餐廚垃圾資源化一體機的設計與研究

陳朝陽，周美娟，陳文清

（鄭州科技學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，餐飲市場日益繁榮，隨之而來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，其成分復雜，其中含有大量的水、有機物和油脂等物質(zhì)，具有極易腐爛變質(zhì)、散發(fā)惡臭和傳播細菌等特點，且極易被氧化，會對人體和環(huán)境產(chǎn)生危害。因此，急需對餐廚垃圾進行妥善處理。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對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、成本高和周期長等特點。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)濟價值最大的兩大油脂，可以作為化工原料，具有很大的利用價值[2]。

目前，國內(nèi)對餐廚垃圾的無害化和資源化處理已較重視，陸文金[3]設計了家用小型廚余垃圾處理機的主體結(jié)構(gòu)，僅能實現(xiàn)家庭廚余垃圾的處理，對餐飲垃圾的處理存在一定的弊端。黃程[4]設計了新型餐廚垃圾設備，該設備實現(xiàn)了垃圾的油水分離，未對其進行烘干處理。王發(fā)生[5]設計了基于餐廚垃圾的處理的一體機，實現(xiàn)了物料的破碎、篩分和風選。綜上所述，在上述研究的基礎上，設計一種綜合考慮破碎、油水分離和烘干等因素的餐廚垃圾處理設備極為重要，該設備需實現(xiàn)將餐廚垃圾從進料到造粒，最后將餐廚垃圾的二次回收利用，解決二次污染、周期長和成本高等問題。

采用將餐廚余垃圾從進料、破碎、油水分離、烘干到造粒一體化的設計思路，設計了一種餐廚垃圾資源化一體機，該機器主要有進料裝置、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 軟件對該一體機進行設計，此外，采用Solidworks 軟件中的simulation 模塊對其內(nèi)部的關(guān)鍵零部件破碎裝置、螺旋葉片進行了有限元分析[6-7]，其強度滿足使用要求，為餐廚垃圾資源化一體機的發(fā)展提供了參考依據(jù)。

1 一體機的結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)餐廚垃圾成分復雜的特點，采用Solidworks軟件建立了餐廚垃圾資源化一體機結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，從圖中可以看出，該機器主要包括7 個關(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：首先通過送料裝置1 將餐廚垃圾輸送到節(jié)流裝置2 中，當垃圾進入節(jié)流裝置中，通過節(jié)流裝置中的節(jié)流輪控制垃圾的流量。然后，垃圾進入到破碎裝置3 中，通過齒輪對其進行破碎，被破碎后的餐廚垃圾進入到分離裝置4 中，餐廚垃圾通過該裝置中的變螺距螺旋擠壓葉片帶動其向前移動，由于該裝置采用的是變螺距葉片，殘渣在前進的過程中會受到越來越大的壓力，進而實現(xiàn)油水分離。其次，被油水分離后的殘渣通過螺旋葉片被輸送到烘干裝置5 中，實現(xiàn)殘渣的烘干。最后被烘干后的殘渣通過輸送裝置6被送到造粒裝置7 中，制成顆粒。

圖1 餐廚垃圾一體機結(jié)構(gòu)圖

1.1 送料裝置設計

一體機中的送料裝置如圖2 所示，該裝置由電機、齒輪、鏈條、外導軌架、和上料桶5 部分組成的。該一體機的設計理念之一是適用性廣，與之相對應的是該送料裝置應具有較強的可調(diào)控性，即可根據(jù)使用場所的特點對其尺寸做相應的調(diào)整。設計的同時綜合考慮到餐廚垃圾的特點，所以選用能適應惡劣環(huán)境的鏈傳動輸送餐廚垃圾。

圖2 送料裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 節(jié)流裝置設計

一體機中的節(jié)流裝置由進料箱、節(jié)流輪、傳動帶輪3 部分組成，如圖3 所示。該裝置的作用是控制餐廚垃圾進入破碎裝置的流量和速度，以免流量和速度太高，導致餐廚垃圾堆積，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機的作用下，經(jīng)減速箱控制速度，將動力傳輸?shù)狡?，然后帶輪旋轉(zhuǎn)從而帶動節(jié)流輪旋轉(zhuǎn)。節(jié)流輪的圓周上開有4 個圓弧形凹槽，節(jié)流輪轉(zhuǎn)動過程中，將餐廚垃圾帶到凹槽中，其形狀可控制餐廚垃圾的流量，進而實現(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 破碎裝置設計

