基于Solidworks的廚余垃圾資源化一體機的結構設計

王立錚，陳文清，賈華坡，周美娟

（鄭州科技學院，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，對于合理的處理廚余垃圾是迫在眉睫的問題。目前針對廚余垃圾的處理方法主要有：好氧堆肥法、飼料化處理技術法、厭氧發酵技術法、微生物降解法、焚燒法、填埋法等。這些方法對廚余垃圾的處理局限性明顯，存在處理設備成本過于高昂、處理周期過長、處理方法有害等[1]。目前對廚余垃圾的合理處理問題仍然有很大的研究價值。隨著國家對綠色發展的重視，找到高效無害的方法處理廚余垃圾勢在必行。

本研究在廚余垃圾處理機的基礎上[2]，將廚余垃圾從進料、破碎、油水分離、烘干建立了一體化的設計思路，最終將烘干的廚余垃圾用于制造養殖飼料。廚余垃圾資源化一體機主要有進料裝置、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軟件進行總體方案和各個裝置的零部件進行設計，采用Solidworks軟件中的simulation有限元分析模塊對易損件螺旋供料器進行了有限元分析，并對該零件進行了改進設計。在滿足設計要求的情況下，一體機的設計合理，思路清晰，具有一定現實參考依據。

1 方案設計

1.1 總體結構和工作原理

設計的廚余垃圾資源化一體機根據工作原理分為6個裝置，主要包括：進料裝置、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軟件中設計了總體方案，如圖1所示。

圖1 一體機總體結構圖

該設備的具體工作原理為：（1）進料裝置：該裝置以電機驅動為主，利用鏈條傳動將廚余垃圾收集箱從底部傳送到位于一體機上方的進料口處。（2）分選裝置：該分選裝置的功能實現主要得益于三個四爪卡盤和一組電磁鐵的配合。四爪卡盤的運動由電機進行驅動實現，磁吸裝置由電磁鐵進行功能實現。（3）破碎裝置：該裝置采用一對輥式齒輪破碎的設計，兩齒輪在電機8和減速機構11的配合下進行高扭矩低轉速的運行。（4）脫水裝置：該裝置的工作原理為螺旋式擠壓脫水，利用特定螺桿結構通過電機7與減速機構的配合進行工作。（5）油水分離裝置：該裝置主要通過油水分離器實現對油和水的分離。（6）烘干裝置：該裝置利用螺旋攪拌結構和加溫器的配合使脫水后的食物殘渣進行充分的干燥，其中螺旋攪拌結構通過電機9進行扭矩傳遞，在螺桿機構的上方有加溫裝置，在三者的配合下使干燥裝置正常工作。

1.2 設備各結構功能

該一體機的結構裝置具體功能原理如下：

（1）進料裝置主要利用鏈條傳動將位于地面的收集桶按照設計框架的運行路線將收集桶運送至進料口處，將廚余垃圾從收集桶內自動倒入進料箱中開始下一步的分選處理。

（2）分選裝置由該系統中3個四爪卡盤通過電機驅動在旋轉狀態下可以將塑料袋等有害垃圾纏繞在爪盤上，從而實現對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而對廚余垃圾中的金屬鐵制品進行吸除。通過分選裝置可將廚余垃圾中的塑料袋、金屬制品通過環攪裝置和磁吸裝置篩選出來，進而為后續高效的工作提供安全保障。

（3）破碎裝置功能的實現主要根據對輥式齒輪破碎的設計原理，兩齒輪通過精確的設計可實現高扭矩低轉速的運行，進而可以高效的將廚余垃圾中的硬質物質（如骨頭、殼類等不易處理殘渣）進行充分的破碎處理。

（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渣中的油和水進行分離，使之相對干燥，便于后續的油水分離以及對殘渣的高效烘干。

（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行油水分離，然后將分離出的油水排至儲存罐，從而實現將油水混合液得到相對高效、無污染的處理。

（6）烘干裝置是利用電機驅動螺桿，在螺旋結構的驅動下將經過上述處理過的食物殘渣進行向前翻滾輸送，在輸送過程中通過加溫器的作用，將食物殘渣得到徹底的干燥，進而使食物殘渣有更高的發酵效率以及運輸便捷性。

