基于石材廢棄物再利用加工的升降滑軌裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

程 艷，林生鳳，楊開(kāi)懷*，張 競(jìng)，高 華

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與智能制造學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350025；3.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350025）

當(dāng)前，石材加工已成為福建省重要的支柱產(chǎn)業(yè)，極大地帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)[1-2]。與此同時(shí)，石材加工過(guò)程產(chǎn)生大量形狀各異的塊狀和片狀廢棄物，如未加以處理將造成巨大資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染[3-4]。因此，進(jìn)一步對(duì)石材加工過(guò)程產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行再利用，已成為解決石材資源浪費(fèi)和石材加工廢棄物環(huán)境污染的重要手段[5-8]。研究表明，石材加工廢棄物可以滿(mǎn)足建筑用砂、碎石和摻合料的原材料要求，經(jīng)適當(dāng)工藝加工可以成為碎石、人工砂、石屑、石粉等建筑用材的替代產(chǎn)品或原材料[1-2，5-8]?，F(xiàn)有石材加工機(jī)升降滑軌裝置雖然能夠滿(mǎn)足一般情況下的石材加工，但當(dāng)遇到石材廢棄物硬度較大或反作用力突然增大的情況，沒(méi)有針對(duì)性的解決和處理措施，易引發(fā)一系列的設(shè)備故障和安全問(wèn)題。本研究改進(jìn)設(shè)計(jì)了石材加工機(jī)升降滑軌裝置，增加了一套限位裝置和緩沖彈簧，能夠有效解決石材廢棄物加工接觸壓力過(guò)大時(shí)的安全問(wèn)題，提升石材廢棄物加工效果、適用范圍和安全性，并用于制備石材廢棄物人工砂和碎石等原材料，研究了它們?cè)诨炷两ㄖ牧现械膽?yīng)用。

1 現(xiàn)有升降滑軌裝置分析

1.1 工作原理

現(xiàn)有石材加工機(jī)升降滑軌裝置的主要結(jié)構(gòu)包括：升降軌道、緩沖裝置、導(dǎo)軌、觸動(dòng)裝置、報(bào)警裝置，如圖1所示[9]。其中升降軌道與緩沖裝置固定連接，緩沖裝置、觸動(dòng)裝置、報(bào)警裝置均固定裝設(shè)在導(dǎo)軌上，觸動(dòng)裝置與報(bào)警裝置活動(dòng)連接，緩沖裝置由彈簧、外桿、內(nèi)桿、緩沖墊片組成，彈簧與外桿的底端、外桿與內(nèi)桿、內(nèi)桿與緩沖墊片依次固定連接，緩沖墊片固定裝設(shè)在導(dǎo)軌上。在加工過(guò)程中，當(dāng)遇到材質(zhì)較硬的石材時(shí)，升降軌道會(huì)受到反向作用力，升降軌道在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動(dòng)，通過(guò)緩沖裝置緩沖，從而防止刀具損壞。當(dāng)反作用力過(guò)大時(shí)，外桿頂?shù)骄彌_墊片上，觸發(fā)觸動(dòng)開(kāi)關(guān)后，報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警。

圖1 現(xiàn)有石材加工機(jī)升降滑軌裝置示意圖

1.2 不足分析

在石材廢棄物加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有石材加工機(jī)升降滑軌裝置中緩沖裝置主要通過(guò)壓縮彈簧和液壓挺桿組合實(shí)現(xiàn)，只能實(shí)現(xiàn)一級(jí)緩沖，緩沖效果差。同時(shí)，當(dāng)?shù)毒吲c石材廢棄物接觸壓力過(guò)大時(shí)，僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警，不能夠進(jìn)行有效防止和控制，仍然會(huì)引發(fā)安全事故，因此報(bào)警裝置設(shè)計(jì)的工程意義不大，進(jìn)而導(dǎo)致適用效果差和實(shí)用性低，致使石材廢棄物再利用加工安全性和效率較低、成本高。

