生活垃圾多級破碎成型一體機的設計*

傅 欣，郭大江，陳 華，張 華，余 衡，楊遠芳，李宜蔓

（1.重慶機電職業技術大學電氣與電子工程學院，重慶 402760；2.重慶科技學院機械與動力工程學院，重慶 401331）

0 引言

隨著人們生活水平的逐漸提高，對環境質量的要求也越來越高。據統計，2018年，中國城市生活垃圾（MSW）清運量達2.28 億t，垃圾產量巨大，使部分城市出現“垃圾圍城”的困境[1]。對于生活垃圾的已有現狀，國家高度重視，在“十三五”規劃中要求對生活垃圾進行減量化、無害化、資源化處理。對于垃圾的處理，不管是填埋、焚燒、熱解或是氣化，破碎預處理是生活垃圾減量化的重要步驟[2-4]。破碎預處理即在外力作用下，客服物料之間的內聚力，將大件的垃圾破碎成小件垃圾，以進一步減小垃圾體積，便于集中運輸和存放，為回收、焚燒等后續處理提供便利條件。

對于生活垃圾的破碎處理，目前主要集中于對大件垃圾的破碎處理。而生活垃圾種類復雜、體積量大，包含大件、小件、軟物和硬物，各物料混雜在一起，物理性質相差較大，未經篩選進入破碎機中破碎，對刀具影響較大；破碎后物料尺寸需符合要求；對于軟物料，如塑料等也需解決其抗纏繞等問題。因此，為進一步解決生活垃圾不同物料破碎問題，以及進一步縮小破碎后體積，本文設計了生活垃圾多級破碎成型一體機，通過多級差速破碎，實現各類生活垃圾的有效破碎，通過設計螺旋輸送擠壓器實現破碎后的垃圾快速成型，以更好地實現垃圾輕量化、資源化，無害化處理[5-8]。

1 破碎機的設計原理

針對生活垃圾的含量種類（瓜皮、魚刺、骨頭、塑料袋等）多樣性，提出對生活垃圾進行多級差速破碎處理的方法，為進一步減小垃圾體積，將該方法與成型方法結合，設計了多級破碎成型一體機。該裝置主要包括破碎區部分和成型區部分。破碎區又分別由一級破碎區和二級破碎區組成。一級破碎區（硬物垃圾破碎區）主要用于魚刺和骨頭等硬物垃圾的破碎，對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致其在一級破碎機區破碎效果不佳。二級破碎區（軟物垃圾破碎區）主要對一級破碎過程中未破碎完全的垃圾進行再次破碎，尤其是軟物垃圾。成型區設計了螺旋擠壓器，通過螺旋輸送物料至擠壓區，進行擠壓成型，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行擠壓成型，可促進其成型效果。

2 破碎機的結構設計

2.1 整機結構

該多級生活垃圾破碎成型一體機的總裝圖如圖1所示。主要包括了進料口、一級破碎區、二級破碎區、混合區、成型擠壓區、螺旋傳輸區、減速電機和支架。破碎區和成型區的設計參數分別如表1和表2所示。

圖1 多級生活垃圾破碎成型一體機總裝圖

表1 破碎區主要技術參數

表2 成型區主要技術參數

整機通過3 個減速機分別對一級破碎、二級破碎、混合成型提供動力，一級破碎與二級破碎分別通過兩組嚙合齒輪傳遞運動，且兩組嚙合的齒輪為不等大，主要是使兩對破碎滾產生相對運動速度差以達到差速破碎，提高破碎效果。

四軸雙級生活垃圾破碎成型一體機的整個工作流程如圖2所示，包括生活垃圾的投放、生活垃圾破碎（一級破碎后再進行二級破碎）、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、物料成型幾個階段，通過這一系列流程，是實現對垃圾的有效破碎和成型，以達到對垃圾的減量化處理。

圖2 四軸雙級生活垃圾破碎成型機工作流程

生活垃圾通過人工或自動上料器完成物料的投放，投放的垃圾由進料斗進入破碎區，通過一級破碎將垃圾中的體積較大或較硬的魚刺或骨頭等進行初次破碎，待符合下落的尺寸要求后，通過一級破碎區的雙破碎滾相對轉動將垃圾轉入二級破碎區。二級破碎區采用的是雙破碎滾緊湊安裝，并保留較小的滾刀間距，以便對垃圾進行二次精細化破碎，且二級破碎齒的自身結構特點將對生活垃圾中存在的柔性軟物垃圾（如塑料袋、碎布條等）進行有效地剪切破碎。經二級破碎后的垃圾在轉入擠壓成型區完成物料成型，輔助添加劑（如木屑、石灰、粘接劑等）由進料口進行投放，并與破碎后的垃圾進行均勻混合。添加輔助添加劑不僅能有效吸收生活垃圾中的水分，以便達到成型含水量的要求[9-10]，也能進一步加強垃圾物料之間的粘合，對于實現垃圾的穩定成型，進而實現其垃圾的減量化處理具有較大的現實意義。

2.2 破碎刀結構設計

破碎刀結構如圖3所示，采用組裝式機架滾刀，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，刀刃的設計采用了側傾角為80°的刀刃，減小因破碎垃圾時產生過大的破碎沖擊力，且刀刃采用硬質合金材料[11-12]。

圖3 破碎刀結構

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

圖4 破碎滾裝配示意圖

2.3 螺旋輸送擠壓器的設計

螺旋輸送擠壓器結構如圖5所示。主要由減速機、聯軸器、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。其工作過程主要是通過電機驅動實現槳葉轉動，槳葉在轉動過程中對物料進行攪拌，從而完成物料的均勻混合；混合均勻后的物料再經螺旋輸送至螺旋出口處，在螺旋錐度段實現變體積擠壓，最后完成對物料的擠壓成型，從而達到對垃圾的減量化處理。

圖5 混合擠壓結構

3 結束語

破碎機在生活垃圾預處理過程中非常重要，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雜物料，也為更好地縮小破碎物料體積，本文設計了生活垃圾多級破碎成型一體機，并詳細分析了破碎機的工作原理、結構設計以及關鍵零部件設計。

破碎部分主要采用雙級破碎的方式，實現兩組不等大的嚙合齒輪傳動，進而驅動破碎滾轉動，并由其轉動過程中產生的速度差，實現差速破碎物料，以提高物料破碎效率。成型部分，設計了螺旋輸送擠壓器。以破碎的生活垃圾摻混生物質為實驗原料，在擠壓成型區繞有電阻絲。電阻絲產生的熱可使生物質中的木質素軟化起到粘接作用，實現物料的擠壓粘接，提高其成型率和降低成型料的延展性。