畜禽糞污深度固液分離一體機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S817.5；X713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）08-0272-09

Abstract：Anew type of integrated deepsolid-liquid separation machinefor livestock and poultry manure is designed to addressthe technical shortcomingsof the spiral extrusion dewatering machine commonlyused for solid-liquid separationof livestock and poultry manure，such as lowdewatering efficiencyand easy blockageof belt pressdewatering machines.The proposed machine combines screw dewateringand belt dewatering technologies to achieve lower water content and fficient operation.The keycomponentsof the integrated machine were designed，and 3Dmodelingof theequipmentand finite elementanalysis verificationof the main components were caried out using SolidWorks and ANSYS software.The analysis demonstrates that setting the thickness of the fixed ring at 3mm in the concentration part of the screw stacking device and 5mm for the dehydration part satisfies the requirements of stress and deformation.A supporting control system Was designed to enable real-time monitoringand alarm.Prototype testing showed stable operation，achieving a 44.07% water removal rate and a 76.83% COD_cr removal rate for pig manure treatment，meeting the design requirements.

Keywords：solid-liquid separation; livestock and poultry manure； 3D modeling； finite element analysis； PLC

0 引言

我國是畜禽養(yǎng)殖大國，近20年來肉類總產(chǎn)量連續(xù)居世界首位。隨著畜禽產(chǎn)量的擴(kuò)大，畜禽養(yǎng)殖廢棄物總量呈上升趨勢(shì)，畜禽糞污所造成的面源污染也不斷上升成較為突出的環(huán)境問題。固液分離是畜禽糞污進(jìn)行資源化利用和環(huán)保處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，規(guī)模養(yǎng)殖場目前所使用的糞污固液分離脫水機(jī)械主要有離心式脫水機(jī)、板框式脫水機(jī)、疊螺式脫水機(jī)（屬于螺旋式脫水機(jī)）帶式脫水機(jī)等[1，2]。其中離心式脫水機(jī)具有適用范圍廣、操作方便、封閉式脫水等特點(diǎn)，但存在能耗高、保養(yǎng)維修頻繁等問題。板框式脫水機(jī)為間歇操作的脫水設(shè)備，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，且附屬設(shè)備較多。疊螺式脫水機(jī)具有能耗低、不堵塞、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且脫水后的含水率仍較高。帶式脫水機(jī)具備脫水效果好、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、附帶設(shè)備少、能耗小等優(yōu)勢(shì)，但存在易堵塞、用水量大的缺點(diǎn)[3，4]。龐皓升等[5]在螺旋式固液分離機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出變徑、變螺距、變螺旋傾角的螺旋軸。李天澤6對(duì)疊螺式脫水機(jī)靜環(huán)進(jìn)行有限元分析，研究不同螺距對(duì)疊螺機(jī)固液分離效果的影響。胡燕等分析了常用機(jī)械式豬場糞污分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)、處理效率和優(yōu)缺點(diǎn)，提出組合式機(jī)械分離方法的應(yīng)用。機(jī)械分離仍然是目前畜禽糞污脫水應(yīng)用最廣、最成熟的處理技術(shù)，相關(guān)研究也主要集中在設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、工藝創(chuàng)新、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及分離效率提高等方面。

本文針對(duì)單一類型脫水機(jī)械的不足，結(jié)合不同類型脫水機(jī)械和工藝的優(yōu)勢(shì)，采用復(fù)合疊加技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于疊螺脫水和帶式脫水兩種脫水工藝相結(jié)合的畜禽糞污深度固液分離一體機(jī)，充分結(jié)合疊螺脫水不易堵塞、帶式脫水含水率較低的性能優(yōu)勢(shì)，滿足養(yǎng)殖場更低含水率和高效操作的要求。

1總體結(jié)構(gòu)與脫水工藝

1.1 總體結(jié)構(gòu)

畜禽糞污深度固液分離一體機(jī)由疊螺擠壓脫水裝置、帶式壓濾脫水裝置、中間傳送裝置、控制系統(tǒng)4個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1畜禽糞污深度固液分離一體機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated machine fordeep solid-liquidseparation of livestock and poultry manure1.帶式壓濾脫水裝置2.疊螺擠壓脫水裝置3.中間傳送裝置

