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1、畜禽糞便和沼液沼渣的固液分離機(jī)制作 0、引言 畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，伴隨而來(lái)的是大量的動(dòng)物糞便和相關(guān)廢棄物，沼氣工程作為一項(xiàng)實(shí)用工程系統(tǒng)，是目前處理畜禽糞便、改善環(huán)境和利用生物質(zhì)能源的一種重要途徑。但目前在以畜禽糞便為主要原料的沼氣工程中，仍然存在著一些問(wèn)題，特別是對(duì)畜禽糞便進(jìn)行發(fā)酵前的預(yù)處理和發(fā)酵后的沼液沼渣分離成為一個(gè)瓶頸問(wèn)題。沼氣工程中物料的傳送主要是依靠輸送泵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是在傳送過(guò)程中原料結(jié)塊以及纖維狀物體經(jīng)常給泵、閥、外部和中心控制設(shè)備帶來(lái)堵塞難題。現(xiàn)有的固液分離機(jī)在分離效率、連續(xù)運(yùn)行及分離質(zhì)量等方面仍不能很好地滿足畜禽糞便及沼液沼渣固液分離的需要，多數(shù)設(shè)備主要針對(duì)發(fā)酵后料液進(jìn)行處理，

2、分離出的固體含有結(jié)塊原料及纖維狀物，液體中有機(jī)成分偏少，不適合發(fā)酵原料的前期處理。本研究旨在研制一種能夠很好地適應(yīng)發(fā)酵前畜禽糞便的固液分離及發(fā)酵后沼液沼渣的固液分離機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)沼氣系統(tǒng)不堵塞并高效連續(xù)運(yùn)行。1、整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理11設(shè)計(jì)目標(biāo)1)結(jié)合畜禽糞便及沼液沼渣成分復(fù)雜、酸堿度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種滿足畜禽糞便及沼液沼渣分離的機(jī)器設(shè)備。2)固液分離機(jī)滿足聯(lián)合作業(yè)的要求，一次性完成進(jìn)料、傳送、固液分離和出料等作業(yè)。3)固液分離機(jī)的篩網(wǎng)能夠與攪龍緊密貼合，攪龍葉片能將堵塞篩網(wǎng)的雜物清走;能在內(nèi)腔壓力過(guò)大時(shí)自動(dòng)向外移動(dòng)，保護(hù)設(shè)備。4)固液分離機(jī)固料出料端的撥料盤能夠進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度滿足作業(yè)要

3、求，能按照作業(yè)需要與分離機(jī)出料端端面自動(dòng)接觸或分離。5)在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，減小整機(jī)的體積;在滿足強(qiáng)度要求的前提下，減輕整機(jī)的質(zhì)量，節(jié)約使用材料。6)畜禽糞便及沼液沼渣固液分離機(jī)的零件要滿足互換性和可裝配性的要求。12整機(jī)結(jié)構(gòu)禽糞便及沼液沼渣固液分離機(jī)主要由機(jī)架、動(dòng)力輸入裝置、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、攪龍、浮動(dòng)篩網(wǎng)系統(tǒng)及出料分離二級(jí)減速系統(tǒng)等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。13工作原理禽糞便及沼液沼渣固液分離機(jī)作業(yè)時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶輪帶動(dòng)攪龍軸旋轉(zhuǎn);需要分離的物料由進(jìn)料口處進(jìn)料，攪龍軸上葉片在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中將物料不斷向右推進(jìn)，推動(dòng)至篩網(wǎng)處，液相物料在擠壓和離心力的作用下，通過(guò)篩孔分離出來(lái):在

4、向右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，不斷擠壓分離，行至篩網(wǎng)末端，完成固液分離。液相料液分離出去后，余下的固料不斷在殼體內(nèi)后側(cè)與撥料盤之間堆積，形成固料積存;隨著積存固料壓力的升高，固料推動(dòng)撥料盤經(jīng)萬(wàn)向球桿壓縮壓力彈簧，同時(shí)在攪龍軸上向后側(cè)移動(dòng)，撥料盤脫離與殼體的接觸配合，在撥料盤與殼體之間出現(xiàn)間隙;當(dāng)撥料盤上的從動(dòng)塊與減速大齒輪上的驅(qū)動(dòng)塊插入卡接配合時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的減速大齒輪帶動(dòng)撥料盤旋轉(zhuǎn)，將固料排出機(jī)外。當(dāng)固料減少固料積存段壓力減小時(shí)，撥料盤在彈簧的作用下回位，使驅(qū)動(dòng)塊和從動(dòng)塊脫離配合，重新密封固料積存段，暫不出料，完成一個(gè)出料過(guò)程。如此循環(huán)進(jìn)行作業(yè)。14主要技術(shù)參數(shù)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/

