鏈條破碎機破碎模型構(gòu)建及能耗分析

盛金良,卓俊杰,徐欣怡

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

目前,在國外,餐廚垃圾制漿處理設(shè)備發(fā)展比較成熟[1],多數(shù)產(chǎn)品已形成系列化,其中分體式應(yīng)用更為廣泛,除雜率高,制漿效果好;而在國內(nèi),餐廚垃圾制漿處理設(shè)備在理論和實際應(yīng)用上仍是一個空白區(qū)域.分體式是將破碎制漿兩個步驟分離,先用破碎機進行破碎,再用制漿機制漿.破碎設(shè)備采用鏈條破碎機,因其破碎元件采用鏈條,具有防纏繞、防折斷等優(yōu)點.

鏈條破碎機設(shè)計的關(guān)鍵在于其破碎單位物料消耗的能耗不可過大,消耗大會使后續(xù)的經(jīng)濟效益差.本次選用一套已確定外形尺寸徑高為Φ600 mm×300 mm的設(shè)備,先得出破碎物料消耗的有效功率,再計算出破碎過程中的能耗占比,最終得出其最優(yōu)化的工藝參數(shù).

1 鏈條破碎機的結(jié)構(gòu)

鏈條破碎機的結(jié)構(gòu)如圖1所示,整機分為破碎裝置、驅(qū)動裝置和框架.鏈條破碎機的工作原理為:在破碎腔底部裝有帶鏈條的可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤,在軸的帶動下,鏈條也跟著高速旋轉(zhuǎn)(>500 r/min),鏈條產(chǎn)生強大的沖擊破碎力,使得料塊得到有效的破碎[2].在被沖擊后,由于離心力的作用被迅速拋向殼體內(nèi)壁,在此沖擊摩擦破碎,反彈后再次受到高速旋轉(zhuǎn)的鏈條的二次沖擊破碎,不斷循環(huán)往復(fù)直到達到破碎要求.

圖1 鏈條破碎機Fig.1 Structure of chain crusher

2 破碎模型參數(shù)

2.1 幾何體模型參數(shù)

利用SolidWorks對設(shè)備進行三維建模,破碎鏈和殼體主要采用鋼材料,鋼幾何體模型參數(shù)根據(jù)文獻[3]可查得,泊松比為0.3,密度為7 800 kg/m3,剪切模量為7.9×1010Pa.

2.2 物料模型參數(shù)

由于餐廚垃圾的組成中大部分為有機物,且有機物中最多的成分為熟米、蔬菜和熟肉等,對比這幾種物質(zhì),熟肉屬于最難破碎的一種,因此,本次仿真采用豬后腿熟肉進行參數(shù)標(biāo)定.參看相關(guān)文獻[4-7]可測得需要測定的參數(shù),密度為1 240 kg/m3,泊松比為0.45,剪切模量為1.3×105Pa,碰撞恢復(fù)系數(shù)物料和物料為0.15,物料和幾何體為0.20,靜摩擦系數(shù)物料和物料為0.70,物料和幾何體為0.62,動摩擦系數(shù)物料和物料及物料和幾何體均為0.46.

在EDEM仿真過程中,設(shè)置小顆粒之間通過Hertz-Mindlin with bongding黏結(jié)在一起[8],形成大顆粒.形成黏結(jié)鍵的參數(shù)包括法向剛度、切向剛度、法向極限強度、切向極限強度及黏結(jié)鍵半徑[9].利用質(zhì)構(gòu)儀測出腿肉需要測定的參數(shù)法向剛度kn=3.1×104N/m[4].切向剛度kt一般取法向剛度kn的(2/3～1)倍[10].法向應(yīng)力臨界值和切向應(yīng)力臨界值可以由公式求得[9].最后得出法向剛度kn=3.1×104N/m,切向剛度kt=22 600 N/m,法向應(yīng)力臨界值σmax=9.8×106Pa,切向應(yīng)力臨界值τmax=7.2×106Pa.

3 破碎模型仿真

3.1 因素分析

在實際應(yīng)用中,確定了設(shè)備的整體尺寸后,需要定性分析相關(guān)參數(shù),使該設(shè)備能夠以最少的功率生產(chǎn)出最多的貨物.評判標(biāo)準(zhǔn)為單位小時內(nèi)有效功率占后續(xù)所能產(chǎn)生的發(fā)電量的比值大小,即為有效能耗占比.能耗占比的大小表示了破碎的經(jīng)濟性,能耗占比越小,說明該設(shè)備的經(jīng)濟性越好.其計算公式為

式中:θ為能耗占比;W為生產(chǎn)量;Pt為每噸垃圾可產(chǎn)生的發(fā)電量,Pt=280 kW·h;P為有效功率,通過EDEM軟件算得[11];ρ為物料密度,餐廚垃圾密度測定為800 kg/m3;V為破碎腔內(nèi)物料體積,V=πr2H,半徑r=0.3 m,高度H=0.3 m;φ為物料填充率;t為破碎循環(huán)一次所花的時間.

