朱斌

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，大量增加的垃圾影響社會環(huán)境的質(zhì)量，阻礙了城市的發(fā)展。垃圾處理的無害化、減量化、資源化是城市管理的一項重要內(nèi)容[1]。我國通常采用的城市垃圾處置方法是焚燒和填埋。但焚燒和填埋這兩種方式都會導(dǎo)致大量有機(jī)物的浪費(fèi)，因此迫切需要開發(fā)適合家庭使用的小型廚余食物垃圾處理器，對廚余食物垃圾進(jìn)行單獨(dú)處理，以實(shí)現(xiàn)資源有效利用。目前廚余垃圾處理機(jī)主要有粉碎式處理和微生物分解式處理這兩種類型。粉碎式處理主要是利用高速離心粉碎機(jī)將廚余垃圾粉碎之后排入下水管道，其缺點(diǎn)是對于硬質(zhì)廚余垃圾如貝殼、豬骨、牛骨之類的粉碎效果不佳且易堵塞管道；微生物分解式處理主要是利用有機(jī)微生物降解廚余垃圾，降解之后的殘渣可用作肥料，但其缺點(diǎn)是對于大塊的硬質(zhì)廚余垃圾分解周期較長，易產(chǎn)生有害氣體。異齒結(jié)構(gòu)破碎裝置主要是針對破碎大塊的硬質(zhì)廚余垃圾如貝殼、豬骨、牛骨等。將大塊硬質(zhì)廚余垃圾破碎成小顆粒之后再利用有機(jī)微生物降解，不僅縮短了分解周期，還大大提高了有機(jī)微生物的利用率。

1 破碎裝置的選擇

目前，應(yīng)用廣泛的機(jī)械破碎設(shè)備主要有顎式破碎機(jī)、沖擊式破碎機(jī)、剪切式破碎機(jī)以及輥式破碎機(jī)等[2]。其他各式各樣的破碎機(jī)大多是在這些破碎裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以此來滿足特定的破碎需求。

顎式破碎機(jī)由動顎和靜顎兩塊顎板組成破碎腔，通過擠壓和劈裂的方式對物料進(jìn)行破碎。其工作部件由定顎齒板和動顎齒板組成[3]，主要用于礦石與大塊物料的破碎。顎式破碎機(jī)的破碎過程是不連續(xù)破碎，破碎比小，效率相對較低，當(dāng)給料不均勻時容易引起兩塊顎板的磨損不均勻[4]。當(dāng)其破碎黏濕度較高的物料時，會出現(xiàn)黏齒的現(xiàn)象，難清理。其損耗功率大且破碎時噪音高，不太適用于家用設(shè)備。

沖擊式破碎機(jī)由進(jìn)料、分料器、渦動破碎腔、葉輪體驗(yàn)、主軸總成、底座傳動裝置及電機(jī)等7部分組成，通過沖擊的方式對物料進(jìn)行破碎。主要用于混凝土骨料的生產(chǎn)以及冶金渣的細(xì)碎和粗磨作業(yè)。其破碎效率高，耗能低，但破碎時噪音高，振動大且設(shè)備體積較大，不太適用于家用設(shè)備；剪切式破碎機(jī)主要結(jié)構(gòu)是由兩條刀軸組成，由馬達(dá)帶動刀軸，通過刀具剪切、撕裂的方式對物料進(jìn)行破碎。主要處理柔性及松散固體等剛度不大的物料，如印刷電路板、木料和秸稈等。但破碎硬度較大的物料對刀具的損耗太大，并且其設(shè)計要求較高，制造和維修成本較高，不太適用于家用設(shè)備；輥式破碎機(jī)分為光錕式和齒錕式兩種，其中齒錕式破碎機(jī)的工作原理主要是物料掉入兩組反向旋轉(zhuǎn)的動刀組中，通過動刀組上的刀齒對物料進(jìn)行擠壓和撕裂。由于能破碎黏濕物料而廣泛應(yīng)用于中低硬度物料的破碎。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低，工作部件磨損較小，噪音低，灰塵少[5]。

由于該破碎裝置主要是針對破碎大塊的硬質(zhì)廚余垃圾如貝殼、豬骨、牛骨等，此類垃圾黏濕度較高且硬度較高。并且，該設(shè)備為家用設(shè)備，工作時不僅要保證操作人員的安全，消耗的功率不能過大，而且還要保證工作時產(chǎn)生的噪音和灰塵要小。通過對上述幾種破碎方式的分析和對比，所以采用齒錕式破碎機(jī)。

2 異齒結(jié)構(gòu)破碎機(jī)

