王玉琳，李明會(huì) ，王景偉

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合 肥 230009；2. 上海第二工業(yè)大學(xué) 上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學(xué)研合作開發(fā)中心，上 海 201209)

0 引言

隨著電器電子產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，廣泛用于其中的LCD顯示屏被大量廢棄。采用機(jī)械物理法對(duì)廢棄的液晶面板進(jìn)行綠色回收，不僅可以獲得高價(jià)值的液晶材料、稀貴金屬銦和高品質(zhì)的玻璃[1]，還能夠避免其內(nèi)的有毒、有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生危害[2]。

在液晶面板中，液晶材料被灌注在兩塊ITO玻璃基板中間，層厚約6～10μm，玻璃基板的外表面貼有光學(xué)偏光片。破碎是廢棄液晶面板資源化回收預(yù)處理階段的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。而廢棄的液晶面板不易彎曲，在連續(xù)破碎過程中會(huì)發(fā)熱，如果溫度過高會(huì)使液晶材料發(fā)生改性甚至分解成有毒氣體而失去回收價(jià)值[3]，這就要求液晶面板必須在低溫(不超過65℃)條件下進(jìn)行破碎[4]。目標(biāo)回收物液晶和金屬銦的純度受雜質(zhì)含量的影響很大，需要在破碎過程中有效控制玻璃碎渣以及金屬離子性雜質(zhì)的產(chǎn)生。另外，液晶面板的表面比較光滑，在剪切破碎過程需要有輔助送料機(jī)構(gòu)使面板能夠平穩(wěn)順利進(jìn)入。目前市場(chǎng)上通用的破碎機(jī)雖說種類繁多，但多是應(yīng)用在礦山、冶金、化工等行業(yè)，且破碎過程轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱大、物料粒度難控制、金屬刀片易生銹、產(chǎn)生的雜質(zhì)多。因此，現(xiàn)有破碎機(jī)很難達(dá)到理想的效果，無法滿足液晶面板的回收需求。

針對(duì)以上破碎要求，為了實(shí)現(xiàn)液晶面板的大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化、高效綠色回收，同時(shí)為了確保得到的目標(biāo)回收物具有未改性、未被污染且純度高的特點(diǎn)，亟待開發(fā)一種廢棄液晶面板專用破碎設(shè)備。

1 液晶面板剪切破碎機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

液晶面板剪切破碎機(jī)主要由雙軸剪切機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裁切機(jī)構(gòu)和進(jìn)料機(jī)構(gòu)等組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

1.機(jī)架 2.減速電機(jī) 3.聯(lián)軸器 4.旋轉(zhuǎn)裁切機(jī)構(gòu) 5.后刀軸齒輪 6.上刀軸齒輪 7.三角帶 8.進(jìn)料機(jī)構(gòu) 9.剪切機(jī)構(gòu) 10.摩擦輪圖1 廢棄液晶面板剪切破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.下引料輥 2.液晶面板 3.上引料輥 4.導(dǎo)料板 5.上刀盤 6.動(dòng)刀片 7.后刀軸 8.定刀片 9.下刀盤圖2 破碎機(jī)剪切原理圖

進(jìn)料機(jī)構(gòu)中，下引料輥與上引料輥之間利用壓緊的摩擦輪實(shí)現(xiàn)摩擦傳動(dòng)，表面帶有偏光片的液晶面板在引料輥的作用下經(jīng)導(dǎo)料板進(jìn)入雙軸剪切機(jī)構(gòu)的破碎腔內(nèi)。

雙軸剪切機(jī)構(gòu)中，上、下剪切刀盤形狀相同，剪切刀盤沿軸向?yàn)殡p側(cè)刃口，在剪切刀盤的外圓周上均勻分布有凹形槽口，各相鄰的剪切刀盤沿軸向形成插齒，上刀盤與下刀盤以插齒互相楔入，以相向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)液晶面板的剪切，出料呈條狀落在定刀片的上表面。

