隨著城市化進程的不斷加快，大量增加的垃圾影響社會環境的質量，阻礙了城市的發展。垃圾處理的無害化、減量化、資源化是城市管理的一項重要內容。垃圾破碎預處理技術在后續的分選、焚燒和填埋等方面發揮著重要的作用。現代城市生活垃圾組分復雜，各組分的物理性質相差懸殊，且具有韌性物料含量高等特點，對城市生活垃圾破碎機提出了較高的要求。筆者分析了目前國內外常用城市生活垃圾破碎機的技術特點，闡述了城市生活垃圾破碎機技術的發展趨勢，并提出了一種新型的城市生活垃圾破碎機的結構，以期為城市生活垃圾破碎機的研究提供一定的參考。

　　1國內外城市生活垃圾破碎機技術及應用

　　目前，應用廣泛的機械破碎設備主要有顎式破碎機、沖擊式破碎機、剪切式破碎機以及輥式破碎機等。

　　(1) 顎式破碎機 該設備結構簡單，廣泛應用于建材行業中各種礦石與大塊物料的破碎。但其具有破碎比小、顎板使用壽命較短等缺點。針對此問題，國內外學者研制了破碎比為 20～50 的雙腔雙動顎式破碎機，以及雙腔回轉破碎機等。顎板的制造材料也采用了含錳 12% 以上的錳鋼，提高了襯板的使用壽命。

　　(2) 沖擊式破碎機 該設備廣泛應用于混凝土骨料的生產以及冶金渣的細碎和粗磨作業。其破碎效率高，能耗少，屬于高能低耗類破碎機。但其沖擊刀和襯板磨損嚴重，且對含水含泥的物料適應性差。近些年，隨著新的耐磨材料，如 Cr26 高鉻鑄鐵材料的大量應用，溝槽節能襯板大量取代階梯襯板，磨損問題得到較好的解決。

　　(3) 剪切式破碎機 該設備是目前在生活垃圾破碎方面應用最為廣泛的一類機型，主要處理柔性及松散固體等剛度不大的物料，如印刷電路板、木料和秸稈等。常見的剪切式破碎機剪切時，刀具間間隙是固定的，若設計不合理，則無法有效地應用于組分復雜物料的破碎工作，故其對設計和制造要求相對較高。

　　(4) 輥式破碎機 由于能破碎黏濕物料，而廣泛應用于中低硬度物料的破碎。其所用輥分為光滑輥和鋸齒輥 2 種，前者常用于中細碎作業，后者主要用于破碎中等硬度和韌性的物料。早期的齒輥式破碎機因碎后產品過粉碎率高，應用范圍受到一定限制。我國通過引進、設計并研制出 4PGC 型齒輥式破碎機，可以通過調整齒輥的間距來控制破碎后顆粒的粒徑。后期，我國各研究院相繼開發出 2PGL 系列雙齒輥強力高效破碎機、2PLF 系列分級破碎機和 DP 系列單齒輥破碎機等，極大地促進了我國輥式破碎機行業的發展。

　　對上述 4 種破碎機的優缺點進行綜合對比，結果如表 1 所列。

　　表1各類破碎機的優缺點比較

　　Tab. 1Contrast of advantages and disadvantages of various shredders

　　2城市生活垃圾破碎機設計要求

　　城市生活垃圾具有組分復雜、韌性纖維制物料含量較多等特點，對垃圾破碎機的研究提出了較高的要求。不僅要求其能夠破碎不同組分的物料，還要求其在運行功耗、噪聲方面符合行業或國家標準;此外，破碎機材料還應滿足防腐蝕、抗磨損的要求。

　　根據上述破碎機現狀及破碎要求，城市生活垃圾破碎機的設計需要滿足以下要求。

　　(1) 可破碎混雜的垃圾 我國城市生活垃圾主要組分為磚石、廚余生物質、塑料橡膠、玻璃以及金屬等。磚石、玻璃和金屬等便于篩分的物料會在破碎前篩分出去，垃圾破碎機主要針對廚余生物質、織物和塑料橡膠等物料進行破碎。該類物料的物理性質相差懸殊，而同一破碎刀具的破碎效果卻不同。針對此特點，國內一些學者一方面利用分離破碎的理念，利用不同刀具分階段破碎不同硬度的物料，如采用雙破碎階段的破碎機;另一方面，將不同剛度的垃圾通過預壓縮壓實壓緊，形成剛度相對穩定的垃圾團，再進行破碎 。如羅思義等人提出的垃圾壓縮剪切破碎的方法。

