機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置設(shè)計(jì)

胡宇博，王少峰，校文超

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

2017年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《生活垃圾分類(lèi)制度實(shí)施方案》提出［1］：“要加快建立分類(lèi)投放、分類(lèi)收集、分類(lèi)運(yùn)輸和分類(lèi)處理的垃圾處理系統(tǒng)。”隨后，北京、上海以及杭州等地也相繼出臺(tái)了地方條例和法規(guī)，對(duì)生活垃圾進(jìn)行強(qiáng)制分類(lèi)。

濕垃圾處理裝置是一款基于生活垃圾分類(lèi)投放、分類(lèi)收集政策，對(duì)已分類(lèi)的濕垃圾進(jìn)行加工的前端處理裝置。未處理的濕垃圾成分復(fù)雜，在運(yùn)輸過(guò)程中不僅占用大量的運(yùn)輸空間，還易造成二次污染［2-4］。對(duì)于達(dá)到一定規(guī)模的濕垃圾，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市提出了就地處理的要求［5-7］。但是，調(diào)研資料表明，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的濕垃圾就地處理裝置普遍存在以下問(wèn)題：1）制造、運(yùn)行及維護(hù)成本高；2）占地面積大［8］；3）集成化程度低［9］；4）處理過(guò)程耗費(fèi)的人力資源較多，勞動(dòng)強(qiáng)度大。針對(duì)上述問(wèn)題，以垃圾智能化處理為出發(fā)點(diǎn)，研制了一款機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置，旨在實(shí)現(xiàn)濕垃圾的就地高效處理，在節(jié)省運(yùn)輸空間的同時(shí)簡(jiǎn)化后續(xù)資源化處理流程。

1 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的主要功能及技術(shù)特點(diǎn)

基于就近處理的設(shè)計(jì)理念，機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置適用于已實(shí)施垃圾分類(lèi)收集的中小型垃圾站，例如農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)垃圾收集站、社區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站和大學(xué)垃圾收集站等。垃圾站二次收集區(qū)域內(nèi)的零散垃圾在分類(lèi)投放完成后，被逐批投放至機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置內(nèi)進(jìn)行壓縮處理。

機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的主要功能如下：1）金屬分揀功能；2）垃圾破碎功能；3）固液分離功能；4）污水處理功能；5）碎渣壓縮功能。根據(jù)機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的功能，對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，具體方案如圖1所示。

圖1 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置模塊化設(shè)計(jì)方案Fig.1 Module design scheme of mechanical compressive wet waste treatment device

與現(xiàn)有濕垃圾就近處理裝置相比，機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的突出優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。1）在結(jié)構(gòu)方面，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，各模塊在控制單元作用下協(xié)同運(yùn)行，智能化程度較高且功能全面；另外，縮短（或去除）過(guò)渡用輸送履帶，并將垃圾破碎機(jī)與壓榨脫水機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，使得裝置的集成化程度較高，整體體積減??；各模塊組件靈活多樣，可根據(jù)實(shí)際需要作合理的規(guī)劃和調(diào)整。2）在技術(shù)方面，采用創(chuàng)新的處理方案，將濕垃圾壓縮為高密度餅塊后再進(jìn)行運(yùn)輸和后處理，在不超出最大承載量的前提下，使得垃圾車(chē)運(yùn)輸?shù)睦刻岣?～3倍；處理后的餅塊狀垃圾在大型垃圾處理站經(jīng)簡(jiǎn)單再加工后即可成為燃料、有機(jī)肥料等再生資源。3）在應(yīng)用方面，適用于大量產(chǎn)出濕垃圾的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)、餐飲街及學(xué)校/企業(yè)食堂等場(chǎng)所。綜上，與傳統(tǒng)的濕垃圾處理裝置相比，所設(shè)計(jì)的處理裝置操作簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，處理效率高，應(yīng)用場(chǎng)所廣泛且適應(yīng)性強(qiáng)。

機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置中各個(gè)模塊可依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和投入成本等基礎(chǔ)條件進(jìn)行組裝，具體方案如圖2所示。