疊螺擠壓脫水裝置通過其中螺旋軸的旋轉(zhuǎn)，使畜禽糞污不斷推進(jìn)和擠壓[8]。帶式壓濾脫水裝置由一系列規(guī)則排列的壓輥和繞在壓輥表面的上、下兩張濾帶組成，利用濾帶壓榨糞污進(jìn)行深度脫水。中間傳送裝置位于疊螺擠壓脫水裝置與帶式壓濾脫水裝置之間，負(fù)責(zé)糞污的中間傳送工作8。控制系統(tǒng)通過PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)固液分離一體機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行、狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、可視化操作等功能。

1.2 脫水工藝

脫水工藝流程如圖2所示，畜禽糞污經(jīng)過絮凝后，進(jìn)人畜禽糞污深度固液分離一體機(jī)進(jìn)行連續(xù)兩道工序的脫水。第一道工序進(jìn)行疊螺擠壓，動(dòng)定環(huán)過濾，對(duì)糞污進(jìn)行初步脫水，水去除率約為 10%～20% ，動(dòng)定環(huán)有效解決堵塞問題。中間傳送裝置對(duì)接第一道工序的出口和第二道工序人口，進(jìn)行糞污的輸送和糞污布料。第二道工序進(jìn)行帶式壓榨，對(duì)糞污進(jìn)行壓濾深度脫水，水去除率最終達(dá)到 40% 以上[2]。畜禽糞污在第一道脫水工序完成后，連續(xù)輸送至第二道工序，在第二道工序入口處設(shè)置布料攪龍，進(jìn)行畜禽糞污的破拱和左右均布，避免第二道帶式壓濾脫水的卡滯問題。

二道工序布料攪龍與中間傳動(dòng)裝置同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步運(yùn)轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場根據(jù)需求進(jìn)行疊螺或帶式深度脫水工序的單獨(dú)運(yùn)行。

圖2畜禽糞污深度固液分離一體機(jī)脫水工藝流程 Fig.2Dehydration process flow of livestock and poultry manure deep solid-liquid separation integrated machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1疊螺裝置

2.1.1 螺旋軸設(shè)計(jì)

疊螺裝置包含疊螺式變徑螺旋軸、動(dòng)環(huán)、定環(huán)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、萬向聯(lián)軸器等組成。根據(jù)《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場糞污資源化利用設(shè)施建設(shè)規(guī)范（試行）》要求，單位畜禽糞污日產(chǎn)生量推薦值中每頭生豬每天糞污產(chǎn)生為 0.01m^3[9] ，按照萬頭豬場的養(yǎng)殖規(guī)模，生豬日產(chǎn)糞污為 100m³ ，設(shè)備日處理 ^10h 計(jì)，整機(jī)的脫水處理量可設(shè)置為 10m³/h 。螺旋軸的轉(zhuǎn)速直接影響著畜禽糞污的含水率，一般轉(zhuǎn)速越低，處理后含水率較小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，糞污和工業(yè)污泥實(shí)際脫水應(yīng)用中，螺旋軸的轉(zhuǎn)速一般設(shè)置低于 4r/min^[10] ，取螺旋軸轉(zhuǎn)速為 2r/min 。

螺旋軸主要包括旋轉(zhuǎn)軸和螺旋葉片。為增強(qiáng)裝置的脫水效果，旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)為直徑逐漸增大的變徑結(jié)構(gòu)，螺旋葉片設(shè)計(jì)為螺距逐步減小的變螺距結(jié)構(gòu)，這樣螺旋軸與箱體形成的腔體容積逐漸減小，從而形成不斷增加的擠壓力。從疊螺擠壓脫水裝置入料口到出口，螺旋軸根據(jù)所起的作用分為濃縮部和脫水部。濃縮部階段畜禽糞污中的液體部分主要在重力作用下從動(dòng)、定環(huán)濾縫中流出，脫水部階段畜禽糞污在逐漸增大的壓力中擠壓脫水。

設(shè)備螺旋軸采用實(shí)體式、單頭螺旋、連續(xù)式、變螺距的螺旋葉片，具有制造成本適中、推送糞污輸送性好的特點(diǎn)。螺旋葉片采用拉延成型工藝，拉開所需螺距后沿旋轉(zhuǎn)軸螺旋線進(jìn)行焊接固定。

螺旋葉片的直徑 d^[10] 按照式（1）計(jì)算。

式中： Q —糞污處理量，取 10m³/h K 物料綜合特性系數(shù)，根據(jù)畜禽糞污特性，取0.0565;φ （204 填充系數(shù)，一般小于 50% ，取0.46；C 傾斜輸送系數(shù)，取 1^[11] 。

