两级分段式黑水虻虫沙滚筒筛分装置设计与试验

方芹， 宋世圣， 周婷， 彭才望， 孙松林， 朱海英

（湖南农业大学机电工程学院，长沙 410128）

随着我国国民经济的高速发展，城市化发展进程加快，城市人口日益增多，餐厨垃圾的数量也快速增长，人均产量为0.10～0.30 kg·d-1[1]。餐厨垃圾的大量堆积不仅影响生态环境，而且危害人类身体健康，因此餐厨垃圾的资源化利用成为亟需解决的难题[2]。目前，餐厨垃圾的处理技术主要有焚烧、填埋、好氧堆肥、厌氧消化等，这些处理方法都存在不足，影响餐厨垃圾的高效利用[3]。研究表明，与其他垃圾相比，餐厨垃圾含有水分和有机物，油脂含量高，具有较高的生物转化利用价值，利用黑水虻幼虫对餐厨垃圾进行生物转化，可以有效降低餐厨垃圾积累和污染，产生可观的生物量收益和环境效益[4]。黑水虻幼虫生物转化餐厨垃圾后得到的黑水虻幼虫和有机肥统称为黑水虻虫沙[5]，黑水虻幼虫可被制作成高蛋白饲料，和有机肥一样作为商品出售[6]。国内运用黑水虻幼虫处理餐厨垃圾的研究和应用逐渐增加[7]，并展示出了良好的应用前景，然而关于黑水虻幼虫养殖过程中所需的布料、取料、运输、筛分等机械设备研究比较少。因此，设计出一种高效、稳定的黑水虻虫沙分离装置对黑水虻幼虫的规模化养殖至关重要。研究表明，滚筒筛在物料的分离和清选作业中运用广泛，其具有传动平稳、结构简单等优点[8]。张林海等[9]为去除农作物秸秆固体成型物料中的杂质，设计了一种滚筒筛分杂质系统，并确定了该装置的最优参数组合，可为杂质减量化及杂质去除研究提供数据参考；石鑫等[10]设计了一种滚筒筛式废旧地膜与杂质风选装置，通过正交试验确定了最优工作参数组合，提高了废旧地膜的利用率；李心平等[11]通过对谷子初脱后物料在清选过程中的力学特性分析，设计了一种辊搓圆筒筛式谷子清选装置，该装置降低了籽粒含杂率和清选装置总损失率；彭强吉等[12]以现有气力式圆筒筛膜杂分离机为基础，通过增设运移装置、重置圆筒筛筛孔排布，提高了气力式圆筒筛膜杂分离机筛分性能的稳定性；王升升等[13]设计了一种大白菜种子收获分离清选装置，并研究了圆筒筛转速、螺旋转速以及横流风机转速对大白菜种子清选性能的影响，并确定了该分离清选装置的最优参数组合，降低了大白菜种子的含杂率和损失率，并且符合行业相关要求。上述筛分装置作业对象的物理特性和生物特性都与黑水虻虫沙差异较大，难以运用于黑水虻虫沙分离。因此，设计一种适用于黑水虻虫沙分离的装置对餐厨垃圾的资源化处理至关重要。

针对黑水虻虫沙分离难的问题，本文设计了一种两级分段式黑水虻虫沙滚筒筛分装置，滚筒筛分具有结构简单、传动平稳的优点，两级滚筒筛的筛分效率高，且能够有效降低含杂率和损失率。确定了其关键部件的结构和参数，并以含杂率和损失率作为评价指标，通过单因素试验与响应面试验确定各因素对评价指标的影响规律，确定了最优工作参数组合，以期为黑水虻虫沙筛分设备的设计与作业参数优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 筛分装置结构与工作原理

两级分段式黑水虻虫沙滚筒筛分装置主要由分离滚筒、调速电机、传动系统、进料口、出料口等组成，如图1所示。该装置的动力来源于调速电机（晟邦调速电机，220 V），动力通过链传动传递至滚筒轴，带动滚筒转动。滚筒转速由UT373非接触转速计（测量范围10～99 999 r·min-1，精度0.1 r·min-1）测量，滚筒倾角由三量数显倾角仪（测量范围0°～90°，精度0.05°）测量。

图1 两级分段式黑水虻虫沙分离滚筒筛结构Fig.1 Structure of two-stage segmented black soldier fly insect sand separation drum screen

该装置工作时，待分离的黑水虻虫沙混合物（黑水虻幼虫、有机肥和杂质）由传送带输送至进料口，运动至一级筛网，细小均匀的有机肥颗粒透过一级筛网的筛孔，脱离筛面，筛面上剩余的黑水虻幼虫和杂质混合物运送至二级筛网，杂质透过二级筛网的筛孔落下，最后筛面上的黑水虻幼虫从出料口出料，完成筛分。整机工作时，动力来源于调速电机，通过链传动带动滚筒筛运动，传送带可以保证滚筒筛进料口的黑水虻虫沙均匀通过，两级滚筒上的筛孔直径由小变大，可以保证黑水虻虫沙分离的效果。

