餐廚垃圾剪切式破碎機的研制

張顯潮，李嵐

（北京京城環保股份有限公司、環保工程與技術事業部，北京 202307）

目前國內餐廚、廚余垃圾成分復雜，是有機物和無機物的固液混合狀態。是人們餐后的食物殘渣及烹飪過程中的廢棄垃圾（如菜葉、果皮等），主要來源于餐飲場所、家庭、食堂等。有機物成分主要為米面、肉骨、蔬菜和油脂等。無機物包括鐵勺、木筷、瓷質/玻璃/塑料餐具等硬性物質。因此國內餐廚垃圾在進行厭氧消化之前，必須通過一定的預處理措施將有機質與無機干擾物分離[1]。將有機物和無機物分離并破碎具有相當的技術難度。如何將餐廚垃圾中的有機物完全提取破碎，避免造成有機物浪費，并且能夠將無機物完全去除，是一個長期困擾餐廚垃圾處理行業的世界性難題。

餐廚、廚余垃圾具備產生量大、含水量高、有機物含量高的特點[2]，其資源化利用日益受到重視，前景看好。餐廚垃圾資源化利用能夠降低生活垃圾的處理成本，產生有用的能源或資源，對于社會經濟的可持續發展具有重要意義。

在目前國內外同類設備技術的基礎上，研制專用于餐廚垃圾破碎的低速高扭矩剪切式破碎機，在廚余固廢破碎技術方面達到了世界先進水平。工藝中的有機物與無機物分離不徹底，聯合厭氧制漿設備效果不佳，有機物浪費嚴重，下游輸送效率低，運行成本高昂等是亟待的技術難題。因此研制適用于餐廚垃圾處理的剪切式破碎機，趕超世界先進水平，是市場的迫切要求。

1 設備研制目的及必要性

1.1 研制目的

根據國務院辦公廳2017 年3 月份發布關于轉發國家發展改革委、住房城鄉建設部《生活垃圾分類制度實施方案》的通知，濕垃圾又稱廚余垃圾，成份見表1，餐廚垃圾和廚余垃圾有效可靠的處置方式有焚燒、填埋、厭氧發酵產沼、堆肥等。處理設備需要對原生垃圾進行有機物和無機物進行分離，將餐廚垃圾中的有機物完全提取，避免造成有機物浪費，并且能夠將無機物完全去除，以滿足后端各種焚燒、厭氧發酵處理、堆肥等工藝的需求，因此需要配套使用破碎、破袋專用設備，研制適用于餐廚垃圾等處理的剪切式破碎機，可有效解決目前現狀。

表1 城區餐廚垃圾成分組成表（濕基狀態）%

1.2 研制必要性

目前國內常用的破碎機有顎式破碎機、沖擊式破碎機、反擊式破碎機、錘式破碎機、單段破碎機等[3]。以上幾種破碎機存在的缺點有：不能用于高含水率物料破碎，且運行噪聲巨大；無法適用餐廚垃圾高油水、高韌性、腐蝕性的特點，既無法有效實現軸承密封防塵、防水、防腐的功能；刀具不具有剪切效果；餐廚垃圾成分較復雜，無法有效解決卡阻問題。所以研制適用于餐廚垃圾處理的剪切式破碎機是很有必要的。

2 設備概況及工藝設計

2.1 設備概況及參數

2.1.1 設備工藝概況

本設備的關鍵技術在軸承及密封形式、刀具結構及材質。餐廚垃圾處理的剪切式破碎機具有結構簡單、噪音低等優點，其運行效果好、適應性強、多重密封、防卡阻，耐腐蝕，尤其適合生活餐廚垃圾破碎使用。

2.1.2 設備技術創新點

機架外型和安裝形式為臥式，采用榫卯結構，高強螺栓連接，全部可拆卸，便于維護保養，整體性強，小巧重量輕，耐腐蝕、耐沖擊、緩沖性能好，滿足現場高效、節能、降耗、環保、便捷的處理要求[4]。