代人計(jì)算得 d=194mm ，螺旋軸直徑通常取標(biāo)準(zhǔn)值100、120、150、200、250、300等，所以取螺旋葉片的直徑為 200mm 。螺旋片的螺距與螺旋軸直徑呈一定的比例關(guān)系，其中濃縮部的比例系數(shù)為 0.65～0.75 脫水部的比例系數(shù)為 0.30～0.50^[12] 。螺旋軸直徑與比例系數(shù)相乘，并根據(jù)螺距逐漸遞減的設(shè)計(jì)，如圖3所示，螺旋片螺距在 60～150mm 之間設(shè)置，其中濃縮部的螺旋片螺距可分別設(shè)置為 150mm，143mm 136mm 、 130mm ，脫水部螺旋片的螺距可設(shè)置為100mm.86mm.72mm.60mm 。

旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)為錐管型，從濃縮部到脫水部直徑線性增大，半錐角為 3^° ，最小端直徑取 60mm ，濃縮部與脫水部兩部分的旋轉(zhuǎn)軸共長 810mm ，計(jì)算并圓整后取最大端的直徑為 145mm ?？紤]到脫水中畜禽糞污對(duì)設(shè)備材料的腐蝕性，旋轉(zhuǎn)軸材質(zhì)選用304不銹鋼，空心結(jié)構(gòu)。

2.1.2 動(dòng)環(huán)、定環(huán)設(shè)計(jì)

動(dòng)環(huán)和定環(huán)在脫水設(shè)備中起到過濾的作用，取代了傳統(tǒng)的篩網(wǎng)。定環(huán)通過周邊的圓孔穿插在固定桿上，兩個(gè)定環(huán)之間在固定桿上設(shè)置一個(gè)墊片，兩個(gè)定環(huán)之間在螺旋軸上設(shè)置一個(gè)動(dòng)環(huán)。動(dòng)環(huán)、定環(huán)層疊交錯(cuò)布置，并通過墊片形成一定的縫隙，經(jīng)過螺旋軸擠壓脫水后的水分從動(dòng)、定環(huán)之間的縫隙中流出。動(dòng)環(huán)在螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下產(chǎn)生圓周偏心運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自清洗功能，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)篩網(wǎng)的堵塞現(xiàn)象。

圖3變螺距螺旋葉片結(jié)構(gòu) Fig.3Variable pitch spiralblade structure

為避免螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)干涉，定環(huán)的內(nèi)徑一般略大于螺旋軸的直徑，結(jié)合螺旋軸的直徑尺寸為200mm ，初定定環(huán)內(nèi)徑為 205mm ，外徑為 245mm 。動(dòng)環(huán)在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需依靠螺旋軸葉片的外緣推動(dòng)其產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，因此動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑需小于螺旋軸的直徑?？紤]動(dòng)環(huán)、定環(huán)層疊布置能形成有效的過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)環(huán)的外徑不超過定環(huán)的外徑。根據(jù)定環(huán)和螺旋軸尺寸參數(shù)，初定動(dòng)環(huán)的內(nèi)徑為 195mm ，外徑為235mm 。動(dòng)、定環(huán)的厚度均初定為 3mm 。

脫水部的擠壓力大于濃縮部，因此，為防止糞污從動(dòng)、定環(huán)的濾縫中擠出，設(shè)置脫水部的動(dòng)、定環(huán)縫隙小于濃縮段縫隙。濃縮部和脫水部的縫隙取值分別為0.45mm，0.35mm^[10] 。圖4為安裝動(dòng)、定環(huán)后的疊螺裝置主體部分建模。

2.1.3電機(jī)與減速器選型

疊螺裝置螺旋軸在電機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)，并通過減速器實(shí)現(xiàn)減速增矩，完成擠壓糞污脫水工作。電機(jī)的功率計(jì)算如式（2）所示。

式中： P₀ —裝置所需功率， kW W -畜禽糞污運(yùn)行阻力系數(shù)，取5；L_h. 螺旋軸水平投影長度；H? 螺旋軸垂直投影長度；D 螺旋軸直徑， m ：L 1 螺旋軸長度， m 。

代人螺旋軸相關(guān)參數(shù)數(shù)值，并考慮功率備用系數(shù)和裝置總效率，電機(jī)所需功率為 0.23kW 。

疊螺裝置在工作時(shí)，若螺旋軸轉(zhuǎn)速高，畜禽糞污的擠壓時(shí)間短，影響脫水效率。通過減速器實(shí)現(xiàn)減速增矩，提高設(shè)備脫水效果。減速器的扭矩計(jì)算見式（3）。

