基于離散元的蛆糞分離多維振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)與研究

蔡靜 周昕 楊啟志

摘要：利用固體畜禽糞便養(yǎng)殖蠅蛆不僅能夠有效解決規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖造成的環(huán)境污染問(wèn)題，而且可以為畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖提供高蛋白飼料，但是如何將蠅蛆養(yǎng)殖業(yè)中蠅蛆和固體畜禽糞便培養(yǎng)基快速有效、機(jī)械、可控地分離是目前養(yǎng)殖戶面臨的難題。首先建立了蠅蛆和固體畜禽糞顆?；旌衔镫x散元振動(dòng)仿真模型，通過(guò)離散元方法分析蛆糞混合物篩分時(shí)透篩率的主要影響因素;其次對(duì)多維振動(dòng)篩進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且對(duì)多維振動(dòng)篩透篩率進(jìn)行正交試驗(yàn)，最終確定并聯(lián)振動(dòng)篩最佳透篩率實(shí)現(xiàn)的條件。

關(guān)鍵詞：離散元;蛆糞分離;多維振動(dòng)篩;離散元;振動(dòng)仿真模型;結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);透篩率

中圖分類號(hào)： S817.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）03-0251-04

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)由于規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖和養(yǎng)殖小區(qū)建立而造成的固體畜禽糞便的年排放量已經(jīng)超過(guò)了40億t[1]。畜禽養(yǎng)殖造成的危害主要表現(xiàn)為：降低了養(yǎng)殖區(qū)范圍內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量;對(duì)周邊生活環(huán)境造成了嚴(yán)重影響;對(duì)養(yǎng)殖區(qū)周邊的土壤環(huán)境造成重金屬污染[2];對(duì)在該養(yǎng)殖區(qū)所在周邊土地上種植的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成影響[3]。

蠅蛆具有高蛋白營(yíng)養(yǎng)成分[4-6]，適用于水產(chǎn)以及畜禽養(yǎng)殖的蛋白飼料供給，目前利用固體畜禽糞便養(yǎng)殖蠅蛆不僅可以緩解環(huán)境污染問(wèn)題，而且可以為我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)提供急需的高蛋白餌料，經(jīng)過(guò)養(yǎng)殖蠅蛆處理后殘留的畜禽糞渣，不須要經(jīng)過(guò)復(fù)雜處理就可以轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料或者沼氣原料。

利用畜禽糞便養(yǎng)殖蠅蛆沒(méi)有得到快速發(fā)展的很大原因是缺少蠅蛆養(yǎng)殖生產(chǎn)鏈中成熟蠅蛆與畜禽糞培養(yǎng)基的快速可控分離技術(shù)，目前幾乎全部為不可控的、利用蠅蛆生物學(xué)特性的、非機(jī)械式分離技術(shù)，分離效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模養(yǎng)殖生產(chǎn)[7-8]。利用振動(dòng)篩來(lái)分離蠅蛆和固體畜禽糞（簡(jiǎn)稱為“蛆糞”）是一種十分有效的方法，傳統(tǒng)的振動(dòng)篩大多為一維振動(dòng)篩[9]，篩分軌跡單一、效率不高，不能實(shí)現(xiàn)蛆糞的快速分離。而并聯(lián)振動(dòng)篩與傳統(tǒng)的一維振動(dòng)篩相比較而言，具有剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊、承載力強(qiáng)、工作空間小等優(yōu)點(diǎn)[10-12]，在進(jìn)行物料的分選篩分作業(yè)時(shí)可以高效率地實(shí)現(xiàn)功能，所以利用并聯(lián)振動(dòng)篩來(lái)振動(dòng)分離蛆糞混合物十分具有研究意義，并且直接影響畜禽糞養(yǎng)殖蠅蛆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 離散顆粒動(dòng)力學(xué)仿真

