餐厨垃圾剪切式破碎机的研制

张显潮，李岚

（北京京城环保股份有限公司、环保工程与技术事业部，北京 202307）

目前国内餐厨、厨余垃圾成分复杂，是有机物和无机物的固液混合状态。是人们餐后的食物残渣及烹饪过程中的废弃垃圾（如菜叶、果皮等），主要来源于餐饮场所、家庭、食堂等。有机物成分主要为米面、肉骨、蔬菜和油脂等。无机物包括铁勺、木筷、瓷质/玻璃/塑料餐具等硬性物质。因此国内餐厨垃圾在进行厌氧消化之前，必须通过一定的预处理措施将有机质与无机干扰物分离[1]。将有机物和无机物分离并破碎具有相当的技术难度。如何将餐厨垃圾中的有机物完全提取破碎，避免造成有机物浪费，并且能够将无机物完全去除，是一个长期困扰餐厨垃圾处理行业的世界性难题。

餐厨、厨余垃圾具备产生量大、含水量高、有机物含量高的特点[2]，其资源化利用日益受到重视，前景看好。餐厨垃圾资源化利用能够降低生活垃圾的处理成本，产生有用的能源或资源，对于社会经济的可持续发展具有重要意义。

在目前国内外同类设备技术的基础上，研制专用于餐厨垃圾破碎的低速高扭矩剪切式破碎机，在厨余固废破碎技术方面达到了世界先进水平。工艺中的有机物与无机物分离不彻底，联合厌氧制浆设备效果不佳，有机物浪费严重，下游输送效率低，运行成本高昂等是亟待的技术难题。因此研制适用于餐厨垃圾处理的剪切式破碎机，赶超世界先进水平，是市场的迫切要求。

1 设备研制目的及必要性

1.1 研制目的

根据国务院办公厅2017 年3 月份发布关于转发国家发展改革委、住房城乡建设部《生活垃圾分类制度实施方案》的通知，湿垃圾又称厨余垃圾，成份见表1，餐厨垃圾和厨余垃圾有效可靠的处置方式有焚烧、填埋、厌氧发酵产沼、堆肥等。处理设备需要对原生垃圾进行有机物和无机物进行分离，将餐厨垃圾中的有机物完全提取，避免造成有机物浪费，并且能够将无机物完全去除，以满足后端各种焚烧、厌氧发酵处理、堆肥等工艺的需求，因此需要配套使用破碎、破袋专用设备，研制适用于餐厨垃圾等处理的剪切式破碎机，可有效解决目前现状。

表1 城区餐厨垃圾成分组成表（湿基状态）%

1.2 研制必要性

目前国内常用的破碎机有颚式破碎机、冲击式破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机、单段破碎机等[3]。以上几种破碎机存在的缺点有：不能用于高含水率物料破碎，且运行噪声巨大；无法适用餐厨垃圾高油水、高韧性、腐蚀性的特点，既无法有效实现轴承密封防尘、防水、防腐的功能；刀具不具有剪切效果；餐厨垃圾成分较复杂，无法有效解决卡阻问题。所以研制适用于餐厨垃圾处理的剪切式破碎机是很有必要的。

2 设备概况及工艺设计

2.1 设备概况及参数

2.1.1 设备工艺概况

本设备的关键技术在轴承及密封形式、刀具结构及材质。餐厨垃圾处理的剪切式破碎机具有结构简单、噪音低等优点，其运行效果好、适应性强、多重密封、防卡阻，耐腐蚀，尤其适合生活餐厨垃圾破碎使用。

2.1.2 设备技术创新点

机架外型和安装形式为卧式，采用榫卯结构，高强螺栓连接，全部可拆卸，便于维护保养，整体性强，小巧重量轻，耐腐蚀、耐冲击、缓冲性能好，满足现场高效、节能、降耗、环保、便捷的处理要求[4]。

通过电机驱动两组动刀齿盘正反旋转，使两动刀组上的相邻刀齿相对转动形成剪切力，动刀刀齿与隔套外切面形成剪切力，刀盘的扭力和两动刀组的转速差形成的撕扯进而达到破碎效果。且给料量连续变频可调、能耗低、噪音低、可连续平稳运行。

进口轴承及多重组合式密封，耐负荷高、寿命长、防尘、防水、防污，保障了机器连续稳定运行，有效防卡阻等。

主轴及刀具具有较好的抗疲劳和抗冲击能力，主轴及刀具采用优质合金钢、磨具钢材质，经多次热处理和高精度加工，机械强度好，抗疲劳和抗冲击能力强，使用寿命长。定刀及固定刀片均可独立短时间快速拆卸完毕，从而满足现场高效、节能、降耗、环保、便捷的要求。

调速方式可采用变频调速，根据运行电流智能检测、异常报警，设计不可破碎物智能保护系统，降低了维护成本和故障风险，保障了设备长期健康运行。设备主要结构组成见图1。

图1 设备总图及主要部件组成

2.1.3 设备主要参数

设备主要参数见表2。

表2 设备主要设计参数

表3 材料属性

2.2 主要参数计算及部件选型

2.2.1 刀轴理论转速的计算

2.2.1.1 破碎机刀轴平均转速n（r/min）的计算

根据已知设定设计输入参数：处理量10 t/h、原生餐厨垃圾密度取1.2 t/m3、刀具厚度30 mm、破碎最大粒径30 mm、进料口尺寸1 160 mm×690 mm。

