郭大江 林順洪 米 林 譚 偉 傅 欣

(1.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 生活垃圾資源化處理協(xié)同創(chuàng)新中心， 重慶 401331； 2.重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院， 重慶 400054)

將生活垃圾進(jìn)行輕量化、資源化、無害處理化，這是城市管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。對(duì)垃圾的輕量化處理主要包括破碎處理和成型處理。目前對(duì)于生活垃圾，破碎處理效果較好的設(shè)備有對(duì)輥式撕碎機(jī)、剪切式破碎機(jī)和沖擊式破碎機(jī)等；成型處理效果較好的設(shè)備有環(huán)模式、平模式、螺旋擠壓式、活塞沖頭式、對(duì)輥擠壓式成型機(jī)等[1-2]。但是，這些垃圾破碎和成型設(shè)備都是相對(duì)獨(dú)立地工作。為了提高生活垃圾輕量化處理效率，課題組研究設(shè)計(jì)了將破碎與成型功能集于一體的生活垃圾處理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

我國的城市垃圾主要包含易腐有機(jī)物、煤炭、泥沙、塑料、玻璃、金屬品、紙質(zhì)品、木制品等成分，其質(zhì)量、含水量和個(gè)體規(guī)模大小不均，機(jī)械性能相差極大。其中，生活垃圾中包含的物質(zhì)種類也較繁雜。因此，對(duì)生活垃圾適合采用雙滾齒差速破碎方式[2]。破碎刀采用裝配式帶斜角的硬質(zhì)合金刀刃，通過差速滾齒的相互剪切、擠壓和撕扯實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的破碎，同時(shí)可提高刀具的使用壽命，也便于更換刀具。相鄰刀盤錯(cuò)角度安裝，回轉(zhuǎn)對(duì)稱刀盤沿螺線排列，可提高破碎效果的連續(xù)性[3-5]。在破碎過程中，將鋸木面、木削、生物質(zhì)碎秸稈等與生活垃圾一起投入破碎區(qū)，然后利用自重傳輸方式使破碎后的垃圾混合體進(jìn)入成型區(qū)，通過帶模坑的對(duì)輥成型裝置擠壓成型[6-7]，最后仍利用垃圾混合體自身的重力實(shí)現(xiàn)落料。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作流程

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)由破碎與成型兩大功能區(qū)組成，主要包括進(jìn)料斗、破碎箱體總裝、聯(lián)軸器、減速機(jī)、鏈條、成型區(qū)總裝、成型減速總裝、機(jī)架總裝、減速機(jī)墊鐵等部分(見圖1)。頂部投料，底部出料，并在底端設(shè)置滲濾液收集池。為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，采用單個(gè)減速機(jī)，選擇合理的電機(jī)功率，設(shè)計(jì)合理的齒輪傳動(dòng)比，破碎與成型裝置共用同一驅(qū)動(dòng)，破碎的物料能夠及時(shí)滿足成型區(qū)的物料需求量。在成型區(qū)下面設(shè)置接料滑槽，滑槽上設(shè)置橫向漏水口。底端設(shè)置滲濾液收集池，主要目的是避免垃圾破碎成型過程中擠出的多余水分隨成型物料一并流入收料區(qū)，影響成型物料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)見表1至表3。

2.2 系統(tǒng)的工作流程

生活垃圾破碎成型一體機(jī)的整個(gè)工作過程包括投料、混合破碎、成型、落料、收料等環(huán)節(jié)(見圖2)。生活垃圾和混合物(鋸木面、木削、碎秸稈)一起投入進(jìn)料斗，進(jìn)入破碎區(qū)。對(duì)輥差速破碎齒將生活垃圾破碎，下落至對(duì)輥成型區(qū)。成型?？拥膬筛佪S相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，將破碎后的垃圾混合物擠壓成橢圓棒狀物，通過接料滑槽滑向收料區(qū)。擠壓出的多余的滲濾液，通過接料滑槽上的條形縫口流入廢水儲(chǔ)存盤，最終流向廢水處理區(qū)。

圖1 生活垃圾破碎成型一體機(jī)總裝圖

表1 系統(tǒng)總體技術(shù)參數(shù)

表2 混合破碎區(qū)的技術(shù)參數(shù)

表3 對(duì)輥成型區(qū)的技術(shù)參數(shù)

圖2 系統(tǒng)的工作流程示意圖

3 系統(tǒng)的主要功能部件設(shè)計(jì)

3.1 混合破碎區(qū)部件

混合破碎箱的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在混合破碎箱中，主要通過兩組刀具相互交叉安裝的破碎滾來完成破碎任務(wù)。兩組破碎滾主要通過固定在箱體上的滾動(dòng)軸承來支撐，通過鏈輪和齒輪傳遞動(dòng)力。在滾齒的兩側(cè)縫隙處安裝隔板，避免因縫隙過大使待破碎物料由此掉入收料區(qū)。

圖3 混合破碎箱的結(jié)構(gòu)圖

兩組刀具通過相互之間的剪切力、擠壓力和撕扯力將垃圾混合物破碎，主要為剪切破碎。剪切破碎后物料的尺寸大小，由刀具的厚度、嚙合間距及物料的彈性變形能力所決定。破碎機(jī)動(dòng)刀片的刀齒，主要受到動(dòng)力剪切刀產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和擠壓刀產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力。以相鄰刀齒嚙合的長(zhǎng)度為破碎垃圾的處理尺寸，可以計(jì)算出刀齒受到的最大剪切應(yīng)力和刀齒受到的最大擠壓應(yīng)力，從而對(duì)刀齒材料的強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)。生活垃圾中的一般物料如樹枝、食物、骨渣、橡膠、皮革和紙質(zhì)品，對(duì)刀刃基本無影響，但垃圾中存在的沙粒、玻璃和金屬制品，會(huì)對(duì)刀刃形成沖擊、鑿削、磨損作用。隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，刀刃會(huì)被逐漸磨圓。磨圓后的刀刃對(duì)塑料、皮革、紙張等無法產(chǎn)生剪切力，這時(shí)就主要靠相鄰刀具的撕扯力來實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的破碎[4，8]。為了保證刀刃的機(jī)械性能，制作刀具的材料可選用40Cr鋼，并進(jìn)行淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理。

