曹昌勇 徐禮飛

(皖西學(xué)院機械與電子工程學(xué)院 安徽六安 237012)

摘要：本文根據(jù)機械設(shè)計的一般規(guī)律及其“功能—結(jié)構(gòu)”關(guān)系，設(shè)計餐廚垃圾分揀系統(tǒng)各功能模塊，并進行協(xié)調(diào)組合成系統(tǒng)，來滿足餐廚垃圾自動分揀的功能要求。該分揀系統(tǒng)主要是以水作為清洗液，利用餐廚垃圾的自重和曲柄滑塊機構(gòu)等實現(xiàn)餐廚垃圾的分揀，并進行自動卸料。該設(shè)計能滿足餐廚垃圾的自動分揀要求，成本低，實用性強，具有推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾，分揀機構(gòu)，自動卸料

中圖分類號：TM 571.61文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-9545(2013)04-0034-(04)

*基金項目：安徽省六安市定向委托皖西學(xué)院研究項目(編號2012LWB004)成果之一。

餐廚垃圾的處理是目前世界各國都普遍關(guān)注和急需解決的問題。不同的國家和地區(qū)因當(dāng)?shù)夭煌纳罘绞綄Σ蛷N垃圾的處理也有所不同。近年來，國內(nèi)外一些大中型城市紛紛探索如何將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為可利用資源，并且初步形成了一些具有本地特色的處理模式?？傮w來說，目前餐廚垃圾處理方式主要有：直接排放處理、地下填埋處理、堆肥處理、飼料化處理以及能源化處理等[1～6]。雖然對餐廚垃圾采取了適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，但處理方式單一，沒有對餐廚垃圾進行正確的分揀處理，導(dǎo)致餐廚垃圾處理存在著很多問題，如滋生細(xì)菌多，污染嚴(yán)重，處理費用高等。

如何實現(xiàn)餐廚垃圾分揀就成了問題的關(guān)鍵所在。針對以上的問題本文提出了一種餐廚垃圾分揀系統(tǒng)設(shè)計方案，主要是將餐廚垃圾分成兩大部分，一種是可以懸浮于水面的上浮物，另一種是比重比較重的下沉物。上浮物主要為餐飲剩余食物、蔬菜的桿、莖、葉等，由上出料口分揀機構(gòu)送到上出料口輸出；下浮物為動物肉骨、牙簽、餐紙及少量廢餐具等，由下出料口輸出。

1 餐廚垃圾分揀機構(gòu)設(shè)計

餐廚垃圾分揀處理整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 餐廚垃圾分揀處理裝置

1液壓缸 2下出料口分揀機構(gòu) 3下出料口 4箱體 5上出料口 6曲柄滑塊機構(gòu) 7噴淋器 8進料口 9鏈條傳動 10 垃圾提升裝置 11垃圾桶

該分揀裝置主要由垃圾提升裝置、攪拌清冼、分離和分揀卸料4部分組成。其中，攪拌清洗由箱體內(nèi)的攪拌筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生水流運動以達到不斷清洗的作用；分離主要是利用水的浮力將餐廚垃圾自動分成上浮物和下沉物兩部分[2]，并通過曲柄滑塊機構(gòu)曲柄上的攪拌筒實現(xiàn)上出料口的垃圾分揀；分揀卸料主要是通過起料板和活門分揀。

進料時通過鏈傳動實現(xiàn)給定方向旋轉(zhuǎn)攪拌筒，攪拌筒的轉(zhuǎn)動方向和速度的確定必須保證正確的水流方向[2]。不同比重的餐廚垃圾倒入進料口8后，靠其自身重力落入水中，由攪拌筒逆時針旋轉(zhuǎn)使比重較輕的物料往上運動，而較重物料往下沿筒壁向下出料口運動；至此，物料已被充分清洗和分離，分成了完全分離的上浮物和下沉物[2]。

2機構(gòu)設(shè)計

2.1垃圾提升機構(gòu)設(shè)計

垃圾筒提升機構(gòu)如圖2所示。

圖2 垃圾提升機構(gòu)

