食物垃圾处理器的设计与研究

黄将诚，吴明亮，马建国

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州　730050)

随着生活水平的提高，人们对生活品质的要求越来越高，外出就餐成为常态。餐馆、酒店及高校食堂等餐饮场所产生大量的食物垃圾，这些食物垃圾如何处理成了困扰社会的一大难题。部分违法商家利用餐厨垃圾非法炼制地沟油，严重危害人民群众的身心健康[1-4]。市场上出现过一些处理餐厨垃圾的设备，它们可以将食物垃圾粉碎成浆状液体直接从下水管道排出[5-6]，但仍然存在污染环境和资源无法利用的缺点。

据中国生物质能源网报道，2013年9月开始，上海市的960路、55路等10条线路的公共汽车使用了餐厨废弃油脂制生物柴油作为公交车的混合燃料，经专家评审鉴定显示，使用该燃料的汽车其动力基本不减小，而颗粒物排放量却有所降低。因此可以将食物垃圾进行固、液、油分离处理，固体物做饲料，油脂收集起来送给有关部门加工成燃料，而废水经处理后排放。这样不仅可以做到节能、环保，还能够解决餐厨垃圾堆积问题。根据这个思路，本文设计了食物垃圾处理器。

1　总体结构设计

食物垃圾的处理过程主要包括食物垃圾粉碎、固液压榨分离、烘干等环节，因此食物垃圾处理器必须具备将食物垃圾变成小块状固体、废油收集、废水排放等功能，据此本文设计的食物垃圾处理器由蜗轮蜗杆升降机构、搅碎机构、固液压缩及烘干机构、油水分离机构等组成，其结构图如图1所示。

1—支架；2—搅拌电机部件；3—外桶；4—隔油池；5—底座；6—出渣口；7—支架；8—蜗轮蜗杆升降机构；9—压榨体；10—外箱体门位置；11—内桶；12—箱体；13—出油口图1　食物垃圾处理器结构图

在进行食物垃圾处理时，首先从进料口将食物垃圾倒入食物垃圾处理器，然后启动搅拌按钮，搅拌器快速旋转，将垃圾中的较大块状物搅拌打碎，完成食物垃圾粉碎环节，同时为下一道工序做准备；随后启动换装置按钮，搅拌装置升起，压榨装置下降，进入桶内；接着通过挤压将固液分离，完成固液分离环节。固体垃圾根据需要确定是否烘干，而液体则从桶体下端分离出来，进入隔油池，进一步进行油液分离。

1.1　升降部件的设计

固液压缩由丝杆升降机完成，丝杆升降机为螺旋传动机构。本设计采用的传动形式是螺母固定、丝杠做旋转运动并轴向移动，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构简单，可获得较高的传动精度。本设计中，当电机启动时，蜗轮带动蜗杆做垂直运动，而在蜗杆的远端安装一个与蜗杆垂直的法兰，法兰可根据需要安装不同的部件，以方便后续工作的进行。

1.2　粉碎部件(搅拌器)的设计

粉碎部件包括电动机和搅碎刀(如图2所示)，电动机安装在特定的圆柱型电机架上，电机轴从圆柱型电机架的底部垂直穿出，由套筒将电机轴与搅碎刀连接在一起。当按下启动按钮后，电机通过套筒带动搅碎刀具快速做旋转运动，进而将食物垃圾中的大块垃圾粉碎。圆柱型电机架有一个与螺纹配合的电机架盖子，电机架盖上有4个螺纹孔，电机架盖通过螺纹孔与升降机的法兰盘固定连接，从而形成了粉碎刀具与升降机构的完美连接。

图2　搅拌部件图

粉碎部件在搅拌过程中，主要承受扭矩的作用，并承受少量弯曲应力。工程中常以扭矩进行设计校核，再乘以安全系数，以降低材料在工作过程中受到的应力进而弥补弯曲作用引起的误差[7]。食物垃圾处理器搅拌轴承受扭矩时的最大剪应力：

(1)

其中

(2)

式中：τmax为搅拌轴承受的最大剪应力， Pa；[τ]为许用应力,Pa；Wp为扭转截面系数， mm3；T为轴传递的扭矩， N·m；P为电机功率， kW；n为搅拌轴转速,r/min。

搅拌轴的截面系数：

(3)

求解式(3)得搅拌轴轴径：

(4)

1.3　压榨与烘干部件的设计

压榨及烘干机构包括废渣桶、液体桶、压榨部件(如图3所示)、加热器等。废渣桶、液体桶是整个设备的重要部件，也是粉碎工序的盛污部件。其中废渣桶壁以及底部均匀分布有小孔。压榨机构上同样有4个螺纹孔，通过螺栓连接与升降机的法兰盘固定连接。当按下压榨按钮时，压榨体随着升降机构做垂直运动，进而进行食物垃圾的压榨工作。在压榨机构的底部，有小格状的分隔板(图3)，用于将压榨后的固体垃圾分割、切块，防止其干燥后硬度过高，无法粉碎。

图3　压榨部件图

丝杠无滑动推力F[8]计算公式为：

(5)

(6)

式中：T1为驱动扭矩， N·m；L为丝杠的导程 ， mm；A为减速比；η为滚珠丝杠的效率，这里取0.5。

废渣桶内侧距底部1/3高度处贴有PTC(positive temperature coefficient)绝缘加热片，本设备所用的PTC型陶瓷加热片由PTC陶瓷发热组件与波纹铝条经高温胶粘组成，具有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器，不会出现烫伤、火灾等安全隐患，对固体废渣具有很好的、可控的烘干效果。

