基于離散元的雙齒輥農(nóng)村廚余垃圾粉碎機(jī)性能仿真研究

宋剛 張鵬 連文偉 杜冬杰 肖景豐

摘 要： 基于離散元軟件，通過雙齒輥粉碎機(jī)的建模對(duì)以骨頭為代表的廚余垃圾進(jìn)行粉碎仿真，改變齒輥轉(zhuǎn)速n 和落料高度h 觀察仿真所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)效果。顆粒分布情況和顏色（速度大?。┓治霰砻?，在35 r/min 的齒輥轉(zhuǎn)速和230 mm 的落料高度下的效果最佳，即粉碎效果最佳。此研究借助顆粒黏結(jié)模型為雙齒輥破碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離散元；粉碎機(jī)；廚余垃圾；齒輥；仿真

中圖分類號(hào)：S22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）11-0093-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.016

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加速，廚余垃圾在生活垃圾中占比高達(dá)50% 以上。廚余垃圾易腐爛、體積大并散發(fā)惡臭，不僅造成衛(wèi)生問題，也不利于垃圾收運(yùn)，若不妥善處理，會(huì)影響資源化產(chǎn)物的品質(zhì)[1-2]。近年來，大部分家庭傾向于通過粉碎機(jī)將廚余垃圾粉碎，直接排入下水道進(jìn)入污水處理廠處理，增加了污水處理的難度[3]。廚余垃圾含有豐富的有機(jī)物，是放錯(cuò)位置的資源，有效利用廚余垃圾可以減少資源浪費(fèi)，利于垃圾的分類處理。黑水虻生物轉(zhuǎn)化法是處理廚余垃圾變廢為寶的新方法，要實(shí)現(xiàn)黑水虻生物轉(zhuǎn)化處理，首要是將廚余垃圾進(jìn)行破碎，變成黑水虻可進(jìn)食的物料。雙齒輥粉碎機(jī)對(duì)于脆性材料具有較好的破碎效果。當(dāng)平行安裝的破碎輥進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物料受剪切力和拉伸力而發(fā)生破碎[4]。相比依靠擠壓破碎的粉碎機(jī)，其充分利用了脆性材料抗拉應(yīng)力低的特點(diǎn)，適合大粒度物料的破碎，能有效控制產(chǎn)品粒度。而且運(yùn)轉(zhuǎn)速度低、工作部件磨損小、噪聲小[5-6]。離散元是CUNDALL P A 等在20 世紀(jì)70 年代以分子動(dòng)力原理提出的對(duì)顆粒相互作用探究的一種方法，該方法中顆粒間內(nèi)部作用力處于平衡狀態(tài)，通過對(duì)單個(gè)顆粒的追蹤，可獲得整個(gè)顆粒聚集體的相關(guān)數(shù)值。

本研究采用離散元分析雙齒輥粉碎機(jī)對(duì)廚余垃圾的破碎過程，對(duì)其過程進(jìn)行仿真。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和給料參數(shù)獲得齒輥粉碎廚余垃圾的具體效果[7-8]。

1 仿真模型

1.1 雙齒輥粉碎機(jī)三維模型

研究對(duì)象為農(nóng)村廚余垃圾粉碎機(jī)，粉碎機(jī)采用雙齒輥結(jié)構(gòu)，可以對(duì)骨頭等廚余垃圾進(jìn)行粉碎。在不影響仿真效果的前提下，對(duì)雙齒輥破碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立的三維簡化模型如圖1 所示，由對(duì)向轉(zhuǎn)動(dòng)的主、從動(dòng)輥及外部箱體構(gòu)成，主、從動(dòng)輥各有輥齒11 個(gè)。

1.2 廚余垃圾三維模型

為了分析物體的形狀（幾何構(gòu)造）與外觀數(shù)據(jù)（如顏色、表面反照率等性質(zhì)），利用3D 掃描儀對(duì)骨頭尺寸進(jìn)行掃描建模，了解具體的形狀和尺寸體積以方便測量，掃描后的模型如圖2 所示。

2 離散元仿真模型建立

2.1 物料模型創(chuàng)建

在EDEM 中通過設(shè)置物料的顆粒模型、幾何體與它們之間的接觸模型可以模擬物料在仿真過程中的真實(shí)力學(xué)性能，物料的黏結(jié)模型是一個(gè)由多個(gè)小顆粒通過彼此之間的黏結(jié)鍵而形成的大顆粒。在粉碎仿真過程中，通過雙齒輥的碰撞剪切作用，可以克服物料顆粒之間的法向力和切向力，從而使黏結(jié)鍵斷裂，最終完成物料的粉碎。

2.1.2 骨頭物料顆粒元黏結(jié)模型

黏結(jié)模型如圖4 所示。為使顆粒在雙齒輥的切碎過程中整體不產(chǎn)生炸開現(xiàn)象，設(shè)置顆粒與顆粒間接觸模型為Hertz-Mindlin with Bonding[9]。模型可以通過黏結(jié)鍵將兩顆小球黏結(jié)在一起，黏結(jié)后小球的法向運(yùn)動(dòng)和切向運(yùn)動(dòng)被阻斷，當(dāng)施加的外力超過黏結(jié)鍵的強(qiáng)度時(shí)，黏結(jié)狀態(tài)將被破壞，分離后的小球以硬球模型計(jì)算[10]。將骨頭模型設(shè)定成由細(xì)小顆粒通過Bonding 鍵黏合在一起，以模擬相應(yīng)的內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，設(shè)定其單位面積法向剛度、單位面積剪切剛度、臨界法向應(yīng)力、臨界剪切應(yīng)力和Bonded Disk 半徑5 個(gè)參數(shù)，選擇在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)讓顆粒之間生成黏結(jié)鍵。

