异齿结构厨余垃圾破碎机

朱斌

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

随着城市化进程的不断加快，大量增加的垃圾影响社会环境的质量，阻碍了城市的发展。垃圾处理的无害化、减量化、资源化是城市管理的一项重要内容[1]。我国通常采用的城市垃圾处置方法是焚烧和填埋。但焚烧和填埋这两种方式都会导致大量有机物的浪费，因此迫切需要开发适合家庭使用的小型厨余食物垃圾处理器，对厨余食物垃圾进行单独处理，以实现资源有效利用。目前厨余垃圾处理机主要有粉碎式处理和微生物分解式处理这两种类型。粉碎式处理主要是利用高速离心粉碎机将厨余垃圾粉碎之后排入下水管道，其缺点是对于硬质厨余垃圾如贝壳、猪骨、牛骨之类的粉碎效果不佳且易堵塞管道；微生物分解式处理主要是利用有机微生物降解厨余垃圾，降解之后的残渣可用作肥料，但其缺点是对于大块的硬质厨余垃圾分解周期较长，易产生有害气体。异齿结构破碎装置主要是针对破碎大块的硬质厨余垃圾如贝壳、猪骨、牛骨等。将大块硬质厨余垃圾破碎成小颗粒之后再利用有机微生物降解，不仅缩短了分解周期，还大大提高了有机微生物的利用率。

1 破碎装置的选择

目前，应用广泛的机械破碎设备主要有颚式破碎机、冲击式破碎机、剪切式破碎机以及辊式破碎机等[2]。其他各式各样的破碎机大多是在这些破碎装置的基础上进行改进和优化，以此来满足特定的破碎需求。

颚式破碎机由动颚和静颚两块颚板组成破碎腔，通过挤压和劈裂的方式对物料进行破碎。其工作部件由定颚齿板和动颚齿板组成[3]，主要用于矿石与大块物料的破碎。颚式破碎机的破碎过程是不连续破碎，破碎比小，效率相对较低，当给料不均匀时容易引起两块颚板的磨损不均匀[4]。当其破碎黏湿度较高的物料时，会出现黏齿的现象，难清理。其损耗功率大且破碎时噪音高，不太适用于家用设备。

冲击式破碎机由进料、分料器、涡动破碎腔、叶轮体验、主轴总成、底座传动装置及电机等7部分组成，通过冲击的方式对物料进行破碎。主要用于混凝土骨料的生产以及冶金渣的细碎和粗磨作业。其破碎效率高，耗能低，但破碎时噪音高，振动大且设备体积较大，不太适用于家用设备；剪切式破碎机主要结构是由两条刀轴组成，由马达带动刀轴，通过刀具剪切、撕裂的方式对物料进行破碎。主要处理柔性及松散固体等刚度不大的物料，如印刷电路板、木料和秸秆等。但破碎硬度较大的物料对刀具的损耗太大，并且其设计要求较高，制造和维修成本较高，不太适用于家用设备；辊式破碎机分为光锟式和齿锟式两种，其中齿锟式破碎机的工作原理主要是物料掉入两组反向旋转的动刀组中，通过动刀组上的刀齿对物料进行挤压和撕裂。由于能破碎黏湿物料而广泛应用于中低硬度物料的破碎。机器运转速度较低，工作部件磨损较小，噪音低，灰尘少[5]。

由于该破碎装置主要是针对破碎大块的硬质厨余垃圾如贝壳、猪骨、牛骨等，此类垃圾黏湿度较高且硬度较高。并且，该设备为家用设备，工作时不仅要保证操作人员的安全，消耗的功率不能过大，而且还要保证工作时产生的噪音和灰尘要小。通过对上述几种破碎方式的分析和对比，所以采用齿锟式破碎机。

