城市生活垃圾破袋破碎一體機性能實驗研究

盛金良，高瑜剛，郝冰波

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

城市生活垃圾破袋破碎一體機性能實驗研究

盛金良，高瑜剛，郝冰波

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

以自行研制的雙輥差速式破袋破碎一體機為實驗平臺，研究了進料速度、主輥轉速、副輥轉向對破袋率、處理效率、破碎單位能耗及垃圾行走速度的影響。實驗表明：該破袋破碎一體機的破袋率為100%；增加進料速度、主輥轉速，有利于提高處理效率，減少破碎單位能耗；選擇副輥正轉有利于提高處理效率和垃圾行走速度。

城市生活垃圾；破袋；破碎機

生活垃圾袋破碎處理作為城市生活垃圾預處理中的重要環節，可以使垃圾尺寸減小，并且變得均勻，為后續的填埋、堆肥、焚燒、熱分解等處理工藝提供了有利條件［1］。本實驗以1臺自行研制的雙輥速差式破袋破碎一體機為平臺，分別研究了進料速度、主輥轉速、副輥轉向對破袋率、處理效率、破碎單位能耗及垃圾行走速度的影響。

1　實驗裝置、原料和方法

1.1實驗裝置

①自行研制的城市生活垃圾破袋破碎一體機1臺（由同濟遠大環保機械工程有限公司提供）。該破袋破碎一體機采用雙輥差速結構［2］（見圖1），主輥刀齒采用螺旋式排布方式，副輥刀齒采用直線型排布方式，主副輥轉向為正方向，利用刀齒尖的勾滑、刀齒之間的剪切擠壓對生活垃圾進行破袋破碎。②多功能扭矩傳感器及三參數智能扭矩儀1套。③變頻控制柜設備1套。④智能電子秤1臺。⑤鐵鏟2把。⑥實驗用塑料袋100個。

圖1　雙輥差速結構示意

1.2實驗原料

實驗原料采用城市生活垃圾中含較高有機成分的菜市場垃圾，來自江蘇太倉瀏河中心菜市場。

1.3實驗方法

采用智能電子秤量取質量為M的菜場垃圾，分別裝入Y1個實驗用塑料袋。首先開啟電機電源及變頻控制柜電源，通過調節頻率的方式控制主輥和副輥的轉速。然后依次投入袋裝垃圾若干組，利用秒表記錄投料時間t1。在破碎過程進行的同時，記錄三參數智能扭矩儀上的轉速、扭矩、功率讀數。當出料口穩定出現料流時，記錄此時秒表讀數t2。保持料流穩定流出一定時間，觀察扭矩傳感器，當扭矩數值急劇下降時，記錄此時秒表讀數t3，同時關閉破袋破碎一體機電機電源及變頻控制柜電源，實驗結束。在出料口處收集破碎后產品，記錄混在出料垃圾中的完整垃圾袋個數Y2。

2　實驗結果及分析

2.1實驗分析指標

垃圾破袋率C：

垃圾破碎單位能耗E：

破袋破碎機處理效率Q：

垃圾行走平均速度v：

式中：2.5為垃圾在破袋破碎機中的軸向行走距離，m。

2.2垃圾進料速度對破袋破碎一體機性能的影響

主輥轉速為80 r/min，副輥轉速為34 r/min，投料時間控制為40 s，通過改變進料速度vM，測得處理時間t3。

2.2.1進料速度對破袋率及處理效率的影響

在改變垃圾進料速度的條件下進行垃圾破碎實驗，出料垃圾中沒有發現完整的垃圾袋，故垃圾破袋率C可視為100%。進料速度vM與處理效率Q的關系如圖2所示。

圖2　不同進料速度對處理效率的影響

隨著進料速度vM的增加，處理效率Q首先近似線性增大，然后增速逐漸變緩。當進料速度vM由較小值開始增加時，單位時間內進入破碎腔的垃圾隨之增加，處理效率近似正比例增加；當進料速度vM增加到一定程度時，由于破碎腔空間一定，單位時間內進入破碎腔的垃圾趨于不變，同時刀齒螺旋排布產生的軸向輸送作用趨于穩定，處理效率Q增長變緩。

