兩級分段式黑水虻蟲沙滾筒篩分裝置設(shè)計與試驗

方芹， 宋世圣， 周婷， 彭才望， 孫松林， 朱海英

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410128）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化發(fā)展進(jìn)程加快，城市人口日益增多，餐廚垃圾的數(shù)量也快速增長，人均產(chǎn)量為0.10～0.30 kg·d-1[1]。餐廚垃圾的大量堆積不僅影響生態(tài)環(huán)境，而且危害人類身體健康，因此餐廚垃圾的資源化利用成為亟需解決的難題[2]。目前，餐廚垃圾的處理技術(shù)主要有焚燒、填埋、好氧堆肥、厭氧消化等，這些處理方法都存在不足，影響餐廚垃圾的高效利用[3]。研究表明，與其他垃圾相比，餐廚垃圾含有水分和有機(jī)物，油脂含量高，具有較高的生物轉(zhuǎn)化利用價值，利用黑水虻幼蟲對餐廚垃圾進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，可以有效降低餐廚垃圾積累和污染，產(chǎn)生可觀的生物量收益和環(huán)境效益[4]。黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾后得到的黑水虻幼蟲和有機(jī)肥統(tǒng)稱為黑水虻蟲沙[5]，黑水虻幼蟲可被制作成高蛋白飼料，和有機(jī)肥一樣作為商品出售[6]。國內(nèi)運用黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾的研究和應(yīng)用逐漸增加[7]，并展示出了良好的應(yīng)用前景，然而關(guān)于黑水虻幼蟲養(yǎng)殖過程中所需的布料、取料、運輸、篩分等機(jī)械設(shè)備研究比較少。因此，設(shè)計出一種高效、穩(wěn)定的黑水虻蟲沙分離裝置對黑水虻幼蟲的規(guī)?；B(yǎng)殖至關(guān)重要。研究表明，滾筒篩在物料的分離和清選作業(yè)中運用廣泛，其具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[8]。張林海等[9]為去除農(nóng)作物秸稈固體成型物料中的雜質(zhì)，設(shè)計了一種滾筒篩分雜質(zhì)系統(tǒng)，并確定了該裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，可為雜質(zhì)減量化及雜質(zhì)去除研究提供數(shù)據(jù)參考；石鑫等[10]設(shè)計了一種滾筒篩式廢舊地膜與雜質(zhì)風(fēng)選裝置，通過正交試驗確定了最優(yōu)工作參數(shù)組合，提高了廢舊地膜的利用率；李心平等[11]通過對谷子初脫后物料在清選過程中的力學(xué)特性分析，設(shè)計了一種輥搓圓筒篩式谷子清選裝置，該裝置降低了籽粒含雜率和清選裝置總損失率；彭強(qiáng)吉等[12]以現(xiàn)有氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)為基礎(chǔ)，通過增設(shè)運移裝置、重置圓筒篩篩孔排布，提高了氣力式圓筒篩膜雜分離機(jī)篩分性能的穩(wěn)定性；王升升等[13]設(shè)計了一種大白菜種子收獲分離清選裝置，并研究了圓筒篩轉(zhuǎn)速、螺旋轉(zhuǎn)速以及橫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對大白菜種子清選性能的影響，并確定了該分離清選裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，降低了大白菜種子的含雜率和損失率，并且符合行業(yè)相關(guān)要求。上述篩分裝置作業(yè)對象的物理特性和生物特性都與黑水虻蟲沙差異較大，難以運用于黑水虻蟲沙分離。因此，設(shè)計一種適用于黑水虻蟲沙分離的裝置對餐廚垃圾的資源化處理至關(guān)重要。

針對黑水虻蟲沙分離難的問題，本文設(shè)計了一種兩級分段式黑水虻蟲沙滾筒篩分裝置，滾筒篩分具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)的優(yōu)點，兩級滾筒篩的篩分效率高，且能夠有效降低含雜率和損失率。確定了其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并以含雜率和損失率作為評價指標(biāo)，通過單因素試驗與響應(yīng)面試驗確定各因素對評價指標(biāo)的影響規(guī)律，確定了最優(yōu)工作參數(shù)組合，以期為黑水虻蟲沙篩分設(shè)備的設(shè)計與作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 篩分裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

