彭 清

（長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

伴隨我國城市化建設(shè)力度的加強(qiáng)，餐廚垃圾人均產(chǎn)生量達(dá)到0.1～0.15 kg/d，其規(guī)范化收運(yùn)和處置是提升城市綜合環(huán)境的重要組成部分。我國的大型餐廚垃圾處理項(xiàng)目以厭氧發(fā)酵為主流工藝，但工藝和設(shè)備的選擇不能一概而論，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際邊界條件綜合選定。隨著國家第一、二、三批餐廚垃圾集中處理試點(diǎn)城市建設(shè)完成，縣域級(jí)、地級(jí)市也逐步開始建設(shè)餐廚垃圾處理項(xiàng)目?？h域級(jí)人口相對(duì)較少，餐廚垃圾項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模小，厭氧發(fā)酵工藝由于投資、占地較大等因素不適合小規(guī)模餐廚垃圾處理項(xiàng)目。預(yù)處理加后端好氧制肥成為縣域級(jí)餐廚垃圾解決方案之一，通過微生物發(fā)酵降解技術(shù)將餐廚垃圾轉(zhuǎn)為有機(jī)肥，有效解決餐廚垃圾去向問題，提高資源化利用程度。

1 成套設(shè)備可靠性建模

由于餐廚垃圾成分和物理性質(zhì)的復(fù)雜性，處理設(shè)備的可靠性成為餐廚垃圾處理項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。餐廚垃圾原料成分復(fù)雜，且物料逸散出濃烈惡臭，設(shè)備出現(xiàn)故障后，維修環(huán)境惡劣，現(xiàn)代化的餐廚垃圾處理廠要求設(shè)備具有較高的自動(dòng)化程度與可靠性。餐廚垃圾處理設(shè)備要求運(yùn)行壽命≥10 年，系統(tǒng)產(chǎn)生故障的平均時(shí)間間隔＞300 h。

分析系統(tǒng)可靠性的最基礎(chǔ)條件，是系統(tǒng)整體與各單元之間的可靠度邏輯關(guān)系，以模型直觀體現(xiàn)出可靠性。建立系統(tǒng)內(nèi)可靠度框架圖，直觀描述內(nèi)部元件間的關(guān)聯(lián)邏輯關(guān)系，組建成可靠度較高的數(shù)學(xué)模型。建立該模型能夠權(quán)衡和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，方便對(duì)附屬系統(tǒng)提出可靠性要求，有利于權(quán)衡指標(biāo)、成本等方面，可提供較強(qiáng)的可靠性設(shè)計(jì)支持。

以某縣域級(jí)餐廚垃圾處理項(xiàng)目邊界條件為依據(jù)，餐廚垃圾處理主體工藝的流程：①上料，經(jīng)過分選破碎到擠壓脫水；②從中提取出油脂，對(duì)其進(jìn)行固體渣滓的微生物發(fā)酵降解；③產(chǎn)生有機(jī)肥。成套餐廚垃圾設(shè)備中非標(biāo)設(shè)備占比較大，主要工藝設(shè)備有受料倉、分選破碎設(shè)備、擠壓設(shè)備、螺旋輸送設(shè)備、好氧發(fā)酵設(shè)備、液相輸送設(shè)備等。

2 設(shè)備系統(tǒng)的可靠性預(yù)估與分配

2.1 可靠性預(yù)估

結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)估可靠性，如餐廚垃圾處理設(shè)備的組成特點(diǎn)、目前技術(shù)水平和實(shí)際工作環(huán)境等，綜合考慮非標(biāo)設(shè)備故障，在方案設(shè)計(jì)階段預(yù)估該設(shè)備在未來工作中的可靠程度，即評(píng)估預(yù)測該設(shè)備在限定工作條件、工作時(shí)間等情況下能夠完成既定目標(biāo)功能的概率。在設(shè)計(jì)工作收尾前，預(yù)估設(shè)備完成預(yù)定功能的可靠程度，為設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)是可靠性預(yù)估的主要目的。以平均故障間隔時(shí)間（MTBF）為基礎(chǔ)的參數(shù)來進(jìn)行餐廚垃圾處理設(shè)備的可靠性預(yù)估，主要針對(duì)設(shè)備經(jīng)過故障修復(fù)后再次投入到工作運(yùn)轉(zhuǎn)中的能效。