2 主要部件設計

2.1 上料裝置

該裝置的設計主要由外導軌架、上料桶、電機、鏈條和齒輪組成（圖2）。由于其設計理念之一是力求適用性廣，可用于大多數場合，因此，該一體機送料裝置可根據使用場景的需要做出相應的尺寸調整。另外，該裝置在惡劣的工作環境下有很強的耐用性，因為在對廚余垃圾的處理中，惡劣環境對工作設備有很強的考驗力，所以該設備在傳動結構上運用較為穩定的鏈傳動設計，使其能在惡劣的環境下依然正常工作。

圖2 上料裝置

2.2 分選裝置

經實地調研發現，在廚余垃圾的資源處理過程中，因該類別垃圾內混合有不可直接處理雜質，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去除，然后才能進行后續的加工，該過程費時費力。所以在本次設計的廚余垃圾處理設備中，為解決該問題，便設計了該分選裝置。該裝置主要由一套磁分選設備和攪拌機構共同組成（圖3）。當廚余垃圾經送料裝置送入進料箱后將經過磁選裝置，通過調節磁選裝置的磁性強弱進而對廚余垃圾中的金屬鐵制品分選出來，再自動流向金屬雜質桶內。后續在三個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。由此可實現對廚余垃圾中不可直接處理雜質的挑選，為后續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類筷子，所以在廚余垃圾處理設備中破碎環節必不可少，該一體機的破碎裝置主要利用輥式齒輪破碎的設計原理進行設計（圖4、圖5）。工作方式為兩齒輪由相反向轉動，將落入的廚余垃圾通過擠壓、撕裂進行破碎，所以該破碎機能處理各類堅硬物質，即使是骨頭、硬殼類等物質都可得到充分破碎[3]。由于破碎需要巨大的扭矩提供，所以在選用電機上，該一體機破碎裝置選用了能穩定長時間工作且可提供足夠扭矩的臥式三相異步電機，以滿足設備的需要。

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行設計[4]，食物殘渣經破碎后落入擠壓進料口，再由螺旋葉片旋轉帶動其向前移動，由于螺旋葉片螺距的改變，食物碎渣在前進的同時會受到越來越大的擠壓力，最終油水液體通過漏網排至油水分離器，脫水后的碎渣將從出口處排至烘干箱內。在對螺旋葉片的設計中，通過三維軟件SolidWorks設計出三維模型并經過運動仿真以及有限元分析設計出一款適用于該一體機的變徑變螺距螺旋供料器（圖7）。該螺旋擠壓器具有結構簡單、運輸效率高的特點，在對殘渣處理時，可以使殘渣很快的運輸至擠壓階段，可以更高效平穩的運行[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加工的餐廚碎料，在本一體機的最后部分還設計了一款烘干裝置（圖8），該裝置主要由處理桶、螺旋葉片、加熱器、電動機組成。當經過上一步處理的碎料進入干燥筒后，在螺旋葉片的旋轉作用下，碎料被翻滾著由入口運輸到出口處，在被運輸的過程中烘干筒內的加熱裝置對其進行一個烘干處理[5]。通過調節加熱器的功率，以及螺旋桿件的轉動速度可控制碎料的干燥程度。經過干燥筒處理過的碎料更加有利于運輸的方便，且不易在運輸過程中造成環境的二次污染，另外經過干燥處理后的廚余碎料也更加有利于后續發酵處理的效率提高。

圖8 烘干裝置

3 結語

針對廚余垃圾的處理問題設計了資源化一體機，對一體機的進料裝置、分選裝置、破碎裝置、脫水裝置、油水分離裝置和烘干裝置進行了結構設計，并利用Solidworks軟件建立了三維模型，其中對螺旋供料器的設計進行了優化，設計出了變徑變螺距的供料器。該廚余垃圾資源化一體機的設計將送料裝置、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，所以該設備的工作效率、工作安全保障性比較高，而且對于后續的維護也比較簡單，基本可以實現模塊化維修。在滿足設計要求的情況下，本設計的設計流程合理、尺寸可調節性較強，對整機機構的安排較合理，為廚余垃圾資源化一體機在領域內的發展提供了一定的理論依據。