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机械压缩式湿垃圾处理装置设计

  • 胡宇博
  • 王少峰
  • 校文超
中国地质大学 工程技术学院， 北京 100083

中图分类号： TH 12

最近更新：2021-07-08

DOI：10.3785/j.issn.1006-754X.2021.00.039

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摘要

针对现有湿垃圾就近处理装置存在成本高、占地面积大以及垃圾处理后仍达不到排放标准等问题，研制了一款新型机械压缩式湿垃圾处理装置。首先，介绍了机械压缩式湿垃圾处理装置的功能和技术特点。然后，对机械压缩式湿垃圾处理装置进行模块化设计，主要包括提升装置、传送带分拣装置、破碎脱水装置、污水处理装置以及压块装置等。最后，对机械压缩式湿垃圾处理装置的技术参数进行设计计算，并对其自动控制方案进行设计。所设计的机械压缩式湿垃圾处理装置将传统的垃圾破碎机与压榨脱水机进行一体化设计，实现了湿垃圾的高效脱水；通过压块装置的处理，实现了垃圾碎渣的压缩，可有效缓解垃圾运输中的运力紧张、二次污染等问题；经污水处理装置的处理，实现了污水的循环再利用。机械压缩式湿垃圾处理装置具有成本低、体积小、处理流程简洁和耗费人力资源少等优势，适用于已实施垃圾分类收集的中小型垃圾收集站，在湿垃圾处理行业中具备广阔的市场前景。

2017年，国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部发布的《生活垃圾分类制度实施方案》提出［

1］：“要加快建立分类投放、分类收集、分类运输和分类处理的垃圾处理系统。”随后，北京、上海以及杭州等地也相继出台了地方条例和法规，对生活垃圾进行强制分类。

湿垃圾处理装置是一款基于生活垃圾分类投放、分类收集政策，对已分类的湿垃圾进行加工的前端处理装置。未处理的湿垃圾成分复杂，在运输过程中不仅占用大量的运输空间，还易造成二次污染［

2-4］。对于达到一定规模的湿垃圾，国内多个城市提出了就地处理的要求［5-7］。但是，调研资料表明，国内现有的湿垃圾就地处理装置普遍存在以下问题：1）制造、运行及维护成本高；2）占地面积大［8］；3）集成化程度低［9］；4）处理过程耗费的人力资源较多，劳动强度大。针对上述问题，以垃圾智能化处理为出发点，研制了一款机械压缩式湿垃圾处理装置，旨在实现湿垃圾的就地高效处理，在节省运输空间的同时简化后续资源化处理流程。

1 机械压缩式湿垃圾处理装置的主要功能及技术特点

基于就近处理的设计理念，机械压缩式湿垃圾处理装置适用于已实施垃圾分类收集的中小型垃圾站，例如农贸市场垃圾收集站、社区垃圾中转站和大学垃圾收集站等。垃圾站二次收集区域内的零散垃圾在分类投放完成后，被逐批投放至机械压缩式湿垃圾处理装置内进行压缩处理。

机械压缩式湿垃圾处理装置的主要功能如下：1）金属分拣功能；2）垃圾破碎功能；3）固液分离功能；4）污水处理功能；5）碎渣压缩功能。根据机械压缩式湿垃圾处理装置的功能，对其进行模块化设计，具体方案如图1所示。