2 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述模塊化設(shè)計(jì)方案，對(duì)機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該裝置的主體結(jié)構(gòu)包括：1）傳送帶分揀裝置；2）破碎脫水裝置；3）壓塊裝置；4）污水處理裝置。需要指出的是，污水處理裝置直接采用現(xiàn)有污水處理設(shè)備，不對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)作任何設(shè)計(jì)改造。在完成主要結(jié)構(gòu)零部件的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)后，利用Solidworks三維軟件對(duì)機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置進(jìn)行建模、仿真及優(yōu)化。圖2（b）所示裝置的三維實(shí)體模型如圖3所示。

2.1 傳送帶分揀裝置

傳送帶分揀裝置主要用于濕垃圾的初步處理。濕垃圾先通過(guò)提升裝置到達(dá)入料口處，然后進(jìn)入傳送帶分揀裝置，經(jīng)履帶式傳送帶輸送后，濕垃圾進(jìn)入左側(cè)的轉(zhuǎn)接料斗。傳送帶后側(cè)連接傳送電機(jī)，在傳送電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下傳送帶進(jìn)行輸送運(yùn)動(dòng)；傳送帶內(nèi)部設(shè)有磁鐵夾層，能夠靠磁力將廢舊金屬吸附到傳送帶表面上，從而將廢舊金屬?gòu)臐窭蟹蛛x出來(lái)；傳送帶下方連接收集裝置，兩者之間設(shè)有擋板，擋板沿傳送帶前后方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以刮落傳送帶表面的廢舊金屬，使其掉入收集裝置。收集裝置可伸出機(jī)架之外，將廢舊金屬送出。傳送帶外層材料為PU（polyurethane，聚氨酯），其硬度高，耐磨且耐油性好，可避免濕垃圾輸送時(shí)對(duì)傳送帶造成磨損和沖擊損耗，保證傳送帶的使用壽命。

圖2 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置組裝方案Fig.2 Assembly schemes of mechanical compressive wet waste treatment device

圖3 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置三維實(shí)體模型Fig.3 Three-dimensional solid model of mechanical compressive wet waste treatment device

2.2 破碎脫水裝置

破碎和脫水是傳統(tǒng)濕垃圾處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文采用一體化設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)了破碎脫水裝置。該裝置由2個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)2根主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同步實(shí)現(xiàn)濕垃圾的破碎和壓榨脫水，其結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。破碎脫水裝置中的第一主軸與第二主軸均為階梯軸，2根主軸的結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)如圖4（b）所示。2根主軸安裝在機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的第一、第二殼體內(nèi)，并與主機(jī)箱相連，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。位于第二殼體內(nèi)的主軸段處裝有第一刀片和第二刀片。兩刀片為等螺距、旋向相反的螺旋狀刀片，其工作時(shí)沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠快速、高效地破碎濕垃圾，同時(shí)將垃圾碎渣輸送至第一殼體內(nèi)，以進(jìn)行壓榨脫水。刀刃材料為硬質(zhì)合金，其具有硬度高、不易損壞和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。濕垃圾破碎后變成粒徑為10 mm左右的碎渣。主軸螺旋葉片的螺距從靠近刀片的方向到遠(yuǎn)離刀片的方向逐漸變小，以實(shí)現(xiàn)壓榨脫水功能［10］。葉片外部套設(shè)有濾水網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，濾水網(wǎng)為筒狀，表面設(shè)有多個(gè)平行的環(huán)狀槽孔，其能夠分離濕垃圾破碎脫水后的碎渣和污水。第一殼體下部左側(cè)設(shè)有多個(gè)方形瀝水孔，瀝水孔分成2 排，均布設(shè)置。另外，第一殼體下部固定連接蓄水箱，蓄水箱覆蓋于設(shè)有瀝水孔的部位處，用于收集分離的污水。蓄水箱左端通過(guò)管道與污水預(yù)處理裝置固定連接。

圖4 破碎脫水裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of crushing and dewatering device

