城市生活垃圾破袋破碎一体机性能实验研究

盛金良，高瑜刚，郝冰波

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

城市生活垃圾破袋破碎一体机性能实验研究

盛金良，高瑜刚，郝冰波

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

以自行研制的双辊差速式破袋破碎一体机为实验平台，研究了进料速度、主辊转速、副辊转向对破袋率、处理效率、破碎单位能耗及垃圾行走速度的影响。实验表明：该破袋破碎一体机的破袋率为100%；增加进料速度、主辊转速，有利于提高处理效率，减少破碎单位能耗；选择副辊正转有利于提高处理效率和垃圾行走速度。

城市生活垃圾；破袋；破碎机

生活垃圾袋破碎处理作为城市生活垃圾预处理中的重要环节，可以使垃圾尺寸减小，并且变得均匀，为后续的填埋、堆肥、焚烧、热分解等处理工艺提供了有利条件［1］。本实验以1台自行研制的双辊速差式破袋破碎一体机为平台，分别研究了进料速度、主辊转速、副辊转向对破袋率、处理效率、破碎单位能耗及垃圾行走速度的影响。

1　实验装置、原料和方法

1.1实验装置

①自行研制的城市生活垃圾破袋破碎一体机1台（由同济远大环保机械工程有限公司提供）。该破袋破碎一体机采用双辊差速结构［2］（见图1），主辊刀齿采用螺旋式排布方式，副辊刀齿采用直线型排布方式，主副辊转向为正方向，利用刀齿尖的勾滑、刀齿之间的剪切挤压对生活垃圾进行破袋破碎。②多功能扭矩传感器及三参数智能扭矩仪1套。③变频控制柜设备1套。④智能电子秤1台。⑤铁铲2把。⑥实验用塑料袋100个。

图1　双辊差速结构示意

1.2实验原料

实验原料采用城市生活垃圾中含较高有机成分的菜市场垃圾，来自江苏太仓浏河中心菜市场。

1.3实验方法

采用智能电子秤量取质量为M的菜场垃圾，分别装入Y1个实验用塑料袋。首先开启电机电源及变频控制柜电源，通过调节频率的方式控制主辊和副辊的转速。然后依次投入袋装垃圾若干组，利用秒表记录投料时间t1。在破碎过程进行的同时，记录三参数智能扭矩仪上的转速、扭矩、功率读数。当出料口稳定出现料流时，记录此时秒表读数t2。保持料流稳定流出一定时间，观察扭矩传感器，当扭矩数值急剧下降时，记录此时秒表读数t3，同时关闭破袋破碎一体机电机电源及变频控制柜电源，实验结束。在出料口处收集破碎后产品，记录混在出料垃圾中的完整垃圾袋个数Y2。

2　实验结果及分析

2.1实验分析指标

垃圾破袋率C：

垃圾破碎单位能耗E：

破袋破碎机处理效率Q：

垃圾行走平均速度v：

式中：2.5为垃圾在破袋破碎机中的轴向行走距离，m。

2.2垃圾进料速度对破袋破碎一体机性能的影响

主辊转速为80 r/min，副辊转速为34 r/min，投料时间控制为40 s，通过改变进料速度vM，测得处理时间t3。

2.2.1进料速度对破袋率及处理效率的影响

在改变垃圾进料速度的条件下进行垃圾破碎实验，出料垃圾中没有发现完整的垃圾袋，故垃圾破袋率C可视为100%。进料速度vM与处理效率Q的关系如图2所示。

图2　不同进料速度对处理效率的影响

随着进料速度vM的增加，处理效率Q首先近似线性增大，然后增速逐渐变缓。当进料速度vM由较小值开始增加时，单位时间内进入破碎腔的垃圾随之增加，处理效率近似正比例增加；当进料速度vM增加到一定程度时，由于破碎腔空间一定，单位时间内进入破碎腔的垃圾趋于不变，同时刀齿螺旋排布产生的轴向输送作用趋于稳定，处理效率Q增长变缓。

2.2.2进料速度对破碎单位能耗的影响

图3为当进料速度分别为50、140、250 kg/min的主辊扭矩-时间历程曲线。

图3　不同进料速度下的主辊扭矩-时间历程曲线

由公式（2）得出进料速度对破碎单位能耗的影响如图4所示。

图4　不同进料速度对破碎单位能耗的影响

当主副辊转速一定的条件下，加大进料速度，破碎单位能耗变化趋势为先降低后趋于平缓。当进料速度较小时，垃圾分布极为松散，因此垃圾对刀齿的阻力相对也小，但是由于进料量不足，导致垃圾轴向输送作用不强，因此单位时间内的出料量不大，需要的破碎时间较长，导致破碎单位能耗较大。但随着进料质量增加，意味着破碎腔内垃圾受到的压力增大，破碎腔内垃圾自由运动的空间减小，相对密实的垃圾使得轴向输送作用加强，单位时间内的出料量增多，单位质量所需要的破碎时间变小，因此破碎单位能耗变小。当进料速度增大到一定程度后，垃圾轴向输送速度趋于稳定，轴向输送作用趋于稳定。

