餐厨垃圾资源化一体机的设计与研究

陈朝阳，周美娟，陈文清

（郑州科技学院，河南 郑州 450000）

0 引言

随着我国经济的迅速发展，餐饮市场日益繁荣，随之而来的就是堆积如山的餐厨垃圾，餐厨垃圾的产出量逐年迅速递增，占生活垃圾比重约50%，甚至更高。餐厨垃圾包括餐饮垃圾和厨余垃圾，其成分复杂，其中含有大量的水、有机物和油脂等物质，具有极易腐烂变质、散发恶臭和传播细菌等特点，且极易被氧化，会对人体和环境产生危害。因此，急需对餐厨垃圾进行妥善处理。通过调查研究发现，国内外对餐厨垃圾的处理主要有填埋、焚烧、饲料化处理和厌氧发酵技术法等方法[1]，上述方法存在一定的弊端，主要存在二次污染、成本高和周期长等特点。餐厨垃圾中的泔水油、地沟油是餐厨垃圾中危害最大也是经济价值最大的两大油脂，可以作为化工原料，具有很大的利用价值[2]。

目前，国内对餐厨垃圾的无害化和资源化处理已较重视，陆文金[3]设计了家用小型厨余垃圾处理机的主体结构，仅能实现家庭厨余垃圾的处理，对餐饮垃圾的处理存在一定的弊端。黄程[4]设计了新型餐厨垃圾设备，该设备实现了垃圾的油水分离，未对其进行烘干处理。王发生[5]设计了基于餐厨垃圾的处理的一体机，实现了物料的破碎、筛分和风选。综上所述，在上述研究的基础上，设计一种综合考虑破碎、油水分离和烘干等因素的餐厨垃圾处理设备极为重要，该设备需实现将餐厨垃圾从进料到造粒，最后将餐厨垃圾的二次回收利用，解决二次污染、周期长和成本高等问题。

采用将餐厨余垃圾从进料、破碎、油水分离、烘干到造粒一体化的设计思路，设计了一种餐厨垃圾资源化一体机，该机器主要有进料装置、分选装置、破碎装置、脱水装置、油水分离装置和烘干装置组成。利用Solidworks 软件对该一体机进行设计，此外，采用Solidworks 软件中的simulation 模块对其内部的关键零部件破碎装置、螺旋叶片进行了有限元分析[6-7]，其强度满足使用要求，为餐厨垃圾资源化一体机的发展提供了参考依据。

1 一体机的结构设计

根据餐厨垃圾成分复杂的特点，采用Solidworks软件建立了餐厨垃圾资源化一体机结构模型如图1所示，从图中可以看出，该机器主要包括7 个关键环节，按照其工作流程分别为：送料装置、节流装置、破碎装置、分离装置、烘干装置、输送装置和造粒装置。其工作流程为：首先通过送料装置1 将餐厨垃圾输送到节流装置2 中，当垃圾进入节流装置中，通过节流装置中的节流轮控制垃圾的流量。然后，垃圾进入到破碎装置3 中，通过齿轮对其进行破碎，被破碎后的餐厨垃圾进入到分离装置4 中，餐厨垃圾通过该装置中的变螺距螺旋挤压叶片带动其向前移动，由于该装置采用的是变螺距叶片，残渣在前进的过程中会受到越来越大的压力，进而实现油水分离。其次，被油水分离后的残渣通过螺旋叶片被输送到烘干装置5 中，实现残渣的烘干。最后被烘干后的残渣通过输送装置6被送到造粒装置7 中，制成颗粒。

图1 餐厨垃圾一体机结构图

1.1 送料装置设计

一体机中的送料装置如图2 所示，该装置由电机、齿轮、链条、外导轨架、和上料桶5 部分组成的。该一体机的设计理念之一是适用性广，与之相对应的是该送料装置应具有较强的可调控性，即可根据使用场所的特点对其尺寸做相应的调整。设计的同时综合考虑到餐厨垃圾的特点，所以选用能适应恶劣环境的链传动输送餐厨垃圾。

图2 送料装置结构图

1.2 节流装置设计

一体机中的节流装置由进料箱、节流轮、传动带轮3 部分组成，如图3 所示。该装置的作用是控制餐厨垃圾进入破碎装置的流量和速度，以免流量和速度太高，导致餐厨垃圾堆积，影响破碎装置的效率，降低破碎装置的寿命。节流轮的两端分别与带轮和输出轴相连接。其工作原理是在电动机的作用下，经减速箱控制速度，将动力传输到皮带，然后带轮旋转从而带动节流轮旋转。节流轮的圆周上开有4 个圆弧形凹槽，节流轮转动过程中，将餐厨垃圾带到凹槽中，其形状可控制餐厨垃圾的流量，进而实现节流。最后将凹槽中的餐厨垃圾输送到破碎装置中，该结构减轻了破碎装置的工作压力。