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

圖4 破碎裝置的結(jié)構(gòu)圖

1.4 分離裝置設計

根據(jù)螺旋擠壓原理設計了變螺距螺旋片，當食物殘渣經(jīng)破碎后，由螺旋葉片旋轉(zhuǎn)帶動其向前移動，由于采用的是變螺距螺旋葉片，殘渣向前移動的同時會受到越來越大的擠壓力，油水通過漏網(wǎng)會排到油水分離器中，與此同時，脫水后的殘渣將通過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)簡單、運輸效率高。

圖5 分離裝置

1.5 烘干裝置設計

該一體機設計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。這是因為殘渣經(jīng)過烘干不僅起到殺菌的作用，增加其存放時間，而且運輸方便，運輸過程減少細菌的傳播，且經(jīng)過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)過油水分離后，通過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，由入口運輸?shù)匠隹谔帲诒贿\輸?shù)倪^程中，烘干裝置中的加熱器對殘渣進行烘干處理。加熱器的功率是可調(diào)的，殘渣的干燥度是通過調(diào)節(jié)加熱器功率的大小和攪拌器的轉(zhuǎn)動速度共同控制的。

圖6 烘干裝置

1.6 造粒裝置設計

造粒裝置由電機、進料箱、成型機構(gòu)、破碎機構(gòu)和出料口5 部分組成，如圖7 所示。烘干后的殘渣經(jīng)通過輸送裝置6 進入造粒裝置的進料箱，裝置6 是由螺旋片和風機組成的，餐廚殘渣經(jīng)成型機構(gòu)的加工被制成長條狀，長條狀的餐廚殘渣通過破碎機構(gòu)，將其制成顆粒狀，最后經(jīng)出料口流出。顆粒狀的餐廚殘渣將進一步攪拌發(fā)酵可以制成有機肥料供農(nóng)作物吸收。

圖7 執(zhí)行機構(gòu)角位移變化圖

圖7 造粒裝置

2 關(guān)鍵零部件的應力分析

為保證設計的餐廚垃圾資源化一體機可以正常的運行，應對一體機中破碎裝置和分離裝置中的關(guān)鍵零部件受力進行分析。

2.1 破碎裝置中齒輪的應力分析

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

圖8 執(zhí)行機構(gòu)連桿位移變化規(guī)律圖

圖8 齒輪的應力分布圖

2.2 分離裝置中螺旋葉片的應力分析

分離裝置中采用的是變螺距螺旋葉片，其分離功能是通過螺旋葉片螺距的改變實現(xiàn)的，主要工作原理是脫水過程中螺旋葉片在物料向前運輸?shù)倪^程中，其空間越來越小，致使殘渣所受的擠壓力也就越大，進而實現(xiàn)脫水。該螺旋葉片可分為3 個區(qū)——低、中和高，低壓區(qū)僅起到運輸物料的作用，中壓區(qū)所受的壓力也相對較小，脫水的過程主要是在高壓區(qū)完成的，高壓區(qū)所受到的擠壓力最大，因此應對螺旋葉片的高壓區(qū)進行應力分析?？紤]到材料成本和加工成本以及后期維護成本，螺旋葉片的材料可選用普通碳鋼，應力分析結(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力為190.3 MPa。螺旋葉片的材料選用普通碳鋼，其屈服強度為220.6 MPa。螺旋葉片所受的最大應力小于其強度，說明該變螺距的螺旋葉片是安全可靠的。

3 結(jié)語

針對餐廚垃圾的特點，設計了一種餐廚垃圾資源化一體機，該一體機中包括送料裝置、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，實現(xiàn)了餐廚垃圾從送料到制成顆粒整個過程。采用Solidworks 軟件建立了其三維模型，并利用simulation模塊對其內(nèi)部的關(guān)鍵零部件進行受力分析，說明其是安全可靠的。該一體機與目前市面上現(xiàn)有的設備相比，具有體積小、功能全、適用性廣的優(yōu)點，且其后續(xù)的維護簡單，基本可以實現(xiàn)模塊化維修。該設計的結(jié)構(gòu)合理，具有較強的尺寸可調(diào)節(jié)性，為餐廚垃圾資源化一體機研究奠定了基礎。