宋 剛，張 鵬，黃 濤，連文偉，歐忠慶

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524000；2.北京三態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100000）

0 引 言

隨著生活水平的提高，廚余垃圾的數(shù)量急劇增加，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)破壞了生態(tài)環(huán)境，因此廚余垃圾的處理方法十分關(guān)鍵[1-2]。當(dāng)下廚余垃圾的處理方法以填埋和焚燒為主，新型對(duì)策能源化、飼料化及肥料化等方法還不成熟，需要進(jìn)一步的發(fā)展[3]。

黑水虻轉(zhuǎn)化在提高廚余垃圾處理效率的同時(shí)，抑制氣味和細(xì)菌的傳播，因此被認(rèn)為是一種極具潛力的無害化、資源化處理方式[4]。毛雪等[5]對(duì)黑水虻的進(jìn)食特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)飼料粒度對(duì)其生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)化速度有較大影響。為了提高效率，需要利用破碎機(jī)對(duì)廚余垃圾進(jìn)行預(yù)處理，以獲取合適粒度的飼料。但是，目前廚余垃圾破碎機(jī)大多無法滿足該粒度的破碎需求，且粒度可控性較差[6-7]。因此，本文針對(duì)黑水虻飼料預(yù)處理的需求，根據(jù)加工物料特性確定設(shè)計(jì)參數(shù)并建立三維實(shí)體模型，最終基于有限元仿真軟件對(duì)其關(guān)鍵零部件進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 廚余垃圾破碎機(jī)破碎機(jī)制分析及選型

破碎是依靠外力將大塊固體分裂為小塊固體的過程[8]。廚余垃圾以剩菜、剩飯、骨頭等為主，硬度不高[9]。輥式破碎機(jī)具有破碎粒度均勻、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合中細(xì)碎作業(yè)，因此用折斷破碎方式的雙齒輥式破碎機(jī)作為設(shè)計(jì)原型[10-11]。雙齒輥破碎機(jī)是通過錯(cuò)開分布的齒冠部位對(duì)物料施加力，當(dāng)彎曲應(yīng)力超過物料強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生破碎。雙齒輥破碎機(jī)的破碎過程包括：物料受到重力作用下落至破碎腔內(nèi)，在碰撞過程中受到?jīng)_擊力的作用發(fā)生局部破裂；下落至齒輥的物料受到齒牙的作用被卷入齒輥間，以剪切力的方式對(duì)物料進(jìn)行破裂；破碎完的物料受重力作用掉落到下方進(jìn)行收集。

2 廚余垃圾破碎機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 廚余垃圾破碎機(jī)整機(jī)方案設(shè)計(jì)

本文選用雙齒輥破碎機(jī)作為廚余垃圾破碎機(jī)的設(shè)計(jì)原型，雙齒輥破碎機(jī)包括單電機(jī)和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)2 種方案[12]。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)適用于硬度高、負(fù)載大的物料加工?？紤]到廚余垃圾破碎過程負(fù)載較小且物料硬度不高，故選用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，其傳動(dòng)原理圖如圖1 所示。

圖1 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙齒輥破碎機(jī)傳動(dòng)原理圖

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

齒輥是雙齒輥破碎機(jī)的核心部件，其設(shè)計(jì)決定了整機(jī)的性能。因此，本文對(duì)齒形結(jié)構(gòu)和布齒方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于廚余垃圾特性，選擇棱錐式破碎齒作為原始設(shè)計(jì)齒形，對(duì)齒根圓弧半徑、齒尖圓弧半徑、齒尖與基體過渡圓弧半徑、齒背圓弧半徑、齒高、齒寬、齒底厚、齒頂厚參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[13]。相間螺旋形的排布方式有咬入率高、粒度均勻等優(yōu)點(diǎn)，因此選用齒輥相間螺旋形的形式，最終齒輥的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 雙齒輥三維結(jié)構(gòu)圖

箱體是破碎過程發(fā)生的主要載體，主要分為封閉式和半封閉式兩種形式。由于廚余垃圾破碎機(jī)主要工作場(chǎng)景在室外，對(duì)噪聲的要求不高，因此選擇半封閉式箱體。由于廚余垃圾中普遍存在黏性物料，極易造成破碎腔的堵塞，因此在箱體兩側(cè)設(shè)置了梳齒板結(jié)構(gòu)，用于清潔齒輥，箱體的三維結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 箱體三維結(jié)構(gòu)示意圖