2 基于石材廢棄物再利用加工的升降滑軌裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)方案

改進(jìn)設(shè)計(jì)的石材加工機(jī)升降滑軌裝置結(jié)構(gòu)示意圖[10]如圖2所示。從圖中可以看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)的石材加工機(jī)升降滑軌裝置，將對(duì)稱(chēng)滑動(dòng)卡接在升降軌道主體結(jié)構(gòu)上的2組設(shè)計(jì)為倒“U”字形結(jié)構(gòu)的固定座上，取消了工程意義不大的報(bào)警裝置，并增加了1套限位裝置和緩沖彈簧組。限位裝置包括移動(dòng)塊、限位座、轉(zhuǎn)動(dòng)板、移動(dòng)板、限位輥和第二彈簧，緩沖彈簧組主要由1個(gè)壓縮彈簧（第一彈簧）和2個(gè)拉伸彈簧（第二彈簧、第三彈簧）組成，第二彈簧為拉伸彈簧，設(shè)有2組分別位于兩組轉(zhuǎn)動(dòng)板外側(cè)，第三彈簧為拉伸彈簧，位于固定座內(nèi)時(shí)處于拉伸狀態(tài)，并通過(guò)貫穿設(shè)置于第一彈簧內(nèi)的滑動(dòng)塊將限位裝置和緩沖彈簧組聯(lián)系起來(lái)，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)說(shuō)明可參閱文獻(xiàn)[10]。

圖2 改進(jìn)設(shè)計(jì)的石材加工機(jī)升降滑軌裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 原理和創(chuàng)新

升降軌道是連接在固定塊上的，通過(guò)驅(qū)動(dòng)液壓挺桿，移動(dòng)固定塊使升降軌道進(jìn)行上下移動(dòng)，當(dāng)加工過(guò)程中遇到材質(zhì)較硬的石材時(shí)，升降軌道受到反作用力，向上推動(dòng)固定塊，固定塊推動(dòng)液壓挺桿向上移動(dòng)，壓縮第一彈簧，進(jìn)而避免造成刀具損壞的情況，同時(shí)減少了危險(xiǎn)情況的發(fā)生，這也是改進(jìn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之一[11]。

滑動(dòng)塊受自身重力向下移動(dòng)，向下移動(dòng)過(guò)程中將拉動(dòng)移動(dòng)塊，移動(dòng)塊的向下移動(dòng)會(huì)拉動(dòng)2組轉(zhuǎn)動(dòng)板，使得2組轉(zhuǎn)動(dòng)板分別在2組移動(dòng)板上轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)板轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)移動(dòng)板，使第二彈簧處于拉伸狀態(tài)；當(dāng)2組轉(zhuǎn)動(dòng)板位于同一水平線(xiàn)上時(shí)，移動(dòng)板一端位于固定座內(nèi)，第二彈簧拉伸產(chǎn)生的彈力與滑動(dòng)塊重力處于平衡狀態(tài)[11]；當(dāng)反作用力過(guò)大時(shí)，滑動(dòng)塊推動(dòng)移動(dòng)塊移動(dòng)，第二彈簧停止受到滑動(dòng)塊的重力，則第二彈簧恢復(fù)原狀拉動(dòng)移動(dòng)板通過(guò)限位輥在限位座內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)板向移動(dòng)塊一側(cè)移動(dòng)，使移動(dòng)板一端與固定座分離，此時(shí)第三彈簧恢復(fù)原狀，拉動(dòng)限位座向上移動(dòng)，限位座拉動(dòng)第一彈簧、液壓挺桿和固定塊向上移動(dòng)，促使升降軌道向上移動(dòng)，進(jìn)而避免刀具與石材接觸，完全終止切割工作，從而提高了使用時(shí)的安全性，避免對(duì)周邊人員造成傷害，這是改進(jìn)設(shè)計(jì)的第2個(gè)創(chuàng)新[11]。