2.2 前處理過程

2.2.1 材料性質(zhì)及參數(shù)選擇

材料屬性設(shè)置的主要內(nèi)容是設(shè)置仿真模型中的幾何體和物料顆粒的材料屬性，每一個(gè)零件、每一種物料顆粒均對(duì)應(yīng)一種特定的材料。需要設(shè)置的材料屬性參數(shù)主要有泊松比、剪切模量和密度3 個(gè)，如表1 所示。

2.2.2 材料顆粒黏結(jié)參數(shù)選擇

為了使EDEM 物料模型的力學(xué)性能參數(shù)接近真實(shí)骨頭，球形顆粒之間黏結(jié)參數(shù)應(yīng)該根據(jù)骨頭的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行擬合，如表2 所示。

2.2.3 材料顆粒接觸參數(shù)選擇

為保證仿真過程更接近真實(shí)，顆粒與顆粒之間及顆粒與幾何體模型之間需要設(shè)置準(zhǔn)確的參數(shù)，3 個(gè)參數(shù)設(shè)置需要經(jīng)過大量試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，如表3 所示。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

前處理后，進(jìn)入求解界面對(duì)仿真時(shí)間步長及數(shù)據(jù)保存頻率進(jìn)行設(shè)置。仿真的時(shí)間步長是指前后時(shí)間點(diǎn)間的差值，時(shí)間步長設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致失真，使仿真結(jié)果不準(zhǔn)確，從而失去參考意義。

首先設(shè)置時(shí)間步長，時(shí)間步長的設(shè)置包括固定時(shí)間步長設(shè)置和Rayleigh 時(shí)間步長設(shè)置，其中Rayleigh時(shí)間步長是由程序根據(jù)顆粒的半徑、密度等參數(shù)自動(dòng)計(jì)算的，而固定時(shí)間步長一般為Rayleigh 時(shí)間步長的20%～30%[11]。通常情況下，黏結(jié)顆粒接觸模型需要比Hertz-Mindlin 更小的時(shí)間步長，設(shè)置為5e-06 s，對(duì)應(yīng)12.008 7%。然后設(shè)置總仿真時(shí)間0.5 s 和數(shù)據(jù)保存時(shí)間0.01 s。

3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為進(jìn)一步研究齒輥轉(zhuǎn)速、落料高度等工作與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)粉碎效果的影響，采用單因素試驗(yàn)法分析各參數(shù)對(duì)粉碎效果的影響規(guī)律。

依據(jù)現(xiàn)實(shí)粉碎常用技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行各試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定。①齒輥轉(zhuǎn)速n，一般廚余垃圾粉碎機(jī)雙輥轉(zhuǎn)速15～ 35 r/min， 試驗(yàn)參數(shù)可取15、20、25、30 和35 r/min。②落料高度h，一般廚余垃圾粉碎機(jī)的落料高度230～ 270 mm， 試驗(yàn)參數(shù)可取230、240、250、260 和270 mm。

3.1 齒輥轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎效果的影響

總的仿真時(shí)間0.5 s，為觀察顆粒破碎分散情況，選取35 r/min 轉(zhuǎn)速時(shí)的時(shí)間歷程進(jìn)行觀察。由圖5 可知，0.02 s 時(shí)顆粒生成， 有初始速度0.1 m/s， 顆粒呈綠色；0.1 s 顆粒接觸雙輥，開始產(chǎn)生形變，出現(xiàn)藍(lán)色顆粒（阻力降低了速度）；接下來到0.5 s 顆粒分散趨勢明顯，顏色出現(xiàn)紅色（速度增加），仿真效果明顯且有效。

給定的中心距為固定值350 mm，時(shí)間固定0.5 s。改變齒輥轉(zhuǎn)速時(shí)，出現(xiàn)如圖6 所示的效果。由圖6 可知，轉(zhuǎn)速15 r/min 時(shí)，顆粒分布較集中，速度也較低，隨著轉(zhuǎn)速增加，邊界處的顆粒越來越多，分散越來越稀疏，顆粒速度也越來越快。改變轉(zhuǎn)速值，效率增加明顯。

3.2 落料高度對(duì)粉碎效果的影響

如圖7 所示，在給定的最佳轉(zhuǎn)速35 r/min 值下，進(jìn)一步通過改變顆粒給料的高度，分析落料高度對(duì)粉碎效率的影響。由圖7 可知，對(duì)顆粒最終的速度和分布影響沒有轉(zhuǎn)速那么明顯，由于落料高度增加，顆粒的最高位置呈現(xiàn)增加的趨勢，由于重力勢能的影響，顆粒呈現(xiàn)回彈現(xiàn)象，越高的落料高度越不利于粉碎，因盡可能地放低落料高度，來減小碰撞回彈。

4 結(jié)束語

借助廚余垃圾中代表物骨頭的參數(shù)，通過EDEM中導(dǎo)入建模進(jìn)行仿真，觀察具體效果。從齒輥轉(zhuǎn)速、落料高度兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行范圍特征值的選取。結(jié)果表明：①齒輥轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎效果的影響明顯，尤其是在大轉(zhuǎn)速下，并且顆粒速度和分散效果皆為最佳；②落料高度對(duì)粉碎效果的影響較小，為了提高粉碎效果和避免回彈，盡量選取較低的落料高度提升粉碎效果。

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