1.1 仿真顆粒模型建立

蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒是潮濕顆粒，在實(shí)際振動(dòng)過(guò)程中是經(jīng)過(guò)碰撞后又能夠迅速恢復(fù)自然形態(tài)的，因此本研究將蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒設(shè)定為軟球模型，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用和非線性阻尼思想，將蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒的運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)化為彈簧阻尼運(yùn)動(dòng)，顆粒間的接觸模型可以簡(jiǎn)化為圖1。

物性試驗(yàn)測(cè)得了4日齡蠅蛆的基本物性參數(shù)，得到了蠅蛆的體長(zhǎng)參數(shù)、大頭直徑參數(shù)、小頭直徑參數(shù)以及質(zhì)量參數(shù)等，將測(cè)得的蠅蛆參數(shù)根據(jù)培養(yǎng)時(shí)的實(shí)際情況分別測(cè)定不同特征蠅蛆的占比，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，將不同尺寸的蠅蛆區(qū)分為兩類：（1）正常體積的蠅蛆，其大頭直徑為1.2 mm，小頭直徑為0.2 mm，蠅蛆體長(zhǎng)為10 mm;（2）由于生長(zhǎng)環(huán)境和其他內(nèi)在因素影響，蠅蛆的尺寸略小于正常蠅蛆尺寸，其大頭直徑約為0.8 mm，小頭直徑為 0.05 mm;2類蠅蛆的數(shù)量比為 1 600 ∶ 80。固體畜禽糞便顆粒在測(cè)量時(shí)受到環(huán)境影響因素較高，故采取的是參考農(nóng)業(yè)有機(jī)肥料的基本參數(shù)，將固體畜禽糞顆粒根據(jù)不同的尺寸分為3個(gè)類別，將固體畜禽糞便顆粒形狀簡(jiǎn)化為球形，半徑為0.5、0.8、1.0 mm，3種半徑尺寸顆粒的比例為3 ∶ 3 ∶ 4。

由于蠅蛆在振動(dòng)篩分過(guò)程中會(huì)發(fā)生形狀變形，使得篩分效果不是很理想，因此可以對(duì)蠅蛆進(jìn)行降溫或者通過(guò)噴灑化學(xué)試劑使得蠅蛆在瞬間保持一定的狀態(tài)不變，這樣便于篩分處理。通過(guò)這樣的工業(yè)應(yīng)用分析，可以在離散元振動(dòng)篩分過(guò)程中參考這樣的實(shí)際工況，因此建立的三維仿真模型是固定不變的。

1.2 仿真

從力學(xué)角度出發(fā)，對(duì)蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的新位移以及新的位移和相關(guān)力的關(guān)系計(jì)算出新的相互作用力，重復(fù)計(jì)算過(guò)程，隨時(shí)跟蹤和記錄蠅蛆和固體畜禽糞便顆粒在振動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)。

設(shè)定仿真分析顆?？倲?shù)為20 000顆，篩分效果評(píng)價(jià)指數(shù)以透篩率來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，透篩率是篩分出去的固體畜禽糞顆?？倲?shù)與固體畜禽糞便顆粒的總數(shù)的比值，設(shè)定篩分的時(shí)間為3 s。可知在蠅蛆和固體畜禽糞顆粒的振動(dòng)篩分仿真分析過(guò)程中，并不是振幅越大，篩分的效果就越佳。因?yàn)樵趯?shí)際篩分的過(guò)程中，振幅的變化范圍是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)本身來(lái)決定的，存在一個(gè)臨界值，過(guò)大或者過(guò)小的振幅都不利于獲得最佳的振動(dòng)篩分效果。

2 多維振動(dòng)篩設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多維振動(dòng)篩的整體結(jié)構(gòu)由框架（靜平臺(tái)）、篩框（動(dòng)平臺(tái)）、3條支鏈以及物料收納框組成，其中多維振動(dòng)篩的3條支鏈分別是：支鏈1，SOC1{-R11-R12-S13-};支鏈2，SOC2{-R21//R22-S23-};支鏈3，SOC3{-R31-R32-S33-}。機(jī)構(gòu)組成的動(dòng)平臺(tái)是{MP}：（S13，S23，S33），靜平臺(tái)是{FB}：{R13，R23，R33}，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