齒輥式破碎機(jī)，根據(jù)其使用的原理也可以稱為雙齒錕破碎機(jī)，其主要用于破碎的零部件是盤形刀齒，2 組動刀組沿著軸線平行分布，每組動刀組在動刀軸上按照一片動刀一片隔套交替安裝，2 組動刀組交叉安裝。雙齒輥式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其工作原理是由兩臺電機(jī)減速機(jī)作為動力，各自直接驅(qū)動破碎機(jī)的兩根破碎軸，以不同的旋轉(zhuǎn)方向及相同的轉(zhuǎn)速作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。每根破碎軸上裝有若干個破碎刀齒，若干個隔套。第1 個動刀組裝配形式是一個破碎刀齒一個隔套，依次裝配共計若干個破碎部件；第2 個動刀組裝配形式是一個隔套一個破碎刀齒，依次裝配若干個破碎部件。兩根破碎軸平行裝配在箱體軸承座上，破碎軸上的破碎刀與隔套交錯排列。由于兩根破碎軸以不同的旋轉(zhuǎn)方向 (對峙旋轉(zhuǎn))及相同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以兩根破碎軸上的破碎刀產(chǎn)生相對剪切運(yùn)動，即將物料破碎。

圖1 齒錕式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of toothed roll crusher

雙齒錕破碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡便且靈活，可以根據(jù)破碎物料的尺寸大小來確定刀齒的對數(shù)、刀齒直徑的大小以及動刀軸的中心距，其破碎效果好，對刀齒的損耗較小且維修方便。若破碎物料的硬度不大且其破碎要求不高時，可采用單電機(jī)驅(qū)動主動刀軸，主動刀軸再通過齒輪或皮帶輪的連接方式帶動從動刀軸轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)2 個動刀軸對峙旋轉(zhuǎn)并且達(dá)到破碎效果。

2.1 異齒破碎機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前雙齒錕式破碎機(jī)所采用的盤形刀齒都為同一直徑尺寸規(guī)格，而異齒結(jié)構(gòu)破碎機(jī)所采用的刀齒為不同直徑尺寸規(guī)格。異齒結(jié)構(gòu)破碎機(jī)主要由電機(jī)減速機(jī)、軸承座支撐板、深溝球軸承、2 組動刀組、唇形密封圈、端蓋蓋板、靜刀組、靜刀支撐板組成。異齒機(jī)構(gòu)破碎機(jī)的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。其中，動刀組主要由動刀軸、不同直徑尺寸規(guī)格的刀齒以及相應(yīng)的隔套、鎖緊軸套組成。動刀軸為切邊軸，為防止刀齒在破碎過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動。鎖緊軸套的作用是軸向定位，防止刀齒與隔套發(fā)生軸向竄動。動刀組的結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖2 異齒機(jī)構(gòu)破碎機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Three dimensional structural drawing of crusher with different tooth mechanism

圖3 動刀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of moving tool set

2.2 刀齒間隙及中心距計算

在雙齒錕式破碎機(jī)的設(shè)計中，刀齒間隙以及中心距的確定對物料在破碎之后產(chǎn)生顆粒尺寸的大小有很重要的影響，兩根動刀軸中心距的確定對整個破碎裝置的安裝以及其他零部件的尺寸設(shè)計都有重要影響。2 組動刀組的安裝位置如圖4所示。

圖4 動刀組安裝位置Fig.4 Installation position of moving tool set

刀齒間距指的是兩組動刀組交叉安裝之后相鄰兩個刀齒之間最小的間距，其尺寸主要由破碎顆粒的大小確定。理論上刀齒間距應(yīng)小于等于破碎顆粒的尺寸，目的是防止大于尺寸要求的顆粒從刀齒間隙中掉落到集料倉中。

中心距指的是兩個動刀軸中軸線的距離，如圖4 中的尺寸a。在雙齒錕式破碎機(jī)中，由于所采用刀齒的規(guī)格一致且所對應(yīng)隔套的尺寸一致，所以中心距a應(yīng)滿足以下條件：

式中：a——中心距；D刀齒——刀齒直徑；D隔套——隔套直徑；d物料——破碎后物料的規(guī)定尺寸。

在異齒結(jié)構(gòu)破碎機(jī)中，由于刀齒的直徑規(guī)格不同，在確定中心距a時，應(yīng)滿足每對刀齒都參與到破碎過程中，即在動刀組交叉安裝之后每對刀齒都有交叉重疊部分。因此在刀齒規(guī)格的選擇上有一定的要求，即所采用最小刀齒尺寸與最大刀齒尺寸的直徑差不能過大。在保證最大刀齒與動刀軸不發(fā)生干涉的前提下，過大的直徑差會導(dǎo)致最小刀齒不參與破碎過程。即動刀組在交叉安裝之后，最小一對刀齒沒有交叉重疊部分。因此最大刀齒直徑與最小刀齒直徑應(yīng)滿足：