2.3 壓塊裝置

機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置中的壓塊裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其安裝在主機(jī)架（方案1）右側(cè)外部，主要由壓塊殼、頂蓋、壓錘和推桿箱組成。壓塊裝置中的2個(gè)關(guān)鍵組件——壓錘和推桿箱，可分別實(shí)現(xiàn)垃圾碎渣的壓縮以及垃圾碎渣餅塊的運(yùn)送。

圖5 壓塊裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of briquetting device

2.3.1 壓錘

壓塊裝置中的壓錘組件由液壓系統(tǒng)、液壓板、伸出桿和施壓板四個(gè)部分組成。其中：液壓板用于固定液壓系統(tǒng)［11］伸出桿一端連接液壓板，能夠沿垂直方向作伸縮運(yùn)動(dòng)，另一端固定連接施壓板；施壓板用于將脫水后的垃圾碎渣擠壓成塊。壓錘組件的液壓回路如圖6所示，其主回路為同步回路，采用雙缸、雙桿驅(qū)動(dòng)，使得施壓過(guò)程更加平穩(wěn)［12-13］。整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)過(guò)程分為快速下降、慢速加壓和快速回程三個(gè)階段，各階段的轉(zhuǎn)換由1個(gè)電液比例閥控制。電液比例閥閥芯左位工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)施壓板的快速回程；閥芯中位工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)液壓泵的卸荷；閥芯右位工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)施壓板的快速下降和工進(jìn)。當(dāng)濕垃圾進(jìn)入入料口時(shí)，控制單元啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電液比例閥閥芯處于中位卸荷狀態(tài)；在執(zhí)行壓塊過(guò)程時(shí)，電液比例閥閥芯換向至右位，施壓板向下快速移動(dòng)，在接觸到濕垃圾后進(jìn)入慢速加壓過(guò)程。為了盡量保證不同垃圾餅塊的質(zhì)量和體積一致，在推桿箱和施壓板上安裝了壓力傳感器和稱(chēng)重傳感器。當(dāng)壓塊裝置內(nèi)不斷堆積的垃圾碎渣質(zhì)量達(dá)到稱(chēng)重傳感器的設(shè)定值時(shí)，螺旋輸送機(jī)停止輸送。當(dāng)垃圾碎渣被壓縮時(shí)，通過(guò)控制施壓板的壓緊力來(lái)控制壓塊的松弛度。壓力傳感器達(dá)到設(shè)定值后輸出電信號(hào)，此時(shí)電液比例閥換向，施壓板快速收回。壓力傳感器的設(shè)定值須按實(shí)際工程中壓塊成型所需的松弛度以及液壓系統(tǒng)所能達(dá)到的壓縮比等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

圖6 壓錘組件液壓回路Fig.6 Hydraulic circuit of hammer assembly

2.3.2 推桿箱

壓塊裝置中的推桿箱組件由滑臺(tái)、螺桿和螺桿電機(jī)組成，其工作原理為螺旋傳動(dòng)，與機(jī)械加工機(jī)床常用的滾珠絲杠原理相似。當(dāng)壓塊裝置開(kāi)始?jí)簤K時(shí)，滑臺(tái)全部位于推桿箱內(nèi)；當(dāng)壓塊結(jié)束后，螺桿一端連接的螺桿電機(jī)開(kāi)始工作，以驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)?；_(tái)通過(guò)底部的螺紋副結(jié)構(gòu)與螺桿相連，可將螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑臺(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將垃圾碎渣餅塊輸送至整個(gè)處理裝置外部?；_(tái)底部?jī)啥司c螺桿相連，可使滑臺(tái)的移動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)、流暢。

3 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置主要針對(duì)分類(lèi)收集后的濕垃圾進(jìn)行處理和加工。在明確了垃圾箱容積以及單位時(shí)間內(nèi)處理的濕垃圾量等設(shè)計(jì)要求后，對(duì)裝置主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算值確定裝置的整體尺寸以及電機(jī)、液壓缸等設(shè)備的型號(hào)。

