家用厨余垃圾处理机关键零部件结构设计及有限元分析

来源：SCI期刊网分类：农业论文时间：2022-03-29 09:51 热度：

摘要：摘要：在现有厨余垃圾粉碎直排工艺上进行改进，变为将日常餐厨垃圾粉碎、脱水、收集的处理流程，达到避免环境污染和资源二次利用的目的。基于厨余垃圾各个组分的特性分析，以模塑螺

　　摘要：在现有厨余垃圾粉碎直排工艺上进行改进，变为将日常餐厨垃圾粉碎、脱水、收集的处理流程，达到避免环境污染和资源二次利用的目的。基于厨余垃圾各个组分的特性分析，以模塑螺旋挤出压缩和压榨固液分离的原理为指导，对变螺距变轴径特制螺杆的结构进行设计。基于有限元方法对变径变距螺杆进行了刚度、强度、循环寿命以及模态振动分析，仿真结果表明均达到设计要求。对设计模型进行实物加工并开展实验论证，对厨余垃圾组成种类进行分析并进行单因素破碎实验，七类厨余垃圾能得到有效破碎，处理产物粒度在 2~3 mm，达到预期期望; 对常规混合状态厨余垃圾以梯度体积进行分组验证日常实际处理情况，处理结果表明，脱水率达到 51%，体积缩减率达 75%，餐厨垃圾处理的实用性得以保证。

　　关键词：厨余垃圾处理;有限元分析;螺杆;挤压破碎

　　家庭厨余垃圾的处理工艺往往局限于粉碎直排法，此种工艺将粉碎物排放至水中造成水质污染，文中在此基础上进行改进，采用螺旋挤碎压缩将处理物收集起来，达到二次利用的目的。单螺杆挤出机是当前运用广泛的混合、输送和挤出的装备，适用于食品加工等行业[1-2]。众多学者针对螺杆挤出机的螺杆机构设计优化等方面进行了深入的研究[3-5]，但是这些研究的应用点往往落在挤塑机或是传统运输装置。在使用双变螺杆对厨余垃圾的处理方面尚欠缺研究。基于以上原因，构思研发一种新型厨余垃圾智能绿色处理器来解决我国家庭厨余垃圾的处理现状。对厨余垃圾处理机的核心零件变径变距螺杆进行结构设计，基于有限元方法对其进行刚度和强度的校核，以保证设计的合理性。此外，对破碎螺杆进行模态分析，确保螺杆在工作时不会引发振动。并按照设计参数制成实物进行实验验证，破碎达到预期效果。

　　1 螺旋挤压破碎部件的结构特点

　　1.1 新型家用厨余垃圾处理装置

　　如图 1 所示，家用厨余垃圾处理设备主要由四大部分组成，第一部分是破碎组件，主要由调速电机、进料漏斗、破碎螺杆、LM-55B 联轴器、筒壁、背压板、密封圈以及滤网组成;第二部分是压缩挤出组件，主要由壁筒、变径变距螺杆、过滤筛、密封圈，锥形端盖组成;第三部分加热消毒组件，由红外灯管、紫光消毒灯以及固定支座组成。第四部分是机架，由方钢焊接而成。

　　螺旋压缩挤出组件结构示意简图如图 2 所示，由轴承座、壳壁、锥形端盖、双变螺杆、滤网、传动齿轮、密封圈组成。旋转轴由右端轴承座固定，形似悬臂梁，而传动端轴头通过齿轮啮合给予驱动。通过中间轴的旋转促使螺旋绞龙推动厨余垃圾向前移动，同时处理物内的液体通过相互挤压从下端排污口流走。

　　1.2 受力分析

　　浮动式挤压螺杆在左部主要受到挤出压力 P，以及在折断某些高硬度的骨头和脆性大的根茎时候需要克服的剪切力，这里可以等效地视作所需的扭矩 Mt 。而自身螺杆重量 G 引起的弯矩对入料处的最小轴径造成的变形程度，一般可忽略不纳入考虑范围。故此保证最大的安全裕数的前提下，假设螺杆工作段的每一处受力相同且为最大扭矩，如图 3 所示。

　　1.3 挤压螺杆设计

　　螺杆作为实现厨余垃圾处理设备的破碎、挤压、脱水功能的关键部件，其设计参数的选定则显得至关重要。参照目前技术成熟且应用面广的食物膨化机和挤出注塑机原理。通过螺杆的自转螺旋推动物料在腔体实现轴向前行;与此同时，运动前进过程中螺棱之间的距离逐渐小，螺杆的轴径不断变大。致使间隙空间不停缩小，物料的相互挤压力逐渐增大。实现对厨余垃圾的压榨研磨。

