双向螺旋黑水虻虫沙收集装置设计与试验

彭才望，孙松林，贺喜，许道军，张鹏

（1.湖南农业大学机电工程学院，长沙410128；2.湖南农业大学动物科学技术学院，长沙410128；3.湖南农业大学动物医学院，长沙410128）

黑水虻作为一种资源性食腐昆虫，在猪粪“肥料化利用”过程中作用明显，已成为当前处理猪场粪污的绿色环保模式之一，也是众多学者研究的对象[1]。根据黑水虻的养殖特点，一般将黑水虻与猪粪置于条形框中进行8～10 d 的规模化处理，黑水虻取食猪粪中的营养成分并消化后，产生一种黏性、湿润、蓬松的颗粒物，即黑水虻虫沙[2]。黑水虻虫沙能直接充当有机肥进行使用，可有效降低猪场粪便带来的直接污染。目前，关于黑水虻的研究主要集中于黑水虻生长[3]、生物营养成分[4]以及对粪便的转化率[5]等方面。而在黑水虻处理猪粪中涉及的虫沙收集、输送、筛分等方面的机械化应用还存在一定的不足。因此，设计一种高效、稳定的虫沙收集装置在猪粪资源化处理后续环节中尤为重要。以往研究发现，螺旋输料利用螺旋叶片与物料之间的相对运动来完成输料，结构简单、应用范围较广[6-8]。戚江涛等基于离散元方法（discrete element method,DEM）对双螺旋奶牛饲喂装置在不同螺旋转速下的给料性能进行了分析[9]；乌兰图雅等针对输送玉米秸秆的螺旋装置在输送理论模型[10]、输送性能[11]等方面提供了理论参考；陈雄飞等研究了单圈螺旋排肥量、转速、肥料含水率等因素对螺旋排肥装置排肥效果的影响[12]；蒋恩臣等研制了带有变螺距螺旋输送器的生物质连续热反应实验装置，对变螺距螺旋输送器参数进行了设计[13]；罗胜等通过数值模拟方法研究了不同螺距及转速对螺旋加料机输送性能的影响[14]。另外，黑水虻处理猪粪的机械自动化设备或装置虽然在部分中国专利[15-17]上得到公开，但相关产品或螺旋装置在黑水虻虫沙收集过程中予以应用的研究尚鲜有报道。

本研究依据虫沙的机械物理性能，设计了一种双向螺旋收集装置，分析了其工作原理和结构参数，以排料管单圈排料量和收集完成时间作为评价指标，通过单因素试验与多因素正交试验确定各因素对评价指标的影响规律，以期为螺旋收集装置的改进和优化提供理论参考。

1 双向螺旋收集装置结构设计

1.1 双向螺旋收集装置结构

本研究设计的双向螺旋收集装置结构简图和实物图如图1 所示。双向螺旋呈卧式结构，主要收集养殖料盘上面的虫沙。其主要结构包括双向螺旋调速电机、排料螺旋调速电机、排料管、集料槽、右螺旋、左螺旋、螺旋轴、出料口、防堵杆、排料螺旋。螺旋轴上安装有左右对称的2 组螺旋叶片（右螺旋、左螺旋），其高度、螺距相同，而螺旋方向相反。排料管为空心不锈钢管（内径74 mm、壁厚1 mm），内部安装无轴的排料螺旋。排料管拐角处以圆弧角过渡，以降低排料螺旋与排料管的管壁间摩擦。考虑到料盘侧壁高度影响，排料管轴向中心线与水平面形成10°夹角。由于虫沙疏松，表现为细碎沙土样颗粒物，因此，螺旋叶片选用实体螺旋面式。螺旋叶片和螺旋轴均为Q235 钢制材料，以保证足够的刚度和强度。左、右螺旋中间面对出料口的位置，在螺旋轴上对称焊接有防堵杆，其为长4 cm、外径10 mm、壁厚1 mm的封闭中空圆管。