2 异齿结构破碎机

齿辊式破碎机，根据其使用的原理也可以称为双齿锟破碎机，其主要用于破碎的零部件是盘形刀齿，2 组动刀组沿着轴线平行分布，每组动刀组在动刀轴上按照一片动刀一片隔套交替安装，2 组动刀组交叉安装。双齿辊式破碎机的结构如图1 所示。其工作原理是由两台电机减速机作为动力，各自直接驱动破碎机的两根破碎轴，以不同的旋转方向及相同的转速作旋转运动。每根破碎轴上装有若干个破碎刀齿，若干个隔套。第1 个动刀组装配形式是一个破碎刀齿一个隔套，依次装配共计若干个破碎部件；第2 个动刀组装配形式是一个隔套一个破碎刀齿，依次装配若干个破碎部件。两根破碎轴平行装配在箱体轴承座上，破碎轴上的破碎刀与隔套交错排列。由于两根破碎轴以不同的旋转方向 (对峙旋转)及相同转速运转，所以两根破碎轴上的破碎刀产生相对剪切运动，即将物料破碎。

图1 齿锟式破碎机结构图Fig.1 Structure drawing of toothed roll crusher

双齿锟破碎机结构设计简便且灵活，可以根据破碎物料的尺寸大小来确定刀齿的对数、刀齿直径的大小以及动刀轴的中心距，其破碎效果好，对刀齿的损耗较小且维修方便。若破碎物料的硬度不大且其破碎要求不高时，可采用单电机驱动主动刀轴，主动刀轴再通过齿轮或皮带轮的连接方式带动从动刀轴转动，从而实现2 个动刀轴对峙旋转并且达到破碎效果。

2.1 异齿破碎机结构设计

目前双齿锟式破碎机所采用的盘形刀齿都为同一直径尺寸规格，而异齿结构破碎机所采用的刀齿为不同直径尺寸规格。异齿结构破碎机主要由电机减速机、轴承座支撑板、深沟球轴承、2 组动刀组、唇形密封圈、端盖盖板、静刀组、静刀支撑板组成。异齿机构破碎机的三维结构图如图2 所示。其中，动刀组主要由动刀轴、不同直径尺寸规格的刀齿以及相应的隔套、锁紧轴套组成。动刀轴为切边轴，为防止刀齿在破碎过程中发生转动。锁紧轴套的作用是轴向定位，防止刀齿与隔套发生轴向窜动。动刀组的结构图如图3 所示。

图2 异齿机构破碎机三维结构图Fig.2 Three dimensional structural drawing of crusher with different tooth mechanism

图3 动刀结构图Fig.3 Structure diagram of moving tool set

2.2 刀齿间隙及中心距计算

在双齿锟式破碎机的设计中，刀齿间隙以及中心距的确定对物料在破碎之后产生颗粒尺寸的大小有很重要的影响，两根动刀轴中心距的确定对整个破碎装置的安装以及其他零部件的尺寸设计都有重要影响。2 组动刀组的安装位置如图4所示。

图4 动刀组安装位置Fig.4 Installation position of moving tool set

刀齿间距指的是两组动刀组交叉安装之后相邻两个刀齿之间最小的间距，其尺寸主要由破碎颗粒的大小确定。理论上刀齿间距应小于等于破碎颗粒的尺寸，目的是防止大于尺寸要求的颗粒从刀齿间隙中掉落到集料仓中。

中心距指的是两个动刀轴中轴线的距离，如图4 中的尺寸a。在双齿锟式破碎机中，由于所采用刀齿的规格一致且所对应隔套的尺寸一致，所以中心距a应满足以下条件：

式中：a——中心距；D刀齿——刀齿直径；D隔套——隔套直径；d物料——破碎后物料的规定尺寸。

在异齿结构破碎机中，由于刀齿的直径规格不同，在确定中心距a时，应满足每对刀齿都参与到破碎过程中，即在动刀组交叉安装之后每对刀齿都有交叉重叠部分。因此在刀齿规格的选择上有一定的要求，即所采用最小刀齿尺寸与最大刀齿尺寸的直径差不能过大。在保证最大刀齿与动刀轴不发生干涉的前提下，过大的直径差会导致最小刀齿不参与破碎过程。即动刀组在交叉安装之后，最小一对刀齿没有交叉重叠部分。因此最大刀齿直径与最小刀齿直径应满足：