式中： n 一 螺旋軸轉(zhuǎn)速，取 2r/min K_a ——工況系數(shù)，取1.4；T 一額定扭矩， N?m 。

計(jì)算得出 T≥1537N?m 。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行市場主流品牌電機(jī)和減速器選型，并綜合考慮使用過程中的阻力和堵塞情況，最終選取GF89R59型號(hào)減速電機(jī)，集成驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器為一體，電機(jī)額定功率為 0.37kW ，輸出扭矩為 1616N?m ，傳動(dòng)比為674。

2.2 中間傳送裝置

中間傳送裝置連接疊螺裝置的出口和帶式裝置的入口，實(shí)現(xiàn)畜禽糞污的傳送和保證脫水工序的連續(xù)進(jìn)行。中間傳送裝置由傳送裝置和布料攪龍等組成。傳送裝置采用帶傳動(dòng)方式，由驅(qū)動(dòng)輥帶動(dòng)輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)布置承載托輥、改向托輥、導(dǎo)向輥和張緊輥等，具體結(jié)構(gòu)三維建模如圖5所示。

圖5中間傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)建模

Fig.5Structural modeling of intermediate transmission device 1.導(dǎo)向輥2.張緊輥3.驅(qū)動(dòng)輥4.承載托輥5.改向托輥

布料攪龍?jiān)O(shè)置在帶式裝置的人口處，通過在攪龍轉(zhuǎn)輥上設(shè)置螺旋葉片，實(shí)現(xiàn)畜禽糞污的左右均布。轉(zhuǎn)輥沿中間劃分，一側(cè)為右旋螺旋葉片，另一側(cè)為左旋螺旋葉片，如圖6所示。在轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，螺旋葉片將畜禽糞污分別向左、右兩邊刮布。

圖6布料攪龍總成建模 Fig.6Modeling of distribution auger assembly

2.3 帶式裝置

2.3.1 壓輥設(shè)計(jì)

帶式裝置由上、下兩根張緊濾帶夾著畜禽糞污通過一組規(guī)則排列的壓輥，使糞污受到剪切和擠壓作用，實(shí)現(xiàn)深度脫水[13]。壓輥的排列方式有相對(duì)輥式和水平輥式，畜禽糞污的受壓性不好，以水平輥式方式為主。

整個(gè)脫水過程分為重力脫水、楔型脫水和S型脫水3個(gè)部分，其中S型脫水為壓榨力最大的脫水環(huán)節(jié)。S型脫水區(qū)域的壓輥數(shù)設(shè)置7個(gè)，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)表明，壓輥數(shù)一般在5～7個(gè)，第5個(gè)壓輥之后脫水后濾餅的含水量下降很少[13]。

為提高壓榨的效率，相鄰兩壓輥的距離盡量達(dá)到最短的標(biāo)準(zhǔn)。一般相鄰兩壓輥的水平和垂直距離滿足式（4）和式（5）的要求。

式中： s 二 相鄰兩壓輥水平距離， mm D₁ -前一級(jí)壓輥的直徑， mm D₂ 一后一級(jí)壓輥的直徑， mm 5 D_h -相鄰兩壓輥垂直距離[14]， mm 。

在壓輥結(jié)構(gòu)空間布置中最上方和最下方各設(shè)置一根張緊輥，張緊輥兩端各連接一個(gè)張緊度調(diào)節(jié)器，用于設(shè)備使用中對(duì)濾帶張緊度的調(diào)節(jié)。圖7為帶式壓榨脫水裝置壓輥總體建模設(shè)計(jì)。

圖7帶式裝置壓輥建模 Fig.7Modeling of pressure rollers in belt device

2.3.2 濾帶設(shè)置

考慮到畜禽糞污的酸性特質(zhì)和脫水過程中的過濾特性，濾帶的材質(zhì)選用聚四氟乙烯高分子材質(zhì)編織，具有抗酸性和較小的附著力。濾帶整體采用雙層結(jié)構(gòu)，上層編織紋理緊密，下層透氣性高，保證濾帶具有良好的透氣性和對(duì)糞污顆粒的攔截性能。

濾帶的張力一般為 4～8kN/m ，張力大可以保證良好的脫水性能，但過高的張力容易產(chǎn)生“跑泥\"現(xiàn)象，本文設(shè)置的濾帶張力為 6kN/m^[15] ，上、下濾帶張力接近，下濾帶張力略低于上濾帶。

