生活垃圾破碎成型一体化处理系统设计

生活垃圾破碎成型一体化处理系统设计

(１.重庆科技学院机械与动力工程学院ꎬ生活垃圾资源化处理协同创新中心ꎬ重庆４０１３３１ꎻ

２.重庆理工大学车辆工程学院ꎬ重庆４０００５４)

郭大江１ꎬ２　林顺洪１　米林２　谭伟２　傅欣１

摘　要:为提高生活垃圾轻量化处理效率ꎬ研究设计了将破碎与成型功能集于一体的生活垃圾处理系统ꎮ介绍了该系统的结构、功能、工作原理和流程、主要设计参数及样机的测试效果ꎮ关键词:生活垃圾处理ꎻ破碎ꎻ成型ꎻ设备ꎻ设计中图分类号:Ｘ７９９

文献标识码:Ａ

文章编号:１６７３－１９８０(２０１９)０５－０１０３－０５

　　将生活垃圾进行轻量化、资源化、无害处理化ꎬ这是城市管理的一项重要内容ꎮ对垃圾的轻量化处理主要包括破碎处理和成型处理ꎮ目前对于生活垃圾ꎬ破碎处理效果较好的设备有对辊式撕碎机、剪切式破碎机和冲击式破碎机等ꎻ成型处理效果较好的设备有环模式、平模式、螺旋挤压式、活塞冲头式、对辊挤压式成型机等[１－２]ꎮ但是ꎬ这些垃圾破碎和成型设备都是相对地工作ꎮ为了提高生活垃圾轻量化处理效率ꎬ课题组研究设计了将破碎与成型功能集于一体的生活垃圾处理系统ꎮ

２　系统的结构及工作流程

２.１　整机结构和技术参数

系统由破碎与成型两大功能区组成ꎬ主要包括进料斗、破碎箱体总装、联轴器、减速机、链条、成型区总装、成型减速总装、机架总装、减速机垫铁等部分(见图１)ꎮ顶部投料ꎬ底部出料ꎬ并在底端设置渗滤液收集池ꎮ为了使系统结构更加紧凑ꎬ采用单个减速机ꎬ选择合理的电机功率ꎬ设计合理的齿轮传动比ꎬ破碎与成型装置共用同一驱动ꎬ破碎的物料能够及时满足成型区的物料需求量ꎮ在成型区下面设置接料滑槽ꎬ滑槽上设置横向漏水口ꎮ底端设置渗滤液收集池ꎬ主要目的是避免垃圾破碎成型过程中挤出的多余水分随成型物料一并流入收料区ꎬ影响成型物料的运输和储存ꎮ系统的技术参数见表１至表３ꎮ

２.２　系统的工作流程

生活垃圾破碎成型一体机的整个工作过程包括投料、混合破碎、成型、落料、收料等环节(见图２)ꎮ生活垃圾和混合物(锯木面、木削、碎秸秆)一起投入进料斗ꎬ进入破碎区ꎮ对辊差速破碎齿将生活垃圾破碎ꎬ下落至对辊成型区ꎮ成型模坑的两根辊轴相对转动ꎬ将破碎后的垃圾混合物挤压成椭圆棒状物ꎬ通过接料滑槽滑向收料区ꎮ挤压出的多余的渗滤液ꎬ通过接料滑槽上的条形缝口流入废水储存盘ꎬ最终流向废水处理区ꎮ

１　系统的设计原理

我国的城市垃圾主要包含易腐有机物、煤炭、泥沙、塑料、玻璃、金属品、纸质品、木制品等成分ꎬ其质量、含水量和个体规模大小不均ꎬ机械性能相差极大ꎮ其中ꎬ生活垃圾中包含的物质种类也较繁杂ꎮ破碎刀采用装配式带斜角的硬质合金刀刃ꎬ通过差同时可提高刀具的使用寿命ꎬ也便于更换刀具ꎮ相邻刀盘错角度安装ꎬ回转对称刀盘沿螺线排列ꎬ可提高破碎效果的连续性[３－５]ꎮ在破碎过程中ꎬ将锯木面、木削、生物质碎秸秆等与生活垃圾一起投入破碎区ꎬ然后利用自重传输方式使破碎后的垃圾混合体进最后仍利用垃圾混合体自身的重力实现落料ꎮ入成型区ꎬ通过带模坑的对辊成型装置挤压成型[６－７]ꎬ因此ꎬ对生活垃圾适合采用双滚齿差速破碎方式[２]ꎮ速滚齿的相互剪切、挤压和撕扯实现对垃圾的破碎ꎬ

收稿日期:２０１９－０８－２８

基金项目:重庆市“２０１１协同创新中心”择优支持计划项目“生活垃圾资源化处理协同创新中心”(ｓｈｌｊｚｙｈ２０１７－００５)作者简介:郭大江(１９９２—)ꎬ男ꎬ助教ꎬ重庆理工大学２０１７级非全日制硕士研究生ꎬ研究方向为汽车尾气排放控制技术ꎮ

