傅 欣，郭大江，陳 華，張 華，余 衡，楊遠(yuǎn)芳，李宜蔓

（1.重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶 402760；2.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

隨著人們生活水平的逐漸提高，對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年，中國(guó)城市生活垃圾（MSW）清運(yùn)量達(dá)2.28 億t，垃圾產(chǎn)量巨大，使部分城市出現(xiàn)“垃圾圍城”的困境[1]。對(duì)于生活垃圾的已有現(xiàn)狀，國(guó)家高度重視，在“十三五”規(guī)劃中要求對(duì)生活垃圾進(jìn)行減量化、無(wú)害化、資源化處理。對(duì)于垃圾的處理，不管是填埋、焚燒、熱解或是氣化，破碎預(yù)處理是生活垃圾減量化的重要步驟[2-4]。破碎預(yù)處理即在外力作用下，客服物料之間的內(nèi)聚力，將大件的垃圾破碎成小件垃圾，以進(jìn)一步減小垃圾體積，便于集中運(yùn)輸和存放，為回收、焚燒等后續(xù)處理提供便利條件。

對(duì)于生活垃圾的破碎處理，目前主要集中于對(duì)大件垃圾的破碎處理。而生活垃圾種類復(fù)雜、體積量大，包含大件、小件、軟物和硬物，各物料混雜在一起，物理性質(zhì)相差較大，未經(jīng)篩選進(jìn)入破碎機(jī)中破碎，對(duì)刀具影響較大；破碎后物料尺寸需符合要求；對(duì)于軟物料，如塑料等也需解決其抗纏繞等問(wèn)題。因此，為進(jìn)一步解決生活垃圾不同物料破碎問(wèn)題，以及進(jìn)一步縮小破碎后體積，本文設(shè)計(jì)了生活垃圾多級(jí)破碎成型一體機(jī)，通過(guò)多級(jí)差速破碎，實(shí)現(xiàn)各類生活垃圾的有效破碎，通過(guò)設(shè)計(jì)螺旋輸送擠壓器實(shí)現(xiàn)破碎后的垃圾快速成型，以更好地實(shí)現(xiàn)垃圾輕量化、資源化，無(wú)害化處理[5-8]。

1 破碎機(jī)的設(shè)計(jì)原理

針對(duì)生活垃圾的含量種類（瓜皮、魚(yú)刺、骨頭、塑料袋等）多樣性，提出對(duì)生活垃圾進(jìn)行多級(jí)差速破碎處理的方法，為進(jìn)一步減小垃圾體積，將該方法與成型方法結(jié)合，設(shè)計(jì)了多級(jí)破碎成型一體機(jī)。該裝置主要包括破碎區(qū)部分和成型區(qū)部分。破碎區(qū)又分別由一級(jí)破碎區(qū)和二級(jí)破碎區(qū)組成。一級(jí)破碎區(qū)（硬物垃圾破碎區(qū)）主要用于魚(yú)刺和骨頭等硬物垃圾的破碎，對(duì)于瓜皮和塑料袋等軟物垃圾僅初次破碎。這主要是由于塑料袋等軟物垃圾的特有物理特性導(dǎo)致其在一級(jí)破碎機(jī)區(qū)破碎效果不佳。二級(jí)破碎區(qū)（軟物垃圾破碎區(qū)）主要對(duì)一級(jí)破碎過(guò)程中未破碎完全的垃圾進(jìn)行再次破碎，尤其是軟物垃圾。成型區(qū)設(shè)計(jì)了螺旋擠壓器，通過(guò)螺旋輸送物料至擠壓區(qū)，進(jìn)行擠壓成型，為了保證其成型效果，破碎后的垃圾可添加輔助原料，如木屑、碎秸稈、石灰、少量粘接劑等，將輔助原料與破碎的垃圾均勻混合后再進(jìn)行擠壓成型，可促進(jìn)其成型效果。

2 破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該多級(jí)生活垃圾破碎成型一體機(jī)的總裝圖如圖1所示。主要包括了進(jìn)料口、一級(jí)破碎區(qū)、二級(jí)破碎區(qū)、混合區(qū)、成型擠壓區(qū)、螺旋傳輸區(qū)、減速電機(jī)和支架。破碎區(qū)和成型區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)分別如表1和表2所示。

圖1 多級(jí)生活垃圾破碎成型一體機(jī)總裝圖

表1 破碎區(qū)主要技術(shù)參數(shù)

表2 成型區(qū)主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)通過(guò)3 個(gè)減速機(jī)分別對(duì)一級(jí)破碎、二級(jí)破碎、混合成型提供動(dòng)力，一級(jí)破碎與二級(jí)破碎分別通過(guò)兩組嚙合齒輪傳遞運(yùn)動(dòng)，且兩組嚙合的齒輪為不等大，主要是使兩對(duì)破碎滾產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度差以達(dá)到差速破碎，提高破碎效果。