5、m:3×07×12整機(jī)質(zhì)量/kg:280配套動(dòng)力/kW:15篩網(wǎng)彈簧線徑/mm:55出料口彈簧線徑/mm:4篩網(wǎng)孔徑/mm:10篩孔橫向間距/mm:20篩孔縱向間距/mm:20二級(jí)減速傳動(dòng)比:1/42、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)21攪龍軸及螺旋葉片攪龍的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。葉片采用單頭螺旋葉片，厚度為3mm。葉片與料液的摩擦力應(yīng)盡可能地小，故選擇不銹鋼板作為材料。為了減少螺旋葉片在推料過(guò)程中發(fā)生的磨損，對(duì)螺旋葉片的推料面噴涂高硬度的合金作硬化處理。攪龍軸上共設(shè)置11片螺旋葉片，前端等螺距120mm設(shè)置7片，主要起傳輸物料至分離篩網(wǎng)處和對(duì)物料進(jìn)行粗分離的作用。由于物料含水率在分離過(guò)程中

6、逐步降低，所以后4片根據(jù)含水率不同，葉片螺距依次減少10mm。在分離過(guò)程中，實(shí)際的葉片螺旋升程角需小于理論計(jì)算值才能使物料運(yùn)動(dòng)不自鎖;另外因焊接部位與物料存在摩擦。綜合考慮上述因素，因此實(shí)際螺旋傾角應(yīng)取理論螺旋傾角計(jì)算值的80%90%。軸徑d=60mm，由于葉片螺距是變化的，經(jīng)計(jì)算后，各含水率下的理論螺旋傾角、實(shí)際螺旋傾角 及葉片螺距L如表1所示。22固液分離機(jī)篩網(wǎng)設(shè)計(jì)固液分離機(jī)篩網(wǎng)如圖3所示。為了能夠去除料液中粗纖維和長(zhǎng)纖維，保證分離的效果，對(duì)料液進(jìn)行采樣分析，對(duì)其中的粗纖維和長(zhǎng)纖維進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)。經(jīng)數(shù)據(jù)分析及后期實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后，設(shè)計(jì)孔徑為105mm，篩孔的軸向和橫向距離分別為20mm。分離機(jī)的篩

7、網(wǎng)是前后對(duì)稱分布的，在篩網(wǎng)邊框上焊接6個(gè)立柱，采用拉簧分別將對(duì)應(yīng)的立柱連接。在分離過(guò)程中，攪龍葉片與篩網(wǎng)緊密接觸，將液料分離出來(lái)。如果發(fā)生堵塞的情況，篩網(wǎng)會(huì)向外浮動(dòng)，保護(hù)設(shè)備，在浮動(dòng)的同時(shí)，攪龍會(huì)將堵塞篩網(wǎng)的物料向前推進(jìn)。在此機(jī)構(gòu)中，如果彈簧剛度過(guò)大，則篩網(wǎng)向外移動(dòng)困難，在篩孔堵塞時(shí)會(huì)造成攪龍旋轉(zhuǎn)受阻，損壞電動(dòng)機(jī);剛度過(guò)小，則造成攪龍與篩網(wǎng)面接觸不緊密，分離效果不理想。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，篩網(wǎng)的預(yù)應(yīng)力300N左右合適，預(yù)緊拉伸量為150mm。根據(jù)彈簧應(yīng)力的計(jì)算公式F=KX，則彈簧的應(yīng)力常數(shù)K=F/X=2N/mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，已定內(nèi)徑=20mm，自由高度H=150mm，總?cè)?shù)N=30，有效圈數(shù)Nc=28

8、，材質(zhì)選擇琴鋼絲(G=21000)。彈簧常數(shù)公式為式中G-線材的鋼性模數(shù);d-線徑(mm);Dm=MD-中徑(mm);Nc-有效圈數(shù)。代入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，即得所需線徑d=4mm。23固液分離機(jī)出料機(jī)構(gòu)231撥料盤嚙合機(jī)構(gòu)如圖4所示，在減速大齒輪上沿圓周方向均布配裝套筒，套裝壓力彈簧的萬(wàn)向球桿可軸向移動(dòng)插配在套筒上;所述壓力彈簧的前端在萬(wàn)向球桿上軸向定位，其后端與套筒前端接觸配合，萬(wàn)向球桿球端部與撥料盤接觸且擠壓配合。這種采用萬(wàn)向球與撥料盤端面接觸的方式，能夠使撥料盤充分自由轉(zhuǎn)動(dòng)，降低了撥料盤的磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。在減速大齒輪前側(cè)面上和撥料盤后側(cè)面上分別對(duì)應(yīng)固裝驅(qū)動(dòng)塊和從動(dòng)塊，所述的驅(qū)動(dòng)塊與從動(dòng)

