黑水虻虫沙双向集料装置参数优化与试验

彭才望， 宋世圣， 谢烨林， 贺喜， 许道军， 孙松林

(1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128； 2.湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙 410128； 3.湖南农业大学动物医学院，湖南 长沙 410128)

中国畜禽养殖业的迅速发展的同时，畜禽粪便给环境带来了严重的污染。黑水虻取食畜禽粪便中的营养成分消化后产生一种黏性、蓬松颗粒[1]，即黑水虻虫沙，可直接充当植物用有机肥，黑水虻则是良好的生物蛋白饲料来源[2-3]。因此，黑水虻成为畜禽粪便资源化处理与利用研究中的热点[4-5]。现有研究主要集中于黑水虻对畜禽粪便的转化率、黑水虻营养成分及生长参数变化等方面[6-8]，在黑水虻处理畜禽粪便中的机械化应用的研究极少，尤其是针对黑水虻虫沙收集环节的机械化研究。规模化黑水虻生物转化畜禽粪便中虫沙收集劳动强度大、作业困难，降低了生产效益。

因此，作者前期设计了一种虫沙集料装置，分析了双向螺旋转速、排料螺旋转速、虫沙厚度等3个因素对集料的影响[9]，但缺乏对双向螺旋集料过程进行深入研究。目前，螺旋装置在农业物料加工处理、农作物收获、工业矿石或煤灰输送、施肥机械中得到大量应用[10-13]。同时，国内外学者在螺旋结构、参数优化、工作机理等方面进行了大量研究[14-17]。刘文政等[18]在一种单行薯双侧位深施肥装置中设计了双向螺旋排肥器，并基于离散元仿真模拟研究了不同螺距下的排肥情况；付建伟等[19]在双通道喂入式再生稻收获机研制中设计了一种双向螺旋搅龙，研究了螺旋叶片起始位置的周向夹角对喂入量保持平衡的影响；戚江涛等[20]基于EDEM对双螺旋奶牛饲喂装置在不同螺旋转速下的给料性能进行了分析。尽管在螺旋输送参数优化等方面，国内外学者已经进行了大量的研究，但双向螺旋集料黑水虻虫沙过程中参数优化方面缺乏具体的研究。

综上所述，在作者前期设计的双向集料装置[9]以及黑水虻虫沙物理参数研究基础上[21]，本研究结合黑水虻养殖特点与虫沙特性，综合考虑螺旋集料原理，利用离散元法对螺旋双向收集虫沙的过程进行模拟仿真，以质量流率为响应值，应用Design-Expert软件对螺距、螺旋轴径、螺旋转速、螺旋移动速度等关键参数进行响应面优化设计，得到回归方程，获得最佳参数组合，进一步优化螺旋双向集料装置参数，提高集料效率，为虫沙收集、输送提供基础数据支撑。

1 黑水虻养殖特点与虫沙特性

1.1 黑水虻养殖特点

研究表明，在温度为28～30 ℃、粪便含水量为70%～75%、合适的畜禽粪便堆积厚度的整体环境中，有利于黑水虻生长，加快畜禽粪便转化[1]，4日龄的黑水虻幼虫经8～10 d生物转化畜禽粪便后可进行虫沙收集。基于黑水虻生长与生物转化这一特性，采用边框式料盘堆积均匀厚度的畜禽粪便养殖黑水虻方便作业、可视性好，料盘层叠式养殖、占地面积少。本研究中料盘为钢材料，长度根据养殖规模设计，其中宽度1 m，四周侧壁高0.1 m，料盘里虫沙堆积厚度设定为0.04 m。

1.2 虫沙特性

本研究中黑水虻虫沙为黑水虻取食猪粪中营养物质过腹处理后产生的一种黏性、疏松、细碎沙土样颗粒物[1]。本研究中黑水虻虫沙样品由湖南大湘农环境生物科技有限公司提供，通过烘干法测得虫沙含水率为43.60%，经筛分测量，虫沙颗粒极大部分呈近似的球体，极小部分呈疏松团状，平均粒径为2 mm。虫沙中料虫比为8～10，为便于分析，对黑水虻虫沙中的黑水虻成虫不予以考虑。