(2) 　　破碎效率高 據統計，2009 年北京日產垃圾超過 1.8 萬 t，并以每年 8% 的速度增長。據調查，中國現有最大的垃圾發電項目每日可處理垃圾 3 000 t，而常用的齒輥式垃圾破碎機破碎效率為 25 ～ 150 t/h，巨大的垃圾數量要求垃圾處理企業擁有強大的垃圾處理能力。針對城市生活垃圾空隙大、密度小的特點，國內外現主要通過在破碎前對垃圾進行預壓縮來提高破碎機單位時間內的處理能力。

　　(3) 破碎后顆粒粒徑滿足要求 現有的垃圾破碎機易出現過粉碎或破碎不足的現象，導致粒徑不均勻。為獲得所需粒徑，常采用調整破碎刀具間距或破碎板間距來避免破碎不足的情況，并可通過調節破碎機刀具轉速來調整破碎后的顆粒粒徑。

　　(4) 解決纏軸問題 城市垃圾中長纖維和高分子聚合物較多。常見旋轉式破碎機刀軸位于破碎區域內，長纖維及高分子物料在刀齒的帶動下極易纏繞在主軸上，此時需要主軸產生較大的轉矩，才能達到纏繞物的斷裂應力。若轉矩不足，纏軸物料甚至會鎖住刀具，迫使破碎機停轉。國內外學者通過對相關影響因子的分析，設計并采用如非旋轉刀具結構，如 V onROll 型往復式剪切破碎機，從根本上避免了纏軸現象的發生;或利用壓實機構，將易纏軸的物料壓實為垃圾團，垃圾團的內部應力限制了易纏軸物料的應變，避免其纏繞主軸;此外還可通過增加防纏軸裝置來達到避免纏軸的目的。

　　3新型城市生活垃圾破碎機設計

　　通過對國內外破碎機的調研分析，了解破碎機的設計要求，筆者提出了一種用于焚燒城市生活垃圾的新型破碎機方案。采用對垃圾進行預壓縮，用可調節轉速的大直徑旋轉刀具進行破碎。采用該方案，能夠基本滿足城市生活垃圾焚燒的破碎要求。城市固體廢棄物破碎機試驗樣機如圖 1 所示，其性能參數如表 2所列。

　　1. 出料口 2. 破碎機轉軸 3. 破碎機刀具 4. 壓縮機轉軸5. 壓縮機轉子 6. 進料口 7. 壓縮機腔體 8. 破碎機外殼

　　圖1試驗型垃圾破碎機

　　Fig. 1Prototype of MSW shredder

　　表2試驗型垃圾破碎機的性能參數

　　3.1預壓縮結構

　　常見壓縮機構通常采用“先裝填后壓縮”的壓縮模式，裝填過程和壓縮過程不能同時進行，生產效率較低。筆者提出采用三角轉子對物料進行壓縮，能夠同時完成裝填、壓縮、送料 3 個過程，大幅提高了工作效率。三角轉子轉動時，進料區的物料隨轉子進入壓縮區，物料中柔性及韌性物料被壓扁壓實。垃圾團隨轉子運動被推入破碎腔內，同時壓縮區進行新一輪的壓縮。

　　壓縮缸體曲線采用內切創成法構造，三角轉子曲線采用不同于缸體曲線的內包絡線構造，設計時可根據所需壓縮比設計缸體和轉子。三角轉子外壁采用鈍角齒形狀，以提高輸送效率，防止壓縮后的垃圾團粘在破碎腔壁上。該設計結構不僅可以使裝填、壓縮、送料 3 個階段同時進行，實現連續進料、連續壓縮的目的，而且使破碎刀具避開了物料被壓縮時的受力方向，避免了由于刀具所受負荷過大而導致的功耗增加的問題。另外，垃圾中的脆性和硬質物料被提前壓碎，有效減小了大塊或鋒利的物料對破碎刀具的損壞，提高了刀具的使用壽命，增加了其安全性和可靠性。垃圾破碎機旋轉壓縮裝置如圖 2 所示。

