新型好氧堆肥装置的设计.docx
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新型好氧堆肥装置的设计
前言
新型好氧堆肥装置是一种实用新型涉及农业有机肥的制备技术，具体是利用作物茎杆等农业废料堆制农业有机肥的有机肥堆肥装置。
该装置包括有一个可封闭的容器，在容器内分层排布有多根相互连通的布气管，布气管上排布有多个排气孔；布气管的总进气口与容器外部的进排气管道连接，本实用新型的装置其发酵温度与气体可以控制、发酵速度快、劳动强度低、可以选择进行进行厌氧发酵与有氧发酵。
利用ANSYS软件对装置搅拌机构进行受力仿真，计算出装置的使用寿命与危险区域处于桨叶与搅拌轴的连接处，在实际加工过程中对相应部位进行加固处理，降低危险区域。
关键词：
好氧堆肥；布气管；仿真
工程概况
本文首先介绍了国内外堆肥技术的现状及所需解决的问题，描述了新型好氧堆肥的生化反应机理，将堆肥过程所需的外部条件都说明了一下。
随后，就新型好氧堆肥的工作原理，基本结构进行讲解。
重点讲述的是新型好氧堆肥装置的反应仓体机架的设计和搅拌轴桨叶的设计计算和有限元仿真分析，其次就是大小带轮的设计计算和标准件的选择。
1概述
1.1本课题来源及研究的目的和意义
随着城市人口急剧增加，中国每年有大量的有机固体废弃物产生，主要种类包括畜禽粪便、作物秸秆、污泥和城市垃圾等。
这些有机固体废弃物很大一部分没有得到妥善处理，对中国城乡环境正形成巨大的压力。
而近年来，各地环境日趋严峻，这些废弃物的处理问题越来越引起人们的重视，如何有效的利用这些废物使之变废为宝成为现在首要解决的问题。
随之就出现了堆肥技术。
即在受控制条件下，利用微生物的作用和酶活性加速有机物的生物降解和转化,最终使有机物达到腐熟化和稳定化的过程。
堆肥一般采用在好氧条件下，利用微生物将污泥中的有机质分解、转化成腐殖质的过程，并杀灭其中的病原微生物和寄生虫。
堆肥过程不仅可以减少有机固体废弃物的体积、重量、臭味,杀灭病原菌、虫卵、植物种子等，同时会产生大量的腐殖质[2]。
生产出来的堆肥品，可以作为土壤调理剂和植物营养源,，能有效地改善土壤结构、提高土壤肥力，是一种无害化、减量化和稳定化的综合处理技术。
好氧堆肥是实现城市污泥无害化、减量化和资源化的有效方法，处理后的污泥垃圾进行土地利用是很有前景的一种处理方式[1]。
1.2本课题所涉及的问题在国内外研究现状及分析
目前，堆肥处理存在很多问题，主要包括：
调理剂添加过多、堆肥效率低、能耗较大、堆肥产品质量不稳定、污泥堆肥施用量确定不科学等[1]。
在中国,囿于当前的经济现状,高度机械化、自动化的堆肥设备成本太高,不符合中国的国情。
所以要在中国发展堆肥产业和堆肥技术,就必须去寻找一个成本较低、操作方便、维护性较好、真正适合中国国情的堆肥工艺和技术[6]。
目前国内外研究的好氧堆肥装置大都采用进料、搅拌、通气、出料同时进行的高效发酵装置,其核心是好氧发酵仓。
发酵仓按形状可分为塔式发酵设备、水平式发酵滚筒、料仓式发酵装置、条垛式发酵设备、组合型发酵系统等。
但是,高温好氧堆肥装置相关的设计数据十分有限。
在国外,堆肥技术正在向着机械化、自动化的方向发展,而为了防止对环境的二次污染,堆肥也趋向于采用密闭的发酵仓方式[6]。
成熟的技术堆肥方法主要有5种，即定期翻堆条垛式、通风静态垛式、被动通风条垛式、反应器式和蠕虫堆肥系统[4]。
根据搅拌过程的不同分桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、推进式搅拌器、锚式搅拌器、框式搅拌器、螺带式搅拌器、螺杆式搅拌器、圆盘锯齿式搅拌器等等。
目前，国外垃圾堆肥厂数量总体呈下降趋势，但垃圾堆肥技术的发展并没有停顿，应用最广的是机械生物技术（MBT）。
河北省高碑店市的垃圾处理即采用德国先进的MBT主体技术，对垃圾进行机械分拣、生物处理和后处理，产生生物稳定的堆肥产物，设计每年可处理城市生活垃圾4万余吨[5]。
