断齿式螺旋挤压装置设计与试验

赵维松，朱德文，曲浩丽，谢 虎，王冬冬，韩柏和，曹 杰

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)



断齿式螺旋挤压装置设计与试验

赵维松，朱德文，曲浩丽，谢 虎，王冬冬，韩柏和，曹 杰

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

螺旋挤压装置是影响挤压分离机工作性能的关键部件，为了提高其分离效率，采用两段式变螺距设计方案，设计了一种连续叶片与断齿叶片相结合、具有切割功能的断齿式螺旋挤压器，并对筛网等关键部件进行了结构设计，研制出一种断齿式螺旋挤压装置。以猪粪为原料，以挤出物含水率和挤出固形物产量为考核指标，进行了脱水分离性能试验，并与连续式螺旋挤压分离机进行了性能对比试验。结果表明：断齿式螺旋挤压装置能够大幅度地提高畜禽粪污的分离速度，挤出固形物产量约为460kg/h，挤出物含水率约为60%；与连续式螺旋挤压分离装置相比，具有建压时间短、出料阻力小及高效节能等优点，能够较好地满足畜禽粪污高效分离的生产工艺要求。

高浓度粪污；挤压脱水；断齿螺旋

0 引言

我国畜禽粪污年产量接近40亿t/年，沼液沼渣年产量超过3亿t/年，大量的畜禽粪污和沼液、沼渣亟需高效处理、实现资源化利用[1]。固液分离是畜禽粪污和沼液沼渣后处理利用的重要环节，研究与优化固液分离机技术具有极其重要的现实意义[2]。目前，畜禽粪便机械脱水国内外采用的技术主要有 离心式、压滤式及筛分式3种。其中，螺旋挤压式分离机具有能耗低、 维修方便、可靠性高等优点，尤其是连续式螺旋挤压分离机在畜禽粪便处理及沼液、沼渣分离领域应用较广泛[3-6]；但连续式螺旋挤压装置分离效率较低、针对高浓度物料分离效果较差，只有在进料速度和浓度较为合适时才能达到较好的分离效果[7-8]。近几年，有学者研究了一种断式螺旋挤压装置，具有处理量大、能处理粘稠物料等优点，但针对断齿式螺旋结构的参数优化研究尚未见报道[9-10]。为此，本文设计了一种新型断齿式螺旋挤压脱水装置，旨在提高畜禽粪污挤压分离效率、降低能耗。

1 整机结构及工作原理

断齿式螺旋挤压分离机主要由电机、减速器、筛网、断齿式螺旋、连接件及机头等组成，如图1所示。其中，螺旋是挤压分离机的关键部件之一，用来完成输送物料、挤压脱水和出料等过程。工作时，粪污经过污水泥浆泵抽吸进入挤压腔体内，在螺旋的推动下不断向前输送；物料在输送过程中受螺旋叶片推力、出料口阻力及筛网摩擦力等综合作用，形成物料与螺旋、物料与筛网及物料与物料之间的摩擦剪切力，通过出口压力控制、间断和螺距变化等手段使得物料在腔体内不断受挤压作用而脱水；液体由筛网渗流出去，截留在筛网内部的残渣由出渣口排出，进而完成挤压脱水作业[11-12]。

1.电机 2.减速器 3.进料口 4.筛网 5.螺旋挤压装置 6.机头 7.出渣口 8.出液口 9.配重块 10.机架

断齿式螺旋挤压分离机主要参数如下：

总功率/kW：5.5

处理能力/m3·h-1：3～15

挤出固形物产量/kg·h-1：400～1 000

挤出物含水率/%：45～70

畜禽粪污含水率/%：70～90

螺旋形式：间断式

螺距：变螺距

螺旋叶片：具有切割功能，防堵

筛网：条状楔形筛

2 关键部件设计

固液分离作业通常包括送料、挤压脱水和出料3个工作过程。传统螺旋挤压装置在采取变螺距设计时，由进料端到出料端螺距通常是由大变小，以增加压缩比，提高压榨力，能够有效降低挤出物含水率[13-15]。但这种设计方法存在严重弊端：由于出口螺距小，且物料堆积密度最大，流动性最差，导致出料速度慢，且易造成机器堵塞无法出料；进料段仅有送料作用，且进料段越长物料建压所需时间就越长，导致分离效率偏低、能耗偏大。针对这种设计弊端，本文提出了断齿式两段式设计，将螺旋挤压装置作业过程分为输送挤压段和挤压出料段，物料在螺旋腔体内能够快速建压，挤压作用贯穿整个作业过程。

