滚筒式蚯蚓分选装置研究与试验

贺 磊，国瑞坤，杨先海，吴祥臻，肖龙波(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049)

蚯蚓养殖有着很高的经济效益，蚯蚓中所含有的生物酶、激素和蛋白被广泛应用于生物制药领域，蚯蚓养殖产生的蚓粪含有大量有益微生物，富含大量的氮磷钾以及有机物，被称作“有机肥之王”。蚯蚓养殖的整个生产链有很高经济效益[1-3]。但是目前国内外仍无高效率蚯蚓蚓粪分选装置。蚯蚓的生长周期较短，如何快速高效地进行蚯蚓和蚓粪的采收成为制约蚯蚓养殖业发展的关键技术难题。目前，蚯蚓养殖多为小规模养殖，采用的分选方法多为人工分选，分选过程需要耗费大量人力资源，限制了蚯蚓养殖的规模。因此，急需设计一种新型蚯蚓分选装置，实现蚯蚓蚓粪采收高效化[4]、自动化[5]。

1 滚筒内蚓粪颗粒的运动分析

1.1 滚筒式蚯蚓分选方案提出

大规模蚯蚓养殖时采用室内恒温恒湿环境下养殖箱式养殖模式，蚯蚓生长周期短，蚯蚓成熟时需要将其从培养基中筛分出来。研究蚯蚓分选，需要先对筛分物进行分析。本文研究的待分选蚯蚓培养基为无土培养基，其主要成分为蚓粪、蚯蚓以及残余基料(图1)，其中含量最高的成分是蚓粪，其次是蚯蚓。表1为蚯蚓培养基的主要成分。

表1 蚯蚓培养基的主要成分Table 1 Main components of earthworm culture medium

图1 蚯蚓培养基的主要成分Fig. 1 The main components of the sputum medium

蚯蚓培养基含水量较高，且成分复杂，滚筒筛在处理此类物料时具有较好的分选效果[6-7]。但是由于蚯蚓培养基颗粒表面存在一层水化膜，液桥力的作用使得蚓粪颗粒之间的粘附力增大，培养基颗粒容易相互之间粘附结球，从而导致颗粒的粒度增大，蚓粪颗粒的过筛概率降低。因此，在设计滚筒式分选装置之前需要对蚓粪粘附结球机理进行研究。

1.2 粘附结球模型

由于颗粒之间存在粘附力，蚓粪颗粒在运动过程中会形成二次、三次蚓粪颗粒，在这一过程中蚓粪颗粒的粒度不断增大，颗粒粘附过程如图2所示。建立颗粒粘附结球模型，如图3所示。假设颗粒间的接触角为0°，则颗粒间的粘附力：

图2 蚓粪粘附结球过程Fig. 2 Process of earthworm feces adhered to become sphere

图3 蚓粪颗粒粘附结球模型Fig. 3 A model of earthworm excrement binding into spheres

(1)

R1=r(secβ-1)

(2)

R2=r(tanβ-secβ+1)

(3)

由公式(1)、(2)、(3)可得：

(4)

式中：τ.表面张力;r.颗粒半径;β.钳角

由公式(4)可知，两颗粒之间发生接触时，蚓粪颗粒之间的粘附力与颗粒半径、钳角大小以及含水率有关。在体积为V的空间中存在N个颗粒，t时间内任意两颗粒之间发生碰撞的概率为：

(5)

式中：Vr.颗粒相对运动速度;N/V.颗粒浓度。

由公式(5)知，蚓粪颗粒之间发生碰撞的概率与颗粒直径、相对运动速度以及颗粒浓度有关。

1.3 滚筒内蚓粪颗粒的运动分析

滚筒筛如图4所示，滚筒由滚轮支撑安装在滚筒架上，滚筒架与底架通过摆页连接，可根据分选需要调整滚筒安装倾角。装置由三相异步电动机提供动力。作业时，从装置的进料端投入待分选物料，细状蚓粪颗粒透筛，大块蚓粪与蚯蚓沿滚筒倾斜面移动。筛上物经过喇叭形出料口，将蚯蚓从大块物料颗粒中分离开来，蚯蚓从出料口的一侧流出，大块物料从出料口中间位置流出。

