有机垃圾脱水试验及压榨脱水机螺旋体结构设计

张 燕，郑庆强

（1.枣庄科技职业学院，山东枣庄 277569；2.枣庄职业学院，山东枣庄 277100）

0 引言

在政府的大力倡导下，城镇生活区普遍实现了垃圾的分类收集。对于分类后的厨余垃圾进行压榨脱水好氧堆肥是垃圾处理的一个重要途径。基于此，通过试验研究菜市场垃圾有机物压缩、脱水特性特点和现有有机物压缩脱水设备的优缺点，设计研发一种新型菜市场有机垃圾脱水机。该脱水机既可完成物料的输送，又可实现压缩脱水及简单的破碎，将垃圾资源化。

本文以螺旋压缩理论研究为基础，选取不同季节菜市场垃圾作为试验原材料进行脱水试验，取得有机垃圾的压缩脱水特性及保压时间和脱水率的关系数据，并以此为依据，充分考虑螺旋压缩脱水机螺旋体的工作特点，从材料选择、螺旋轴结构参数等方面进行设计，确保经螺旋压榨脱水机处理后的颗粒粒径和含水率可满足厨余垃圾高温好氧堆肥的条件。

1 螺旋压缩理论研究

螺旋压缩是通过螺旋叶片间的推力使物料向前移动，从而使物料压缩物料产生推力，压榨螺旋的螺距减小，使物料所含的水分被挤压出来。有机垃圾含有大量的水分，含水率高达50%～92%。为提高脱水率，主压缩仓设计筛壁和锥形体，锥形体后部装有弹簧，通过调节弹簧的预紧力和位置，可改变排阻力和出渣口的大小，用来调节压榨的干湿程度。用该类螺旋轴进行压缩脱水不仅能完成正常螺旋轴的输送、压缩功能，还能较好地减少物料浪费、节省电机耗能。

2 垃圾压缩脱水特性研究

试验采用的菜市场有机垃圾压缩脱水性能检测装置有六大组成部分，包括机体、千斤顶、压缩活塞、压缩仓、位移传感器、压力传感器以及渗滤液收集装置。该装置借助于千斤顶及活塞运动压缩有机垃圾，利用位移传感器、压力传感器和秒表记录位移、压力和时间参数；利用天平分别对收集的渗滤液及烘干前后压缩仓内的残余垃圾称重，进行有机垃圾压缩脱水性能研究[1]。

选取的试验原材料包括以西瓜皮、小西红柿、芹菜等为主的夏季菜场混合物，或者选取大白菜、冬瓜皮等为主的冬季菜场混合物。试验过程：选择部分厨余垃圾物料，经天平称量，记下物料重量M1后放入压缩仓，调试实验装置并校对位移传感器的初始值，通过活塞工作对物料施加压力，分别记下压力传感器值和位移传感器值和秒表记录保压时间；用事先准备好的容器收集压缩液，将不同时刻收集好的压缩液用天平称重，记录相应时刻压缩出水重量N1、N2、N3、…。完成一组试验后关闭电源，将压缩仓内脱水后的垃圾取出并称重M2，M1-M2即脱水总量，脱水率γ=（M1-M2）/M1×100%。另外，从M2中取样m1，对其烘干并称重得m2，可以计算出压缩后物料的含水率ξ=（m1-m2）/m1×100%。

利用Origin 软件对实验数据进行分析以及回归拟合曲线，得出位移、压强以及压缩比的变化关系（图1）和保压时间一定时的脱水率随压强的变化关系（图2）。

图1 位移、压强、压缩比的变化关系曲线

图2 保压时间一定时脱水率随压强变化曲线

根据实验数据，确定生活垃圾中转压缩时需要的压强取值范围，一般建议为1.5～2.4 kg/cm2[2]。该数据为垃圾压缩机的重要参数设计提供了依据，即脱水压强（1 kg/cm2=98 kPa）。