此外，在废渣桶内胆和废渣桶下部侧面处相同位置均设有一个废渣取渣口，经过压榨和烘干处理后的废渣，由此处取出并收集起来，为下道工序做准备。取渣门为导轨式，当需要取渣时，沿着轨道提起闸门，取出渣体后再顺轨道放下闸门，并卡紧在栅栏卡槽中。桶内壁的液体会沿着倾斜卡槽流入桶底，不会出现液体四溢的现象。

1.4　搅拌扭矩计算与电机选型

在进行食物垃圾处理器的电机选型时，主要考虑的是要使搅拌电机的搅拌扭矩得到充足的保证，因此需要确定搅拌扭矩。

食物垃圾属于低黏度物料(U>5 000CP)，因此搅拌方式选择桨式搅拌，搅拌转速n为1～100r/min。

根据搅拌部件搅拌时的接触面积：

A1=2×0.005×0.1+3×0.006×0.05+4×0.06×0.007=0.003 6(m2)

(7)

旋转阻力的公式：

(8)

式中：C为阻力系数,这里取为2；ρ为密度；S为物体接触面积；V为混合物与搅拌器相对运动速度。

经计算食物垃圾的密度约为1.0×103～1.5×103kg/m3，取最大值1.5×103kg/m3。在电机启动后，食物垃圾与搅碎刀的相对运动速度最大时按100r/min计算，将搅碎刀所受的阻力简化为搅碎刀的刀尖、刀体中心、刀体根部的集中力，计算得到它们的相对线速度分别为1.05m/s 、0.25m/s和0.31m/s，代入式(8)解得各自的旋转阻力分别为1.654 0N、0.084 4N、0.242 2N，进而求得总阻力约为1.980 0N。

依扭矩公式

Ti=Fiai

(9)

计算得到刀尖、刀体中心、刀体根部的扭矩分别为0.165 4N·m、0.002 1N·m、0.007 2N·m，相加后解得搅拌扭矩为：

TL=0.174 7(N·m)

根据搅拌器的最大转速为100r/min，搅拌扭矩为1 782.65g·cm，选择电机为OPG-60KTYZ交流永磁电机B型，其具体参数见表1。

表1　OPG-60KTYZ交流永磁电机B型电机参数

根据所选电机，由式(4)解得搅拌轴直径应不小于：

d=2.90(mm)

故设计时选用搅拌轴的直径为10mm。

2　关键部件的静力学分析

由食物垃圾处理器的工作特性可知，其搅拌部件的受力状况最为复杂，也最为危险，需要对其在搅拌工况下的受力状况进行分析。搅拌部件的对称结构决定了其受力也是对称的，很少有弯曲应力，据此对搅拌部件进行静力学分析[9]。

搅拌架材料的基本参数见表2。

表2　搅拌架材料参数表

由电机的转矩公式(2)可知，搅拌部件的轴颈扭矩为T=0.174 7N·m。

由式(7)、(8)解得，搅拌部件2个轴向搅拌杆、3个搅碎刀、4个搅拌横杆的受力分别为0.827 0N、0.827 0N、0.028 1N、0.028 1N、0.028 1N、0.060 6N、0.060 6N、0.060 6N、0.060 6N。利用ANSYS软件中的Workbench模块进行模块划分，施加载荷后进行静力学分析，分析结果如图4 所示。

从图中可以看出，搅拌轴的最大应力为2.333 9×106Pa，最大应变为1.111 4×10-5，最大变形量为1.558 2×10-5m。由其应力、应变云图分析结果可知，在正常工作状态即其转速为100r/min时，搅拌架的应力、应变均在许用范围内。

图4　搅拌轴的应力、应变云图和总变形图

3　处理器壳体的模态分析

利用模态分析把线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标转换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。在模态分析中，振动频率ωi和模态φi的计算公式为：

(10)

这里假设刚度矩阵[K]、质量矩阵[M]是定值。

3.1　参数设置

壳体材料基本参数见表3。

表3　壳体材料参数表

3.2　结果分析

对壳体进行模态分析时，首先建立壳体的模型如图5所示，然后对其进行网格划分，划分网格后的模型如图6所示。其第1阶固有频率为第1阶模态，总共进行了前10阶的模态分析。选取最有代表性的前8阶模态[9]进行比较，结果如图7所示。

图5　壳体模型图

图6　网格划分效果图

由模态分析结果可知： 该壳体从第1阶到第8阶模态均为壳体中上部位置的变形较大，而底座部分较小。可见壳体的中上部位置为主要的共振区，需要优化。可通过改变壳体结构设计或在振幅最大部位粘贴阻尼材料的方法, 改变壳体的固有频率,将噪声峰值频率与壳体固有频率错开，达到减振降噪的目的[10-11]。

图7　前8阶的模态分析结果

改进优化方案为：将第6阶变形最大处，即图1中10的位置进行加厚处理，提高其结构刚性。对改进后的模型再进行模态分析，结果如图8所示。

分析结果显示，改进后壳体中上部位置的变形明显减小，满足优化设计要求，达到了预期效果。

图8　优化模型模态分析结果

4　结束语

根据生活实际需要，为解决食物垃圾无法处理及绿色生活无浪费等问题，本文设计了食物垃圾处理器，对其可实现性进行了阐述。基于ANSYS Workbench对其进行了结构静态分析和模态分析，并进一步提出了简单可行的优化方案。但是该设备在控制系统的设计方面仍有优化的空间,因此下一步研究将进一步优化食物垃圾处理器的控制系统，尤其是对搅拌和压榨的智能切换进行优化，使其操作更加方便简单。

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