图4 滚筒型活体蚯蚓分选装置设计与试验 1.挡板；2.喇叭形出料口；3.轮毂；4.固定轮；5.滚筒固定架；6.托轮；7.挡排；8.主动轴；9.带座轴承；10.滚筒架；11.电机；12.底架；13.摆页 1.baffle；2. tubaeform discharge hole；3.hub；4.tight pulley；5. fixed mount of roller；6.riding wheel；7.retaining drainage； 8.driving shaft；9.plummer block；10.roller mount；11.electronic machinenary；12.chassis；13.pendulumFig. 4 Design and test of drum-type living earthworm separation device

筛分发生于物料在滚筒内运动过程中，为了简化分析过程，取物料中单个颗粒进行运动分析[8]，建立颗粒在滚筒内的运动模型，颗粒在滚筒内的受力如图5所示。

图5 颗粒受力图Fig. 5 Particle force diagram

颗粒在静摩擦力Fm的作用下随滚筒转动，上升的最大高度与滚筒转速的大小有关。颗粒上升的过程中，重力在滚筒切线方向上的分力不断增大，摩擦力F也随之增大，由于颗粒重力在滚筒切线方向上的分力一直小于最大静摩擦力Fm，颗粒与滚筒之间无相对滑动，在此过程中无颗粒的过筛。当摩擦力F达到最大静摩擦力Fm时，颗粒发生滑落，由于颗粒的滑动摩擦力较小，颗粒将滑至滚筒底部，在此过程中有颗粒的过筛。随着滚筒转动，物料将一直重复上述过程[9]。由于滚筒安装存在倾角，物料在下滑的同时还进行轴向运动，直至运动到出料口处。在颗粒在滚筒内的运动过程中，当颗粒处于平衡临界点时，由平衡条件得：

(6)

式中：Fm.最大静摩擦力；α.位置角；m.颗粒质量;μ*.颗粒静摩擦系数，μ*=tanσ，σ为静摩擦角;R.滚筒半径。

公式(6)整理可得：

(7)

(8)

(9)

在实际中滚筒倾角的余弦值近似等于1，因此暂不考虑倾角对颗粒受力的影响。由以上公式推导可知，颗粒平衡临界点位置角是滚筒转速的函数，由公式(8)作出颗粒位置角α对应ω2的函数图像，如图6所示。

对图6曲线进行分析，可以得到以下结论：

图6 蚓粪颗粒P受力分析Fig. 6 Force analysis of sputum granules P

(1)当位置角α<σ时，由于颗粒在滚筒内处于自锁状态，颗粒在任意转速均不会下滑。

(2)当位置角σ≤α≤σ+π/2时，取此区间内一点α<α0进行分析，由公式(9)得：

(10)

当滚筒转速以ω1转动时，颗粒可到达的最大位置角为α0，在到达此位置角之前，颗粒均不会发生滑动。

(3)当位置角α=σ+π/2时，由公式(10)得：

(11)

当滚筒以ωm转动时，颗粒可达到的最大位置角为σ+π/2，该点也为曲线的临界转速点。当滚筒转速大于该极限转速时，颗粒与滚筒之间将不发生相对滑动，颗粒将与滚筒一起做同步圆周运动[10]。此外，位置角不得超过为90°，否则将颗粒将沿速度方向抛落回筛面，过筛概率较低。位置角90°时滚筒转速为：

(12)

但是物料在滚筒筛中是以颗粒群的形式过筛的，因此，需要进一步对颗粒群在滚筒内的运动进行分析。由公式(5)可知，颗粒碰撞概率与颗粒之间的相对运动速度有关。滚筒转速超过颗粒最大位置角90°对应的转速时，一部分物料会在滚筒中做斜抛运动，滚筒的筛分率大大降低。根据相关文献[11-12]，物料在滚筒内筛分的最大位置角通常为20～60°，在进行设计时，位置角选为45°，则公式(12)改写为：

