胡宇博，王少峰，校文超

（中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

2017年，國家發(fā)展和改革委員會、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《生活垃圾分類制度實施方案》提出［1］：“要加快建立分類投放、分類收集、分類運輸和分類處理的垃圾處理系統(tǒng)?！彪S后，北京、上海以及杭州等地也相繼出臺了地方條例和法規(guī)，對生活垃圾進行強制分類。

濕垃圾處理裝置是一款基于生活垃圾分類投放、分類收集政策，對已分類的濕垃圾進行加工的前端處理裝置。未處理的濕垃圾成分復(fù)雜，在運輸過程中不僅占用大量的運輸空間，還易造成二次污染［2-4］。對于達到一定規(guī)模的濕垃圾，國內(nèi)多個城市提出了就地處理的要求［5-7］。但是，調(diào)研資料表明，國內(nèi)現(xiàn)有的濕垃圾就地處理裝置普遍存在以下問題：1）制造、運行及維護成本高；2）占地面積大［8］；3）集成化程度低［9］；4）處理過程耗費的人力資源較多，勞動強度大。針對上述問題，以垃圾智能化處理為出發(fā)點，研制了一款機械壓縮式濕垃圾處理裝置，旨在實現(xiàn)濕垃圾的就地高效處理，在節(jié)省運輸空間的同時簡化后續(xù)資源化處理流程。

1 機械壓縮式濕垃圾處理裝置的主要功能及技術(shù)特點

基于就近處理的設(shè)計理念，機械壓縮式濕垃圾處理裝置適用于已實施垃圾分類收集的中小型垃圾站，例如農(nóng)貿(mào)市場垃圾收集站、社區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站和大學(xué)垃圾收集站等。垃圾站二次收集區(qū)域內(nèi)的零散垃圾在分類投放完成后，被逐批投放至機械壓縮式濕垃圾處理裝置內(nèi)進行壓縮處理。

機械壓縮式濕垃圾處理裝置的主要功能如下：1）金屬分揀功能；2）垃圾破碎功能；3）固液分離功能；4）污水處理功能；5）碎渣壓縮功能。根據(jù)機械壓縮式濕垃圾處理裝置的功能，對其進行模塊化設(shè)計，具體方案如圖1所示。

圖1 機械壓縮式濕垃圾處理裝置模塊化設(shè)計方案Fig.1 Module design scheme of mechanical compressive wet waste treatment device

與現(xiàn)有濕垃圾就近處理裝置相比，機械壓縮式濕垃圾處理裝置的突出優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個方面。1）在結(jié)構(gòu)方面，對機械結(jié)構(gòu)進行了模塊化設(shè)計，各模塊在控制單元作用下協(xié)同運行，智能化程度較高且功能全面；另外，縮短（或去除）過渡用輸送履帶，并將垃圾破碎機與壓榨脫水機進行一體化設(shè)計，使得裝置的集成化程度較高，整體體積減??；各模塊組件靈活多樣，可根據(jù)實際需要作合理的規(guī)劃和調(diào)整。2）在技術(shù)方面，采用創(chuàng)新的處理方案，將濕垃圾壓縮為高密度餅塊后再進行運輸和后處理，在不超出最大承載量的前提下，使得垃圾車運輸?shù)睦刻岣?～3倍；處理后的餅塊狀垃圾在大型垃圾處理站經(jīng)簡單再加工后即可成為燃料、有機肥料等再生資源。3）在應(yīng)用方面，適用于大量產(chǎn)出濕垃圾的農(nóng)貿(mào)市場、餐飲街及學(xué)校/企業(yè)食堂等場所。綜上，與傳統(tǒng)的濕垃圾處理裝置相比，所設(shè)計的處理裝置操作簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，處理效率高，應(yīng)用場所廣泛且適應(yīng)性強。