1.2 双向螺旋收集装置工作原理

螺旋轴上固定安装有右螺旋和左螺旋，左右螺旋推送料盘上的虫沙沿集料槽到出料口，并进入防堵杆与排料螺旋形成的空腔内，排料螺旋将虫沙经排料管输送到末端。排料螺旋靠近出料口的一端安装短轴，由排料螺旋调速电机驱动旋转，螺旋轴由双向螺旋调速电机驱动旋转。螺旋轴上的左右螺旋为排料螺旋提供了稳定及充足的虫沙。借助螺旋轴中间位置的防堵杆搅拌虫沙，可防止虫沙在出料口堆积成块，并能推送虫沙到排料管。

1.3 双向螺旋收集装置主要参数设计

双向螺旋收集装置主要包括双向收集螺旋和排料螺旋，二者主要涉及的参数包括螺旋叶片直径（D）、螺距（S）、螺旋轴径（d）、螺旋转速（n）等。为了提高双向螺旋收集装置在虫沙收集过程中的高效与可靠性，根据螺旋工作机制设计主要结构参数。

1.3.1 运动学分析

双向螺旋收集装置设计基本要求：收集效率高、稳定可靠。提高收集效率的主要方法：虫沙在集料槽内或排料管内以轴向运动为主[18]，尽可能地降低虫沙的圆周运动，提高虫沙轴向运动速度。虫沙受螺旋叶片转动的影响，沿螺旋轴向和圆周旋转方向做复合运动，并向中间出料口方向移动。

选取左螺旋叶片上某点距轴线r处的物料单元O作为分析对象，对双向螺旋内的物料微元体进行速度分析，如图2所示。

图2 左螺旋叶片上的某点速度分析Fig.2 Velocity analysis of a point on the left screw blade

式中：v为虫沙理想的输送速度，m/s；n为螺旋轴的转速，r/min；S为螺距，m；va为垂直螺旋叶片的理论速度，m/s；α为螺旋升角，（º）；f为摩擦系数，f=tanβ，角度β为虫沙单元O合速度vβ沿法线方向偏移一定角度；vβ为考虑摩擦后螺旋叶片推动虫沙单元O的速度，m/s；vb为虫沙沿圆周旋转方向的速度，m/s；vf为虫沙实际输送速度，m/s。由式（1）～（5）可知，影响虫沙运动特性的主要因素有螺旋转速、螺距、虫沙与螺旋叶片之间的摩擦等。

1.3.2 双向螺旋结构参数

螺旋外径、螺旋转速、螺距以及工作转速应满足式（6）～（9）。螺旋转速n的高低影响虫沙在集料槽内或排料管内的流动性。螺旋叶片转动后，虫沙在离心力、摩擦力、自身重力等作用下，被提升。沿螺旋面下滑并随螺旋叶片一起旋转，最终实现虫沙向出料口方向移动并经排料管输出[19-21]。但是，当螺旋叶片超过一定的临界转速后，虫沙在螺旋叶片的离心力作用下被甩离螺旋叶片，起到搅拌和推进作用，对于本试验而言，将导致螺旋收集效果降低，收集完成时间延长。考虑虫沙所受离心力最大值与自重之间的关系，螺旋转速n计算公式如下：

式中：m为虫沙质量，kg；ωmax为左右螺旋的临界角转速度，rad/s；R为螺旋叶片半径，m；g为重力加速度，m/s2；nmax为临界转速，r/min；K为虫沙综合系数；D为螺旋叶片外径，m。式中：A为虫沙综合特性系数。实验装置的双向收集螺旋外径为0.120 m，排料螺旋外径为0.06 m，且试验对象为虫沙，参考常用的物料综合特性系数值[23]，取A=30，代入式（9）得到收集螺旋临界转速n1max=86 r/min，排料螺旋临界转速n2max=122 r/min。

螺旋叶片外径和螺旋叶片内径之间满足公式[24]

式中：d为螺旋叶片内径，m。

虫沙移动速度随螺旋叶片的螺距增大而增加，输送效率得到提高，计算公式[21-22]如下：

虫沙在双向螺旋的搅动推送作用下往出料口方向运动。此时，虫沙从螺旋叶片上脱离开来，但螺旋叶片末端距离出料口有一定的距离，设为S1（即防堵杆与左右螺旋叶片末端的距离）。选取右螺旋一端的物料单元O1为研究对象，如图3 所示。该物料单元在脱离螺旋叶片末端时，具备一定的初速度，沿螺旋轴向方向继续做减速运动。在靠近出料口处，虫沙之间处于运动接触状态，一方面左右螺旋叶片的推力通过物料之间接触进行挤压推送；另一方面，在出料口中间位置，螺旋轴上的防堵杆和螺旋轴同向旋转，具备一定的推力（假设为F5），在该推力与虫沙颗粒间相互推挤作用下，保证了虫沙向出料口移动的流动特性。