3.2 垃圾成型區(qū)部件

成型區(qū)部件的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在成型區(qū)，對(duì)破碎后的垃圾混合物料實(shí)現(xiàn)對(duì)輥封閉式擠壓成型，成型的擠壓體積比為1∶3。通過齒輪組的傳動(dòng)帶動(dòng)成型輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪組的齒數(shù)與成型輥的圓周面上一圈的?？映杀壤P(guān)系，保證左右成型輥圓周面上的?？邮冀K能形成橢圓形狀。成型后，橢圓柱狀的垃圾混合物密度不大，能在規(guī)定高度跌落，不發(fā)生碎散現(xiàn)象。為此，設(shè)計(jì)成型后的橢圓柱狀物料長(zhǎng)度為50 mm，物料在?？又械拿撃＝嵌仍O(shè)計(jì)為120°。

在對(duì)輥擠壓式成型過程中，要使兩個(gè)成型輥之間始終形成封閉的橢圓形凹坑。文獻(xiàn)[9]以稻谷顆粒物料為例，應(yīng)用離散元法和MATLAB圖形圖像處理技術(shù)，模擬稻谷在無底圓筒中落料堆積現(xiàn)象，并對(duì)堆積圖像輪廓采取線性擬合。在非試驗(yàn)條件下，預(yù)測(cè)出的稻谷堆積角為22.66°±0.49°，堆積試驗(yàn)測(cè)出的堆積角為22.62°±0.33°，誤差為0.18%。生活垃圾混合物與堆積稻谷的性質(zhì)相似。通過實(shí)驗(yàn)，得出生活垃圾混合物的堆積角為32°～37°。由此，將生活垃圾混合物的自然堆積角設(shè)定為35°(見圖5)。根據(jù)生活垃圾混合物的自然堆積角，得到混合物在成型壓輥上成型之前的設(shè)計(jì)體積近似值為 8 850 mm3，擠壓后的體積近似值為2 750 mm3，壓縮比為 1∶3.22。

圖4 成型區(qū)部件的結(jié)構(gòu)圖

圖5 對(duì)輥擠壓式成型過程示意圖(轉(zhuǎn)速n1=n2)

生物質(zhì)顆粒機(jī)的磨具壓縮比是根據(jù)原料來決定的，其中楊木的壓縮比是1∶6，松木的壓縮比是1∶7，硬雜木的壓縮比是1∶5，碎刨花的壓縮比是1∶5.5，玉米秸稈的壓縮比是1∶6.5[10]。生活垃圾混合物的壓縮比應(yīng)大于玉米秸稈的壓縮比，接近1∶10。生活垃圾混合物成型后要進(jìn)行燃燒處理，其設(shè)計(jì)壓縮比不宜偏小，否則就可能燃燒不透。不同原料的壓縮比設(shè)置應(yīng)該有所不同。一般而言，原料越硬壓縮比越小，原料越蓬松壓縮比越大。越蓬松的原料含纖維越多，越容易壓制成型[10]。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

2018年8月，重慶理工大學(xué)和重慶科技學(xué)院合作完成了試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)；2018年10月由重慶飛速機(jī)電有限公司完成了試驗(yàn)樣機(jī)(見圖6)的制造、裝配和調(diào)試。

在樣機(jī)安裝調(diào)試完成后，分別進(jìn)行破碎與成型試驗(yàn)。先用樣機(jī)對(duì)大件物料進(jìn)行初步破碎，結(jié)果未達(dá)到成型粒度要求。接著，利用樣機(jī)進(jìn)行了第二次破碎。經(jīng)過兩次破碎后，物料粒度基本符合要求(見表4)。部分未達(dá)到成型粒度尺寸要求的物料，可能會(huì)影響物料成型。在重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，可適當(dāng)縮小破碎齒的間距、調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速、更換齒輪傳動(dòng)比，分析尋找滿足成型要求的最佳參數(shù)。取得機(jī)器最佳運(yùn)行參數(shù)后，進(jìn)行破碎成型一體化試驗(yàn)。

選擇含水率為25%的生物質(zhì)粉碎料，將成型裝置轉(zhuǎn)速與破碎裝置轉(zhuǎn)速的比例設(shè)計(jì)為1∶7，以保證物料的成型率和擠壓時(shí)間。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)粉末擠壓成型密度小于設(shè)計(jì)成型密度，抗跌落性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也低于理論值，但均在允許的誤差范圍內(nèi)。要提高生物質(zhì)粉末成型后的抗跌落性，可在垃圾混合物料中適當(dāng)加入粘結(jié)劑。

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)照片

表4 木削與紙削的破碎數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

研制的生活垃圾破碎成型處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)率為50～200 kgh，入料為薄塊狀或碎粒狀，破碎后的粒度為10～40 mm，成型尺寸為50 mm×45 mm×30 mm。以木削和辦公廢紙為實(shí)驗(yàn)原料，測(cè)試了樣機(jī)的破碎性能。結(jié)果顯示，破碎粒度與設(shè)計(jì)值基本吻合。成型試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣機(jī)的成型性能良好；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，含水率為25%的生物質(zhì)粉末在成型后的抗跌落性較差。后期研究將進(jìn)一步優(yōu)化樣機(jī)的性能，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性及使用壽命。