機械壓縮式濕垃圾處理裝置中各個模塊可依據(jù)應(yīng)用場合和投入成本等基礎(chǔ)條件進行組裝，具體方案如圖2所示。

2 機械壓縮式濕垃圾處理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述模塊化設(shè)計方案，對機械壓縮式濕垃圾處理裝置的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。該裝置的主體結(jié)構(gòu)包括：1）傳送帶分揀裝置；2）破碎脫水裝置；3）壓塊裝置；4）污水處理裝置。需要指出的是，污水處理裝置直接采用現(xiàn)有污水處理設(shè)備，不對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)作任何設(shè)計改造。在完成主要結(jié)構(gòu)零部件的圖紙設(shè)計后，利用Solidworks三維軟件對機械壓縮式濕垃圾處理裝置進行建模、仿真及優(yōu)化。圖2（b）所示裝置的三維實體模型如圖3所示。

2.1 傳送帶分揀裝置

傳送帶分揀裝置主要用于濕垃圾的初步處理。濕垃圾先通過提升裝置到達入料口處，然后進入傳送帶分揀裝置，經(jīng)履帶式傳送帶輸送后，濕垃圾進入左側(cè)的轉(zhuǎn)接料斗。傳送帶后側(cè)連接傳送電機，在傳送電機的驅(qū)動下傳送帶進行輸送運動；傳送帶內(nèi)部設(shè)有磁鐵夾層，能夠靠磁力將廢舊金屬吸附到傳送帶表面上，從而將廢舊金屬從濕垃圾中分離出來；傳送帶下方連接收集裝置，兩者之間設(shè)有擋板，擋板沿傳送帶前后方向作往復(fù)運動，以刮落傳送帶表面的廢舊金屬，使其掉入收集裝置。收集裝置可伸出機架之外，將廢舊金屬送出。傳送帶外層材料為PU（polyurethane，聚氨酯），其硬度高，耐磨且耐油性好，可避免濕垃圾輸送時對傳送帶造成磨損和沖擊損耗，保證傳送帶的使用壽命。

圖2 機械壓縮式濕垃圾處理裝置組裝方案Fig.2 Assembly schemes of mechanical compressive wet waste treatment device

圖3 機械壓縮式濕垃圾處理裝置三維實體模型Fig.3 Three-dimensional solid model of mechanical compressive wet waste treatment device

2.2 破碎脫水裝置

破碎和脫水是傳統(tǒng)濕垃圾處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文采用一體化設(shè)計方式，設(shè)計了破碎脫水裝置。該裝置由2個電機分別帶動2根主軸轉(zhuǎn)動，同步實現(xiàn)濕垃圾的破碎和壓榨脫水，其結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。破碎脫水裝置中的第一主軸與第二主軸均為階梯軸，2根主軸的結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)如圖4（b）所示。2根主軸安裝在機械壓縮式濕垃圾處理裝置的第一、第二殼體內(nèi)，并與主機箱相連，以實現(xiàn)動力傳遞。位于第二殼體內(nèi)的主軸段處裝有第一刀片和第二刀片。兩刀片為等螺距、旋向相反的螺旋狀刀片，其工作時沿相反方向轉(zhuǎn)動，能夠快速、高效地破碎濕垃圾，同時將垃圾碎渣輸送至第一殼體內(nèi)，以進行壓榨脫水。刀刃材料為硬質(zhì)合金，其具有硬度高、不易損壞和使用壽命長等優(yōu)點。濕垃圾破碎后變成粒徑為10 mm左右的碎渣。主軸螺旋葉片的螺距從靠近刀片的方向到遠離刀片的方向逐漸變小，以實現(xiàn)壓榨脫水功能［10］。葉片外部套設(shè)有濾水網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，濾水網(wǎng)為筒狀，表面設(shè)有多個平行的環(huán)狀槽孔，其能夠分離濕垃圾破碎脫水后的碎渣和污水。第一殼體下部左側(cè)設(shè)有多個方形瀝水孔，瀝水孔分成2 排，均布設(shè)置。另外，第一殼體下部固定連接蓄水箱，蓄水箱覆蓋于設(shè)有瀝水孔的部位處，用于收集分離的污水。蓄水箱左端通過管道與污水預(yù)處理裝置固定連接。