图3 出料口排料分析Fig.3 Discharging analysis of discharging hole

以物料单元O1为研究对象，取x轴与螺旋轴轴线方向相平行，其方向为右；y轴与出料口横截面垂直，且与出料口方向垂直向外；z轴垂直底平面，垂直向上（图3）。

式中：Fi为其他物料单元对被研究物料单元O1的作用力，N；m为物料单元O1的质量，kg；g为重力加速度，m/s2；a为物料单元O1的加速度，m/s2。由式（14）可知，S1越大，物料颗粒在出料口受到相互作用力的时间越长，影响排料稳定性。因此，应尽可能延长左右螺旋叶片长度，降低防堵杆和左右螺旋叶片末端的距离。考虑双向螺旋结构特点，为降低虫沙相互挤压缠绕和排料圆管内的积压程度，提高输送效率，最终设定双向左右螺旋长度均为50 cm，S1为5 cm。工作时双向螺旋为排料螺旋提供足够的虫沙流，使得排料螺旋的填充系数接近1。双向螺旋结构参数如表1所示。

2 双向螺旋装置试验

2.1 试验设计

2.1.1 试验方法

2019年11月10—15日在湖南大湘农环境科技股份有限公司厂房内进行试验，试验用黑水虻虫沙由湖南农业大学动物医学院黑水虻高效处理利用畜禽废弃物研究团队提供。试验时，测得虫沙含水率为43.6%。试验仪器主要包括天平（精度为0.002 kg）、秒表、5IK60RGU-CF 卧式调速电机（台湾晟邦电机工业有限公司，功率200～250 W）、污泥含水率快速测试仪（深圳市芬析仪器制造有限公司，精度为±0.5%）等。试验装置如图4 所示，料盘宽为1.2 m，四周侧壁高0.08 m，长度可根据养殖规模设计。卧式调速电机用于调节双向螺旋转速与排料螺旋转速，在料盘内铺满长30 cm、宽120 cm、不同高度（3、4、5 cm）的虫沙，测量排料管单圈排料量与收集完成时间。考虑虫沙物理特性，试验时螺旋收集装置匀速前移过程中，使双向螺旋虫沙填充率稳定且处于0.20～0.35 之间较合理，有利于提高螺旋输送性能。

表1 双向螺旋主要参数Table 1 Main parameters of bidirectional spirals

图4 双向螺旋装置示意图Fig.4 Schematic diagram of bidirectional spiral device

2.1.2 性能指标

结合虫沙机械物理性能与双向螺旋输送结构的特点，在尚无定量评价双向螺旋收集虫沙效果标准的情况下，该装置收集效果的评价指标选取排料螺旋单圈排料量q（下文提到的单圈排料量均为排料管的单圈排料量）和虫沙收集完成时间ΔE，计算公式如下：

式中：q为排料螺旋实际单圈排料量，g；Q为排料量，g/min；n为排料螺旋的转速，r/min；ΔE为收集完成时间，s；B2为收集完成的时间点，s；B1为收集开始的时间点，s。

由前文分析可知，双向螺旋收集虫沙的效果主要取决于双向螺旋转速、排料螺旋转速，此外，虫沙厚度也与收集完成效果有着密切的关系。为确定正交试验的各因素水平范围，首先对双向螺旋转速n1、排料螺旋转速n2、虫沙厚度h这3 个因素进行不同水平的单因素试验。试验现场如图5所示。

图5 双向螺旋装置收集试验现场Fig.5 Field drawing of collecting test for bidirectional spiral device