2.3.3 動(dòng)力傳動(dòng)

帶式壓榨脫水裝置動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速器增矩后，通過鏈輪、鏈條、傳送給主動(dòng)輥，帶動(dòng)上濾帶的運(yùn)行。主動(dòng)輥另一端設(shè)置主動(dòng)齒輪，動(dòng)力經(jīng)主動(dòng)齒輪傳遞給從動(dòng)輥一端的從動(dòng)齒輪，帶動(dòng)從動(dòng)輥及下濾帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖8所示。主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪設(shè)置相同的模數(shù)、齒數(shù)，保證上、下兩層濾帶運(yùn)行同步。

圖8主、從動(dòng)輥齒輪布置

Fig.8Arrangementof mainand drivenrollergears 1.從動(dòng)齒輪2.從動(dòng)輥3.主動(dòng)輥4.主動(dòng)齒輪

2.4 控制系統(tǒng)

畜禽糞污深度固液分離一體機(jī)的控制系統(tǒng)包含PLC控制器、組態(tài)觸摸屏、轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)器、電源模塊等元件[16]?？刂葡到y(tǒng)對(duì)疊螺脫水電機(jī)、帶式脫水電機(jī)和中間傳動(dòng)裝置電機(jī)進(jìn)行集中控制，并根據(jù)轉(zhuǎn)速和電流數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)脫水過程的實(shí)時(shí)調(diào)整和及時(shí)報(bào)警。

2.4.1PLC與組態(tài)觸摸屏的選型

PLC選用的是 700-ES-E 型一體機(jī)，PLC控制器與組態(tài)觸摸屏集成一體，如圖9所示。PLC使用WPL編程軟件，采用 24V.75W 直流電源供電，包含16個(gè)繼電器輸出，24個(gè)X點(diǎn)輸人，12路晶體管輸出。觸摸屏采用自帶的YKBuilder軟件編程。

2.4.2 PLC的程序設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)畜禽糞污的處理需求，PLC可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)置以及電機(jī)的啟動(dòng)和急停[1]。其次，實(shí)時(shí)監(jiān)測疊螺電機(jī)疊螺脫水電機(jī)、帶式脫水電機(jī)和中間傳動(dòng)裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，其中轉(zhuǎn)速由3個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器讀取和傳送，電機(jī)電流參數(shù)直接由驅(qū)動(dòng)器提供，不需要單獨(dú)設(shè)置傳感器。再次，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速異?；螂娏鳟惓r(shí)即時(shí)報(bào)警。最后，電機(jī)轉(zhuǎn)速異?；螂娏鳟惓r(shí)，停止設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4.3驅(qū)動(dòng)器的選型

驅(qū)動(dòng)器采用AQMD60O8NS-TBE直流有刷電機(jī)調(diào)速器，PWM調(diào)速。PLC通過RS485與驅(qū)動(dòng)器通信連接，3個(gè)電機(jī)各連接一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)電流接近配置的工作電流，使電機(jī)迅速啟動(dòng)而無明顯的反沖振動(dòng)。

2.4.4轉(zhuǎn)速傳感器的選型

轉(zhuǎn)速傳感器采用AM8一M2DN電感式傳感器，NPN常開型，工作電壓直流為 10～30V ，與檢測部件的設(shè)置距離為 2mm 。在設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測中，轉(zhuǎn)速傳感器安裝在與電機(jī)相連的主動(dòng)鏈輪附近，通過檢測主動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速并將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸送至PLC。在檢測距離設(shè)置正確并產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器上的指示燈會(huì)閃爍。

2.4.5控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

電源模塊將 220V 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?24V 直流電，供給PLC和驅(qū)動(dòng)器使用。電源模塊的電源正、負(fù)輸出端口分別連接PLC模塊的 24V，0V 端口和驅(qū)動(dòng)器的 v+ 、V一端口。PLC的 24V 端口連接轉(zhuǎn)速傳感器的電源端口，PLC的COM端連接轉(zhuǎn)速傳感器的負(fù)極端口，轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)端口分別連接PLC的XO、X2、X6端口，發(fā)送給PLC電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。PLC的

485-A，485-B 端口與驅(qū)動(dòng)器的 485-A，485-B 端口連接，實(shí)現(xiàn)PLC與驅(qū)動(dòng)器的通信連接，從而控制電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速和電流監(jiān)測。驅(qū)動(dòng)器的MO + MO-連接電機(jī)的正、負(fù)極，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖10為具體的控制系統(tǒng)電路。

