基于EDEM的废菌棒粉碎分离机设计与试验*

陈宇，张涛，林通，庞有伦，李相，罗书强

(1. 西南大学工程技术学院,重庆市,400715; 2. 重庆市农业科学院,重庆市,401329)

0 引言

我国食用菌产量在近年来增长迅速,从2014年的32 700 kt增长到2019年的近40 000 kt[1-3]。1978年中国食用菌产量为57 kt,历经40年的改革开放,增长了近700倍。食用菌产业已经成为中国农业种植业中继粮食、蔬菜、果树、油料之后的第五大产业[4]。据统计,每生产1 kg食用菌需要1.45 kg菌料。刘景坤等[5]估算目前我国食用菌菌渣年产生量超1亿吨。废菌棒有机质含量较高,属于可再生生物质资源,对其处理不当和不及时,会造成生物质资源的浪费和严重的环境污染[6-7]。如何科学有效地利用废菌棒,引起了国内外相关研究人员的广泛关注。

废菌棒循环利用初始环节是脱袋粉碎,以前人工脱袋、机械粉碎的低效率模式已经不能满足现实需要,为改变这一模式,迫切需要操作简单、脱袋粉碎效果好、生产率高、能耗小的废菌棒粉碎分离机。废菌棒粉碎机械不属于食用菌工厂化生产设备,未能引起国内外大型研发机构的重视[8]。国内少数私企和学者设计制造了菌袋分离机,但这些机器无法兼顾脱袋效果和粉碎效果,存在结构复杂、功率消耗大、分离轴缠袋和噪声大等问题[9-12]。郭颖杰等[8]在此基础上进行了改进,提升了分离效果,但刀具较为复杂。重庆地区主要食用菌为平菇、秀珍菇、香菇、金针菇,它们所产生的废菌棒体积较小,因此,本文在研究废菌棒性状基础上,设计一种脱袋与分离一体的小型机器,通过EDEM软件对粉碎过程进行仿真分析,探究影响粉碎程度的规律,为后续机器制造优化提供了参考。以绞龙外径260 mm,叶片厚度6 mm制造样机,进行粉碎试验,以验证其脱袋与粉碎性能。

1 整机结构与工作原理

1.1 设计要求与技术参数

废菌棒由塑料袋包裹,废菌棒粉碎分离机应当有足够功率以满足脱袋和粉碎要求,生产效率应满足生产标准,根据以上设计要求废菌棒粉碎分离机设计技术参数如表1所示。

表1 分离机主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of separator

1.2 整机结构

废菌棒粉碎分离机主要由电机、粉碎装置、脱袋装置、入料口、筛网、菌袋出口和机架等组成,其整机结构如图1所示。工作时,电机通过带传动使粉碎装置转动,同时粉碎装置带动脱袋装置旋转。

图1 废菌棒粉碎分离机结构示意图Fig. 1 Structure diagram of waste bacteria stick crushing separator1.机架 2.菌袋出口 3.筛网 4.入料口 5.脱袋装置 6.粉碎装置 7.电机

1.3 工作原理

粉碎分离机工作时,废菌棒从入料口落入割袋箱,在进料锟的转动下,与割袋刀滑切,完成割袋,落入下方粉碎装置。粉碎装置中,废菌棒在绞龙与筛网的揉搓下粉碎,并在绞龙的旋转输送下,运动至吹袋板。当废菌棒被粉碎至直径20 mm以下时,从筛网落出,菌袋则被吹袋板吹出,完成菌袋分离。

2 关键部件设计

2.1 割袋装置

割袋装置主要由进料辊、进料辊轴、进料辊架、限位板、割袋刀和割袋刀架等组成,用于完成废菌棒的入料和割袋,其结构如图2所示。其中,割袋刀和割袋刀架通过螺栓连接、割袋刀架和机架通过螺栓连接、进料辊焊接在限位板上、限位板和进料辊架通过螺栓连接,进料辊在旋转作用下推动废菌棒入料并和割袋刀发生滑切,完成割袋。

图2 割袋装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of bag cutting device1.割袋刀架 2.割袋刀 3.限位板 4.进料辊架 5.进料辊轴 6.进料辊 7.机架

