基于SolidWorks的滾筒式糞污處理設(shè)備建模及發(fā)酵性能影響因素試驗(yàn)研究

禹振軍，蔣 彬，楊雅靜，高 嬌，宋愛敏，閆 慧，張迪婧，王 新

(1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京100079；2.北京市懷柔區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，北京101400；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100086)

0 引言

隨著我國(guó)禽蛋產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，2019年中國(guó)禽蛋產(chǎn)量、銷量?jī)赏?，產(chǎn)量達(dá)到3 309萬t，銷量達(dá)到3 296萬t，與2018年相比產(chǎn)量增長(zhǎng)5.8%，銷量增加5.3%。但隨之而來的是大量糞便無法及時(shí)、快速和有效處理的難題，以及處理不當(dāng)帶來的環(huán)境污染問題[1-2]。眾所周知，相同條件下雞糞比豬糞、牛糞的養(yǎng)份含量更多，發(fā)酵后的利用價(jià)值更高。由于滾筒式糞污處理設(shè)備采用密閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了雞糞堆放儲(chǔ)存、發(fā)酵處理過程中臭氣對(duì)環(huán)境的污染[3]。因此，針對(duì)以上問題，開展了滾筒式糞污處理設(shè)備發(fā)酵性能影響因素的試驗(yàn)研究，擬提升京郊地區(qū)滾筒式糞污處理設(shè)備的作業(yè)效率，降低作業(yè)電耗[4]。由于不同的糞污處理方式，發(fā)酵工藝及相關(guān)設(shè)備的種類較多，本研究主要針對(duì)滾筒式糞污處理設(shè)備開展發(fā)酵性能影響因素研究，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，提升滾筒式糞污處理設(shè)備發(fā)酵性能，提高作業(yè)效率，降低能耗，避免資源浪費(fèi)。

1 滾筒式糞污處理設(shè)備特征

1.1 結(jié)構(gòu)組成

滾筒式糞污處理設(shè)備主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)和滾筒等組成。滾筒式糞污處理設(shè)備外形尺寸為長(zhǎng)13.75 m×寬2.00 m×高3.70 m，如圖1所示。

1.出料系統(tǒng) 2.滾筒 3.傳動(dòng)系統(tǒng) 4.機(jī)架 5.進(jìn)料系統(tǒng)圖1 滾筒式糞污處理設(shè)備示意Fig.1 Schematic diagram of drum manure treatment equipment

機(jī)架主要由縱梁、橫梁、滾筒支座組成。傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、減速器座、小齒輪、齒輪軸和滾筒支座組成。出料系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、出料系統(tǒng)支架、出料螺旋和出料螺旋管等組成。進(jìn)料系統(tǒng)主要由進(jìn)料系統(tǒng)支架、料箱、電動(dòng)機(jī)、進(jìn)料電機(jī)支座、進(jìn)料螺旋和梯子組成。滾筒主要由螺旋葉片、齒圈、支撐圈組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

膠帶式輸送機(jī)與進(jìn)料箱相連，啟動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)，進(jìn)料螺旋將膠帶輸送機(jī)傳送至料箱內(nèi)的原始物料推送至發(fā)酵滾筒內(nèi)。啟動(dòng)滾筒使物料在滾筒內(nèi)不斷翻滾并向前移動(dòng)，同時(shí)加熱系統(tǒng)將滾筒內(nèi)溫度加熱到發(fā)酵溫度，當(dāng)物料從進(jìn)料端移動(dòng)到出料端時(shí)即視為加工過程完成。啟動(dòng)出料系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)，出料螺旋將發(fā)酵好的物料輸送出來。物料在滾筒內(nèi)發(fā)酵過程中，加熱系統(tǒng)不斷進(jìn)行加熱，提高發(fā)酵溫度，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)酵。采用正壓送風(fēng)方式為滾筒內(nèi)發(fā)酵物料充入新鮮空氣，提高好氧發(fā)酵效率。

1.3 機(jī)具參數(shù)

滾筒式糞污處理設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 滾筒式糞污處理設(shè)備技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameter of drum type manure treatment equipment

2 建立虛擬樣機(jī)

為了便于開展試驗(yàn)，根據(jù)滾筒式糞污處理設(shè)備工作原理、結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，使用CAD/CAE技術(shù)在SolidWorks中建立虛擬樣機(jī)。虛擬樣機(jī)由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)和滾筒等組成。

2.1 滾筒系統(tǒng)建模

滾筒是糞污處理設(shè)備的核心裝置，其結(jié)構(gòu)直接影響到糞污處理設(shè)備的性能，主要由螺旋葉片、齒圈和支撐圈組成。

滾筒呈長(zhǎng)管狀，在發(fā)酵過程中盛放發(fā)酵原料，建模時(shí)先通過拉伸得到滾筒的底座，其模型如圖2所示。螺旋葉片采用斷續(xù)焊的方式與滾筒內(nèi)壁焊接在一起，在發(fā)酵過程中將發(fā)酵原料不斷推向出料口，同時(shí)對(duì)原料進(jìn)行攪拌、增氧和破碎[5]。建模時(shí)先建立螺旋線，在螺旋線的一端畫出螺旋葉片草圖輪廓，再掃描做些修飾便可以得到螺旋葉片，如圖3所示。齒圈采用螺栓連接的方式與滾筒外壁連接在一起，實(shí)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力的傳遞，在齒數(shù)、模數(shù)、分度圓直徑、齒頂圓直徑和齒根圓直徑參數(shù)確定后畫出齒廓圖，再通過拉伸得到齒圈。