图1 机械压缩式湿垃圾处理装置模块化设计方案

Fig. 1 Module design scheme of mechanical compressive wet waste treatment device

与现有湿垃圾就近处理装置相比，机械压缩式湿垃圾处理装置的突出优势主要体现在以下3个方面。1）在结构方面，对机械结构进行了模块化设计，各模块在控制单元作用下协同运行，智能化程度较高且功能全面；另外，缩短（或去除）过渡用输送履带，并将垃圾破碎机与压榨脱水机进行一体化设计，使得装置的集成化程度较高，整体体积减小；各模块组件灵活多样，可根据实际需要作合理的规划和调整。2）在技术方面，采用创新的处理方案，将湿垃圾压缩为高密度饼块后再进行运输和后处理，在不超出最大承载量的前提下，使得垃圾车运输的垃圾量提高2~3倍；处理后的饼块状垃圾在大型垃圾处理站经简单再加工后即可成为燃料、有机肥料等再生资源。3）在应用方面，适用于大量产出湿垃圾的农贸市场、餐饮街及学校/企业食堂等场所。综上，与传统的湿垃圾处理装置相比，所设计的处理装置操作简单，结构紧凑，占地面积小，处理效率高，应用场所广泛且适应性强。

机械压缩式湿垃圾处理装置中各个模块可依据应用场合和投入成本等基础条件进行组装，具体方案如图2所示。

图2 机械压缩式湿垃圾处理装置组装方案

Fig. 2 Assembly schemes of mechanical compressive wet waste treatment device

2 机械压缩式湿垃圾处理装置结构设计

根据上述模块化设计方案，对机械压缩式湿垃圾处理装置的结构进行设计。该装置的主体结构包括：1）传送带分拣装置；2）破碎脱水装置；3）压块装置；4）污水处理装置。需要指出的是，污水处理装置直接采用现有污水处理设备，不对其内部结构作任何设计改造。在完成主要结构零部件的图纸设计后，利用Solidworks三维软件对机械压缩式湿垃圾处理装置进行建模、仿真及优化。图2（b）所示装置的三维实体模型如图3所示。

图3 机械压缩式湿垃圾处理装置三维实体模型

Fig. 3 Three-dimensional solid model of mechanical compressive wet waste treatment device

2.1　传送带分拣装置

传送带分拣装置主要用于湿垃圾的初步处理。湿垃圾先通过提升装置到达入料口处，然后进入传送带分拣装置，经履带式传送带输送后，湿垃圾进入左侧的转接料斗。传送带后侧连接传送电机，在传送电机的驱动下传送带进行输送运动；传送带内部设有磁铁夹层，能够靠磁力将废旧金属吸附到传送带表面上，从而将废旧金属从湿垃圾中分离出来；传送带下方连接收集装置，两者之间设有挡板，挡板沿传送带前后方向作往复运动，以刮落传送带表面的废旧金属，使其掉入收集装置。收集装置可伸出机架之外，将废旧金属送出。传送带外层材料为PU（polyurethane，聚氨酯），其硬度高，耐磨且耐油性好，可避免湿垃圾输送时对传送带造成磨损和冲击损耗，保证传送带的使用寿命。

2.2　破碎脱水装置

破碎和脱水是传统湿垃圾处理中的关键环节。本文采用一体化设计方式，设计了破碎脱水装置。该装置由2个电机分别带动2根主轴转动，同步实现湿垃圾的破碎和压榨脱水，其结构如图4（a）所示。破碎脱水装置中的第一主轴与第二主轴均为阶梯轴，2根主轴的结构及基本参数如图4（b）所示。2根主轴安装在机械压缩式湿垃圾处理装置的第一、第二壳体内，并与主机箱相连，以实现动力传递。位于第二壳体内的主轴段处装有第一刀片和第二刀片。两刀片为等螺距、旋向相反的螺旋状刀片，其工作时沿相反方向转动，能够快速、高效地破碎湿垃圾，同时将垃圾碎渣输送至第一壳体内，以进行压榨脱水。刀刃材料为硬质合金，其具有硬度高、不易损坏和使用寿命长等优点。湿垃圾破碎后变成粒径为10 mm左右的碎渣。主轴螺旋叶片的螺距从靠近刀片的方向到远离刀片的方向逐渐变小，以实现压榨脱水功能［