2.2.2進料速度對破碎單位能耗的影響

圖3為當進料速度分別為50、140、250 kg/min的主輥扭矩-時間歷程曲線。

圖3　不同進料速度下的主輥扭矩-時間歷程曲線

由公式（2）得出進料速度對破碎單位能耗的影響如圖4所示。

圖4　不同進料速度對破碎單位能耗的影響

當主副輥轉速一定的條件下，加大進料速度，破碎單位能耗變化趨勢為先降低后趨于平緩。當進料速度較小時，垃圾分布極為松散，因此垃圾對刀齒的阻力相對也小，但是由于進料量不足，導致垃圾軸向輸送作用不強，因此單位時間內的出料量不大，需要的破碎時間較長，導致破碎單位能耗較大。但隨著進料質量增加，意味著破碎腔內垃圾受到的壓力增大，破碎腔內垃圾自由運動的空間減小，相對密實的垃圾使得軸向輸送作用加強，單位時間內的出料量增多，單位質量所需要的破碎時間變小，因此破碎單位能耗變小。當進料速度增大到一定程度后，垃圾軸向輸送速度趨于穩定，軸向輸送作用趨于穩定。

2.3主輥轉速對破袋破碎一體機性能影響

副輥轉速為35 r/min，垃圾進料速度保持為250 kg/min，投料時間為40 s的條件下，通過改變主輥電機頻率來調節主輥轉速，測得處理時間。

2.3.1主輥轉速對破袋破碎一體機破袋率及處理效率的影響

在不同主輥轉速條件下進行破碎實驗，出料垃圾中沒有發現完整的垃圾袋，故垃圾破袋率可視為100%。在不同主輥轉速條件下，破袋破碎一體機的處理效率如圖5所示。

圖5　不同主輥轉速對處理效率的影響

在副輥轉速、投料速度不變的條件下，處理相同質量的菜場垃圾，主輥轉速越高，處理效率越高。破袋破碎機的破碎過程主要發生在主輥刀齒主刃、2邊側刃與副輥刀齒之間，轉速越高，主輥產生的離心作用越強。當垃圾經過1次破碎后，在離心力作用下，破碎垃圾不易粘附于刀齒及輥筒表面，有利于破碎的進行。同時，主輥轉速越大，同一時間內，垃圾受到的破碎次數越多，同時軸向移動距離越大，故處理效率越高。

2.3.2主輥轉速對破碎單位能耗的影響

在不同轉速條件下，主輥轉速對主輥扭矩的影響如圖6所示。

圖6　不同主輥轉速下的主輥轉矩-時間歷程曲線

由公式（2）得出主輥轉速對破碎單位能耗的影響如圖7所示。

圖7　不同主輥轉速對破碎單位能耗的影響

從圖7可以看出，破碎單位能耗隨著轉速的提高而降低。破碎單位能耗主要取決于主輥受到的扭矩及處理時間。從圖6可知，若不計投料初期的轉矩激增階段，主輥所受轉矩基本隨著轉速的提高而降低；同時主輥轉速越高，處理相同質量的垃圾需要的時間越短，故破碎單位能耗隨之降低。根據實驗結果，從破碎單位能耗的角度看，高轉速有利于節約能耗。

2.4副輥轉向對破袋破碎一體機性能的影響

垃圾進料速度保持為250 kg/min，投料時間為40 s的條件下，控制副輥轉速分別為34、-34、0 r/min的條件下，改變主輥轉速進行破碎實驗，測得處理時間。