圖4 破碎脫水裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of crushing and dewatering device

2.3 壓塊裝置

機械壓縮式濕垃圾處理裝置中的壓塊裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其安裝在主機架（方案1）右側(cè)外部，主要由壓塊殼、頂蓋、壓錘和推桿箱組成。壓塊裝置中的2個關(guān)鍵組件——壓錘和推桿箱，可分別實現(xiàn)垃圾碎渣的壓縮以及垃圾碎渣餅塊的運送。

圖5 壓塊裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of briquetting device

2.3.1 壓錘

壓塊裝置中的壓錘組件由液壓系統(tǒng)、液壓板、伸出桿和施壓板四個部分組成。其中：液壓板用于固定液壓系統(tǒng)［11］伸出桿一端連接液壓板，能夠沿垂直方向作伸縮運動，另一端固定連接施壓板；施壓板用于將脫水后的垃圾碎渣擠壓成塊。壓錘組件的液壓回路如圖6所示，其主回路為同步回路，采用雙缸、雙桿驅(qū)動，使得施壓過程更加平穩(wěn)［12-13］。整個液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)過程分為快速下降、慢速加壓和快速回程三個階段，各階段的轉(zhuǎn)換由1個電液比例閥控制。電液比例閥閥芯左位工作時可實現(xiàn)施壓板的快速回程；閥芯中位工作時可實現(xiàn)液壓泵的卸荷；閥芯右位工作時可實現(xiàn)施壓板的快速下降和工進。當(dāng)濕垃圾進入入料口時，控制單元啟動驅(qū)動電機，電液比例閥閥芯處于中位卸荷狀態(tài)；在執(zhí)行壓塊過程時，電液比例閥閥芯換向至右位，施壓板向下快速移動，在接觸到濕垃圾后進入慢速加壓過程。為了盡量保證不同垃圾餅塊的質(zhì)量和體積一致，在推桿箱和施壓板上安裝了壓力傳感器和稱重傳感器。當(dāng)壓塊裝置內(nèi)不斷堆積的垃圾碎渣質(zhì)量達到稱重傳感器的設(shè)定值時，螺旋輸送機停止輸送。當(dāng)垃圾碎渣被壓縮時，通過控制施壓板的壓緊力來控制壓塊的松弛度。壓力傳感器達到設(shè)定值后輸出電信號，此時電液比例閥換向，施壓板快速收回。壓力傳感器的設(shè)定值須按實際工程中壓塊成型所需的松弛度以及液壓系統(tǒng)所能達到的壓縮比等參數(shù)進行測定。

圖6 壓錘組件液壓回路Fig.6 Hydraulic circuit of hammer assembly

2.3.2 推桿箱

壓塊裝置中的推桿箱組件由滑臺、螺桿和螺桿電機組成，其工作原理為螺旋傳動，與機械加工機床常用的滾珠絲杠原理相似。當(dāng)壓塊裝置開始壓塊時，滑臺全部位于推桿箱內(nèi)；當(dāng)壓塊結(jié)束后，螺桿一端連接的螺桿電機開始工作，以驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)。滑臺通過底部的螺紋副結(jié)構(gòu)與螺桿相連，可將螺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑臺的直線運動，實現(xiàn)將垃圾碎渣餅塊輸送至整個處理裝置外部?；_底部兩端均與螺桿相連，可使滑臺的移動過程更加平穩(wěn)、流暢。

3 機械壓縮式濕垃圾處理裝置參數(shù)設(shè)計

機械壓縮式濕垃圾處理裝置主要針對分類收集后的濕垃圾進行處理和加工。在明確了垃圾箱容積以及單位時間內(nèi)處理的濕垃圾量等設(shè)計要求后，對裝置主體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算，并依據(jù)計算值確定裝置的整體尺寸以及電機、液壓缸等設(shè)備的型號。

