1、前言
    隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，人們物質生活水平的提高，城市環(huán)境保護意識的增強，城市生活垃圾袋裝化已逐步成為許多大、中城市生活垃圾的收集方式，因而破袋問題是垃圾分選預處理必須首先解決的問題。由于國內(nèi)城市生活垃圾是混合袋裝收集，因而破袋技術難度較大。
    從近幾年國內(nèi)新建的垃圾處理廠及近期的一些科技文獻資料來看，國內(nèi)對垃圾破袋工藝技術的研究及專用設備開發(fā)起步較晚，破袋手段落后，主要是通過人工破袋，工作環(huán)境差，勞動強度高，破袋率低。部分機械破袋作業(yè)也僅僅是借用或稍加改進的以擠壓、沖擊、剪切為主的礦山機械設備一雙齒輥或三齒輥式破碎機。但這種破袋方式弊端較多。在高速沖擊、剪切、擠壓作用下，混合垃圾被破碎后，粒度不均，陶瓷、磚、玻璃等無機脆性物被過度破碎，與含水率較高的有機垃圾攪拌混合在一起，無法有效分離，直接影響了垃圾可腐有機物的堆肥質量。特別是廢電池等富含重金屬及有害化學物質的垃圾被碎成小塊后，一方面難以有效分選，另一方面加大滲濾液中重金屬及有毒物質的含量，對水體環(huán)境造成極大隱患。此外，使用普通礦山機械設備處理生活垃圾，有纏繞現(xiàn)象，造成卸料困難，濕度大時影響設備正常運轉．同時，還伴有能耗大、噪聲大等缺點。
    為了解決由于使用礦山機械而出現(xiàn)的過破碎及纏繞問題，急需研制開發(fā)出具有選擇破碎作用的破碎機，本文就著重介紹了一種新型的袋裝垃圾破袋破碎機的研制過程。
2、理論研究
    2.1設備總體結構研究
    設備總體結構設計思路，是針對垃圾特性，按照選擇性破碎原理并參考礦山機械設備來確定的。由于我國城市生活垃圾主要以混裝為主，含有軟、硬、脆、韌等各種物料，成分復雜，同時含水率較高，垃圾的流動性能差，為此采用大直徑斜置式雙輥式總體結構。為防止過破碎現(xiàn)象，采用低速雙齒輥式結構，同時，為防止垃圾纏繞發(fā)生，采用伸縮式刀齒結構，即在工作區(qū)刀齒伸出破袋，在非工作區(qū)刀齒縮進。
    在工作過程中，當大塊硬物料通過時，為保證設備正常工作，須有退讓保護功能，同時為使物料脫落且清掃輥筒表面，該機設有卸料、清掃裝置，清理附著在輥筒上的垃圾，以保持機內(nèi)工作環(huán)境并實現(xiàn)較高的破袋效果。
    2.2機構組成及運動分析
    為實現(xiàn)刀齒的伸縮功能，采用以輥筒帶動刀齒轉動的方式，即在輥筒內(nèi)部設置一偏心軸，軸上設置的單元軸套分別固接和鉸接兩種連接座，通過連桿連接著刀齒，刀齒在輥筒徑向孔內(nèi)隨輥筒轉動而繞偏心軸轉動，并同時在輥筒徑向孔內(nèi)滑動，這種導桿滑塊機構，可簡化為圖1所示。
    由圖可知：活動構件數(shù)n=5，低副數(shù)Pi -7，高副數(shù)p2 =0，連桿機構的活動數(shù)w= 3n -2p1-p2=3×5-2×7-0=1，所以，在該機構運動中，當導桿（輥筒）作主動件時，滑塊（刀齒）的運動（在孔中滑動）是確定的。
    2.3機構受力分析
    在工作過程中，當?shù)洱X的外伸部分受到垃圾阻力時，其刀齒成為又一主動件影響著機構的運動。也就是說當?shù)洱X在外伸過程中，遇到垃圾中的堅硬物塊有使刀齒通過機構使導桿反轉的趨勢。但是，一般情況下這一阻力所形成的阻力矩不會大于電機的最大轉矩，即使在特殊情況下（刀齒頂著鐵件等），阻力大到一定值時，活動輥筒在后方彈簧安全裝置作用下會向后退讓，讓硬物落下，也不致影響到機構正常工作。
3、工作原理
    當袋裝垃圾通過料斗落入差速回轉運動的兩輥之間時，由于輥筒內(nèi)固定軸的軸線與輥筒軸線之間有一偏移量，且兩輥筒以不等速繞各自軸線相向回轉，因而在兩輥上均勻排布的伸縮式鋸齒形破碎刀逐漸由筒內(nèi)向外伸出戳入垃圾袋內(nèi)，隨著輥筒繼續(xù)轉動，兩輥上的破碎刀伸出到最大位置，將大塊有機物如瓜果、蔬菜等戳破和擠碎。隨后破碎刀開始向輥筒內(nèi)退縮，加之兩輥存在轉速差，兩輥筒內(nèi)的破碎刀在退縮時將垃圾袋撕破．充分破袋。在破碎刀的低速沖擊、剪切和撕扯作用下，袋內(nèi)垃圾有機物料被破碎成適合于后序分選的粒度，脆性無機物如陶瓷、磚石及玻璃等被破碎成塊。由于刀排之間交錯間隔較大，不但不會產(chǎn)生粉碎性破碎，而且廢電池等小物料會保持原形而易于分選，因而具有選擇性破碎作用。其后，隨著輥筒的繼續(xù)回轉，破碎刀逐漸縮回到筒內(nèi)，從而自動解脫纏繞破碎刀上的破鞋、爛布條、包裝帶等強韌性纏繞物，破碎后的垃圾落在下方輸送帶上被運走。
