基于EDEM固液分离装置螺旋轴参数优化与试验

常金攀 果 霖 贺小梅 王建坤 方启明

(云南农业大学机电工程学院，云南 昆明 650201)

餐厨垃圾为食物垃圾的一种。据统计[1]，中国每年产生餐厨废弃物4 000多万t，且还在以每年5%～10%的增速上涨。餐厨垃圾长时间得不到处理，其有害物质可能会不断扩散，进而污染水资源，土地资源，危害人类健康[2]。目前国内外利用先进的工艺技术和科技技术研制了餐厨垃圾处理设备，资金投入较大，设备维护成本较高，费工费时，还无法保证处理效果达到预期。侯嘉鑫等[3]研制了一种绿色厨余垃圾处理器，但在压榨过程中是通过人力进行研磨和挤压，处理效率低；罗文苑等[4]设计了一种小型餐厨垃圾处理设备，集自动化、小型化、低能耗于一体，但无法调节螺旋杆转速，压缩效率不高；金荣通等[5]设计的厨余垃圾处理器，居民在家中可直接对厨房食物垃圾进行初步处理但螺旋挤压脱水装置的压缩距离过短，对食物残渣的挤压力不够，因此在排出时有水流带出；黄将诚等[6]设计了一种食物垃圾处理器，可以在搅拌和压榨过程中进行智能切换，操作简单，但在控制系统设计方面需进一步优化。王浩璇等[7]设计了一种餐厨垃圾渣液分离机，实现了快速而有效的固液分离，但在粉碎和固液分离的智能控制方面需进一步优化。

针对目前餐厨垃圾固液分离装置中存在的脱水率低，出料不畅问题，研究拟针对原有的餐厨垃圾固液分离装置中螺旋轴的结构进行参数优化，并对螺旋轴进行EDEM离散元仿真分析，对制作样机进行实验验证，旨在为新型固液分离装置的设计和优化提供一定的参考和依据。

1 固液分离装置螺旋轴结构优化

试验设计的餐厨垃圾处理器主要包括粉碎装置、固液分离装置、油水分离装置、控制装置4部分，压缩装置作为餐厨垃圾处理器的关键部分，由机架、减速机、螺旋杆、出料叶片、出料板、过滤网等组成。固液分离装置的关键部件为螺旋轴，其决定了脱水率的高低。图1为基于Creo三维制图软件绘制的固液分离装置三维图。

1. 机架 2. 底板 3. 出水口 4. 进料口 5. 分离中板 6. 减速机板 7. 减速机 8. 出料叶片 9. 螺旋轴 10. 出料口 11. 过滤网 12. 外壳 13. 底座图1 固液分离装置Figure 1 Solid liquid separation device

1.1 工作原理

餐厨垃圾处理过程：将餐厨垃圾缓慢投入粉碎装置进料口处，粉碎，研磨，粉碎后的餐厨垃圾直径约为3 mm，在水流的冲击下流入固液分离装置进行挤压脱水。挤压脱水工作原理：食物残渣在螺旋轴的输送阶段作轴向运动和径向运动，水流经过滤网排出，剩下的固体残渣被输送至压缩阶段，随着空间逐渐变小，进入压缩阶段后在螺旋轴和滤网的挤压和摩擦下将残渣中的水分和油脂经过滤网缝隙排出，而固体残渣在螺旋轴的离心力和出料叶片的旋转作用下排出。挤压脱水过程中，可以通过控制装置调节螺旋轴转速，处理含纤维量不同的食物残渣。

1.2 螺旋轴结构参数优化

螺旋轴的主要结构参数有螺旋输送距离、螺旋压缩距离、螺旋轴压缩端直径、螺旋叶片直径、螺旋叶片厚度、螺距等。为了进一步研究螺旋压缩距离、螺旋轴压缩端直径和螺旋叶片直径3个因素对螺旋轴工作性能指标的影响，采用L9(34)的正交表进行三因素三水平正交试验，并应用EDEM软件进行模拟仿真，得出最优结构参数组合。正交试验因素水平表见表1，试验设计及结果见表2。

表1 试验因素水平表Table 1 Table of test factors

由表2可知，平均受力最优方案为A2B3C2，平均速度最优方案为A2B2C1。对于平均受力指标来讲，B的极差最大，故取B2最好；对于平均速度指标来说，C的极差最大，故取C1最好。因此最优的参数组合为A2B3C1，即螺旋轴压缩距离180 mm，螺旋轴压缩端直径96 mm，螺旋叶片直径97 mm，根据样机大小，将螺旋轴总长度设计为553 cm，螺旋叶片厚度选取4 mm，螺距为50～10 mm线性渐变，进料螺旋均选用15°螺旋角。图2为优化后的螺旋轴二维图。

图2 螺旋轴二维图Figure 2 Two-dimensional plot of the helix axis

表2 正交试验方案及结果Table 2 Test scheme and test results table

2 EDEM仿真分析

2.1 仿真模型建立

通过Creo软件建立餐厨垃圾固液分离装置优化后的三维模型，为了使EDEM离散元仿真计算更加方便、准确，对固液分离装置进行简化，省略不必要的结构。保留固液分离装置中的螺旋杆、过滤网、出料叶片、出料板、进料口等结构，省去减速器、机架等结构。将三维模型保存为*.igs格式，导入EDEM前，选择以毫米为单位进行导入，导入EDEM后的固液分离装置实体模型如图3所示。