1主動齒輪 2從動齒輪 3雙作用液壓缸 4連桿 5連桿 6從動桿 7連架桿

當(dāng)雙作用液壓缸3無桿腔進入壓力油，活塞桿伸出，推動四桿機構(gòu)(由4、5、6、7桿構(gòu)成)運動，直到垃圾筒抵到鎖筒機構(gòu)(鎖筒桿)，即完成了垃圾筒提升和鎖緊。垃圾筒的翻轉(zhuǎn)是靠齒輪機構(gòu)(由主動齒輪1和從動齒輪2組成，其中2和3是剛性連接)按圖示旋轉(zhuǎn)方向來實現(xiàn)的[3]。具體實現(xiàn)可采用PLC控制電機來實現(xiàn)齒輪機構(gòu)的正反轉(zhuǎn)及其旋轉(zhuǎn)的角度。

2.2上出料口垃圾分揀機構(gòu)

上出料口垃圾分揀機構(gòu)該機構(gòu)要采用曲柄滑塊機構(gòu)來進行分揀，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上出料口分揀機構(gòu)—曲柄滑塊

1曲柄 2連桿 3滑塊 4帶有特制毛刷的攪拌筒

當(dāng)電機啟動時，電機工作帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，使帶有特制毛刷的攪拌桶和機構(gòu)中的1桿一起轉(zhuǎn)動。攪拌筒的毛刷將上浮物揀起甩出落到箱體右側(cè)的鐵板上，在曲柄運動的過程中，通過連桿帶動滑塊左右移動?；瑝K向左運動可以把垃圾推向上出料口，隨著曲柄的旋轉(zhuǎn)運動可以實現(xiàn)滑塊的循環(huán)往復(fù)的推料過程，不停的將上浮物送往上出料口，這樣就可以實現(xiàn)不停的起料，然后將物料直接放到上出料口的輸送帶上，通過輸送帶將上浮物輸送出去，可以達到自動連續(xù)分揀的要求。

2.3下出料口的分揀機構(gòu)

下出料口的分揀機構(gòu)主要由一個液壓缸連接活塞控制下沉物的從下出料口排出箱體外。當(dāng)電機啟動，液壓缸也工作時活塞處于圖1中的位置保證箱體內(nèi)的水不能流出箱體外。當(dāng)上出料口出的分揀機構(gòu)分揀時間足夠后，電機停止轉(zhuǎn)動液壓缸停止進油，由于箱體內(nèi)水的重力作用使活塞移動到圖4所示的位置時，下出料口打開，箱體內(nèi)的下沉物和水一起排出箱體。落到濾網(wǎng)上，濾網(wǎng)自動將水和下沉物分離開，這樣便能將下沉物和水分離開。

圖4 下出料分揀機構(gòu)卸料圖

2.4清洗分揀裝置

清洗裝置中的噴淋裝置，選用的是旋轉(zhuǎn)清洗球，因為其使用壽命長、壓力低、流量大等特點。在固定清洗球上安裝了一個可以旋轉(zhuǎn)的連接桿，連接桿內(nèi)部裝有導(dǎo)流擋板，利用水流對導(dǎo)流擋板的沖擊力使清洗球快速旋轉(zhuǎn)。普通清洗球可能因為少數(shù)噴淋口堵塞而帶來的清洗死角，但是旋轉(zhuǎn)清洗球就可以有效地避免這個現(xiàn)象，而且即使旋轉(zhuǎn)清洗球停止轉(zhuǎn)動，它依然可以起到清洗功能。旋轉(zhuǎn)噴淋球的主要功能是保證罐體始終處于自清洗和全潤濕狀態(tài)，并可用于較易清洗的罐體。與普通清洗球相比，旋轉(zhuǎn)清洗球能有效的節(jié)省清洗時間，節(jié)省清洗劑和清洗用水，是一種比較節(jié)能的清洗裝置，因此本裝置中選擇清洗用清洗球作為清洗裝置[2]。

