牛粪固液分离机螺旋轴的改进

庞皓升，关正军

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

随着畜禽养殖业向规模化、集约化发展，畜禽废弃物总量呈逐年增长趋势，用固液分离技术处理畜禽粪便是目前利用畜禽类粪便中的有机成分，改善农业生态环境的重要途径[1-3]。Masse等研究利用固液分离技术改变猪粪的颗粒大小，提高厌氧发酵效率[4]。Harald Anlauf研究了固液分离技术的发展[5]。常志洲等利用螺旋式固液分离机研究了猪粪和牛粪的粒径及养分分布对固液分离效率的影响[6]。关正军等研究利用变轴径变螺距固液分离机对牛粪进行预处理，研究了固液分离工艺参数优化、牛粪分离产物的综合利用、分离液厌氧发酵技术，研究结果表明固液分离在对畜禽养殖粪便预处理中具有重要作用[7-10]。

当前国内的螺旋压榨固液分离机大多采用等轴径等螺距结构，少数采用变轴径变螺距结构的也是凭借经验，没有具体的设计依据，因此，研究分离物料的摩擦与剪切特性在分离过程中的变化[11-13]，以此为依据对原有的固液分离机进行改进，提高固液分离机设计的水平是十分必要的。本文在研究流状物螺旋压榨固液分离装置对牛粪进行资源化综合利用的基础上[14]，探讨改变螺旋固液分离机中轴的直径、螺旋的螺距和螺旋倾角，实现其对含水率和体积不断变化物料进行高效分离效果。

1 试验准备

1.1 螺旋倾角的测定原理

如图1所示，将装有物料的两个相同薄壁圆筒重叠，并在上部加上荷重，上圆筒总重为W，下圆筒固定，仅给上圆筒以水平引力F来切断物料层，测定产生滑动时剪切力F与法向力W之比为常数U，这就是材料力学中著名的库仑（Coulom）公式[15]，即=U。其中先将两个薄壁圆筒重叠后再置物料，则水平引力F为剪切力，则

若先在下圆筒里放满物料后，再填充上圆筒，则水平引力F为摩擦力，则

图1 摩擦与剪切试验装置Fig.1 Friction and shear test device

1.2 试验数据分析

摩擦与剪切试验结果见表1。

在分离机工作过程中，要保证物料是连续的，即物料不被剪断，故物料间的作用力F介于摩擦力与剪切力之间，根据表1选择临界值φ满足以下公式：

φ临界值分别取 0.87，0.92，0.84，0.785，0.73，0.63，0.55（含水率为20%～80%）。

试验结果如图2所示。

表1 摩擦与剪切试验结果Table 1 Friction and shear test results

图2 物料摩擦与剪切试验Fig.2 Material friction and shear test

2 机构设计

2.1 轴的设计

轴在工作时要承受极大的扭矩和压力，故材料的选择要考虑它的刚度和强度，通常用45号钢。由原机器实测得出，螺旋叶片外径D=285 mm，等径螺旋轴d=125 mm，轴长l=2 000 mm，机器内不同含水率的牛粪的压强是近似按照线性分布变化的，由经验可知：分离机螺旋轴进料端牛粪含水量约为80%～90%，出料端牛粪含水率40%～50%，出料端部即含水率为40%的物料所受压强为681 kPa，并进行相应的压缩试验；本轴设计为锥形轴，螺旋轴小径为原轴直径，即125 mm，由体积公式：

则进料口即初始端含水率为80%的工作体积V=1.03×105mL，通过线性关系计算得其余各含水率下轴的工作体积，则不同含水率的物料体积随压强变化的数据以及各含水率下轴的工作体积见表2。

由表2可知，轴的总工作体积为：

表2 压缩试验结果Table 2 Compression test results

轴经过变径后：

式中，螺旋叶片外径D=285 mm，轴长l=2 000 mm，进料端螺旋轴半径d=125 mm，d'为出料端螺旋轴半径，经计算得d'=165 mm，则出料端直径取165 mm。由于原轴为空心轴，壁厚为10 mm，现为锥形轴，所以设计内壁为台阶式，初始端壁厚10 mm，中间部1 000 mm处为台阶面，壁厚10 mm，保证轴受力均匀，轴设计如图3所示。

2.2 叶片的设计

由原机器得知，叶片为双头螺旋叶片，厚度为5 mm。叶片与牛粪的摩擦力应尽可能的小，故选择不锈钢板作为材料。由于轴长为2 000 mm则螺旋叶片螺距之和应小于2 000 mm。每隔10%的不同含水率设计一个叶片，每个叶片为一个螺旋。共4对8片叶片。其中螺旋倾角α与摩擦角Φ互为余角，如图4所示。

在分离过程中，实际的叶片螺旋升程角需小于理论计算值才能使物料运动不自锁，又因试测得理想状态下摩擦角，未计算焊接部位与物料间的摩擦，综合考虑上述因素及试验误差，故实际螺旋倾角α应取理论螺旋倾角计算值90%～80%，叶片螺距：

进料端d1=125 mm，出料端d5=165 mm，由于轴是圆锥形，所以直径呈线性变化，即d2=135 mm，d3=145 mm，d4=155 mm，经计算后，各含水率下理论螺旋倾角α，实际螺旋倾角α'及叶片螺距L见表3。

图4 螺旋倾角α与摩擦角ΦFig.4 Spiral angle α and friction angle Φ

表3 不同含水率下的螺旋倾角和叶片螺距Table 3 Spiral angle under different water content and blade pitch

每片叶片焊接前外径为一个圆，内径为一个螺旋线的近似圆环的形状，故每个叶片都要单独设计，叶片展开图近似一个直角三角形见图5。

图5 叶片展开Fig.5 Blade expansion figure

叶片展开时的螺旋外周长和内周长:

式中，D=285 mm，L=L1～L5，则外径D'长C/π；其中各段d分别在工程图测量得出，L=L1～L5，则内径d'长为c/π。计算结果见表4。

2.3 螺旋轴的整体结构

螺旋轴的整体结构见图6。

表4 叶片内径与外径的计算结果Table 4 Results of the internal diameter and external diameter of the blade

图6 螺旋轴结构Fig.6 Structure figure of screw shaft

3 螺旋轴的强度校核

运用Solidworks simulation对螺旋轴进行强度校核。

由原固液分离机工作时实际测量所知，出料端受压强为681 kPa，电机提供扭矩194 Nm，叶片受到的物料间作用力为3 420 N，新机器依然采用，分析结果见图7。

图7 强度校核结果Fig.7 Strength check

由图7可知，螺旋轴所受的最大应力为1.36×108N·m-1，远小于屈服极限力5.30×109N·m-1，所以轴是安全的，设计可行。

4 结论

通过对物料摩擦与剪切试验试果分析计算和摄像观察，确定摩擦角的临界值，通过压强试验，确定轴变直径，设计出变直径变螺距变螺旋倾角的固液分离机螺旋轴，使其能够有效进行分离，但其结构参数在条件许可的情况下有待进一步的优化研究。

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