论文部分内容阅读
[摘 要]目前国内大多数堆放待发酵物料及清理腐熟物料的方式为用装载机逐次将其添加到槽体内或将熟料铲出至槽体外，其效率低，堆体参差不齐，松散度不一，不利于好氧发酵过程，产出物质量差，且不能适用于日处理量较大的工况。文章设计了一种进出料机，其提高了“槽式好氧堆肥发酵工艺”的效率，降低了成本。出料机由抓料体，行走机构，升降机构，液压动力系统等部分组成。良好地解决了将物料均匀、等高、定量地堆放至槽体内的问题，并对进出料的前后工序进行了更高效的衔接。
[关键词]进出料机;槽式;抓斗;好氧发酵;堆肥
[中图分类号]S216.4 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
The Design of Trough Type Aerobic Fermentation Feeder and Discharger
Fan Bo-zhi
[Abstract]At present， most domestic methods for stacking materials to be fermented and cleaning decomposed materials are adding them to the tank body or scooping clinker out of the tank body with a loader. The efficiency is low， the stack body is uneven， and the degree of looseness is not uniform. First， it is not conducive to the aerobic fermentation process， the quality of the output is poor， and it is not suitable for working conditions with a large daily processing capacity. The article designs a feeder and discharger， which improves the efficiency of the "trough aerobic composting fermentation process" and reduces the cost. It is composed of grabbing body， walking mechanism， lifting mechanism， hydraulic power system and other parts. It well solves the problem of stacking materials in the tank in a uniform， equal height and quantitative manner， and makes a more efficient connection between the before and after processes of feeding and discharging.
[Keywords]feeder and discharger; trough type; grab; aerobic fermentation; composting
槽式好氧堆肥主要工艺路线是在槽体内均匀堆放混合后的固廢（主要是市政污泥）和辅料（锯末等颗粒物），并定期对堆体注入大量空气，在氧气的作用下（即好氧发酵）去除了有害物，实现了无害化的发酵过程，最终产物为可用于农业、园林绿化的营养土，既解决了市政污泥的无害化处理问题又创造了经济效益。在混合物料堆放至槽体及发酵完成后物料清除出槽体的过程中，就需要本文涉及到的进出料一体机设备。其主要功能是将混合物料快速地，均匀地，定量地布置到槽体内，从而保证物料能均匀地曝气（即注入大量空气）发酵。
1 行业概述
中国工程院院士侯立安指出：“城市污水处理的衍生品，市政污泥年总产量已超4000万t，有80%以上没有妥善处理。”污泥无害化处置任重道远。目前，槽式好氧发酵堆肥工艺是一种很好的处置方式，发酵周期短，产物为无害化的有机肥料土，可用于园林绿化、土壤改良等。
1.1 工艺工序概述
典型槽式好氧发酵堆肥工艺工序如图1所示。
（1）物料由输送机送到槽体端头，由进出料机抓取到槽体内摊平。
（2）匀翻机对物料进行匀翻，槽底管道曝气，物料开始有氧发酵。
（3）发酵完成，进出料机抓取物料移动至腐熟料堆放区。
1.2 进出料机的功能定位
进出料机承担着进料、平料和出料的功能，设定其运行区域是槽体长度内，也可以到指定地点抓取物料返回进行布料。
2 设计思路
设计需要从行走方式、取料平料方式、动力等几个方面考虑。物料环境的湿度和腐蚀性因素的影响，设备实现自动定位。基于此分析确定系统需求。
2.1 系统需求
系统需求是根据现有技术研发方向、客户需求、生产制造条件、运输条件等因素，制定了主要技术参数和性能指标，见表1。
2.2 总体结构
（1）履带行走系统（可纠偏），空载满载两种速度模式。
（2）前后抓斗结构，油缸驱动。
（3）任意位置抓取物料，抓斗闭合后可提升。
3 设计及校核
3.1 抓挖力计算及油缸选型计算
计算抓挖力有以下理论及公式：
（1）岩土阻力是岩土不发生变形的情况下，水平移动所产生; （2）岩土阻力合力的方向是水平的;
（3）当抓斗容积是按原充水体积计算时，装满系数为1。
