（农业机械化工程专业论文）城市固体垃圾破碎机的研究.pdf

摘要 本文在国外城市固体垃圾处理设备研究的基础上，结合国内实际情况，开发山一种成本低、 作业质量好的新型垃圾处理设备城市固体垃圾破碎机。 城市固体垃圾成份复杂，而轮胎又是其中较为特殊的物料，通过对整胎轮胎破碎机的比较， 分析了垃圾破碎机破碎废旧轮胎的可行性。参考国外相关机型，确定本设计的机械参数，结合国 内实际加工水平，同时兼顾设计制造的经济性，设计出了刀头可拆式垃圾破碎机，降低了成本， 提高了设备的工艺性。并且利用p r o e 软件对零件进行了三维实体建模，对各零件进行了虚拟装 配，并对其进行了干涉检查及测量查询，提高了设备设计的可靠性。最后对连接刀头的螺栓进行 了强度校核，使用a n s y s 软件对易损部件刀头进行了有限元分析，找出影响因素，并提出了改 进意见，从而优化结构设计。 设备的设计可以根据垃圾处理厂和胶粉厂的颗粒尺寸要求来调节相关数据。 关键词：城市垃圾，破碎机，轮胎破碎，有限元分析 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nm u n i c i p a ls o l i dw a s t ep r o c e s s i n gm a c h i n e sa ta b r o a d ，an e w t y p e m u n i c i p a ls o l i dw a s t ep r o c e s s i n gm a c h i n ew i t hl o w e rc o s t ，h i 9 1 1p r o c e s s i n gq u a l i t ya n dl o we n e r g y c o n s u m p t i o n - - m u n i c i p a ls o l i dw a s t es h r e d d e r , s h o u l db ed e v e l o p e d t y r ei st h ee s p e c 瑚m a t e r i a li nt h em u n i c i p a ls o l i dw a s t ew h o s ec o m p o n e n t sa r ev e r yc o m p l i c a t e d t h r o u g hs t u d y i n go nw h o l et y r es h r e d d e r , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef e a s i b i l i t yo fs h r e d d i n gw h o l et y r ei n t h es o l i dw a s t es h r e d d e r w i t ht h er e f e r e n c eo f t h er e l a t e do v e r s e am a c h i n e s ，t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r s o ft h i sd e s i g n a t i o nw e r ef i x e d t h ew a s t e ss h r e d d i n gm a c h i n e ，w h i c hh a sac h a n g e a b l ek n i f e ，w a s d e s i g n e dmc o n s i d e r a t i o no ft h el o c a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ee c o n o m ya s p e c t f u r t h e r m o r e ，t h e t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l i n ga n dv i s u a la s s e m b l yo fa c c e s s o r i e sw e r em a d ew i t hp m e t h e r e l i a b i l i t yo ft h em a c h i n ed e s i g nw a se n h a n c e db yi n t e r f e r e n c ei n s p e c ta n dm e n s l l r ei n q u i r y f i n a l l y , t h e i n t e n s i t yv e r i 母a n a l y s i so nt h el i n k i n gb o l t so f t h ek n i f ew e r ec a r r i e do u t t h ed a m a g e a b l ep a r t so f k n i f e h e a dw a sa n a l y z e db ya n s y ss o f t w a r ei nt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e