陳朝陽(yáng)，周美娟，陳文清

（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，餐飲市場(chǎng)日益繁榮，隨之而來(lái)的就是堆積如山的餐廚垃圾，餐廚垃圾的產(chǎn)出量逐年迅速遞增，占生活垃圾比重約50%，甚至更高。餐廚垃圾包括餐飲垃圾和廚余垃圾，其成分復(fù)雜，其中含有大量的水、有機(jī)物和油脂等物質(zhì)，具有極易腐爛變質(zhì)、散發(fā)惡臭和傳播細(xì)菌等特點(diǎn)，且極易被氧化，會(huì)對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生危害。因此，急需對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行妥善處理。通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)餐廚垃圾的處理主要有填埋、焚燒、飼料化處理和厭氧發(fā)酵技術(shù)法等方法[1]，上述方法存在一定的弊端，主要存在二次污染、成本高和周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。餐廚垃圾中的泔水油、地溝油是餐廚垃圾中危害最大也是經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大的兩大油脂，可以作為化工原料，具有很大的利用價(jià)值[2]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)餐廚垃圾的無(wú)害化和資源化處理已較重視，陸文金[3]設(shè)計(jì)了家用小型廚余垃圾處理機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，僅能實(shí)現(xiàn)家庭廚余垃圾的處理，對(duì)餐飲垃圾的處理存在一定的弊端。黃程[4]設(shè)計(jì)了新型餐廚垃圾設(shè)備，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了垃圾的油水分離，未對(duì)其進(jìn)行烘干處理。王發(fā)生[5]設(shè)計(jì)了基于餐廚垃圾的處理的一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)了物料的破碎、篩分和風(fēng)選。綜上所述，在上述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種綜合考慮破碎、油水分離和烘干等因素的餐廚垃圾處理設(shè)備極為重要，該設(shè)備需實(shí)現(xiàn)將餐廚垃圾從進(jìn)料到造粒，最后將餐廚垃圾的二次回收利用，解決二次污染、周期長(zhǎng)和成本高等問(wèn)題。

采用將餐廚余垃圾從進(jìn)料、破碎、油水分離、烘干到造粒一體化的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一種餐廚垃圾資源化一體機(jī)，該機(jī)器主要有進(jìn)料裝置、分選裝置、破碎裝置、脫水裝置、油水分離裝置和烘干裝置組成。利用Solidworks 軟件對(duì)該一體機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此外，采用Solidworks 軟件中的simulation 模塊對(duì)其內(nèi)部的關(guān)鍵零部件破碎裝置、螺旋葉片進(jìn)行了有限元分析[6-7]，其強(qiáng)度滿足使用要求，為餐廚垃圾資源化一體機(jī)的發(fā)展提供了參考依據(jù)。

1 一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)餐廚垃圾成分復(fù)雜的特點(diǎn)，采用Solidworks軟件建立了餐廚垃圾資源化一體機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，從圖中可以看出，該機(jī)器主要包括7 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，按照其工作流程分別為：送料裝置、節(jié)流裝置、破碎裝置、分離裝置、烘干裝置、輸送裝置和造粒裝置。其工作流程為：首先通過(guò)送料裝置1 將餐廚垃圾輸送到節(jié)流裝置2 中，當(dāng)垃圾進(jìn)入節(jié)流裝置中，通過(guò)節(jié)流裝置中的節(jié)流輪控制垃圾的流量。然后，垃圾進(jìn)入到破碎裝置3 中，通過(guò)齒輪對(duì)其進(jìn)行破碎，被破碎后的餐廚垃圾進(jìn)入到分離裝置4 中，餐廚垃圾通過(guò)該裝置中的變螺距螺旋擠壓葉片帶動(dòng)其向前移動(dòng)，由于該裝置采用的是變螺距葉片，殘?jiān)谇斑M(jìn)的過(guò)程中會(huì)受到越來(lái)越大的壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油水分離。其次，被油水分離后的殘?jiān)ㄟ^(guò)螺旋葉片被輸送到烘干裝置5 中，實(shí)現(xiàn)殘?jiān)暮娓?。最后被烘干后的殘?jiān)ㄟ^(guò)輸送裝置6被送到造粒裝置7 中，制成顆粒。

圖1 餐廚垃圾一體機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.1 送料裝置設(shè)計(jì)

