黃將誠，吳明亮，馬建國

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730050)

隨著生活水平的提高，人們對生活品質(zhì)的要求越來越高，外出就餐成為常態(tài)。餐館、酒店及高校食堂等餐飲場所產(chǎn)生大量的食物垃圾，這些食物垃圾如何處理成了困擾社會的一大難題。部分違法商家利用餐廚垃圾非法煉制地溝油，嚴(yán)重危害人民群眾的身心健康[1-4]。市場上出現(xiàn)過一些處理餐廚垃圾的設(shè)備，它們可以將食物垃圾粉碎成漿狀液體直接從下水管道排出[5-6]，但仍然存在污染環(huán)境和資源無法利用的缺點(diǎn)。

據(jù)中國生物質(zhì)能源網(wǎng)報(bào)道，2013年9月開始，上海市的960路、55路等10條線路的公共汽車使用了餐廚廢棄油脂制生物柴油作為公交車的混合燃料，經(jīng)專家評審鑒定顯示，使用該燃料的汽車其動力基本不減小，而顆粒物排放量卻有所降低。因此可以將食物垃圾進(jìn)行固、液、油分離處理，固體物做飼料，油脂收集起來送給有關(guān)部門加工成燃料，而廢水經(jīng)處理后排放。這樣不僅可以做到節(jié)能、環(huán)保，還能夠解決餐廚垃圾堆積問題。根據(jù)這個(gè)思路，本文設(shè)計(jì)了食物垃圾處理器。

1　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

食物垃圾的處理過程主要包括食物垃圾粉碎、固液壓榨分離、烘干等環(huán)節(jié)，因此食物垃圾處理器必須具備將食物垃圾變成小塊狀固體、廢油收集、廢水排放等功能，據(jù)此本文設(shè)計(jì)的食物垃圾處理器由蝸輪蝸桿升降機(jī)構(gòu)、攪碎機(jī)構(gòu)、固液壓縮及烘干機(jī)構(gòu)、油水分離機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1—支架；2—攪拌電機(jī)部件；3—外桶；4—隔油池；5—底座；6—出渣口；7—支架；8—蝸輪蝸桿升降機(jī)構(gòu)；9—壓榨體；10—外箱體門位置；11—內(nèi)桶；12—箱體；13—出油口圖1　食物垃圾處理器結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)行食物垃圾處理時(shí)，首先從進(jìn)料口將食物垃圾倒入食物垃圾處理器，然后啟動攪拌按鈕，攪拌器快速旋轉(zhuǎn)，將垃圾中的較大塊狀物攪拌打碎，完成食物垃圾粉碎環(huán)節(jié)，同時(shí)為下一道工序做準(zhǔn)備；隨后啟動換裝置按鈕，攪拌裝置升起，壓榨裝置下降，進(jìn)入桶內(nèi)；接著通過擠壓將固液分離，完成固液分離環(huán)節(jié)。固體垃圾根據(jù)需要確定是否烘干，而液體則從桶體下端分離出來，進(jìn)入隔油池，進(jìn)一步進(jìn)行油液分離。

1.1　升降部件的設(shè)計(jì)

固液壓縮由絲桿升降機(jī)完成，絲桿升降機(jī)為螺旋傳動機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用的傳動形式是螺母固定、絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并軸向移動，該傳動形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動，結(jié)構(gòu)簡單，可獲得較高的傳動精度。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)電機(jī)啟動時(shí)，蝸輪帶動蝸桿做垂直運(yùn)動，而在蝸桿的遠(yuǎn)端安裝一個(gè)與蝸桿垂直的法蘭，法蘭可根據(jù)需要安裝不同的部件，以方便后續(xù)工作的進(jìn)行。

1.2　粉碎部件(攪拌器)的設(shè)計(jì)

粉碎部件包括電動機(jī)和攪碎刀(如圖2所示)，電動機(jī)安裝在特定的圓柱型電機(jī)架上，電機(jī)軸從圓柱型電機(jī)架的底部垂直穿出，由套筒將電機(jī)軸與攪碎刀連接在一起。當(dāng)按下啟動按鈕后，電機(jī)通過套筒帶動攪碎刀具快速做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)而將食物垃圾中的大塊垃圾粉碎。圓柱型電機(jī)架有一個(gè)與螺紋配合的電機(jī)架蓋子，電機(jī)架蓋上有4個(gè)螺紋孔，電機(jī)架蓋通過螺紋孔與升降機(jī)的法蘭盤固定連接，從而形成了粉碎刀具與升降機(jī)構(gòu)的完美連接。