　　对家庭日常厨余垃圾颗粒收集进行统计，可得初始垃圾颗粒平均直径大小 15~30 mm 之间，为使物料能完全掉落入初始螺槽中进行挤压，故取初始螺距为 35 mm。期望得到的压缩段处理后颗粒在 7 mm 左右，考虑到厨余垃圾的回弹特性，故设计终止螺距为 6 mm 来控制颗粒在沿轴方向的尺寸。

　　根据设计参数要求 Q(生产率)=0.06 t/h，即 1 kg/min，工作轴长 L 为 145 mm，压缩段轴长 L0 为 140 mm，旋转轴的直径为 d 为 18 mm，工作转速为 43 r/min。由于餐厨垃圾含水高，在向前螺旋挤压过程中物料间隙逐渐缩小并且本身受挤亦会缩聚成团，取厨余垃圾的物料填充参数为 kd=10,查阅相关资料餐厨垃圾的物料密度为 ρ=1 200 kg/m3 ，符号意义见图 4，根据变径变螺距螺杆的计算公式(1)~公式(3)：

　　螺旋升角的大小对厨余垃圾在腔体中的推进速度和破碎效果有极大的影响，并且螺旋圈数小造成螺旋角增大，会增加厨余垃圾对叶片的轴向力。查阅相关设计手册，本装置中的挤压螺杆初始螺旋角定为 14.7°。初始螺距 m1 为 35 mm，终止螺距 m6 为 6 mm。设计螺旋圈数为 6 圈，共 6 个螺距，螺棱厚度为 3 mm，其中 4 圈位于压缩段，剩余 2 圈位于挤压段上。采用线性插值的方法得到其余螺距，分别为 m2=28，m3=23， m4=18，m5=13。

　　2 破碎螺杆有限元分析

　　2.1 预设置和网格划分

　　首先对结构模型进行简化，在三维模型中螺杆具有倒角，旋转叶片与主轴合并时产生的缝合曲线等细微特征。上述特征的存在对网格的划分产生不利影响，并且会降低分析速度，提高所需计算的工作量。故此在保证不影响模型分析准确性的前提下，提出两点简化。

　　(1)只将轴承的轴向刚度纳入考虑范围。

　　(2)将退刀槽、倒角等细微因素忽视。

　　挤压螺杆的材料为 30CrMnAl，其具有良好的加工性和强度高的特点，在制造生产旋转轴零件有着广泛应用，表 1 所示为材料属性。

　　本文来源于;《再生资源与循环经济》(月刊)创刊于1980年，是由中华全国供销合作总社主管，中华全国供销合作总社天津再生资源研究所、中国再生资源回收利用协会主办，面向国内外公开发行的综合性技术刊物。主要宣传国家有关再生资源回收利用和发展循环经济的方针、政策，介绍国内外再生资源(废旧物资)回收、加工利用、垃圾资源化、循环经济等领域的新成果、新技术、新工艺、新设备，包括废钢铁、废有色金属、废塑料、废橡胶、废造纸原料、废旧家电、废电池、报废汽车、废旧设备、再制造、垃圾处理、清洁生产等内容。

　　利用 UG NX 软件构造挤压破碎螺杆的三维模型，将模型导出为‘x.t’格式，导进 ANSYS workbench15.0 中。按表 1 中参数设置好材料属性，网格选取等方向细化程度好的四面体网格，网格大小设置为 5 mm，处理后得到 61 615 个网格节点数，26 371 个网格单元数。图 5 所示为挤压螺杆网格划分后的模型示意图。根据相关各零件之间的装配，相互制约关系，赋予 70 N/m 的扭矩给螺旋叶片上，在轴承安装处的定位轴肩表面，约束 Z，Y，X 方向的位移;在螺杆左端出料处的弧形面施加一定压力。

　　2.2 螺杆静力学分析

　　由图 6a 可看出，在螺杆工作长度区间沿轴向左，芯轴在厨余垃圾破碎压紧的过程中颜色渐红，应力逐渐增大其所能达到的最大变形量为 9.336e-5 mm。同样的，螺旋叶片在沿左延伸过程中，红色从螺棱顶端向叶片根部蔓延，这与实际功况相符，在压缩段的末尾处达到最大应变 1.2e-4 mm。由图 6b 和图 6d 可以看出，挤出螺杆承受的最大应力在右端，与联轴器相配合的轴肩面，最大应力为 0.259 4 MPa。常温下材料 30CrMnAl 的极限屈服强度为 168 MPa，远大于最大扭矩作用下产生的最大应力，而云图得到的最大应变量远低于毫米几个数量级，亦可忽视。由图 6c 知，螺杆不会发生塑性应变。

