基于Solidworks的廚余垃圾資源化一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王立錚，陳文清，賈華坡，周美娟

（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著生活水平的提高，廚余垃圾呈逐年增加趨勢(shì)，對(duì)于合理的處理廚余垃圾是迫在眉睫的問題。目前針對(duì)廚余垃圾的處理方法主要有：好氧堆肥法、飼料化處理技術(shù)法、厭氧發(fā)酵技術(shù)法、微生物降解法、焚燒法、填埋法等。這些方法對(duì)廚余垃圾的處理局限性明顯，存在處理設(shè)備成本過于高昂、處理周期過長(zhǎng)、處理方法有害等[1]。目前對(duì)廚余垃圾的合理處理問題仍然有很大的研究?jī)r(jià)值。隨著國(guó)家對(duì)綠色發(fā)展的重視，找到高效無害的方法處理廚余垃圾勢(shì)在必行。

本研究在廚余垃圾處理機(jī)的基礎(chǔ)上[2]，將廚余垃圾從進(jìn)料、破碎、油水分離、烘干建立了一體化的設(shè)計(jì)思路，最終將烘干的廚余垃圾用于制造養(yǎng)殖飼料。廚余垃圾資源化一體機(jī)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軟件進(jìn)行總體方案和各個(gè)裝置的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Solidworks軟件中的simulation有限元分析模塊對(duì)易損件螺旋供料器進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)該零件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，一體機(jī)的設(shè)計(jì)合理，思路清晰，具有一定現(xiàn)實(shí)參考依據(jù)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

設(shè)計(jì)的廚余垃圾資源化一體機(jī)根據(jù)工作原理分為6個(gè)裝置，主要包括：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。在Solidworks軟件中設(shè)計(jì)了總體方案，如圖1所示。

圖1 一體機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)備的具體工作原理為：（1）進(jìn)料裝置：該裝置以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，利用鏈條傳動(dòng)將廚余垃圾收集箱從底部傳送到位于一體機(jī)上方的進(jìn)料口處。（2）分選裝置：該分選裝置的功能實(shí)現(xiàn)主要得益于三個(gè)四爪卡盤和一組電磁鐵的配合。四爪卡盤的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，磁吸裝置由電磁鐵進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。（3）破碎裝置：該裝置采用一對(duì)輥式齒輪破碎的設(shè)計(jì)，兩齒輪在電機(jī)8和減速機(jī)構(gòu)11的配合下進(jìn)行高扭矩低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行。（4）脫水裝置：該裝置的工作原理為螺旋式擠壓脫水，利用特定螺桿結(jié)構(gòu)通過電機(jī)7與減速機(jī)構(gòu)的配合進(jìn)行工作。（5）油水分離裝置：該裝置主要通過油水分離器實(shí)現(xiàn)對(duì)油和水的分離。（6）烘干裝置：該裝置利用螺旋攪拌結(jié)構(gòu)和加溫器的配合使脫水后的食物殘?jiān)M(jìn)行充分的干燥，其中螺旋攪拌結(jié)構(gòu)通過電機(jī)9進(jìn)行扭矩傳遞，在螺桿機(jī)構(gòu)的上方有加溫裝置，在三者的配合下使干燥裝置正常工作。

1.2 設(shè)備各結(jié)構(gòu)功能

該一體機(jī)的結(jié)構(gòu)裝置具體功能原理如下：

（1）進(jìn)料裝置主要利用鏈條傳動(dòng)將位于地面的收集桶按照設(shè)計(jì)框架的運(yùn)行路線將收集桶運(yùn)送至進(jìn)料口處，將廚余垃圾從收集桶內(nèi)自動(dòng)倒入進(jìn)料箱中開始下一步的分選處理。

（2）分選裝置由該系統(tǒng)中3個(gè)四爪卡盤通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以將塑料袋等有害垃圾纏繞在爪盤上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)廚余垃圾中塑料袋的剔除，另外一組電磁鐵裝置通過控制電流的大小進(jìn)而對(duì)廚余垃圾中的金屬鐵制品進(jìn)行吸除。通過分選裝置可將廚余垃圾中的塑料袋、金屬制品通過環(huán)攪裝置和磁吸裝置篩選出來，進(jìn)而為后續(xù)高效的工作提供安全保障。