通過電機驅動兩組動刀齒盤正反旋轉，使兩動刀組上的相鄰刀齒相對轉動形成剪切力，動刀刀齒與隔套外切面形成剪切力，刀盤的扭力和兩動刀組的轉速差形成的撕扯進而達到破碎效果。且給料量連續變頻可調、能耗低、噪音低、可連續平穩運行。

進口軸承及多重組合式密封，耐負荷高、壽命長、防塵、防水、防污，保障了機器連續穩定運行，有效防卡阻等。

主軸及刀具具有較好的抗疲勞和抗沖擊能力，主軸及刀具采用優質合金鋼、磨具鋼材質，經多次熱處理和高精度加工，機械強度好，抗疲勞和抗沖擊能力強，使用壽命長。定刀及固定刀片均可獨立短時間快速拆卸完畢，從而滿足現場高效、節能、降耗、環保、便捷的要求。

調速方式可采用變頻調速，根據運行電流智能檢測、異常報警，設計不可破碎物智能保護系統，降低了維護成本和故障風險，保障了設備長期健康運行。設備主要結構組成見圖1。

圖1 設備總圖及主要部件組成

2.1.3 設備主要參數

設備主要參數見表2。

表2 設備主要設計參數

表3 材料屬性

2.2 主要參數計算及部件選型

2.2.1 刀軸理論轉速的計算

2.2.1.1 破碎機刀軸平均轉速n（r/min）的計算

根據已知設定設計輸入參數：處理量10 t/h、原生餐廚垃圾密度取1.2 t/m3、刀具厚度30 mm、破碎最大粒徑30 mm、進料口尺寸1 160 mm×690 mm。

因本破碎機結構特點、運轉特性、破碎物料的特殊性，在市場及文獻參考較少，為計算所得數據較為可靠，故采用兩種計算方式進行核算。計算過程如下：

方法一[5]：按雙輥破碎機生產率的計算方法得出刀軸平均轉速。

物料落下的速度與輥子圓周速度的關系為：

式中：Q—破碎機設計處理量，t/h；

D—輥子刀齒直徑，m；

A—物料流的截面積，m2；

ρ—物料密度，t/m3；

K—物料松散系數，對于干硬物料K=0.2～0.3，濕軟物料K=0.4～0.6，對于煤、焦炭或潮濕粘性物料可取0.4～0.75，最大可取0.8。

根據設計參數處理量為10 t/h，刀齒直徑為0.38 m，物料流截面積為0.038 76 m2，物料密度為0.8 t/m3，K 取0.4。則輥子最低理論轉速代入設計參數可得n=Q/188KADρ=11 r/min。

方法二[6-9]：按新型雙齒輥破碎機生產能力的計算方法得出刀軸平均轉速。剪切式雙輥破碎機生產率公式為：

注：餐廚垃圾等液體從刀齒間隙漏下量忽略不計，因此破碎處理量為固體物質

式中：Q—理論上限處理量，t/h；

m—齒環圓周上的齒數，個；

k—物料特性系數，破碎填充系數0.25～1；

A—前后兩對齒形成的封閉多邊形面積（見圖2），m2；

圖2 前后兩對齒形成的封閉多邊形面積

l—沿齒輥軸向布齒長度，m；

n—齒輥轉速，平均轉速為r/min。

根據設計參數處理量為10 t/h，齒環圓周上齒數m 為6 個，物料特性系數取0.9，前后兩對齒形成的封閉多邊形面積A 為0.001 5 m2，沿齒輥軸向布齒長度l為1.16 m。由（4）式推導齒輥轉速代入設計參數可得n=Q/60 mkAl=18 r/min。