断齿式螺旋挤压装置采用变螺距双螺旋结构，参照一般螺旋输送器设计理论[16-17]，并结合畜禽粪污挤压脱水实际使用条件，对关键参数进行设计。

(1)

(2)

螺距S=λD

(3)

(4)

式中Q—生产率，取Q=0.5t /h；

K—物料综合特性系数，取K=0.06；

φ—填充系数，取φ=0.6～0.9；

γ—物料容积密度，取γ=600～1 000kg/m3；

λ—变距系数，取λ=0.3～1；

C—倾角系数，水平轴时取C=1.0；

ρ—畜禽粪污密度，取猪粪密度ρ=611kg/m3；

S—螺旋，取S=0.07m；

d—螺旋轴直径。

基于以上螺旋输送器计算设计，并结合连续式螺旋挤压分离机设计经验，展开对断齿式螺旋的结构设计与参数确定。

2.1 螺旋叶片设计

2.1.1 叶片受力分析

当螺旋轴转动时，物料受到叶片的法向推力和切向摩擦力以及螺旋筛网轴向和周向摩擦力，在合力作用下做类螺旋运动[18-19]。螺旋升角对物料运动具有重要影响，取一个螺旋单元进行叶片的受力分析，如图2所示。

图2 螺旋叶片受力

假设此时挤压装置稳定运行，腔体内充满物料，物料与挤压装置接触面的摩擦系数均为μ1，物料间内摩擦因数为μ2。由力平衡条件可知

(5)

其中，μ1<1；螺旋升角γ=arctan(S/2πD)；F1为物料对叶片的周向摩擦力；P1为物料对叶片左侧的法向推力。

P1==μ1φρgπ(D1-d1)(S-δ)/4cosγ-F1tanγ

(6)

由式(6)可知：螺距小则螺旋升角大，叶片左侧法向推力P1增大，有利于物料的推进和压缩。因此，采用从进料到出料螺距渐大的变螺距设计，使物料进入螺旋后快速产生压缩作用，并使叶片具有较强推力迫使物料向前输送。将断齿式螺旋整体分为挤压送料(A段)和挤压出料(B段)两段式进行设计。

2.1.2 单叶片设计

由式(1)计算得螺旋外径D≥73mm，结合实际情况取D=180mm。螺距由式(3)确定，A段和B段螺距λ值分别为0.77、0.88，得到A、B段螺距S1、S2分别为140、160mm。其中，每个单独叶片如图3所示。

每个断齿螺旋叶片均存在两个断口，物料在此处集聚形成 “软挤压”区。只有物料间相互挤压达到足够压力时，才能推进物料向前输送，因而大大提升了其脱水效果。但纤维粗大的牛粪或其他杂物极易在断口处挂住，物料不断富集后导致出料困难或不出料，这个极小却十分关键的问题常常被忽视。本文在每个叶片进料端断口处进行了优化设计，使每个叶片都具有切割功能。如图3A处位置所示，叶片下断口为夹角30°、刃厚1mm的坡面，并对切口加焊合金材料提升其强度和耐磨性，锋利的切口在转动时可有效切断杂物，防止机器堵塞卡死。

图3 断齿叶片

A段部分具有较强的推送能力，采用双头连续螺旋，以提高其有效压缩面积，提升轴向输送能力，达到快速出料的目的。叶片形式如图4所示。其中，螺距S1为140mm，叶片焊接为连续叶片，总长为1.5S1。

图4 连续叶片

叶片厚度δ选取范围与挤压物料性质紧密相关，畜禽粪污分离时叶片厚度一般为2～10mm薄钢板，压缩出料段由于物料含水率降低，摩擦阻力最大。因此，叶片厚度应适当增加，而输送挤压段螺距小，轴向分力增加，但物料含水率高，摩擦阻力小，整体受压偏小，故A段叶片厚度δ1取8mm，B段δ2取10mm。