为确定割袋刀架的长度L,对废秀珍菇菌棒进行取样统计,测得其直径D1=104～115 mm,长度L1=175～184 mm。

割袋刀架长度应大于废菌棒长度的两倍,便于多根菌棒同时入料,取L=390 mm。割袋刀选用尖头U型定刀,其宽度L2=33 mm;割袋刀安装间距d1应小于100 mm,d1过小则刀具数量过多,割袋刀架负载过大,d1过大则出现漏割,分析后取d1=90 mm。

割袋刀数量计算公式如式(1)所示。

L1+(n1-1)d1+b=L

(1)

式中:n1——割袋刀数量;

b——预留宽度,mm。

确定割袋刀数量n为4,预留宽度b为87 mm。

2.2 粉碎装置

粉碎装置选用绞龙粉碎器,主要作用是将割袋后的废菌棒和菌袋粉碎,将菌袋吹出。绞龙粉碎器主要由轴体、绞龙、分离筛、吹袋板组成,如图3所示。其中,轴头焊接在轴两侧、吹袋板和吹袋板底座螺栓连接、吹袋板底座焊接在轴体一侧、绞龙焊接在轴体上、分离筛焊接在机架上。在传动带轮的带动下,进入粉碎装置的废菌棒和菌袋一边被绞龙粉碎,一边沿轴体向一侧移动,粉碎后的菌渣受重力从筛网落下,菌袋在吹袋板的吹送作用下经菌袋出口离开粉碎装置。

图3 绞龙粉碎器结构示意图Fig. 3 Structure diagram of auger crusher1.轴体 2.绞龙 3.分离筛 4.吹袋板

2.2.1 绞龙粉碎器结构参数确定

绞龙粉碎器的结构参数主要包括绞龙内径、外径、螺距、螺旋升角和分离筛内径。

该机在工作过程中,绞龙内径所承受负荷相对较小,满足一定刚度[13],选取绞龙内径Dn=60 mm。在绞龙内径一定时,绞龙外径Dw过小易发生堵塞和分离轴缠袋现象,影响绞龙的输送,故设计绞龙外径Dw为260 mm。绞龙叶片与分离筛面的间隙d2应满足0

螺距的大小影响绞龙粉碎器的工作效率和效果,螺距过小输送效率太低,螺距过大粉碎效果差,参考无壳取籽器绞龙破碎器[15]的设计,取螺距与外径之比为0.9,螺距E为236 mm。绞龙叶片边缘上的点的法线与轴线间的角为螺旋升角,计算公式如式(2)所示。

(2)

计算可得外径螺旋升角为16.11°。

2.2.2 绞龙粉碎器运动参数确定

当废菌棒进入绞龙与分离筛之间的间隙时,其外表面分别与绞龙、分离筛表面接触,在绞龙的作用力F作用下完成粉碎。

点O为绞龙与分离筛的共同轴心,以废菌棒外表面与绞龙的接触点A为原点建立坐标系,将力F分解如图4所示。

图4 废菌棒表面受力示意图Fig. 4 Schematic diagram of stress

绞龙作用力F可分解为沿轴向的输送力Fa、沿绞龙半径的径向挤压力Fr和沿圆周的切向力Fτ,如式(3)所示。

(3)

式中:ω——A点角速度,rad/s;

n——绞龙转速,r/min;

Pτ——A点切向粉碎功率,W;

β——挤压角,(°)。

废菌棒的粉碎效果与切向粉碎功率、绞龙转速、绞龙外径、螺旋升角和挤压角有关,在切向粉碎功率、螺旋升角和挤压角一定时,绞龙转速和外径越大,切向力Fτ、轴向的输送力Fa、径向挤压力Fr越小。

3 粉碎作业仿真

在结构参数方面,在筛网半径固定时,绞龙外径、叶片厚度会影响撕搓空间的间隙,从而影响粉碎程度;在工作参数方面,绞龙转速同样会影响粉碎程度。因此本文运用离散元仿真来分析绞龙外径、叶片厚度和绞龙转速对粉碎程度的影响。

