立式多層移動地板發(fā)酵倉及其液壓系統(tǒng)設(shè)計*

盛金良，趙 焱，郝冰波，成 波，宋世明

（1.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.廣東粵海水務(wù)股份有限公司，廣東 深圳 518021）

目前好氧發(fā)酵工藝主要分為條垛式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)和密閉式反應(yīng)器系統(tǒng)3種，同時根據(jù)不同工程要求，結(jié)合強制通風(fēng)、間歇式翻拋等輔助作業(yè)［1］。其中密閉式反應(yīng)器因其自動化程度高、臭氣易控制、占地面積小的特點，是較為理想的污泥發(fā)酵系統(tǒng)，但其容積有限，目前難以滿足較大規(guī)模污泥處理量。密閉式反應(yīng)器按結(jié)構(gòu)形式主要分為筒倉式發(fā)酵倉、滾筒式發(fā)酵裝置、立式多層發(fā)酵倉［2］。

這里介紹一種新型立式多層發(fā)酵倉——立式移動地板發(fā)酵倉，該發(fā)酵倉由多個移動地板箱體組成，通過液壓動力作用于箱體地板，使其有規(guī)律地往復(fù)移動，進而實現(xiàn)物料的前進，并在箱尾落入下層，同時完成翻拋，如此實現(xiàn)物料的流動［3］。該發(fā)酵倉通過多層發(fā)酵倉組合，減小占地面積；通過箱體的有效密封和抽風(fēng)除臭系統(tǒng)，改善臭氣排放問題；同時通過移動地板的泥料推送、掉落實現(xiàn)污泥翻拋作業(yè)，自動化程度顯著提高。實際工程運行中顯示該裝置能耗較低。

1 立式多層發(fā)酵倉工藝原理

該立式多層發(fā)酵倉由多個移動地板箱體組裝連接而成，可根據(jù)物料發(fā)酵量、發(fā)酵時間等工藝需求設(shè)計箱體尺寸及個數(shù)，如圖1為由5個箱體組成的單列5層發(fā)酵倉，實際工程中可根據(jù)污泥量組成多層多列的發(fā)酵塔。如在崇明陳家鎮(zhèn)污泥處置工程中，為3層4列共12箱體的發(fā)酵倉，每天1個箱體污泥處理量，第1層布滿后，開始落入下層，相當(dāng)于每隔4 d翻堆1次，如此12 d后泥料出倉完成發(fā)酵。頂層布有抽風(fēng)除臭系統(tǒng)。

圖1 立式多層發(fā)酵倉工藝示意

1.1 移動地板箱體結(jié)構(gòu)

移動地板箱體（以下簡稱箱體） 主體是型材焊接而成的框架，側(cè)壁用鋼板焊接，外圍包裹一定厚度保溫材料，如圖2所示［4］。

圖2 移動地板箱體結(jié)構(gòu)示意

1.2 移動地板箱體送料原理

箱體的底部是由若干塊地板組成（如圖3為9塊地板），相間隔2個的地板為1組，通過連接架相連接，共3組。液壓油缸作用于連接架從而推動每組地板作有序有規(guī)律的移動，實現(xiàn)物料的推送。

圖3 移動地板箱體送料原理

如圖3，液壓缸A、B、C依次有桿腔供油，帶動3組移動地板依次抽回，而物料保持不動；全部液壓缸同步無桿腔供油，使3組地板同步推出，從而帶動泥料前移，實現(xiàn)泥料的推送，完成1個周期。移動地板如此往復(fù)，便可實現(xiàn)泥料的向前推送。

2 液壓參數(shù)設(shè)計計算

以箱體內(nèi)部尺寸l×b×h，滿載泥料質(zhì)量M，移動地板等部件質(zhì)量m計算，移動地板液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)有箱體滿載時地板逐組抽回時的油缸拉力F1和地板全部推出去的油缸推力F2。

