周振強(qiáng)，王開寶，陳玉田，韓　杰，侯代兵，郭文琦

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的不斷增多以及人民生活水平的日益提高，城市垃圾的產(chǎn)量日漸增多.如果對垃圾處理不當(dāng)，可能會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染、水污染和土壤污染，并將占用大量的土地.為了我們周圍的生存環(huán)境、子孫后代的利益和可持續(xù)發(fā)展，如何經(jīng)濟(jì)、有效地進(jìn)行垃圾處理，是一個(gè)還待解決的問題.在工業(yè)化垃圾[1]處理過程中常常需要將垃圾粉碎，用以節(jié)省空間，有利于垃圾的就地處理、運(yùn)輸和最終處理.目前國內(nèi)有的垃圾破碎機(jī)有：塑料破碎機(jī)、玻璃粉碎機(jī)、泡沫粉碎機(jī)、單軸垃圾粉碎機(jī)等.這些破碎機(jī)能對垃圾材料進(jìn)行有效的破碎，破碎效果也相當(dāng)好，但其具有較大的局限性，只適用于單種垃圾物料的破碎，不能滿足多種垃圾粉碎的需求.

小型化垃圾處理機(jī)可以有效地在源頭處理垃圾，因此小型垃圾粉碎機(jī)的研制具有重要的意義.因此設(shè)計(jì)了這款可回收垃圾粉碎裝置.本文所研制的垃圾破碎機(jī)具有粉碎垃圾種類多、裝置破碎垃圾的可靠性高、粉碎的顆粒均勻的特點(diǎn).

1　可回收垃圾粉碎裝置的總體方案設(shè)計(jì)

本文在調(diào)查、研究國內(nèi)外常見垃圾破碎機(jī)[2]的基礎(chǔ)上，提出了一種用于多種垃圾物料的破碎，滿足多種垃圾粉碎需求的可回收垃圾粉碎機(jī).其方案圖如圖1所示[3,4].

可回收垃圾粉碎裝置整體結(jié)構(gòu)由四個(gè)大單元組成，分別為：動(dòng)力單元、傳動(dòng)單元、執(zhí)行單元也可以稱為三級破碎單元、以及由內(nèi)襯板及其篩網(wǎng)所共同組成的輔助破碎單元.

本方案是利用三級破碎系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對不同種類垃圾的破碎，破碎機(jī)在一級破碎鏈條、二級破碎錘、三級破碎刀片、帶傳動(dòng)等零部件共同作用下實(shí)現(xiàn)多種類垃圾的破碎處理.其中一級破碎鏈條，主要針對金屬里鑲有塑料或者塑料里包有金屬的物料進(jìn)行分離的作用.二級破碎錘頭主要針對一些大而硬、韌及內(nèi)部包含有其它柔性材質(zhì)的物料進(jìn)行破碎分離.三級破碎刀具主要是針對軟性材料設(shè)計(jì)，它的主要功能包括團(tuán)粒、剪切以及風(fēng)送粉碎顆粒等.箱體分為上機(jī)體和下機(jī)體兩部分，在上機(jī)體上設(shè)計(jì)有垃圾進(jìn)料口，并在進(jìn)料口處設(shè)計(jì)有安全門.在下機(jī)體上設(shè)有篩網(wǎng)，用以排出已破碎的垃圾.

2　可回收垃圾粉碎裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本可回收垃圾粉碎裝置，可實(shí)現(xiàn)將不同種類垃圾進(jìn)行破碎處理.基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2　可回收垃圾粉碎裝置的三維基本結(jié)構(gòu)圖

2.1　執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3　可回收垃圾粉碎裝置執(zhí)行單元原理圖

主軸強(qiáng)度參數(shù)見表1.

表1　主軸強(qiáng)度參數(shù)

2.2　輔助破碎單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輔助破碎單元[7]由內(nèi)襯板及其篩網(wǎng)所共同組成(圖4).執(zhí)行單元在內(nèi)襯板的輔助下，可以輕松地將投入破碎機(jī)的垃圾進(jìn)行粉碎.垃圾通過破碎鏈條、破碎錘、破碎刀粉碎后，篩網(wǎng)發(fā)生作用.通過篩網(wǎng)，小顆粒的垃圾會(huì)被篩分出來.

圖4　可回收垃圾粉碎裝置輔助破碎單元原理圖

2.3　傳動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)單元由于動(dòng)力源采用了電磁調(diào)速電機(jī)，所以將不采用齒輪傳動(dòng)及變速.直接采用帶傳動(dòng)[8,9]，如圖5所示，表2為帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù).

圖5　帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

帶型A型普通V帶傳動(dòng)比i=3.05數(shù)量2根基準(zhǔn)長度1750mm帶輪基準(zhǔn)直徑dd1=140mmdd2=450mm中心距范圍360.75～439.5mm單根帶初始拉力F0=161.3N

2.4　動(dòng)力單元

動(dòng)力源采用YCT160-4B電磁調(diào)速電機(jī)，參數(shù)見表3.