3.1 废菌棒参数测定

对废菌棒进行参数测定使仿真贴合真实情况,本次试验选用由重庆市农业科学院食用菌研究中心提供的培养秀珍菇的废弃菌棒进行试验。

废菌棒为半径55 mm,高180 mm的圆柱形,求出体积v,称出质量m,求出密度ρ,取3组试验的密度平均值ρ=836 kg/m3,密度平均值的计算公式如式(4)所示。

(4)

3.2 机器模型简化

为便于仿真,在Solidworks中对废菌棒粉碎分离机进行结构简化,储存为stp格式,导入EDEM以便菌棒定位,简化后的结构如图5所示。

图5 粉碎分离机简化图Fig. 5 Simplified diagram of crushing separator

3.3 废菌棒模型建立

3.3.1 接触模型的选择

离散元技术中颗粒法向接触力与切向接触力有多种接触模型,常见的接触模型有:Hertz-Mindin with JKR Cohesion凝聚力接触模型、Hert-Mindin无粘结接触模型及Hertz-Mindin with Bonding粘结断裂接触模型等。

Hertz-Mindlin with Bonding粘结接触模型用粘结键将颗粒粘结成可粉碎的单元体,能够有效模拟废菌棒颗粒粉碎,故选用Hert-Mindin无粘结接触模型及Hertz-Mindin with Bonding粘结断裂接触模型。

在粘结之后,模型根据式(5)在每个时间步对颗粒上的法向力矩Tn、切向力矩Tt与法向力Fn、切向力Ft进行更新。

(5)

式中:δ——时间步长;

t——时间;

vn——颗粒法向速度,m/s;

vt——颗粒切向速度,m/s;

Sn——是颗粒切向刚度,N·m;

ωn——颗粒法向角速度,rad/s;

ωt——颗粒切向角速度,rad/s;

A——颗粒接触面积,m2;

J——颗粒惯性矩,m4;

RB——颗粒间黏结半径,m。

当颗粒间外力达到粘接键极限时废菌棒粉碎为菌粒,在后处理界面中统计粉碎粘接键数量与总粘接键数量之比,即为粉碎程度,其临界法切向应力如式(6)所示。

(6)

式中:Mn——颗粒间切向力矩,N·m;

Mτ——颗粒间法向力矩,N·m。

3.3.2 参数设置

一种价值观要真正发挥作用，必须融入社会生活，与社会生活紧密联系起来，让人们在实践中感知它、领悟它，增强认同感和归属感。志愿服务活动，是人人可为、人人能为的重要载体，有利于增强社会主义核心价值观的吸引力、感染力，提高人们对主流价值观的认同感。

查阅相关资料[16-19],设定离散元仿真参数见表2。

表2 物料物理参数Tab. 2 Physical parameters of materials

3.3.3 废菌棒模型建立

废菌棒由细小颗粒组成,选用球形颗粒模拟菌棒颗粒,粘结成整体以模拟废菌棒,球形颗粒半径为1.5 mm。

根据废菌棒外形,运用Cylinder功能放置直径110 mm、长180 mm的圆柱形菌棒盒,并放置在入料口的上方,用菌料颗粒填充菌棒盒,添加初始速度5 m/s使之压实,压实后,导出为simulation deck。打开simulation deck后再次堆积,如此多次堆积后,填满菌棒盒,得到废菌棒外形。

运用Hertz-Mindin with Bonding模型生成bond键,将菌棒盒设为虚拟即可得到废菌棒模型,废菌棒与粘结模型如图6所示。

(a) 废菌棒外形

(b) 粘结模型

(c) 粘结键图

(d) 堆积中图6 废菌棒与粘结模型Fig. 6 Waste stick and adhesive model

3.4 废菌棒粉碎过程仿真分析

菌棒粘结完成后,将绞龙相关零件设为整体,其余部分设为机架。为绞龙添加绕轴的旋转运动,设置其转速为300 r/min,设定仿真总时长1 s,随后开始仿真分析,粉碎过程如图7所示。

