基于雞糞養(yǎng)殖的黑水虻幼蟲復合滾筒篩參數研究

鄭維揚, 于永民, 蔣本豫, 楊夢瑋, 齊露露, 楊森

(1.中原工學院機電學院,河南 鄭州 451191; 2.鄭州乾正自動化科技有限公司,河南 鄭州 451191;3.河南農業(yè)大學生命科學學院,河南 鄭州 450046)

利用黑水虻處理有機固體廢棄物是一種綠色高效的廢物處理技術[1]。該技術可以實現畜禽養(yǎng)殖廢棄物[2]、餐廚垃圾[3]、動植物尸體[4]等有機固體廢棄物的無害化處理和資源化利用。近年來中國有機固體廢棄物總量持續(xù)增多[5],推動了黑水虻養(yǎng)殖產業(yè)規(guī)模不斷擴大。在黑水虻養(yǎng)殖規(guī)?；?、產業(yè)化發(fā)展的過程中,實現機械化和自動化養(yǎng)殖是關鍵。而如何高效地篩分黑水虻幼蟲與蟲沙是實現機械化和自動化養(yǎng)殖的關鍵,也是黑水虻自動化養(yǎng)殖設備研究應重點解決的問題。

黑水虻幼蟲與蟲沙表面具有一定黏結性,易結塊,并且在不同物料喂養(yǎng)下黑水虻產出的蟲沙形態(tài)及物理特性不同,造成在分離階段篩分設備的參數設置也不同。目前,已有一些研究對黑水虻蟲料分離問題及類似的蛆料分離問題進行了探討。齊海濤等[6]利用黑水虻幼蟲的負趨光性、負趨熱性結合現有的搖擺篩設計了一種自動分離控制系統(tǒng),為黑水虻幼蟲自動化分離提供了參考。宋世圣等[7]對不同光照下黑水虻幼蟲的趨避行為的研究,為光輔助機械化分離黑水虻蟲沙提供了理論依據。裴亞欣等[8]針對黑水虻幼蟲篩分時物料濕度大導致篩孔堵塞的問題,在搖擺篩內部設置干燥機構,使物料得到充分干燥,提高篩分效率。PENG等[9]針對黑水虻幼蟲分離雜質含量高的問題,設計了內部帶有釘齒軸的滾筒篩,并分析了篩分參數對篩分效果的影響,為黑水虻幼蟲篩分設備研制提供了參考。蔡靜等[10]基于離散元分析方法對培養(yǎng)料顆粒進行運動理論研究,設計出一款蛆料分離多維振動篩。上述研究多以餐廚垃圾養(yǎng)殖的黑水虻蟲沙分離問題為研究對象,但是基于雞糞養(yǎng)殖的黑水虻蟲沙分離問題的相關研究卻很少,這是由于雞糞養(yǎng)殖的黑水虻篩分時蟲沙結塊及未分解的原料等雜質難分離問題不易解決。此外,現有的滾筒篩和振動篩在篩分過程中易出現篩孔堵塞的情況。因此,設計一款適用于雞糞養(yǎng)殖的黑水虻篩分設備并確定相關參數尤為重要。本研究借助離散元分析軟件EDEM軟件,對黑水虻幼蟲滾筒篩相關參數進行研究,以滾筒篩外層滾筒轉速和抄板高度、內層滾筒轉速、滾筒傾角為仿真試驗因素,篩分效率和黑水虻幼蟲損失率為仿真試驗評判指標,進行4因素3水平的正交試驗,通過極差分析獲得最佳篩分參數組合,可為黑水虻幼蟲滾筒篩設計提供參數依據。

1 黑水虻幼蟲復合滾筒篩結構及工作原理

1.1 黑水虻幼蟲復合滾筒篩結構

該篩分設備采用雙層滾筒結構,由內層滾筒將蟲沙塊及未分解雜質篩出,外層滾筒將黑水虻幼蟲篩出,加裝清網裝置解決篩孔堵塞問題。該滾筒篩(圖1)主要包括機架、內外層滾筒、內外層滾筒、傳動裝置、清網刷、集料斗、出料輸送帶和蟲沙出料口等部件。集料斗由角鋼與不銹鋼板焊接而成,安裝在養(yǎng)殖盒翻倒裝置支架上。內層滾筒一端由托輪支撐,另一端通過焊接固定在中心軸上,中心軸由減速機鏈輪驅動。外層滾筒兩端均以托輪作為支撐,軸向設置擋輪,通過減速機的齒輪與齒圈嚙合驅動外層滾筒轉動。外層滾筒內壁平均分布5組抄板,可使物料顆粒翻動更加均勻。清網刷安置在滾筒中上部,通過彈性支撐將其與篩網貼合。機架由矩形空心鋼管焊接而成,其尺寸根據滾筒篩下養(yǎng)殖盒轉運輸送線及外層滾筒直徑確定。

