農(nóng)村生活垃圾粉碎機(jī)篩網(wǎng)設(shè)計(jì)研究

翁曉星，王 剛，陸丹丹，王 潔，趙 晉，戴津婧

（浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江 金華 321000）

目前我國(guó)農(nóng)村人口占總?cè)藬?shù)的45%，每年產(chǎn)出約1.5億噸生活垃圾，其中約50%未得到有效處理，嚴(yán)重影響農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和村民的健康安全。因此，農(nóng)村生活垃圾處理減量化、資源化具有現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)調(diào)查研究，由于農(nóng)村地區(qū)有大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)垃圾，如秸稈、廢果蔬等，有機(jī)成分較高。如果能夠加以合理利用，不僅可以實(shí)現(xiàn)生活垃圾的資源化利用，還可減少由處理生活垃圾而帶來(lái)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。為了滿足農(nóng)村垃圾減量化太陽(yáng)能漚肥處理工藝要求，研發(fā)一款小型適合農(nóng)村生活垃圾減量化處理粉碎機(jī)械有重要意義。由王剛[1]設(shè)計(jì)的一款小型農(nóng)村生活垃圾粉碎機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)其篩網(wǎng)進(jìn)行研究，為粉碎效率提高了理論依據(jù)。

1 粉碎機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)

粉碎機(jī)主要包括機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、喂入口、切碎機(jī)構(gòu)、拋送部件等。錘片式粉碎機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的錘片對(duì)物料進(jìn)行沖擊粉碎。粉碎機(jī)通過(guò)皮帶輪進(jìn)行一級(jí)減速，動(dòng)力由電機(jī)傳遞給主軸，通過(guò)齒輪箱將動(dòng)力傳輸?shù)缴舷挛沽陷伾?。同時(shí)在下喂料輥軸上設(shè)置齒輪，帶動(dòng)鏈條滾軸，實(shí)現(xiàn)喂料輸送。物料被喂料輥壓縮夾緊送入粉碎機(jī)構(gòu)，錘片式刀盤高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)切屑粉碎，最后經(jīng)過(guò)粉碎的物料通過(guò)出料口拋出[2]。

2 錘片式粉碎機(jī)理研究現(xiàn)狀

在錘片式粉碎機(jī)的早期研究中提到，物料在粉碎室內(nèi)受到錘片的正面沖擊，與齒板、粉碎機(jī)內(nèi)壁、篩網(wǎng)發(fā)生碰撞之后反彈到錘片上，物料的粉碎是通過(guò)以上的反復(fù)碰撞作用得以實(shí)現(xiàn)[3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外學(xué)者紛紛對(duì)粉碎機(jī)理進(jìn)行了理論研究。其中，日本學(xué)者通過(guò)粉碎物料顆粒的粒徑分布情況來(lái)分析粉碎機(jī)理，Rosin-Rammler公式[4]廣泛應(yīng)用：

式中：n為指數(shù)；d為顆粒的直徑；G為顆粒累計(jì)重量百分比；a為系數(shù)。

國(guó)內(nèi)錘片式粉碎機(jī)的研發(fā)以標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化為主要發(fā)展方向。例如江蘇牧羊集團(tuán)生產(chǎn)的臥式錘片式粉碎機(jī)，其將粉碎機(jī)構(gòu)設(shè)置成水滴型，通過(guò)調(diào)節(jié)錘篩間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)粗、細(xì)不同的粉碎[5]。

2.1 粉碎篩網(wǎng)研究

根據(jù)擬合所得多元回歸模型，各因素對(duì)粉碎機(jī)工作小時(shí)生產(chǎn)率影響程度依次為主軸轉(zhuǎn)速＞篩網(wǎng)傾角＞喂入量[6]。物料篩分，理論上是當(dāng)物料顆粒半徑小于等于篩孔孔徑的物料全部透篩過(guò)去，而其余物料全部流回粉碎機(jī)構(gòu)再粉碎[7]。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于物料與物料以及物料與篩網(wǎng)邊界兩種碰撞，使得許多比較小的物料無(wú)法透篩，重回粉碎室的現(xiàn)象。篩分效率影響的因素主要有：物料特性和篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。而影響篩分效率的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：篩網(wǎng)開孔率、篩網(wǎng)安裝角度、篩孔形狀和篩孔排列方式等。本文利用離散元軟件仿真分析，針對(duì)篩網(wǎng)篩分效率較低的問(wèn)題對(duì)篩網(wǎng)安裝角度進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 篩網(wǎng)角度分析