(a) 0 s

(b) 0.20 s

(c) 0.45 s

(d) 1.0 s图7 废菌棒粉碎过程图Fig. 7 Crushing process of waste bacteria rods

随着绞龙转动,废菌棒逐渐粉碎,从筛网下方出料,极少部分菌粒从菌袋出口落出,少部分粘结键未能断裂,损失菌粒和未断裂键如图8所示。

(a) 菌粒图

(b) 粘结键图图8 损失菌粒和未断裂键Fig. 8 Loss of bacterial particles and unbroken bonds

3.4.1 绞龙扭矩和粉碎程度分析

通过后处理,导出断裂的bond键数,除以总键数,即可得出粉碎程度与时间关系。菌棒粉碎过程中,绞龙所受扭矩是判断绞龙工作的稳定性的重要指标,本试验中,绞龙扭矩和粉碎程度随时间变化情况如图9所示。

图9 扭矩与粉碎程度随时间变化情况Fig. 9 Torque and crushing degree change with time

从图9可以看出,0～0.2 s,废菌棒生成并竖直下落,粉碎程度不变,绞龙所受扭矩为0 N;0.2～0.4 s,绞龙开始粉碎,扭矩略有波动;0.4～0.45 s,随着菌棒粉碎程度的提升,绞龙和菌粒与分离筛间撕搓加剧,扭矩上升至峰值41.98 N·m;0.45～0.81 s,粉碎程度逐渐达到峰值,扭矩小幅度波动;0.81～1.0 s,废菌棒粉碎程度保持稳定,扭矩小幅度波动。

3.4.2 单因素试验分析

为了研究绞龙转速对机器工作性能的影响,利用离散元软件EDEM,依次设置绞龙转速为200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min、400 r/min,进行粉碎分析,结果如图10所示。

图10 绞龙转速对工作性能影响Fig. 10 Influence of auger speed on working performance

由图10可以看出,在绞龙转速在200～300 r/min期间时,随着绞龙转速的增加,废菌棒粉碎程度呈上升趋势;随绞龙转速继续增加且大于300 r/min时,从菌袋出口落出的菌料增多,粉碎程度呈下降趋势;在200～400 r/min期间,绞龙转速增大,其所受最大扭矩逐渐下降。综上分析可得:绞龙转速在300 r/min时,废菌棒粉碎程度最大,绞龙所受最大扭矩41.98 N。

本设计选用YL100L24电机,额定功率3 kW,校核如式(7)所示。

(7)

式中:P——作业功率,kW;

T——扭矩,N·m;

η——传动效率,取85%。

在200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min、400 r/min时,绞龙所受最大功率分别为1.43 kW、1.58 kW、1.55 kW、1.64 kW、1.71 kW,均小于3 kW,工作稳定。

3.5 仿真试验设计与结果

以绞龙外径、绞龙转速及叶片厚度为因素,运用Design-Expert12软件设计三因素三水平二次回归正交旋转组合试验,探究对粉碎程度Y的影响。试验因素编码如表3所示,试验设计方案和结果如表4所示,A、B、C为因素编码值。

表3 试验因素编码表Tab. 3 Table of test factor codes

表4 试验方案及结果Tab. 4 Test scheme and results

3.6 回归模型建立与方差分析

进行数据分析,得到粉碎程度Y的回归模型为

Y=80.9+1.34A+0.862 5B+0.425C-0.025AC+0.125BC-2.75A2-1.05B2+0.025C2

(8)

对仿真试验结果进行方差分析,结果如表5所示。

表5 粉碎程度的方差分析Tab. 5 Variance analysis of crushing degree

由表5可知,粉碎程度的模型F值为135.77,P<0.000 1,表明二次回归模型极为显著;失拟项P值大于0.05,表明无失拟因素存在,模型拟合度高;模型的多元系数R2为0.994 3,表明模型相关性好,信噪比APrecision为36.650 8远大于4,表明该模型可信度高。对参数P值、F值分析得到各参数对粉碎程度影响的显著性大小为:二阶绞龙外径A2>绞龙外径A>绞龙转速B>二阶绞龙转速B2>叶片厚度C。