表3　YCT160-4B參數(shù)

3　可回收垃圾粉碎裝置關(guān)鍵技術(shù)——基于solidworks motion的動(dòng)力學(xué)仿真分析

在可回收垃圾粉碎裝置的設(shè)計(jì)之中，為了驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可行性以及其運(yùn)行狀態(tài)，很有必要對可回收垃圾粉碎裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，例如：機(jī)器在啟動(dòng)過程中中央破碎單元工作是否平穩(wěn)，是否產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，是否產(chǎn)生劇烈震動(dòng)等.

為解決這個(gè)問題，運(yùn)用solidworks motion[10]對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.這樣不僅大大提高了設(shè)計(jì)精度，而且降低了設(shè)計(jì)成本，論證設(shè)計(jì)的可行性.

通過solidworks motion對可回收垃圾粉碎裝置的中央破碎單元進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，建立了時(shí)間的函數(shù)，模擬破碎單元從啟動(dòng)到正常工作的過程，仿真模型圖見圖6.通過仿真，得到了圖7破碎錘頭角速度的隨時(shí)間的變化曲線，圖8錘頭角加速度隨時(shí)間變化的仿真曲線，圖9馬達(dá)力矩仿真曲線，圖10馬達(dá)消耗能源的仿真曲線.在圖7中角速度在5 s之前波動(dòng)較大，這是因?yàn)樵跈C(jī)器剛剛啟動(dòng)有沖擊振動(dòng)，造成了曲線波動(dòng)較大，之后慢慢趨于穩(wěn)定.

隨著國有企業(yè)改革的深入，中國證券交易所改革后國有股東的持股比例逐漸下降，不同資本屬性之間形成的混合所有制問題引起了人們的關(guān)注。當(dāng)一個(gè)國有股東是控股股東時(shí)，它與私人資本股東擁有完全不同的控制權(quán)和私人利益。為推動(dòng)國有企業(yè)治理結(jié)構(gòu)改革，非控股股東特別是第二大股東也可以改善國有企業(yè)的治理結(jié)構(gòu)。作為深化改革和促進(jìn)變革的背景下，民營資本第二大股東如何形成治理在國有企業(yè)中的作用也是一個(gè)適合未來討論的話題。

圖6　可回收垃圾粉碎裝置基本結(jié)構(gòu)仿真模型圖

時(shí)間/s

時(shí)間/s圖7　錘頭角速度隨時(shí)間變化的仿真曲線

(1) 曲線起初起伏變化很大，但其一直圍繞在3 182.3上下波動(dòng)，在5秒后趨于穩(wěn)定.

(2) 曲線中達(dá)到穩(wěn)定最大角速度為6 013 deg/sec，穩(wěn)定后的角速度為3 182.3 deg/sec.

(3) 角速度呈現(xiàn)上圖中所示規(guī)律，是因?yàn)樵跈C(jī)器剛剛啟動(dòng)有沖擊振動(dòng)，造成了曲線波動(dòng)較大，之后慢慢趨于穩(wěn)定.

時(shí)間/s

時(shí)間/s圖8　錘頭角加速度隨時(shí)間變化的仿真曲線

(1) 曲線起初起伏變化很大，在5秒后趨于穩(wěn)定.

(2) 曲線中達(dá)到穩(wěn)定后的角加速度為131 deg/sec2

(3) 角速度呈現(xiàn)上圖中所示規(guī)律，是因?yàn)樵跈C(jī)器剛剛啟動(dòng)有沖擊振動(dòng)，造成了曲線波動(dòng)較大，之后慢慢趨于穩(wěn)定.

時(shí)間/s

時(shí)間/s圖9　馬達(dá)力矩仿真曲線

(1) 曲線起初起伏變化很大，在5秒后趨于穩(wěn)定.

(2) 曲線中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的力矩為94 N/mm.

(3) 角速度呈現(xiàn)上圖中所示規(guī)律，是因?yàn)樵跈C(jī)器剛剛啟動(dòng)有沖擊振動(dòng)，造成了曲線波動(dòng)較大，之后慢慢趨于穩(wěn)定.

時(shí)間/s

時(shí)間/s圖10　馬達(dá)消耗能源的仿真曲線

(1) 曲線起初起伏變化很大，但其一直圍繞在2 211.2上下波動(dòng)，5 s后趨于穩(wěn)定.

(2) 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)數(shù)值為2 211.2 W

(3) 角速度呈現(xiàn)上圖中所示規(guī)律，是因?yàn)樵跈C(jī)器剛剛啟動(dòng)有沖擊振動(dòng)，造成了曲線波動(dòng)較大，之后慢慢趨于穩(wěn)定.

4　結(jié)　　論

本項(xiàng)目研究以可回收垃圾破碎為目標(biāo)，設(shè)計(jì)并研制了適合多種可回收垃圾的粉碎裝置.在三級破碎單元的作用下，通過帶傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而傳遞給破碎單元.利用一級破碎鏈條可以初步的將大塊物料擊打成小塊，利用二級破碎錘頭進(jìn)一步的將小塊物料粉碎成粉末，利用三級破碎刀頭更進(jìn)一步的粉碎垃圾，并將粉末從篩網(wǎng)送出來.該破碎機(jī)的所有設(shè)計(jì)、三維制作及動(dòng)力分析均模擬工程實(shí)際要求進(jìn)行，總體性能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求.

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