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。垃圾破碎预处理技术在后续的分选、焚烧和填埋等方面发挥着重要的作用。现代城市生活垃圾组分复杂，各组分的物理性质相差悬殊，且具有韧性物料含量高等特点，对城市生活垃圾破碎机提出了较高的要求。笔者分析了目前国内外常用城市生活垃圾破碎机的技术特点，阐述了城市生活垃圾破碎机技术的发展趋势，并提出了一种新型的城市生活垃圾破碎机的结构，以期为城市生活垃圾破碎机的研究提供一定的参考。
1国内外城市生活垃圾破碎机技术及应用
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。
(1) 颚式破碎机 该设备结构简单，广泛应用于建材行业中各种矿石与大块物料的破碎。但其具有破碎比小、颚板使用寿命较短等缺点。针对此问题，国内外学者研制了破碎比为 20～50 的双腔双动颚式破碎机，以及双腔回转破碎机等。颚板的制造材料也采用了含锰 12% 以上的锰钢，提高了衬板的使用寿命。
(2) 冲击式破碎机 该设备广泛应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，能耗少，属于高能低耗类破碎机。但其冲击刀和衬板磨损严重，且对含水含泥的物料适应性差。近些年，随着新的耐磨材料，如 Cr26 高铬铸铁材料的大量应用，沟槽节能衬板大量取代阶梯衬板，磨损问题得到较好的解决。
(3) 剪切式破碎机 该设备是目前在生活垃圾破碎方面应用最为广泛的一类机型，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。常见的剪切式破碎机剪切时，刀具间间隙是固定的，若设计不合理，则无法有效地应用于组分复杂物料的破碎工作，故其对设计和制造要求相对较高。
(4) 辊式破碎机 由于能破碎黏湿物料，而广泛应用于中低硬度物料的破碎。其所用辊分为光滑辊和锯齿辊 2 种，前者常用于中细碎作业，后者主要用于破碎中等硬度和韧性的物料。早期的齿辊式破碎机因碎后产品过粉碎率高，应用范围受到一定限制。我国通过引进、设计并研制出 4PGC 型齿辊式破碎机，可以通过调整齿辊的间距来控制破碎后颗粒的粒径。后期，我国各研究院相继开发出 2PGL 系列双齿辊强力高效破碎机、2PLF 系列分级破碎机和 DP 系列单齿辊破碎机等，极大地促进了我国辊式破碎机行业的发展。
对上述 4 种破碎机的优缺点进行综合对比，结果如表 1 所列。
表1各类破碎机的优缺点比较
Tab. 1Contrast of advantages and disadvantages of various shredders
2城市生活垃圾破碎机设计要求
城市生活垃圾具有组分复杂、韧性纤维制物料含量较多等特点，对垃圾破碎机的研究提出了较高的要求。不仅要求其能够破碎不同组分的物料，还要求其在运行功耗、噪声方面符合行业或国家标准;此外，破碎机材料还应满足防腐蚀、抗磨损的要求。
根据上述破碎机现状及破碎要求，城市生活垃圾破碎机的设计需要满足以下要求。
(1) 可破碎混杂的垃圾 我国城市生活垃圾主要组分为砖石、厨余生物质、塑料橡胶、玻璃以及金属等。砖石、玻璃和金属等便于筛分的物料会在破碎前筛分出去，垃圾破碎机主要针对厨余生物质、织物和塑料橡胶等物料进行破碎。该类物料的物理性质相差悬殊，而同一破碎刀具的破碎效果却不同。针对此特点，国内一些学者一方面利用分离破碎的理念，利用不同刀具分阶段破碎不同硬度的物料，如采用双破碎阶段的破碎机;另一方面，将不同刚度的垃圾通过预压缩压实压紧，形成刚度相对稳定的垃圾团，再进行破碎 。如罗思义等人提出的垃圾压缩剪切破碎的方法。
(2) 破碎效率高 据统计，2009 年北京日产垃圾超过 1.8 万 t，并以每年 8% 的速度增长。据调查，中国现有最大的垃圾发电项目每日可处理垃圾 3 000 t，而常用的齿辊式垃圾破碎机破碎效率为 25 ～ 150 t/h，巨大的垃圾数量要求垃圾处理企业拥有强大的垃圾处理能力。针对城市生活垃圾空隙大、密度小的特点，国内外现主要通过在破碎前对垃圾进行预压缩来提高破碎机单位时间内的处理能力。
(3) 破碎后颗粒粒径满足要求 现有的垃圾破碎机易出现过粉碎或破碎不足的现象，导致粒径不均匀。为获得所需粒径，常采用调整破碎刀具间距或破碎板间距来避免破碎不足的情况，并可通过调节破碎机刀具转速来调整破碎后的颗粒粒径。
(4) 解决缠轴问题 城市垃圾中长纤维和高分子聚合物较多。常见旋转式破碎机刀轴位于破碎区域内，长纤维及高分子物料在刀齿的带动下极易缠绕在主轴上，此时需要主轴产生较大的转矩，才能达到缠绕物的断裂应力。若转矩不足，缠轴物料甚至会锁住刀具，迫使破碎机停转。国内外学者通过对相关影响因子的分析，设计并采用如非旋转刀具结构，如 V onROll 型往复式剪切破碎机，从根本上避免了缠轴现象的发生;或利用压实机构，将易缠轴的物料压实为垃圾团，垃圾团的内部应力限制了易缠轴物料的应变，避免其缠绕主轴;此外还可通过增加防缠轴装置来达到避免缠轴的目的。