1.2 滚筒筛设计

筛孔大小是影响滚筒筛分离效果的关键参数。运用TRIZ理论解决由筛孔大小引发的物理矛盾冲突[16]，通过筛孔直径的递增，实现黑水虻虫沙混合物在滚筒运动过程中逐步被筛分。

滚筒筛的筛孔采用交错式等三角形排布的圆孔[17]。根据有机肥和杂质的尺寸范围在1～6 mm，确定一级筛网的筛孔直径为4 mm，二级筛网的筛孔直径为6 mm，沿筛分方向排布。为保证筛分效果，结合筛孔大小，第1段滚筒的每列与每行相邻筛孔中心距离J取6 mm，第2段滚筒的每列与每行相邻筛孔中心距K为9 mm。滚筒筛采用厚度1.5 mm的钢板弯曲成型，筛孔采用激光切割成型，筛孔分布如图2所示。

图2 筛孔分布Fig.2 Expanded view of sieve holes

综合考虑整机尺寸和筛分效率，参考农业机械设计手册[18]，初步评估滚筒直径D为500 mm，根据公式L=(3～5)D，取L=1 500 mm，一级筛网L1=1 000 mm，二级筛网L2=500 mm。

1.3 运动分析

物料的筛分在筛面上的运动过程中进行，物料在筛面上的运动形式决定了筛分装置的最佳筛分效果。滚筒筛工作时，滚筒绕其轴线做旋转运动，忽略物料与物料之间的相互作用，以黑水虻虫沙混合物中颗粒作为研究对象，分析其在自身重力G、摩擦力f、离心力F、压力N的共同作用下随滚筒筛运动的受力，如图3所示。

图3 黑水虻虫沙颗粒受力及运动轨迹Fig.3 Force and movement trajectory of black solider fly insect sand particle

以Q点为原点重新建立平面坐标系，黑水虻虫沙颗粒到达Q点时脱离筛面做抛物运动，此时混合物料自身重力G的法向分力与离心力F相等，计算公式[19]如下。

式中，m为黑水虻虫沙颗粒质量，kg；R为滚筒筛半径，mm；g为重力加速度，9.8 m·s-2；v为切向速度，m·s-1；θ为脱离角，（°）。

n 为滚筒转速，r·min-1。当 θ=90°时，黑水虻虫沙颗粒运动到M点，此时的滚筒转速等于滚筒临界转速。将R=250 mm带入(2)式中，得到滚筒的临界转速n0=59.82 r·min-1。

黑水虻虫沙颗粒在滚筒内的周期运动可以分为圆周运动和抛物线运动。第1阶段是黑水虻虫沙颗粒从P到Q做圆周运动，第2阶段是黑水虻虫沙颗粒从Q到P做抛物线运动，其运动轨迹方程分别为式（3）和式（4）。

x，y为颗粒的横、纵标，联立式(3)、式(4)可以计算出2个方程的交点，分别为黑水虻虫沙颗粒离 筛 点（0，0）、颗 粒 和 筛 面 的 碰 撞 点（4Rsin2θcos θ，-4Rcos2θsin θ）。黑水虻虫沙颗粒在滚筒内的翻动程度最大时，则|yP-yQ|取最大值。令dy=0，可得x=Rsin2θcos θ，将 x值带入式(4)可得式（5）。

由于滚筒是倾斜放置的，黑水虻虫沙颗粒在滚筒内的运动轨迹近似螺旋线，如图4所示。

图4 黑水虻虫沙混合物空间运动轨迹Fig.4 Space movement trajectory of black solider fly insect sand mixture

滚筒存在倾角φ，黑水虻虫沙颗粒在滚筒内连续运动时，其相邻2次的落点不在同一位置，而是沿滚筒轴线方向相隔一定距离，相隔距离的大小与滚筒的直径、转速和倾角有关，并假设颗粒在滚筒中运动时不发生轴向滑动（图5），则相邻2次落点间沿滚筒轴向方向的距离S计算如下。

图5 滚筒筛物料运动轨迹Fig.5 Trajectory of the material movement of the trommel

黑水虻虫沙颗粒在滚筒内的运动时间等于圆周运动阶段的物料运动时间（T1）与抛物线运动时间（T2）之和，其计算公式[20]如下。

式中，ω为颗粒在滚筒内的角速度，rad·s-1。由此可得物料在滚筒内沿轴线方向的速度V。

由式(5)～（8）可得，黑水虻虫沙颗粒在滚筒内运动时与滚筒筛倾角φ、滚筒的转速n、滚筒半径R有关。

1.4 试验材料

筛分试验所用物料为黑水虻虫沙混合物，取自湖南农业大学耘园黑水虻基地。试验前人工分选混合物料中各成分占比，得到黑水虻幼虫、有机肥、杂质所占总物料的百分比为50%、45%、5%。

