蚯蚓分選用篩網(wǎng)自清理裝置研究

山東濟南大學(xué)泉城學(xué)院工學(xué)院　　杜文圣　王睿晗

蚯蚓分選用篩網(wǎng)自清理裝置研究

山東濟南大學(xué)泉城學(xué)院工學(xué)院杜文圣王睿晗

本文分析了蚯蚓分選用直線振動篩篩網(wǎng)產(chǎn)生堵孔、粘孔的主要原因，并據(jù)此提出了解決蚯蚓分選過程當(dāng)中堵孔、粘孔問題的方法；設(shè)計了一種凸輪式篩網(wǎng)自清理裝置，能夠在直線振動篩工作過程中實現(xiàn)篩網(wǎng)的自清理，從而解決堵孔、粘孔問題，并對該裝置進行了運動仿真，驗證了其實現(xiàn)的可行性。

蚯蚓分選；篩網(wǎng)堵孔；粘孔；篩網(wǎng)自清理裝置；ADAMS運動學(xué)仿真

1　篩網(wǎng)堵孔、粘孔問題研究

蚯蚓飼養(yǎng)基混合物主要成分為較為潮濕的蚯蚓糞，將飼養(yǎng)基混合物中絕大部分的蚯蚓糞分選出后，其他產(chǎn)物就較為容易分選［1］。然而蚯蚓飼養(yǎng)基混合物含水量較高、體量大、粒度小，利用直線振動篩進行蚯蚓分選時，容易產(chǎn)生堵孔、粘孔現(xiàn)象，蚯蚓飼養(yǎng)基混合物很難松散、分層，使直線振動篩篩分的有效面積減小，篩分效率將明顯降低，最終可能導(dǎo)致篩機無法正常工作。

1.1篩網(wǎng)堵孔的原因分析

在直線振動篩運行過程中，由于一部分蚯蚓飼養(yǎng)基中的顆粒略大于或者接近篩網(wǎng)網(wǎng)孔直徑，在這部分顆粒跳動透篩過程中，顆粒與篩網(wǎng)網(wǎng)孔之間產(chǎn)生一定的夾緊力使顆粒無法透過篩網(wǎng)網(wǎng)孔，從而產(chǎn)生堵孔現(xiàn)象；其次，由于編織篩網(wǎng)的篩絲過粗，在透篩過程中顆粒容易卡住篩孔；還有因為顆粒的不規(guī)則性，使其與篩網(wǎng)網(wǎng)孔有多個接觸點，極易堵孔；篩網(wǎng)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)不合理，特別是橡膠篩網(wǎng)［2］，由于橡膠篩網(wǎng)較厚，沿其厚度方向上篩網(wǎng)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)下小上大，容易使顆?？ㄗ?；另外，篩網(wǎng)堵孔還與物料與篩網(wǎng)之間的摩擦力以及靜電有關(guān)。普通振動篩篩網(wǎng)由于不具有自清理能力而導(dǎo)致篩網(wǎng)堵孔問題無法解決，從而導(dǎo)致振動篩無法正常運行［3］。

1.2篩網(wǎng)粘孔的原因分析

在潮濕的蚯蚓飼養(yǎng)基混合物中，主要起到為蚯蚓糞顆粒之間液體橋引起的毛細(xì)管力的作用。蚯蚓糞越潮濕，顆粒越容易黏結(jié)成團。當(dāng)進行篩分時，由于物料的流速較大，顆粒因為毛細(xì)管力黏結(jié)在一起，一部分顆粒雖然分散，但仍有黏附在一起的趨勢［4］。因此，蚯蚓糞顆粒黏附在一起形成團狀易與篩網(wǎng)發(fā)生非彈性碰撞，將荷點的空氣壓縮排出，從而黏連在篩網(wǎng)上。形成低密度的真空間隙，外部的氣壓高于內(nèi)部的氣壓，蚯蚓糞穩(wěn)定地黏附在篩網(wǎng)上。另外，篩網(wǎng)上的篩絲交叉點很容易使蚯蚓糞顆粒滯留，篩面上的加固螺釘、支撐橫梁、支撐橫梁與篩網(wǎng)交界處等都容易使蚯蚓糞顆粒滯留，成為進一步聚集的凝聚核，最終在篩孔上形成一個覆蓋膜，堵塞網(wǎng)孔。

