餐厨垃圾自动分拣系统结构设计研究

曹昌勇 徐礼飞

(皖西学院机械与电子工程学院 安徽六安 237012)

摘要：本文根据机械设计的一般规律及其“功能—结构”关系，设计餐厨垃圾分拣系统各功能模块，并进行协调组合成系统，来满足餐厨垃圾自动分拣的功能要求。该分拣系统主要是以水作为清洗液，利用餐厨垃圾的自重和曲柄滑块机构等实现餐厨垃圾的分拣，并进行自动卸料。该设计能满足餐厨垃圾的自动分拣要求，成本低，实用性强，具有推广应用价值。

关键词：餐厨垃圾，分拣机构，自动卸料

中图分类号：TM 571.61文献标识码：A文章编号：1674-9545(2013)04-0034-(04)

*基金项目：安徽省六安市定向委托皖西学院研究项目(编号2012LWB004)成果之一。

餐厨垃圾的处理是目前世界各国都普遍关注和急需解决的问题。不同的国家和地区因当地不同的生活方式对餐厨垃圾的处理也有所不同。近年来，国内外一些大中型城市纷纷探索如何将餐厨垃圾转化为可利用资源，并且初步形成了一些具有本地特色的处理模式。总体来说，目前餐厨垃圾处理方式主要有：直接排放处理、地下填埋处理、堆肥处理、饲料化处理以及能源化处理等[1～6]。虽然对餐厨垃圾采取了适当的处理措施，但处理方式单一，没有对餐厨垃圾进行正确的分拣处理，导致餐厨垃圾处理存在着很多问题，如滋生细菌多，污染严重，处理费用高等。

如何实现餐厨垃圾分拣就成了问题的关键所在。针对以上的问题本文提出了一种餐厨垃圾分拣系统设计方案，主要是将餐厨垃圾分成两大部分，一种是可以悬浮于水面的上浮物，另一种是比重比较重的下沉物。上浮物主要为餐饮剩余食物、蔬菜的杆、茎、叶等，由上出料口分拣机构送到上出料口输出；下浮物为动物肉骨、牙签、餐纸及少量废餐具等，由下出料口输出。

1 餐厨垃圾分拣机构设计

餐厨垃圾分拣处理整体结构如图1所示[2]。

图1 餐厨垃圾分拣处理装置

1液压缸 2下出料口分拣机构 3下出料口 4箱体 5上出料口 6曲柄滑块机构 7喷淋器 8进料口 9链条传动 10 垃圾提升装置 11垃圾桶

该分拣装置主要由垃圾提升装置、搅拌清冼、分离和分拣卸料4部分组成。其中，搅拌清洗由箱体内的搅拌筒旋转产生水流运动以达到不断清洗的作用；分离主要是利用水的浮力将餐厨垃圾自动分成上浮物和下沉物两部分[2]，并通过曲柄滑块机构曲柄上的搅拌筒实现上出料口的垃圾分拣；分拣卸料主要是通过起料板和活门分拣。

进料时通过链传动实现给定方向旋转搅拌筒，搅拌筒的转动方向和速度的确定必须保证正确的水流方向[2]。不同比重的餐厨垃圾倒入进料口8后，靠其自身重力落入水中，由搅拌筒逆时针旋转使比重较轻的物料往上运动，而较重物料往下沿筒壁向下出料口运动；至此，物料已被充分清洗和分离，分成了完全分离的上浮物和下沉物[2]。

2机构设计

2.1垃圾提升机构设计

垃圾筒提升机构如图2所示。

图2 垃圾提升机构

1主动齿轮 2从动齿轮 3双作用液压缸 4连杆 5连杆 6从动杆 7连架杆

当双作用液压缸3无杆腔进入压力油，活塞杆伸出，推动四杆机构(由4、5、6、7杆构成)运动，直到垃圾筒抵到锁筒机构(锁筒杆)，即完成了垃圾筒提升和锁紧。垃圾筒的翻转是靠齿轮机构(由主动齿轮1和从动齿轮2组成，其中2和3是刚性连接)按图示旋转方向来实现的[3]。具体实现可采用PLC控制电机来实现齿轮机构的正反转及其旋转的角度。

2.2上出料口垃圾分拣机构

上出料口垃圾分拣机构该机构要采用曲柄滑块机构来进行分拣，结构如图3所示。

图3 上出料口分拣机构—曲柄滑块

1曲柄 2连杆 3滑块 4带有特制毛刷的搅拌筒

当电机启动时，电机工作带动链轮转动，使带有特制毛刷的搅拌桶和机构中的1杆一起转动。搅拌筒的毛刷将上浮物拣起甩出落到箱体右侧的铁板上，在曲柄运动的过程中，通过连杆带动滑块左右移动。滑块向左运动可以把垃圾推向上出料口，随着曲柄的旋转运动可以实现滑块的循环往复的推料过程，不停的将上浮物送往上出料口，这样就可以实现不停的起料，然后将物料直接放到上出料口的输送带上，通过输送带将上浮物输送出去，可以达到自动连续分拣的要求。