除了脱水压强之外，脱水保压时间则是影响有机垃圾压缩脱水机工作性能的另一个重要参数。根据试验数据分析结果，保压时间在30 s 左右时，有机垃圾压缩脱水机的工作效率比较高，而且耗能较低。将图2 保压30 s 的曲线进行变换，可得到30 s 保压时间下的脱水率。大白菜脱水试验得出合理的压强为2.4 kg/cm2左右，最佳保压时间为30 s。

3 压缩机螺旋体结构参数设计

螺旋体的主体是螺旋轴，螺旋轴的设计主要考虑其在压榨脱水时的工作条件和所要满足的工作要求，确定出螺旋轴的主要结构参数，比如：螺旋轴直径、压缩比、螺距和螺旋槽深度等。设计时要根据试验情况对其进行受力分析和强度校核，以防止螺旋轴在工作中受各种阻力及物料的摩擦力而磨损，甚或是因强度不够而破坏。为提高脱水率，设计螺旋压缩机时可适当考虑轴向和径向都有力作用于物料，即：选用变径变螺距的螺旋轴[3]。

3.1 螺旋轴的材料选择

3.1.1 确定转速

转速是决定脱水机生产能力的一个主要因素，而影响螺旋轴转速的主要因素是物料在脱水机内停留的时间。由于本脱水机压缩仓的横截面较大，脱水较为困难，故应选择较高的螺旋转速，螺旋轴直径越大转速相对越低，故选择小直径的螺旋转速，一般为5～20 r/min。综合实际生产等设计因素，经计算转速为6.5 r/min。

3.1.2 螺旋轴的材料

结合螺旋脱水机工作特点及螺旋轴的受力状态，该脱水机螺旋轴选择铸造结构，即螺旋叶片和轴是一个整体，采用铸造性能较好的铸钢材料。铸刚强度高、塑性好，切削性能良好，图3 为螺旋压榨脱水机螺旋轴局部效果图。

图3 螺旋轴局部效果

3.2 螺旋轴结构参数的确定

螺旋压缩脱水机的螺旋轴在结构上分为输送段和压缩段，输送段起到计量和喂料的作用，它将给料机输送的物料经螺旋叶片输送至螺旋轴的压缩段，以利于进料和输送；压缩段实现以很大的轴向力将输送至螺旋轴的物料强行推入脱水机后部的压缩仓内，并实现足够的脱水压力。螺旋轴的参数主要包括轴径、螺距、叶片厚度及螺旋升角等，各参数相互关联。要确定合适的轴径和螺距必须考虑螺旋面和物料的摩擦关系，从而明确物料的滑移方向，其次要考虑物料滑移速度分量的合理分布，还要综合考虑生产及脱水效率等综合因素设计。

3.2.1 螺旋轴轴径

参考试验结论及同类产品的尺寸规格，根据实际情况，外径取值：D=Φ=400 mm，轴径取值：d=（0.20～0.35）D=80～140 mm，本文螺旋轴直经为100 mm，轴长为1500 mm。

3.2.2 螺距和螺距数目

输送段的螺距大小决定着进料的难易程度，故一般输送段的螺距取值较大，考虑物料整体颗粒的大小及整台设备的长度，螺距取值：L=320 mm；因为压缩段要提供足够大的轴向力以实现脱水的目的，故在外径确定的情况下，螺距越小螺旋升角越小，轴向力越大，故压缩段的螺距一般取值较小，取：L=240 mm。另外，应考虑物料与螺旋叶片及物料与压缩仓之间的摩擦因数大小，以防止出现“抱死”现象。综合整个设备的长度，取输送段螺距数目为2，压缩段螺距数目为2。图4 为螺旋轴结构仿真图，输送段螺距较大，压缩段螺距较小。