多維振動(dòng)篩的整體尺寸是：長(zhǎng)1 200 mm、寬 1 000 mm、高 1 100 mm，篩框的整體尺寸為：長(zhǎng) 800 mm、寬600 mm、高 100 mm，根據(jù)蠅蛆的基本尺寸選擇2目方孔篩網(wǎng)。

2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

維振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)的第1條支鏈SOC1{-R11-R12-S13-}可以等效成為SOC1{-R11-}和SOC1{-R12-} 以及SOC1{-S11-} 3個(gè)運(yùn)動(dòng)副串聯(lián)而成，將這第1條支鏈上面的運(yùn)動(dòng)副的位姿矩陣代入下面的位姿矩陣公式：Mb1=t1（//R11）r2（⊥R11）;第2條支鏈SOC2{-R21//R22-S23-}可以等效為3個(gè)單開(kāi)鏈支鏈串聯(lián)而成，代入位姿矩陣公式，得到第2條支鏈的末端構(gòu)件的輸出位姿矩陣為：Mb2=t2（⊥R11）r2（⊥R21，R22）;第3條支鏈SOC3{-R31-R32-S33-}可以等效為3個(gè)單開(kāi)鏈支鏈串聯(lián)而成，代入位姿矩陣公式，得到第3條支鏈的末端構(gòu)件的輸出位姿矩陣為：Mb3=t2（⊥R11）r2（⊥R21，R22）。

將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的3條支鏈的輸出位姿矩陣Mb1、Mb2以及Mb3代入并聯(lián)機(jī)構(gòu)輸出位姿矩陣方程的計(jì)算公式，可以得到：MPa=t1（//R11）

r2（//R21，R31）。由此可知，多維并聯(lián)振動(dòng)篩最終在動(dòng)平臺(tái)（篩框）實(shí)現(xiàn)的是2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和1個(gè)平移的運(yùn)動(dòng)方式。

2.3 工作空間分析

物料如何在篩網(wǎng)上運(yùn)動(dòng)彈跳取決于振動(dòng)篩的振動(dòng)方向角和篩網(wǎng)篩分時(shí)與水平面之間的傾角，物料顆粒在篩網(wǎng)上的傾角可以達(dá)到20°，此時(shí)物料在篩面上不存在與傾斜篩面之間滑動(dòng)，由此分析出設(shè)定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的限制條件：-20°≤α≤+20°，-20°≤β≤+20°;同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)初的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)定，可以得到動(dòng)平臺(tái)上的輸出角γ的變化范圍，即 70°≤γ≤110°;根據(jù)機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性以及運(yùn)動(dòng)特性得到2條對(duì)稱支鏈和第1條支鏈的長(zhǎng)度變化范圍，即動(dòng)平臺(tái)支鏈的長(zhǎng)度變化范圍是484 mm≤l5+l6≤584 mm，484 mm≤l3+l4≤584 mm，450 mm≤l1+l2≤584 mm。用Matlab軟件搜索并聯(lián)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)的可達(dá)空間，代入并聯(lián)振動(dòng)篩的約束條件以及3條支鏈長(zhǎng)度的變化范圍可以得到動(dòng)平臺(tái)（篩框）的工作空間（圖4）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 多維振動(dòng)篩樣機(jī)

固體畜禽糞便顆粒和蠅蛆混合物在篩分過(guò)程中的透篩效果受到多種因素的影響和限制，如固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物的含水率、蠅蛆和固體畜禽糞顆粒混合物的不同質(zhì)量配比、并聯(lián)振動(dòng)篩的振幅、并聯(lián)振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率、并聯(lián)振動(dòng)篩的自由度數(shù)目以及其他雜質(zhì)的含量、振動(dòng)篩篩網(wǎng)網(wǎng)孔的尺寸、篩網(wǎng)的材料等。本試驗(yàn)擬采用正交試驗(yàn)方案來(lái)分析并聯(lián)振動(dòng)篩（圖5）分離固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物的篩分效果，驗(yàn)證并聯(lián)振動(dòng)篩的透篩率。