2.3下出料口的分拣机构

下出料口的分拣机构主要由一个液压缸连接活塞控制下沉物的从下出料口排出箱体外。当电机启动，液压缸也工作时活塞处于图1中的位置保证箱体内的水不能流出箱体外。当上出料口出的分拣机构分拣时间足够后，电机停止转动液压缸停止进油，由于箱体内水的重力作用使活塞移动到图4所示的位置时，下出料口打开，箱体内的下沉物和水一起排出箱体。落到滤网上，滤网自动将水和下沉物分离开，这样便能将下沉物和水分离开。

图4 下出料分拣机构卸料图

2.4清洗分拣装置

清洗装置中的喷淋装置，选用的是旋转清洗球，因为其使用寿命长、压力低、流量大等特点。在固定清洗球上安装了一个可以旋转的连接杆，连接杆内部装有导流挡板，利用水流对导流挡板的冲击力使清洗球快速旋转。普通清洗球可能因为少数喷淋口堵塞而带来的清洗死角，但是旋转清洗球就可以有效地避免这个现象，而且即使旋转清洗球停止转动，它依然可以起到清洗功能。旋转喷淋球的主要功能是保证罐体始终处于自清洗和全润湿状态，并可用于较易清洗的罐体。与普通清洗球相比，旋转清洗球能有效的节省清洗时间，节省清洗剂和清洗用水，是一种比较节能的清洗装置，因此本装置中选择清洗用清洗球作为清洗装置[2]。

综上所述，本机构的特点是实现了三级清洗(倒入时的疏松清洗、搅拌清洗、喷淋清洗)使物料相对清洁；还实现了不同比重的食物垃圾的分离；同时实现了全自动卸料[2]。实施中的主要问题是：对收集来的物料有一定的要求，如物料中含有较长铁丝时，会对起料板和链条造成缠绕，此时必须考虑安装过载保护装置[2]。

3电机的选择及过载保护

3.1电机的选择

此垃圾分拣装置电机工作主要有三大部分，即：①实现垃圾筒提升和翻转；②实现连续的链传动；③实现下出料口的液压缸的供油。综合考虑垃圾分拣装置的工作环境及受力情况，本次选用了三相步进电机。该电机具有以下优点：①步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线性位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其既简单、廉价，又非常可行；②步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等[7]；③误差不长期积累。步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的累积误差，但是，每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去[7]；④控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步[7]。

3.2过载保护

在电机工作时，箱体内的垃圾可能有铁丝等缠绕在链条上，导致链条不能正常工作链条受力增加，同时使电机的负载变大，如果不加以控制解决，就可能将电机损坏。本设计中选用一个功率传感器和电机串联，当电机的功率过载并且达到最大功率的1.2倍时，功率传感器自动断开主电路以达到保护电机的作用，使电机不至于功率过大而导致电机损坏。

4分拣系统控制电路

整机的控制系统电路如图5所示[8]，主要实现的功能是不同比重的餐厨垃圾自动分拣及全自动卸料。按下按钮SB1，接触器KM1线圈得电，KM1主触点闭合，灯LW1点亮，整个系统进入工作状态，垃圾清洗、上出料口垃圾分拣、卸料阶段。待电动机转动规定时间时，延时线圈KT得电，其延时触点(常开)闭合，接触器KM2线圈得电，主触点断开，电动机停止转动，控制下出料口液压缸开关的电磁继电器失电，液压缸电路断开，液压缸停止工作，灯LW2点亮，整个系统进入下出料口卸料状态。

图5 控制电路图

为了防止电机过载，给电机串联了一个功率传感器。当电机过载时(如电机出现异常、分拣机构或传动链条被物料缠绕时)将会造成电机功率过大，此时产生的过电流使热继电器FR动作，电动机将会停止运行。功率传感器自动断开主电路，电机停止工作，LW3灯点亮，以达到保护电机的作用。

5 结束语

本文设计的餐厨垃圾分拣机构满足餐厨垃圾分拣要求，是餐厨垃圾饲料化处理关键设备之一，文中首先阐述了该设备的主要组成部分，描述其主要的工作过程。接着分模块分别设计了垃圾筒的提升，翻转进料；上出料口垃圾分拣；下出料口垃圾分拣以及电机的过载保护等工作。最后通过PLC进行电机控制，实现了餐厨垃圾进料、清洗、分拣和卸料的一体化，具有实用推广价值。

参考文献：

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