旋轉(zhuǎn)裁切機(jī)構(gòu)中，與下刀盤相配軸的一側(cè)，在后刀軸的外圓柱面上開有角形槽，形成均勻分布的各道齒，在各道齒同一朝向的齒面上利用螺栓安裝有隨后刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)刀片，動(dòng)刀片的前沿是沿后刀軸的軸線方向上的動(dòng)刀片刃口，與旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀片形成裁切機(jī)構(gòu)的定刀片處在后刀軸總成與下刀軸總成之間的位置上，且直立固定在機(jī)座上，旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀片以其動(dòng)刀片刃口與定刀片刃口相切，將超出定刀片上表面的條狀液晶面板裁切成粒塊狀。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

此款破碎機(jī)根據(jù)液晶面板的特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成，先將廢棄的液晶面板剪切成條狀，后經(jīng)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀片刃口裁切，得到粒塊狀物料，過程簡(jiǎn)單且效率高，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

(1)通過合理設(shè)置各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，適當(dāng)調(diào)整減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)液晶面板在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的剪切破碎，在不大幅降低破碎機(jī)工作效率的前提下可以有效抑制液晶面板的溫升，確保被剪切破碎后液晶面板內(nèi)部的液晶材料不會(huì)因溫度過高而改變其化學(xué)性質(zhì)。

(2)剪切刀盤的圓周面上開有成組的凹形槽口，形成稀疏的外圓周齒，有利于液晶面板被卷入，顯著降低剪切破碎過程中所產(chǎn)生的玻璃粉塵。兩組相互楔入的刀盤頂部和根部之間形成有間隙，當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)時(shí)，能帶動(dòng)周圍的空氣產(chǎn)生快速流動(dòng)，使刀盤上因摩擦而產(chǎn)生的很大一部分熱量可以迅速散失到空氣中。

(3)剪切破碎過程中，上、下刀盤嚙合面積小，液晶面板通過嚙合區(qū)域時(shí)摩擦距離短，摩擦產(chǎn)生的熱量相對(duì)也較少；由于液晶面板的線速度較高，摩擦接觸時(shí)間短，液晶面板和刀盤之間傳熱時(shí)間短，有效抑制了液晶面板的溫升。

2 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 剪刀盤的設(shè)計(jì)

2.1.1 刀盤直徑和厚度

剪刀盤通過相向運(yùn)動(dòng)互相楔入，將廢棄液晶面板剪切成條狀。在剪切過程中，較大的刀盤直徑不但能改善剪切時(shí)的咬入條件，而且也會(huì)增強(qiáng)刀盤的剪切能力。但是，刀盤直徑增大，剪切時(shí)剪刃和液晶面板接觸區(qū)域就會(huì)增大，剪切力也會(huì)增大。另外，刀盤直徑增大也會(huì)使機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸變大，成本也相應(yīng)增加。

刀盤的厚度主要根據(jù)剪切得到的條狀液晶面板的寬度來選擇，同時(shí)也要考慮刀盤強(qiáng)度的影響。刀盤太薄，則其撓度可能不足，剪切過程中刀盤運(yùn)動(dòng)可能不平穩(wěn)，就會(huì)改變刀盤的側(cè)隙使其剪切效果受到影響，同時(shí)也加快了刀盤的磨損。

刀盤直徑可由下式求得[5]：

(1)

式中，h為液晶面板的厚度，典型值為1.8mm；δ為上、下刀盤的重合量，取0.45mm；β為咬入角，取11.4°。

根據(jù)式(1)，取刀盤的直徑D盤=100mm，刀盤的形狀為圓柱形，在其圓周面上開有成組的凹形槽口，刀盤的刃角為90°。文獻(xiàn)[5]推薦刀盤的厚度b=(0.06～0.1)×D盤，取b=8mm。

2.1.2 剪切刀盤側(cè)向間隙和重疊量

剪切刀盤裝配時(shí)側(cè)向間隙和重疊量的選擇取決于液晶面板的厚度和強(qiáng)度，合理設(shè)定其數(shù)值，直接關(guān)系到刀盤的使用壽命和剪切質(zhì)量，其裝配示意圖如圖3所示。