因本破碎机结构特点、运转特性、破碎物料的特殊性，在市场及文献参考较少，为计算所得数据较为可靠，故采用两种计算方式进行核算。计算过程如下：

方法一[5]：按双辊破碎机生产率的计算方法得出刀轴平均转速。

物料落下的速度与辊子圆周速度的关系为：

式中：Q—破碎机设计处理量，t/h；

D—辊子刀齿直径，m；

A—物料流的截面积，m2；

ρ—物料密度，t/m3；

K—物料松散系数，对于干硬物料K=0.2～0.3，湿软物料K=0.4～0.6，对于煤、焦炭或潮湿粘性物料可取0.4～0.75，最大可取0.8。

根据设计参数处理量为10 t/h，刀齿直径为0.38 m，物料流截面积为0.038 76 m2，物料密度为0.8 t/m3，K 取0.4。则辊子最低理论转速代入设计参数可得n=Q/188KADρ=11 r/min。

方法二[6-9]：按新型双齿辊破碎机生产能力的计算方法得出刀轴平均转速。剪切式双辊破碎机生产率公式为：

注：餐厨垃圾等液体从刀齿间隙漏下量忽略不计，因此破碎处理量为固体物质

式中：Q—理论上限处理量，t/h；

m—齿环圆周上的齿数，个；

k—物料特性系数，破碎填充系数0.25～1；

A—前后两对齿形成的封闭多边形面积（见图2），m2；

图2 前后两对齿形成的封闭多边形面积

l—沿齿辊轴向布齿长度，m；

n—齿辊转速，平均转速为r/min。

根据设计参数处理量为10 t/h，齿环圆周上齿数m 为6 个，物料特性系数取0.9，前后两对齿形成的封闭多边形面积A 为0.001 5 m2，沿齿辊轴向布齿长度l为1.16 m。由（4）式推导齿辊转速代入设计参数可得n=Q/60 mkAl=18 r/min。

双齿辊破碎机的生产能力等于将辊齿看作物料时单位时间内通过两辊间的物料的总体积减去在所有辊齿中所占的体积。

经以上两种计算，驱动刀轴理论最低转速为11 r/min，最高转速为18 r/min。

2.2.2 电机功率计算及减速器的选型

式中：Wu—每吨成品的纯功耗，kW·h/t，常取Wu=0.5～2.3 kW·h/t；

Q—处理量，t/h；

η—工作效率，一般η=0.6～0.7。

根据设计参数处理量Q 为10 t/h，Wu取值依据《设设计手册》表15-32 硬质物料性质及棍子间距，并结合按餐厨垃圾中存在最硬物质玻璃、金属、陶瓷等种类Wu取值1.5，η 取值0.7 可得

经计算破碎机的理论功率P0为21 kW，安全系数f取1.7，故工作功率为P0=P0f=21×1.7=35.7 kW。根据电机功率匹配本破碎机设计总功率为37 kW。因剪切式双轴独立驱动，则设计22 kW+15 kW 驱动方案，又因计算驱动刀轴理论最低转速11 r/min，最高转速18 r/min，经查《电机减速器选型手册》确定减速器型号为15-4P-13.2 和22-4p-19.1；额定输出转矩分别为9 900 和9 990 N·m。进而通过电机驱动两组动刀齿盘正反旋转形成转速差。

2.2.3 轴径的计算及刚度校核

2.2.3.1 轴径的计算

依据《机械设计手册》第3 卷6-19 表6-1-18 按实心轴扭矩强度计算。τ 查表40Cr 钢材许用扭转应力为55 MPa，行星减速器输出最大扭矩T 为9 990 N/m，则代入数值得[10]：

表4 夹具和载荷

按f=1.2 倍的安全系数，轴径d=97×1.2=116.4 mm，整取120 mm。

2.2.3.2 轴的扭矩和弯矩刚度校核

使用SolidWorks 软件进行对主轴的扭矩刚度进行模拟分析，首先将主轴设定两端固定，模拟动刀齿一面发生卡组，固定其一面，在驱动轴端外花键处施加电机减速器额定输出扭矩9 990 N·m 的1.5 倍转矩力15 000 N，用来模拟主轴在发生卡组时所产生的扭力变形。表3～表5 为模拟过程。

表5 算例结果

经核算后最大扭力位圆周位移弧长L=0.0389292mm，约0.04 mm，查《机械设计手册》第2 卷6-29 表6-1-42 圆轴许用扭转角，按重型机床走刀轴5＇（约0.08°）进行校核，主轴发生最大位移的圆轴外径160 mm，则角度数n=180°L/πr=（180×0.04）/（3.14×80）≈0.029°＜0.08°，即主轴扭矩刚度设计符合要求。