1,養(yǎng)殖盒輸送線;2,托輪;3,外層滾筒傳動裝置;4,振動電機;5,集料斗;6,齒圈;7,外層滾筒;8,清網刷;9,內層滾筒;10,內層滾筒傳動裝置;11,內層滾筒中心軸;12,擋輪;13,出料輸送帶;14,機架。

1.2 黑水虻幼蟲復合滾筒篩工作原理

該設備工作時,由前一步工序的養(yǎng)殖盒翻倒裝置將物料傾倒于集料斗中,在振動電機的帶動下物料進入內層滾筒中。蟲料混合物在內層滾筒翻滾,較大的蟲沙塊及未分解的物料從篩面上流出滾筒進入出料輸送帶,較小的蟲沙與黑水虻幼蟲通過篩網流入外層滾筒。在外層滾筒內壁的抄板作用下,物料不斷抄起、落下,反復經過篩網,提高物料的過篩率。滾筒為傾斜放置,在不斷旋轉運動過程中,物料不斷向出料口運動。細小的蟲沙透過篩網進入下方的集料盤中,黑水虻幼蟲從篩面上流出滾筒篩,進入出料輸送帶,完成篩分過程。

2 黑水虻幼蟲復合滾筒篩EDEM模型仿真

2.1 EDEM模型的建立

該仿真模型是在保留主要功能的基礎上,去除黑水虻幼蟲滾筒篩中不必要的機構,對主要功能部件進行簡化,借助SolidWorks 2018繪制出外層篩網、內層篩網、進料斗、抄板的三維模型,并將其導入EDEM 2020中。在進料斗的上方建立虛擬顆粒工廠,并在滾筒篩下方及2個出料口處建立3個質量傳感器,來統(tǒng)計篩分時各部位實時質量。為確保分離出的顆粒都能被質量傳感器統(tǒng)計,在滾筒兩側設置polygon幾何體。滾筒參數為:外層篩網長度L1=2 000 mm,篩網直徑d1=650 mm,圓形篩孔孔徑φ1=6 mm,φ2=4 mm;內層篩網長度L2=2 200 mm,篩網直徑d2=400 mm,圓形篩孔孔徑φ3=6 mm;初始滾筒傾角θ=0°。仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型圖Fig.2 Simulation model

建立待篩物料的仿真模型。以由雞糞養(yǎng)殖的黑水虻幼蟲為研究對象,在黑水虻幼蟲與蟲沙混合物中,黑水虻幼蟲質量比例20%,蟲沙比例80%。根據黑水虻幼蟲的物理特性,采用16個球形顆粒建立長度為21 mm、最大直徑為5 mm的幼蟲離散元模型,顆粒尺寸以正態(tài)分布方式生成,生成范圍在0.8～1.2之間,顆粒模型如圖3-a所示。通過對蟲沙觀察,以基本球體作為蟲沙離散元仿真顆粒模型,根據蟲沙粒徑分布,平均粒徑2 mm的顆粒占蟲沙總質量的85%。其他為結塊的雜質,平均粒徑13 mm,蟲沙顆粒尺寸范圍在平均粒徑的0.8～1.2之間,按正態(tài)分布方式生成,顆粒模型如圖3-b所示。

圖3 顆粒模型Fig.3 Models for objects to be screened out

2.2 仿真參數的設置

黑水虻幼蟲表面具有一定黏結性,并且蟲沙的含水率低于30%,也具有一定黏結性,故選用Hertz Mindlin with JKR接觸模型[11]。參考相關研究[12-13],并結合EDEM通用顆粒材料數據[14-16],確定仿真參數,如表1和表2所示。按照滾筒篩設計產能1 800 kg·h-1要求,黑水虻幼蟲顆粒生成速率為0.1 kg·s-1,蟲沙顆粒生成速率為0.4 kg·s-1,顆粒生成持續(xù)時間為3 s。為確保仿真的準確性和效率,時間步長設定為Rayleigh時間步長的20%。采樣時間設置為0.01 s,仿真10 s。