2.1.3 整体叶片设计

螺旋叶片整体设计如图5所示。其中，A段由两片连续叶片交错布置，B段共4个螺旋单元，每个螺旋单元由两片断齿叶片交错布置形成，相邻螺旋单元叶片两两正交。螺旋单元之间无螺旋面部分为间断处，此处“软挤压区”区间大小是控制腔体内压力大小的重要参数。此处间断距离d保持一致，取d=30mm，每个螺旋单元腔体间距D2=90mm，共4个单元；A段每个螺旋单元腔体叶间距D1=70mm，共3个单元。

图5 断齿式螺旋叶片

2.1.4 螺旋轴设计

螺旋轴是承受极大弯矩的部件，通常使用具有较大强度和刚度的45钢空心轴[20]，空心轴内径69mm，外径89mm。经校核，强度满足要求。有效工作轴长L为

L=3D1+4D2+4d+δ1+4δ2+20=718mm

2.2 螺旋转速设计

螺旋转速是影响分离机分离效率的主要因素，提升转速有助于提高分离效率。畜禽粪便的产生具有量大、连续、集中等特点，必须及时地对粪污进行处理，这对分离机的工作效率提出了较高要求。断齿式螺旋能够在较高转速工况下依然保持较好工作效果，因而有助于提高分离效率。螺旋转速为n=37r/min。

2.3 筛网设计

当前使用最多的有薄板冲孔筛和条状楔形筛两种。本文采用抗挤压强度大、处理能力较大的条状楔形筛，如图6所示 。

图 6 楔形筛网展开结构示意图

条状楔形筛另外一个优点是具有一定的自我清洁功能，能很好地避免筛网堵塞。条状楔形筛可由彼此平行的楔形不锈钢钢条焊接而成，通过打磨筛网内壁使其与螺旋叶片外缘间隙尽可能小又不相互交涉。根据畜禽粪便种类将筛网筛缝尺寸设计为不同参数，结合畜禽粪便颗粒直径[21]，设计猪场筛缝尺寸为0.3mm，孔隙率约为21%；牛场用筛缝尺寸为0.6mm，孔隙率约为43%；筛网总长均为480mm。

3 试验与结果分析

3.1 试验设计

试验所用螺旋挤压部件如图7所示。

图7 试验用两种螺旋

试验在江苏海门某养猪场进行，猪粪污TS=17.32%，表观粘度K=7 361.9MPa·s。试验时，转速范围30～65r/min，试验时分低速、中速、高速这3个层次。其出口压力由配重位置来决定， 配重位置范围为300～500mm。为研究断齿式螺旋和连续式螺旋对物料的适应性，控制搅拌器是否运行对比研究两种装置在物料均匀和不均匀时的工作状况，试验结果如表1所示。由表1可以看出：没有混合搅拌的物料浓度分布不均匀，对机具的稳定运行具有一定影响；螺旋转速不同，分离效率具有较大差异。

3.2 结果分析

对畜禽粪污进行固液分离时，要求机具能够在单位时间内分离效率尽可能大。断齿式螺旋和连续式螺旋在有搅拌情况下分离效率的对比分析如图8所示。由图8可以看出：在相同情况下断齿式螺旋挤出物产量明显高于连续式螺旋，且提升转速能够有效提高产量，说明单位时间内断齿式螺旋处理的粪污远远大于连续式螺旋。原因在于断齿式螺旋采用了两段式设计，且从进料段到出料段螺距是增大的，大大提升了出料速度。

表1 分离装置试验结果

图 8 挤出物产量平均值对比

挤出物产量反应了单位时间内处理粪污的多少，挤出物含水率是考核分离装置脱水性能的另一重要指标。断齿式螺旋和连续式螺旋在有搅拌情况下挤出物含水率的对比分析如图9所示。由图9可以看出：相同条件下断齿式螺旋挤出物含水率较连续式螺旋偏高，断齿式螺旋挤出物含水率范围为55%～60%，连续螺旋挤出物含水率为48%～55%；含水率随转速均有所增加，但断齿式螺旋变化幅度较为缓慢，连续螺旋变化幅度较大。这说明，断齿式螺旋更能适应高转速作业，因而有利于提高分离效率。

图 9 挤出物含水率平均值对比

为了更清晰对比两种螺旋装置单位时间内分离出干物质的多少，由挤出物产量和挤出物含水率计算得出单位时间内分离出干物料的绝对质量，如图10所示。由图10可以看出：尽管断齿式螺旋挤出物含水率较连续式偏高，但单位时间内挤出物料的绝对干重仍明显多于连续式螺旋；低速、中速、高速3种转速条件下，断齿式螺旋挤出物绝对干重较连续式分别提高了63.27%、63.6%、39.53%。