9、塊相互插入卡接配合或脫離配合。這種配合方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，容易維護(hù)，配合精度準(zhǔn)確。此機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵問(wèn)題在于根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的彈簧，使得驅(qū)動(dòng)塊與從動(dòng)塊嚙合時(shí)，既能保證固料積存段壓力符合需要，又能使得出料平穩(wěn)順暢。通過(guò)試驗(yàn)分析，固料積存段出料壓力在300N時(shí)，分離出的固料干濕度在50%以下，固液分離過(guò)程同時(shí)能平穩(wěn)進(jìn)行，所以設(shè)計(jì)彈簧在嚙合時(shí)彈簧力為300N。其他數(shù)據(jù)綜合考慮結(jié)構(gòu)緊湊與實(shí)際需要設(shè)計(jì)為:驅(qū)動(dòng)塊與從動(dòng)塊之間的距離為200mm，撥料盤長(zhǎng)200mm，萬(wàn)向球桿內(nèi)徑20mm。彈簧的選擇是保證出料機(jī)構(gòu)能夠運(yùn)行順暢的關(guān)鍵步驟。驅(qū)動(dòng)塊與從動(dòng)塊嚙合時(shí)，撥料盤的位移為100mm，產(chǎn)生的壓力應(yīng)為300N

10、。根據(jù)彈簧應(yīng)力的計(jì)算公式F=KX，則彈簧的應(yīng)力常數(shù)K=F/X=3N/mm;根據(jù)設(shè)計(jì)要求，已定內(nèi)徑=20mm，自由高度H=20mm，總?cè)?shù)N=20。有效圈數(shù)Nc=18，材質(zhì)選擇琴鋼絲(G=8000)。彈簧常數(shù)公式為代入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，即得所需線徑d=55mm。232出料口二級(jí)減速畜禽糞便及沼液沼渣固液分離機(jī)二級(jí)減速系統(tǒng)采用一對(duì)齒輪和一對(duì)帶輪的組合。固液分離機(jī)作業(yè)時(shí)，二級(jí)減速傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示。因?yàn)椴煌锪匣虿煌M(jìn)料速度產(chǎn)生固料的速度不同，減速齒輪零件較多，拆卸安裝不方便，所以通過(guò)更換螺旋軸和減速軸上不同直徑的帶輪，可以調(diào)節(jié)移動(dòng)撥料盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)固料積存段內(nèi)固料的出料速度。設(shè)n軸和n出分別表

11、示主軸的轉(zhuǎn)速和撥料盤的轉(zhuǎn)速，d主和d被表示減速機(jī)構(gòu)中主動(dòng)和從動(dòng)帶輪的直徑，Z’主和Z’被表示減速機(jī)構(gòu)中主動(dòng)和從動(dòng)齒輪的齒數(shù)，則由此算出不同直徑的主從動(dòng)帶輪配合下二級(jí)減速傳動(dòng)系統(tǒng)的降速比(減速齒輪的固定降速比為29/50)，結(jié)果如表2所示。3、性能試驗(yàn)31試驗(yàn)基本條件畜禽糞便及沼液沼渣固液分離機(jī)性能試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)能源實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)所用原料為牛糞，取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理科試驗(yàn)基地。牛的主要飼料為青貯飼料和秸稈，牛糞的總固體含量約為21%，纖維狀物質(zhì)較多，粗纖維及細(xì)長(zhǎng)纖維含量接近85%。32試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的畜禽糞便及沼液沼渣固液分離機(jī)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，得到各部件的工作狀況如