表6 主轴材料属性

表7 夹具和载荷

使用SolidWorks 软件进行对主轴的扭矩刚度进行模拟分析，首先将主轴设定两端固定，模拟动刀齿一面发生卡组，固定其一面，在驱动轴端外花键处施加电机减速器额定输出扭矩9 990 N·m 的1.5 倍的转矩力15 000 N，用来模拟主轴在发生卡组时所产生的扭力变形。表6～表8 为模拟过程。

表8 算例结果

经核算后最大扭力位圆周位移弧长L=0.0389292mm，约0.04 mm，查《机械设计手册》第2 卷6-29 表6-1-42 圆轴许用扭转角，按重型机床走刀轴5＇（约0.08°）进行校核，主轴发生最大位移的圆轴外径160 mm，则角度数n=180°L/πr=（180×0.04）/（3.14×80）≈0.029°＜0.08°，即主轴扭矩刚度设计符合要求。

2.3 其它设计要点及选型

2.3.1 刀盘的设计

破碎机动刀及固定刀采用刀座和刀齿分离式设计，刀齿与刀座由两套高强不锈钢316L 螺栓固定，可实现刀齿独立拆卸，更换简单。因破碎物料时刀齿部位的磨损和腐蚀最大，故刀盘与刀齿为不同材质，刀盘材质选用成本较低的优质合金钢，刀齿材质选用成本较高的优质模具钢，从而形成复合破碎刀盘，优化加工，高效装配，降低整体成本，提高技术经济指标等。结构如图3、图4。

图3 旋转刀盘

图4 固定刀盘

2.3.2 轴承密封形式及选型

轴承密封在本破碎机中尤为重要，面对餐厨垃圾的物料复杂，韧性高、油水高、腐蚀性强等特点，轴承的密封采用多重复合密封方式，即机械迷宫、骨架油封、轴用复合密封O 型圈相结合的设计方式，确保轴承密封可靠，轴承密封如图5。

图5 轴承密封

2.3.3 轴承润滑系统

2.3.3.1 系统配置

轴承油脂集中润滑系统采用24 V 直流电源，直流电机功率50 W；电动润滑泵储脂罐容积为4 L，配置油刮；电动润滑泵出油口数M 为1 个，流量为5.5 mL/min；电动润滑泵最大工作压力25 MPa，该范围内可调压；电动润滑泵出油口连接至分配器进油口，分配器的4个出油口分别连接至破碎机辊子两端轴承座润滑点。

2.3.3.2 工作流程

用户PLC 通过计时器间歇方式给电动润滑泵电机供电，每次启动油泵电机后，PLC 开始接收分配器动作的输出信号。 若在设定时间（通常设定为3～5 min)内检测到接近开关信号输出次数（输出次数可根据现场设备需油量来参考设定，次数越多，注油量越多），则达到注油时间后，PLC 控制电动润滑泵电机停止；若在设定时间内没有检测到或者接近开关输入信号次数没有达到设定值，则PLC 应立即控制电动润滑泵电机停止并输出报瞀信号，提醒现场人员进行排查检修。

2.3.3.3 系统工作原理

系统提供低油位脉冲信号输出（PNP 型直流三线）。当油位正常时启动电动润滑泵，则油泵一直输出脉冲信号，PLC 应显示油位正常；当油位低时，启动电动润滑泵，则油泵将没有输出脉冲信号，PLC 应显示油位低，提醒现场人员及时补充油脂。

系统分配器提供信号输出（PNP 型直流三线），当系统有油通过分配器时，分配器上的接近开关将会检测到分配器内部的指示杆往复动作，间歇性的输出信号。

破碎机四套轴承配有温度传感器，可根据设备工作累计时间及现场油温实时反馈精准定量给轴承加注润滑油，有效避免因油脂缺少或加注过多对设备产生不良后果。

3 结论

餐厨垃圾处理剪切式破碎机是整个生活垃圾资源化利用和餐厨垃圾处理过程中的核心环节和核心设备，关系到整条工艺能否正常运行、物料粒径大小及均匀程度等。普通破碎机由于结构问题，连续均匀布料的能力和密封性较差，易卡堵，在环保行业中市场份额较低。本文研制的餐厨垃圾处理的剪切式破碎机解决了密封、连续进料及易卡堵等问题，性价比高，尤其适用于中、大型餐厨垃圾处理系统，可占有一定的市场份额。

目前国内主要以进口设备为主，本文研制的餐厨垃圾处理的剪切式破碎机能填补国内在餐厨垃圾综合处理厂前端受料设备中的空白。可以说剪切式破碎机是餐厨垃圾综合资源化处理技术的关键，设备主要特点是强度好，受料范围广、重量轻、易检修、高效节能；耐油污腐蚀、环保性好等，是目前生活餐厨垃圾及固废处理设备更新换代的理想产品。通过剪切式破碎机的研制，为生活垃圾、医疗废物、纸张塑料等物料资源化利用及减量化专用设备的研制、餐厨垃圾预处理联合厌氧发酵产沼、堆肥等工艺系统提供了可靠的参考依据及解决方案。