从图11(a)可知,在同一叶片厚度下,随着绞龙转速增大,粉碎程度先增大后减小;随着绞龙外径增大,粉碎程度先增大后减小。由图11(b)可知,在同一绞龙转速下,随着叶片厚度增大,粉碎程度增大;随着绞龙外径增大,粉碎程度先增大后减小。由图11(c)可知,在同一绞龙外径下,粉碎程度随叶片厚度增大而增大;随着绞龙转速增大,粉碎程度先增大后减小。

(a) 绞龙转速和绞龙外径的影响

(b) 叶片厚度和绞龙外径的影响

(c) 叶片厚度和绞龙转速的影响图11 粉碎程度的双因素响应曲面Fig. 11 Two factor response surface of crushing degree

3.7 参数优化与验证

根据粉碎分离机的粉碎性能要求,粉碎程度越高,粉碎的效果越好。各因素对粉碎程度的影响不一致,以粉碎程度为目标函数,对绞龙外径、绞龙转速、叶片厚度3个因素进行综合优化,其约束及目标函数如式(9)所示。

(9)

得出最佳工作参数为:绞龙转速323.4 r/min,绞龙外径为261.185 mm,叶片厚度为6 mm,此时模型预测粉碎程度为81.739%,将该参数代入仿真试验,得出仿真粉碎程度为83.2%,误差为1.79%,与优化结果基本一致,表明预测模型有效。

4 样机试验

2022年11月,在重庆市农业机械研究所开展样机试验,结合生产实际,将绞龙参数进行圆整,以绞龙外径260 mm,叶片厚度6 mm制造样机,配套动力3 kW,绞龙转速设定为320 r/min,通过分析粉碎合格率、菌袋脱净率和生产率来检验设计的可行性。

本次试验采用的废菌棒来自重庆市农业科学院食用菌研究中心,废菌棒要求底面平整,菌袋外表面完整,菌料无损伤或开裂,废菌棒底面直径104～115 mm,高度175～184 mm。

从粉碎后的菌料中随机抽取一定量菌料,粉碎合格率计算方式如式(10)所示。

(10)

式中:M1——粉碎后的菌料质量,g;

M2——长度大于20 mm的菌块质量,g。

菌袋脱净率计算方式如式(11)所示。

(11)

式中:M3——5 min内从菌袋出口排出的菌袋总质量,g;

M4——菌料出口排出的碎片总质量,g。

试验采用平均法,同一试验条件下实验3次,取平均值,其试验结果如表6所示。

作业后废菌棒粉碎合格率为92%,菌袋脱净率为93%,各项指标均已达标。作业过程废菌棒入料顺畅,无菌袋缠绕现象,该废菌棒粉碎分离机有效解决废菌棒粉碎脱袋问题,对促进我国废菌棒回收利用具有重要意义。

5 结论

1) 设计一台废菌棒粉碎分离机,包括割袋装置、粉碎装置,能够实现废菌棒脱袋与粉碎一体;设计割袋装置,根据废菌棒外形尺寸设计割袋刀架宽度为390 mm,割袋刀安装间距为90 mm;设计绞龙粉碎器内径为60 mm,外径为260 mm,螺距为236 mm。

2) 运用EDEM中bond键建立废菌棒模型,对废菌棒进行粉碎仿真,当废菌棒粉碎至一定时间,粉碎程度稳定,不再提升;通过绞龙所受最大扭矩对机器进行简要校核。应用Design-Expert12设计仿真正交试验,通过方差分析得到各参数对粉碎程度影响的显著性为:二阶绞龙外径A2>绞龙外径A>绞龙转速B>二阶绞龙转速B2>叶片厚度C;建立回归模型,对机器的结构参数和作业参数进行了优化,得到的结果为:粉碎轴转速323.4 r/min,绞龙外径261.185 mm,叶片厚度6 mm时,粉碎程度为81.739%。经过仿真验证得出粉碎程度模型预测值与仿真值的相对误差为1.79%,表明在一定的误差允许范围内该预测模型的有效性。

3) 样机以320 r/min的绞龙转速进行粉碎试验时,整机工作性能稳定,废菌棒喂入顺畅,粉碎合格率为92%,菌袋脱净率为93%,各项指标均已达到或超过设计技术指标。