3.1 破碎脫水裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

以常規(guī)社區(qū)垃圾箱的容積（240 L，即2.40×108mm3）為設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置中的破碎脫水裝置前端的第二殼體在去除主軸及刀具體積后的容積約為250 L（2.50×108mm3），則對(duì)于破碎脫水裝置的第一殼體而言，其容積V為：

式中：R為第一殼體截面的半徑，mm；K為實(shí)際截面積計(jì)算系數(shù)；L為第一殼體的長(zhǎng)度，mm。

經(jīng)計(jì)算可得，破碎脫水裝置第一殼體的容積V≈2 050 L（2.05×109mm3），去除主軸及螺旋葉片的體積（350 L，即3.50×108mm3），第一殼體實(shí)際可容納的濕垃圾碎渣量約為1 700 L（1.70×109mm3）。相關(guān)資料顯示，濕垃圾的密度約為488.85 kg/m3，則第一殼體可承受的濕垃圾的最大重力約為8.3 kN?；谏鲜鰯?shù)據(jù)及所選主軸電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可得破碎脫水裝置中主軸所受的最大彎矩M及其最大理論轉(zhuǎn)矩T分別為：

式中：F為主軸所受的均布載荷，N；l1為第一殼體內(nèi)主軸的長(zhǎng)度，mm；P為主軸電機(jī)的功率，kW；n為主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

對(duì)破碎脫水裝置中主軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核主軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面（即危險(xiǎn)截面）的強(qiáng)度。查閱機(jī)械相關(guān)手冊(cè)［14］可知，當(dāng)主軸單向旋轉(zhuǎn)時(shí)，其扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，即折合系數(shù)α=0.6，則主軸的應(yīng)力σca為：

式中：W為抗彎截面系數(shù)。

主軸的材料為3Cr13 不銹鋼，其許用彎曲應(yīng)力σ-1=75 MPa。根據(jù)式（4），代入相關(guān)參數(shù)后計(jì)算得到σca=12.4 MPa，則σca＜σ-1，說(shuō)明主軸的強(qiáng)度符合要求，可安全使用（上述計(jì)算忽略了垃圾碎渣餅塊對(duì)主軸的徑向應(yīng)力）。

3.2 壓塊裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

壓塊裝置通過(guò)螺旋輸送機(jī)與破碎脫水裝置相連。根據(jù)所選用螺旋輸送機(jī)的型號(hào)［15］以及破碎脫水裝置的產(chǎn)出效率，可得壓塊裝置的尺寸為1 000 mm×840 mm×1 800 mm。鑒于進(jìn)入壓塊裝置的垃圾碎渣高度直接決定了進(jìn)料容積的大小，要求壓塊裝置內(nèi)垃圾碎渣的初始高度H的最大值不應(yīng)超過(guò)其輸入口的高度（以推桿箱的滑臺(tái)平面作為參考平面）。設(shè)垃圾碎渣的初始高度H=400 mm，位于推桿箱內(nèi)部的滑臺(tái)的尺寸為800 mm×800 mm，則壓塊裝置內(nèi)部進(jìn)料容積為256 L（2.56×108mm3）。一般液壓式垃圾壓縮裝置的壓縮比可達(dá)到4～5，通過(guò)估算可得垃圾碎渣餅塊的尺寸約為800 mm×800 mm×90 mm。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，垃圾碎渣餅塊的松弛度由施壓板上的壓力傳感器控制。但上文所得垃圾碎渣餅塊的高度為估算值，其實(shí)際高度應(yīng)按壓塊裝置的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行測(cè)定。

3.3 裝置處理能力設(shè)計(jì)

壓塊裝置進(jìn)料容積的設(shè)定值與單個(gè)垃圾箱的容積相近，因此在設(shè)定機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的處理能力時(shí)，選擇240 L作為一定時(shí)間內(nèi)的濕垃圾處理量。按照濕垃圾的處理過(guò)程，將處理時(shí)間分為4個(gè)部分：傳送分揀時(shí)間、破碎脫水時(shí)間、螺旋輸送時(shí)間和壓塊輸送時(shí)間。