3.1 破碎脫水裝置參數(shù)設(shè)計

以常規(guī)社區(qū)垃圾箱的容積（240 L，即2.40×108mm3）為設(shè)計要求，所設(shè)計的機械壓縮式濕垃圾處理裝置中的破碎脫水裝置前端的第二殼體在去除主軸及刀具體積后的容積約為250 L（2.50×108mm3），則對于破碎脫水裝置的第一殼體而言，其容積V為：

式中：R為第一殼體截面的半徑，mm；K為實際截面積計算系數(shù)；L為第一殼體的長度，mm。

經(jīng)計算可得，破碎脫水裝置第一殼體的容積V≈2 050 L（2.05×109mm3），去除主軸及螺旋葉片的體積（350 L，即3.50×108mm3），第一殼體實際可容納的濕垃圾碎渣量約為1 700 L（1.70×109mm3）。相關(guān)資料顯示，濕垃圾的密度約為488.85 kg/m3，則第一殼體可承受的濕垃圾的最大重力約為8.3 kN?；谏鲜鰯?shù)據(jù)及所選主軸電機的功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可得破碎脫水裝置中主軸所受的最大彎矩M及其最大理論轉(zhuǎn)矩T分別為：

式中：F為主軸所受的均布載荷，N；l1為第一殼體內(nèi)主軸的長度，mm；P為主軸電機的功率，kW；n為主軸電機的轉(zhuǎn)速，r/min。

對破碎脫水裝置中主軸的強度進行校核時，通常只校核主軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面（即危險截面）的強度。查閱機械相關(guān)手冊［14］可知，當(dāng)主軸單向旋轉(zhuǎn)時，其扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，即折合系數(shù)α=0.6，則主軸的應(yīng)力σca為：

式中：W為抗彎截面系數(shù)。

主軸的材料為3Cr13 不銹鋼，其許用彎曲應(yīng)力σ-1=75 MPa。根據(jù)式（4），代入相關(guān)參數(shù)后計算得到σca=12.4 MPa，則σca＜σ-1，說明主軸的強度符合要求，可安全使用（上述計算忽略了垃圾碎渣餅塊對主軸的徑向應(yīng)力）。

3.2 壓塊裝置參數(shù)設(shè)計

壓塊裝置通過螺旋輸送機與破碎脫水裝置相連。根據(jù)所選用螺旋輸送機的型號［15］以及破碎脫水裝置的產(chǎn)出效率，可得壓塊裝置的尺寸為1 000 mm×840 mm×1 800 mm。鑒于進入壓塊裝置的垃圾碎渣高度直接決定了進料容積的大小，要求壓塊裝置內(nèi)垃圾碎渣的初始高度H的最大值不應(yīng)超過其輸入口的高度（以推桿箱的滑臺平面作為參考平面）。設(shè)垃圾碎渣的初始高度H=400 mm，位于推桿箱內(nèi)部的滑臺的尺寸為800 mm×800 mm，則壓塊裝置內(nèi)部進料容積為256 L（2.56×108mm3）。一般液壓式垃圾壓縮裝置的壓縮比可達到4～5，通過估算可得垃圾碎渣餅塊的尺寸約為800 mm×800 mm×90 mm。

在實際工程應(yīng)用中，垃圾碎渣餅塊的松弛度由施壓板上的壓力傳感器控制。但上文所得垃圾碎渣餅塊的高度為估算值，其實際高度應(yīng)按壓塊裝置的實際應(yīng)用情況進行測定。

3.3 裝置處理能力設(shè)計

壓塊裝置進料容積的設(shè)定值與單個垃圾箱的容積相近，因此在設(shè)定機械壓縮式濕垃圾處理裝置的處理能力時，選擇240 L作為一定時間內(nèi)的濕垃圾處理量。按照濕垃圾的處理過程，將處理時間分為4個部分：傳送分揀時間、破碎脫水時間、螺旋輸送時間和壓塊輸送時間。