雙齒輥破碎機的生產能力等于將輥齒看作物料時單位時間內通過兩輥間的物料的總體積減去在所有輥齒中所占的體積。

經以上兩種計算，驅動刀軸理論最低轉速為11 r/min，最高轉速為18 r/min。

2.2.2 電機功率計算及減速器的選型

式中：Wu—每噸成品的純功耗，kW·h/t，常取Wu=0.5～2.3 kW·h/t；

Q—處理量，t/h；

η—工作效率，一般η=0.6～0.7。

根據設計參數處理量Q 為10 t/h，Wu取值依據《設設計手冊》表15-32 硬質物料性質及棍子間距，并結合按餐廚垃圾中存在最硬物質玻璃、金屬、陶瓷等種類Wu取值1.5，η 取值0.7 可得

經計算破碎機的理論功率P0為21 kW，安全系數f取1.7，故工作功率為P0=P0f=21×1.7=35.7 kW。根據電機功率匹配本破碎機設計總功率為37 kW。因剪切式雙軸獨立驅動，則設計22 kW+15 kW 驅動方案，又因計算驅動刀軸理論最低轉速11 r/min，最高轉速18 r/min，經查《電機減速器選型手冊》確定減速器型號為15-4P-13.2 和22-4p-19.1；額定輸出轉矩分別為9 900 和9 990 N·m。進而通過電機驅動兩組動刀齒盤正反旋轉形成轉速差。

2.2.3 軸徑的計算及剛度校核

2.2.3.1 軸徑的計算

依據《機械設計手冊》第3 卷6-19 表6-1-18 按實心軸扭矩強度計算。τ 查表40Cr 鋼材許用扭轉應力為55 MPa，行星減速器輸出最大扭矩T 為9 990 N/m，則代入數值得[10]：

表4 夾具和載荷

按f=1.2 倍的安全系數，軸徑d=97×1.2=116.4 mm，整取120 mm。

2.2.3.2 軸的扭矩和彎矩剛度校核

使用SolidWorks 軟件進行對主軸的扭矩剛度進行模擬分析，首先將主軸設定兩端固定，模擬動刀齒一面發生卡組，固定其一面，在驅動軸端外花鍵處施加電機減速器額定輸出扭矩9 990 N·m 的1.5 倍轉矩力15 000 N，用來模擬主軸在發生卡組時所產生的扭力變形。表3～表5 為模擬過程。

表5 算例結果

經核算后最大扭力位圓周位移弧長L=0.0389292mm，約0.04 mm，查《機械設計手冊》第2 卷6-29 表6-1-42 圓軸許用扭轉角，按重型機床走刀軸5＇（約0.08°）進行校核，主軸發生最大位移的圓軸外徑160 mm，則角度數n=180°L/πr=（180×0.04）/（3.14×80）≈0.029°＜0.08°，即主軸扭矩剛度設計符合要求。

表6 主軸材料屬性

表7 夾具和載荷

使用SolidWorks 軟件進行對主軸的扭矩剛度進行模擬分析，首先將主軸設定兩端固定，模擬動刀齒一面發生卡組，固定其一面，在驅動軸端外花鍵處施加電機減速器額定輸出扭矩9 990 N·m 的1.5 倍的轉矩力15 000 N，用來模擬主軸在發生卡組時所產生的扭力變形。表6～表8 為模擬過程。

表8 算例結果

經核算后最大扭力位圓周位移弧長L=0.0389292mm，約0.04 mm，查《機械設計手冊》第2 卷6-29 表6-1-42 圓軸許用扭轉角，按重型機床走刀軸5＇（約0.08°）進行校核，主軸發生最大位移的圓軸外徑160 mm，則角度數n=180°L/πr=（180×0.04）/（3.14×80）≈0.029°＜0.08°，即主軸扭矩剛度設計符合要求。

2.3 其它設計要點及選型

2.3.1 刀盤的設計

破碎機動刀及固定刀采用刀座和刀齒分離式設計，刀齒與刀座由兩套高強不銹鋼316L 螺栓固定，可實現刀齒獨立拆卸，更換簡單。因破碎物料時刀齒部位的磨損和腐蝕最大，故刀盤與刀齒為不同材質，刀盤材質選用成本較低的優質合金鋼，刀齒材質選用成本較高的優質模具鋼，從而形成復合破碎刀盤，優化加工，高效裝配，降低整體成本，提高技術經濟指標等。結構如圖3、圖4。