3 廚余垃圾破碎機(jī)關(guān)鍵零部件模態(tài)分析

模態(tài)分析是通過固有頻率對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析的重要手段。本文基于Ansys Workbench平臺(tái)對(duì)廚余垃圾破碎機(jī)中的關(guān)鍵零部件進(jìn)行模態(tài)分析。齒輥和箱體的材料定義為碳素結(jié)構(gòu)鋼，設(shè)置彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.33，密度為7.85 g/cm2。綜合考慮廚余垃圾破碎機(jī)日常工作場(chǎng)景和模態(tài)參數(shù)范圍，本文僅對(duì)廚余垃圾破碎機(jī)的箱體和破碎齒輥的前十階的固有頻率和振型進(jìn)行分析。

破碎腔體前十階固有頻率及對(duì)應(yīng)的最大形變量如表1 所示，從表1 中可以看出，隨著破碎腔體模態(tài)階次的升高，破碎腔體的固有頻率呈上升趨勢(shì)。但破碎腔體的最大形變量卻有所波動(dòng)，最大形變量的峰值出現(xiàn)在十階下，最大形變量為0.270 95 mm。

表1 破碎腔體前十階固有頻率及其最大形變量

破碎齒輥前十階固有頻率及對(duì)應(yīng)的最大形變量如表2 所示，從表2 中可以看出，隨著破碎齒輥模態(tài)階次的升高，破碎齒輥的固有頻率呈上升趨勢(shì)，前六階的固有頻率數(shù)值較小，但七階固有頻率陡增至750.29 Hz。破碎齒輥的最大形變量與固有頻率呈正態(tài)分布，最大形變量為0.179 75 m，發(fā)生在第十階。

表2 破碎齒輥前十階固有頻率及其最大形變量

綜上所述，由于廚余垃圾破碎機(jī)的破碎齒輥轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)速一般在15～50 r/min。本文設(shè)計(jì)的廚余垃圾破碎機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速設(shè)置為30 r/min，即工作頻率可以換算為0.5 Hz。通過箱體和破碎齒輥的模態(tài)分析可知，其固有頻率均隨階次的增大而提高。對(duì)比廚余垃圾破碎機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速工況下最大形變，均在設(shè)備和材料所允許的形變范圍內(nèi)，廚余垃圾破碎機(jī)破碎齒輥旋轉(zhuǎn)頻率避開了自身和箱體的固有頻率，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避開了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

破碎機(jī)的性能在廚余垃圾飼料轉(zhuǎn)化過程中至關(guān)重要，可以大大提高廚余垃圾的轉(zhuǎn)化效率并加快生產(chǎn)速率。本文結(jié)合黑水虻飼料預(yù)加工的實(shí)際需求，結(jié)合雙齒輥破碎機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)，基于三維軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用Ansys Workbench 平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的廚余垃圾破碎機(jī)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。主要結(jié)論如下：

（1）綜合考慮破碎機(jī)工作原理、破碎物特性及破碎出料粒度需求，對(duì)面向黑水虻轉(zhuǎn)化的廚余垃圾破碎機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終選型為雙齒輥破碎結(jié)構(gòu)，并利用三維軟件SOLIDWORKS 對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）通過破碎齒輥前十階的模態(tài)分析可知，破碎齒輥在第一階和第十階的固有頻率分別為37.88 和1 681.10 Hz，均高于破碎機(jī)日常工作旋轉(zhuǎn)頻率，可以有效防止共振現(xiàn)象的發(fā)生；最大形變發(fā)生在第十階，且最大值為0.179 75 mm，滿足形變要求。

（3）通過箱體前十階的模態(tài)分析可知，破碎齒輥在第一階和第十階的固有頻率分別為128.18 Hz 和596.96 Hz，均遠(yuǎn)高于破碎機(jī)日常工作旋轉(zhuǎn)頻率，可以有效防止共振現(xiàn)象的發(fā)生；最大形變發(fā)生在第十階，且最大值為0.270 95 mm，滿足形變要求。