兩級分段式黑水虻蟲沙滾筒篩分裝置主要由分離滾筒、調(diào)速電機(jī)、傳動系統(tǒng)、進(jìn)料口、出料口等組成，如圖1所示。該裝置的動力來源于調(diào)速電機(jī)（晟邦調(diào)速電機(jī)，220 V），動力通過鏈傳動傳遞至滾筒軸，帶動滾筒轉(zhuǎn)動。滾筒轉(zhuǎn)速由UT373非接觸轉(zhuǎn)速計（測量范圍10～99 999 r·min-1，精度0.1 r·min-1）測量，滾筒傾角由三量數(shù)顯傾角儀（測量范圍0°～90°，精度0.05°）測量。

圖1 兩級分段式黑水虻蟲沙分離滾筒篩結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of two-stage segmented black soldier fly insect sand separation drum screen

該裝置工作時，待分離的黑水虻蟲沙混合物（黑水虻幼蟲、有機(jī)肥和雜質(zhì)）由傳送帶輸送至進(jìn)料口，運動至一級篩網(wǎng)，細(xì)小均勻的有機(jī)肥顆粒透過一級篩網(wǎng)的篩孔，脫離篩面，篩面上剩余的黑水虻幼蟲和雜質(zhì)混合物運送至二級篩網(wǎng)，雜質(zhì)透過二級篩網(wǎng)的篩孔落下，最后篩面上的黑水虻幼蟲從出料口出料，完成篩分。整機(jī)工作時，動力來源于調(diào)速電機(jī)，通過鏈傳動帶動滾筒篩運動，傳送帶可以保證滾筒篩進(jìn)料口的黑水虻蟲沙均勻通過，兩級滾筒上的篩孔直徑由小變大，可以保證黑水虻蟲沙分離的效果。

1.2 滾筒篩設(shè)計

篩孔大小是影響滾筒篩分離效果的關(guān)鍵參數(shù)。運用TRIZ理論解決由篩孔大小引發(fā)的物理矛盾沖突[16]，通過篩孔直徑的遞增，實現(xiàn)黑水虻蟲沙混合物在滾筒運動過程中逐步被篩分。

滾筒篩的篩孔采用交錯式等三角形排布的圓孔[17]。根據(jù)有機(jī)肥和雜質(zhì)的尺寸范圍在1～6 mm，確定一級篩網(wǎng)的篩孔直徑為4 mm，二級篩網(wǎng)的篩孔直徑為6 mm，沿篩分方向排布。為保證篩分效果，結(jié)合篩孔大小，第1段滾筒的每列與每行相鄰篩孔中心距離J取6 mm，第2段滾筒的每列與每行相鄰篩孔中心距K為9 mm。滾筒篩采用厚度1.5 mm的鋼板彎曲成型，篩孔采用激光切割成型，篩孔分布如圖2所示。

圖2 篩孔分布Fig.2 Expanded view of sieve holes

綜合考慮整機(jī)尺寸和篩分效率，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[18]，初步評估滾筒直徑D為500 mm，根據(jù)公式L=(3～5)D，取L=1 500 mm，一級篩網(wǎng)L1=1 000 mm，二級篩網(wǎng)L2=500 mm。

1.3 運動分析

物料的篩分在篩面上的運動過程中進(jìn)行，物料在篩面上的運動形式?jīng)Q定了篩分裝置的最佳篩分效果。滾筒篩工作時，滾筒繞其軸線做旋轉(zhuǎn)運動，忽略物料與物料之間的相互作用，以黑水虻蟲沙混合物中顆粒作為研究對象，分析其在自身重力G、摩擦力f、離心力F、壓力N的共同作用下隨滾筒篩運動的受力，如圖3所示。

圖3 黑水虻蟲沙顆粒受力及運動軌跡Fig.3 Force and movement trajectory of black solider fly insect sand particle

以Q點為原點重新建立平面坐標(biāo)系，黑水虻蟲沙顆粒到達(dá)Q點時脫離篩面做拋物運動，此時混合物料自身重力G的法向分力與離心力F相等，計算公式[19]如下。

式中，m為黑水虻蟲沙顆粒質(zhì)量，kg；R為滾筒篩半徑，mm；g為重力加速度，9.8 m·s-2；v為切向速度，m·s-1；θ為脫離角，（°）。

n 為滾筒轉(zhuǎn)速，r·min-1。當(dāng) θ=90°時，黑水虻蟲沙顆粒運動到M點，此時的滾筒轉(zhuǎn)速等于滾筒臨界轉(zhuǎn)速。將R=250 mm帶入(2)式中，得到滾筒的臨界轉(zhuǎn)速n0=59.82 r·min-1。

黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)的周期運動可以分為圓周運動和拋物線運動。第1階段是黑水虻蟲沙顆粒從P到Q做圓周運動，第2階段是黑水虻蟲沙顆粒從Q到P做拋物線運動，其運動軌跡方程分別為式（3）和式（4）。

x，y為顆粒的橫、縱標(biāo)，聯(lián)立式(3)、式(4)可以計算出2個方程的交點，分別為黑水虻蟲沙顆粒離 篩 點（0，0）、顆 粒 和 篩 面 的 碰 撞 點（4Rsin2θcos θ，-4Rcos2θsin θ）。黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)的翻動程度最大時，則|yP-yQ|取最大值。令dy=0，可得x=Rsin2θcos θ，將 x值帶入式(4)可得式（5）。

由于滾筒是傾斜放置的，黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)的運動軌跡近似螺旋線，如圖4所示。

圖4 黑水虻蟲沙混合物空間運動軌跡Fig.4 Space movement trajectory of black solider fly insect sand mixture

滾筒存在傾角φ，黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)連續(xù)運動時，其相鄰2次的落點不在同一位置，而是沿滾筒軸線方向相隔一定距離，相隔距離的大小與滾筒的直徑、轉(zhuǎn)速和傾角有關(guān)，并假設(shè)顆粒在滾筒中運動時不發(fā)生軸向滑動（圖5），則相鄰2次落點間沿滾筒軸向方向的距離S計算如下。

圖5 滾筒篩物料運動軌跡Fig.5 Trajectory of the material movement of the trommel

黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)的運動時間等于圓周運動階段的物料運動時間（T1）與拋物線運動時間（T2）之和，其計算公式[20]如下。

式中，ω為顆粒在滾筒內(nèi)的角速度，rad·s-1。由此可得物料在滾筒內(nèi)沿軸線方向的速度V。

由式(5)～（8）可得，黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)運動時與滾筒篩傾角φ、滾筒的轉(zhuǎn)速n、滾筒半徑R有關(guān)。

1.4 試驗材料

篩分試驗所用物料為黑水虻蟲沙混合物，取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園黑水虻基地。試驗前人工分選混合物料中各成分占比，得到黑水虻幼蟲、有機(jī)肥、雜質(zhì)所占總物料的百分比為50%、45%、5%。

首先，采用WGLL-230BE電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）和LE104E/02電子天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司，分度值0.1 mg）測量黑水虻蟲沙混合物的濕重和干重，計算含水率為30.2%。

1.5 單因素試驗

1.5.1 單因素設(shè)計方案 為確定響應(yīng)面試驗的各因素水平范圍，對滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、喂入量3個因素進(jìn)行不同水平的單因素試驗。每組試驗重復(fù)3次，取平均值。在固定滾筒傾角為7°、喂入量為1.5 t·h-1的工況下，滾筒轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為20、30、40、50、60 r·min-1；在固定滾筒轉(zhuǎn)速為40 r·min-1、喂入量為1.5 t·h-1的工況下，滾筒傾角分別設(shè)置為5°、6°、7°、8°、9°；喂入量的選擇與滾筒長度、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角以及滾筒直徑有關(guān)[21]，在固定滾筒轉(zhuǎn)速為 40 r·min-1、滾筒傾角為 7°的工況下，喂入量分別設(shè)置為1.0、1.2、1.5、1.8、2.0 t·h-1。

1.5.2 單因素試驗結(jié)果評價 為得到滾筒篩最佳的篩分效果與裝置工作參數(shù)之間的關(guān)系，以滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角以及喂入量作為試驗因素，以含雜率和損失率為評價指標(biāo)，確定影響黑水虻蟲沙混合物分離效果的主次因素，通過單因素試驗確定各因素水平范圍，通過響應(yīng)面試驗確定各因素最優(yōu)參數(shù)組合，并且對最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行試驗驗證。

式中，Y1為含雜率，%；Y2為損失率，%；m0為出料口的物料總質(zhì)量，kg；m1為出料口的物料中黑水虻幼蟲質(zhì)量，kg；m2為篩下物中黑水虻幼蟲質(zhì)量，kg。