一體機(jī)中的送料裝置如圖2 所示，該裝置由電機(jī)、齒輪、鏈條、外導(dǎo)軌架、和上料桶5 部分組成的。該一體機(jī)的設(shè)計(jì)理念之一是適用性廣，與之相對(duì)應(yīng)的是該送料裝置應(yīng)具有較強(qiáng)的可調(diào)控性，即可根據(jù)使用場(chǎng)所的特點(diǎn)對(duì)其尺寸做相應(yīng)的調(diào)整。設(shè)計(jì)的同時(shí)綜合考慮到餐廚垃圾的特點(diǎn)，所以選用能適應(yīng)惡劣環(huán)境的鏈傳動(dòng)輸送餐廚垃圾。

圖2 送料裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 節(jié)流裝置設(shè)計(jì)

一體機(jī)中的節(jié)流裝置由進(jìn)料箱、節(jié)流輪、傳動(dòng)帶輪3 部分組成，如圖3 所示。該裝置的作用是控制餐廚垃圾進(jìn)入破碎裝置的流量和速度，以免流量和速度太高，導(dǎo)致餐廚垃圾堆積，影響破碎裝置的效率，降低破碎裝置的壽命。節(jié)流輪的兩端分別與帶輪和輸出軸相連接。其工作原理是在電動(dòng)機(jī)的作用下，經(jīng)減速箱控制速度，將動(dòng)力傳輸?shù)狡?，然后帶輪旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)節(jié)流輪旋轉(zhuǎn)。節(jié)流輪的圓周上開(kāi)有4 個(gè)圓弧形凹槽，節(jié)流輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，將餐廚垃圾帶到凹槽中，其形狀可控制餐廚垃圾的流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)流。最后將凹槽中的餐廚垃圾輸送到破碎裝置中，該結(jié)構(gòu)減輕了破碎裝置的工作壓力。

圖3 節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)圖

1.3 破碎裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)餐廚垃圾成分復(fù)雜的特點(diǎn)，其中包含一些硬質(zhì)垃圾，因此在對(duì)餐廚垃圾處理時(shí)，破碎環(huán)節(jié)必不可少，根據(jù)齒輥式破碎的原理設(shè)計(jì)破碎裝置。其具有體積小，噪聲低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和效率高等特點(diǎn)。其工作方式為兩齒輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將餐廚垃圾中的硬質(zhì)垃圾通過(guò)擠壓、撕裂進(jìn)行破碎，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 破碎裝置的結(jié)構(gòu)圖

1.4 分離裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)螺旋擠壓原理設(shè)計(jì)了變螺距螺旋片，當(dāng)食物殘?jiān)?jīng)破碎后，由螺旋葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其向前移動(dòng)，由于采用的是變螺距螺旋葉片，殘?jiān)蚯耙苿?dòng)的同時(shí)會(huì)受到越來(lái)越大的擠壓力，油水通過(guò)漏網(wǎng)會(huì)排到油水分離器中，與此同時(shí)，脫水后的殘?jiān)鼘⑼ㄟ^(guò)螺旋葉片被輸送到烘干裝置內(nèi)。分離裝置如圖5 所示，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸效率高。

圖5 分離裝置

1.5 烘干裝置設(shè)計(jì)

該一體機(jī)設(shè)計(jì)中包括烘干裝置如圖6 所示，該裝置主要由干燥桶、攪拌器、加熱器組成。這是因?yàn)闅堅(jiān)?jīng)過(guò)烘干不僅起到殺菌的作用，增加其存放時(shí)間，而且運(yùn)輸方便，運(yùn)輸過(guò)程減少細(xì)菌的傳播，且經(jīng)過(guò)烘干后的餐廚垃圾更易于二次回收利用。其工作原理是餐廚垃圾經(jīng)過(guò)油水分離后，通過(guò)分離裝置中變螺距螺旋葉片輸送到烘干裝置中，在攪拌器旋轉(zhuǎn)作用下，由入口運(yùn)輸?shù)匠隹谔?，在被運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，烘干裝置中的加熱器對(duì)殘?jiān)M(jìn)行烘干處理。加熱器的功率是可調(diào)的，殘?jiān)母稍锒仁峭ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)加熱器功率的大小和攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度共同控制的。

圖6 烘干裝置

1.6 造粒裝置設(shè)計(jì)