圖3 剪切刀盤裝配示意圖

剪切過程中，相比較于重疊量δ，側(cè)向間隙c對(duì)液晶面板的剪切質(zhì)量的影響顯得更加明顯，所以合理設(shè)置側(cè)向間隙是確保機(jī)器平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。側(cè)向間隙過小會(huì)使剪切力變大，不僅增加了設(shè)備的負(fù)載，還會(huì)使刀具磨損加快；側(cè)向間隙過大時(shí)，增大了剪切時(shí)的剪切彎矩，使其上下剪切裂紋不重合，此時(shí)液晶面板不是被剪斷，而是被強(qiáng)行拉斷，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響剪切效果。

剪切刀盤重合量δ主要根據(jù)液晶面板的厚度來選擇。重疊量越小，剪切力就越大，機(jī)器的負(fù)荷就越大，可能導(dǎo)致液晶面板無法被剪斷；當(dāng)重疊量太大時(shí)，在剪切過程中剪切力增加速度太快，使刀盤的磨損變得更加劇烈[5]。

根據(jù)以上分析，先對(duì)液晶面板的厚度進(jìn)行測(cè)量，得其厚度h=1.6～1.9mm，然后在一定范圍內(nèi)進(jìn)行多次剪切試驗(yàn)，觀察剪切效果，最終選取側(cè)向間隙c= 0.3mm，重疊量δ= 0.45mm。刀盤的加工精度和裝配精度也是決定能否成功剪切的關(guān)鍵因素，裝配后刀盤的端面跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)均不得超過0.05mm，可以通過塞尺來檢查裝配后的縫隙是否滿足設(shè)定要求。

2.2 旋轉(zhuǎn)裁切刀片設(shè)計(jì)

2.2.1 動(dòng)刀片前角、后角和刃口寬

在旋轉(zhuǎn)裁切機(jī)構(gòu)中，動(dòng)刀是直刃式旋轉(zhuǎn)刀，其幾何形狀主要受前角γ、后角α和刃口寬f決定，動(dòng)刀片與定刀片裁切原理如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)裁切示意圖

前角的大小直接影響動(dòng)刀片受到的切削反作用力和動(dòng)刀片刃口的強(qiáng)度。前角增大，可以改善切削性能，但動(dòng)刀片的強(qiáng)度就越??；前角越小，動(dòng)刀片受到的反作用力越大，使刀具磨損加快，影響動(dòng)刀片的使用時(shí)間[6]。對(duì)于液晶面板，其強(qiáng)度和硬度都不高，可以在保證刀具強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)增大其前角的取值。

后角的作用主要是減少刃面和液晶面板的摩擦阻力，在裁切的瞬間，條狀液晶面板繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，然后與后刃面接觸發(fā)生摩擦。后角越大，其摩擦阻力越小，但過大的后角會(huì)使動(dòng)刀片刃部厚度減少，使其強(qiáng)度受到影響。

刃口寬反應(yīng)的是動(dòng)刀刃的鋒利程度，刃口過寬則刀刃太鈍，使液晶面板的玻璃碎屑增多，甚至無法切斷液晶面板；刃口太窄，刀刃就會(huì)很鋒利，但其強(qiáng)度降低，耐磨性變差。

根據(jù)上述分析，通過對(duì)廢棄液晶面板進(jìn)行多次反復(fù)裁切試驗(yàn)，最終選擇動(dòng)刀片的前角γ= 30°，后角α= 15°，刃口寬f= 0.2mm，這樣可以保證動(dòng)刀片既鋒利又經(jīng)得起沖擊。

2.2.2 切割間隙

如圖4所示，切割間隙m是動(dòng)刀刀刃與定刀刀刃之間形成的一個(gè)很小的間隙。切割間隙主要與液晶面板的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，合適的間隙是動(dòng)刀能夠正常裁切并得到形狀規(guī)則的粒塊狀物料的關(guān)鍵。切割間隙過大，液晶面板受到的切削力就會(huì)很小，物料不是被切斷而是被拉斷，甚至拉不斷。反之，切割間隙過小，產(chǎn)生的切削力就會(huì)很大，刀具磨損劇烈，刀片的裁切刃口有可能產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象[7]。

因此，切割間隙的確定要合適恰當(dāng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制切割間隙在0.04～0.06mm時(shí)，既可保證一定的切削力又可得到合格的粒塊狀物料。