　　1. 進料口 2. 三角壓縮塊 3. 壓縮腔 4. 中心轉軸 5. 出料口

　　圖2垃圾破碎機的旋轉壓縮裝置

　　Fig. 2Rotary compression device in MSW shredder

　　3.2破碎刀具結構

　　破碎區的破碎刀具由兩組刀片組成，兩刀軸間距和各刀片的間距可根據要求進行調節。破碎刀具采用模塊式設計，可根據當地垃圾組分選擇不同刀頭的刀具。若垃圾中硬質物料含量較多，可采用鷹嘴形;若廚余生物質含量較多，可采用棱錐形等。

　　此外，兩刀軸的轉速為差速，并且旋轉方向可以分別改變。采用雙變頻器的方式，分別調節兩刀片的轉速，通過設計混合水平正交試驗法，對轉速和軸距×刀片距進行了試驗，部分試驗結果如表 3 所列。

　　表3試驗數據

　　Tab.3Test data

　　根據試驗數據可知，刀具轉速對破碎后的物料粒徑分布有著很大的影響。當刀具轉速較低時，刀具對柔性物料的破碎效果較好，但大粒徑顆粒比例較高。當刀具轉速增高時，大粒徑顆粒比例呈現先變小后增大的趨勢，且當刀具轉速較高時，柔性物料的破碎效果變差。通過分析，刀具同速且轉速較大時，刀齒對物料的推送作用大于破碎作用，導致物料不能被完全切斷破碎，而差速刀具可以避免此現象的發生。在破碎生活垃圾時，破碎機軸距與轉速的相互影響如圖 3所示。

　　圖3軸距與轉速相互影響

　　Fig. 3Interaction between wheelbase and rotary speed

　　另外，垃圾破碎機采用直徑較大的破碎刀具，僅將兩刀片重合區域作為破碎區 (見圖 4)，入料口直徑小于重合區域最大直徑。由于三角轉子壓縮機構壓縮后的垃圾團較為扁平，且刀軸不位于破碎區，破碎時可以避免物料纏繞刀軸的現象。

　　1. 進料口 2. 破碎區

　　圖4垃圾破碎機的破碎區域

　　Fig. 4Crushing area of MSW shredder

　　同時，與傳統破碎機相比，本方案設計的刀具僅有部分區域參與破碎，與待破碎物料接觸面積較小，刀具所受反作用力較小，故可用小功率的電動機帶動破碎刀具。

　　3.3轉速控制系統

　　本方案采用轉速控制系統分別控制 2 組刀具的轉速，當壓縮后的垃圾團進入破碎區后，刀軸轉速可根據進料速度和破碎負荷進行智能調節。在遇到破碎負荷增大時，自動減小轉速并增大破碎轉矩，有利于物料破碎，并避免了破碎機因卡料發生的停轉問題。

　　此外，通過轉速控制系統，可以調節轉速以控制破碎后顆粒的粒徑，減少了更換刀具和調節轉軸間距的時間，降低了維護成本。

　　4結論

　　以城市生活垃圾為主的固體廢棄物的處理和利用是當今社會可持續發展的重要內容。現代破碎理論的進一步成熟以及新型耐磨材料的大量應用，帶動了新型城市生活垃圾破碎機的發展。

　　筆者分析了城市生活垃圾破碎機技術的發展趨勢，并提出了一種用于焚燒城市生活垃圾的破碎機結構。該結構采用預壓縮技術，能夠連續壓縮進料，達到高頻破碎的目的，且通過調節破碎機刀具轉速，可以有效地改變破碎后顆粒的粒徑，以達到燃燒要求。該結構能夠有效地解決現有城市生活垃圾破碎存在的問題，并能夠有效地運用于城市垃圾焚燒之前的垃圾破碎工作。轉速及刀具間距對粒徑的影響還在進一步研究和試驗中。隨著材料、工藝、破碎理論以及制造技術的快速發展，我國城市生活垃圾破碎市場也將從導入期進入到成長期，并向成熟期邁進，進入新的發展階段。