ma n a l y s i sa n ds o m ei n f l u e n c e f a c t o rw a sf i g u r e do u t ，w h i c hc a l lh e l pp r o p o s es o m ec o n s t r u c t i v es u g g e s t i o ni no r d e rt oo p t i m i z et h e c o n f i g u r a t i o nd e s i g n t h ei n t e r r e l a t e dd a t ac a nb ea d j u s t e dt oa d a p tt h ed i m e n s i o nr e q u e s t e db yw a s t ep r o c e s s i n ga n d r u b b e rg r a n u l ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，s h r e d d e r , t y r es h r e d d m g ，f i n i t ee l e m e ma n a l y s i s i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王文号b 斗时间：l 卯年舌月b 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：五弓己并斗 时间：卯占年6 月f ；日 导师签名 箨移奇 时间：织r “年月 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 在当今社会里，人类消耗了地球的资源创造了人类的幸福和繁荣，但人类在开发资源和创造 产品的过程中，同时产生了大量的废物“1 。人类在其生产过程、经济活动与生活中无时不产生垃圾， 而且数量在不断地增长。随着世界环境问题的日益突出和可持续发展战略的要求，人们对城市生 活垃圾所引起的污染越来越关注。并对各种类型废弃物的处置和利用进行了大量的研究和开发， 取得了可喜的进展。尤其在我国，随着城市化进程的加快，城市垃圾的产量迅速增加，对环境的 污染问题越来越突出。我国对城市生活垃圾的处理技术还处于试验和起步阶段，也进行了许多尝 试，但与发达国家相比仍有较大的差距。 按照国家标准的定义，固体废物是人类在生存和发展过程中产生的固体废弃物。固体废物主 要包括城市生活固体废物、工业固体废物和农业废弃物三种。工业固体废物：指在工业、交通等 生产活动中产生的采矿废石、选矿尾矿、燃料废渣、化工生产及冶炼废渣等固体废物，又称工业 废渣或工业垃圾。工业固体废物按其来源及性质可分为有毒与无毒废渣两大类，凡含有氟、汞、 砷、铬、镉、铅、氰等及其化合物和酚、放射性物质的均为有毒废渣。工业废渣不仅要占用土地 堆放、破坏土壤、危害生物、淤塞河床、污染水质，不少废渣( 特别是有机质的) 是大气污染一一 恶臭的来源，有些重金属废渣危害甚至更大。农业废弃物，也称为农业垃圾，主要为粪便及植物 秸杆等”1 。 城市生活固体废物：主要指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的 固体废物，常称为城市生活垃圾。主要包括居民生活垃圾、医疗垃圾、商业垃圾、建筑垃圾( 又 称为渣土) 等。 1 城市生活固体废物按其种类可分： ( 1 ) 食品垃圾 指人们在买卖、储藏、加工、食用各种食品的过程中所产生的垃圾。这类垃圾腐蚀性强、分 解速度快，并会散发恶臭。 ( 2 ) 普通垃圾 普通垃圾包括废弃纸制品、废塑料、破布及各种纺织品、废橡胶、皮革制品、废木材及木制 品、碎玻璃、废金属制品和尘土等。普通垃圾和食品垃圾是城市垃圾中可回收利用的主要对象。 ( 3 ) 建筑垃圾 建筑垃圾包括泥土、石块、混凝土块、碎砖、废木材、废管道及电器废料等。这类垃圾一般 由建设单位自行处理，但也有相当数量的建筑垃圾进入城市垃圾中。 ( 4 ) 清扫垃圾 清扫垃圾包括公共垃圾箱中的废弃物、公共场所的清扫物、路面损坏后的废物等。 ( 5 ) 危险垃圾 危险垃圾包括干电池、日光灯管、温度计等各种化学和生物危险品，易燃易爆物品以及含放 射性物的废物。 2 城市生活固体废物( 义称城市生活垃圾) 及其特征性 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 我国是世界上处理城市生活固体废物包袱最重的国家。有资料显示，中国城市生活垃圾年产 总量现已达1 5 亿吨以上，而且每年仍在以8 至1 0 的速度增匠。人均垃圾年产量达4 4 0 公斤，城 市历年的垃圾堆存量高达6 0 亿吨，侵占3 5 亿多平方米的土地，已有2 3 的大中城市被垃圾包围， 有1 4 的城市不得不把解决垃圾危机的途径延伸到乡村。尤其是城市垃圾的二次污染，导致城乡 结合带区域生态环境严重恶化。随着城市垃圾产生量的不断增长，垃圾包围城市的趋势已越演越 烈。 城市垃圾的数量和成分与居民物质生活水平、习惯、废旧物资回收利用程度、市政建设情况 等有关，如国内的垃圾主要为厨房垃圾“1 ，有的城市，炉灰占7 0 ，以厨房垃圾为主的有机物约 2 0 ，其余为玻璃、塑料、废纸等。