2.3 各軸轉(zhuǎn)速的確定

在雙軸剪切機(jī)構(gòu)中，如果剪切軸轉(zhuǎn)動(dòng)過快，液晶面板與刀盤圓周面的摩擦系數(shù)將會(huì)降低[8]，這樣面板進(jìn)入剪切腔的咬入條件就被破壞，從而使剪切質(zhì)量受到影響；但剪切軸轉(zhuǎn)速過慢，也會(huì)影響生產(chǎn)效率。裝配有動(dòng)刀片的裁切刀軸的轉(zhuǎn)速主要由切出的液晶面板料粒長(zhǎng)度來決定，轉(zhuǎn)速越高，切出的顆粒越短。同時(shí)裁切刀軸的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)其刀體上動(dòng)刀片的數(shù)量來調(diào)整，其轉(zhuǎn)速可以隨著動(dòng)刀片的數(shù)量的增加而降低。

通過以上分析，根據(jù)實(shí)際剪切效果和所需的料粒尺寸，取剪切刀軸的轉(zhuǎn)速n剪= 60r/min，裁切刀軸的轉(zhuǎn)速n裁=100r/min，液晶面板被剪切時(shí)的剪切速度與液晶面板的運(yùn)動(dòng)速度相同[9]，均為18.8m/min。

2.4 刀具材質(zhì)的選擇

在液晶面板的剪切破碎過程中，如果刀具表面不光潔，在液晶面板的表面以及斷口處將會(huì)留下離子性雜質(zhì)，這就加大了后續(xù)液晶和金屬銦提取工作的難度，導(dǎo)致提取的液晶純度不高。所以要求與面板直接接觸的刀具不但要刃口鋒利、耐磨損，而且還要耐腐蝕、不生銹。綜合考慮耐腐蝕性、硬度、經(jīng)濟(jì)性等因素，剪切刀盤的材料選用耐腐蝕的塑料模具鋼3Cr2Mo，經(jīng)熱處理后磨削加工而成，旋轉(zhuǎn)動(dòng)刀片的材料選擇鎢鈷類硬質(zhì)合金[10]。這樣有效保證了刀片的硬度，上刀盤、下刀盤、動(dòng)刀片以及定刀片的表面不會(huì)輕易被氧化，磨削后光潔的表面還會(huì)減少剪切破碎后粒狀液晶面板上附著的離子性雜質(zhì)。

3 剪切破碎機(jī)力能參數(shù)計(jì)算

3.1 剪切力的數(shù)值計(jì)算

剪切力的計(jì)算是破碎機(jī)力能參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。液晶面板的剪切過程比較復(fù)雜，剪切力測(cè)量困難，對(duì)其暫無精準(zhǔn)的計(jì)算公式，但可進(jìn)行估算。對(duì)于圓盤式剪切機(jī)構(gòu)在剪切薄板、帶鋼時(shí)的剪切力計(jì)算，選擇使用相對(duì)來說與實(shí)際值比較吻合的B B HocanB公式[11]來對(duì)剪切力進(jìn)行估算，公式為：

(2)

其中，

(3)

式中，F(xiàn)為作用在一個(gè)刀盤上的剪切力；σb為液晶面板的剪切強(qiáng)度極限；h為液晶面板的厚度；ε為剪斷時(shí)的相對(duì)切入深度；δ為上、下刀盤的重合量；β為咬入角。

將σb=50MPa，h=1.8mm，ε=0.313，δ=0.45mm，β=11.4° 帶入式(2)和式(3)，算得剪切力F=214N。

3.2 破碎機(jī)功率確定和電機(jī)選型

已知剪切圓盤所在軸的轉(zhuǎn)速為60r/min，二級(jí)減速器的總傳動(dòng)比合理值應(yīng)在8～25之間，則電機(jī)的相應(yīng)轉(zhuǎn)速應(yīng)為480～1500r/min。通過比較在這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和所用的減速器傳動(dòng)比，最終選擇此破碎機(jī)使用的電機(jī)滿載轉(zhuǎn)速為n= 960 r/min，則減速器的傳動(dòng)比為i=16。