以歐洲立軸式傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)[8]為代表的高物料分離率大面積篩網(wǎng)，曹麗英[9]以此為切入點(diǎn)對(duì)新型錘片式粉碎機(jī)篩網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)。在平板型與凹面型篩網(wǎng)寬相同的情況下，對(duì)顆粒撞擊篩網(wǎng)邊界彈回路徑分析，由于當(dāng)物料顆粒撞到篩網(wǎng)邊界時(shí)彈回角度與顆粒的撞擊，存在二次透篩的可能性。在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)對(duì)篩網(wǎng)傾斜角的流場(chǎng)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證凹面較平板更加有利于顆粒透篩。

3 仿真分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

物質(zhì)以均勻的入口速度uin從左側(cè)進(jìn)入通道，并以均勻的壓力p0=0Pa從右側(cè)排出。通過(guò)槽道的流動(dòng)被傾斜角為的斜篩阻擋。阻力和偏折（切向速度分量）的組合效應(yīng)在斜篩下游側(cè)形成不均勻的速度分布。傾斜角較小的情況下有效的漸近解為：

其中K和η分別是斜篩的阻力系數(shù)和偏折系數(shù)。為了便于與漸近解進(jìn)行比較，假設(shè)流動(dòng)為不可壓縮流，并在通道壁上應(yīng)用自由滑移邊界條件。為濾網(wǎng)類型和偏折，將阻力系數(shù)K設(shè)為2.2，將偏折系數(shù)η設(shè)為0.78。

3.2 模擬仿真

通過(guò)理論基礎(chǔ)研究，針對(duì)傾斜角θ取值為10°，20°，30°，40°及 45°，將出口速度與方程（2）得出的漸近解作分析。分析發(fā)現(xiàn)漸近解與仿真結(jié)果一致，即使在θ為45°時(shí)，也是基本一致的。圖1顯示壓力場(chǎng)的表面圖以及斜篩上游和下游側(cè)的速度矢量。物質(zhì)通過(guò)斜篩存在明顯的壓降。經(jīng)過(guò)粉碎的物料通過(guò)篩孔排出，分布在斜篩附近的粉碎物料會(huì)受到斜篩的磨擦作用，使得速度降低，同時(shí)物料受到與斜篩垂直的離心力、壓力和氣流作用，通過(guò)出料口被拋出篩外。

圖1

4 結(jié) 語(yǔ)

《金華市農(nóng)村生活垃圾分類管理?xiàng)l例》已于2017年12月28日經(jīng)金華市第七屆人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第九次會(huì)議通過(guò)。目前有序推進(jìn)農(nóng)村說(shuō)垃圾分類處理是大勢(shì)所趨。生活垃圾粉碎機(jī)是垃圾處理的前處理，是實(shí)施處理垃圾并使之資源化利用的重要過(guò)程。因此，粉碎設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用是關(guān)鍵。

通過(guò)理論基礎(chǔ)研究，傾斜角θ取值為10°，20°，30°，40°及45°，出口速度與漸近解是基本一致的。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，斜角篩網(wǎng)兩側(cè)壓力差明顯，有利于物料出料。其分析結(jié)果與曹麗英等人提出的凹面型篩網(wǎng)篩分用時(shí)小于平板型篩網(wǎng)一致。以上研究為該粉碎機(jī)的篩分效率的提高設(shè)計(jì)提供了一種新思路，并為其他機(jī)械的篩網(wǎng)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。