2 螺旋式双向集料结构设计

2.1 螺旋式双向集料结构

螺旋式双向集料装置是在生物废弃物的处理设备基础上设计的[22]，主要针对料盘中层铺状态的虫沙进行收集、提升、转移输送，为后续筛分作业提供稳定的虫沙流，如图1所示。螺旋式双向集料装置主要由左螺旋、右螺旋、拔指、螺旋槽、调速电机、排料螺旋、排料管等组成。螺旋槽内安装螺距相等、旋向相反的等长螺旋，螺旋轴两端通过滚动轴承固定在螺旋槽两端。双向螺旋中间形成集料腔，螺旋轴中心位置安装拔指，同步旋转。排料管置于螺旋槽后方，排料管内置排料螺旋，排料管轴向与水平呈10°夹角。双向螺旋总长1 m，螺旋外径0.12 m，螺旋叶片厚度0.002 m。

1，2.调速电机；3.排料管；4.料盘；5.虫沙；6.左螺旋；7.拔指；8.右螺旋。

2.2 双向集料工作原理

调速电机驱动双向螺旋转动，左螺旋和右螺旋同向旋转，虫沙在推力、摩擦力、重力等多种作用力下往螺旋中心推送，拔指将堆积在螺旋中心处的虫沙往排料管推送，形成稳定的虫沙流，防止集料腔堵塞。同时，以速度v沿料盘侧壁匀速前移，完成虫沙收集。排料管内的排料螺旋由调速电机驱动旋转，处在集料腔的虫沙经排料螺旋沿着排料管从出料口排出，实现料盘内的虫沙收集、提升、输送，形成稳定的虫沙流，为后续虫沙筛分作准备。

2.3 双向螺旋输送物料运动学分析

颗粒进入螺旋槽后，螺旋面与颗粒直接接触并通过摩擦力使颗粒沿轴线和圆周方向进行复合运动，往螺旋中心处运动[19,23]。选取左螺旋叶片、右螺旋叶片上距螺旋轴线r处的颗粒O为研究对象，分别进行速度和受力分析，如图2所示。其中，颗粒O在作用力P作用下，沿螺旋面作复合运动，颗粒在螺旋中心处受到左右螺旋叶片的推力Fa、Fb。左右螺旋叶片完全对称，颗粒在螺旋中心受力平衡(Fa=Fb)，处于理想平衡集料输送状态。左右螺旋推送力一致，保证左右螺旋往中心处集料输送的颗粒质量流率平衡。颗粒O在力P作用下，轴向和圆周旋转方向的速度分别为v1、v2，其合速度为vβ。其中，v1、v2分别为：

(1)

(2)

式中：与图2的Fa、Fb分别为左右螺旋对虫沙的推力，N；S为螺距，mm；D为螺旋叶片外径，mm；d为螺旋轴径，mm；O为虫沙颗粒与螺旋叶面接触点；r为虫沙颗粒到回转中心的距离，mm；u为颗粒与螺旋叶片间的摩擦因素；P为螺旋叶面作用在O点的力，N；P0为螺旋叶片对物料的轴向推力，N;P1为P的径向分力，N；P2为P的法向分力，N；α为螺旋叶片升角，(°)；β为P与叶面法线方向偏离角，(°)；v1为O点轴向速度，m·s-1；v2为O点圆周速度，m·s-1；vβ为v1和v2的合速度，m·s-1；vo为垂直螺旋叶片的法向速度，m·s-1。由以上析可知，当颗粒轴向方向运动速度v1>0时，颗粒沿着轴向往集料口输送；反之则不能。

图2 双向螺旋输送物料的速度与受力分析

根据文献[10,24-25]，参照一般螺旋输送装置的设计与理论，螺旋轴径、螺旋外径、螺距、输送距离、螺旋转速等参数对螺旋输送能力有较大影响。作者前期对影响螺旋双向集料装置集料性能的因素进行分析，确定主要影响参数为螺旋轴径、螺距、螺旋转速以及螺旋移动速度，并作为设计变量。其中，螺旋轴径，螺距与螺旋转速参考文献满足如下关系[26-27]。

1)螺旋转速。螺旋外径末端虫沙没有出现脱离的径向运动现象时，其满足如下关系：

(3)