因此，在某种程度上，城市生活垃圾的组成主要决定于城市 的燃料结构。随着城市燃气化程度的提高，城市垃圾中的渣土量将明显减少，有机质含量迅速增 加。垃圾中有机物质的含量是衡量垃圾质量的重要指标，它很大程度上决定了垃圾的处理方法。 垃圾中有机物含量越高，则选择利用堆肥、焚烧等处理方法进行处理的可能性越大。在垃圾填埋 厂设计和运行过程中，垃圾有机质的含量也是重要的参考指标。城市生活垃圾由于它的来源不同， 成分十分复杂，其物理性质和化学性质差异很大( 如体积、均匀性、颗粒大小、含水量以及热值 等) ，为其处理带来了相当难度。而城市生活垃圾与人居环境息息相关，随着社会的发展，人民 生活水平的不断提高，如何处理垃圾问题已成为当前急切要解决的重要课题。对每个人而言，每 天都在产生垃圾、排放垃圾，也就是说每个人都在无意识中污染我t i 自己赖咀生存的环境。因此， 关注日常生活中垃圾处理问题，将有助于提高每个人的环境意识和资源意识。 3 城市生活垃圾的处理方式 早期各国主要采用直接堆放或利用旧矿坑、沙坑、山谷等简易填放垃圾。在发达国家大力 提倡发展和应用卫生填埋的今天许多发展中国家还是依靠直接堆放和简易填埋方式来消纳不断 产生的大量生活垃圾。这种处理方式带来了严重的环境污染问题，其中包括对土壤、地下水、地 表水、空气的严重污染。据有关资料统计，城市生活垃圾直接堆放、简易填埋的场区，臭气熏天， 老鼠成灾，蚊蝇孽生，向大气释放大量的氨、硫化物，仅有机挥发性气体就多达1 0 0 多种，甚至 还含有多种致癌、致畸物，危害极大。此外，垃圾在堆放腐败过程中，产生大量酸性和碱性有机 污染物，并溶解出垃圾中的重金属，形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源任意堆 放的垃圾或简易填埋的垃圾，其所含水量和堆放垃圾中的雨水产生的渗滤液流人地表水体和渗人 土壤，会造成地表水和地下水的严重污染。世界各国大量直接堆放和简易填埋城市生活垃圾的实 例都证明了这种污染状况”。 处理城市生活垃圾，要按照实现无害化、减量化和再资源化的原则进行。目前处理方式主要 有三种： ( 1 ) 填埋 填埋是大量处理城市生活垃圾的简便有效方法，也是所有垃圾处理工艺剩余物的最终处理方 法。目前，我国一般采用直接填埋法，即将垃圾填入已采取防渗措施的坑中，加以压实、覆盖， 并对气体、渗滤水采取治理措施的固体废物填埋方法。在填埋过程中，垃圾发生生物、物理、化 学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。填埋垃圾投资少，处理量大，技术要求不高， 但是需占用大量土地，渗滤液对地下水的污染和排放的沼气难以处理，易形成后续污染。据报道 一些发达国家发生了在垃圾填埋几十年后造成污染的事件。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 堆肥 堆肥就是利用微生物对有机废物进行分解腐熟而形成肥料的处理方法。用堆肥方式处理垃 圾，可使垃圾变成有机肥。将生活垃圾堆积成堆，保温至7 0 ( 2 储存、发酵，借助垃圾中微生物分 解的能力，将有机物分解成无机养分。经过堆肥处理后，生活垃圾变成卫生的、无味的腐殖质， 既解决垃圾的出路，又可达到再资源化的目的。但是生活垃圾中常含有难以降解的塑料等成分， 要求对垃圾事先进行分类、分拣，要求垃圾中的有机物含量越高越好。堆肥的规模一般较小。 ( 3 ) 焚烧 焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产生的热量可用于发 电和供暖。焚烧处理的优点是可以处理各种不同性质的废弃物，减量效果好( 焚烧后的残渣体积 取决于其灰份的不同而不同减少9 0 以上，重量减少8 0 以上) ，处理彻底。然而这种 方式耗资巨大，建设一个日处理垃圾1 0 0 0 吨的焚烧炉及附属热能回收设备，大约需要7 8 亿元人 民币，建设和生产费用极为昂贵。在多数情况下，这些装备所产生的电能价值远远低于预期的销 售额。将产生巨额经济亏损。同时在焚烧过程中，常形成具有很高毒性的二恶英以及在焚烧灰中 残留的重金属等，易造成二次环境危害。 从上可见，城市生活垃圾的三种处理方式各有优缺点。配备有热能回收与利用装置的大型垃 圾焚烧处理系统，不但可以处理各类城市生活垃圾，而且顺应了回收能源的要求，已成为目前世 界各国广泛采用的城市垃圾处理技术。国外工业发达国家，特别是日本和西欧，普遍致力于推进 垃圾焚烧技术的应用。经过不断摸索和改进，垃圾焚烧技术已日趋成熟，垃圾焚烧处理正逐渐成 为垃圾处理的主流。近年来，国内许多科研设计和大专院校投入力量开发垃圾焚烧技术与设备， 通过引进消化吸收和自主开发取得了长足进步，一批垃圾焚烧发电厂已投入运行，取得了良好的 社会效益和经济效益。可以相信，随着垃圾焚烧工艺和设备的开发和配套日益完善，垃圾焚烧技 术一定会朝着高效、节能、低造价、低污染的方向和自动化程度越来越高的方向发展“。 1 2 城市固体垃圾预处理。1 垃圾预处理主要包括破碎、分选及传送三部分。