2.2 系統(tǒng)可靠性分配

可靠性分配以用戶在項(xiàng)目任務(wù)書（合同）中規(guī)定的設(shè)備可靠性為依據(jù)，根據(jù)相應(yīng)原則在組成設(shè)備的各個(gè)部件單元中合理分配，確保滿足各組成部件可靠性的定量要求。對(duì)各部件設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作提出明確的指標(biāo)要求，以研究其達(dá)成可靠性指標(biāo)所需采用的設(shè)計(jì)方法與資源，是開展設(shè)備可靠性分配的主要目的。由于餐廚垃圾處理設(shè)備流程較復(fù)雜、使用工況較差、對(duì)自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行的可靠性要求較高，分配可靠性時(shí)應(yīng)先考慮各部件的重要程度。

3 機(jī)械系統(tǒng)故障樹分析

工程設(shè)計(jì)中常使用故障樹分析法（FTA）分析大型復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行的安全性能和可靠度，采用演繹法來對(duì)其進(jìn)行逐級(jí)的分析。故障樹分析是依據(jù)各零件間的邏輯關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算來確定設(shè)計(jì)中存在的缺陷，找出有可能存在的故障點(diǎn)，并進(jìn)一步落實(shí)相關(guān)的整改措施。

3.1 建立設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)分析故障樹

對(duì)餐廚垃圾成套設(shè)備可靠性較高的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，一方面應(yīng)根據(jù)物料特性選擇相對(duì)成熟的控制元件與傳感器，不斷優(yōu)化控制邏輯，并確保其具有較高的可靠性，另一方面應(yīng)重點(diǎn)解決機(jī)械零部件的可靠度。預(yù)處理設(shè)備去除餐廚垃圾中的雜質(zhì)，將有機(jī)質(zhì)通過好氧微生物轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，設(shè)備因故障導(dǎo)致處理線無法正常運(yùn)行認(rèn)定為設(shè)備故障，以此作為所關(guān)心的結(jié)果事件。

（1）上料部件故障樹。上料部件是餐廚垃圾處理設(shè)備的第1個(gè)工藝設(shè)備，其主要功能是接收餐廚垃圾車卸料，將物料進(jìn)行瀝水后向下道工藝設(shè)備輸送，并能緩存物料。餐廚垃圾收集車卸料時(shí)要保證上料部件平穩(wěn)運(yùn)行，不能出現(xiàn)垃圾堵塞和起拱架橋情況。整理分析可能在上料部件中出現(xiàn)的故障情況，建立故障樹（圖1）：X1為瀝水孔堵塞，X2為螺旋卡滯，X3為密封失效，X4為架橋起拱，X5為變頻器失效，X6為變頻器失效，X7為線路故障，X8為電機(jī)故障，X9為減速機(jī)損壞，X10為軸承損壞。

圖1 上料部件故障樹

（2）擠壓部件故障樹。擠壓部件將分選破碎后的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行脫水，液相進(jìn)一步提取油脂，固相作為好氧發(fā)酵的原料。擠壓及分選破碎部件的效率影響發(fā)酵處理的運(yùn)行，也對(duì)最終產(chǎn)出物質(zhì)量起決定性作用。餐廚垃圾中包含不易破碎的成分，會(huì)造成電機(jī)因擠壓裝置卡塞出現(xiàn)過載故障；擠壓餐廚垃圾中的淀粉與蛋白含量較高的物質(zhì)時(shí)，容易產(chǎn)生擠壓部件堵塞，破壞設(shè)備良好運(yùn)行導(dǎo)致故障發(fā)生。經(jīng)過對(duì)擠壓部件的分析，建立故障樹（圖2）：X11為皮帶失效，X12為減速機(jī)齒輪損壞，X13為軸承損壞，X14為聯(lián)軸器磨損，X15為篩網(wǎng)損壞，X16為擠壓螺旋卡塞，X17為背壓系統(tǒng)故障，X18為電機(jī)過載。