表1 材料物理參數Table 1 Physical parameters of materials

表2 顆粒接觸力學參數Table 2 Contact mechanical parameter of materials

2.3 仿真試驗設計

為了探究黑水虻幼蟲滾筒篩相關因素對篩分效率的影響,參考相關研究,選取外層滾筒轉速、內層滾筒轉速、滾筒傾角及抄板高度為試驗主要因素[17-19]。篩分效率是評判滾筒篩性能的常用指標,但為了更全面地評判黑水虻幼蟲滾筒篩的實際篩分效果,另引入黑水虻損失率(以下簡稱損失率)進行評判,評判原則以篩分效率最高及損失率最低為準。由于仿真顆粒數量巨大,仿真時間長,為了減少仿真試驗次數,采用L9(34)正交表,進行4因素3水平正交試驗。結合實際應用和參考相關研究[20-22],對外層滾筒轉速、內層滾筒轉速、滾筒傾角及抄板高度進行參數設計。試驗因素與水平和試驗方案如表3和表4所示。

表3 仿真正交試驗設計Table 3 Orthogonal design of simulation

表4 試驗方案Table 4 Solutions for test

3 仿真結果與分析

3.1 仿真試驗結果

篩分效率是物料經篩分后,篩下物質量占進料中可篩下物質量的比例。如式(1)所示:

(1)

式中:η為篩分效率;m1為篩下物質量;m2為進料中可篩下物質量。

損失率是物料經篩分后,篩下物中黑水虻幼蟲質量占進料中黑水虻質量的比例。如式(2)所示:

(2)

式中:δ為損失率;m3為篩上物中黑水虻幼蟲質量;m4為進料中黑水虻幼蟲質量。

在正交試驗方案下,每組試驗進行2次,取平均數值為試驗結果數值,經過數值計算得到篩分效率η和損失率δ,結果如表5所示。

表5 正交試驗仿真結果Table 5 Results of simulated orthogonal experiments

3.2 仿真試驗分析

通過仿真試驗結果可知:篩分效率和損失率的最優(yōu)值未在同一個試驗方案中,在編號5的試驗方案篩分效率最高為94.11%,編號7的試驗方案損失率最低為0.67%。為排除隨機因素,分析各因素的主次關系以及得到最優(yōu)方案,對篩分效率和損失率分別做極差分析。篩分效率極差分析如表6所示。由表中篩分效率極差值R可知,影響篩分效率的因素主次順序為抄板高度B>外層滾筒轉速A>內層滾筒轉速C>滾筒傾角D。抄板高度對篩分效率影響最顯著,由于抄板能夠提高物料在滾筒內的翻動程度,使蟲沙顆粒通過篩孔的概率顯著增大,進而提高篩分效率。隨著外層滾筒轉速的增大,篩分效率先升高后降低。外層滾筒轉速與顆粒在滾筒內的運動狀態(tài)有直接的關系,當外層滾筒轉速在最佳轉速范圍內時,隨著轉速的升高,蟲沙顆粒通過篩孔的概率越高,進而篩分效率越高;當外層滾筒超過最佳轉速時,隨著轉速的升高,物料受到的離心力增大,物料與篩面運動趨于靜止,導致篩分效率降低。內層滾筒轉速相較于外層滾筒轉速對篩分效率的影響較小,由于篩分效率是統(tǒng)計整個滾筒篩的篩分效果,內層滾筒相當于獨立的篩分結構,因此內層滾筒轉速對篩分效率影響較小。滾筒傾角對篩分效率影響最小,隨著滾筒傾角增大,篩分效率先增大后減小。由于滾筒篩篩分效率越高越好,試驗得到的最優(yōu)因素水平組合為A2B2C2D2,即采用外層滾筒轉速36 r·min-1,抄板高度20 mm,內層滾筒轉速-45 r·min-1,滾筒傾角6°,滾筒篩篩分效率最高。

表6 篩分效率極差分析Table 6 Range analysis of screening efficiency

損失率極差分析表如表7所示。由表中損失率極差值R可知,影響損失率的因素主次順序為抄板高度B>外層滾筒轉速A>內層滾筒轉速C>滾筒傾角D。由于滾筒篩損失率越低越好,試驗得到的最優(yōu)因素水平組合為A3B1C3D3,即采用外層滾筒轉速48 r·min-1,抄板高度0 mm,內層滾筒轉速-60 r·min-1,滾筒傾角8°時,損失率最低。

表7 損失率極差分析Table 7 Range analysis of loss rate

根據篩分效率及損失率的極差分析,抄板高度對兩者均有顯著影響?？紤]到抄板高度對篩分效率和損失率作用相反,為了得到較高的篩分效率,在對損失率也影響較小的情況下,抄板高度選B2。外層滾筒轉速對篩分效率和損失率均有較大影響,為了避免損失率過大同時盡可能提高篩分效率,故外層滾筒轉速選A2。內層滾筒轉速對篩分效率和損失率影響較小,為了得到較大的篩分效率,內層滾筒轉速選擇C2。由于黑水虻幼蟲呈條狀,在其長度大于篩孔直徑φ而投影長度小于2φ時仍可穿過外層篩孔,使得黑水虻幼蟲的損失無法避免,而增大傾角可以縮短顆粒在滾筒內停留時間,黑水虻幼蟲損失率也將隨之降低,同時傾角對篩分效率影響較小,傾角應當選D3。