根据不同的工作原理破碎机分为冲击式( 适 用于石块等脆硬性物质) 、压缩式( 适用于玻璃等脆性物质) 、摩擦式、剪断式( 适用于大块物质) 等多种类型，分选机可分为筛选( 滚筒筛、振动筛、固定筛等) 、风选、磁选、手选等。 考虑到垃圾成分十分复杂，且有综合利用价值，直接焚烧和简单破碎焚烧不仅不利于设备的 安全运行，增加了垃圾处理的数量和难度，而且浪费了一定的可回收利用的资源。因此，目前垃圾 预处理系统在垃圾焚烧系统乃至其它垃圾处理项目中变得越来越重要，成为不可缺少的一个重要 环节。在垃圾焚烧系统中，预处理、焚烧炉和烟气后处理具有同等重要的地位。通过调研国内外 预处理系统的状况，并针对我国北方城市垃圾特性，在技术经济等多方面进行优化的基础上，确定 了预处理系统流程如图1 - 1 所示。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 圈卜1 典型的垃圾综合利用预处理系统流程图 1 2 1 垃圾破碎的目的与意义 固体废物的处理、处置是复杂的系统工程预处理是通过机械破碎，分选等手段对可利用的 物质加以资源回收，对不可利用的物质达到减量化的要求。对于混入废物中的易燃易爆物品的预 分选，可避免后处理中爆炸，燃烧等隐患，提高操作及处置的安全性。因此，预处理是废物的处 理，处置中很重要的一个环节。对于后续处理工艺如卫生填埋，堆肥，焚烧等都是必要的”1 ，对 于要填埋废物，通常要把废物按一定方式压实，这样它们在运输过程中可以减少运输量和运输费 用，在填埋时可以占据较小的空间或体积。对于焚烧和堆肥的废料，通常要进行破碎处理，破碎 成一定粒度的废物颗粒将有利于焚烧的进行，也利于堆肥化的反应速度。在对废物进行资源回收 利用时，也需要破碎、分选等处理过程，比如从塑料导线中回收铜材料，首先要把塑料包皮切开， 把塑料与铜导线分开，再把分开的塑料破碎，进行再造粒，这样就实现了铜和塑料的分别回收利 用的目的。预处理工艺取决于后续工艺和工程费用等条件，如在堆肥处理中，预处理工艺随后续 工艺的不同而异。同样，在城市垃圾的填埋处理或焚烧处理中，预处理工艺也是多种多样的，而 且由于预处理在固体废弃物处理，处置工艺中投资比例很不少，有时甚至超过总投资的5 0 ，因 此，科学合理地选择预处理工艺十分重要。 1 固体废物破碎的目的 ( 1 ) 原来不均匀的固体废物经过破碎或粉磨之后容易均匀一致，可提高焚烧、热解、熔烧、 压缩等作业的稳定性和处理效率。 ( 2 ) 固体废弃物粉碎后假比重减少，容量减少，便于压缩、运输、贮存和高密度填埋和加 速复土还原。 ( 3 ) 固体废物粉碎后，原来联生在一起的矿物或联结在一起的异种材料等单体分离，便于 从中分选、拣选回收有价物质和材料。 ( 4 ) 防止粗大、锋利废物损坏分选、焚烧、热解等设备或炉腔。 ( 5 ) 为固体废物的下一步加工和资源化作准备。 2 破碎方法有两类方法：物理方法和机械方法。 ( 1 ) 物理方法包括低温冷冻粉碎超声波粉碎法两种。后者目前还处于实验室或! | | 工业性 试验阶段，低温冷冻粉碎已用于废塑料及其制品，废橡胶及其制品，废电线等的破碎。 ( 2 ) 机械方法有挤压、劈裂、弯曲、冲击、磨剥和剪切破碎等方法。 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 选择破碎方法时，需视固体废物的机械强度特别是废物的硬度而定。对于脆硬性废物，如各种 废石和废渣等多采用挤压、劈压、弯曲、冲击和磨削破碎：对于柔硬性废物，如废钢材、废汽车、 废器材和废塑料等，多采用冲击和剪切破碎。对于含有大量废纸的城市垃圾，近几年来有些国家 已经采用半湿式和湿式破碎。对于一般粗大固体废物，往往不是直接将它们送下破碎机，而是先 剪切，压缩成形状，再送入破碎机进行进一步的破碎。 1 3 国内外研究现状 国内对垃圾破碎机械的研究起步较晚，目前国内仅有为数不多的厂商有自主研制的垃圾破碎 机械，垃圾处理场中的破碎机械大都为国外引进设备。 德国是垃圾处理工程技术较先进的国家之一，德国豪斯特曼公司是世界一流水平从事混合垃 圾处理工程的专业大公司，在城市垃圾综合处理方面拥有丰富的经验和良好的业绩，目前世界上 有5 0 多个国家的近千家垃圾处理厂采用该公司的技术和设备。而且，由山东德州德隆( 集团) 环保设备有限公司生产的达到世界先进水平的生活垃圾综合处理设备日前在北京市怀柔区投入 运营，受到用户好评。同时，美国，英国，日本的垃圾破碎机械也有各自的特色。 1 3 1 国内外几种相关机型的性能分析 破碎固体废弃物常用的破碎机类型有颚式破碎机、锤式破碎机、冲击式破碎机、剪切式破碎 机、辊式破碎机、球磨机及特殊破碎机等。以上各种机型适用于不同成分硬度的固体垃圾，通 过对城市垃圾成分的分析和调研，辊式破碎机应用较广，以下介绍几种典型的辊式破碎机。 1 上海百利环保设备有限公司垃圾破碎机 用于生活垃圾分选处理的专用设备，其作用是在分选过程中将体积较大的生活垃圾进行破 碎。处理时可同时将垃圾中的软物、硬物、大件等物品破碎，并做到不缠绕、不堵料，在城市居 民生活垃圾分选及处理过程中使用效果极好。 