图3 节流装置的结构图

1.3 破碎装置设计

根据餐厨垃圾成分复杂的特点，其中包含一些硬质垃圾，因此在对餐厨垃圾处理时，破碎环节必不可少，根据齿辊式破碎的原理设计破碎装置。其具有体积小，噪声低，结构简单和效率高等特点。其工作方式为两齿轮反向转动，将餐厨垃圾中的硬质垃圾通过挤压、撕裂进行破碎，其结构如图4 所示。

图4 破碎装置的结构图

1.4 分离装置设计

根据螺旋挤压原理设计了变螺距螺旋片，当食物残渣经破碎后，由螺旋叶片旋转带动其向前移动，由于采用的是变螺距螺旋叶片，残渣向前移动的同时会受到越来越大的挤压力，油水通过漏网会排到油水分离器中，与此同时，脱水后的残渣将通过螺旋叶片被输送到烘干装置内。分离装置如图5 所示，该装置结构简单、运输效率高。

图5 分离装置

1.5 烘干装置设计

该一体机设计中包括烘干装置如图6 所示，该装置主要由干燥桶、搅拌器、加热器组成。这是因为残渣经过烘干不仅起到杀菌的作用，增加其存放时间，而且运输方便，运输过程减少细菌的传播，且经过烘干后的餐厨垃圾更易于二次回收利用。其工作原理是餐厨垃圾经过油水分离后，通过分离装置中变螺距螺旋叶片输送到烘干装置中，在搅拌器旋转作用下，由入口运输到出口处，在被运输的过程中，烘干装置中的加热器对残渣进行烘干处理。加热器的功率是可调的，残渣的干燥度是通过调节加热器功率的大小和搅拌器的转动速度共同控制的。

图6 烘干装置

1.6 造粒装置设计

造粒装置由电机、进料箱、成型机构、破碎机构和出料口5 部分组成，如图7 所示。烘干后的残渣经通过输送装置6 进入造粒装置的进料箱，装置6 是由螺旋片和风机组成的，餐厨残渣经成型机构的加工被制成长条状，长条状的餐厨残渣通过破碎机构，将其制成颗粒状，最后经出料口流出。颗粒状的餐厨残渣将进一步搅拌发酵可以制成有机肥料供农作物吸收。

图7 执行机构角位移变化图

图7 造粒装置

2 关键零部件的应力分析

为保证设计的餐厨垃圾资源化一体机可以正常的运行，应对一体机中破碎装置和分离装置中的关键零部件受力进行分析。

2.1 破碎装置中齿轮的应力分析

由于餐厨垃圾的特点，里面会存在一些硬质垃圾，在破碎的过程中会存在一些困难，会对破碎机构产生一定的损坏，因此需采用simulation 模块对破碎装置中的齿轮进行应力分析，如图8 所示。齿轮上施加50 N 力的时候，齿轮齿端部的应力最大，最大应力为11.0 MPa。与此同时，齿轮还要承受扭矩的作用，所以齿轮材料应选择强度较高的合金钢，合金钢的屈服强度为62.04 MPa。通过上述分析可知，最大应力小于其屈服强度，说明该装置在正常工作的情况下是安全可靠的。

图8 执行机构连杆位移变化规律图

图8 齿轮的应力分布图

2.2 分离装置中螺旋叶片的应力分析

分离装置中采用的是变螺距螺旋叶片，其分离功能是通过螺旋叶片螺距的改变实现的，主要工作原理是脱水过程中螺旋叶片在物料向前运输的过程中，其空间越来越小，致使残渣所受的挤压力也就越大，进而实现脱水。该螺旋叶片可分为3 个区——低、中和高，低压区仅起到运输物料的作用，中压区所受的压力也相对较小，脱水的过程主要是在高压区完成的，高压区所受到的挤压力最大，因此应对螺旋叶片的高压区进行应力分析。考虑到材料成本和加工成本以及后期维护成本，螺旋叶片的材料可选用普通碳钢，应力分析结果如图9 所示。

由图9 可以看出，在分离装置正常工作的条件下，螺旋叶片所受到的最大应力为190.3 MPa。螺旋叶片的材料选用普通碳钢，其屈服强度为220.6 MPa。螺旋叶片所受的最大应力小于其强度，说明该变螺距的螺旋叶片是安全可靠的。

3 结语

针对餐厨垃圾的特点，设计了一种餐厨垃圾资源化一体机，该一体机中包括送料装置、节流装置、破碎装置、分离装置、烘干装置、输送装置和造粒装置，实现了餐厨垃圾从送料到制成颗粒整个过程。采用Solidworks 软件建立了其三维模型，并利用simulation模块对其内部的关键零部件进行受力分析，说明其是安全可靠的。该一体机与目前市面上现有的设备相比，具有体积小、功能全、适用性广的优点，且其后续的维护简单，基本可以实现模块化维修。该设计的结构合理，具有较强的尺寸可调节性，为餐厨垃圾资源化一体机研究奠定了基础。