1.6 優(yōu)化試驗

利用Design-Expert10.0.7軟件進(jìn)行三因素三水平組合試驗與分析[22]。選取滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、喂入量為試驗因素，以含雜率、損失率為試驗響應(yīng)指標(biāo)。根據(jù)滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、喂入量的單因素試驗結(jié)果，試驗因素組合編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Table 1 Coding of test factors

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對黑水虻蟲沙分離的影響

2.1.1 滾筒轉(zhuǎn)速對黑水虻蟲沙分離的影響 由圖6可知，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，含雜率呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，損失率則呈現(xiàn)上升的趨勢。原因是當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速＜50 r·min-1時，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，單位時間內(nèi)滾筒篩分面積增大，有機(jī)肥顆粒和雜質(zhì)透篩概率增大，含雜率逐漸減??；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速＞50 r·min-1時，有機(jī)肥顆粒和雜質(zhì)與滾筒篩接觸不充分，透篩概率減小，含雜率逐漸增大。隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大，黑水虻幼蟲受到的離心力增大，當(dāng)黑水虻幼蟲運動到二級篩網(wǎng)時，部分小比例長度的黑水虻幼蟲透篩率增大，導(dǎo)致?lián)p失率逐漸增大。

圖6 不同滾筒轉(zhuǎn)速下黑水虻蟲沙分離效果Fig.6 Effect of drum speed on the separation of black water fly insect sand

2.1.2 滾筒傾角對黑水虻蟲沙分離的影響 由圖7可知，隨著滾筒傾角的增加，含雜率呈現(xiàn)上升的趨勢，損失率呈現(xiàn)下降的趨勢。原因是隨著滾筒傾角的增加，物料軸向運動速度增快，有機(jī)肥顆粒和雜質(zhì)透過篩孔的概率減小，導(dǎo)致出料口的有機(jī)肥和雜質(zhì)增多，含雜率逐漸增大。此時，隨著滾筒傾角的增加，黑水虻的下滑力增大，與二級篩網(wǎng)的接觸時間明顯縮短，黑水虻幼蟲的透篩概率減小，損失率逐漸減小。

圖7 滾筒傾角對黑水虻蟲沙分離效果的影響Fig.7 Effect of the drum inclination angle on the separation of black water fly insect sand

2.1.3 喂入量對黑水虻蟲沙分離效果的影響 由圖8可知，隨著喂入量的增加，含雜率呈現(xiàn)上升的趨勢，損失率呈現(xiàn)下降的趨勢。原因是隨著喂入量的增加，物料與滾筒篩篩網(wǎng)的接觸面積減少，有機(jī)肥和雜質(zhì)的透篩概率減小，導(dǎo)致含雜率逐漸增大。此時，隨著喂入量的增大，黑水虻幼蟲與篩網(wǎng)的接觸面積減少，黑水虻幼蟲的透篩概率減小，導(dǎo)致?lián)p失率逐漸減小。

圖8 喂入量對黑水虻蟲沙分離效果的影響Fig.8 Effect of feeding amount on the separation of black water fly insect sand

2.2 三因素三水平試驗結(jié)果分析

2.2.1 試驗方案與結(jié)果分析 三因素三水平試驗結(jié)果如表2所示，在不同試驗因素水平值條件下，評價指標(biāo)中含雜率的變化范圍為0.95%～2.40%，損失率的變化范圍為8.43%～19.05%。

表2 試驗方案與結(jié)果Table 2 Experiment design and response values

2.2.2 回歸方程建立和顯著性分析 采用Design-Expert10.0.7軟件對含雜率、損失率進(jìn)行回歸擬合分析[23]，建立含雜率Y1、損失率Y2的回歸方程。

對影響試驗指標(biāo)的3個因素進(jìn)行顯著性檢驗與分析，最終獲得顯著性試驗因素與評價指標(biāo)的二次多項式響應(yīng)面回歸模型，模型顯著性分析結(jié)果如表3和4所示。

由表3和4可知，含雜率和損失率的響應(yīng)面模型的P值均小于0.01，表明回歸模型極顯著；失擬項分別為0.267 7和0.122 6，均大于0.05，表明失擬不顯著，該回歸模型擬合的二次回歸方程與實際試驗結(jié)果相符合，表明滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、喂入量對含雜率Y1與損失率Y2都有顯著影響。試驗因素對含雜率的影響從大到小為喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角，對損失率的影響從大到小為滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、滾筒傾角。含雜率回歸模型的P＜0.05，損失率回歸模型的P＜0.05，表明3個回歸項在回歸模型中交互影響顯著；兩模型的決定系數(shù)R2與校正決定系數(shù)均接近于1，變異系數(shù)與精密度分別為4.67%、4.77%和24.605、22.699，說明該含雜率與損失率擬合回歸模型具有較高的可靠性。