图3 压缩装置实体模型Figure 3 Solid model of the compression unit

2.2 仿真参数设置

导入模型后，对残渣颗粒和不锈钢的物理特性进行参数设置(见表3)。对导入后的螺旋轴添加驱动，速度方向为顺时针方向200 r/min，结束时间≥仿真时间。添加虚拟几何体至食物残渣进口处，于几何体上添加颗粒工厂，设置动态生成颗粒，颗粒总数30 000，生成速度1 000颗/s，颗粒初始速度1 m/s，速度方向垂直于食物残渣进口界面，对仿真环境进行设定，保存。仿真前，设置固定时间步长为20%，仿真时间22 s,采样时间0.05 s，选取合适的单元网格。仿真完成后，进入Analysis界面进行数据处理，并对仿真结果进行分析。

表3 材料属性参数Table 3 Property parameters of the material

2.3 颗粒接触模型

EDEM仿真可以获得包括颗粒等疏松材料与机器表面相互作用的内部行为，系统内元素之间相互碰撞的级别、频率和分布，每个颗粒的速度和位置，与散货中颗粒冲击、磨损、凝聚和分离相关的能量，金属微粒结构的应力链和结构完整性[8]。

运用EDEM离散元软件进行压缩过程仿真，用颗粒模型代替食物残渣，最大程度地还原食物残渣的物理特性，使仿真结果更加接近真实情况，图4为颗粒模型，颗粒直径大小为4 mm左右，质量为2.4 g，表4为材料的相互接触参数。运动过程中，颗粒与颗粒之间会产生相互作用力。物料之间存在相互作用的黏性力、碰撞力等[9]，Hertz-Mindlin模型是EDEM中使用的默认模型，在力的计算方面精确且高效。该模型中，法向力分量基于Hertzian接触理论[10]，切向力模型基于Middlin-Deresiewicz模型[11]。因此，根据实际情况，采用Hertz-Mindlin with bonding接触模型[12-13]。

表4 材料的相互接触参数Table 4 Mutual contact parameters of the materials

图4 颗粒模型Figure 4 The particle model

2.4 结果与分析

通过对餐厨垃圾固液分离装置仿真产生的相关数据进行处理与分析，得到优化后的螺旋轴颗粒速度云图、受力云图、出料口最大速度变化图、出料口最大受力变化图如图5～图8所示。

由图5、图6可知，颗粒在固液分离装置中经过输送阶段和压缩阶段，输送过程中，颗粒的速度、受力逐渐增大，在出料口处达最大。由图7、图8可知，物料在8 s内被挤压排出，8 s后颗粒的速度和受力幅度平稳，固液分离装置稳定运行。因此，选取8～11 s挤压过程进行仿真分析，得出固液分离装置出料口的受力范围为2.7～4.5 N，平均受力3 N，出料速度范围为1.3～4.7 m/s，平均速度1.9 m/s，该受力结果满足餐厨垃圾固液分离装置正常工作要求。为了验证仿真结果，需制作样机对仿真结果进行进一步验证。

图5 颗粒速度云图Figure 5 Particle velocity cloud map

图6 颗粒受力云图Figure 6 Cloud map of particle particles

图7 出料口最大速度变化图Figure 7 Maximum speed change diagram of the material outlet

图8 出料口最大受力变化图Figure 8 Maximum force change diagram of the feeding outlet

3 实验验证

3.1 试验条件

选用餐厅的熟食作为试验材料，主要包括肉类、蔬菜、米饭等。对熟食进行粉碎，粉碎后的残渣在水流的冲击下进入固液分离装置，水流通过过滤网流入下水道，固体残渣在螺旋轴和过滤网的挤压和摩擦下，经出料口排出，对挤出的物料进行后续分析。

3.2 试验方法

为了使试验结果更具普遍性，对优化前后的螺旋轴进行比较，分别投入20，25，30，35，40，45 kg物料，计算每次试验物料的脱水率ω及处理量M，含水率ω0通过WL型餐厨垃圾含水率测定仪器测出，并按式(1)、式(2)分别计算物料脱水率和处理量。

(1)

(2)

式中：

ω——物料脱水率，%；

M——物料处理量，kg/h；

M1——投入粉碎机原始物料质量，kg；

M2——挤出物料质量，kg；

M——挤出物料处理量，kg/h；

T——挤出物料所需时间，h。

3.3 结果与分析

由表5可知，当物料原始质量为30 kg时，优化前，餐厨垃圾固液分离装置的平均挤出物料质量为10.6 kg，平均处理量为106.38 kg/h，平均脱水率为64.68%，挤出物料的平均含水率为78.98%；优化后，餐厨垃圾固液分离装置的平均挤出物料质量为5.52 kg，平均处理量为315.5 kg/h，平均脱水率为81.4%，挤出物料的平均含水率为53.38%；优化后的脱水效果优于优化前的，说明优化后的装置在出料顺畅的情况下，提高了物料的脱水率。

表5 试验结果Table 5 Experimental data table

4 结论

(1) 优化后的餐厨垃圾固液分离装置螺旋轴结构输送长度为373 mm，压缩长度为180 mm，螺旋轴压缩端直径为96 mm，螺旋叶片直径为98 mm，总长度为553 mm。

(2) 通过EDEM离散元仿真软件对挤压过程进行仿真分析，得出固液分离装置出料口的受力范围为2.7～4.5 N，平均受力3 N，出料速度范围为1.3～4.7 m/s，平均速度1.9 m/s，固体残渣在螺旋轴输送阶段速度、受力稳定，在物料被挤出前，随着时间的增加，物料的速度和挤压力逐渐增大，且在出料口处均达最大值。

(3) 通过样机实验验证了EDEM对餐厨垃圾固液分离装置仿真的效果，优化后的螺旋轴脱水效果优于优化前，说明正交试验得出的参数为螺旋轴最优参数。

(4) 试验对螺旋轴参数进行了优化，此外，后续可以考虑通过优化过滤网孔隙直径的方式来提高食物残渣的脱水率。