徑下,粉碎程度隨葉片厚度增大而增大;隨著絞龍轉速增大,粉碎程度先增大后減小。

(a) 絞龍轉速和絞龍外徑的影響

(b) 葉片厚度和絞龍外徑的影響

3.7 參數優化與驗證

根據粉碎分離機的粉碎性能要求,粉碎程度越高,粉碎的效果越好。各因素對粉碎程度的影響不一致,以粉碎程度為目標函數,對絞龍外徑、絞龍轉速、葉片厚度3個因素進行綜合優化,其約束及目標函數如式(9)所示。

(9)

得出最佳工作參數為:絞龍轉速323.4 r/min,絞龍外徑為261.185 mm,葉片厚度為6 mm,此時模型預測粉碎程度為81.739%,將該參數代入仿真試驗,得出仿真粉碎程度為83.2%,誤差為1.79%,與優化結果基本一致,表明預測模型有效。

4 樣機試驗

2022年11月,在重慶市農業機械研究所開展樣機試驗,結合生產實際,將絞龍參數進行圓整,以絞龍外徑260 mm,葉片厚度6 mm制造樣機,配套動力3 kW,絞龍轉速設定為320 r/min,通過分析粉碎合格率、菌袋脫凈率和生產率來檢驗設計的可行性。

本次試驗采用的廢菌棒來自重慶市農業科學院食用菌研究中心,廢菌棒要求底面平整,菌袋外表面完整,菌料無損傷或開裂,廢菌棒底面直徑104～115 mm,高度175～184 mm。

從粉碎后的菌料中隨機抽取一定量菌料,粉碎合格率計算方式如式(10)所示。

(10)

式中:M1——粉碎后的菌料質量,g;

M2——長度大于20 mm的菌塊質量,g。

菌袋脫凈率計算方式如式(11)所示。

(11)

式中:M3——5 min內從菌袋出口排出的菌袋總質量,g;

M4——菌料出口排出的碎片總質量,g。

試驗采用平均法,同一試驗條件下實驗3次,取平均值,其試驗結果如表6所示。

作業后廢菌棒粉碎合格率為92%,菌袋脫凈率為93%,各項指標均已達標。作業過程廢菌棒入料順暢,無菌袋纏繞現象,該廢菌棒粉碎分離機有效解決廢菌棒粉碎脫袋問題,對促進我國廢菌棒回收利用具有重要意義。

5 結論

1) 設計一臺廢菌棒粉碎分離機,包括割袋裝置、粉碎裝置,能夠實現廢菌棒脫袋與粉碎一體;設計割袋裝置,根據廢菌棒外形尺寸設計割袋刀架寬度為390 mm,割袋刀安裝間距為90 mm;設計絞龍粉碎器內徑為60 mm,外徑為260 mm,螺距為236 mm。

2) 運用EDEM中bond鍵建立廢菌棒模型,對廢菌棒進行粉碎仿真,當廢菌棒粉碎至一定時間,粉碎程度穩定,不再提升;通過絞龍所受最大扭矩對機器進行簡要校核。應用Design-Expert12設計仿真正交試驗,通過方差分析得到各參數對粉碎程度影響的顯著性為:二階絞龍外徑A2>絞龍外徑A>絞龍轉速B>二階絞龍轉速B2>葉片厚度C;建立回歸模型,對機器的結構參數和作業參數進行了優化,得到的結果為:粉碎軸轉速323.4 r/min,絞龍外徑261.185 mm,葉片厚度6 mm時,粉碎程度為81.739%。經過仿真驗證得出粉碎程度模型預測值與仿真值的相對誤差為1.79%,表明在一定的誤差允許范圍內該預測模型的有效性。

3) 樣機以320 r/min的絞龍轉速進行粉碎試驗時,整機工作性能穩定,廢菌棒喂入順暢,粉碎合格率為92%,菌袋脫凈率為93%,各項指標均已達到或超過設計技術指標。