面向黑水虻转化的厨余垃圾破碎机设计与模态分析

宋 刚，张 鹏，黄 涛，连文伟，欧忠庆

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524000；2.北京三态环境科技有限公司，北京 100000）

0 引 言

随着生活水平的提高，厨余垃圾的数量急剧增加，造成资源浪费的同时破坏了生态环境，因此厨余垃圾的处理方法十分关键[1-2]。当下厨余垃圾的处理方法以填埋和焚烧为主，新型对策能源化、饲料化及肥料化等方法还不成熟，需要进一步的发展[3]。

黑水虻转化在提高厨余垃圾处理效率的同时，抑制气味和细菌的传播，因此被认为是一种极具潜力的无害化、资源化处理方式[4]。毛雪等[5]对黑水虻的进食特性进行研究，发现饲料粒度对其生长和转化速度有较大影响。为了提高效率，需要利用破碎机对厨余垃圾进行预处理，以获取合适粒度的饲料。但是，目前厨余垃圾破碎机大多无法满足该粒度的破碎需求，且粒度可控性较差[6-7]。因此，本文针对黑水虻饲料预处理的需求，根据加工物料特性确定设计参数并建立三维实体模型，最终基于有限元仿真软件对其关键零部件进行模态分析，验证其结构的可靠性。

1 厨余垃圾破碎机破碎机制分析及选型

破碎是依靠外力将大块固体分裂为小块固体的过程[8]。厨余垃圾以剩菜、剩饭、骨头等为主，硬度不高[9]。辊式破碎机具有破碎粒度均匀、生产效率高等优点，适合中细碎作业，因此用折断破碎方式的双齿辊式破碎机作为设计原型[10-11]。双齿辊破碎机是通过错开分布的齿冠部位对物料施加力，当弯曲应力超过物料强度极限时发生破碎。双齿辊破碎机的破碎过程包括：物料受到重力作用下落至破碎腔内，在碰撞过程中受到冲击力的作用发生局部破裂；下落至齿辊的物料受到齿牙的作用被卷入齿辊间，以剪切力的方式对物料进行破裂；破碎完的物料受重力作用掉落到下方进行收集。

2 厨余垃圾破碎机设计

2.1 厨余垃圾破碎机整机方案设计

本文选用双齿辊破碎机作为厨余垃圾破碎机的设计原型，双齿辊破碎机包括单电机和双电机驱动2 种方案[12]。双电机驱动适用于硬度高、负载大的物料加工。考虑到厨余垃圾破碎过程负载较小且物料硬度不高，故选用单电机驱动方案，其传动原理图如图1 所示。

图1 单电机驱动双齿辊破碎机传动原理图

2.2 关键部件设计

齿辊是双齿辊破碎机的核心部件，其设计决定了整机的性能。因此，本文对齿形结构和布齿方式进行设计。基于厨余垃圾特性，选择棱锥式破碎齿作为原始设计齿形，对齿根圆弧半径、齿尖圆弧半径、齿尖与基体过渡圆弧半径、齿背圆弧半径、齿高、齿宽、齿底厚、齿顶厚参数进行设计[13]。相间螺旋形的排布方式有咬入率高、粒度均匀等优点，因此选用齿辊相间螺旋形的形式，最终齿辊的三维结构图如图2 所示。

图2 双齿辊三维结构图

箱体是破碎过程发生的主要载体，主要分为封闭式和半封闭式两种形式。由于厨余垃圾破碎机主要工作场景在室外，对噪声的要求不高，因此选择半封闭式箱体。由于厨余垃圾中普遍存在黏性物料，极易造成破碎腔的堵塞，因此在箱体两侧设置了梳齿板结构，用于清洁齿辊，箱体的三维结构图如图3 所示。

图3 箱体三维结构示意图

3 厨余垃圾破碎机关键零部件模态分析

模态分析是通过固有频率对机械结构的合理性进行分析的重要手段。本文基于Ansys Workbench平台对厨余垃圾破碎机中的关键零部件进行模态分析。齿辊和箱体的材料定义为碳素结构钢，设置弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.33，密度为7.85 g/cm2。综合考虑厨余垃圾破碎机日常工作场景和模态参数范围，本文仅对厨余垃圾破碎机的箱体和破碎齿辊的前十阶的固有频率和振型进行分析。

破碎腔体前十阶固有频率及对应的最大形变量如表1 所示，从表1 中可以看出，随着破碎腔体模态阶次的升高，破碎腔体的固有频率呈上升趋势。但破碎腔体的最大形变量却有所波动，最大形变量的峰值出现在十阶下，最大形变量为0.270 95 mm。

表1 破碎腔体前十阶固有频率及其最大形变量

破碎齿辊前十阶固有频率及对应的最大形变量如表2 所示，从表2 中可以看出，随着破碎齿辊模态阶次的升高，破碎齿辊的固有频率呈上升趋势，前六阶的固有频率数值较小，但七阶固有频率陡增至750.29 Hz。破碎齿辊的最大形变量与固有频率呈正态分布，最大形变量为0.179 75 m，发生在第十阶。

表2 破碎齿辊前十阶固有频率及其最大形变量

综上所述，由于厨余垃圾破碎机的破碎齿辊转速较低，转速一般在15～50 r/min。本文设计的厨余垃圾破碎机正常工作的转速设置为30 r/min，即工作频率可以换算为0.5 Hz。通过箱体和破碎齿辊的模态分析可知，其固有频率均随阶次的增大而提高。对比厨余垃圾破碎机正常工作的转速工况下最大形变，均在设备和材料所允许的形变范围内，厨余垃圾破碎机破碎齿辊旋转频率避开了自身和箱体的固有频率，从结构设计上避开了共振现象的产生，满足设计要求。

4 结 论

破碎机的性能在厨余垃圾饲料转化过程中至关重要，可以大大提高厨余垃圾的转化效率并加快生产速率。本文结合黑水虻饲料预加工的实际需求，结合双齿辊破碎机工作原理及结构，基于三维软件对其结构进行设计。运用Ansys Workbench 平台对设计的厨余垃圾破碎机的关键部件结构进行模态分析。主要结论如下：

（1）综合考虑破碎机工作原理、破碎物特性及破碎出料粒度需求，对面向黑水虻转化的厨余垃圾破碎机进行设计，最终选型为双齿辊破碎结构，并利用三维软件SOLIDWORKS 对其进行结构设计。

（2）通过破碎齿辊前十阶的模态分析可知，破碎齿辊在第一阶和第十阶的固有频率分别为37.88 和1 681.10 Hz，均高于破碎机日常工作旋转频率，可以有效防止共振现象的发生；最大形变发生在第十阶，且最大值为0.179 75 mm，满足形变要求。

（3）通过箱体前十阶的模态分析可知，破碎齿辊在第一阶和第十阶的固有频率分别为128.18 Hz 和596.96 Hz，均远高于破碎机日常工作旋转频率，可以有效防止共振现象的发生；最大形变发生在第十阶，且最大值为0.270 95 mm，满足形变要求。