10］。叶片外部套设有滤水网，其结构如图4（c）所示，滤水网为筒状，表面设有多个平行的环状槽孔，其能够分离湿垃圾破碎脱水后的碎渣和污水。第一壳体下部左侧设有多个方形沥水孔，沥水孔分成2排，均布设置。另外，第一壳体下部固定连接蓄水箱，蓄水箱覆盖于设有沥水孔的部位处，用于收集分离的污水。蓄水箱左端通过管道与污水预处理装置固定连接。

图4 破碎脱水装置结构

Fig. 4 Structure of crushing and dewatering device

2.3　压块装置

机械压缩式湿垃圾处理装置中的压块装置的结构如图5所示，其安装在主机架（方案1）右侧外部，主要由压块壳、顶盖、压锤和推杆箱组成。压块装置中的2个关键组件——压锤和推杆箱，可分别实现垃圾碎渣的压缩以及垃圾碎渣饼块的运送。

图5 压块装置结构

Fig. 5 Structure of briquetting device

1—压锤；11—液压板；12—伸出杆；13—施压板；2—压块壳；3—顶盖；31—输入口；32—输出口；4—称重传感器；5—推杆箱；51—滑台；52—螺杆；53—螺杆电机；6—压力传感器。

2.3.1　压锤

压块装置中的压锤组件由液压系统、液压板、伸出杆和施压板四个部分组成。其中：液压板用于固定液压系统［

11］伸出杆一端连接液压板，能够沿垂直方向作伸缩运动，另一端固定连接施压板；施压板用于将脱水后的垃圾碎渣挤压成块。压锤组件的液压回路如图6所示，其主回路为同步回路，采用双缸、双杆驱动，使得施压过程更加平稳［12-13］。整个液压系统的工作循环过程分为快速下降、慢速加压和快速回程三个阶段，各阶段的转换由1个电液比例阀控制。电液比例阀阀芯左位工作时可实现施压板的快速回程；阀芯中位工作时可实现液压泵的卸荷；阀芯右位工作时可实现施压板的快速下降和工进。当湿垃圾进入入料口时，控制单元启动驱动电机，电液比例阀阀芯处于中位卸荷状态；在执行压块过程时，电液比例阀阀芯换向至右位，施压板向下快速移动，在接触到湿垃圾后进入慢速加压过程。为了尽量保证不同垃圾饼块的质量和体积一致，在推杆箱和施压板上安装了压力传感器和称重传感器。当压块装置内不断堆积的垃圾碎渣质量达到称重传感器的设定值时，螺旋输送机停止输送。当垃圾碎渣被压缩时，通过控制施压板的压紧力来控制压块的松弛度。压力传感器达到设定值后输出电信号，此时电液比例阀换向，施压板快速收回。压力传感器的设定值须按实际工程中压块成型所需的松弛度以及液压系统所能达到的压缩比等参数进行测定。

图6 压锤组件液压回路

Fig. 6 Hydraulic circuit of hammer assembly

1—过滤器；2—液压泵；3—单向阀；4—电液比例阀；5—顺序阀；6—压力继电器；7—蓄能器；8—液压缸；9—溢流阀；10—驱动电机；11—控制单元；12—光栅尺。

2.3.2　推杆箱

压块装置中的推杆箱组件由滑台、螺杆和螺杆电机组成，其工作原理为螺旋传动，与机械加工机床常用的滚珠丝杠原理相似。当压块装置开始压块时，滑台全部位于推杆箱内；当压块结束后，螺杆一端连接的螺杆电机开始工作，以驱动螺杆旋转。滑台通过底部的螺纹副结构与螺杆相连，可将螺杆的旋转运动转换为滑台的直线运动，实现将垃圾碎渣饼块输送至整个处理装置外部。滑台底部两端均与螺杆相连，可使滑台的移动过程更加平稳、流畅。

3 机械压缩式湿垃圾处理装置参数设计

机械压缩式湿垃圾处理装置主要针对分类收集后的湿垃圾进行处理和加工。在明确了垃圾箱容积以及单位时间内处理的湿垃圾量等设计要求后，对装置主体结构进行设计计算，并依据计算值确定装置的整体尺寸以及电机、液压缸等设备的型号。