式中：Dmin——最小刀齒直徑；Dmax——最大刀齒直徑；d軸——動刀軸直徑即刀齒內(nèi)孔直徑。

因此異齒結(jié)構(gòu)中心距a應(yīng)滿足以下條件：

式中：a——兩動刀軸中心距；Dmin——最小刀齒直徑；Dmax——最大刀齒直徑；D隔套——最大刀齒所對應(yīng)隔套的直徑；d物料——破碎后物料的規(guī)定尺寸。

2.3 刀齒的排列

雙齒輥破碎機(jī)的布齒形式影響破碎機(jī)的工作性能，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前雙齒輥破碎機(jī)的布齒形式主要有以下幾種：均布型布齒、齒差型布齒、跟進(jìn)型布齒和螺旋型布齒[6-9]。異齒結(jié)構(gòu)的破碎機(jī)由于采用的是不同尺寸規(guī)格的刀齒，則在刀齒排列方面有特定的要求，即相鄰兩個刀齒的尺寸規(guī)格應(yīng)不相同。該異齒結(jié)構(gòu)的破碎機(jī)采用4種不同尺寸規(guī)格的刀齒，分別是直徑為75 mm 的刀齒，直徑為80 mm 的刀齒，直徑為90 mm 的刀齒，直徑為100 mm 的刀齒。其排列方式如圖5 所示。

圖5 動刀排列圖Fig.5 Arrangement of cutter teeth

異齒結(jié)構(gòu)破碎機(jī)采用這種排列方式使其動刀組旋轉(zhuǎn)表面有高度的落差，當(dāng)物料丟進(jìn)破碎機(jī)時始終呈傾斜狀態(tài)可加快破碎的進(jìn)程。這種排列方式可使多對刀齒同時破碎減少至兩對刀齒同時破碎，減小了電機(jī)減速機(jī)的功率，降低了刀具的損耗。

3 異齒結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)類似于圓柱形的廚余垃圾如豬腿骨掉入雙齒錕式破碎機(jī)中，由于采用相同規(guī)格的刀齒，動刀組旋轉(zhuǎn)面為圓柱面，圓柱形物料會平躺在兩組動刀組交叉間隙的正上方不停翻滾，這時只有將其拿出重新豎直放入或按壓圓柱形物料一端才能使其快速破碎，但這樣的操作危險系數(shù)太大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是參與破碎的一對刀齒的刀尖在與圓柱形垃圾接觸時，其接觸點(diǎn)位于圓柱體的下半部分如圖6 所示，刀齒的前刀面與圓柱面沒有垂直，因此沒有形成有效的卡緊力，從而產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。

圖6 物料與動刀組接觸Fig.6 The material in contact with the moving knife group

異齒結(jié)構(gòu)破碎機(jī)由于采用不同尺寸規(guī)格的刀齒，其動刀組的旋轉(zhuǎn)面為存在高度落差的曲面，所以當(dāng)圓柱形垃圾掉入破碎機(jī)時始終呈傾斜狀態(tài)。并且不同尺寸的刀齒依次成對參與破碎過程時，每對刀齒的刀尖與圓柱面的接觸位置依次發(fā)生變化可以形成有效的卡緊力，從而將物料帶入破碎進(jìn)程中。由于刀齒尺寸的不同，相比雙齒錕破碎機(jī)同時參與破碎的刀齒對數(shù)減少，很大程度上減小電機(jī)的功率并加快了破碎效率，并且降低了刀具的損耗和維修費(fèi)用。

4 結(jié)論

與雙齒錕式破碎機(jī)相比，異齒結(jié)構(gòu)破碎機(jī)設(shè)計難度提高了。在制造和生產(chǎn)過程中，增加了生產(chǎn)成本和裝配難度，但其拓寬了破碎垃圾的種類范圍，解決了雙齒錕破碎機(jī)的不足之處，加快了破碎效率以及減小了驅(qū)動電機(jī)的功率，在一定程度上降低了刀具的損耗和維修成本。這種結(jié)構(gòu)的破碎機(jī)工作效率高，適用于破碎硬質(zhì)的廚余垃圾如豬骨、牛骨等，破碎時所產(chǎn)生的噪音經(jīng)過消音處理之后可以降到人們可接受范圍之內(nèi)，是一種適合我國國情的廚余垃圾預(yù)處理器，使居民在家中可以直接對廚房食物垃圾進(jìn)行初步處理。