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郭大江ꎬ等:生活垃圾破碎成型一体化处理系统设计

图１　生活垃圾破碎成型一体机总装图

表１　系统总体技术参数

参数名称

生产率主电机功率给料机给料量破碎粒度成型率

成型物料尺寸(长×宽×高)整机尺寸(长×宽×高)

设计值５０~２００ｋｇ∕ｈ２.２ｋＷ５０~２００ｋｇ∕ｈ１０~４０ｍｍ８０∕％

５０ｍｍ×４５ｍｍ×３０ｍｍ１０６０ｍｍ×８４５ｍｍ×６００ｍｍ

表３　对辊成型区的技术参数

参数名称　对辊成型尺寸对辊成型箱外形尺寸成型辊尺寸处理量减速机功率破碎成型传动比成型颗粒(椭圆柱)尺寸

设计值

３４０ｍｍ×２００ｍｍ×１９３ｍｍ４１５ｍｍ×２６０ｍｍ×１９３ｍｍ

Φ１００ｍｍ×１７５ｍｍ５０~２００ｋｇ∕ｈ２.２ｋＷ７∶１

５０ｍｍ×４５ｍｍ×３０ｍｍ

表２　混合破碎区的技术参数

参数名称　混合破碎腔尺寸混合破碎箱外形尺寸处理量破碎刀盘尺寸减速机功率破碎颗粒直径

设计值３４０ｍｍ×３００ｍｍ５８８ｍｍ×３８０ｍｍ×１６０ｍｍ

５０~２００ｋｇ∕ｈΦ１５０ｍｍ×２０ｍｍ

２.２ｋＷ１０ｍｍ~４０ｍｍ

图２　系统的工作流程示意图

３　系统的主要功能部件设计

３.１　混合破碎区部件

混合破碎箱的结构如图３所示ꎮ

在混合破碎箱中ꎬ主要通过两组刀具相互交叉安装的破碎滚来完成破碎任务ꎮ两组破碎滚主要

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郭大江ꎬ等:生活垃圾破碎成型一体化处理系统设计

通过固定在箱体上的滚动轴承来支撑ꎬ通过链轮和齿轮传递动力ꎮ在滚齿的两侧缝隙处安装隔

板ꎬ避免因缝隙过大使待破碎物料由此掉入收料区ꎮ

图３　混合破碎箱的结构图

　　两组刀具通过相互之间的剪切力、挤压力和撕扯力将垃圾混合物破碎ꎬ主要为剪切破碎ꎮ剪切破碎后物料的尺寸大小ꎬ由刀具的厚度、啮合间距及物料的弹性变形能力所决定ꎮ破碎机动刀片的刀齿ꎬ主要受到动力剪切刀产生的剪切应力和挤压刀产生的挤压应力ꎮ以相邻刀齿啮合的长度为破碎垃圾的处理尺寸ꎬ可以计算出刀齿受到的最大剪切应力和刀齿受到的最大挤压应力ꎬ从而对刀齿材料的强度进行校验ꎮ生活垃圾中的一般物料如树枝、食物、骨渣、橡胶、皮革和纸质品ꎬ对刀刃基本无影响ꎬ但垃圾中存在的沙粒、玻璃和金属制品ꎬ会对刀刃形成冲击、凿削、磨损作用ꎮ随着工作时间的延长ꎬ刀刃会被逐渐磨圆ꎮ磨圆后的刀刃对塑料、皮革、纸张等无法产生剪切力ꎬ这时就主要靠相邻刀具的撕扯力来实现对垃圾的破碎[４ꎬ８]ꎮ为了保证刀刃的机械性能ꎬ制作刀具的材料可选用４０Ｃｒ钢ꎬ并进行淬火加高温回火相结合的热处理ꎮ３.２　垃圾成型区部件

成型区部件的结构如图４所示ꎮ

在成型区ꎬ对破碎后的垃圾混合物料实现对辊封闭式挤压成型ꎬ成型的挤压体积比为１∶３ꎮ通过

齿轮组的传动带动成型辊相对转动ꎮ齿轮组的齿数与成型辊的圆周面上一圈的模坑成比例关系ꎬ保证左右成型辊圆周面上的模坑始终能形成椭圆形状ꎮ成型后ꎬ椭圆柱状的垃圾混合物密度不大ꎬ能在规定高度跌落ꎬ不发生碎散现象ꎮ为此ꎬ设计成型后的椭圆柱状物料长度为５０ｍｍꎬ物料在模坑中的脱模角度设计为１２０°ꎮ

在对辊挤压式成型过程中ꎬ要使两个成型辊之间始终形成封闭的椭圆形凹坑ꎮ文献[９]以稻谷颗粒物料为例ꎬ应用离散元法和ＭＡＴＬＡＢ图形图像处理技术ꎬ模拟稻谷在无底圆筒中落料堆积现象ꎬ并对堆积图像轮廓采取线性拟合ꎮ在非试验条件下ꎬ预测出的稻谷堆积角为２２.６６°±０.４９°ꎬ堆积试验测出的堆积角为２２.６２°±０.３３°ꎬ误差为０.１８％ꎮ生活垃圾混合物与堆积稻谷的性质相似ꎮ通过实验ꎬ得出生活垃圾混合物的堆积角为３２°~３７°ꎮ由此ꎬ将生活垃圾混合物的自然堆积角设定为３５°(见图５)ꎮ根据生活垃圾混合物的自然堆积角ꎬ得到混合物８８５０ｍｍ３ꎬ挤压后的体积近似值为２７５０ｍｍ３ꎬ压缩比为１∶３􀆰２２ꎮ