（3）破碎裝置功能的實(shí)現(xiàn)主要根據(jù)對(duì)輥式齒輪破碎的設(shè)計(jì)原理，兩齒輪通過精確的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)高扭矩低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行，進(jìn)而可以高效的將廚余垃圾中的硬質(zhì)物質(zhì)（如骨頭、殼類等不易處理殘?jiān)┻M(jìn)行充分的破碎處理。

（4）脫水裝置是利用變徑變螺距螺旋擠壓的工作原理將食物殘?jiān)械挠秃退M(jìn)行分離，使之相對(duì)干燥，便于后續(xù)的油水分離以及對(duì)殘?jiān)母咝Ш娓伞?/p>

（5）油水分離裝置是通過油水分離器將上一步分離出的油水混合液體進(jìn)行油水分離，然后將分離出的油水排至儲(chǔ)存罐，從而實(shí)現(xiàn)將油水混合液得到相對(duì)高效、無污染的處理。

（6）烘干裝置是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿，在螺旋結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下將經(jīng)過上述處理過的食物殘?jiān)M(jìn)行向前翻滾輸送，在輸送過程中通過加溫器的作用，將食物殘?jiān)玫綇氐椎母稍?，進(jìn)而使食物殘?jiān)懈叩陌l(fā)酵效率以及運(yùn)輸便捷性。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 上料裝置

該裝置的設(shè)計(jì)主要由外導(dǎo)軌架、上料桶、電機(jī)、鏈條和齒輪組成（圖2）。由于其設(shè)計(jì)理念之一是力求適用性廣，可用于大多數(shù)場(chǎng)合，因此，該一體機(jī)送料裝置可根據(jù)使用場(chǎng)景的需要做出相應(yīng)的尺寸調(diào)整。另外，該裝置在惡劣的工作環(huán)境下有很強(qiáng)的耐用性，因?yàn)樵趯?duì)廚余垃圾的處理中，惡劣環(huán)境對(duì)工作設(shè)備有很強(qiáng)的考驗(yàn)力，所以該設(shè)備在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上運(yùn)用較為穩(wěn)定的鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)，使其能在惡劣的環(huán)境下依然正常工作。

圖2 上料裝置

2.2 分選裝置

經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在廚余垃圾的資源處理過程中，因該類別垃圾內(nèi)混合有不可直接處理雜質(zhì)，如金屬鐵制品餐具、一次性塑料袋、塑料食品包裝等，使得處理起來比較麻煩，這就需要先將混合垃圾中不可直接利用雜質(zhì)去除，然后才能進(jìn)行后續(xù)的加工，該過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以在本次設(shè)計(jì)的廚余垃圾處理設(shè)備中，為解決該問題，便設(shè)計(jì)了該分選裝置。該裝置主要由一套磁分選設(shè)備和攪拌機(jī)構(gòu)共同組成（圖3）。當(dāng)廚余垃圾經(jīng)送料裝置送入進(jìn)料箱后將經(jīng)過磁選裝置，通過調(diào)節(jié)磁選裝置的磁性強(qiáng)弱進(jìn)而對(duì)廚余垃圾中的金屬鐵制品分選出來，再自動(dòng)流向金屬雜質(zhì)桶內(nèi)。后續(xù)在三個(gè)攪拌棒的共同作用下將廚余垃圾中的塑料袋等塑料包裝制品挑選出來，由于該攪拌棒可拆卸，所以只需定期清理攪拌棒上的雜物即可。由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)廚余垃圾中不可直接處理雜質(zhì)的挑選，為后續(xù)加工處理提供更安全高效的保障。