图卜2 上海百利垃圾破碎机 2 德国d o p p s t a d t 公司破碎机 ( 1 ) a k 系列，其特点是破碎滚筒重量大，转速快，上面铰接有破碎连枷，连枷自由摆动， 破碎噪音小；特殊耐磨材料，可替换性好：三种程度的破碎，独特的可替换破碎系统：易替换的 中国农业火学硕士学位论文第一章绪论 破碎筛板确保出料尺寸的可调整性：根据负载情况喂料，使得产量达到最佳状态；设计稳定的驱 图1 3a k6 0 0m u l t i 型破碎机 动、结构和轴承；互换性好，大的防护门，维护费用低。网孔大小5 0 到2 8 0n l m ，十到十五分钟 就可完成筛板拆换。挂车底盘结构，可移动性好。 其适用范围：废旧木头，树木修剪枝，公园垃圾，箱壳类，可回收垃圾等。 ( 2 ) d w 系列移动式辊子破碎机，其特点是辊子旋转缓慢，拖拽物料通过可过载保护的液 压控制破碎梳；利用履带行走机构，即使地形复杂仍具灵活的机动性：破碎爪坚固耐用，拆换简 单；大保护门，维护方便，部件易于拆换。中央润滑：有可靠的监视系统保护驱动组件。 适用范围：废旧木头、铁路枕木、树干树根、大件家庭垃圾、建筑混合垃圾、工业及商业垃 圾、床垫、地毯等。 图1 - 4州3 0 8 0km m m u t 破碎机破碎室 ( 3 ) d w - e 系列固定式辊子破碎机，其特点是机器牢固的钢架结构，稳定性高，寿命长。全 部部件都由机架支撑，如传动组件、破碎部件以及其它各部分。这种结构设计可使传动组占用机 架前面很小的空间，同时减少灰尘量。机架的后面安装的是喂料斗。喂料斗的侧板是经过强化的， 防止被轮式装料器和挖掘铲碰坏。支撑破碎轴和破碎梳齿的安装点都经过了加强，确保可以承受 应变和长时间工作。侧面有大的容易开关的滑动侧门，用来预防意外事故、污染，并为维修提供 方便。轴上装有2 1 个齿，通过上方的可调整液压控制配套梳齿压住要破碎的物料。过载时梳齿 自动下移并卸料，以防出错或损坏。液压控制梳齿自动回到工作位置。轴及梳齿的尖部由耐磨钢 制造，使用寿命长。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜5d w 3 0 8 0 e 破碎机的破碎主轴 机器由一台直流电动机驱动，电机功率可以根据连续工作的要求进行配备。驱动单元配有监 视器，可以在山现操作失误时关掉机器，防止意外损伤。液压力的损失、温度过高或劣质保险丝 都会激发开关，动力通过5 根高性能v 型带、一个大飞轮和一个正齿轮传递给破碎轴。发动机腔 内的液压泵由电机通过v 型带带动，供应所有需要液压的工作件。机器启动后，稍过一会就可工 作。全部控制部分集中在中央机械转换箱内，操作安全简单。机器还可以在轮式装料机、挖掘机 或起重机操作室内进行无线控制，破碎物料在下排料带上排出。 适用范围：家庭垃圾、旧木头、商业垃圾的预破碎。 3 日本富士重工业株式会社f u j ih e a v yi n d u s t r i e s ，l t d 剪切式破碎机”1 其优点：( 1 ) 液压驱动，破碎力大。可破碎以下废弃物：大尺寸废物、普通废品、工业废物、 建筑垃圾、塑料、电器以及发动机等。( 2 ) 破碎高效：可同时用两台液压马达驱动四个破碎轴， 使破碎更高效。( 3 ) 破碎尺寸统一：安装的格筛可以保证一致的破碎尺寸。( 4 ) 维护费用低：刀 片磨损后，可以焊接继续使用。 应用范围：在对垃圾进行循环利用、焚烧、或回收之前进行预破碎的一种液压动力破碎机。 图1 _ 6 双轴破碎机实物图 本课题研究的目标是：按照江苏牧羊集团有限公司的要求，设计出用于处理城市固体垃圾的 破碎机械。目前辊式的破碎机主要以两轴为主，但是效率较低，可破碎物料体积较小，本课题目 标是研制效率高且破碎效果好的三轴式辊式垃圾破碎机，但这样一米，对轴的定位分布，动力输 入的分配及刀具的形状设计研究等方面都需要进行重新设计，这无疑也是对垃圾破碎机械的一项 技术革新。 7 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 研究内容与方法 主要研究内容如下： 1 工作轴转向控制系统 为了防止某些垃圾成分对轴的缠绕，引起刀具折断或动力源超载，要对轴的转向进行实 时控制。 2 机械工作系统 ( 1 ) 通过对国外垃圾破碎机的机械参数的研究分析，设计出适合本课题要求的机械参数； ( 2 ) 垃圾中的废旧轮胎、家具、纤维物品是比较难处理的，它们对刀具的形状及其能承受 的扭矩和抗疲劳特性都有不同的要求，通过对以上三种材料物理成分的分析，同时借鉴国内 外的成功经验，配合试验分析，设计出合适的刀具，并且选用恰当的材料； ( 3 ) 使用现在比较流行的三维设计软件p m e n g m i n g ，完成对垃圾破碎机的实体建模， 确保设计的全面性和可行性； ( 4 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对关键部件刀头三维应力分布情况进行研究，为刀头的 安装方式及结构优化设计提供依据： ( 5 ) 将最后优化确定的各实体模型转换为二维工程图，将工程图纸交付工厂进行样机生产： 课题研究思路框图如图l 一7 所示 图卜7 研究思路框图 8 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 研究目的和意义 综上所述，固体垃圾破碎机在城市生活垃圾处理中起着举足轻重的作用，新技术在破碎机上 的应用大大的提高了设备的工作效率及生产能力，从而使得城市生活垃圾综合处理的工艺性和处 理能力得以发展，但其主流设备及核心技术均为国外厂商所掌握，引进国外先进技术及加强自身 科研能力已成为当务之急，从而提高我国垃圾综合处理的能力与水平。 