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在成型压辊上成型之前的设计体积近似值为

郭大江ꎬ等:生活垃圾破碎成型一体化处理系统设计

图４　成型区部件的结构图

图５　对辊挤压式成型过程示意图(转速ｎ１＝ｎ２)

　　生物质颗粒机的磨具压缩比是根据原料来决定

速机电有限公司完成了试验样机(见图６)的制造、装配和调试ꎮ

在样机安装调试完成后ꎬ分别进行破碎与成型试验ꎮ先用样机对大件物料进行初步破碎ꎬ结果未达到成型粒度要求ꎮ接着ꎬ利用样机进行了第二次破碎ꎮ经过两次破碎后ꎬ物料粒度基本符合要求可能会影响物料成型ꎮ在重复试验时ꎬ可适当缩小破碎齿的间距、调节电机转速、更换齿轮传动比ꎬ分析寻找满足成型要求的最佳参数ꎮ取得机器最佳运行参数后ꎬ进行破碎成型一体化试验ꎮ

选择含水率为２５％的生物质粉碎料ꎬ将成型装置转速与破碎装置转速的比例设计为１∶７ꎬ以保证物料的成型率和挤压时间ꎮ实验发现ꎬ生物质粉末(见表４)ꎮ部分未达到成型粒度尺寸要求的物料ꎬ

的ꎬ其中杨木的压缩比是１∶６ꎬ松木的压缩比是１∶７ꎬ硬杂木的压缩比是１∶５ꎬ碎刨花的压缩比是１∶５.５ꎬ压缩比应大于玉米秸秆的压缩比ꎬ接近１∶１０ꎮ生活垃圾混合物成型后要进行燃烧处理ꎬ其设计压缩比不宜偏小ꎬ否则就可能燃烧不透ꎮ不同原料的压缩比设置应该有所不同ꎮ一般而言ꎬ原料越硬压缩比越小ꎬ原料越蓬松压缩比越大ꎮ越蓬松的原料含纤维越多ꎬ越容易压制成型[１０]ꎮ

玉米秸秆的压缩比是１∶６.５[１０]ꎮ生活垃圾混合物的

４　样机试验

作完成了试验样机的设计ꎻ２０１８年１０月由重庆飞􀅰１０６􀅰

２０１８年８月ꎬ重庆理工大学和重庆科技学院合

郭大江ꎬ等:生活垃圾破碎成型一体化处理系统设计

挤压成型密度小于设计成型密度ꎬ抗跌落性实验数据也低于理论值ꎬ但均在允许的误差范围内ꎮ要提

高生物质粉末成型后的抗跌落性ꎬ可在垃圾混合物料中适当加入粘结剂ꎮ

图６　试验样机照片

表４　木削与纸削的破碎数据

木削

粒度∕ｃｍ１~３

一次破碎后

>３~８>８~１２１~２

二次破碎后

>２~５>５~７

占比∕％２０７０１０１０８０１０

１~４>４~６>６~１０１~２>２~４>４~６

办公废纸粒度∕ｃｍ

占比∕％７０２０１０１５８０５

参考文献

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５　结　语

研制的生活垃圾破碎成型处理系统ꎬ设计生产率为５０~２００ｋｇ∕ｈꎬ入料为薄块状或碎粒状ꎬ破碎后３０ｍｍꎮ以木削和办公废纸为实验原料ꎬ测试了样机的破碎性能ꎮ结果显示ꎬ破碎粒度与设计值基本吻合ꎮ成型试验结果显示ꎬ样机的成型性能良好ꎻ同时也发现ꎬ含水率为２５％的生物质粉末在成型后的抗跌落性较差ꎮ后期研究将进一步优化样机的性能ꎬ提高其运行稳定性及使用寿命ꎮ

的粒度为１０~４０ｍｍꎬ成型尺寸为５０ｍｍ×４５ｍｍ×

ＤｅｓｉｇｎｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＴｒｅａｔｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒＤｏｍｅｓｔｉｃ

ＷａｓｔｅＣｒｕｓｈｉｎｇａｎｄＦｏｒｍｉｎｇ

(１.ＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｆｏｒＨｏｕｓｅｈｏｌｄＷａｓｔｅＲｅｓｏｕｒｃｅＴｒｅａｔｍｅｎｔꎬＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓｔｅꎬｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓｔｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｃｒｕｓｈｉｎｇａｎｄｆｏｒｍｉｎｇｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｆｕｎｃｔｉｏｎꎬｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓꎬｍａｉｎｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓｔｅｔｒｅａｔｍｅｎｔꎻｃｒｕｓｈｉｎｇꎻｍｏｌｄｉｎｇꎻｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎻｄｅｓｉｇｎ

２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５４ꎬＣｈｉｎａ)ＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ４０１３３１ꎬＣｈｉｎａꎻ

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