3.1　破碎脱水装置参数设计

以常规社区垃圾箱的容积（240 L，即2.40×108 mm3）为设计要求，所设计的机械压缩式湿垃圾处理装置中的破碎脱水装置前端的第二壳体在去除主轴及刀具体积后的容积约为250 L（2.50×108 mm3），则对于破碎脱水装置的第一壳体而言，其容积V为：

V=πR2×K×L （1）

式中：R为第一壳体截面的半径，mm；K为实际截面积计算系数；L为第一壳体的长度，mm。

经计算可得，破碎脱水装置第一壳体的容积V≈2 050 L（2.05×109 mm3），去除主轴及螺旋叶片的体积（350 L，即3.50×108 mm3），第一壳体实际可容纳的湿垃圾碎渣量约为1 700 L（1.70×109 mm3）。相关资料显示，湿垃圾的密度约为488.85 kg/m3，则第一壳体可承受的湿垃圾的最大重力约为8.3 kN。基于上述数据及所选主轴电机的功率、转速等参数，可得破碎脱水装置中主轴所受的最大弯矩M及其最大理论转矩T分别为：

M=F×l12 （2）
T=9.55×106Pn （3）

式中：F为主轴所受的均布载荷，N；l1为第一壳体内主轴的长度，mm；P为主轴电机的功率，kW；n为主轴电机的转速，r/min。

对破碎脱水装置中主轴的强度进行校核时，通常只校核主轴上承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面）的强度。查阅机械相关手册［

14］可知，当主轴单向旋转时，其扭转切应力为脉动循环变应力，即折合系数α=0.6，则主轴的应力σca为：

σca=M2+(αT)2W （4）

式中：W为抗弯截面系数。

主轴的材料为3Cr13不锈钢，其许用弯曲应力σ- 1=75 MPa。根据式（4），代入相关参数后计算得到σca=12.4 MPa，则σca<σ- 1，说明主轴的强度符合要求，可安全使用（上述计算忽略了垃圾碎渣饼块对主轴的径向应力）。

3.2　压块装置参数设计

压块装置通过螺旋输送机与破碎脱水装置相连。根据所选用螺旋输送机的型号［

15］以及破碎脱水装置的产出效率，可得压块装置的尺寸为1 000 mm×840 mm×1 800 mm。鉴于进入压块装置的垃圾碎渣高度直接决定了进料容积的大小，要求压块装置内垃圾碎渣的初始高度H的最大值不应超过其输入口的高度（以推杆箱的滑台平面作为参考平面）。设垃圾碎渣的初始高度H=400 mm，位于推杆箱内部的滑台的尺寸为800 mm×800 mm，则压块装置内部进料容积为256 L（2.56×108 mm3）。一般液压式垃圾压缩装置的压缩比可达到4~5，通过估算可得垃圾碎渣饼块的尺寸约为800 mm×800 mm×90 mm。

在实际工程应用中，垃圾碎渣饼块的松弛度由施压板上的压力传感器控制。但上文所得垃圾碎渣饼块的高度为估算值，其实际高度应按压块装置的实际应用情况进行测定。

3.3　装置处理能力设计

压块装置进料容积的设定值与单个垃圾箱的容积相近，因此在设定机械压缩式湿垃圾处理装置的处理能力时，选择240 L作为一定时间内的湿垃圾处理量。按照湿垃圾的处理过程，将处理时间分为4个部分：传送分拣时间、破碎脱水时间、螺旋输送时间和压块输送时间。