有关堆肥技术的研究目前仍是国内外的热门课题,不断改进堆肥工艺、设备、降低经济成本、提高堆肥成品质量是研究者们研究的主要方向。
2堆肥装置的主要结构及工作原理
2.1堆肥装置的主要结构
堆肥装置如图2-1主要包括部分、动力部分、传动部分及爆汽、布水和取料等部分。
其主要结构有反应仓体及机架、搅拌机构、传动系统以及感应装置。
其中仓体的作用是堆肥。
堆肥过程中堆体需要一定的湿度、温度、水和空气。
反应釜外形设置为圆筒形，结合好氧堆肥工艺对发酵仓的具体尺寸进行设计，堆肥工艺为强制曝气有搅拌好氧堆肥，堆肥物料在反应釜内经搅拌桨叶的翻堆，由入料、中温高温发酵后、出料，形成有机肥料。
1.电机；2.可编程控制器；3.减速器；4.风机；5.仓体；6.搅拌轴；7.桨叶；8.布水孔；
9.传感器；10.出料口；11.皮带轮；12.联轴器；13.轴套；14.进料口；15.电滑环
图2-1新型好氧堆肥装置简图
2.2装置工作原理
仓体内有搅拌轴及桨叶，温度和湿度感应器分布于桨叶内，感应堆体温度及湿度变化并将数据传到仓体外的感应装置，感应装置的核心是可编程控制器（PLC），负责接收感应器传出的信号并且翻译再将信号发给相应的控制系统，控制系统再发出相应的指令。
传动系统由搅拌轴、减速器、带轮和电机构成。
搅拌轴装在仓体内部，主要作用是搅拌，在堆肥过程中，堆肥化过程常分为两个阶段，第一阶段是高速阶段,第二阶段是熟化阶段。
高速阶段的特征是耗氧速率高、温度高、挥发性有机物降解速率高和很浓的臭味，所以在这个阶段需要经常搅拌保证堆体有充足的氧气进行生化反应，同时散去过高的温度，让堆体的坏境有利于好氧菌的生存和发酵。
熟化阶段的特征则是温度低、耗氧速率低和很淡的臭味，这时候就可以减少搅拌次数，以免造成温度过低也不利于好氧菌的发酵和生存。
为了保证堆体各部分发酵的均匀性，需要定期对堆体进行搅拌，在搅拌的同时还要布水，布水孔就分布在搅拌轴上的桨叶内，一边搅拌一边布水。
仓体外部有机架，用来放置减速器、电机及其他零部件。
动力装置是电机，电机与减速器之间用皮带传动，减速器的输出轴端与搅拌轴相连。
3新型好氧堆肥装置的设计
3.1装置仓体的设计
堆肥装置仓体如图3-1采用过共晶白口铁组成，桶底直径约500mm左右，桶顶上沿部分开有入料口，底面部分设有出料口，物料填充率为80%，有效容积为45L左右，搅拌轴转速为2r/min，桶外壁可附装聚异丙烯保温层，厚度为100mm，能实现低温环境下的温度保持。
桶内搅拌轴桨叶采用镀锌四分管，具有较好的抗腐蚀性，管内设有向下曝气孔与温度传感器。
桨叶与空心轴通过四通接口进行螺纹铰接，空心搅拌轴下方通过电滑环与筒体相连，电滑环负责对温度传感器与PLC之间的信息交互。
曝气装置采用风机通过套筒与空心搅拌轴进行连接，密封轴承过盈配合在套筒与轴之间，轴上设有气孔，风机气体通过气孔进行曝气。
连接电机与空心轴的减速机选用1：
80蜗轮减速机。
温度传感器将信号通过电滑环传至PLC中，PLC将信号进行处理，控制电机与风机的启停，风机通过空心轴将气体从桨叶下方的曝气孔排出，进行内部曝气，电机带动减速机进行搅拌操作。
仓体上方焊接有机架，用于组装减速器，电动机。
图3-1仓体
在仓体的上下两端分别开有两个直径60mm的孔，用于安装轴承，下端机架用于安装减速器和电动机。
3.2搅拌轴及搅拌桨的设计
搅拌轴设计如图3-2为空心轴，轴内需要安装传感器，将堆体的温度湿度传到控制系统。
空心搅拌主轴上连接有空心桨叶，空心桨叶两两间隔90°，分上下两层，两层之间设有中部测温装置，桨叶下端设有曝气孔，浆内可设置传感器。
桨叶材质选用自来水供给管道所用的镀锌四分管，其表面光滑，便于搅拌。
搅拌器的主要作用为在堆肥的过程中进行物料翻堆和物料的混合均匀。
在好氧堆肥化进程中,对堆体物料的翻堆，不仅有助于堆体物料氧气通透均匀，而且有助于中间局部高温降温。
搅拌装置的合理设计可有助于堆肥顺利进行。
搅拌形式的确定根据实际生产要求，初步设定搅拌器为两层搅拌，搅拌器直径D取标准值,即搅拌容器直径的三分之一：