四軸雙級(jí)生活垃圾破碎成型一體機(jī)的整個(gè)工作流程如圖2所示，包括生活垃圾的投放、生活垃圾破碎（一級(jí)破碎后再進(jìn)行二級(jí)破碎）、混合物料（在破碎后的垃圾中添加輔助添加劑并均勻混合，配制成具有一定粘性的混合物料）、傳輸物料、擠壓物料、物料成型幾個(gè)階段，通過(guò)這一系列流程，是實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的有效破碎和成型，以達(dá)到對(duì)垃圾的減量化處理。

圖2 四軸雙級(jí)生活垃圾破碎成型機(jī)工作流程

生活垃圾通過(guò)人工或自動(dòng)上料器完成物料的投放，投放的垃圾由進(jìn)料斗進(jìn)入破碎區(qū)，通過(guò)一級(jí)破碎將垃圾中的體積較大或較硬的魚(yú)刺或骨頭等進(jìn)行初次破碎，待符合下落的尺寸要求后，通過(guò)一級(jí)破碎區(qū)的雙破碎滾相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)將垃圾轉(zhuǎn)入二級(jí)破碎區(qū)。二級(jí)破碎區(qū)采用的是雙破碎滾緊湊安裝，并保留較小的滾刀間距，以便對(duì)垃圾進(jìn)行二次精細(xì)化破碎，且二級(jí)破碎齒的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將對(duì)生活垃圾中存在的柔性軟物垃圾（如塑料袋、碎布條等）進(jìn)行有效地剪切破碎。經(jīng)二級(jí)破碎后的垃圾在轉(zhuǎn)入擠壓成型區(qū)完成物料成型，輔助添加劑（如木屑、石灰、粘接劑等）由進(jìn)料口進(jìn)行投放，并與破碎后的垃圾進(jìn)行均勻混合。添加輔助添加劑不僅能有效吸收生活垃圾中的水分，以便達(dá)到成型含水量的要求[9-10]，也能進(jìn)一步加強(qiáng)垃圾物料之間的粘合，對(duì)于實(shí)現(xiàn)垃圾的穩(wěn)定成型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其垃圾的減量化處理具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 破碎刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

破碎刀結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用組裝式機(jī)架滾刀，其主要包括刀刃、刀盤、刀刃定位安裝孔、刀盤安裝孔，采用八邊形內(nèi)孔定位于破碎軸上，以減少或消除不必要的鍵槽孔，改善破碎軸抗扭、抗彎曲強(qiáng)度等性能。刀刃使用螺栓與刀刃定位安裝孔緊固刀刃與刀盤上，刀刃的設(shè)計(jì)采用了側(cè)傾角為80°的刀刃，減小因破碎垃圾時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的破碎沖擊力，且刀刃采用硬質(zhì)合金材料[11-12]。

圖3 破碎刀結(jié)構(gòu)

破碎滾安裝方式如圖4所示，采用15°角螺旋錯(cuò)開(kāi)式安裝，以保證各種垃圾被漸進(jìn)破碎，減小破碎阻力。各破碎刀盤之間裝有隔環(huán)，主要是防止在破碎過(guò)程中過(guò)大的沖擊力導(dǎo)致零件損壞。為緊固其隔環(huán)與破碎刀，兩端分別配備鎖緊螺母對(duì)其進(jìn)行夾緊。通過(guò)以上方式安裝刀具，既保證了對(duì)各種垃圾的有效破碎，也延長(zhǎng)了裝置的使用壽命。

圖4 破碎滾裝配示意圖

2.3 螺旋輸送擠壓器的設(shè)計(jì)

螺旋輸送擠壓器結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要由減速機(jī)、聯(lián)軸器、耐磨套、混合腔、混合軸槳、輸送管、螺旋輸送器、螺旋擠壓器、擠壓出料口、接料板組成。其工作過(guò)程主要是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，槳葉在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)物料進(jìn)行攪拌，從而完成物料的均勻混合；混合均勻后的物料再經(jīng)螺旋輸送至螺旋出口處，在螺旋錐度段實(shí)現(xiàn)變體積擠壓，最后完成對(duì)物料的擠壓成型，從而達(dá)到對(duì)垃圾的減量化處理。

圖5 混合擠壓結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語(yǔ)

破碎機(jī)在生活垃圾預(yù)處理過(guò)程中非常重要，其能夠提高生活垃圾的處置效率和資源化利用。為更好地處理生活垃圾中的復(fù)雜物料，也為更好地縮小破碎物料體積，本文設(shè)計(jì)了生活垃圾多級(jí)破碎成型一體機(jī)，并詳細(xì)分析了破碎機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)。

破碎部分主要采用雙級(jí)破碎的方式，實(shí)現(xiàn)兩組不等大的嚙合齒輪傳動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)破碎滾轉(zhuǎn)動(dòng)，并由其轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的速度差，實(shí)現(xiàn)差速破碎物料，以提高物料破碎效率。成型部分，設(shè)計(jì)了螺旋輸送擠壓器。以破碎的生活垃圾摻混生物質(zhì)為實(shí)驗(yàn)原料，在擠壓成型區(qū)繞有電阻絲。電阻絲產(chǎn)生的熱可使生物質(zhì)中的木質(zhì)素軟化起到粘接作用，實(shí)現(xiàn)物料的擠壓粘接，提高其成型率和降低成型料的延展性。