3新型城市生活垃圾破碎机设计
通过对国内外破碎机的调研分析，了解破碎机的设计要求，笔者提出了一种用于焚烧城市生活垃圾的新型破碎机方案。采用对垃圾进行预压缩，用可调节转速的大直径旋转刀具进行破碎。采用该方案，能够基本满足城市生活垃圾焚烧的破碎要求。城市固体废弃物破碎机试验样机如图 1 所示，其性能参数如表 2所列。
1. 出料口 2. 破碎机转轴 3. 破碎机刀具 4. 压缩机转轴5. 压缩机转子 6. 进料口 7. 压缩机腔体 8. 破碎机外壳
图1试验型垃圾破碎机
Fig. 1Prototype of MSW shredder
表2试验型垃圾破碎机的性能参数
3.1预压缩结构
常见压缩机构通常采用“先装填后压缩”的压缩模式，装填过程和压缩过程不能同时进行，生产效率较低。笔者提出采用三角转子对物料进行压缩，能够同时完成装填、压缩、送料 3 个过程，大幅提高了工作效率。三角转子转动时，进料区的物料随转子进入压缩区，物料中柔性及韧性物料被压扁压实。垃圾团随转子运动被推入破碎腔内，同时压缩区进行新一轮的压缩。
压缩缸体曲线采用内切创成法构造，三角转子曲线采用不同于缸体曲线的内包络线构造，设计时可根据所需压缩比设计缸体和转子。三角转子外壁采用钝角齿形状，以提高输送效率，防止压缩后的垃圾团粘在破碎腔壁上。该设计结构不仅可以使装填、压缩、送料 3 个阶段同时进行，实现连续进料、连续压缩的目的，而且使破碎刀具避开了物料被压缩时的受力方向，避免了由于刀具所受负荷过大而导致的功耗增加的问题。另外，垃圾中的脆性和硬质物料被提前压碎，有效减小了大块或锋利的物料对破碎刀具的损坏，提高了刀具的使用寿命，增加了其安全性和可靠性。垃圾破碎机旋转压缩装置如图 2 所示。
1. 进料口 2. 三角压缩块 3. 压缩腔 4. 中心转轴 5. 出料口
图2垃圾破碎机的旋转压缩装置
Fig. 2Rotary compression device in MSW shredder
3.2破碎刀具结构
破碎区的破碎刀具由两组刀片组成，两刀轴间距和各刀片的间距可根据要求进行调节。破碎刀具采用模块式设计，可根据当地垃圾组分选择不同刀头的刀具。若垃圾中硬质物料含量较多，可采用鹰嘴形;若厨余生物质含量较多，可采用棱锥形等。
此外，两刀轴的转速为差速，并且旋转方向可以分别改变。采用双变频器的方式，分别调节两刀片的转速，通过设计混合水平正交试验法，对转速和轴距×刀片距进行了试验，部分试验结果如表 3 所列。
表3试验数据
Tab.3Test data
根据试验数据可知，刀具转速对破碎后的物料粒径分布有着很大的影响。当刀具转速较低时，刀具对柔性物料的破碎效果较好，但大粒径颗粒比例较高。当刀具转速增高时，大粒径颗粒比例呈现先变小后增大的趋势，且当刀具转速较高时，柔性物料的破碎效果变差。通过分析，刀具同速且转速较大时，刀齿对物料的推送作用大于破碎作用，导致物料不能被完全切断破碎，而差速刀具可以避免此现象的发生。在破碎生活垃圾时，破碎机轴距与转速的相互影响如图 3所示。
图3轴距与转速相互影响
Fig. 3Interaction between wheelbase and rotary speed
另外，垃圾破碎机采用直径较大的破碎刀具，仅将两刀片重合区域作为破碎区 (见图 4)，入料口直径小于重合区域最大直径。由于三角转子压缩机构压缩后的垃圾团较为扁平，且刀轴不位于破碎区，破碎时可以避免物料缠绕刀轴的现象。
1. 进料口 2. 破碎区
图4垃圾破碎机的破碎区域
Fig. 4Crushing area of MSW shredder
同时，与传统破碎机相比，本方案设计的刀具仅有部分区域参与破碎，与待破碎物料接触面积较小，刀具所受反作用力较小，故可用小功率的电动机带动破碎刀具。
3.3转速控制系统
本方案采用转速控制系统分别控制 2 组刀具的转速，当压缩后的垃圾团进入破碎区后，刀轴转速可根据进料速度和破碎负荷进行智能调节。在遇到破碎负荷增大时，自动减小转速并增大破碎转矩，有利于物料破碎，并避免了破碎机因卡料发生的停转问题。
此外，通过转速控制系统，可以调节转速以控制破碎后颗粒的粒径，减少了更换刀具和调节转轴间距的时间，降低了维护成本。
4结论
以城市生活垃圾为主的固体废弃物的处理和利用是当今社会可持续发展的重要内容。现代破碎理论的进一步成熟以及新型耐磨材料的大量应用，带动了新型城市生活垃圾破碎机的发展。
笔者分析了城市生活垃圾破碎机技术的发展趋势，并提出了一种用于焚烧城市生活垃圾的破碎机结构。该结构采用预压缩技术，能够连续压缩进料，达到高频破碎的目的，且通过调节破碎机刀具转速，可以有效地改变破碎后颗粒的粒径，以达到燃烧要求。该结构能够有效地解决现有城市生活垃圾破碎存在的问题，并能够有效地运用于城市垃圾焚烧之前的垃圾破碎工作。转速及刀具间距对粒径的影响还在进一步研究和试验中。随着材料、工艺、破碎理论以及制造技术的快速发展，我国城市生活垃圾破碎市场也将从导入期进入到成长期，并向成熟期迈进，进入新的发展阶段。
原标题：城市生活垃圾破碎机研究分析