圖2 滾筒建模Fig.2 Drum modeling

圖3 螺旋葉片建模Fig.3 Spiral blade modeling

2.2 進(jìn)、出料系統(tǒng)建模

進(jìn)料系統(tǒng)是原料進(jìn)入滾筒進(jìn)行發(fā)酵的前置部件，主要由料箱、進(jìn)料箱支架、進(jìn)料螺旋和料箱踏板等組成。出料系統(tǒng)是原料在滾筒內(nèi)發(fā)酵完成后的末端出料部件，主要由出料螺旋管、出料螺旋、出料螺旋支架和出料螺旋法蘭等組成。

料箱呈倒梯形結(jié)構(gòu)，是進(jìn)料系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，兩側(cè)壁的傾斜角度直接影響進(jìn)料的流暢性，為減少原料在料箱內(nèi)結(jié)拱現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)加大兩側(cè)壁的角度。在建模時(shí)，通過拉伸草圖形成料箱結(jié)構(gòu)。進(jìn)料螺旋采用焊接的方式與螺旋軸焊接在一起，在進(jìn)料過程中將原料不斷推向滾筒進(jìn)料孔，同時(shí)加入發(fā)酵菌劑，該進(jìn)料系統(tǒng)還起到混合菌劑的作用[6]。建模時(shí)先建立螺旋軸，在螺旋軸的一端作為螺旋線的起點(diǎn)，畫出螺旋線和葉片草圖輪廓，再掃描做些修飾便可以得到進(jìn)料螺旋。在此基礎(chǔ)上做適當(dāng)?shù)那谐屠毂憧傻玫竭M(jìn)料系統(tǒng)的法蘭、電動(dòng)機(jī)、支架和料箱踏板等零件[7]?；跈C(jī)械設(shè)計(jì)中基準(zhǔn)制和公差等級(jí)的選擇原則，合理地裝配料箱、進(jìn)料螺旋、進(jìn)料電機(jī)支座和進(jìn)料箱支架，得到進(jìn)料系統(tǒng)的裝配圖模型，如圖4所示。

圖4 進(jìn)料系統(tǒng)Fig.4 Feeding system

出料系統(tǒng)主要是將發(fā)酵的物料快速從滾筒中輸送出來，出料螺旋主要實(shí)現(xiàn)取料和輸送物料作用，出料螺旋支架主要起到固定出料電動(dòng)機(jī)，支撐出料螺旋管、出料螺旋的作用。在建模時(shí)，出料螺旋管通過拉伸草圖形成管體，出料螺旋通過拉伸草圖先建立出料螺旋軸在此基礎(chǔ)上畫出螺旋葉片草圖輪廓掃描后得到零件，裝配后得到整體模型，如圖5所示。

圖5 出料系統(tǒng)Fig.5 Discharging system

2.3 機(jī)架系統(tǒng)建模

滾筒式糞污處理設(shè)備的機(jī)架系統(tǒng)主要由滾筒支撐輪和機(jī)架組成。滾筒支撐輪分為左支撐輪和右支撐輪，主要起到支撐和滾動(dòng)的作用。左、右支撐輪由輪對(duì)和滾筒支座兩部分組成。在建模時(shí)，支撐輪由旋轉(zhuǎn)操作得到。滾筒支座由拉伸、切除操作得到。滾筒支撐輪、滾筒支座、縱梁、橫梁和梯子裝配形成機(jī)架系統(tǒng)。滾筒式糞污處理設(shè)備各部分的建模過程如上所述，將滾筒、進(jìn)料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)架系統(tǒng)5部分裝配后，添加圍欄、控制箱等零件，便可得到整機(jī)裝配模型，如圖6所示。

圖6 滾筒式糞污處理設(shè)備整機(jī)裝配圖Fig.6 Complete assembly drawing of drum type manure and waste treatment equipment

3 正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)所用物料：雞糞80%、其他輔料20%。試驗(yàn)當(dāng)天檢測(cè)物料含水率為65.3%。

試驗(yàn)檢測(cè)儀器：電子稱、轉(zhuǎn)速表、秒表、干燥箱、鋼卷尺、電度表等。所選用的檢測(cè)儀器均是經(jīng)過中國(guó)計(jì)量院、北京市計(jì)量院檢定合格的儀器，測(cè)量范圍在規(guī)定值內(nèi)，分辨率達(dá)到試驗(yàn)要求。試驗(yàn)前將滾筒式糞污處理機(jī)、試驗(yàn)儀器全部調(diào)整到最佳狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)方法