3主要部件的有限元分析

3.1螺旋軸的靜力學(xué)分析

螺旋軸是疊螺擠壓脫水裝置中的主要受力部件，在畜禽糞污擠壓脫水過程中承受糞污的擠壓、轉(zhuǎn)矩和自身重力等，會(huì)產(chǎn)生一定的變形，因此在設(shè)計(jì)建模后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的受力分析，判斷結(jié)構(gòu)的合理性。

1）螺旋軸的有限元模型。通過SolidWorks三維軟件對(duì)螺旋軸進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，對(duì)螺旋軸的固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

螺旋軸所采用的材料為304不銹鋼，材料屬性見表1，并在ANSYS軟件中定義不銹鋼材料屬性。

表1304不銹鋼材料屬性Tab.1 3O4 stainless steel material properties

2）施加約束和載荷。螺旋軸的兩端采用軸承固定，則將兩端設(shè)置為固定約束，螺旋軸主要承受電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，糞污的擠壓和自身的重力[18]。驅(qū)動(dòng)扭矩由電機(jī)經(jīng)減速機(jī)傳遞后為 1616N?m ，疊螺脫水裝置通過背壓板與出口的間隙調(diào)節(jié)設(shè)置擠壓力，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)螺旋軸進(jìn)行固定約束、扭矩加載、壓力加載和重力加載。

3）分析結(jié)果。經(jīng)過有限元仿真計(jì)算，得到螺旋軸應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖11和圖12所示。螺旋軸的最大應(yīng)力為 70.648MPa ，出現(xiàn)在葉片與軸連接的根部，最大應(yīng)力小于304不銹鋼的許用應(yīng)力。螺旋軸螺旋葉片的變形沿根部到外緣逐步增大，最大變形量為螺旋軸的出口端的葉片外緣，為 0.32mm ，在螺旋軸入口端，變形量較小。因螺旋軸的直徑為 200mm 、定環(huán)的內(nèi)徑為 195mm 、螺旋軸與定環(huán)之間的徑向間隙為 5mm ，螺旋葉片的最大變形量不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)干涉情況。

圖11 螺旋軸應(yīng)力云圖

圖12螺旋軸變形云圖Fig. 12 Spiral axis deformation cloud map

3.2螺旋軸的模態(tài)分析

疊螺裝置在運(yùn)行過程中，螺旋軸會(huì)產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)，如果出現(xiàn)共振現(xiàn)象，不僅影響畜禽糞污的脫水效果，還會(huì)加劇設(shè)備的磨損[18]。因此需要對(duì)螺旋軸模型進(jìn)行模態(tài)分析，了解螺旋軸在受影響的頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)。

經(jīng)過ANSYS軟件分析求解得螺旋軸前6階模態(tài)的固有頻率和振型。前6階固有頻率分別為315.62Hz 、 315.94Hz 、 538.29Hz 、 766.68Hz 、813.05Hz 858.27Hz 。螺旋軸的工作轉(zhuǎn)速為2r/min ，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為 0.033Hz ，遠(yuǎn)低于螺旋軸的固有頻率。圖13為螺旋軸1～3階模態(tài)振型。

圖13螺旋軸模態(tài)振型 Fig.13Modal analysis of screw shaft

3.3 定環(huán)的有限元分析

定環(huán)是疊螺脫水裝置中濾網(wǎng)部分的主要部件，其固定位置決定著濾網(wǎng)濾縫的大小，決定濾網(wǎng)的過濾效率。

定環(huán)在脫水過程中軸向和徑向都會(huì)受到糞污輸送所產(chǎn)生的壓力和動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)中貼在定環(huán)側(cè)面所產(chǎn)生的壓力。

圖14中， P₁ 為定環(huán)兩個(gè)側(cè)面所受壓力抵消后的軸向壓力，指向畜禽糞污輸送方向， P₂ 為定環(huán)所受的徑向壓力。實(shí)際工況中， P₁ 為 0～0.03MPa，P; 為 0～ 0.02MPa^[19] 。