2.2 单因素试验结果分析

为了确定正交试验的各因素水平范围，对双向螺旋转速、排料螺旋转速、虫沙厚度这3个因素进行不同水平的单因素试验。每组试验重复2 次，取平均值。结合文献[20-22]描述并计算，双向螺旋的临界转速n1max=86 r/min，排料螺旋的临界转速n2max=122 r/min。螺旋转速过高，虫沙收集与排料效果降低，试验时双向螺旋转速范围为50～90 r/min，排料螺旋转速范围为60～110 r/min；结合虫沙物料特性[23]，双向螺旋填充系数取值在0.20～0.35 之间。因此，选取虫沙临界填充高度4 cm，此在试验选取的高度范围（3～5 cm）内，符合要求。

1）双向螺旋转速对单圈排料量和收集完成时间的影响：双向螺旋转速的单因素试验在排料螺旋转速81 r/min，虫沙厚4 cm、宽30 cm、长120 cm 的情况下进行。双向螺旋转速对虫沙收集效果影响曲线如图6 所示。从中可以看出：随着双向螺旋转速的升高，单圈排料量逐渐增加，当双向螺旋转速超过78 r/min时，单圈排料量降低，双向螺旋的输送效率减小，收集完成时间提高。这是因为，当螺旋转速过高，虫沙会产生垂直于轴向的翻滚或被搅拌，虫沙输送量降低。

图6 双向螺旋转速对收集的影响Fig.6 Influence of bidirectional spiral speed on collection

2）排料螺旋转速对单圈排料量和收集完成时间的影响：排料螺旋转速的单因素试验在双向螺旋转速58 r/min，虫沙厚4 cm、宽30 cm、长120 cm 的情况下进行。排料螺旋转速对虫沙收集效果影响曲线如图7 所示。从中可以看出：随着排料螺旋转速提高至78 r/min 时，单圈排料量提高到139 g，排料螺旋转速超过78 r/min 时，排料螺旋输送效率降低，收集完成时间延长。这是因为，当双向螺旋推送的虫沙量一定时，排料螺旋转速超过临界值，虫沙在螺旋内产生圆周运动，轴向推送效率降低。

图7 排料螺旋转速对收集的影响Fig.7 Influence of discharging spiral speed on collection

3）虫沙厚度对单圈排料量和收集完成时间的影响：虫沙厚度的单因素试验在双向螺旋转速58 r/min，排料螺旋转速81 r/min，虫沙长120 cm、宽30 cm，虫沙厚3、4、5 cm 的情况下进行。虫沙厚度对虫沙收集效果影响曲线如图8所示。从中可以看出：随着虫沙厚度逐渐增加，双向螺旋与排料螺旋填充系数增大，单圈排料量增加。但是虫沙厚度过高，单圈排料量降低，螺旋输送效率降低，收集完成时间延长。这是因为，当虫沙厚度在一定范围内增加时，输送效率增加；当虫沙厚度过高时，在螺旋内的轴向速度降低，输送量减少。

图8 虫沙厚度对收集的影响Fig.8 Influence of insect sand thickness on collection

2.3 多因素试验结果分析

在单因素试验基础上，选取双向螺旋转速n1、排料螺旋转速n2、虫沙厚度h为考察因素，单圈排料量、收集完成时间为主要评价指标，利用L9(34)正交表，做三因素三水平正交组合试验，试验取长120 cm、宽30 cm的虫沙物料为研究对象。正交试验因素水平布置如表2所示。

每组试验做2次，取其平均值为试验结果值，如表3所示。

表2 正交试验因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

为分析各因素影响的主次关系，对单圈排料量和收集完成时间分别做极差分析，结果如表4所示。

由表4 中的单圈排料量极差值R可知，影响单圈排料量因素的主次顺序为排料螺旋转速＞虫沙厚度＞双向螺旋转速，考虑到单圈排料量越大越好，试验求得各因素对试验指标影响最优方案为A3B1C3，即采用双向螺旋转速78 r/min，排料螺旋转速68 r/min，虫沙厚度5 cm时，单圈排料量最大。

由表4中的收集完成时间极差值R可知，影响收集完成时间因素的主次顺序为虫沙厚度＞排料螺旋转速＞双向螺旋转速，考虑到收集完成时间越短越好，试验求得各因素对试验指标影响最优方案为A3B3C1，即采用双向螺旋转速78 r/min，排料螺旋转速108 r/min，虫沙厚度3 cm时，收集完成时间最短。