首先，采用WGLL-230BE电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）和LE104E/02电子天平（上海梅特勒-托利多仪器有限公司，分度值0.1 mg）测量黑水虻虫沙混合物的湿重和干重，计算含水率为30.2%。

1.5 单因素试验

1.5.1 单因素设计方案 为确定响应面试验的各因素水平范围，对滚筒转速、滚筒倾角、喂入量3个因素进行不同水平的单因素试验。每组试验重复3次，取平均值。在固定滚筒倾角为7°、喂入量为1.5 t·h-1的工况下，滚筒转速分别设置为20、30、40、50、60 r·min-1；在固定滚筒转速为40 r·min-1、喂入量为1.5 t·h-1的工况下，滚筒倾角分别设置为5°、6°、7°、8°、9°；喂入量的选择与滚筒长度、滚筒转速、滚筒倾角以及滚筒直径有关[21]，在固定滚筒转速为 40 r·min-1、滚筒倾角为 7°的工况下，喂入量分别设置为1.0、1.2、1.5、1.8、2.0 t·h-1。

1.5.2 单因素试验结果评价 为得到滚筒筛最佳的筛分效果与装置工作参数之间的关系，以滚筒转速、滚筒倾角以及喂入量作为试验因素，以含杂率和损失率为评价指标，确定影响黑水虻虫沙混合物分离效果的主次因素，通过单因素试验确定各因素水平范围，通过响应面试验确定各因素最优参数组合，并且对最优参数进行试验验证。

式中，Y1为含杂率，%；Y2为损失率，%；m0为出料口的物料总质量，kg；m1为出料口的物料中黑水虻幼虫质量，kg；m2为筛下物中黑水虻幼虫质量，kg。

1.6 优化试验

利用Design-Expert10.0.7软件进行三因素三水平组合试验与分析[22]。选取滚筒转速、滚筒倾角、喂入量为试验因素，以含杂率、损失率为试验响应指标。根据滚筒转速、滚筒倾角、喂入量的单因素试验结果，试验因素组合编码如表1所示。

表1 试验因素编码Table 1 Coding of test factors

2 结果与分析

2.1 单因素对黑水虻虫沙分离的影响

2.1.1 滚筒转速对黑水虻虫沙分离的影响 由图6可知，随着滚筒转速的增加，含杂率呈现先降低后上升的趋势，损失率则呈现上升的趋势。原因是当滚筒转速＜50 r·min-1时，随着滚筒转速的增加，单位时间内滚筒筛分面积增大，有机肥颗粒和杂质透筛概率增大，含杂率逐渐减小；当滚筒转速＞50 r·min-1时，有机肥颗粒和杂质与滚筒筛接触不充分，透筛概率减小，含杂率逐渐增大。随着滚筒转速增大，黑水虻幼虫受到的离心力增大，当黑水虻幼虫运动到二级筛网时，部分小比例长度的黑水虻幼虫透筛率增大，导致损失率逐渐增大。

图6 不同滚筒转速下黑水虻虫沙分离效果Fig.6 Effect of drum speed on the separation of black water fly insect sand

2.1.2 滚筒倾角对黑水虻虫沙分离的影响 由图7可知，随着滚筒倾角的增加，含杂率呈现上升的趋势，损失率呈现下降的趋势。原因是随着滚筒倾角的增加，物料轴向运动速度增快，有机肥颗粒和杂质透过筛孔的概率减小，导致出料口的有机肥和杂质增多，含杂率逐渐增大。此时，随着滚筒倾角的增加，黑水虻的下滑力增大，与二级筛网的接触时间明显缩短，黑水虻幼虫的透筛概率减小，损失率逐渐减小。

图7 滚筒倾角对黑水虻虫沙分离效果的影响Fig.7 Effect of the drum inclination angle on the separation of black water fly insect sand

2.1.3 喂入量对黑水虻虫沙分离效果的影响 由图8可知，随着喂入量的增加，含杂率呈现上升的趋势，损失率呈现下降的趋势。原因是随着喂入量的增加，物料与滚筒筛筛网的接触面积减少，有机肥和杂质的透筛概率减小，导致含杂率逐渐增大。此时，随着喂入量的增大，黑水虻幼虫与筛网的接触面积减少，黑水虻幼虫的透筛概率减小，导致损失率逐渐减小。

图8 喂入量对黑水虻虫沙分离效果的影响Fig.8 Effect of feeding amount on the separation of black water fly insect sand

