新型好氧堆肥装置的设计

新型好氧堆肥装置的设计学生姓名 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 16-1 指导老师 日 期 2016.06 塔里木大学机械电气化工程学院制16 届毕业设计前 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；仿真全套图纸加 153893706目 录1 概述 11.1 本课题来源及研究的目的和意义 11.2 本课题所涉及的问题在国内外研究现状及分析 12 堆肥装置的主要结构及工作原理 22.1 堆肥装置的主要结构 22.2 装置工作原理 23 新型好氧堆肥装置的设计 33.1 装置仓体的设计 33.2 搅拌轴及搅拌桨的设计 33.3 基于有限元对搅拌轴进行仿真分析 44 传动部分的设计 84.1 电动机机选择 84.2 电动机支架的设计 94.3 减速器的选择 104.4 减速器支架的设计 104.5 带轮的设计 114.6 风机的选择 134.7 其他零件的选择 14总结 15致谢 16参考文献 17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/3167mm ， 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（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用下的破坏：疲劳破坏是多次反复载荷作用下的破坏，他不是短期发生的，而是要经历一定的时间，甚至长时间才会发生破坏。当屈服极限大于静应力，或者强度极限大于静应力时，静力破坏不会发生；静强度极限远远大于交变应力，或者屈服极限大于变应力是才会发生疲劳破坏静应力在产生的时候有明显的塑性的变形产生，例如：疲劳破坏的隐蔽性通常处于事先不易察觉的非宏观的不显著塑性变形区域，所以静力破坏具有巨大的危险性。结构所受到的动态交变载荷的振动频率与结构本身具有的固定频率相近或者相同，从而使结构共振产生疲劳的现象，只有共振区域内或者附近的所收到的共振疲劳称为振动疲劳破坏。疲劳寿命是结构对疲劳破坏强度抵抗能力的表示，同静力载荷一次作用逐级上升不同，疲劳载荷引发的疲劳应力是方向不定的，次数变化的循环应力。结构在疲劳应力的作用下不断磨损，产生裂纹与损伤，所承受的应力次数 n 为结构的疲劳寿命。求解的过程中，ANSYS 默认的类型是静力学求解，根据表 3-1 定义载荷，然后求解。（4）后处理在后处理部分大多数动力学响应的处理和显示需要在时间历程处理器里完成。通过动力学分析，可以得到节点的位移、速度、加速度、应力、应变等参量的时间函数，也可以得到节点的频率响应函数，还可以进行一定的数学计算得到新函数。通过前期设定的参数对装置进行求解，得搅拌轴带桨叶的应力分析云图如图 3-4 和应变分析云图如图 3-5 和搅拌轴总变形分析云图如图 3-6。 序 号 深度 10cm 深度 20cm 深度 30cmG(N)平均值F(N)平均值1234512312.514.513.5151313.79.5999.1728.51724232525.1312131513.33454238374040.425262625.67图 3-4 搅拌轴带桨叶的应力分析云图图 3-5 搅拌轴带桨叶的应变分析云图图 3-6 搅拌轴带桨叶总变形分析云图由总云图可以看出桨叶的形变与初始状态相比，向下弯曲了 0.00054035mm，且形变量随着与搅拌轴的距离的增加而增加，但是搅拌轴的形变处于设计安全范围之内。（5）危险区域的预防与处理空心搅拌轴与空心桨叶施加载荷的作用下 2.3851e-5mm 的形变，大小可以忽略不计，材料连接完全满足堆肥需要，应力分析云图中桨叶与轴的连接部分至其向外延伸 25mm 处，应力变化明显，这一区域的应力应变也较为显著，参考平均应力修正理论，在桨叶与轴连接部位进行加厚加固处理能提高安全系数并增加使用寿命，原始机械设计结构可以实现。危险区域经过处理应力形变下降了 50%，处理后装置总变形分析云图如图 3-7。桨叶末端与搅拌轴的连接处增加抗疲劳处理后，各项数据同样满足堆肥装置搅拌强度要求，原始机械设计结构可以实现。图 3-7 处理后装置总变形分布云图4 传动部分的设计4.1 电动机机选择根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。过大的备用功率回事电机效率降低，对于感应电机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验强度的生产机械造价提高。根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、以及价格、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。选择符合该装置要求规格、功能完备的电动机是提高装置的可靠性与经济效益的重要因素， 根据桨型和装置特性,确定各层桨功率准数,再用各层桨功率准数、桨径、转速及物料密度计算各层桨轴功率,计算各层桨轴功率之和,同时将传动系统效率、电机储备系数考虑在内,即可确定搅拌装置电机功率。