式中：Dmin——最小刀齿直径；Dmax——最大刀齿直径；d轴——动刀轴直径即刀齿内孔直径。

因此异齿结构中心距a应满足以下条件：

式中：a——两动刀轴中心距；Dmin——最小刀齿直径；Dmax——最大刀齿直径；D隔套——最大刀齿所对应隔套的直径；d物料——破碎后物料的规定尺寸。

2.3 刀齿的排列

双齿辊破碎机的布齿形式影响破碎机的工作性能，经过多年的发展，目前双齿辊破碎机的布齿形式主要有以下几种：均布型布齿、齿差型布齿、跟进型布齿和螺旋型布齿[6-9]。异齿结构的破碎机由于采用的是不同尺寸规格的刀齿，则在刀齿排列方面有特定的要求，即相邻两个刀齿的尺寸规格应不相同。该异齿结构的破碎机采用4种不同尺寸规格的刀齿，分别是直径为75 mm 的刀齿，直径为80 mm 的刀齿，直径为90 mm 的刀齿，直径为100 mm 的刀齿。其排列方式如图5 所示。

图5 动刀排列图Fig.5 Arrangement of cutter teeth

异齿结构破碎机采用这种排列方式使其动刀组旋转表面有高度的落差，当物料丢进破碎机时始终呈倾斜状态可加快破碎的进程。这种排列方式可使多对刀齿同时破碎减少至两对刀齿同时破碎，减小了电机减速机的功率，降低了刀具的损耗。

3 异齿结构优点

当类似于圆柱形的厨余垃圾如猪腿骨掉入双齿锟式破碎机中，由于采用相同规格的刀齿，动刀组旋转面为圆柱面，圆柱形物料会平躺在两组动刀组交叉间隙的正上方不停翻滚，这时只有将其拿出重新竖直放入或按压圆柱形物料一端才能使其快速破碎，但这样的操作危险系数太大。产生这种现象的原因是参与破碎的一对刀齿的刀尖在与圆柱形垃圾接触时，其接触点位于圆柱体的下半部分如图6 所示，刀齿的前刀面与圆柱面没有垂直，因此没有形成有效的卡紧力，从而产生打滑现象。

图6 物料与动刀组接触Fig.6 The material in contact with the moving knife group

异齿结构破碎机由于采用不同尺寸规格的刀齿，其动刀组的旋转面为存在高度落差的曲面，所以当圆柱形垃圾掉入破碎机时始终呈倾斜状态。并且不同尺寸的刀齿依次成对参与破碎过程时，每对刀齿的刀尖与圆柱面的接触位置依次发生变化可以形成有效的卡紧力，从而将物料带入破碎进程中。由于刀齿尺寸的不同，相比双齿锟破碎机同时参与破碎的刀齿对数减少，很大程度上减小电机的功率并加快了破碎效率，并且降低了刀具的损耗和维修费用。

4 结论

与双齿锟式破碎机相比，异齿结构破碎机设计难度提高了。在制造和生产过程中，增加了生产成本和装配难度，但其拓宽了破碎垃圾的种类范围，解决了双齿锟破碎机的不足之处，加快了破碎效率以及减小了驱动电机的功率，在一定程度上降低了刀具的损耗和维修成本。这种结构的破碎机工作效率高，适用于破碎硬质的厨余垃圾如猪骨、牛骨等，破碎时所产生的噪音经过消音处理之后可以降到人们可接受范围之内，是一种适合我国国情的厨余垃圾预处理器，使居民在家中可以直接对厨房食物垃圾进行初步处理。