表3 试验方案及结果Table 3 Test plan and results

表4 正交试验极差分析Table 4 Range analysis of orthogonal test

2.4 正交试验方差分析

由于极差分析不能体现双向螺旋收集虫沙的过程，以及在试验结果测量中必然存在误差，因此，利用SPSS 22.0 软件对正交试验结果进行方差分析，结果如表5所示。

由表5 的单圈排料量的方差分析结果可知：排料螺旋转速和虫沙厚度对单圈排料量均有显著影响（P＜0.05），双向螺旋转速对单圈排料量的影响不显著（P＞0.05）。试验结果的方差分析所得因素影响的主次顺序和表4正交试验极差分析所得结论相同，说明极差分析的结论准确，误差比较小。

由表5 的收集完成时间的方差分析结果可知：虫沙厚度对收集完成时间的影响显著（P＜0.05），双向螺旋转速和排料螺旋转速对单圈排料量的影响不显著（P＞0.05）。试验结果的方差分析所得因素影响的主次顺序与表4收集完成时间正交试验极差分析所得结论相同，说明极差分析的结论准确，误差影响不大。

为了更好地寻求各因素的最优组合，将单圈排料量和收集完成时间分别转换成它们的隶属度Ki、Wi[25]。在双向螺旋收集过程中，首要原则为单圈排料量较大，双向螺旋提供的虫沙量充足，在此基础上尽可能减少整体收集完成时间。因此，单圈排料量指数的权重应大于收集完成时间指数。根据以往研究，单圈排料量和收集完成时间隶属度分别取0.7 和0.3，用综合评分Yi作为评价依据，Yi=0.7（1－Ki）+0.3Wi，Yi值越小，各因素组合越优，综合评分结果如表6所示。

由表6 综合评分极差结果分析可知：影响因素由主到次排序为B＞A＞C，最优组合为A3B1C2，即双向螺旋转速78 r/min，排料螺旋转速68 r/min，虫沙厚度4 cm，选取该最优组合时，重复2次和上述同等条件下的试验，得出平均单圈排料量为142 g，平均收集完成时间为48 s，满足收集虫沙的作业要求。

表5 试验结果方差分析Table 5 Variance analysis of field test results

表6 综合评分结果Table 6 Comprehensive scoring results

3 结论

1）根据虫沙机械物理性能设计了一种双向螺旋收集装置，研究了该装置双向螺旋收集的工作原理，并对双向螺旋进行了运动学分析，确定了主要的结构参数以及螺旋叶片与虫沙力学性能之间的函数关系。

2）搭建了双向螺旋虫沙收集装置并进行了单因素和多因素正交试验，确定了影响双向螺旋收集虫沙的主要因素与评价指标。单因素试验确定了双向螺旋转速、排料螺旋转速、虫沙厚度3因素在不同水平下对虫沙收集的影响规律。多因素正交试验与极差分析测得双向螺旋收集装置在不同工作参数下的单圈排料量和收集完成时间，得到影响单圈排料量因素的主次顺序为排料螺旋转速＞虫沙厚度＞双向螺旋转速，其单圈排料量较优参数组合为A3B1C3，即采用双向螺旋转速78 r/min，排料螺旋转速68 r/min，虫沙厚度5 cm 时，单圈排料量最大；得到影响收集完成时间因素的主次顺序为虫沙厚度＞排料螺旋转速＞双向螺旋转速，其收集完成时间较优参数组合为A3B3C1，即采用双向螺旋转速78 r/min，排料螺旋转速108 r/min，虫沙厚度3 cm时，收集完成时间最短。

3）基于SPSS 22.0 软件对正交试验进行方差分析，结果表明：正交试验测得影响各评价指标的因素主次顺序和显著性检验具有较好的一致性，误差较小。基于综合评分法，得到各因素的最优组合为A3B1C2，即双向螺旋转速78 r/min，排料螺旋转速68 r/min，虫沙厚度4 cm。验证试验表明，在最优组合条件下，平均单圈排料量为142 g，平均收集完成时间为48 s，试验效果良好，具有应用价值。