以直徑和高度為Φ600 mm×300 mm的設(shè)備為研究對象,破碎鏈半徑、轉(zhuǎn)速和填充率是影響能耗占比的主要影響因素.① 破碎鏈半徑.鏈條長度過短,導(dǎo)致鏈條與物料接觸面過小,使得物料與鏈條的沖擊效果較差;鏈條長度過長,物料離開鏈條后直接碰到殼體內(nèi)壁,不產(chǎn)生沖擊殼體的破碎效果.仿真過程根據(jù)經(jīng)驗選取為0.25,0.27和0.29 m.② 轉(zhuǎn)速.轉(zhuǎn)速過小,物料不會彈射起來,達不到破碎效果;轉(zhuǎn)速過大,有效能耗占比變大,轉(zhuǎn)子和殼體的磨損也變大,不可取.仿真過程選取轉(zhuǎn)速為800,1 000和1 200 r/min.③ 填充率.物料填充率太小,會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn),做無用功;物料填充率過大,會出現(xiàn)滿倉現(xiàn)象,只能破碎底部物料;填充率過大過小都會導(dǎo)致有效能耗占比變大,參照破碎機在礦石上的應(yīng)用,選取物料填充率為0.30,0.35和0.40.以破碎鏈半徑、轉(zhuǎn)速和填充率作為影響因素進行仿真,利用響應(yīng)曲面法進行實驗數(shù)據(jù)分析,實驗結(jié)果如表1所示.

3.2 響應(yīng)面法結(jié)果分析

在Design-Expert中對實驗結(jié)果分析,分析過程中通過對線性模型、兩因素模型、二階模型和三階模型進行顯著性實驗分析,推薦出合適的模型.用自變量A,B,C分別代表破碎鏈半徑、轉(zhuǎn)速和填充率,先分析各因素對有效功率的影響.

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

輸入Design-Expert后本次實驗結(jié)果推薦采用二階模型.根據(jù)所選擇的模型進行方差和顯著性試驗分析,通過方差分析模型的P>F值小于0.05,表示該模型表現(xiàn)顯著,即該模型具有可研究性.當(dāng)P>F值大于0.05時,表示對應(yīng)項對該模型的影響不顯著,可通過去除該項目,以達到最優(yōu)化的模型.以此為基準(zhǔn),優(yōu)化后的模型如表2所示.

表2 有效功率方差分析表Tab.2 Effective power variance analysis table

由表2可知:鏈條長度對有效功率的影響為二階模型,在分析有效功率時,需使它越大越好,才能達到更好的破碎效果.利用Design-Expert上的Numerical功能,得出在有效功率取最大值時,鏈條長度為0.27 mm.在此基礎(chǔ)上繼續(xù)分析轉(zhuǎn)速和填充率對能耗占比的影響.

同樣,在Design-Expert中對實驗結(jié)果分析,以能耗占比為響應(yīng)值的模型選取二階模型,通過去除不顯著項目,達到最優(yōu)化的模型.優(yōu)化后的模型如表3所示.

表3 能耗占比方差分析表Tab.3 Energy consumption ratio variance analysis table

由表3可知,能耗占比與破碎鏈半徑、轉(zhuǎn)速和填充率均成二次關(guān)系,且A2,B2,C2的P>F值遠(yuǎn)小于0.05,表示對能耗占比的影響極其顯著.擬合回歸方程為

根據(jù)優(yōu)化后得出預(yù)測模型和BC的響應(yīng)曲面圖,如圖2所示.

圖2 BC響應(yīng)曲面Fig.2 BC response surface

由圖2可知:其響應(yīng)曲面為凹面狀,故有一個最低點為其極小值,該點即為實驗的最優(yōu)方案.結(jié)果與之前分析吻合,在轉(zhuǎn)速和填充率增大的情況下,能耗占比均會先減小后增大.由上可知,鏈條破碎機的最優(yōu)工藝參數(shù)如表4所示.

表4 優(yōu)化方案Tab.4 Optimization

4 結(jié)論

本研究利用離散元法對鏈條破碎機的破碎過程進行模擬仿真,以豬后腿肉為例,標(biāo)定模擬過程中所需的參數(shù),構(gòu)建破碎模型.再利用響應(yīng)面法對有效功率和能耗占比進行分析,將這兩個因素作為響應(yīng)值,在Design-Expert中得出其回歸方程,同時利用該模型對一臺半徑和高度為Φ600 mm×300 mm的鏈條破碎機的工藝參數(shù)進行分析,得出其最佳工藝參數(shù)為破碎鏈半徑取0.27 mm,轉(zhuǎn)速為947 r/min,填充率為0.31.