圖3 旋轉刀盤

圖4 固定刀盤

2.3.2 軸承密封形式及選型

軸承密封在本破碎機中尤為重要，面對餐廚垃圾的物料復雜，韌性高、油水高、腐蝕性強等特點，軸承的密封采用多重復合密封方式，即機械迷宮、骨架油封、軸用復合密封O 型圈相結合的設計方式，確保軸承密封可靠，軸承密封如圖5。

圖5 軸承密封

2.3.3 軸承潤滑系統

2.3.3.1 系統配置

軸承油脂集中潤滑系統采用24 V 直流電源，直流電機功率50 W；電動潤滑泵儲脂罐容積為4 L，配置油刮；電動潤滑泵出油口數M 為1 個，流量為5.5 mL/min；電動潤滑泵最大工作壓力25 MPa，該范圍內可調壓；電動潤滑泵出油口連接至分配器進油口，分配器的4個出油口分別連接至破碎機輥子兩端軸承座潤滑點。

2.3.3.2 工作流程

用戶PLC 通過計時器間歇方式給電動潤滑泵電機供電，每次啟動油泵電機后，PLC 開始接收分配器動作的輸出信號。 若在設定時間（通常設定為3～5 min)內檢測到接近開關信號輸出次數（輸出次數可根據現場設備需油量來參考設定，次數越多，注油量越多），則達到注油時間后，PLC 控制電動潤滑泵電機停止；若在設定時間內沒有檢測到或者接近開關輸入信號次數沒有達到設定值，則PLC 應立即控制電動潤滑泵電機停止并輸出報瞀信號，提醒現場人員進行排查檢修。

2.3.3.3 系統工作原理

系統提供低油位脈沖信號輸出（PNP 型直流三線）。當油位正常時啟動電動潤滑泵，則油泵一直輸出脈沖信號，PLC 應顯示油位正常；當油位低時，啟動電動潤滑泵，則油泵將沒有輸出脈沖信號，PLC 應顯示油位低，提醒現場人員及時補充油脂。

系統分配器提供信號輸出（PNP 型直流三線），當系統有油通過分配器時，分配器上的接近開關將會檢測到分配器內部的指示桿往復動作，間歇性的輸出信號。

破碎機四套軸承配有溫度傳感器，可根據設備工作累計時間及現場油溫實時反饋精準定量給軸承加注潤滑油，有效避免因油脂缺少或加注過多對設備產生不良后果。

3 結論

餐廚垃圾處理剪切式破碎機是整個生活垃圾資源化利用和餐廚垃圾處理過程中的核心環節和核心設備，關系到整條工藝能否正常運行、物料粒徑大小及均勻程度等。普通破碎機由于結構問題，連續均勻布料的能力和密封性較差，易卡堵，在環保行業中市場份額較低。本文研制的餐廚垃圾處理的剪切式破碎機解決了密封、連續進料及易卡堵等問題，性價比高，尤其適用于中、大型餐廚垃圾處理系統，可占有一定的市場份額。

目前國內主要以進口設備為主，本文研制的餐廚垃圾處理的剪切式破碎機能填補國內在餐廚垃圾綜合處理廠前端受料設備中的空白。可以說剪切式破碎機是餐廚垃圾綜合資源化處理技術的關鍵，設備主要特點是強度好，受料范圍廣、重量輕、易檢修、高效節能；耐油污腐蝕、環保性好等，是目前生活餐廚垃圾及固廢處理設備更新換代的理想產品。通過剪切式破碎機的研制，為生活垃圾、醫療廢物、紙張塑料等物料資源化利用及減量化專用設備的研制、餐廚垃圾預處理聯合厭氧發酵產沼、堆肥等工藝系統提供了可靠的參考依據及解決方案。