1 6 本章小结 本章在分析了国内外固体垃圾破碎机性能特点和存在问题基础上，针对江苏牧羊集团的技术 需要，确立了本课题的研究内容与方法。 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章垃圾破碎机破碎废旧轮胎的可行性研究 第二章垃圾破碎机破碎废旧轮胎的可行性研究 废旧轮胎的综合处理是由一套专门流水线设备组成的，采用垃圾破碎机破碎废旧轮胎是从一 机多用、多方面提高设备利用价值考虑的，当然其破碎能力为废旧轮胎综合处理中的初级粗破碎。 废旧轮胎作为城市固体垃圾中一项比较特殊的物料，由于本身结构的特性，破碎起来和其它城市 固体垃圾成分相比较为困难，废旧轮胎作为城市固体垃圾中较为难处理的物料，只要本设备能处 理废旧轮胎，则破碎其它城市固体垃圾也不成问题，而且课题要求该设备能破碎废旧轮胎基于 此出发点，所以有必要对废旧轮胎破碎进行可行性研究。本章主要从动力配备、技术可行、经济 和社会效益等方面分析垃圾破碎机破碎废旧轮胎的可行性。 2 1 废旧轮胎的综合处理 1 轮胎的分类介绍” 轮胎种类繁多达数百种以上，目前国际标准规定，按轮胎的用途分类，可分为斜交轮胎和 子午线轮胎。 斜交轮胎指胎体中帘布层和缓冲层各相邻层帘线交叉，且与胎面中心线呈小于9 0 度排列的 充气轮胎。子午线轮胎( 简称子午胎) 胎体帘布层帘布与胎面中心线呈9 0 度角或接近9 0 度角排 列类似地球子午线形式的轮胎。 斜交轮胎主要采用纤维材料作为轮胎骨架材料，工艺设备相对简单且技术含量低，在使用过 程中生热高，不适合高速行驶，主要用于农用车、低速低性能卡车和客车。从发展方向看，属于 早期的轮胎品种，将被逐步淘汰。而子午线轮胎由于设计上的优势和帘布层数量较少，加上在胎 冠上增加了强度和韧性较大的带束层。其内部磨擦力和滚动阻力较小，耐磨性大大提高，因此结 构合理具有高速、节油、安全、舒适等优点，具有斜交胎不可比拟的优越性，所以现在子午线 轮胎的应用越来越多，我国各车型子午线的应用也有了一定程度的提高如表2 1 所示 表2 - 1 我国各车型轮胎子午化率( ) 子午线轮胎结构介绍”“ 图2 1 钢丝子午线轮胎构造示意图 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章垃圾破碎机破碎废旧轮胎的可行性研究 子午线轮胎的骨架材料有全纤维、半钢丝( 即胎体为纤维帘线，带束层为钢丝) 、全钢丝，填充 材料为橡胶。 2 废旧轮胎处理现状 在当前对报废轮胎的再利用是一个十分紧迫的问题，而其再利用也只有在充分、完全的破碎 和分离掉钢丝等杂物下才是可能的。此外，供破碎的费用必须低廉，而所得的废胶粒又必须有一 定的粒径，以满足各种不同用户的要求。自然这种废胶粒也可以用来生产轮胎，其粒径越小，则 其可混用于橡胶胶粉中的数量也越多“。 西欧、北美以回收处理废旧轿车子午线轮胎为主，每条轮胎质量约为1 0 k 窑，钢丝( 含钢珠) 约占1 6 。通常是将整胎破碎后，大胶块经过液氮浴槽在一1 8 0 一一1 6 0 1 2 低温下快速冷却，然 后进入锤磨式粉碎机，使钢丝和纤维从崩碎的胶块中迅速剥离，再采用筛选和磁选装置，使胶料、 钢丝和纤维进一步分离。清除后的钢丝在胶料中的质量分数小于o 0 0 1 ，收效甚佳。但液氮的消 耗量过大，成本较高。 我国自己设计、制造的回收处理废旧子午线轮胎生产设备已在大连三寰环保设备有限公司 实现了成套装置国产化。该系统以回收处理废旧轿车子午线轮胎为主，可生产1 0 一1 5 目胶粉， 生产能力为6 0 0 0 f f a ，生产流程如图2 - 2 所示。 圄2 2 大连三寰胶粉生产流程图 首先由胶带输送机将废旧子午线轮胎送入lp - - 2 0 0 0 a 型整胎破碎机中，经强力剪切后筛选 出5 0 m 5 0 m m 的大块胶料，再由s 型链斗式提升机送至lq - - 2 0 0 0 a 型钢丝搓切机中。钢丝搓 切机的工作原理是在圆鼓上嵌入转动切刀为烈向螺旋线排列的特殊结构，转刀在高速运作中与定 向切刀交叉搓切，将胶块中的钢丝分离出来”“。 2 2 垃圾破碎机破碎废旧轮胎的动力可行性分析 由于轮胎结构成分韧性较强，而且还有帆布、钢丝等物质，因而对动力配备的要求较高，在 设计破碎轮胎时，首先应对设备的动力可行性进行分析。 从整胎破碎机和钢丝挫切机的主要技术参数示意图2 - 3 中我们可以发现，大连三寰环保设备 有限公司的整胎破碎机有两种型号，根据现有的l p 一1 0 0 0 动力配备可知：该机的配套动力为5 5 k w ， 中国农业大学硕士学位论文 第二章垃圾破碎机破碎废旧轮胎的可行性研究 进料尺寸由5 6 0 r a m ，转速为1 8 r m i n ，切刀数量为1 6 片。本课题设计的垃圾破碎机，主要与三 台7 5 k w 的电动机配套使用，最后传递到每个工作轴上的动力大约7 0 k w 左右。根据上述的动力配 备需求，完全能满足动力配备的需要。 