圖14定環(huán)受力示意圖Fig.14Schematicdiagram of fixedringforce

將SolidWorks中的定環(huán)模型導(dǎo)人ANSYS中并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，疊螺擠壓脫水裝置在工作過程中，脫水部畜禽糞污所受擠壓力大于濃縮部，根據(jù)實(shí)際工作情況，取濃縮部 P₁ 為 0.02MPa，P₂ 為 0.01MPa ;脫水部P₁ 為 0.03MPa，P₂ 為 0.02MPa 。定環(huán)的固定桿和墊片通過支撐孔將定環(huán)進(jìn)行固定，再將定環(huán)與固定桿連接的3個(gè)孔內(nèi)壁進(jìn)行全自由度約束。分別取定環(huán)的厚度為 2mm.3mm.5mm 進(jìn)行分析。

1）定環(huán)的應(yīng)力分析。表2和圖15為濃縮部不同厚度定環(huán)的最大應(yīng)力情況。

表2濃縮部不同厚度定環(huán)最大應(yīng)力Tab.2Maximum stressoffixed ringswith differentthicknesses in the concentration section

圖15濃縮部不同厚度定環(huán)應(yīng)力分布云圖 Fig.15 Cloud map of stressdistribution for different thicknesses of fixed rings in the concentration section

表3和圖16為脫水部不同厚度定環(huán)的最大應(yīng)力情況。綜上，隨著施加載荷的增加，定環(huán)所受的最大應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，隨著定環(huán)厚度的增加，最大應(yīng)力值呈下降趨勢(shì)。不同厚度的定環(huán)最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在定環(huán)與固定桿連接的孔附近，此位置最易產(chǎn)生磨損。濃縮部的最大應(yīng)力值為 45.56MPa ，此時(shí)定環(huán)厚度為 2mm ;脫水部最大應(yīng)力為 51.13MPa ，此時(shí)定環(huán)厚度為 2mm ，均小于304不銹鋼的許用應(yīng)力。單從所受應(yīng)力值可以得出，濃縮部和脫水部的定環(huán)厚度設(shè)置為 2mm ，滿足強(qiáng)度要求。

圖16脫水部不同厚度定環(huán)應(yīng)力分布云圖 Fig.16 Stress distribution cloud map of fixed ringwith different thicknesses in the dehydration section

2）定環(huán)的變形分析。濃縮部不同厚度定環(huán)的最大變形情況如表4和圖17所示。

圖17濃縮部不同厚度定環(huán)位移云圖Fig.17Cloudmapof fixed ringdisplacement with differentthicknesses in the concentration section脫水部不同厚度定環(huán)的最大變形情況如表5和圖18所示。

圖18脫水部不同厚度定環(huán)位移云圖 Fig.18 Cloud map of fixed ring displacement with different thicknesses in the concentration section

綜上，隨著載荷的增加，定環(huán)的最大變形量呈增大趨勢(shì)。隨著定環(huán)厚度的增加，最大變形量逐步減小。最大變形量均出現(xiàn)在相鄰兩個(gè)支撐孔的中間部位。定環(huán)的變形量要符合濾縫的設(shè)置要求，避免動(dòng)、定環(huán)產(chǎn)生磨損。根據(jù)前文，濃縮部的濾縫設(shè)置為 0.45mm 。結(jié)合定環(huán)的變形分析，濃縮部定環(huán)選取 2mm 厚度時(shí)最大變形量為 0.41mm ，已經(jīng)接近設(shè)置的 0.45mm 縫隙值。定環(huán)選取 3mm 厚度時(shí)最大變形量為 0.32mm ，定環(huán)選取 5mm 厚度時(shí)最大變形量為 0.26mm ，均小于設(shè)置的濾縫縫隙。因此單從變形量來分析，濃縮部定環(huán)采用 3mm 厚度能滿足設(shè)備需求。脫水部的濾縫設(shè)置為 0.35mm ，脫水部定環(huán)選取 2mm 厚度時(shí)最大變形量為 0.43mm ，選取 3mm 厚度時(shí)最大變形量為0.37mm ，均超過了設(shè)置的 0.35mm 縫隙值。定環(huán)選取 5mm 厚度時(shí)最大變形量為 0.27mm ，小于設(shè)定的0.35mm 縫隙值。因此單從變形量來分析，脫水部的定環(huán)選取 5mm 厚度能滿足設(shè)備需求。

綜合考慮定環(huán)的應(yīng)力分析和變形分析結(jié)果，濃縮部和脫水部的定環(huán)可采取不同的厚度方案，其中濃縮部的定環(huán)厚度為 3mm ，脫水部的定環(huán)厚度為 5mm 。實(shí)際工程應(yīng)用中，也可以通過將定環(huán)變形量最大的中間部位增加厚度，而整體采用較薄的鋼板結(jié)構(gòu)，從而更好地降低材料成本，但工藝加工成本會(huì)有所提高。