為保證廢舊金屬分揀效果，傳送帶上的濕垃圾不能過高，即濕垃圾須緩慢、均勻地投入，因此設(shè)定傳送分揀時間約為25 s。在這段時間內(nèi)，濕垃圾連續(xù)進入破碎脫水裝置，但破碎后的濕垃圾先在破碎結(jié)構(gòu)出口處堆積，并未立即進入脫水結(jié)構(gòu)，因此破碎脫水時間與傳送分揀時間部分重合，非重合用時約為15 s。根據(jù)壓塊裝置進料容積，設(shè)計螺旋輸送機的相關(guān)參數(shù)，其單次循環(huán)輸送時間為3 s。設(shè)定壓塊裝置的單次循環(huán)壓縮時間為13 s，在壓錘快速回程的同時，推桿箱滑臺進行垃圾碎渣餅塊輸送工作。綜合考量機械壓縮式濕垃圾處理裝置的運轉(zhuǎn)效果及其子裝置的動力參數(shù)，預(yù)計該裝置處理240 L濕垃圾所用的時間約為60 s，即其垃圾處理能力為7.0 t/h（約為1.94 kg/s）。

3.4 裝置技術(shù)參數(shù)確定

基于已投入使用的傳統(tǒng)垃圾處理設(shè)備及上文設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動力參數(shù)，得到機械壓縮式濕垃圾處理裝置的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

4 機械壓縮式濕垃圾處理裝置控制方案設(shè)計

機械壓縮式濕垃圾處理裝置采用PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）作為控制單元［16-17］。鑒于在實際應(yīng)用中濕垃圾的數(shù)量、成分等存在差異，須根據(jù)實際情況對機械壓縮式濕垃圾處理裝置的技術(shù)參數(shù)進行調(diào)整，以實現(xiàn)其最佳性能。另外，該處理裝置各子裝置內(nèi)部的傳感器可實時反饋各子裝置的工作狀態(tài)。

機械壓縮式濕垃圾處理裝置的控制流程如圖7所示，具體流程如下：在控制單元控制下，提升裝置開啟，在將待處理濕垃圾提升至入料口的同時開啟傳送帶電機和破碎脫水裝置主軸的電機；經(jīng)脫水處理后的垃圾碎渣通過螺旋輸送機進入壓塊裝置，位于推桿箱表面的稱重傳感器檢測進入壓塊裝置的垃圾碎渣重力，當(dāng)垃圾碎渣的重力達到稱重傳感器的設(shè)定值后，傳感器將電信號傳遞至控制單元，此時螺旋輸送機的電機關(guān)閉及電液比例閥換向，以執(zhí)行壓塊步驟。施壓板底部的壓力傳感器在檢測到壓緊力達到設(shè)定值時將電信號傳遞至控制單元，此時電液比例閥再次換向，施壓板快速收回，同時底部螺桿電機驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)，將垃圾碎渣餅塊輸送至裝置外部。

表1 機械壓縮式濕垃圾處理裝置的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of mechanical compressive wet waste treatment device

圖7 機械壓縮式濕垃圾處理裝置的控制流程Fig.7 Control process of mechanical compressive wet waste treatment device

5 結(jié) 語

濕垃圾機械壓縮式處理裝置由提升裝置、傳送帶分揀裝置、破碎脫水裝置、壓塊裝置以及污水處理裝置等組成，各子裝置可按實際需求進行組裝。所設(shè)計的濕垃圾處理裝置具有成本低、占地面積小、處理流程簡潔、耗費人力資源少以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。目前，我國正大力推行垃圾分類，且成分復(fù)雜的濕垃圾處理一直是垃圾處理的重難點。在此背景下，所設(shè)計的濕垃圾處理裝置具有廣闊的市場前景。