表2 - 2 整胎破碎机和钢丝挫切机的主要技术参数表 2 3 垃圾破碎机破碎废旧轮胎的技术可行- 睫分析 2 3 1 轮胎破碎机的工作原理 通过市场调研我们发现，废旧轮胎的整胎破碎有两种方式，一种是辊式破碎，一种是剪切式 破碎。而l p 一1 0 0 0 整胎破碎机的工作原理就是依靠相邻两辊之间的齿牙将轮胎咬住并加以劈碎， 破碎后的产品随辊转动从下部排除。 图2 - 3l p - 1 0 0 0 整胎破碎机的工作仓示意图 最后轮胎的破碎尺寸由两齿辊的间隙决定。 2 3 2 垃圾破碎机的工作原理 本课题拟采用剪切式破碎，在刀轴上安装刀盘。通过刀盘上的刀头对垃圾废物进行剪切破碎， 其工作原理与l p 一1 0 0 0 整胎破碎机的工作原理相似，我”j 在设计时注意刀轴之间的距离和刀头的 形状就能实现整胎破碎轮胎的功能。 2 中国农业大学硕士学位论文第二章垃圾破碎机破碎废旧轮胎的可行性研究 2 4 垃圾破碎机破碎废旧轮胎的经济、社会效益分析 采用垃圾破碎机破碎废旧轮胎，使其能实现专业整胎破碎机的功能，是一项高效、节能的综 合利用技术。随着世界橡胶加工工业特别是轮胎生产的发展，废旧橡胶的利用己成为世界性的环 保重大难题。据统计美国每年能产生2 5 3 0 亿个废轮胎，日本每年1 亿多个，我国目前每年消 耗橡胶约2 1 0 万t ，仅次于美、日，居世界第三。废橡胶的年产量约1 4 0 万t ，其中废轮胎占总量 的7 0 ，且轮胎的替换是以1 5 2 0 的速度增长“。在城市固体垃圾中，废旧轮胎的含量越来越 大，在垃圾转运站直接通过垃圾破碎机对废旧轮胎进行整胎破碎处理，不仅能够节省占地空间， 节约处理费用，而且还能直接作为胶粉厂的原料。直接供给胶粉厂生产使用，为垃圾转运站创造 经济效益。同时还具有重要的社会效益。 2 5 本章小结 本章对垃圾破碎机破碎废旧轮胎的可行性进行了研究，从动力配备、技术可行、经济和社 会效益等方面说明了垃圾破碎机破碎废旧轮胎的的可行性。 中国农业大学硕士学位论文第三章垃圾破碎机的整体结构设计与p r o e 模拟装配 第三章垃圾破碎机的整体结构设计与p r o e 模拟装配 3 1 技术要求及设计思想 本课题所要设计的设备主要用于固体废弃物中较难处理的垃圾如废旧轮胎，家用电器的壳体 及纤维类废弃物的破碎。要求破碎机应能按载荷的大小调节电机的功率，并能实现过载保护及自 动控制，其基本参数要求如下： 1 、处理量：1 0 1 5 t h 2 、能耗：三1 0 k w h 厂r 3 、转数：6 0 1 0 0 r r a i n 由于目前国内外主流固体破碎机均为国外产品，且没有样机参考。本课题通过和国外大型破 碎机厂商联系，获得其产品的说明书或宣传手册，从中发掘出对本课题有帮助的信息，并且我们 多次前往北京小武基垃圾转运站参观学习了解垃圾处理的流程，参观设备，更加直观地了解破 碎机的机械性能，从而设计出经济耐用、结构合理的垃圾破碎机。 3 2 确定技术参数及工作原理 3 2 1 参考模型a r t e c h 设备介绍 德国a r t c c h 回收技术股份有限公司成立于1 9 9 8 年，首先开始生产自行开发用于城市固体垃 圾处理的破碎机和制粒机。 其设计技术上的产品优势表现在： 1 提高负荷能力， 2 降低服务和维修费用。 3 总体提高经济效益。 图3 1在2 0 0 1 年杜塞尔多夫举办的e n u i t e c 展览会上展出的r s6 5 1 0 0 型破碎机 由a r t e c h 回收技术股份有限公司开发并拥有专利的快速滚轴刀抉刀系统使两个完全夹紧的 滚轴刀( 由轴、刀具、轴承箱、轴承、密封件和密封套组成) 可以安放到刀座内，也可以从刀座 1 4 中国农业大学硕士学位论文第三章垃圾破碎机的整体结构设计与p r o e 模拟装配 内取出来。其拆装方法很简单，只要将连接件和正面安装的轴承板之间的紧固螺栓拧松就可以了。 在取下来轴承板后，就可以很轻松地将滚轴刀从刀座上取出来更换。同时，刀座不会松动，传动 器也不会被附带出来，从而节省了很多时间，而且安全性能强。 其产品优点： 1 快速换刀缩短停机时间，从而提高了机器的使用率。 2 更换整个刀座从而不需储备易损件。 表3 1a r t e c h 设备型号列表 表3 - 2a r t e c h 设备应用范围 3 2 2 破碎机总体结构及技术参数的确定 1 垃圾破碎机的总体结构设计 垃圾破碎机是城市生活垃圾的综合处理中应用广泛的一种破碎设备。如图3 - 2 所示，主要由 机架，动力输入，防护罩，进料仓，工作机构等组成。 1 5 中国农业大学硕士学位论文 第三章垃圾破碎机的整体结构设计与p r o e 模拟装配 。广广产吵产l 亡 fi 胤眦稿蹴酬二j 1 【r l 憎嘲【硒u 月5 嗣 z ； 辑顷 硒越刑l 月 一r _ j ，t_ 1 一 ，叶 l 。 + 4 - j 卜 4t 图3 - 2 垃圾破碎机总体设计图 1 大架焊合2 动力输入3 小罩4 大罩 5 _ 7 2 作机构机架焊合6 工作机构7 进料仓8 小架焊台 1 电机功率的确定 辊式破碎机的功率一般按照经验公式“”： 1 p = 二w , q ( 3 - 1 ) r 式中： 。一每吨成品的纯功耗，单位为k w h t ； 0 - - 生产率，单位为t h ； 7 7 一工作效率，一般玎= o 8 0 9 。 