綜上所述，本機構(gòu)的特點是實現(xiàn)了三級清洗(倒入時的疏松清洗、攪拌清洗、噴淋清洗)使物料相對清潔；還實現(xiàn)了不同比重的食物垃圾的分離；同時實現(xiàn)了全自動卸料[2]。實施中的主要問題是：對收集來的物料有一定的要求，如物料中含有較長鐵絲時，會對起料板和鏈條造成纏繞，此時必須考慮安裝過載保護裝置[2]。

3電機的選擇及過載保護

3.1電機的選擇

此垃圾分揀裝置電機工作主要有三大部分，即：①實現(xiàn)垃圾筒提升和翻轉(zhuǎn)；②實現(xiàn)連續(xù)的鏈傳動；③實現(xiàn)下出料口的液壓缸的供油。綜合考慮垃圾分揀裝置的工作環(huán)境及受力情況，本次選用了三相步進電機。該電機具有以下優(yōu)點：①步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移(或線性位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動機。步進電動機由于精確性以及其良好的性能，其既簡單、廉價，又非常可行；②步距值不受各種干擾因素的影響。如電壓的大小，電流的數(shù)值、波形、溫度的變化等[7]；③誤差不長期積累。步進電機每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的累積誤差，但是，每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，所以步距的累積誤差不是長期的累積下去[7]；④控制性能好，啟動、停車、翻轉(zhuǎn)都是在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運行時，任何運動方式都不會丟失一步[7]。

3.2過載保護

在電機工作時，箱體內(nèi)的垃圾可能有鐵絲等纏繞在鏈條上，導(dǎo)致鏈條不能正常工作鏈條受力增加，同時使電機的負(fù)載變大，如果不加以控制解決，就可能將電機損壞。本設(shè)計中選用一個功率傳感器和電機串聯(lián)，當(dāng)電機的功率過載并且達到最大功率的1.2倍時，功率傳感器自動斷開主電路以達到保護電機的作用，使電機不至于功率過大而導(dǎo)致電機損壞。

4分揀系統(tǒng)控制電路

整機的控制系統(tǒng)電路如圖5所示[8]，主要實現(xiàn)的功能是不同比重的餐廚垃圾自動分揀及全自動卸料。按下按鈕SB1，接觸器KM1線圈得電，KM1主觸點閉合，燈LW1點亮，整個系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，垃圾清洗、上出料口垃圾分揀、卸料階段。待電動機轉(zhuǎn)動規(guī)定時間時，延時線圈KT得電，其延時觸點(常開)閉合，接觸器KM2線圈得電，主觸點斷開，電動機停止轉(zhuǎn)動，控制下出料口液壓缸開關(guān)的電磁繼電器失電，液壓缸電路斷開，液壓缸停止工作，燈LW2點亮，整個系統(tǒng)進入下出料口卸料狀態(tài)。

圖5 控制電路圖

為了防止電機過載，給電機串聯(lián)了一個功率傳感器。當(dāng)電機過載時(如電機出現(xiàn)異常、分揀機構(gòu)或傳動鏈條被物料纏繞時)將會造成電機功率過大，此時產(chǎn)生的過電流使熱繼電器FR動作，電動機將會停止運行。功率傳感器自動斷開主電路，電機停止工作，LW3燈點亮，以達到保護電機的作用。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的餐廚垃圾分揀機構(gòu)滿足餐廚垃圾分揀要求，是餐廚垃圾飼料化處理關(guān)鍵設(shè)備之一，文中首先闡述了該設(shè)備的主要組成部分，描述其主要的工作過程。接著分模塊分別設(shè)計了垃圾筒的提升，翻轉(zhuǎn)進料；上出料口垃圾分揀；下出料口垃圾分揀以及電機的過載保護等工作。最后通過PLC進行電機控制，實現(xiàn)了餐廚垃圾進料、清洗、分揀和卸料的一體化，具有實用推廣價值。

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