為保證廢舊金屬分揀效果，傳送帶上的濕垃圾不能過(guò)高，即濕垃圾須緩慢、均勻地投入，因此設(shè)定傳送分揀時(shí)間約為25 s。在這段時(shí)間內(nèi)，濕垃圾連續(xù)進(jìn)入破碎脫水裝置，但破碎后的濕垃圾先在破碎結(jié)構(gòu)出口處堆積，并未立即進(jìn)入脫水結(jié)構(gòu)，因此破碎脫水時(shí)間與傳送分揀時(shí)間部分重合，非重合用時(shí)約為15 s。根據(jù)壓塊裝置進(jìn)料容積，設(shè)計(jì)螺旋輸送機(jī)的相關(guān)參數(shù)，其單次循環(huán)輸送時(shí)間為3 s。設(shè)定壓塊裝置的單次循環(huán)壓縮時(shí)間為13 s，在壓錘快速回程的同時(shí)，推桿箱滑臺(tái)進(jìn)行垃圾碎渣餅塊輸送工作。綜合考量機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)效果及其子裝置的動(dòng)力參數(shù)，預(yù)計(jì)該裝置處理240 L濕垃圾所用的時(shí)間約為60 s，即其垃圾處理能力為7.0 t/h（約為1.94 kg/s）。

3.4 裝置技術(shù)參數(shù)確定

基于已投入使用的傳統(tǒng)垃圾處理設(shè)備及上文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)，得到機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

4 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置控制方案設(shè)計(jì)

機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置采用PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）作為控制單元［16-17］。鑒于在實(shí)際應(yīng)用中濕垃圾的數(shù)量、成分等存在差異，須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)其最佳性能。另外，該處理裝置各子裝置內(nèi)部的傳感器可實(shí)時(shí)反饋各子裝置的工作狀態(tài)。

機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的控制流程如圖7所示，具體流程如下：在控制單元控制下，提升裝置開(kāi)啟，在將待處理濕垃圾提升至入料口的同時(shí)開(kāi)啟傳送帶電機(jī)和破碎脫水裝置主軸的電機(jī)；經(jīng)脫水處理后的垃圾碎渣通過(guò)螺旋輸送機(jī)進(jìn)入壓塊裝置，位于推桿箱表面的稱(chēng)重傳感器檢測(cè)進(jìn)入壓塊裝置的垃圾碎渣重力，當(dāng)垃圾碎渣的重力達(dá)到稱(chēng)重傳感器的設(shè)定值后，傳感器將電信號(hào)傳遞至控制單元，此時(shí)螺旋輸送機(jī)的電機(jī)關(guān)閉及電液比例閥換向，以執(zhí)行壓塊步驟。施壓板底部的壓力傳感器在檢測(cè)到壓緊力達(dá)到設(shè)定值時(shí)將電信號(hào)傳遞至控制單元，此時(shí)電液比例閥再次換向，施壓板快速收回，同時(shí)底部螺桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，將垃圾碎渣餅塊輸送至裝置外部。

表1 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of mechanical compressive wet waste treatment device

圖7 機(jī)械壓縮式濕垃圾處理裝置的控制流程Fig.7 Control process of mechanical compressive wet waste treatment device

5 結(jié) 語(yǔ)

濕垃圾機(jī)械壓縮式處理裝置由提升裝置、傳送帶分揀裝置、破碎脫水裝置、壓塊裝置以及污水處理裝置等組成，各子裝置可按實(shí)際需求進(jìn)行組裝。所設(shè)計(jì)的濕垃圾處理裝置具有成本低、占地面積小、處理流程簡(jiǎn)潔、耗費(fèi)人力資源少以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。目前，我國(guó)正大力推行垃圾分類(lèi)，且成分復(fù)雜的濕垃圾處理一直是垃圾處理的重難點(diǎn)。在此背景下，所設(shè)計(jì)的濕垃圾處理裝置具有廣闊的市場(chǎng)前景。