总结出的计算公式：
P=σ（0.26 H+0.5 x）2（0.8+0.45 x/s）tan（a/2） （1）
式中，P为抓取岩土的阻力，N;σ为岩土单位移动阻力，MPa，不同物料的移动阻力参考表2;H为抓斗完全闭合后抓斗内腔的高度，m;x为活塞的瞬时行程，m;s为活塞的全行程，m;a为抓斗齿的抓尖角，°。
由以上理论计算抓挖阻力值，有：
①初始设计取H=1200 mm，s=1200 mm，a取90°，x取最大即s;
②计算最大抓挖力：Pmax=51984 N;
③抓斗回转半径为R1=1.6 m，则最大阻力矩：Mmax=R1×Pmax=83174.4 N·m;
④油缸推杆铰点处回转半径为R2=0.56 m，则油缸最大推力：F=Mmax/R2=148525 N;
⑤设定系统压力P=20 MPa，则抓斗油缸活塞面积：A=F/P=πr2=7426 mm2;
⑥经计算，油缸活塞直径。D=φ96 mm;考虑各因素取活塞直径φ120 mm。
3.2 底盘设计
设备满载总重为27t，采用30t液压履带底盘，选择履带踏面宽度为280 mm，独立驱动、纠偏，液压站配伺服电机驱动液压泵作为履带动力，自控系统按传感器信号反馈程序调节履带在槽体上行走动作的纠偏。行走速度可调范围为10～30 m/min。用于满载和空载工况。
3.3 主结构设计
主框架结构满足升降架的安装，抓斗开闭、提升的空间要求和强度要求，满足抓斗油缸和升降油缸的动作空间要求。
升降架主要功能是在油缸的推动下将抓满物料的闭合抓斗提升至料堆之上。同时设有抓斗油缸安装座，提升滑块。
抓斗体既承载抓取物料的受力，又有物料运输存放功能，抓取物料要求抓斗体轻便并提高单次运输量，依据最大抓挖力做有限元受力计算，最大应力为3.457 e+007，Q345B材料满足要求;满载物料时最大应力为1.290 e+008，可优化结构满足要求。
3.4 作业流程
进料作业是通过输送设备将物料布于槽端，将进出料机抓斗置于低位抓取物料，闭合提升至高位。操作进出料机移动到卸料位，抓斗下放后开启，卸下物料。反复以上过程至进料完成。
出料作业是抓斗低位开启，操作进出料机至出料位置抓取物料，閉合提升至高位，行走至出料端，抓斗降至低位开启，卸下熟料，保持抓斗开启走至取料位。重复以上过程至出料完成。
4 结论
进出料机单次抓料宽度为抓斗开度3.5m，以50m长槽体为例，需抓取物料14次，满载行走速度为10 m/min，空载行走速度为30 m/min，加上每次动作时间和其他附加时间3 min，则每次运料时间（往返）平均约为7 min，则完成一次上料和出料的时间约为100min，完全满足每天上料或出料一个槽体长度的要求。
参考文献
[1] 陈俊，陈同斌，高定，等.CTB自动控制污泥好氧发酵工艺工程实践[J].中国给水排水，2010（9）：20-24.
[关键词]进出料机;槽式;抓斗;好氧发酵;堆肥
[中图分类号]S216.4 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
The Design of Trough Type Aerobic Fermentation Feeder and Discharger
Fan Bo-zhi
[Abstract]At present， most domestic methods for stacking materials to be fermented and cleaning decomposed materials are adding them to the tank body or scooping clinker out of the tank body with a loader. The efficiency is low， the stack body is uneven， and the degree of looseness is not uniform. First， it is not conducive to the aerobic fermentation process， the quality of the output is poor， and it is not suitable for working conditions with a large daily processing capacity. The article designs a feeder and discharger， which improves the efficiency of the "trough aerobic composting fermentation process" and reduces the cost. It is composed of grabbing body， walking mechanism， lifting mechanism， hydraulic power system and other parts. It well solves the problem of stacking materials in the tank in a uniform， equal height and quantitative manner， and makes a more efficient connection between the before and after processes of feeding and discharging.