3.2 正交試驗(yàn)

采用L16（45）正交試驗(yàn)進(jìn)行篩分試驗(yàn)分析，正交試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素從固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物的含水率、并聯(lián)振動(dòng)篩的振幅、并聯(lián)振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率、并聯(lián)振動(dòng)篩的自由度數(shù)目以及其他雜質(zhì)含量5個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，評(píng)價(jià)指標(biāo)為固體畜禽糞便顆粒的透篩率?，F(xiàn)將本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，分析出固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物篩分效果即透篩率影響因素大小順序是自由度數(shù)目、振幅、振動(dòng)頻率、含水率以及雜質(zhì)含量（表2）。由于本試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)篩分對(duì)象是固體畜禽糞顆粒和蠅蛆混合物，其中雜質(zhì)含量受到畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的限制，在本次正交試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)透篩率的影響效果并不是十分顯著。

4 結(jié)論

多維振動(dòng)篩在振幅為15 mm、振動(dòng)頻率為5 Hz、含水率為5%、自由度數(shù)目為3、雜質(zhì)含量為15%時(shí)，透篩能力最佳。多維振動(dòng)篩可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)各個(gè)支鏈，根據(jù)實(shí)際需求分別對(duì)蛆糞混合物進(jìn)行振動(dòng)篩分，并且每個(gè)支鏈實(shí)現(xiàn)的篩分效果都不同。多維振動(dòng)篩的篩分效率明顯高于一維振動(dòng)篩。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wang H，Dong Y，Yang Y，et al. Changes in heavy metal contents in animal feeds and manures in an intensive animal production region of China[J]. Journal of Environmental Sciences，2013，25（12）：2435-2442.

[2]趙文峰，趙 峰，盧蓓蓓. 新型農(nóng)村畜禽糞便綜合處理利用工程技術(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51（6）：60-62，66.

[3]劉傳會(huì)，陳志紅. 蠅蛆蛋白營(yíng)養(yǎng)成分及其飼用價(jià)值研究進(jìn)展[J]. 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，43（5）：705-709.

[4]陶亮亮，寇 慶，梁咪娟. 蠅蛆的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及其應(yīng)用于動(dòng)物飼料研究進(jìn)展[J]. 江西飼料，2011（6）：20-23.

[5]王 芳，朱 芬，雷朝亮. 中國(guó)家蠅資源化利用研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用昆蟲(chóng)學(xué)報(bào)，2013，50（4）：1149-1156.

[6]石愛(ài)民. 食用家蠅養(yǎng)殖與蛋白飲料的研究[D]. 保定：河北大學(xué)，2003：4-10.

[7]賈生福. 蠅蛆分離、加工和保存技術(shù)的試驗(yàn)[J]. 飼料研究，2007（7）：36-37.

[8]朱廷美，吳 強(qiáng)，段俊紅. 蠅蛆養(yǎng)殖分離裝置設(shè)計(jì)及蠅蛆分離技術(shù)[J]. 農(nóng)技服務(wù)，2008，25（8）：88-89.

[9]李文成. 國(guó)內(nèi)外篩分機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)展概況[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，1985（2）：14-19.

[10]張 帆. 一種新型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)篩及其運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[C]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)，2011.

[11]馬履中，林鈺珍，楊文亮，等. 基于籽粒運(yùn)動(dòng)的多維振動(dòng)篩分效率分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（10）：62-66.

[12]王成軍，李耀明，馬履中，等. 3自由度混聯(lián)振動(dòng)篩設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（增刊1）：69-73.