    若垃圾中有混凝土塊、石塊、廢鋼鐵件等大塊硬物料進入破袋機內(nèi)時，安全彈簧退讓裝置或摩擦離合器將發(fā)揮作用而使其順利通過以確保設備安全正常運行。另外，該機還設有卸料、清掃裝置，可將輥筒上的垃圾附著物清理干凈，以保持機內(nèi)環(huán)境和較高的破袋效果。
4、結構性能及關鍵零部件研制
    4.1破袋破碎機的結構、性能
    破袋破碎機主要由機架、輥筒、破袋刀、傳動裝置、過載保護裝置、防纏繞裝置等組成。結構特點是在機架上安裝兩個相向轉動的輥簡裝置，每一輥簡裝置中含有一固定軸，其軸線與輥筒軸線偏移一定距離，固定軸上套裝有若干組轉動套，破袋刀一端通過連桿連接于固定軸的轉動套上，另一端在輥筒上的徑向孔內(nèi)放置。其中一輥簡裝置兩端與軸承，端蓋、滑塊、彈簧、螺桿以及連接桿等組成一體，通過滑塊可沿導軌滑動；滑塊與機架之間用彈簧頂緊，并通過螺桿來調節(jié)頂緊力的大小。另一輥筒的傳動采用錐面摩擦離合器傳動裝置。
    設備工作時，兩個輥筒以不等速繞各自軸線相向轉動，通過調節(jié)輥筒轉速，使兩輥筒速差實現(xiàn)最佳匹配，達到較好破袋效果，同時也滿足了物料處理量的要求。
    4.2關鍵零部件研制
    4.2.1輥筒組件優(yōu)化設計
    為實現(xiàn)袋裝垃圾的有效破袋和選擇性破碎，必須對破袋破碎機的關鍵零部件進行結構優(yōu)化設計。為保證破碎刀在輥筒內(nèi)滑動，提高輥筒部件的強度，降低其重量，采用了雙層鋼板焊接結構。輥筒沿徑向剖面共設有六組12把破碎刀。刀齒的軸向排布據(jù)垃圾袋的規(guī)格采用了均布型排列。為了便于安裝、維修以及刀齒滑動時的導向和密封，采用了整體可拆式復合刀套結構。
    因輥筒徑向均布12把破碎刀，刀通過連桿與輥筒內(nèi)偏心軸上的轉動套相連，當輥筒均速轉動時與刀對應的轉動套轉速不等，所以將轉動套設計成4件，每1件與3把刀相連，其中與1把固接，另2把鉸接。為滿足刀齒排布及運動的不等速要求，將轉動套設計成端面帶凸臺的圓環(huán)件，并采用了40Cr材料。
    為保證輥筒內(nèi)的清潔環(huán)境及刀座與刀套的配合，在刀套處須密封。刀套密封按一般活塞桿密封，這樣，每個輥筒上有很多刀套密封，當輥筒運轉時就會產(chǎn)生較大阻力，為此，將密封溝槽的一邊直徑減少，使密封圈的變形相應減小，這樣既保證了密封，又降低了輥筒運轉時的阻力。
    4.2.2刀齒優(yōu)化設計
    為了實現(xiàn)最佳破袋、破碎效果，刀齒的排布與刀齒的齒形是一個有機的聯(lián)系體，因而根據(jù)垃圾的物料特性及設備受力特性，確定了契斧、鋸齒型刀齒，提高了刀齒的強度，實現(xiàn)了較好的破袋效果。由于破碎刀是工作過程中的直接受力件，因而將其設計成刀座和刀體兩部分，可以使刀齒很方便地拆卸修磨或更換。
5、結論
    具有這種獨特的工作原理的破袋破碎機，設計新穎、結構合理、制造精密、性能可靠。目前，樣機己制造完成，并在垃圾試驗場進行了負荷中試試驗。各種試驗數(shù)據(jù)表明袋裝垃圾破袋率等各項指標均達到設計要求，可滿足垃圾綜合處理分選工藝要求，為后序粒度分選和進一步處理創(chuàng)造了必要條件。
    試驗結果表明：該袋裝垃圾破袋破碎機具有破袋、選擇性破碎、防纏繞、抗沖擊、能耗小、噪聲低及使用壽命長等優(yōu)點，具有很強的實用性和廣闊的市場前景。
    該設備于2000年3月3日由中華人民共和國知識產(chǎn)權局授予實用新型專利證書。2000年5月科技部科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金管理中心組織有關專家、單位進行了評審，被科學技術部、財政部確定為1999年度第四批科技型中小企業(yè)保工作，加快對清潔能源的開發(fā)與推廣，就一定能實現(xiàn)我國交通運輸業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。