圖2　攪拌部件圖

粉碎部件在攪拌過程中，主要承受扭矩的作用，并承受少量彎曲應(yīng)力。工程中常以扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，再乘以安全系數(shù)，以降低材料在工作過程中受到的應(yīng)力進(jìn)而彌補(bǔ)彎曲作用引起的誤差[7]。食物垃圾處理器攪拌軸承受扭矩時(shí)的最大剪應(yīng)力：

(1)

其中

(2)

式中：τmax為攪拌軸承受的最大剪應(yīng)力， Pa；[τ]為許用應(yīng)力,Pa；Wp為扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)， mm3；T為軸傳遞的扭矩， N·m；P為電機(jī)功率， kW；n為攪拌軸轉(zhuǎn)速,r/min。

攪拌軸的截面系數(shù)：

(3)

求解式(3)得攪拌軸軸徑：

(4)

1.3　壓榨與烘干部件的設(shè)計(jì)

壓榨及烘干機(jī)構(gòu)包括廢渣桶、液體桶、壓榨部件(如圖3所示)、加熱器等。廢渣桶、液體桶是整個(gè)設(shè)備的重要部件，也是粉碎工序的盛污部件。其中廢渣桶壁以及底部均勻分布有小孔。壓榨機(jī)構(gòu)上同樣有4個(gè)螺紋孔，通過螺栓連接與升降機(jī)的法蘭盤固定連接。當(dāng)按下壓榨按鈕時(shí)，壓榨體隨著升降機(jī)構(gòu)做垂直運(yùn)動，進(jìn)而進(jìn)行食物垃圾的壓榨工作。在壓榨機(jī)構(gòu)的底部，有小格狀的分隔板(圖3)，用于將壓榨后的固體垃圾分割、切塊，防止其干燥后硬度過高，無法粉碎。

圖3　壓榨部件圖

絲杠無滑動推力F[8]計(jì)算公式為：

(5)

(6)

式中：T1為驅(qū)動扭矩， N·m；L為絲杠的導(dǎo)程 ， mm；A為減速比；η為滾珠絲杠的效率，這里取0.5。

廢渣桶內(nèi)側(cè)距底部1/3高度處貼有PTC(positive temperature coefficient)絕緣加熱片，本設(shè)備所用的PTC型陶瓷加熱片由PTC陶瓷發(fā)熱組件與波紋鋁條經(jīng)高溫膠粘組成，具有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，是一種自動恒溫、省電的電加熱器，不會出現(xiàn)燙傷、火災(zāi)等安全隱患，對固體廢渣具有很好的、可控的烘干效果。

此外，在廢渣桶內(nèi)膽和廢渣桶下部側(cè)面處相同位置均設(shè)有一個(gè)廢渣取渣口，經(jīng)過壓榨和烘干處理后的廢渣，由此處取出并收集起來，為下道工序做準(zhǔn)備。取渣門為導(dǎo)軌式，當(dāng)需要取渣時(shí)，沿著軌道提起閘門，取出渣體后再順軌道放下閘門，并卡緊在柵欄卡槽中。桶內(nèi)壁的液體會沿著傾斜卡槽流入桶底，不會出現(xiàn)液體四溢的現(xiàn)象。

1.4　攪拌扭矩計(jì)算與電機(jī)選型

在進(jìn)行食物垃圾處理器的電機(jī)選型時(shí)，主要考慮的是要使攪拌電機(jī)的攪拌扭矩得到充足的保證，因此需要確定攪拌扭矩。

食物垃圾屬于低黏度物料(U>5 000CP)，因此攪拌方式選擇槳式攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速n為1～100r/min。

根據(jù)攪拌部件攪拌時(shí)的接觸面積：

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

(7)

旋轉(zhuǎn)阻力的公式：

(8)

式中：C為阻力系數(shù),這里取為2；ρ為密度；S為物體接觸面積；V為混合物與攪拌器相對運(yùn)動速度。

經(jīng)計(jì)算食物垃圾的密度約為1.0×103～1.5×103kg/m3，取最大值1.5×103kg/m3。在電機(jī)啟動后，食物垃圾與攪碎刀的相對運(yùn)動速度最大時(shí)按100r/min計(jì)算，將攪碎刀所受的阻力簡化為攪碎刀的刀尖、刀體中心、刀體根部的集中力，計(jì)算得到它們的相對線速度分別為1.05m/s 、0.25m/s和0.31m/s，代入式(8)解得各自的旋轉(zhuǎn)阻力分別為1.654 0N、0.084 4N、0.242 2N，進(jìn)而求得總阻力約為1.980 0N。

依扭矩公式

Ti=Fiai

(9)