2.3主辊转速对破袋破碎一体机性能影响

副辊转速为35 r/min，垃圾进料速度保持为250 kg/min，投料时间为40 s的条件下，通过改变主辊电机频率来调节主辊转速，测得处理时间。

2.3.1主辊转速对破袋破碎一体机破袋率及处理效率的影响

在不同主辊转速条件下进行破碎实验，出料垃圾中没有发现完整的垃圾袋，故垃圾破袋率可视为100%。在不同主辊转速条件下，破袋破碎一体机的处理效率如图5所示。

图5　不同主辊转速对处理效率的影响

在副辊转速、投料速度不变的条件下，处理相同质量的菜场垃圾，主辊转速越高，处理效率越高。破袋破碎机的破碎过程主要发生在主辊刀齿主刃、2边侧刃与副辊刀齿之间，转速越高，主辊产生的离心作用越强。当垃圾经过1次破碎后，在离心力作用下，破碎垃圾不易粘附于刀齿及辊筒表面，有利于破碎的进行。同时，主辊转速越大，同一时间内，垃圾受到的破碎次数越多，同时轴向移动距离越大，故处理效率越高。

2.3.2主辊转速对破碎单位能耗的影响

在不同转速条件下，主辊转速对主辊扭矩的影响如图6所示。

图6　不同主辊转速下的主辊转矩-时间历程曲线

由公式（2）得出主辊转速对破碎单位能耗的影响如图7所示。

图7　不同主辊转速对破碎单位能耗的影响

从图7可以看出，破碎单位能耗随着转速的提高而降低。破碎单位能耗主要取决于主辊受到的扭矩及处理时间。从图6可知，若不计投料初期的转矩激增阶段，主辊所受转矩基本随着转速的提高而降低；同时主辊转速越高，处理相同质量的垃圾需要的时间越短，故破碎单位能耗随之降低。根据实验结果，从破碎单位能耗的角度看，高转速有利于节约能耗。

2.4副辊转向对破袋破碎一体机性能的影响

垃圾进料速度保持为250 kg/min，投料时间为40 s的条件下，控制副辊转速分别为34、-34、0 r/min的条件下，改变主辊转速进行破碎实验，测得处理时间。

2.4.1副辊转向对破袋破碎一体机破袋率及处理效率的影响

在不同转速条件下进行破碎实验，出料垃圾中没有发现完整的垃圾袋，故垃圾破袋率可视为100%。破袋破碎一体机的处理效率如图8所示。

图8　不同副辊转向条件下主辊转速与处理能力的关系

副辊的运转条件对破袋破碎一体机处理效率影响极大。当副辊反转或不转时，其处理能力远远低于副辊正转时的处理能力。当副辊反转时，在主辊的作用下，被咬入破碎区域的垃圾随主辊旋向而向下运动，而副辊反转造成破碎区域的垃圾受到向上的力，垃圾的咬入刀齿的运动受到妨碍，垃圾破袋破碎一体机的处理能力大大下降。而当副辊不转时，副辊上刀齿相当于定齿，破袋破碎机可视为单辊破碎机，由于副辊不运动，因离心运动甩至副辊上的垃圾基本处于静止状态，故实际参与螺旋输送的垃圾质量减少。同时，粘于副辊刀齿表面的垃圾不易脱落，使副辊刀齿变“钝”，影响了破碎过程中的剪切效果，处理效率降低。

2.4.2副辊转向对破袋破碎一体机垃圾行走速度的影响

在其它条件相同的情况下，副辊正转时的垃圾行走速度最快，副辊反转次之，副辊不转最慢（见图9）。因为副辊正转时，两辊转向相反，有利于垃圾的咬入破碎，并且由于副辊转动的离心力，垃圾不易粘附于副辊刀齿上，垃圾在充分破碎后螺旋输

送。而当副辊反转时，垃圾受到两辊相反的作用力，大大影响了咬入破碎，垃圾在破碎腔内上下跳动的几率变大，影响了轴向输送。当副辊不转时，由2.4.1可知，甩至副辊上的垃圾基本处于静止状态，实际参与螺旋输送的垃圾质量减少，粘于副辊刀齿表面的垃圾不易脱落，影响了破碎过程中的剪切效果，处理效率降低，从而影响了整体的垃圾行走速度。

图9　不同副辊转向条件下主辊转速与垃圾行走速度的关系

3　结论

1）在主辊转速、副辊转速和投料时间一定的情况下，破袋破碎一体机的处理效率随着垃圾进料速度的增加先变大后趋于平缓；进料速度越大，破碎单位能耗逐渐降低。

2）在副辊转速、垃圾进料速度和投料时间一定的情况下，处理相同质量的菜场垃圾，主辊转速越高，单位时间内出料量越大。不计投料初期的转矩激增阶段，主辊所受转矩基本随着转速的提高而降低。从破碎单位能耗的角度看，高转速有利于节约能耗。

3）与副辊正转相比，副辊反转时的处理效率及垃圾移动速度大大降低；副辊不转时，其处理能力及垃圾移动速度进一步降低。故破袋破碎一体机工作时应选择副辊正转。

［1］胡进.城市生活垃圾破袋破碎技术研究及破袋破碎机设计［D］.绵阳：西南科技大学，2008.

［2］张月斌.双齿辊破碎机总体方案设计及关键技术研究［D］.西安：西安科技大学，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，研究方向为环卫机械关键技术。