2.3 應(yīng)用

2.3.1 加工人工砂

將新設(shè)計(jì)的滑軌裝置配合石材加工機(jī)，加工石材廢棄物，制備碎石和人工砂。加工出的人工砂產(chǎn)品如圖3所示，從圖中可以看出，人工砂粒型多呈三角體或方矩體，顆粒比較方圓，表面粗糙，棱角明顯。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)多批次人工砂進(jìn)行檢驗(yàn)，人工砂細(xì)度模數(shù)為2.3~3.1，石粉含量介于0.7%~1.2%之間，壓碎指標(biāo)均介于7.9%~9.2%之間。分級(jí)篩余數(shù)據(jù)表明，粒徑在300 μm-1.18 mm段的中間段粒徑砂較多，粒徑分步連續(xù)，級(jí)配較理想；累計(jì)篩余試驗(yàn)結(jié)果表明，人工砂分別位于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中II區(qū)、I區(qū)的位置，滿(mǎn)足II區(qū)、I區(qū)的指標(biāo)要求，能夠應(yīng)用于混凝土建筑材料中。

圖3 石材廢棄物加工出的人工砂

2.3.2 加工碎石

加工出的碎石產(chǎn)品如圖4所示，從圖4中可以看出，碎石保持較好的方圓體粒形，外觀呈多個(gè)小斷面，大的斷裂面較少，且碎石光面少。對(duì)碎石的針片狀顆粒含量、壓碎指標(biāo)等主要性能指標(biāo)進(jìn)行了綜合試驗(yàn)評(píng)價(jià)，表明加工出的碎石針片狀顆粒含量均介于2%~5%之間，壓碎指標(biāo)均介于7.1%~9.5%之間，全部符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[12]，達(dá)到了Ⅰ類(lèi)碎石的技術(shù)要求，適宜用于配置混凝土。

圖4 石材廢棄物加工出的碎石

2.3.3 人工砂和碎石的應(yīng)用

采用加工出的人工砂替代普通砂，采用加工后的碎石作為粗骨料，制備一系列添加不同粗骨料作為原材料的混凝土，對(duì)制備而成的混凝土進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。表中a表示普通碎石，b表示石材廢棄物加工的碎石，a+b表示2種碎石混合作為粗骨料。

表1 不同比例粗骨料對(duì)混凝土性能的影響

從表中可以看出，使用石材廢棄物加工的碎石替代普通碎石作為粗骨料，當(dāng)替代的比例較低時(shí)，所制備的混凝土性能，和全部采用普通碎石制備成的混凝土的性能非常接近，所制備的混凝土性能優(yōu)異。隨著石材廢棄物加工的碎石占粗骨料比例逐漸增加，所拌制的混凝土的坍落度、保水性和粘聚性等性能逐漸變差，28 d抗折強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這主要是因?yàn)?，石材廢棄物加工的碎石光面比普通碎石多，甚至可能存在2個(gè)平行光面。光面較多的碎石含量越高，混合成的粗骨料的總體表面積就越小，混合成的粗骨料的光滑面將越多，這樣與砂漿粘結(jié)的面積就越小，導(dǎo)致粘結(jié)能力也就越低，并且這樣的界面層非常容易集留有水份，硬化后容易產(chǎn)生薄弱的界面層，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度顯著降低。

綜上所述，可用加工出的人工砂替代普通砂、碎石替代普通碎石作為粗骨料配置混凝土，碎石替代率可達(dá)20%。

3 結(jié)論

（1）改進(jìn)設(shè)計(jì)了石材加工機(jī)升降滑軌裝置，增加了1套限位裝置和緩沖彈簧組，能夠有效避免造成刀具損壞的情況，同時(shí)減少了危險(xiǎn)情況的發(fā)生，避免造成人員傷害，且操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、便于推廣使用。

（2）改進(jìn)設(shè)計(jì)的滑軌裝置配合石材加工機(jī)能夠有效對(duì)形狀各異的石材加工廢棄物進(jìn)行破碎加工，加工出的人工砂產(chǎn)品粒徑分步連續(xù)，中間粒徑的顆粒含量較多，石粉含量較少，壓碎值指標(biāo)值大小適中，能夠應(yīng)用于混凝土建筑材料中。

（3）加工出的碎石的針片狀顆粒含量及壓碎指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，壓碎指標(biāo)均達(dá)到了Ⅰ類(lèi)碎石的技術(shù)要求，可用于替代普通碎石作為粗骨料配置混凝土，當(dāng)替代率≤20%時(shí)，所制備的混凝土性能優(yōu)異，與全部采用普通碎石制備成的混凝土的性能相近。