計(jì)算得到刀尖、刀體中心、刀體根部的扭矩分別為0.165 4N·m、0.002 1N·m、0.007 2N·m，相加后解得攪拌扭矩為：

TL=0.174 7(N·m)

根據(jù)攪拌器的最大轉(zhuǎn)速為100r/min，攪拌扭矩為1 782.65g·cm，選擇電機(jī)為OPG-60KTYZ交流永磁電機(jī)B型，其具體參數(shù)見表1。

表1　OPG-60KTYZ交流永磁電機(jī)B型電機(jī)參數(shù)

根據(jù)所選電機(jī)，由式(4)解得攪拌軸直徑應(yīng)不小于：

d=2.90(mm)

故設(shè)計(jì)時(shí)選用攪拌軸的直徑為10mm。

2　關(guān)鍵部件的靜力學(xué)分析

由食物垃圾處理器的工作特性可知，其攪拌部件的受力狀況最為復(fù)雜，也最為危險(xiǎn)，需要對其在攪拌工況下的受力狀況進(jìn)行分析。攪拌部件的對稱結(jié)構(gòu)決定了其受力也是對稱的，很少有彎曲應(yīng)力，據(jù)此對攪拌部件進(jìn)行靜力學(xué)分析[9]。

攪拌架材料的基本參數(shù)見表2。

表2　攪拌架材料參數(shù)表

由電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式(2)可知，攪拌部件的軸頸扭矩為T=0.174 7N·m。

由式(7)、(8)解得，攪拌部件2個(gè)軸向攪拌桿、3個(gè)攪碎刀、4個(gè)攪拌橫桿的受力分別為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軟件中的Workbench模塊進(jìn)行模塊劃分，施加載荷后進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

從圖中可以看出，攪拌軸的最大應(yīng)力為2.333 9×106Pa，最大應(yīng)變?yōu)?.111 4×10-5，最大變形量為1.558 2×10-5m。由其應(yīng)力、應(yīng)變云圖分析結(jié)果可知，在正常工作狀態(tài)即其轉(zhuǎn)速為100r/min時(shí)，攪拌架的應(yīng)力、應(yīng)變均在許用范圍內(nèi)。

圖4　攪拌軸的應(yīng)力、應(yīng)變云圖和總變形圖

3　處理器殼體的模態(tài)分析

利用模態(tài)分析把線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。在模態(tài)分析中，振動頻率ωi和模態(tài)φi的計(jì)算公式為：

(10)

這里假設(shè)剛度矩陣[K]、質(zhì)量矩陣[M]是定值。

3.1　參數(shù)設(shè)置

殼體材料基本參數(shù)見表3。

表3　殼體材料參數(shù)表

3.2　結(jié)果分析

對殼體進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，首先建立殼體的模型如圖5所示，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的模型如圖6所示。其第1階固有頻率為第1階模態(tài)，總共進(jìn)行了前10階的模態(tài)分析。選取最有代表性的前8階模態(tài)[9]進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。

圖5　殼體模型圖

圖6　網(wǎng)格劃分效果圖

由模態(tài)分析結(jié)果可知： 該殼體從第1階到第8階模態(tài)均為殼體中上部位置的變形較大，而底座部分較小。可見殼體的中上部位置為主要的共振區(qū)，需要優(yōu)化?？赏ㄟ^改變殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或在振幅最大部位粘貼阻尼材料的方法, 改變殼體的固有頻率,將噪聲峰值頻率與殼體固有頻率錯(cuò)開，達(dá)到減振降噪的目的[10-11]。

圖7　前8階的模態(tài)分析結(jié)果

改進(jìn)優(yōu)化方案為：將第6階變形最大處，即圖1中10的位置進(jìn)行加厚處理，提高其結(jié)構(gòu)剛性。對改進(jìn)后的模型再進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖8所示。

分析結(jié)果顯示，改進(jìn)后殼體中上部位置的變形明顯減小，滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖8　優(yōu)化模型模態(tài)分析結(jié)果

4　結(jié)束語

根據(jù)生活實(shí)際需要，為解決食物垃圾無法處理及綠色生活無浪費(fèi)等問題，本文設(shè)計(jì)了食物垃圾處理器，對其可實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行了闡述。基于ANSYS Workbench對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析和模態(tài)分析，并進(jìn)一步提出了簡單可行的優(yōu)化方案。但是該設(shè)備在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面仍有優(yōu)化的空間,因此下一步研究將進(jìn)一步優(yōu)化食物垃圾處理器的控制系統(tǒng)，尤其是對攪拌和壓榨的智能切換進(jìn)行優(yōu)化，使其操作更加方便簡單。

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