(13)

通过公式(13)得出了滚筒式分选装置的理论最佳转速，在此转速下的实际分选效果将进一步通过试验进行验证。

2 滚筒式分选装置筛分试验

前文对滚筒式分选装置筛分机理进行了分析，推导了分选装置的理论最佳转速，后面将通过样机正交试验确定最佳筛分参数。

2.1 试验条件

不同的温湿条件对蚯蚓生长有不同的影响，当湿度低于40%时生长量和产茧量都会降低，湿度超过70%时产茧量会下降，培养基温度为20 ℃、湿度为60%～65%左右时蚯蚓生长和产茧数达到最高值[13]。为了提高筛分率，生产时适当降湿至50%～55%左右，本次试验如图7所示。

图7 滚筒式蚯蚓分选装置现场试验Fig. 7 Field test of drum-type living earthworm separation device

试验目的：(1)测试滚筒式分选装置的筛分效果;(2)分析各筛分参数对筛选的影响;(3)通过试验确定滚筒式筛分装置的最佳筛分参数。

2.2 正交试验

正交试验是研究多因素试验的重要数理方法[14]，滚筒转速、滚筒倾角以及进料速度是影响筛分效果的重要工艺参数，每个因素取4个水平，进行滚筒式分选装置筛分试验，如表2所示。

表2 试验因素水平设置Table 2 Test factor level setting

建立三因素四水平滚筒型分选装置正交试验[15]，选用正交表L16(45)安排试验，需要进行的试验次数为16次，正交试验设计如表3所示。

表3 正交试验表Table 3 Orthogonal testTable

2.3 试验结果

根据正交试验表进行筛分试验，试验结果如表4、表5所示，试验得到的分选物如图8所示。对筛分率进行极差分析[16]，具体如表 6所示。由表6可知，RA>RB>RC，说明各因素对于滚筒筛分率影响的重要程度由大到小依次是：滚筒转速、滚筒倾角、进料速度。结合表5可知，16组筛分试验中蚯蚓的过筛损失率在3%以内，蚯蚓过筛损失率在可接受的范围内，筛下物的质量可近似视为过筛蚓粪的质量。以筛分率为试验指标，对于A因素来说，不同水平下的筛分率为：k2>k3>k1>k4，B因素不同水平下的筛分率为：k2>k3>k1>k4，C因素不同水平下的筛分率为：k1>k2>k3>k4。因此，滚筒式分选装置在取得最大筛分率时的筛分参数组合为A2B2C1，即：滚筒转速为18 r/min，滚筒倾角为7°，进料速度为0.6 t/h时筛分率最高。

表4 正交试验结果Table 4 Orthogonal test results

表5 蚯蚓分选率记录表Table 5 Earthworm screening rate

表6 筛分率极差分析表Table 6 Range analysisTable of screening rate

图8 试验分选物Fig. 8 Test screening

2.4 验证试验

通过正交试验得出了滚筒式分选装置的最佳筛分参数：当转速为18 r/min、滚筒倾角为7°、进料速度为0.6 t/h时分选效果最佳。据此安排分选装置的验证试验，验证试验结果如表7所示。

表7 验证试验结果Table 7 Verification test results

通过验证试验进一步验证了最佳筛分参数下滚筒式分选装置的蚯蚓分选效果，分选得到的蚯蚓含杂率低，分选过程中的蚯蚓损失率小于10%，可以满足工厂化养殖模式蚯蚓分选要求。

3 结 论

建立了蚓粪粘附结球模型，分析了筛分过程中蚓粪粘附结球机理，建立了滚筒内颗粒的运动模型，结合粘附结球机理对滚筒筛分机理进行了研究。

进行了样机试验，当滚筒转速为18 r/min、滚筒倾角7°、进料速度为0.6 t/h时，筛分率可达到48.15%，蚯蚓分选率可达到91.89%。