课题所设计的搅拌轴转速设定为 2r/min，取减速器的传动比为 i 减 =80，带轮的传动比为 i 带=4，得出电机转速，取转速为 940r/min，根据搅拌轴在堆体的受力情况如表 4-1表 4-1 搅拌轴在堆体的受力情况深度(N) 重力（N） 摩擦力（N）20040060024.567.62110.8810.325.759.8因为搅拌轴的摩擦力和重力都需要消耗功率，由上表数据得，在扭转过程中 T=M， 而搅拌轴的 M=F R (4-1) G=mg (4-2)由此求得搅拌轴整体转动所需的扭矩为 22Nm，(4-3)minrkwP954得电机的功率为 2.17kw，故选择同步转速为 1000 ，额定功率为 2.2kw 的电动机。4.2 电动机支架的设计电动机选型后安装在堆肥仓机架上时需要专门的支架如图 4-1（a）、（b），然后再用用螺栓固定。图 4-1 （a） 图 4-1(b) 图 4-1 电机支架图4.3 减速器的选择根据减速器的传动及结构特点可分为五大类：齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星齿轮减速器、摆线齿轮减速器、谐波齿轮减速器。减速器是原动机和工作机或执行机构之间的独立的闭式传动装置，是机械传动系统中应用最为广泛的传动部件之一，主要用来降低转速和增大转矩在标准系列化的减速器中，规定了主要的尺寸、参数值和适用条件，我们可根据减速器工作条件和参数进行选择，绝大部分情况下可不必自行设计，从而大大减少了制造周期和成本，且提高了产品的可靠性和稳定性。选用减速器时应从工作机的选用条件动力机的性能，技术参数以及经济性因素等方面考虑；比较不同类型、品种的减速器外型尺寸，承载能力，减速比，传动效率，价格等参数隶属用户需求的程度，进而选择较为合适的减速器型号。 减速器型号，通常情况这个过程依靠人为的查询机械设计手册先初选减速器型号，然后验算选取的减速器的型号是否符合初选要求。按减速机输出轴传递功率和转数计算减速机输出轴扭矩，按搅拌轴、搅拌桨自重及搅拌轴所受偏心力，计算减速机输出轴轴向力、径向力，由上述两项结果选择减速机。由整体装置可知所选减速器应具有较大的减速比，所以选择蜗轮蜗杆减速器。4.4 减速器支架的设计减速器选型后安装在堆肥仓机架上时需要专门的支架，用螺栓固定。由于减速器输出轴需要与搅拌轴链接，减速器的尺寸过小，所以在减速器与支架的中间需要加一块垫板，然后再用螺栓固定。减速器支架与垫板如图 4-2、图 4-3。图 4-2 减速器支架图图 4-3 垫板图4.5 带轮的设计已知装置电机功率为 ，转速 ，传动比 ，每天工作小于 8 小kWP2.min/9401rn4i时。（1）确定计算功率 P ca由机械设计第九版表 8-8 查的工作情况系数 ，故1.AK(4-4)kWPca 42（2）选择 V 带的带型根据 、 由机械设计第九版图 8-11 选用 Z 型。kWPca4.min/9401rn（3）确定带轮的基准直径 并验算带速dv初选小带轮的基准直径 。由机械设计第九版表 8-7 和表 8-9，取小带轮的基准直径1。md71验算带速 ，按式 验算带的速度v061nd= (4-5)106ndvsm/49.3计算大带轮基准直径(4-6)12di得大带轮的直径为 ，取标准值为m980（4）确定 V 带的中心距 和基准长度adL根据式 (4-7)(27.021021dda）（初定中心距 。20计算带所需的基准长度(4-8)0212104)()(2addaLd mm763257-5选带的基准长度 。Ld70计算实际中心距 。a(4-9)200dLa（5）计算带的根数 。z计算单根 V 带的额定功率 。rP由 和 ，查机械设计第九版表 8-4 得 。md71in/9401n kWP91.0根据 ， 和 Z 型带，查机械设计第九版表 8-5 得 。查机械设i/9401rn 计第九版表 8-6 得 ，表 8-2 得 ，于是8.K9.0LK(4-10)LrP)(得 kWPr91.0计算 V 带的根数 。z(4-11)6.291.04rcaPz取 3 根。（6）计算单根 V 带的初拉力 0F已知 Z 型带的单位质量 ，所以mkgq/6.(4-12)205.2qvzKPca得 NF180（7）计算压轴力 PF(4-13)2sin10zFP得 NF109所以选用 Z 型普通 V 带 3 根，带基准长度 700mm。带轮基准直径 ，md71，中心距控制在 。单根带初拉力 。md2 ma2415.09NF80大带轮和小带轮的三维效果如图 4-4 和 4-5。图 4-4 小带轮图 4-5 大带轮4.6 风机的选择在堆肥过程中,通风的作用有一供氧。通风可以为好氧微生物的活动提供足够的氧气，同时将积累在堆体中由于微生物呼吸作用释放的二氧化碳吹出。湿的堆肥容易产生臭气、渗滤液,招引苍蝇,增加运费。所以，干化是堆肥化过程取得的重要收益。为了满足微生物种群的最适宜温度范围，控制过高温度时，常需要增加空气供应以去除热量，达到调节堆体温度的目的。此外，通风状况会影响物料中氮的转化，进而影响到氮损失、空气污染等。含氮物质的转化与氧气有着密切的关系，适宜的通风供氧可以降低氮素损失和恶臭产生。堆肥的通风方式可分为自然通风、翻堆、被动通风、强制通风等。 风机按工作压力大小分类有风扇标准状态下，风机额定压力范围 此风机无机壳，又称自由风扇，常用于建筑paP98物的通风换气。（1）通风机 在设计条件下，额定压力范围为 。通风机是应用最为paP1470广泛的风机。空气污染治理、通风、空调等工程大多采用此类风机。（2）鼓风机 工作压力范围为 。压力较高，是污水处理曝气工pa9621470艺中常用的设备。（3）压缩机 工作压力范围为 ，或气体压缩比大于 3.5 的风机，如常用的paP19620空气压缩机。所以堆肥装置选择的风机是鼓风机。