图10 挤出物干重平均值对比

试验时，搅拌器开启时能够将猪粪混合均匀，保持浓度具有较高一致性，未进行搅拌的物料浓度一致性较差。对比了两种螺旋装置分别在未进行搅拌和经过搅拌两种物料工况下的作业性能，每个转速条件下重复试验3次，以重复试验所得挤出物含水率衡量装置对物料浓度条件的适应性，结果分析如图11、图12所示。由此可以看出：在经过搅拌和未搅拌的两种物料条件下，断齿式螺旋挤出物含水率拟合曲线较吻合，每次重复试验的含水率差异较小，试验重复性较好，说明断齿式螺旋分离作业时对物料浓度均匀性要求不高，物料浓度在一定变化范围内对挤出物含水率的影响较小；而连续螺旋挤出物含水率的拟合度较差，在物料未经过搅拌时，试验重复性较差，说明连续螺旋装置对物料均匀性要求较大，装置适应性较断齿螺旋差。

图11 断齿式螺旋挤出物含水率对比

图12 连续式螺旋挤出物含水率对比

4 结论与讨论

1)设计了畜禽粪污断齿式螺旋挤压分离装置，尤其对断齿式螺旋进行了设计和优化，提出输送挤压段和挤压出料段两段式设计，螺旋外径D=180mm，轴径d=89mm，螺距S1=140mm、S2=160mm；并设计了具有切割功能的螺旋叶片，可在旋转时快速切割杂草等杂物，防止机具堵塞。断齿式螺旋挤压装置分离效率高、能耗低、对原料适应性强，中等螺旋转速时，挤出物产量约为484kg/h，挤出物含水率约为58%，满足实际生产要求。

2)断齿式螺旋和连续式螺旋的对比试验表明：相同工况下，断齿式螺旋挤出物含水率较连续式螺旋高，但挤出物产量较连续螺旋提升程度更大。综合而言，断齿式螺旋单位时间可分离更多粪污，单位时间内分离出干物质更多，比连续螺旋挤出物干重提高63%左右。这对解决养殖场大量粪污无处储存、难以处理的难题具有重要意义，为畜禽粪污后续处理利用降低了难度。

3)针对螺旋挤压分离装置分离效率低、性能较差等不足，在前人研究基础上，优化设计了断齿式螺旋挤压分离装置，并试验验证了其出料快、对物料适应性强等优点。后续可针对断齿式螺旋挤压分离装置结构及运行参数进一步优化，并实现其模块化生产，降低其生产制造难度，以便更好实现断齿式螺旋挤压分离装置的推广和应用。

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Design and Experiment of Interrupted-whorl Screw Extrusion Device

Zhao Weisong, Zhu Dewen, Qu Haoli，Xie Hu, Wang Dongdong，Han Baihe，Cao Jie

(Nanjing Research Institute for Agriculture Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

In order to improve the work of screw separator, designed a new type Interrupted-whorl screw extrusion device, using transport- extrusion and extrusion-export two sections of the design, increased the effective time of compression and effective compression path. The flight with cutting function was designed，which make the device can quickly discharge . The results show that Interrupted-whorl screw extrusion device separation effect is better , the moisture content of the extrusion is about 60%, which is more higher than the moisture content of continuous screw extrusion device. However, separation efficiency of Interrupted-whorl screw extrusion is 1.63 times than the efficiency of continuous screw extrusion device；Interrupted-whorl screw extrusion device can be fast and efficient separation of high concentration of livestock and poultry dung，extrudate moisture content meet the technological requirements (< 70%), the study for livestock and poultry waste efficient separation device design and subsequent optimization to improve reference.

high concentrations of livestock and poultry waste; squeeze dewatering； interrupted-whorl screw

2016-07-06

农业部公益性行业科研专项(201403019)；江苏省自然科学基金项目(BK20151073)

赵维松(1990-)，男，安徽六安人，硕士研究生，(E-mail)wszhao77@sina.com。

朱德文(1970-)，男，安徽定远人，研究员，博士，(E-mail) zdwww7009@sina.com。

S216；S375

A

1003-188X(2017)08-0086-06