通過計(jì)算可知，裝有動(dòng)刀片的旋轉(zhuǎn)軸在裁切液晶面板時(shí)，作用在旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩很小，可以忽略不計(jì)。作用在剪切軸上的剪切力矩[12]M=n′×F×D盤×sinβ= 211 N·m。式中：M為一對(duì)刀盤的剪切力矩；n′為工作中的剪切刀盤的對(duì)數(shù)(以剪切19英寸液晶面板來計(jì)算)；F為作用在一個(gè)刀盤上的剪切力；D盤為剪刀盤的直徑；β為咬入角。則折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=M/i= 13.2N·m。

電機(jī)所需功率P=k×T×n/9550×η= 2.02kW。式中，k為安全系數(shù)，取1.3；η為總傳動(dòng)效率，取0.85。根據(jù)功率和轉(zhuǎn)矩，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y112M-6，滿載轉(zhuǎn)速940r/min，額定功率2.2kW。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述參數(shù)，設(shè)計(jì)制造了廢棄液晶面板專用剪切破碎機(jī)。為了測(cè)試樣機(jī)對(duì)于液晶面板的剪切破碎效果，筆者選用目前市場(chǎng)上已有的“印刷線路板三輥式破碎機(jī)”[13]，與樣機(jī)進(jìn)行剪切破碎效果對(duì)比試驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的破碎機(jī)中，文獻(xiàn)[13]所述的破碎機(jī)與本文所研制的樣機(jī)相似度最高。

以拆解好的500塊19英寸液晶面板為破碎對(duì)象(面積420mm×250mm)，在兩款機(jī)器上進(jìn)行剪切破碎試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地溫度為26℃，先將兩款破碎機(jī)空載開啟10min，觀察其運(yùn)轉(zhuǎn)有無異常?？蛰d運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后開始計(jì)時(shí)，從投料口投入液晶面板，觀察液晶面板在兩款破碎機(jī)中是否卡料，能否順利被切斷。對(duì)收集得到的料粒尺寸進(jìn)行測(cè)量，并且采集液晶面板的溫度、觀察玻璃碎渣的產(chǎn)生量，最后采用專用設(shè)備和工藝對(duì)液晶材料進(jìn)行了回收、提純和成份分析[14-17]，最終得到兩款破碎機(jī)的破碎效果如表1所示。

表1 兩款破碎機(jī)液晶面板破碎效果對(duì)比

表1顯示，印刷線路板破碎機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是破碎效率高，但在破碎過程中偶爾會(huì)卡料、出料尺寸大、產(chǎn)生的玻璃碎渣多、溫升高，且會(huì)導(dǎo)致液晶材料改性。而專門設(shè)計(jì)的液晶面板剪切破碎機(jī)在破碎過程中不會(huì)卡料、出料尺寸細(xì)小均勻、很少產(chǎn)生玻璃碎渣、溫升也低，且不會(huì)使得液晶發(fā)生改性。對(duì)液晶面板進(jìn)行破碎回收的主要目的是提取未改性的、高價(jià)值的液晶材料，回收稀貴金屬銦以及高品質(zhì)的玻璃。從這方面來看，專用破碎機(jī)的優(yōu)點(diǎn)更加明顯，符合液晶面板的破碎要求，而傳統(tǒng)破碎機(jī)則不適合。

試驗(yàn)表明，專用破碎機(jī)在破碎過程中運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，產(chǎn)生的玻璃碎渣少，得到的料粒形狀較規(guī)則，顆粒尺寸基本控制在3～5mm左右。試驗(yàn)中剪切圓盤的轉(zhuǎn)速設(shè)定為60r/min，連續(xù)破碎500塊19英寸的液晶面板總共耗時(shí)37min，即使采用人工上料，其破碎效率也可達(dá)到800塊/小時(shí)。

5 結(jié)論

基于廢棄液晶顯示器綠色回收的特殊性，研制了一種適合廢棄液晶面板的專用剪切破碎設(shè)備，設(shè)計(jì)過程兼顧了破碎質(zhì)量和生產(chǎn)效率的統(tǒng)一。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、粉塵少、噪音小、效率高、散熱快、溫升低、雜質(zhì)少、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可將廢棄的液晶面板剪切破碎成3～5mm的粒塊狀物料，因摩擦而產(chǎn)生的熱量大部分可以迅速散去，能夠有效抑制液晶面板的溫升，使得被破碎后的面板顆粒上黏附的液晶不因溫度過高而改變其化學(xué)性質(zhì)。