农村生活垃圾粉碎机筛网设计研究

翁晓星，王 刚，陆丹丹，王 洁，赵 晋，戴津婧

（浙江省农业机械研究院，浙江 金华 321000）

目前我国农村人口占总人数的45%，每年产出约1.5亿吨生活垃圾，其中约50%未得到有效处理，严重影响农村生态环境和村民的健康安全。因此，农村生活垃圾处理减量化、资源化具有现实意义。经调查研究，由于农村地区有大量农业生产垃圾，如秸秆、废果蔬等，有机成分较高。如果能够加以合理利用，不仅可以实现生活垃圾的资源化利用，还可减少由处理生活垃圾而带来的时间和经济成本。为了满足农村垃圾减量化太阳能沤肥处理工艺要求，研发一款小型适合农村生活垃圾减量化处理粉碎机械有重要意义。由王刚[1]设计的一款小型农村生活垃圾粉碎机为基础，对其筛网进行研究，为粉碎效率提高了理论依据。

1 粉碎机工作原理与结构

粉碎机主要包括机架、传动系统、喂入口、切碎机构、抛送部件等。锤片式粉碎机是利用高速旋转的锤片对物料进行冲击粉碎。粉碎机通过皮带轮进行一级减速，动力由电机传递给主轴，通过齿轮箱将动力传输到上下喂料辊上。同时在下喂料辊轴上设置齿轮，带动链条滚轴，实现喂料输送。物料被喂料辊压缩夹紧送入粉碎机构，锤片式刀盘高速旋转实现切屑粉碎，最后经过粉碎的物料通过出料口抛出[2]。

2 锤片式粉碎机理研究现状

在锤片式粉碎机的早期研究中提到，物料在粉碎室内受到锤片的正面冲击，与齿板、粉碎机内壁、筛网发生碰撞之后反弹到锤片上，物料的粉碎是通过以上的反复碰撞作用得以实现[3]。随着技术的发展，国外学者纷纷对粉碎机理进行了理论研究。其中，日本学者通过粉碎物料颗粒的粒径分布情况来分析粉碎机理，Rosin-Rammler公式[4]广泛应用：

式中：n为指数；d为颗粒的直径；G为颗粒累计重量百分比；a为系数。

国内锤片式粉碎机的研发以标准化、自动化为主要发展方向。例如江苏牧羊集团生产的卧式锤片式粉碎机，其将粉碎机构设置成水滴型，通过调节锤筛间隙来实现粗、细不同的粉碎[5]。

2.1 粉碎筛网研究

根据拟合所得多元回归模型，各因素对粉碎机工作小时生产率影响程度依次为主轴转速＞筛网倾角＞喂入量[6]。物料筛分，理论上是当物料颗粒半径小于等于筛孔孔径的物料全部透筛过去，而其余物料全部流回粉碎机构再粉碎[7]。但在实际应用过程中发现，由于物料与物料以及物料与筛网边界两种碰撞，使得许多比较小的物料无法透筛，重回粉碎室的现象。筛分效率影响的因素主要有：物料特性和筛网结构参数。而影响筛分效率的筛网结构参数主要有：筛网开孔率、筛网安装角度、筛孔形状和筛孔排列方式等。本文利用离散元软件仿真分析，针对筛网筛分效率较低的问题对筛网安装角度进行改进。

2.2 筛网角度分析

以欧洲立轴式传统锤片式粉碎机[8]为代表的高物料分离率大面积筛网，曹丽英[9]以此为切入点对新型锤片式粉碎机筛网进行改进。在平板型与凹面型筛网宽相同的情况下，对颗粒撞击筛网边界弹回路径分析，由于当物料颗粒撞到筛网边界时弹回角度与颗粒的撞击，存在二次透筛的可能性。在此基础上，本文通过对筛网倾斜角的流场分析，进一步验证凹面较平板更加有利于颗粒透筛。

3 仿真分析

3.1 数学模型

物质以均匀的入口速度uin从左侧进入通道，并以均匀的压力p0=0Pa从右侧排出。通过槽道的流动被倾斜角为的斜筛阻挡。阻力和偏折（切向速度分量）的组合效应在斜筛下游侧形成不均匀的速度分布。倾斜角较小的情况下有效的渐近解为：

其中K和η分别是斜筛的阻力系数和偏折系数。为了便于与渐近解进行比较，假设流动为不可压缩流，并在通道壁上应用自由滑移边界条件。为滤网类型和偏折，将阻力系数K设为2.2，将偏折系数η设为0.78。

3.2 模拟仿真

通过理论基础研究，针对倾斜角θ取值为10°，20°，30°，40°及 45°，将出口速度与方程（2）得出的渐近解作分析。分析发现渐近解与仿真结果一致，即使在θ为45°时，也是基本一致的。图1显示压力场的表面图以及斜筛上游和下游侧的速度矢量。物质通过斜筛存在明显的压降。经过粉碎的物料通过筛孔排出，分布在斜筛附近的粉碎物料会受到斜筛的磨擦作用，使得速度降低，同时物料受到与斜筛垂直的离心力、压力和气流作用，通过出料口被抛出筛外。

图1

4 结 语

《金华市农村生活垃圾分类管理条例》已于2017年12月28日经金华市第七届人民代表大会常务委员会第九次会议通过。目前有序推进农村说垃圾分类处理是大势所趋。生活垃圾粉碎机是垃圾处理的前处理，是实施处理垃圾并使之资源化利用的重要过程。因此，粉碎设备的研发应用是关键。

通过理论基础研究，倾斜角θ取值为10°，20°，30°，40°及45°，出口速度与渐近解是基本一致的。对仿真结果进行分析，斜角筛网两侧压力差明显，有利于物料出料。其分析结果与曹丽英等人提出的凹面型筛网筛分用时小于平板型筛网一致。以上研究为该粉碎机的筛分效率的提高设计提供了一种新思路，并为其他机械的筛网改进提供了理论依据。