造粒裝置由電機(jī)、進(jìn)料箱、成型機(jī)構(gòu)、破碎機(jī)構(gòu)和出料口5 部分組成，如圖7 所示。烘干后的殘?jiān)?jīng)通過(guò)輸送裝置6 進(jìn)入造粒裝置的進(jìn)料箱，裝置6 是由螺旋片和風(fēng)機(jī)組成的，餐廚殘?jiān)?jīng)成型機(jī)構(gòu)的加工被制成長(zhǎng)條狀，長(zhǎng)條狀的餐廚殘?jiān)ㄟ^(guò)破碎機(jī)構(gòu)，將其制成顆粒狀，最后經(jīng)出料口流出。顆粒狀的餐廚殘?jiān)鼘⑦M(jìn)一步攪拌發(fā)酵可以制成有機(jī)肥料供農(nóng)作物吸收。

圖7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)角位移變化圖

圖7 造粒裝置

2 關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分析

為保證設(shè)計(jì)的餐廚垃圾資源化一體機(jī)可以正常的運(yùn)行，應(yīng)對(duì)一體機(jī)中破碎裝置和分離裝置中的關(guān)鍵零部件受力進(jìn)行分析。

2.1 破碎裝置中齒輪的應(yīng)力分析

由于餐廚垃圾的特點(diǎn)，里面會(huì)存在一些硬質(zhì)垃圾，在破碎的過(guò)程中會(huì)存在一些困難，會(huì)對(duì)破碎機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的損壞，因此需采用simulation 模塊對(duì)破碎裝置中的齒輪進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖8 所示。齒輪上施加50 N 力的時(shí)候，齒輪齒端部的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為11.0 MPa。與此同時(shí)，齒輪還要承受扭矩的作用，所以齒輪材料應(yīng)選擇強(qiáng)度較高的合金鋼，合金鋼的屈服強(qiáng)度為62.04 MPa。通過(guò)上述分析可知，最大應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度，說(shuō)明該裝置在正常工作的情況下是安全可靠的。

圖8 執(zhí)行機(jī)構(gòu)連桿位移變化規(guī)律圖

圖8 齒輪的應(yīng)力分布圖

2.2 分離裝置中螺旋葉片的應(yīng)力分析

分離裝置中采用的是變螺距螺旋葉片，其分離功能是通過(guò)螺旋葉片螺距的改變實(shí)現(xiàn)的，主要工作原理是脫水過(guò)程中螺旋葉片在物料向前運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，其空間越來(lái)越小，致使殘?jiān)艿臄D壓力也就越大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫水。該螺旋葉片可分為3 個(gè)區(qū)——低、中和高，低壓區(qū)僅起到運(yùn)輸物料的作用，中壓區(qū)所受的壓力也相對(duì)較小，脫水的過(guò)程主要是在高壓區(qū)完成的，高壓區(qū)所受到的擠壓力最大，因此應(yīng)對(duì)螺旋葉片的高壓區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分析?？紤]到材料成本和加工成本以及后期維護(hù)成本，螺旋葉片的材料可選用普通碳鋼，應(yīng)力分析結(jié)果如圖9 所示。

由圖9 可以看出，在分離裝置正常工作的條件下，螺旋葉片所受到的最大應(yīng)力為190.3 MPa。螺旋葉片的材料選用普通碳鋼，其屈服強(qiáng)度為220.6 MPa。螺旋葉片所受的最大應(yīng)力小于其強(qiáng)度，說(shuō)明該變螺距的螺旋葉片是安全可靠的。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)餐廚垃圾的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種餐廚垃圾資源化一體機(jī)，該一體機(jī)中包括送料裝置、節(jié)流裝置、破碎裝置、分離裝置、烘干裝置、輸送裝置和造粒裝置，實(shí)現(xiàn)了餐廚垃圾從送料到制成顆粒整個(gè)過(guò)程。采用Solidworks 軟件建立了其三維模型，并利用simulation模塊對(duì)其內(nèi)部的關(guān)鍵零部件進(jìn)行受力分析，說(shuō)明其是安全可靠的。該一體機(jī)與目前市面上現(xiàn)有的設(shè)備相比，具有體積小、功能全、適用性廣的優(yōu)點(diǎn)，且其后續(xù)的維護(hù)簡(jiǎn)單，基本可以實(shí)現(xiàn)模塊化維修。該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理，具有較強(qiáng)的尺寸可調(diào)節(jié)性，為餐廚垃圾資源化一體機(jī)研究奠定了基礎(chǔ)。