2　篩網(wǎng)堵孔、粘孔問題的解決方案

目前，解決篩網(wǎng)堵孔、粘孔問題主要從以下三個方面入手［7］。

（1）通過改變物料的運動方式而采用專用的振動篩。這些振動篩往往具有較大的傾角及振動強度，能夠使黏附在一起形成的團塊破碎，并將堵塞在篩孔中的顆粒拋出，從而有效地解決振動篩堵孔、粘孔的問題。

（2）通過改變篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和材料對篩網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計。實驗證明潮濕顆粒在表面光滑的疏水性材料聚氨酯篩網(wǎng)上的黏附量要比在金屬篩網(wǎng)上的黏附量少很多。另外，通過改變篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，能夠有效地防止振動篩堵孔。

（3）在篩網(wǎng)下方加入篩網(wǎng)自清理裝置。振動篩與篩網(wǎng)自清理裝置同時工作，在外力的作用下，使篩網(wǎng)產(chǎn)生短暫的彈性變形，從而解決了篩網(wǎng)堵孔、粘孔問題。

蚯蚓飼養(yǎng)基混合物含有一部分蚯蚓，對蚯蚓飼養(yǎng)基混合物進行篩分的過程中，不宜采用較大的拋擲強度，以避免對蚯蚓造成損傷。參考以上三種解決潮濕顆粒堵孔、粘孔的方案，對篩網(wǎng)進行選取并設(shè)計了一種篩網(wǎng)自清理裝置。

2.1篩網(wǎng)的選取

篩網(wǎng)是振動篩的關(guān)鍵部件，通過合理地選取篩網(wǎng)可以節(jié)約成本，并能在一定程度上解決堵孔、粘孔現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)篩網(wǎng)材料可以將其分為三種：蠶絲篩網(wǎng)、金屬篩網(wǎng)、合成纖維篩網(wǎng)。根據(jù)篩網(wǎng)的加工工藝可以將其分為三類：編織篩網(wǎng)、沖孔板篩網(wǎng)、電成型篩網(wǎng)。根據(jù)蚯蚓分選的要求，防止篩網(wǎng)堵孔、粘孔，并考慮耐磨性、制造成本等因素選擇沖孔板篩網(wǎng)，選用合成纖維材料。

2.2篩網(wǎng)自清理裝置研究

蚯蚓飼養(yǎng)基混合物的主要成分為蚯蚓糞，將蚯蚓糞分選出，其他產(chǎn)物分選過程將較為容易。直線振動篩篩網(wǎng)發(fā)生堵孔、粘孔時，由于不具有自清理能力導(dǎo)致篩機處理能力下降，嚴(yán)重時篩機將無法正常工作。此時需要將直線振動篩停機，將篩網(wǎng)拆卸下來，待清理完篩網(wǎng)堵孔后才能繼續(xù)工作［4］。這一過程嚴(yán)重影響了振動篩工作的連續(xù)性，使振動篩的篩分效率明顯下降。

為了解決篩網(wǎng)粘孔、堵孔問題，擬采用在篩網(wǎng)下方加入兩個拍打桿，對篩網(wǎng)進行往復(fù)拍打，篩網(wǎng)隨之產(chǎn)生短暫的彈性變形。由于篩網(wǎng)產(chǎn)生二次振動，能夠?qū)⒍氯念w粒拋出篩網(wǎng)，從而解決了篩網(wǎng)堵孔、粘孔的問題。由于物料在篩網(wǎng)中部滯留的時間較長，容易產(chǎn)生堵孔、粘孔，所以，需要將兩個拍打桿安裝在篩網(wǎng)中部。拍打桿的往復(fù)作用使篩網(wǎng)產(chǎn)生二次振動，從而使堵塞和粘附在篩網(wǎng)上的顆粒脫離篩網(wǎng)。整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，并且裝置運轉(zhuǎn)緩慢，對蚯蚓的損傷較小，是一種較為理想的篩網(wǎng)自清理裝置。