2.3 破碎裝置

由于廚余垃圾中混有大量的硬質(zhì)食物殘余，如骨頭、硬殼類等，以及還有些可降解非食品類如木質(zhì)類筷子，所以在廚余垃圾處理設(shè)備中破碎環(huán)節(jié)必不可少，該一體機(jī)的破碎裝置主要利用輥式齒輪破碎的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖4、圖5）。工作方式為兩齒輪由相反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將落入的廚余垃圾通過擠壓、撕裂進(jìn)行破碎，所以該破碎機(jī)能處理各類堅(jiān)硬物質(zhì)，即使是骨頭、硬殼類等物質(zhì)都可得到充分破碎[3]。由于破碎需要巨大的扭矩提供，所以在選用電機(jī)上，該一體機(jī)破碎裝置選用了能穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間工作且可提供足夠扭矩的臥式三相異步電機(jī)，以滿足設(shè)備的需要。

圖3 分選裝置

圖4 破碎裝置

圖5 輥式齒輪

2.4 脫水裝置

脫水裝置（圖6）利用螺旋擠壓脫水原理進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]，食物殘?jiān)?jīng)破碎后落入擠壓進(jìn)料口，再由螺旋葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其向前移動(dòng)，由于螺旋葉片螺距的改變，食物碎渣在前進(jìn)的同時(shí)會(huì)受到越來越大的擠壓力，最終油水液體通過漏網(wǎng)排至油水分離器，脫水后的碎渣將從出口處排至烘干箱內(nèi)。在對(duì)螺旋葉片的設(shè)計(jì)中，通過三維軟件SolidWorks設(shè)計(jì)出三維模型并經(jīng)過運(yùn)動(dòng)仿真以及有限元分析設(shè)計(jì)出一款適用于該一體機(jī)的變徑變螺距螺旋供料器（圖7）。該螺旋擠壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸效率高的特點(diǎn)，在對(duì)殘?jiān)幚頃r(shí)，可以使殘?jiān)芸斓倪\(yùn)輸至擠壓階段，可以更高效平穩(wěn)的運(yùn)行[4]。

圖6 脫水裝置

圖7 供料器模型

2.5 烘干裝置

為了得到更加利于后續(xù)加工的餐廚碎料，在本一體機(jī)的最后部分還設(shè)計(jì)了一款烘干裝置（圖8），該裝置主要由處理桶、螺旋葉片、加熱器、電動(dòng)機(jī)組成。當(dāng)經(jīng)過上一步處理的碎料進(jìn)入干燥筒后，在螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)作用下，碎料被翻滾著由入口運(yùn)輸?shù)匠隹谔?，在被運(yùn)輸?shù)倪^程中烘干筒內(nèi)的加熱裝置對(duì)其進(jìn)行一個(gè)烘干處理[5]。通過調(diào)節(jié)加熱器的功率，以及螺旋桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可控制碎料的干燥程度。經(jīng)過干燥筒處理過的碎料更加有利于運(yùn)輸?shù)姆奖?，且不易在運(yùn)輸過程中造成環(huán)境的二次污染，另外經(jīng)過干燥處理后的廚余碎料也更加有利于后續(xù)發(fā)酵處理的效率提高。

圖8 烘干裝置

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)廚余垃圾的處理問題設(shè)計(jì)了資源化一體機(jī)，對(duì)一體機(jī)的進(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進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用Solidworks軟件建立了三維模型，其中對(duì)螺旋供料器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了變徑變螺距的供料器。該廚余垃圾資源化一體機(jī)的設(shè)計(jì)將送料裝置、分選裝置、破碎裝置以及脫水裝置、油水分離裝置和烘干裝置集于一體，使得處理工序比較集中，所以該設(shè)備的工作效率、工作安全保障性比較高，而且對(duì)于后續(xù)的維護(hù)也比較簡(jiǎn)單，基本可以實(shí)現(xiàn)模塊化維修。在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程合理、尺寸可調(diào)節(jié)性較強(qiáng)，對(duì)整機(jī)機(jī)構(gòu)的安排較合理，為廚余垃圾資源化一體機(jī)在領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)。