式中：A为虫沙综合特性系数，本试验对象为黏性、蓬松、沙土状的虫沙，参考常用的物料综合特性系数值，取A为30[28]。

螺旋外径D为120 mm，代入式(3)，计算得到螺旋转速，即n≤nmax≤=86.6 r·min-1。

2)螺旋轴径。螺旋外径D、螺旋轴径d、螺距S等对虫沙集料过程有重要影响，直接影响集料效率。螺旋轴径和螺旋外径之间满足以下关系[29]：

d=(0.2～0.35)D

(4)

即螺旋轴径d满足：0.024 m≤d≤0.042 m。

3)螺距。螺旋叶片的螺距S，螺距S增大，物料移动速度增加，输送效率提高，根据计算公式[28-29]，螺距S满足如下关系：

S=(0.5～2.2)D

(5)

即螺距S满足：0.06 m≤S≤0.264 m。

3 螺旋双向集料过程仿真与分析

3.1 螺旋双向集料物理模型建立

为便于计算，简化螺旋双向集料装置的电机、排料管、排料螺旋、固定轴承等部件，仅保留螺旋槽、左螺旋叶片、右螺旋叶片、螺旋轴等部分。利用Solidworks软件建立1∶1的仿真模型，另存为stl格式后导入EDEM软件几何模块中。参考文献[21]，选取一种建立在Hertz理论上的适用于有机肥、黏性泥土、湿颗粒等粘结性颗粒的“Hertz-Mindlin with JKR”作为接触模型。模型中各部件材料为钢材料属性，在参数设定过程中，钢材料密度为7 850 kg·m-3、剪切模量为7×1010Pa、泊松比为0.3，仿真重力加速度为9.81 m·s-2。基于虫沙特性，建立半径为1 mm的球体离散元仿真颗粒模型。作者前期以圆筒提升物理试验及不同参数组合下EDEM仿真得到的堆积角为响应值，基于响应面法对虫沙进行仿真参数标定与试验验证，结果表明仿真参数准确可靠[21]，虫沙颗粒与几何体等材料的属性设置见表1。

表1 离散元仿真参数Table 1 Discrete element simulation parameter

3.2 仿真参数设定

在料盘正上方，建立1 m×1 m的颗粒生成平面，属性设置为虚拟，颗粒生成方式为Dynamic方式，生成速率为10 kg·s-1，生成时间2.75 s，虫沙总量为27.5 kg，料盘中虫沙颗粒填充高度为0.04 m，参考文献螺旋设计理论[28-29]，螺旋填充系数接近0.35。为保证虫沙颗粒快速稳定，设定下落速度0.5 m·s-1。待颗粒堆积稳定后，设置螺旋旋转转速与移动速度，步长设置为0.05 s，颗粒生成与集料过程纵仿真时间设置为15 s，数据保存时间间隔为0.01 s，瑞利时间步长设置为 25%。待仿真过程结束后，通过后处理Geometry Bin模块对集料过程产生的质量流率数据进行采集。如图3所示。

1.质量流率监测区；2.双向螺旋；3.虫沙；4.料盘。

3.3 仿真试验设计

基于上述螺旋双向集料装置主要参数设计，由式(3)～式(5)计算获得螺距60～260 mm、螺旋轴径23～43 mm、螺旋转速45～85 r·min-1等参数的取值范围。另外，基于设备技术要求与实际生产效率等方面的考虑[22]，螺旋移动速度选取数值范围为50～100 mm·s-1。螺距、螺旋轴径、螺旋转速、螺旋移动速度等参数影响螺旋槽中虫沙的输送速度、径向输送截面、输送量、填充率等。因此，选取以螺距X1、螺旋轴径X2、螺旋转速X3、螺旋移动速度X4为变量，利用 Design-Expert 8.0.6 软件进行中心复合试验设计(Central Composite Design，CCD)，将各因素按其水平与取值范围进行编码，得到因素水平表(表2)。