圖2 擠壓部件故障樹

（3）好氧發(fā)酵倉故障樹。作為處理設(shè)備核心部件的好氧發(fā)酵倉，主要功能是進(jìn)行微生物的好氧發(fā)酵。設(shè)備保證其運(yùn)行環(huán)境符合微生物發(fā)酵分解的需求，還要保障產(chǎn)出物符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在微生物的發(fā)酵過程中，要確保發(fā)酵艙的密封性與恒溫性能良好，充分保障微生物發(fā)酵中對(duì)濕度與溫度的需求，將容器中的菌種和物料進(jìn)行合理混合配備，保證充足氧氣來更好地滿足微生物發(fā)酵。好氧發(fā)酵倉內(nèi)螺旋帶在混合攪拌物料的同時(shí)，由電機(jī)帶動(dòng)容器翻轉(zhuǎn)排出處理完成的物料。分析好氧發(fā)酵倉，建立故障樹圖（圖3）：X19為攪拌槳葉出現(xiàn)斷裂，X20為發(fā)酵倉體的密封效果出現(xiàn)泄漏，X21為傳動(dòng)齒輪經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損，X22為軸承出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損，X23為傳動(dòng)鏈條經(jīng)過運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的較為嚴(yán)重的磨損，X24為電機(jī)故障，X25為線路故障。

（4）其他關(guān)鍵設(shè)備故障樹。同理對(duì)其他關(guān)鍵處理設(shè)備建立故障樹，如分選破碎一體設(shè)備、加熱設(shè)備、離心提油設(shè)備等故障樹，形成餐廚垃圾處理成套設(shè)備完整的故障樹。進(jìn)而分析分選組件纏繞、堵塞、破碎組件磨損、破碎、加熱設(shè)備攪拌機(jī)軸承損壞、離心機(jī)退料螺旋異常磨損失去動(dòng)平衡、輸送螺旋葉片變形、輸送泵堵塞等。

圖3 好氧發(fā)酵倉故障樹

3.2 故障樹定性分析

通過建立餐廚垃圾處理設(shè)備故障樹，可找出故障樹的最小割集，發(fā)掘容易造成頂事件的基本部件失效形式，故障樹的割集對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的失效模式。只有在系統(tǒng)中所有代表著底事件的故障都發(fā)生后才使整體的系統(tǒng)產(chǎn)生故障，這種情況被定義為系統(tǒng)最小割集。

假設(shè)故障樹是根據(jù)無數(shù)個(gè)獨(dú)立的僅能導(dǎo)致其他事件的原因事件來組成，分別用X1、X2……Xn表示，兩種邏輯狀態(tài)的變量表示是否發(fā)生底事件的狀態(tài)，其值取1 或者0，即：

其集合表示為X={X1、X2……Xn}。同樣，用φ 取值為0 或1來表示位于頂端所關(guān)心的結(jié)果事件狀態(tài)的變量是否發(fā)生。此時(shí)，可以將頂?shù)字g狀態(tài)變量關(guān)系用結(jié)構(gòu)函數(shù)φ（x）表示：

3.3 故障樹的重要度分析

各零部件的重要程度存在差異，有的零部件發(fā)生故障會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行；部件的關(guān)鍵程度由其在設(shè)備中所處的地位決定，零部件自身故障概率只會(huì)較小地影響其結(jié)構(gòu)；部件的關(guān)鍵重要度，能夠體現(xiàn)其中零部件出現(xiàn)故障后致使整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率變化，是體現(xiàn)底系統(tǒng)故障受狀態(tài)影響的程度。

4 結(jié)束語

降低螺旋擠壓設(shè)備失效率的方法如下：

（1）合理安排清洗裝置工作時(shí)間。有機(jī)質(zhì)是餐廚垃圾中粘稠度較高的成分，進(jìn)行擠壓工作時(shí)易堵塞篩筒，通過清洗裝置定期沖洗擠壓部件可有效降低該故障發(fā)生率。

（2）優(yōu)化背壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)制。通過背壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)排渣尾錐的頂緊力是調(diào)節(jié)固渣含水率的主要途徑，為降低因背壓系統(tǒng)反饋動(dòng)作后造成排渣口堵塞而發(fā)生的故障，選擇響應(yīng)速度更快的氣缸作為背壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。

（3）采用其他可靠度更高的方式代替螺旋擠壓工藝方法。