　　由图 7a 所示，螺杆在工况下运行，安全系数达到 15，没有折断、弯曲等安全隐患。图 7b 所示设计寿命循环次数能达到 1e+009 次。综上所述，挤压螺杆设计各个方面达到要求。

　　2.3 挤压螺杆模态分析

　　挤压螺杆为单个多自由度机械系统，其拥有多阶固有频率和相对应的振动形态。在不考虑系统阻尼与外力作用下，部件的固有频率只和质量、刚度有关。机械机构系统的动力学方程如式(5)所示。式(6)为系统特征方程，ωn 为机械系统的固有频率阶数。

　　继承挤压螺杆静力学分析时的约束条件，不用施加任何载荷，即只需要约束轴承安装处轴肩面的 X，Z 位移。提取螺杆一和四阶模态振型如图 8 所示。固有频率如图 9 所示，各阶对应振型描述如表 2 所示。

　　通过模态分析，选用减速电机的工作最大转速为 130 r/min 所产生的运行激励频率远远小于最低阶模态振动频率为 600.58 Hz，故此设备工作时候不会引发挤压螺杆发生共振。

　　3 实验验证

　　3.1 实验原料、器具及方案

　　烂菜叶、瓜果屑、鸡鸭蛋壳、茶叶渣、牲畜骨头、粗粮米饭、家禽肥瘦肉及内脏共 7 种，一定量常规厨余混杂垃圾。电子秤、量杯、螺杆挤压破碎组件、300 W 减速电机。

　　对上述七类厨余垃圾组分分别进行单一因素影响的破碎实验，对变径变距螺杆挤压破碎的有效性进行定性分析。再对一定体积的日常混合状态的餐厨垃圾进行分组，分为 5 组。各组的体积分别为 100 cm3 ， 200 cm3 ，300 cm3 ，400 cm3 ，500 cm3 ，对螺杆挤压破碎的实用性，前后压缩体积比列，含水量降低幅度，质量减小程度进行定量分析。

　　3.2 对破碎效果进行实验论证

　　基于上述设计在满足实际制造工艺前提下，对参数进行调整后，对挤压螺杆进行制造，如图 10 所示。并将实物装机对日常生活中常见的厨房垃圾进行处理，如表 3 所示。

　　对厨余垃圾进行逐类处理，结果表明，剩菜、果皮、茶渣等含根茎处理后大部分被磨断，剩余少许依旧藕断丝连;蛋壳、坚果类破碎处理后大部分成粉状，破碎处理效果佳;鸡鸭鱼骨头处理后，颗粒小且整体偏软缩拢成团;谷物、肉类则研磨至含水较高的碎末状。综上，挤压破碎螺杆有效性达到预期要求。

　　3.3 对混杂厨余垃圾处理定量分析

　　考察所设计的挤压破碎螺杆的实用性，对上述所提的各类厨余垃圾混杂后进行定量垃圾处理分析，进行了 5 组实验，如表 4 所示为前后对比数据。

　　由图 11 和图 12 可看出，所设计的挤压破碎螺杆能对厨余垃圾进行有效处理，5 组实验对处理物的脱水率最少达到 51%以上，体积缩减达 75%以上，实现厨余垃圾“化整为零”的预处理效果。

　　4 结论

　　(1)使用 UG NX 软件对厨余垃圾处理装置进行结构设计，再使用 ansys workbench 对核心构件挤压螺杆进行了结构分析。结果表明，在工况下挤压螺杆的强度刚度都满足使用要求。

　　(2)利用 ansys workbench 对挤压螺杆进行了模态分析，得到六阶主振频率，最小频率为 600.58 Hz 远远大于电机运行激励频率，工作时候不会发生螺杆共振。

　　(3)设计的挤压破碎螺杆对常见厨余垃圾进行处理，脱水率可达 51%左右，体积缩减率高达 75%，可实现垃圾在户的预处理，大大减少垃圾排量。——论文作者：王俊霄

　　参考文献

　　[1] 王建，王浩男，许丽杰，等.NE62 和 BE65 型双螺杆挤出机性能模拟比较分析[J].塑料，2017，46(5)：23-26.