表2 试验因素水平Table 2 Coding of factors and levels

3.4 评价指标

参考文献[1，15]，针对含湿、黏性、蓬松沙土状的黑水虻虫沙颗粒，螺旋式双向集料装置仿真过程中，在不发生物料输送堵塞的前提下，将质量流率作为评价指标进行研究。质量流率Y(kg·s-1)：单位时间内通过某个截面的颗粒总质量，是评价螺旋双向集料机构收集虫沙性能的重要指标.。质量流率越大，输送虫沙速度越快。对于排料螺旋的参数匹配设计以及生产效率具有重要的参考意义。因此，待仿真结束后，取双向螺旋稳定工作时间段，对通过螺旋中心横截面的虫沙进行质量流率采集，以质量流率Y为评价指标[15]。

Y=M/Δt

(6)

式中：M为单位时间内通过与螺旋轴线方向平行的平面(长×宽为0.1 m×0.08 m)的颗粒总质量，kg(该平面位于螺旋中心周期性边界的中间位置)；Δt为螺旋收集获得虫沙质量为M所需作业时间，s。

4 仿真结果分析

4.1 可视化集料过程分析

螺旋双向集料时，利用EDEM软件对虫沙颗粒运动过程进行仿真，并提取位于左右螺旋两端具有代表性颗粒的运动轨迹，如图4所示。图4中轨迹线不同颜色代表颗粒不同位置时的不同速度值大小，分析轨迹线可清晰观察螺旋内部的颗粒在受到左右螺旋叶片推力、颗粒间运动合力以及螺旋槽前移推力作用下，呈现近似螺旋线的运动轨迹，颗粒沿着螺旋线轨迹运动的同时沿着螺旋轴向方向运动，从而在集料中心处向螺旋后方输出，模拟过程直观分析表明，该装置设计能够满足集料输送要求。结合式(1)，根据参数相应计算满足v1>0，颗粒能够实现轴向运动。由图5可知，螺旋双向集料装置在第4秒至第6秒间，集料的环比增加质量明显上升，即由第4秒环比增加0.464 kg至第6秒环比增加1.475 kg，第6秒以后，环比增加质量介于1.475～1.613 kg间，环比增量趋于稳定，试验结果表明集料过程平顺，累计集料质量线性增加，虫沙输出流稳定。

图4 任一颗粒运动轨迹Fig.4 Path of any particle

4.2 试验结果分析

根据Central Composite Design试验原理，设计4因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验，以螺距X1、螺旋轴径X2、螺旋转速X3、螺旋移动速度X4为变量，以质量流率Y为评价指标，试验共30个试验点，其中包括24个析因试验，6个0点估计误差。表3为响应面试验设计与结果。

图5 集料装置输送虫沙质量的变化曲线Fig.5 Changing curves of mass of insect sand transported by aggregating device

表3 试验设计及响应值结果Table 3 Experiment design and response values

以表3中的30组试验数据为基础，利用Design-Expert软件多元回归拟合分析螺旋参数与虫沙质量流率的响应关系，建立质量流率对4个自变量(X1、X2、X3、X4)的二次多项式回归模型，如方程(7)所示。针对建立的回归模型方程进行方差分析[30]，结果如表4所示。

(7)

(8)

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of response surface model

以对质量流率影响显著的交互因素进行分析并绘制响应面图(图6)。由图6(a)可知，提高螺旋移动速度和减小螺旋轴径有助于增大质量流率。说明由于螺旋前移速度增加，增加了虫沙填充量，轴向输送量增大；螺旋轴径减小，有效输送截面增大，螺旋槽内空间变大，虫沙的流动性增强，质量流率增加。但是，螺旋轴径不宜过小，避免虫沙在输送过程中受到较大离心力作用。由图6(b)可知，提高螺旋转速与移动速度，有助于增大质量流率。说明在螺旋临界转速范围内，螺旋转速提高，螺旋往中间输送能力提高，质量流率增大。但是，超过临界转速时，离心力增大，导致虫沙物料以圆周运动的形式增加，降低了轴向输送能力。螺旋移动速度过大，虫沙填充量过大，轴向移动速度降低，质量流率降低。