圖1　篩網(wǎng)自清理裝置原理簡圖

為了達到設(shè)計目的，擬采用以下方案：如圖2所示，減速電機通過聯(lián)軸器與凸輪1連接，凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動使與凸輪配合的桿2連續(xù)擺動，兩個拍打桿分別安裝在桿2和桿4上，經(jīng)過反平行四桿機構(gòu)2-3-4使兩個拍打桿同步反向擺動，從而達到拍打篩網(wǎng)的目的。

圖2　凸輪連桿式篩網(wǎng)自清理裝置簡圖

3　凸輪連桿式篩網(wǎng)自清理裝置的實現(xiàn)

對凸輪連桿式篩網(wǎng)自清理裝置進行設(shè)計時，首先要對凸輪機構(gòu)進行設(shè)計，隨著計算機輔助設(shè)計軟件的應(yīng)用和發(fā)展，利用解析法進行凸輪設(shè)計得到的結(jié)果越來越精確［5］。

圖3　凸輪機構(gòu)簡圖

圖3為凸輪機構(gòu)設(shè)計簡圖，在本文中擺動從動件凸輪的理論輪廓線方程為：

（1）推程階段

其中δ為凸輪擺動的角度，δ=ωt，

（3）回程階段

其中，π≤δ≤5π。3

（4）近休止階段

將凸輪的主要參數(shù)代入算式中，可以得到凸輪的輪廓曲線方程。通過UGNX6. 0中的工具/表達式選項將凸輪的曲線方程轉(zhuǎn)化為適用于UG NX6.0的相應(yīng)的表達式，最終得到所要設(shè)計的凸輪實體。

4　篩網(wǎng)自清理裝置運動學(xué)仿真

由于與凸輪機構(gòu)串聯(lián)的反平行四桿機構(gòu)相對的桿長相等，所以設(shè)計較為容易，只要保證機架長度能夠滿足兩個拍打桿之間的安裝距離。按照各個構(gòu)件的尺寸建立三維模型并裝配，最終裝配圖如圖4所示。

圖4 篩網(wǎng)自清理裝置的三維模型

將完成裝配的篩網(wǎng)拍打裝置的三維模型導(dǎo)入ADAMS/View中，然后進行仿真分析，分別建立兩個拍打桿與水平線之間的夾角并測量其角度變化、角速度、角加速度的運動規(guī)律，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 拍打桿1的

角位移、角速度、角加速度運動曲線圖

圖6　拍打桿2的

角位移、角速度、角加速度曲線圖

將以上兩圖與理論運動學(xué)曲線對比可知，仿真結(jié)果基本上符合理論值。由于凸輪與從動件存在沖擊，因此實際運行過程中會產(chǎn)生噪音，尤其在角加速度變化曲線中表現(xiàn)較為明顯。對比圖5和圖6可以看出，拍打桿1和拍打桿2角位移、角速度、角加速度曲線呈正余弦曲線變化規(guī)律，變化范圍相同，角位移變化約為20°。兩個桿的角速度、角加速度兩拍打桿的角速度呈現(xiàn)出正弦曲線規(guī)律，但是波峰波谷呈反向分布。由此可以判定該裝置的拍打桿1、2能夠同步反向運行，從而能夠滿足篩網(wǎng)自清理裝置的設(shè)計要求。

5　小結(jié)

通過分析蚯蚓糞堵孔、粘孔的主要原因，針對蚯蚓糞透篩過程容易產(chǎn)生堵孔、粘孔的問題，分別從選取篩網(wǎng)和增加篩網(wǎng)自清理裝置來解決這一問題。設(shè)計了一種篩網(wǎng)自清理裝置，利用拍打桿往復(fù)拍打振動篩篩網(wǎng)來解決篩網(wǎng)堵孔問題，并制作了該裝置的三維模型，對該裝置進行運動學(xué)仿真。仿真結(jié)果與理論設(shè)計基本吻合，驗證了其穩(wěn)定性及可靠性。

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