为保证废旧金属分拣效果，传送带上的湿垃圾不能过高，即湿垃圾须缓慢、均匀地投入，因此设定传送分拣时间约为25 s。在这段时间内，湿垃圾连续进入破碎脱水装置，但破碎后的湿垃圾先在破碎结构出口处堆积，并未立即进入脱水结构，因此破碎脱水时间与传送分拣时间部分重合，非重合用时约为15 s。根据压块装置进料容积，设计螺旋输送机的相关参数，其单次循环输送时间为3 s。设定压块装置的单次循环压缩时间为13 s，在压锤快速回程的同时，推杆箱滑台进行垃圾碎渣饼块输送工作。综合考量机械压缩式湿垃圾处理装置的运转效果及其子装置的动力参数，预计该装置处理240 L湿垃圾所用的时间约为60 s，即其垃圾处理能力为7.0 t/h（约为1.94 kg/s）。

3.4　装置技术参数确定

基于已投入使用的传统垃圾处理设备及上文设计的结构参数和动力参数，得到机械压缩式湿垃圾处理装置的主要技术参数，如表1所示。

表1 机械压缩式湿垃圾处理装置的主要技术参数
Table 1 Main technical parameters of mechanical compressive wet waste treatment device
技术参数量值及选型
整体尺寸 4 000 mm×3 000 mm×3 000 mm
入料口尺寸 1 200 mm×600 mm
处理能力 7.0 t/h
传送带尺寸 1 200 mm×1 400 mm×R225 mm
破碎刀具 硬质合金刀头
破碎粒径 10~20 mm
传送带电机功率 1.1 kW
传送带电机转速 300 r/min
主轴电机功率 3.7 kW
主轴电机转速 120 r/min
螺杆电机功率 370 W
螺杆电机转速 60 r/min
推杆箱丝杠 G1605滚珠丝杠
压力传感器 微型不锈钢传感器T101
液压缸内径 200 mm
液压缸活塞杆直径 100 mm
液压泵型号 A7V20LV2.0RZF00
液压驱动电机功率 5.5 kW
液压驱动电机转速 750 r/min
单次循环压缩时间 13 s
控制方式 PLC控制
显示设备 触控液晶显示屏
操作方式 （预留指令）面板操作

4 机械压缩式湿垃圾处理装置控制方案设计

机械压缩式湿垃圾处理装置采用PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）作为控制单元［

16-17］。鉴于在实际应用中湿垃圾的数量、成分等存在差异，须根据实际情况对机械压缩式湿垃圾处理装置的技术参数进行调整，以实现其最佳性能。另外，该处理装置各子装置内部的传感器可实时反馈各子装置的工作状态。

机械压缩式湿垃圾处理装置的控制流程如图7所示，具体流程如下：在控制单元控制下，提升装置开启，在将待处理湿垃圾提升至入料口的同时开启传送带电机和破碎脱水装置主轴的电机；经脱水处理后的垃圾碎渣通过螺旋输送机进入压块装置，位于推杆箱表面的称重传感器检测进入压块装置的垃圾碎渣重力，当垃圾碎渣的重力达到称重传感器的设定值后，传感器将电信号传递至控制单元，此时螺旋输送机的电机关闭及电液比例阀换向，以执行压块步骤。施压板底部的压力传感器在检测到压紧力达到设定值时将电信号传递至控制单元，此时电液比例阀再次换向，施压板快速收回，同时底部螺杆电机驱动螺杆旋转，将垃圾碎渣饼块输送至装置外部。

图7 机械压缩式湿垃圾处理装置的控制流程

Fig. 7 Control process of mechanical compressive wet waste treatment device

5 结 语

湿垃圾机械压缩式处理装置由提升装置、传送带分拣装置、破碎脱水装置、压块装置以及污水处理装置等组成，各子装置可按实际需求进行组装。所设计的湿垃圾处理装置具有成本低、占地面积小、处理流程简洁、耗费人力资源少以及节能环保等优势。目前，我国正大力推行垃圾分类，且成分复杂的湿垃圾处理一直是垃圾处理的重难点。在此背景下，所设计的湿垃圾处理装置具有广阔的市场前景。

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