12、下:1)攪龍與浮動(dòng)式篩網(wǎng)的工作狀況。料液由進(jìn)料口進(jìn)入后，在攪龍的推動(dòng)下，向出料端推進(jìn)，行至篩網(wǎng)處，可通過(guò)篩網(wǎng)的細(xì)小料液經(jīng)篩孔向外溢出，粗長(zhǎng)纖維繼續(xù)向前推進(jìn);當(dāng)有粗長(zhǎng)纖維堵塞篩孔時(shí)，攪龍葉片可將將堵塞物刮走;如果雜物過(guò)多或有大的物體時(shí)，浮動(dòng)式篩網(wǎng)受到擠壓向外側(cè)移動(dòng)，當(dāng)阻力消除后篩網(wǎng)在彈簧力作用下又恢復(fù)到原位，與攪龍葉片貼合，繼續(xù)分離。2)出料端撥料盤與二級(jí)減速配合的出料工作狀況(見(jiàn)圖6)。作業(yè)過(guò)程中，料液在向出料端推進(jìn)的過(guò)程中，不斷分離，行至末端，完成分離;剩下的粗纖維和長(zhǎng)纖維在出料端壓緊彈簧作用力下，在固料積存段逐漸聚集堆積;當(dāng)固料積累到一定量的時(shí)候，克服彈簧壓力，將撥料盤頂出，配合二級(jí)減速出

13、料機(jī)構(gòu)，完成出料。萬(wàn)向球桿配合壓緊彈簧，使移動(dòng)撥料盤與固料積存段端面緊密貼合，密封左右;當(dāng)固料積存段壓力過(guò)大時(shí)，推動(dòng)移動(dòng)撥料盤向外移動(dòng)，直至撥料盤上驅(qū)動(dòng)塊與減速大齒輪上驅(qū)動(dòng)塊嚙合，旋轉(zhuǎn)完成出料動(dòng)作。3)二級(jí)減速機(jī)構(gòu)減速效果。應(yīng)用設(shè)計(jì)的二級(jí)減速機(jī)構(gòu)后，移動(dòng)撥料盤的旋轉(zhuǎn)速度明顯降低，可按需要調(diào)整;固料出料的時(shí)候沒(méi)有物料飛濺，而是均勻地被撥料盤撥出;密封腔形成穩(wěn)定，沒(méi)有細(xì)小液料從出料端溢出，較好地實(shí)現(xiàn)了分離目的;針對(duì)不同物料和不同工作效率，通過(guò)更換不同降速比的帶輪可適應(yīng)多種作業(yè)狀況要求。4、結(jié)論試驗(yàn)結(jié)果表明，該固液分離機(jī)整體設(shè)計(jì)方案合理、可行，能夠?qū)崿F(xiàn)固液分離的連續(xù)性和穩(wěn)定性。其主要特點(diǎn)如下:1)設(shè)

14、計(jì)的兩側(cè)浮動(dòng)式篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)使固液相有效分離，并可以防止篩網(wǎng)堵塞及損壞。2)設(shè)置的固料積存段，既起到固料出料前的聚集作用，又起到密封的作用。同時(shí)，調(diào)節(jié)好出料盤壓緊彈簧的壓緊力，配合二級(jí)減速出料結(jié)構(gòu)，較好地實(shí)現(xiàn)了固液分離及出料的連續(xù)性。3)該機(jī)可根據(jù)不同作業(yè)狀況的要求更換不同直徑的篩網(wǎng)，操作簡(jiǎn)便，易于掌握，分離效率高。參考文獻(xiàn):1林代炎，翁伯琦，錢午巧FZ12固液分離機(jī)在規(guī)?；i場(chǎng)污水中的應(yīng)用效果J農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(10):1841862蘇海泉螺旋擠壓式固液分離機(jī)及其應(yīng)用J畜牧工程，1999(2):24253林斌，徐慶賢，錢蕾FZ12固液分離機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在豬場(chǎng)糞污處理中的應(yīng)用J農(nóng)業(yè)工程，2006(6):60614陳永生歐洲沼氣工程原料預(yù)處理裝備技術(shù)J中國(guó)沼氣，2010，28(5):18235吳軍偉，常志州，周立祥，等XY型固液分離機(jī)的畜禽糞便脫水效果分析J江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(2):2862886林代炎，翁伯琦固液分離機(jī)研制與應(yīng)用效果J中國(guó)沼氣，2007，25(1):31347張德暉，方文熙，吳傳宇，等水平圓振動(dòng)畜禽糞便固液分離機(jī)的可行性研究J機(jī)電技術(shù)，2010(3):36388陳登甲，黃瑞森，鐘日開(kāi)，等三合一固液分離機(jī)設(shè)計(jì)J廣東農(nóng)機(jī)，2001(3):15169關(guān)正軍，李文哲，鄭國(guó)香，等固液分離對(duì)牛糞利用效果的影響J農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(4):259263