图4 螺旋轴整体结构仿真

3.2.3 螺旋叶片厚度选取

螺旋叶片的厚度和叶片的材料、轴向力的大小及叶片和轴的连接方式有关。初步取螺旋叶片的厚度为10 mm。

3.2.4 旋槽深度

螺旋槽的深度是螺旋轴外半径与根半径之间的差值，取值参考物料的脱水性质，易脱水的物料取大值，反之取小值，一般取（0.2～0.3）D。若螺旋槽过深，则物料层变厚，会增加脱水难度，而且易发生打滑现象。因此该螺旋脱水机螺旋槽深度取值为400/2-100/2=150 mm，稍微大于0.3D。

3.2.5 螺旋升角

在螺旋轴的设计过程中，螺旋升角不能太大，否则不能起到推动物料前进的作用，图5 所示为螺旋叶片的提升角。图中斜边L 与周长πD 的夹角为螺旋外提升角α1，斜边l 与πd 之间的夹角为内提升角α2，α2＞α1，并且（α2—α1）连续渐渐升高。

图5 螺旋提升角示意

如图6 所示，处于螺旋叶片外缘的物料M，受到螺旋叶片推动而向右前进，螺旋叶片施加于物料M 的法向压力为N，N的轴向分力Ncosɑ1，促使物料M 前进。与此同时，M 又受到摩擦阻力Nf1的影响（其中f1为物料M 与叶片之间的摩擦因数，f1=tgρ，ρ 为物料M 与叶片之间的外摩擦角），摩擦阻力的轴向分力为Nf1sinα1，成为物料向前运动的阻力。因此要使物料向前运动，必须满足的条件为：Ncosɑ1≥Nf1sinα1，即：ctgɑ1≥f1=tgρ，所以有：ɑ1≤90°-ρ。同样对于螺旋内角也可以得到：ɑ2≤90°-ρ。由于ɑ2＞α1，因此在设计计算螺旋提升角时，只需验算ɑ2是否满足条件即可。本设计中，tgɑ2==1.108 6，ɑ2=arctg45.53°。

图6 物料在螺旋叶片上受力分析

3.3 螺旋轴的设计

螺杆在工作中受物料压力F、螺杆本身的自重以及克服物料流动阻力的力矩。螺杆在挤压脱水机内为悬臂梁，螺杆为浮动式[4]，弯矩可以忽略不计。对螺杆的强度校核时，要考虑螺杆所受的径向压力，即为压、扭、弯组合作用的复合计算。根据实验结果和生产经验，初步选定螺旋轴直径100 mm，对转轴进行弯扭合成强度校核。

对于钢制螺旋轴可按第三强度理论计算，强度条件为：σca=则轴的弯扭合成强度条件为：σca=［σ-1］，推得螺旋轴设计公式为：d3≥。其中，σca是轴的计算应力，MPa；M 是轴所受的弯矩，N·mm；T 是轴所受的扭矩，N·mm；W 是螺旋轴危险截面弯曲截面系数，mm3。其中，W为抗弯截面模量，且W=≈0.1d3，M 为危险截面上的合成弯矩，可根据电机功率计算得出。

由于芯轴工作时只受弯矩不受扭矩，计算时应取T=0。

实体材料以45#钢为例，弯曲许用应力为245～275 MPa[6]，设计中取245 MPa。在要使螺旋轴获得等强度，根部的螺杆轴直径需满足：d3≥0.00 873 347，得到d≥0.095 586 29 m。这里螺旋轴取值为100 mm，满足弯扭联合强度要求。

通过推演计算，确定螺旋体结构参数（表1）。

表1 脱水机主要设计参数

4 结语

通过对螺旋压缩机的理论研究，参照菜场垃圾的压缩脱水特性，对螺旋体的结构进行相关分析并初步确定关键参数，基于此，可对螺旋体的受力情况做进一步的分析计算，进而研究脱水机的其他几个核心部件，如螺旋轴的动力源选型、主压缩仓的设计以及反压装置的结构设计等。