注：响应面分析时，其他因素为 0 水平。

5 参数优化与试验验证

在螺旋输料不堵塞前提下，按照质量流率Y最大的要求作为优化目标，对螺距X1、螺旋轴径X2、螺旋转速X3、螺旋移动速度X4进行优化研究。运用Design-Expert8.0.6软件建立优化数学模型如下：目标函数maxY；约束条件：60 mm≤X1≤260 mm，23 mm≤X2≤43 mm，45 r·min-1≤X3≤85 r·min-1，50 kg·s-1≤X4≤90 kg·s-1。优化后求得满足约束条件的最大质量流率的最优参数组合：螺距153.22 mm、螺旋轴径29.08 mm、螺旋转速83.37 r·min-1、螺旋移动速度66.27 mm·s-1，模型的预测平均质量流率值为1.18 kg·s-1。考虑到试验的操作性，优化条件调整为：螺距153 mm、螺旋轴径29 mm、螺旋转速83 r·min-1、螺旋移动速度66 mm·s-1。重新建模，设置条件并进行仿真试验，测得螺旋双向集料质量流率为1.13 kg·s-1。

为检验螺旋双向集料装置实际集料性能，验证其螺旋双向集料效果，于2020年5月在湖南大湘农环境科技股份有限公司进行了验证试验。根据仿真试验获得的最佳结构参数组合重新安装螺旋双向集料装置，对排料管以及排料螺旋等部件进行了删除，并对调速电机等进行了调整，试验现场如图7所示。采用电热鼓风干燥箱烘干法测量虫沙含水率，具体步骤为：首先用0.002 kg精度的天平称取质量，记作取样虫沙湿重ma，其次，将该取样虫沙放在105 ℃的电热鼓风干燥箱内恒温烘烤5～6 h后至恒重，然后测定烘干取样虫沙，记作干重mb。烘干过程如图图7(a)所示，通过2次平行试验计算获得虫沙含水率(1-mb/ma)均值为43.6%。料盘长×宽×高为5 m×1 m×0.1 m，卷尺垂直测量料盘中的虫沙平铺高度，设定为0.04 m，满足0.35的螺旋填充率，如图7(b)所示。试验仪器主要有电热鼓风干燥箱(WGLL-230BE)、天平(精度为0.002 kg)、秒表、卧式调速电机(晟邦、5IK60RGU-CF、200～250 W)。调速电机分别用于控制螺旋转速与移动速度，在螺距153 mm、螺旋轴径29 mm、螺旋转速83 r·min-1、螺旋移动速度66 mm·s-1试验条件下，结合图7(c)所示的螺旋双向集料样机进行试验验证，重复试验3次，获得虫沙质量流率为1.20、1.18、1.21 kg·s-1，平均质量流率为1.20 kg·s-1，仿真结果与试验结果的相对误差为5.83%，误差在可接受范围内，双向螺旋内部没有出现输送堵料、黏附积料现象，满足了作业要求。

1.集料装置; 2.双向螺旋。 1. Aggregating device; 2.Bidirectional spiral.

6 结论

1)根据黑水虻养殖特点与虫沙特性，设计了一种螺旋式双向集料装置。利用EDEM软件建立了虫沙双向螺旋集料装置的三维离散元模型，模拟仿真了虫沙集料输送过程。以螺距、螺旋轴径、螺旋转速、移动速度为试验因素，以质量流率为评价指标，设计了4因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验，运用Design Expert8.0.6软件对仿真试验数据进行回归模型显著性分析。结果表明，各因素对螺旋双向集料质量流率影响顺序为螺旋转速>螺旋移动速度>螺旋轴径>螺距。螺旋轴径与螺旋移动速度、螺旋转速与螺旋移动速度交互作用影响显著。以质量流率最大化为优化目标值，采用响应面法获得集料装置的最优工作参数组合：螺距153 mm、螺旋轴径29 mm、螺旋转速83 r·min-1、螺旋移动速度66 mm·s-1，在优化后的作业参数组合下再次进行仿真试验，得到集料质量流率为1.13 kg·s-1。

2)根据仿真优化试验得出的最优参数组合，试制螺旋双向集料装置并进行实际试验验证仿真结果。试验结果表明，螺旋双向集料装置集料输送虫沙稳定、高效，集料质量流率为1.20 kg·s-1，与仿真试验结果相对误差为5.83%，二者较为吻合，验证了模型参数的准确性。