參考GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》，每一水平檢測(cè)3次。應(yīng)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)及其影響因素的確定

滾筒式糞污處理設(shè)備的主要作用是對(duì)雞糞等畜禽糞便進(jìn)行密閉式發(fā)酵、加溫、攪拌、翻堆和充氣等操作，從而實(shí)現(xiàn)替代人工攪拌、翻堆等煩瑣作業(yè)的目地，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)能耗。因此，選取滾筒式糞污處理設(shè)備的處理效率、作業(yè)電耗為滾筒式糞污處理設(shè)備性能的主要考察指標(biāo)。以發(fā)酵溫度(A)、滾筒轉(zhuǎn)速(B)、裝料量(C)3個(gè)影響因素為變量，對(duì)發(fā)酵效率、作業(yè)電耗進(jìn)行3因素對(duì)比試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)水平，每個(gè)水平設(shè)置3次重復(fù)并取平均值，考察不同水平下發(fā)酵效率、作業(yè)電耗情況，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示[8]。在滾筒式糞污處理設(shè)備作業(yè)性能允許的范圍內(nèi)，將滾筒式糞污處理設(shè)備試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)分別設(shè)置為發(fā)酵溫度60、65和70 ℃，滾筒轉(zhuǎn)速0.2、0.3和0.4 r/min，裝料量50%、60%和70%，進(jìn)行測(cè)試[9]。

圖7 滾筒式糞污處理設(shè)備試驗(yàn)Fig.7 Test of drum manure treatment equipment

3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)確定的試驗(yàn)指標(biāo)及影響因素進(jìn)行試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)如表2所示。表2中A、B、C表示發(fā)酵溫度、滾筒轉(zhuǎn)速、上料量的編碼值，在各因素合理變化范圍內(nèi)分別選取3個(gè)水平。通過試驗(yàn)，根據(jù)影響因素的主次順序確定最優(yōu)水平組合，進(jìn)而可以確定滾筒式糞污處理設(shè)備最佳作業(yè)參數(shù)組合方案。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Test factor level

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，在試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)不同水平下的發(fā)酵效率和電耗情況。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Experimental design and results

4.1 發(fā)酵效率試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3和表4可以得出，各因素對(duì)發(fā)酵效率試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度按主次為裝料量、發(fā)酵溫度、滾筒轉(zhuǎn)速，最優(yōu)組合為C1A3B3，即裝料量50%，發(fā)酵溫度70 ℃，滾筒轉(zhuǎn)速0.4 r/min。綜合分析裝料量對(duì)試驗(yàn)中各指標(biāo)的影響最大[10]。

表4 發(fā)酵效率統(tǒng)計(jì)分析Tab.4 Statistical analysis of fermentation efficiency 單位：m3/d

4.2 電耗試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3和表5可以得出，各因素對(duì)電耗試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度按主次為裝料量、滾筒轉(zhuǎn)速、發(fā)酵溫度，最優(yōu)組合C2B2A1，即裝料量60%，滾筒轉(zhuǎn)速0.3 r/min，發(fā)酵溫度60 ℃。綜合分析裝料量對(duì)試驗(yàn)中各指標(biāo)的影響最大[11]。

表5 電耗統(tǒng)計(jì)分析Tab.5 Statistical analysis of power consumption 單位：kW/d

5 結(jié)論

一是根據(jù)滾筒式糞污處理設(shè)備工作原理、結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，使用SolidWorks對(duì)滾筒系統(tǒng)、進(jìn)出料系統(tǒng)、機(jī)架系統(tǒng)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)分析。

二是采用直觀分析法，通過正交試驗(yàn)對(duì)發(fā)酵效率、能耗兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：影響發(fā)酵效率試驗(yàn)指標(biāo)的因素由大到小依次為裝料量、發(fā)酵溫度、滾筒轉(zhuǎn)速，最優(yōu)組合為C1A3B3，即裝料量50%、發(fā)酵溫度70 ℃、滾筒轉(zhuǎn)速0.4 r/min；影響電耗試驗(yàn)指標(biāo)的因素由大到小依次為裝料量、滾筒轉(zhuǎn)速、發(fā)酵溫度，最優(yōu)組合為C2B2A1，即裝料量60%、滾筒轉(zhuǎn)速0.3 r/min、發(fā)酵溫度60 ℃。

三是通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響發(fā)酵效率、運(yùn)行電耗兩個(gè)指標(biāo)的因素由大到小有所不同，但最重要的影響因素均為裝料量。裝料量大，處理效率高，需要加溫時(shí)間長(zhǎng)，能耗隨之升高。裝料量小，處理效率低，需要加溫時(shí)間短，能耗隨之降低。

通過上述結(jié)論分析可知，在生產(chǎn)實(shí)踐中，可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求，選擇發(fā)酵效率的影響因素最優(yōu)組合C1A3B3，選擇電耗的影響因素最優(yōu)組合C2B2A1，兼顧發(fā)酵效率和電耗兩項(xiàng)指標(biāo)的影響因素組合優(yōu)先考慮C1A3B3，其次為C2B2A1。