3.4 壓輥的受力分析

濾帶張力為 6kN/m ，選擇直徑最小的壓輥進(jìn)行受力分析（圖19和圖20），在ANSYS中劃分網(wǎng)格，指定壓輥兩端作為固定約束點(diǎn)，運(yùn)行分析[20]。根據(jù)分析結(jié)果可以看出，最大變形量為 0.55mm ，變形量較長度來說非常小，在安全范圍內(nèi)。

圖19壓輥應(yīng)力分析圖

圖20 壓輥位移云圖Fig.20Displacement cloud map ofpressureroller

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)條件

2023年11月13—16日于江蘇省泰興市黃橋鎮(zhèn)某豬場進(jìn)行樣機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效果試驗(yàn)，選取集糞池中4天不同的豬糞樣本進(jìn)行固液分離效果測試，每份豬糞樣本質(zhì)量為 1kg ，初始含水率均超過 80% 。試驗(yàn)主要測量參數(shù)為豬糞初始含水率、化學(xué)需氧量 COD_cr 濃度值，經(jīng)過一體機(jī)脫水處理后的糞污含水率和化學(xué)需氧量 COD_cr 濃度值。其中含水率通過水分測定儀直接測量， COD_cr 濃度值通過重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行測量。主要測量儀器有鹵素水分測定儀、電子天平、 COD_cr 恒溫加熱器、全玻璃回流裝置、酸式滴定管、移液管、燒杯、容量瓶等。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

豬糞樣品經(jīng) 0.1% 濃度的絮凝劑溶液絮凝后，送入一體機(jī)進(jìn)行固液分離，表6為經(jīng)過固液分離后的測量數(shù)值和脫水效果。

表6一體機(jī)固液分離效果試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Experimental results of solid-liquid separationeffectof integratedmachine

試驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，易于操作，兩道脫水工序連續(xù)進(jìn)行，經(jīng)過一體機(jī)固液分離后，豬糞的平均含水率降至 47.55% ，水去除率達(dá)到 44.07% COD_cr 濃度值降至 4207mg/L，COD_cr 去除率達(dá)到 76.83% 。處理效果明顯，試驗(yàn)結(jié)果符合應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

1）畜禽糞污深度固液分離一體機(jī)采用疊螺脫水和帶式脫水集成技術(shù)，結(jié)合疊螺裝置不易堵塞和帶式裝置水去除率高的優(yōu)點(diǎn)，兩道脫水工序連續(xù)運(yùn)行，滿足養(yǎng)殖場糞污脫水較低含水率和高效操作的要求?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制器對(duì)設(shè)備電機(jī)集中控制，包含PLC控制器、組態(tài)觸摸屏、轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)器等元件。實(shí)現(xiàn)脫水過程中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)報(bào)警。一體機(jī)中疊螺裝置設(shè)計(jì)采用直徑為 60～ 145mm 的變徑螺旋軸、螺距為 60～150mm 的變螺距螺旋葉片結(jié)構(gòu)，形成逐漸增加的擠壓力，帶式裝置壓輥上的濾帶張力設(shè)置為 6kN/m 。

2）結(jié)合有限元分析結(jié)果，疊螺裝置的定環(huán)在濃縮部和脫水部采用不同厚度、不同濾縫的設(shè)計(jì)方案。其中濃縮部的定環(huán)厚度為 3mm ，濾縫值為 0.45mm ；脫水部的定環(huán)厚度為 5mm ，濾縫值為 0.35mm ，在保證力學(xué)性能的前提下，降低材料成本。

3）養(yǎng)殖場脫水效果試驗(yàn)表明，一體機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，對(duì)于豬糞的脫水處理，水去除率達(dá)到 44.07% COD_cr 去除率達(dá)到 76.83% 。處理效果明顯，符合養(yǎng)殖場應(yīng)用要求，適合推廣應(yīng)用。

4）一體機(jī)糞污處理結(jié)束后，需采用清水進(jìn)行沖洗，電氣防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于 IP55 。下一步將進(jìn)一步增加設(shè)備的清洗裝置設(shè)計(jì)，完善電氣防護(hù)裝置，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可靠性試驗(yàn)，聯(lián)合企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)和推廣，為畜禽糞污的后處理工作提供設(shè)備支持。

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