2.2 三因素三水平试验结果分析

2.2.1 试验方案与结果分析 三因素三水平试验结果如表2所示，在不同试验因素水平值条件下，评价指标中含杂率的变化范围为0.95%～2.40%，损失率的变化范围为8.43%～19.05%。

表2 试验方案与结果Table 2 Experiment design and response values

2.2.2 回归方程建立和显著性分析 采用Design-Expert10.0.7软件对含杂率、损失率进行回归拟合分析[23]，建立含杂率Y1、损失率Y2的回归方程。

对影响试验指标的3个因素进行显著性检验与分析，最终获得显著性试验因素与评价指标的二次多项式响应面回归模型，模型显著性分析结果如表3和4所示。

由表3和4可知，含杂率和损失率的响应面模型的P值均小于0.01，表明回归模型极显著；失拟项分别为0.267 7和0.122 6，均大于0.05，表明失拟不显著，该回归模型拟合的二次回归方程与实际试验结果相符合，表明滚筒转速、滚筒倾角、喂入量对含杂率Y1与损失率Y2都有显著影响。试验因素对含杂率的影响从大到小为喂入量、滚筒转速、滚筒倾角，对损失率的影响从大到小为滚筒转速、喂入量、滚筒倾角。含杂率回归模型的P＜0.05，损失率回归模型的P＜0.05，表明3个回归项在回归模型中交互影响显著；两模型的决定系数R2与校正决定系数均接近于1，变异系数与精密度分别为4.67%、4.77%和24.605、22.699，说明该含杂率与损失率拟合回归模型具有较高的可靠性。

表3 含杂率模型显著性检验结果Table 3 Significance test result of impurity rate model

表4 损失率模型显著性检验结果Table 4 Significance test result of loss rate model

2.2.3 响应面分析 根据回归模型分析的结果，利用Design-Expert10.0.7软件绘制各元素交互效应3D响应曲面，如图9所示。当喂入量为1.2 t·h-1，随着滚筒倾角的增大，含杂率逐渐降低；当喂入量为1.8 t·h-1，随着滚筒倾角的增大，含杂率逐渐增大，表明喂入量对含杂率的影响比滚筒倾角更大，这是因为喂入量增大时，物料与滚筒筛筛网的接触面积减少，有机肥和杂质的透筛概率减小，导致含杂率逐渐增大。当滚筒倾角由5°增大至7°时，损失率随着滚筒转速的增大而增大，由于滚筒转速增大，黑水虻幼虫受到的离心力增大，当黑水虻幼虫运动到筛孔直径增大的二级筛网时，部分小比例长度的黑水虻幼虫透筛率增大，导致损失率逐渐增大。当滚筒转速由30增大至50 r·min-1时，损失率随着喂入量的增大而增大，表明滚筒转速对损失率的影响较喂入量对损失率的影响大。

图9 各因素对分离性能影响的响应曲面Fig.9 Response surface of the influence of various factors on separation performance

2.3 优化验证结果分析

对经过软件优化求解的最优参数组合进行验证试验，根据含杂率和损失率的回归模型，运用Design-Expert10.0.7软件，以含杂率和损失率最小为条件，求解回归模型得到的最佳参数分别为：滚筒转速 30 r·min-1、滚筒倾角 7°、喂入量 1.6 t·h-1。黑水虻虫沙分离装置的验证结果如表5所示，含杂率平均值为1.165%，损失率平均值为8.877%。优化参数的验证结果与预测结果的误差在允许范围内，表明预测的结果具有可靠性。

表5 验证结果Tab.5 Verification result

3 讨论

目前，国内学者对黑水虻虫沙的机械分离研究较少，本文研制出一种两级分段式黑水虻虫沙滚筒筛分装置，以滚筒转速、滚筒倾角、喂入量为试验因素，损失率和含杂率为评价指标，进行滚筒筛分试验，得到最优参数组合方案：滚筒转速为30 r·min-1，滚筒倾角为7°，喂入量为 1.6 t·h-1。验证结果表明，该机在最优参数下的平均含杂率为1.165%，平均损失率为8.877%。对比人工分离黑水虻虫沙的效果，该装置的分离速度快，含杂率和损失率均处于较低水平，证明此装置满足分离要求。

本文设计的装置在不增加整机复杂性的基础上实现了黑水虻虫沙混合物的逐步筛分，该装置可实现黑水虻幼虫、有机肥有效分离，为黑水虻虫沙的二次利用创造了便利条件，也为黑水虻幼虫生物转化餐厨垃圾的规模化生产提供了条件。

同时，本研究的滚筒筛是黑水虻幼虫机械养殖中筛分环节的关键装置，黑水虻幼虫机械养殖的环节包括布料、取料、转移、运输与筛分，之后的研究应该注意黑水虻虫沙的筛分与取料、运输等环节之间的匹配问题，包括滚筒筛的喂入量与传送带速度之间的匹配等。