参考牧羊集团的技术要求，取值为7 k w h t ，q 取值为1 0 t h ，刁取值为0 9 。 最后可得p = 7 7 8 k w 。 在a r t e c h 设备型号列表一栏中，型号r s l l 0 接近我们课题的要求，其处理量为1 5 t h ，处理 范围包括轮胎及其它城市固体垃圾，故本课题采用电机功率为3 x 7 5 k w 。 2 工作轴转速的确定 参考辊式破碎机转速确定公式 厅。= 6 6 m i n( 3 - 2 ) 式中厂一物料与辊子表面的摩擦系数： p 一物料密度，单位为k g c m 3 ； d 一物料粒度，单位为e m ； d 一辊子直径，单位为c m 。 实际应用中，为了减小破碎机的振动和棍子表面的磨损，取 n = r o 4 0 7 ) n , 。x r m i n ( 3 - 3 ) 光面棍子取上限值，槽面和齿面棍子取下值。圆周速度则取：硬质物料v = 3 - 一6 m s ，软质物料 v - = 6 7 m s 。对于快速细碎取辊破碎机，棍子表面圆周速度可达2 6 2 m s 。 参考资料可知干硬物料在金属表面上的摩擦系数厂= o 3 ，软湿物料，- = o 4 5 ，由于之际 生产过程中，垃圾中的物料比较复杂，而且生活垃圾中一般都含水，所以取厂= o 4 5 ：物料密 度p 取一般城市生活垃圾密度的较高值，为5 x 1 0 1 ：g c m 3 ；而辊子的直径我们参考a r t e c h 设备后 设计为6 1 0 m m ；物料粒度即物料直径，我们通过对城市生活垃圾中物料的调研，取其值为3 0 c m 。 最后，将以上各值代入公式3 - 2 可得 6 中国农业大学顶士学位论文第三章垃圾破碎机的整体结构设计与p r o e 模拟装配 n m 2 1 4 6 4 r m i n 。 而我们设计的垃圾破碎机为齿面辊，所以最后得出 h = 1 4 6 4 0 4 = 5 8 6 r m i n 。 考虑到电机变速的实现，我们设计采用圆柱齿轮减速器，电动机的同步转速为1 0 0 0r m i n ， 额定转速为9 8 0r m i n 传动比分别取1 6 、1 1 2 ，则最后我们设计工作轴的转速分别为6 1 2 5 r m i n 、 8 7 5r m i n 。 3 2 3 破碎机的工作原理分析 本设备破碎原理与a r t e c h 设备相同，固体废物由上方给入，即通过两个刀轴之间，当两刀头 相对转动或差速旋转时刀头和两个刀盘之间以及刀头和工作仓内壁上的梳板之间的的剪切力把 物料咬住并加以剪碎“。本课题采用三轴式，排列方式为水平交错。其工作原理示意图见图3 - 3 所示。 刀组3刀组2刀组1 )、 厂 心、x 7 一 x 从从 图3 3 破碎机刀组工作原理示意图 1 工作原理 ( 1 ) 刀组1 、刀组3 的转速均为n = 8 7 5 r r a i n ，刀组2 的转速为n = 6 1 2 5 r r n i n 电动机的满载 电流为a 。i i 为驱动刀组1 的电动机上的电流，1 2 为驱动刀组2 的电动机上的电流，1 3 为驱动刀 组3 的电动机上的电流。 ( 2 ) 启动设备后，刀组1 逆时针转动，刀组2 顺时针转动，刀组3 顺时针转动。此时刀组1 和刀组2 之间相向旋转，而刀组2 和刀组3 之间为差速旋转。当工作时间t = 5 秒时，刀组2 变为 逆时针转动，此时刀组3 和刀组2 为相向旋转，刀组2 和刀组1 为差速旋转。即刀组2 每隔t 时 间，变向转动。 2 破碎机过载控制原理 由于在实际工作中，物料中可能混杂一些不易破碎或者硬度特别大的物料，当刀头咬住这样 的物料后，整个电机的扭矩都附加在一个或儿个刀头上。可能会把刀头或刀轴损坏，所以要对设 备进行过载保护，以防异常情况对设备的危害。 ( 1 ) 当i 】过流时( 即i i a 时) ，刀组1 和刀组2 立即反向旋转5 秒钟后，刀组1 再反向 恢复为逆时针旋转，刀组2 依然按反向后的方向转动，此时计时器消零，重新开始计时。 ( 2 ) 当1 2 过流时( 即1 2 a 时) ，刀组2 停1 l 旋转，刀组1 、刀组3 分别反向旋转，5 秒钟 后，刀组1 、刀组3 恢复以前的旋转方向，刀组2 反向旋转。此时，计时器消零，重新计时。 ( 3 ) 当1 3 过流时( 即1 3 a 时) ，刀组2 、刀组3 反向旋转，5 秒钟后，刀组2 、刀组3 恢 1 7 中国农业大学硕士学位论文第三章垃圾破碎机的整体结构设计与p r o e 模拟装配 复为以前的旋转方向，而刀组2 依然按反向后的方向转动，此时，计时器消零，重新计时。 3 3 破碎机工作机构设计 破碎机的工作机构包括：工作仓，工作轴刀盘，刀头等( 可参考图3 - 4 所示) 。 本课题设计为三根工作轴，在工作轴上装配刀盘，安装工作轴时刀盘均匀分布在相邻刀盘之 间，其定位依靠轴承底座来实现。其结构示意图参考图3 5 所示。 1 刀盘2 刀头3 工作仓3 工作轴 图3 - 4a r t e c h 破碎机工作机构图 1 工作轴2 刀盘3 刀头4 t 作仓 图3 - 5 破碎机工作机构图 中国农业大学硕士学位论文 第三章垃圾破碎机的整体结构设计与p r o 厄模拟装配 3 3 1 工作轴的设计 本课题共有三个刀轴，即有三个工作轴，且每个工作轴上都独立连接电动机。三个工作轴上 的零件外形相似，只是安装时，顺