2.4.1副輥轉向對破袋破碎一體機破袋率及處理效率的影響

在不同轉速條件下進行破碎實驗，出料垃圾中沒有發現完整的垃圾袋，故垃圾破袋率可視為100%。破袋破碎一體機的處理效率如圖8所示。

圖8　不同副輥轉向條件下主輥轉速與處理能力的關系

副輥的運轉條件對破袋破碎一體機處理效率影響極大。當副輥反轉或不轉時，其處理能力遠遠低于副輥正轉時的處理能力。當副輥反轉時，在主輥的作用下，被咬入破碎區域的垃圾隨主輥旋向而向下運動，而副輥反轉造成破碎區域的垃圾受到向上的力，垃圾的咬入刀齒的運動受到妨礙，垃圾破袋破碎一體機的處理能力大大下降。而當副輥不轉時，副輥上刀齒相當于定齒，破袋破碎機可視為單輥破碎機，由于副輥不運動，因離心運動甩至副輥上的垃圾基本處于靜止狀態，故實際參與螺旋輸送的垃圾質量減少。同時，粘于副輥刀齒表面的垃圾不易脫落，使副輥刀齒變“鈍”，影響了破碎過程中的剪切效果，處理效率降低。

2.4.2副輥轉向對破袋破碎一體機垃圾行走速度的影響

在其它條件相同的情況下，副輥正轉時的垃圾行走速度最快，副輥反轉次之，副輥不轉最慢（見圖9）。因為副輥正轉時，兩輥轉向相反，有利于垃圾的咬入破碎，并且由于副輥轉動的離心力，垃圾不易粘附于副輥刀齒上，垃圾在充分破碎后螺旋輸

送。而當副輥反轉時，垃圾受到兩輥相反的作用力，大大影響了咬入破碎，垃圾在破碎腔內上下跳動的幾率變大，影響了軸向輸送。當副輥不轉時，由2.4.1可知，甩至副輥上的垃圾基本處于靜止狀態，實際參與螺旋輸送的垃圾質量減少，粘于副輥刀齒表面的垃圾不易脫落，影響了破碎過程中的剪切效果，處理效率降低，從而影響了整體的垃圾行走速度。

圖9　不同副輥轉向條件下主輥轉速與垃圾行走速度的關系

3　結論

1）在主輥轉速、副輥轉速和投料時間一定的情況下，破袋破碎一體機的處理效率隨著垃圾進料速度的增加先變大后趨于平緩；進料速度越大，破碎單位能耗逐漸降低。

2）在副輥轉速、垃圾進料速度和投料時間一定的情況下，處理相同質量的菜場垃圾，主輥轉速越高，單位時間內出料量越大。不計投料初期的轉矩激增階段，主輥所受轉矩基本隨著轉速的提高而降低。從破碎單位能耗的角度看，高轉速有利于節約能耗。

3）與副輥正轉相比，副輥反轉時的處理效率及垃圾移動速度大大降低；副輥不轉時，其處理能力及垃圾移動速度進一步降低。故破袋破碎一體機工作時應選擇副輥正轉。

［1］胡進.城市生活垃圾破袋破碎技術研究及破袋破碎機設計［D］.綿陽：西南科技大學，2008.

［2］張月斌.雙齒輥破碎機總體方案設計及關鍵技術研究［D］.西安：西安科技大學，2012.

Experimental Study on the Performance of Crusher about Urban Household Garbage in Bags

Sheng Jinliang，Gao Yugang，Hao Bingbo
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai201804）

A household urban garbage crusher wasdeveloped to study about the effectsof feeding speed，the main roller speed，the auxiliary roller rotary direction on the crusher performance.The performance included the bag breaking rate，the garbage disposal efficiency，the unit energy consumption and the garbage walking speed.Experimentsshowed that the household urban garbage crusher had a bag breaking rate of 100%.Increasing the feeding speed or the main roller speed would improve the garbage disposal efficiency and reduce the unit energy consumption.As for the auxiliary roller，choosing the forward rotary direction wasbeneficial to improve the disposal efficiency and the garbage walking speed.

urban household garbage；bag-breaking；crusher

X799.3；X705

A

1005-8206（2016）05-0038-04

2016-02-26

盛金良（1962—），副教授，研究方向為環衛機械關鍵技術。