D=500mm/3≈167mm，底间距与搅拌容器内径比值一般在0.05～0.3范围内选取即搅拌轴距堆肥仓体的底高度有：
C=（0.05～0.3）D=0.1～0.6m。
考虑到实际生产中容器底部将会有0.3m厚的沉积物,C值不能太小；C值太大搅拌效果不足,结合实际情况取C=50mm对于双层搅拌器,搅拌器层间距Sp=（0.5～2）D=取Sp=220mm。
在搅拌设备设计中，采用悬臂轴结构,以解决在采用底轴承和中间轴承结构时带来的安装检修困难、对中麻烦、在有磨损性颗粒物料时造成轴承磨损、堵住咬死等问题。
国内外搅拌设备也大量采用这种结构[3]。
图3-2搅拌轴及桨叶
3.3基于有限元对搅拌轴进行仿真分析
（1）有限元概述
达朗贝尔原理指出，对处于运动状态的非平衡质点系，如果在每个质点上加上惯性力，则该质点系所受到的所有主动力、约束力和惯性力组成平衡系统。
其中，所加的惯性力与质点的质量和运动的加速度成正比，其方向与加速度方向相反。
达朗贝尔原理提出了解决质点系动力学问题的一个方法，对结构的有限元动力学分析，也应用达朗贝尔原理建立基本方程。
有限元法是一种适用性很强的数值计算方法，可用于求解多种类型的代数方程组或常微分方程。
有限元法是随着计算机的广泛应用而迅速发展起来的。
有限元法的具体做法是，先将整体假想的划分成多个小单元，各单元通过节点连在一起每个单元都用节点未知量通过插值函数来近似得表示单元内部的各种物理量，并使其在单元内部满足该问题的控制方程，从而可将各单元对整体的影响通过单元的节点传递；然后再将这些单元组装成一个整体，并使他们满足整个物体的边界条件和连续条件，得到一组有关节点未知量的联立方程，解出方程后，再用插值函数和有关公式就可以求得物体内部各点所要求的各种物理量。
与传统方法相比，有限元法不受物体几何形状限制，适应各种各样的工程结构的复杂集合形状，能处理许多物体内部带有间断性的复杂问题，还可以适应不连续的边界条件和载荷条件。
由于有限元分析的各个步骤可以表示成规范化的矩阵形式，最后导致求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，所以特别适用计算机的编程和执行。
（2）结构装置有限元分析
利用有限元软件ANSYS分析搅拌装置主要分前处理、求解计算、后处理三大部分。
前处理的任务是建立结构的几何模型，通过对几何模型划分单元实现从几何模型到有限元模型的转换，如图3-3将搅拌轴的几何模型通过单元划分转换成有限元模型。
图3-3搅拌轴单元化
前处理后是求解计算部分，动力学可以进行模态分析、谐响应分析、瞬态响应分析等。
同时该部分需要设置的参数等与静力学有着较大的差异，特别是有关频率、载荷时间等。
在求解计算过程中结构失效最常见的原因是疲劳，为了在设计阶段预先研究零件的预期疲劳程度，通过静疲劳理论和震动疲劳理论进行分析。
搅拌轴在堆体受力情况经测量如表3-1所示：
表3-1搅拌轴在堆体内受力情况
序号
深度10cm
深度20cm
深度30cm
G（N）
平均值
F（N）
平均值
1
2
3
4
5
1
2
3
12.5
14.5
13.5
15
13
13.7
9.5
9
9
9.17
28.5
17
24
23
25
25.13
12
13
15
13.33
45
42
38
37
40
40.4
25
26
26
25.67
（3）静疲劳理论
材料力学是根据静力实验来确定材料的力学性能，（比如弹性极限，屈服极限，强度极限）的，这些力学性能没有充分反映材料在交变应力作用下的特性。
因此在交变载荷作用下工作的零件或结构，如果还是按静载荷设计，在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。
静疲劳破坏与传统的静力破坏有许多本质区别。
静力破坏是一次最大载荷作
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