綜上所述,最優(yōu)因素水平組合為A2B2C2D3,即采用外層滾筒轉速36 r·min-1,抄板高度20 mm,內層滾筒轉速-45 r·min-1,滾筒傾角8°。選取該最佳因素水平組合時,重復進行2次仿真試驗,得出篩分效率為95.32%,損失率為4.85%。

4 試驗驗證結果

為了驗證黑水虻幼蟲滾筒篩EDEM仿真得出的最優(yōu)篩分參數組合的篩分效果,在鄭州乾正自動化科技有限公司對其加工制造的樣機進行篩分試驗。試驗物料由河南農業(yè)大學生命科學學院黑水虻研究團隊提供,進行試驗的黑水虻幼蟲為雞糞養(yǎng)殖的五齡期幼蟲。在進行試驗前,測得待篩物料的含水率為29.4%;采用人工分選測得黑水虻幼蟲、蟲沙、結塊雜質所占物料質量比例為20%、70%、10%。將試驗物料分為3等份,分別在滾筒篩最佳參數組合下進行驗證試驗,得到試驗結果如表8所示;其中,篩分效率平均值為91.13%,損失率為5.4%。實測值與仿真試驗數據對比分析可知,實測值與仿真試驗的篩分效率相差4.19%,損失率相差0.55%。驗證試驗與仿真試驗結果誤差在允許范圍內,符合黑水虻幼蟲滾筒篩性能要求。

表8 驗證試驗結果Table 8 Results of verified tests

5 結論與討論

本研究以建立的黑水虻幼蟲復合滾筒篩為研究對象,根據滾筒篩、黑水虻幼蟲和蟲沙的尺寸結構及材料特性建立仿真模型,在EDEM 2020軟件中建立各顆粒間的接觸碰撞模型,實現了黑水虻幼蟲滾筒篩篩分過程仿真。通過正交試驗,分析了不同篩分參數對篩分效果的影響,得出影響篩分效率及損失率的主次順序為抄板高度、外層滾筒轉速、內層滾筒轉速、滾筒傾角。本研究結果表明,抄板的設置對滾筒篩分效果有顯著影響,抄板能夠提高物料在滾筒內的翻動程度,提高顆粒過篩率。進一步對篩分效率和損失率2個指標的綜合評判分析得到最優(yōu)因素水平組合為外層滾筒轉速36 r·min-1,抄板高度20 mm,內層滾筒轉速-45 r·min-1,滾筒傾角8°,此時篩分效率為95.32%,損失率為4.85%。由于黑水虻幼蟲呈條狀,其直徑小于篩孔直徑,使得黑水虻幼蟲的誤篩無法避免,因此需要增大傾角縮短物料在滾筒內停留時間,降低黑水虻幼蟲的損失。在最優(yōu)篩分參數下,本研究進行了樣機篩分試驗,結果顯示,實測值與仿真試驗的篩分效率相差4.19%、損失率相差0.55%。該損失率小于目前的兩級分段式黑水虻蟲沙滾筒篩分裝置[23]。

黑水虻蟲沙可作為優(yōu)質有機肥,黑水虻幼蟲也可生產生防菌肥[24],但是針對黑水虻處理畜禽糞便中的機械化應用研究較少[25],尤其是基于雞糞養(yǎng)殖的黑水虻蟲沙分離問題的研究更是鮮有報道。根據篩分效率和損失率2個指標的綜合評判,本研究設計的篩分裝置篩分效果高于相關研究結果。從物料在篩體內的運動狀態(tài)進行分析,現有滾筒篩和振動篩在篩分時,物料在篩體內的運動狀態(tài)為規(guī)律性往復運動,物料顆粒容易成團(結塊)[26-27];而本研究在滾筒內壁設置有5組抄板,使得物料在滾筒內產生無規(guī)律的隨機運動,蟲沙不容易成團及結塊,因而表現了優(yōu)于現有的滾筒篩和振動篩的篩分效果。通常情況下,雞糞的黏結性大于餐廚垃圾,且含有一定量的未分解原料和雜物[28],雞糞養(yǎng)殖的黑水虻篩分時更加難分離,因此,本研究設計的黑水虻幼蟲復合滾筒篩在用于餐廚垃圾養(yǎng)殖的黑水虻蟲沙分離時,其篩分效果可能更加顯著。本研究所設計復合滾筒篩結構相對復雜,但其緊湊的結構卻為黑水虻自動化養(yǎng)殖流水線的空間對接提供了便利。