表3 含雜率模型顯著性檢驗結(jié)果Table 3 Significance test result of impurity rate model

表4 損失率模型顯著性檢驗結(jié)果Table 4 Significance test result of loss rate model

2.2.3 響應(yīng)面分析 根據(jù)回歸模型分析的結(jié)果，利用Design-Expert10.0.7軟件繪制各元素交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面，如圖9所示。當(dāng)喂入量為1.2 t·h-1，隨著滾筒傾角的增大，含雜率逐漸降低；當(dāng)喂入量為1.8 t·h-1，隨著滾筒傾角的增大，含雜率逐漸增大，表明喂入量對含雜率的影響比滾筒傾角更大，這是因為喂入量增大時，物料與滾筒篩篩網(wǎng)的接觸面積減少，有機(jī)肥和雜質(zhì)的透篩概率減小，導(dǎo)致含雜率逐漸增大。當(dāng)滾筒傾角由5°增大至7°時，損失率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大而增大，由于滾筒轉(zhuǎn)速增大，黑水虻幼蟲受到的離心力增大，當(dāng)黑水虻幼蟲運動到篩孔直徑增大的二級篩網(wǎng)時，部分小比例長度的黑水虻幼蟲透篩率增大，導(dǎo)致?lián)p失率逐漸增大。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速由30增大至50 r·min-1時，損失率隨著喂入量的增大而增大，表明滾筒轉(zhuǎn)速對損失率的影響較喂入量對損失率的影響大。

圖9 各因素對分離性能影響的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surface of the influence of various factors on separation performance

2.3 優(yōu)化驗證結(jié)果分析

對經(jīng)過軟件優(yōu)化求解的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗證試驗，根據(jù)含雜率和損失率的回歸模型，運用Design-Expert10.0.7軟件，以含雜率和損失率最小為條件，求解回歸模型得到的最佳參數(shù)分別為：滾筒轉(zhuǎn)速 30 r·min-1、滾筒傾角 7°、喂入量 1.6 t·h-1。黑水虻蟲沙分離裝置的驗證結(jié)果如表5所示，含雜率平均值為1.165%，損失率平均值為8.877%。優(yōu)化參數(shù)的驗證結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，表明預(yù)測的結(jié)果具有可靠性。

表5 驗證結(jié)果Tab.5 Verification result

3 討論

目前，國內(nèi)學(xué)者對黑水虻蟲沙的機(jī)械分離研究較少，本文研制出一種兩級分段式黑水虻蟲沙滾筒篩分裝置，以滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、喂入量為試驗因素，損失率和含雜率為評價指標(biāo)，進(jìn)行滾筒篩分試驗，得到最優(yōu)參數(shù)組合方案：滾筒轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，滾筒傾角為7°，喂入量為 1.6 t·h-1。驗證結(jié)果表明，該機(jī)在最優(yōu)參數(shù)下的平均含雜率為1.165%，平均損失率為8.877%。對比人工分離黑水虻蟲沙的效果，該裝置的分離速度快，含雜率和損失率均處于較低水平，證明此裝置滿足分離要求。

本文設(shè)計的裝置在不增加整機(jī)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了黑水虻蟲沙混合物的逐步篩分，該裝置可實現(xiàn)黑水虻幼蟲、有機(jī)肥有效分離，為黑水虻蟲沙的二次利用創(chuàng)造了便利條件，也為黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾的規(guī)模化生產(chǎn)提供了條件。

同時，本研究的滾筒篩是黑水虻幼蟲機(jī)械養(yǎng)殖中篩分環(huán)節(jié)的關(guān)鍵裝置，黑水虻幼蟲機(jī)械養(yǎng)殖的環(huán)節(jié)包括布料、取料、轉(zhuǎn)移、運輸與篩分，之后的研究應(yīng)該注意黑水虻蟲沙的篩分與取料、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)之間的匹配問題，包括滾筒篩的喂入量與傳送帶速度之間的匹配等。