[Keywords]feeder and discharger; trough type; grab; aerobic fermentation; composting
槽式好氧堆肥主要工艺路线是在槽体内均匀堆放混合后的固廢（主要是市政污泥）和辅料（锯末等颗粒物），并定期对堆体注入大量空气，在氧气的作用下（即好氧发酵）去除了有害物，实现了无害化的发酵过程，最终产物为可用于农业、园林绿化的营养土，既解决了市政污泥的无害化处理问题又创造了经济效益。在混合物料堆放至槽体及发酵完成后物料清除出槽体的过程中，就需要本文涉及到的进出料一体机设备。其主要功能是将混合物料快速地，均匀地，定量地布置到槽体内，从而保证物料能均匀地曝气（即注入大量空气）发酵。
1 行业概述
中国工程院院士侯立安指出：“城市污水处理的衍生品，市政污泥年总产量已超4000万t，有80%以上没有妥善处理。”污泥无害化处置任重道远。目前，槽式好氧发酵堆肥工艺是一种很好的处置方式，发酵周期短，产物为无害化的有机肥料土，可用于园林绿化、土壤改良等。
1.1 工艺工序概述
典型槽式好氧发酵堆肥工艺工序如图1所示。
（1）物料由输送机送到槽体端头，由进出料机抓取到槽体内摊平。
（2）匀翻机对物料进行匀翻，槽底管道曝气，物料开始有氧发酵。
（3）发酵完成，进出料机抓取物料移动至腐熟料堆放区。
1.2 进出料机的功能定位
进出料机承担着进料、平料和出料的功能，设定其运行区域是槽体长度内，也可以到指定地点抓取物料返回进行布料。
2 设计思路
设计需要从行走方式、取料平料方式、动力等几个方面考虑。物料环境的湿度和腐蚀性因素的影响，设备实现自动定位。基于此分析确定系统需求。
2.1 系统需求
系统需求是根据现有技术研发方向、客户需求、生产制造条件、运输条件等因素，制定了主要技术参数和性能指标，见表1。
2.2 总体结构
（1）履带行走系统（可纠偏），空载满载两种速度模式。
（2）前后抓斗结构，油缸驱动。
（3）任意位置抓取物料，抓斗闭合后可提升。
3 设计及校核
3.1 抓挖力计算及油缸选型计算
计算抓挖力有以下理论及公式：
（1）岩土阻力是岩土不发生变形的情况下，水平移动所产生; （2）岩土阻力合力的方向是水平的;
（3）当抓斗容积是按原充水体积计算时，装满系数为1。
总结出的计算公式：
P=σ（0.26 H+0.5 x）2（0.8+0.45 x/s）tan（a/2） （1）
式中，P为抓取岩土的阻力，N;σ为岩土单位移动阻力，MPa，不同物料的移动阻力参考表2;H为抓斗完全闭合后抓斗内腔的高度，m;x为活塞的瞬时行程，m;s为活塞的全行程，m;a为抓斗齿的抓尖角，°。
由以上理论计算抓挖阻力值，有：
①初始设计取H=1200 mm，s=1200 mm，a取90°，x取最大即s;
②计算最大抓挖力：Pmax=51984 N;
③抓斗回转半径为R1=1.6 m，则最大阻力矩：Mmax=R1×Pmax=83174.4 N·m;
④油缸推杆铰点处回转半径为R2=0.56 m，则油缸最大推力：F=Mmax/R2=148525 N;
⑤设定系统压力P=20 MPa，则抓斗油缸活塞面积：A=F/P=πr2=7426 mm2;
⑥经计算，油缸活塞直径。D=φ96 mm;考虑各因素取活塞直径φ120 mm。
3.2 底盘设计
设备满载总重为27t，采用30t液压履带底盘，选择履带踏面宽度为280 mm，独立驱动、纠偏，液压站配伺服电机驱动液压泵作为履带动力，自控系统按传感器信号反馈程序调节履带在槽体上行走动作的纠偏。行走速度可调范围为10～30 m/min。用于满载和空载工况。
3.3 主结构设计
主框架结构满足升降架的安装，抓斗开闭、提升的空间要求和强度要求，满足抓斗油缸和升降油缸的动作空间要求。
升降架主要功能是在油缸的推动下将抓满物料的闭合抓斗提升至料堆之上。同时设有抓斗油缸安装座，提升滑块。
抓斗体既承载抓取物料的受力，又有物料运输存放功能，抓取物料要求抓斗体轻便并提高单次运输量，依据最大抓挖力做有限元受力计算，最大应力为3.457 e+007，Q345B材料满足要求;满载物料时最大应力为1.290 e+008，可优化结构满足要求。
3.4 作业流程
进料作业是通过输送设备将物料布于槽端，将进出料机抓斗置于低位抓取物料，闭合提升至高位。操作进出料机移动到卸料位，抓斗下放后开启，卸下物料。反复以上过程至进料完成。
出料作业是抓斗低位开启，操作进出料机至出料位置抓取物料，閉合提升至高位，行走至出料端，抓斗降至低位开启，卸下熟料，保持抓斗开启走至取料位。重复以上过程至出料完成。
4 结论
进出料机单次抓料宽度为抓斗开度3.5m，以50m长槽体为例，需抓取物料14次，满载行走速度为10 m/min，空载行走速度为30 m/min，加上每次动作时间和其他附加时间3 min，则每次运料时间（往返）平均约为7 min，则完成一次上料和出料的时间约为100min，完全满足每天上料或出料一个槽体长度的要求。
参考文献
[1] 陈俊，陈同斌，高定，等.CTB自动控制污泥好氧发酵工艺工程实践[J].中国给水排水，2010（9）：20-24.