地板抽回時受泥料對地板的滑動摩擦力f1和輥輪對地板的滾動摩擦力f2［5-6］，其計算公式：

式中：μ1為泥料與側(cè)壁之間的摩擦因數(shù)。

式中：K為地板與托輥間的滾動摩擦因數(shù)；r為支撐托輥的輥輪半徑，m。

則地板逐組抽回時的單個油缸拉力：

地板推出去時主要受箱體兩側(cè)面的摩擦力f3和支撐托輥的摩擦力f4：

式中：N為泥料對箱體側(cè)壁的正壓力，可按照靜止土壓力計算N=2E0l（l為箱體內(nèi)污泥的有效堆載長度，m）［7］。

式中：γ0為填土重力密度，kN/m3；H為擋土墻高度，這里為堆料高度，m；kn為靜止土壓力系數(shù)，一般取0.65。

則有：

則地板推出時單個油缸推力：

根據(jù)液壓油缸所需推拉力選定油缸工作壓力、尺寸、工作流量等參數(shù)，并進行校核。

3 液壓回路設(shè)計

液壓系統(tǒng)采用電控液壓系統(tǒng)，其基本功能要求為：通過PLC控制3個液壓缸A、B、C的順序及同步動作。由液壓移動地板式料倉送料系統(tǒng)工作原理可知，在1個工作循環(huán)中，液壓缸的順序動作是液壓缸A、B、C依次抽拉1個送料行程的距離后，3個油缸同步推送1個送料行程的距離。

為了實現(xiàn)上述基本功能，本控制系統(tǒng)選用電磁換向閥和電液比例閥對3個驅(qū)動油缸進行控制；3個電磁換向閥控制3個驅(qū)動油缸的順序動作；3個比例液壓閥對3個驅(qū)動油缸進行同步控制。通過PLC控制電磁換向閥中電磁鐵的得電情況，進而控制液壓缸的運動方向，并且通過控制3個電磁換向閥中電磁鐵的得電順序控制3個液壓缸的運動順序。這里選用3個電磁換向閥是為了更好地實現(xiàn)對3個雙作用液壓缸的控制，節(jié)省液壓管路。其電控液壓系統(tǒng)回路如圖4所示。

圖4 電控液壓系統(tǒng)回路

推送泥料時在未工作時，限位開關(guān)S01、S03、S05均為斷開狀態(tài)，當(dāng)按下“開始”按鈕SB1時，系統(tǒng)開始工作，具體工作步驟如下：系統(tǒng)首先會檢查限位開關(guān)S02、S04、S06的狀態(tài)，當(dāng)全部為閉合狀態(tài)時，圖4中7三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA1得電，驅(qū)動油缸A開始有桿腔進油，無桿腔出油，驅(qū)動油缸A的活塞桿縮回；當(dāng)A缸活塞桿運動到最左端，碰到限位開關(guān)S01時，8三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA3得電，B缸開始有桿腔進油，無桿腔出油，活塞桿縮回；當(dāng)B缸活塞桿運動到最左端，碰到限位開關(guān)S03時，9三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA5得電，C缸開始有桿腔進油，無桿腔出油，活塞桿縮回。當(dāng)檢測到S01、S03、S05同時閉合時，啟動延時，在該程序中設(shè)定延時1 s。1 s之后，7三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA2、8三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA4、9三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA6同時得電，3個液壓缸中活塞桿同時拉回，對應(yīng)3個驅(qū)動油缸同時推出。當(dāng)3個液壓缸同時運動到最右端，限位開關(guān)S02、S04、S06同時閉合時，進入下一個工作循環(huán)。在自動卸料的1個工作周期內(nèi)，任意時刻按下“停止”按鈕SB2，3個雙作用液壓缸將會停止運動；當(dāng)再次按下“開始”按鈕SB1時，系統(tǒng)繼續(xù)當(dāng)前動作。其端子接線示意見圖5。

圖5 PLC端子接線

根據(jù)前面介紹的工作流程，在PLC編程器中編制出梯形圖程序，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)梯形圖

4 Automation Studio平臺下液壓系統(tǒng)的仿真分析

4.1 仿真過程

Automation Studio中Library Explorer中含有各種液壓元件，按照如圖4所示的液壓連線從中選取所需的液壓元件構(gòu)建液壓系統(tǒng)。其中3個驅(qū)動油缸的同步控制采用PID控制，驅(qū)動油缸B的位移通過A缸的位移進行控制，驅(qū)動油缸C的位移通過B缸位移進行控制，驅(qū)動油缸A的位移通過C缸的位移進行控制。其中電液比例閥與控制單元匹配如圖7所示［8］。

圖7 電液比例閥與控制單元的匹配

4.2 仿真結(jié)果及分析

圖8 液壓缸位移曲線

圖8中綠藍(lán)紅分別表示液壓缸A、B、C位移曲線。可以看出“開始”前，3個液壓缸的位移為零；“開始”后，綠色曲線上升，表示A缸位移開始增加，運動到最大位移200 mm，觸發(fā)到限位開關(guān)；同時B缸開始移動，如同A缸運動形式；同理C缸的運動，當(dāng)C缸觸碰到限位開關(guān)后，3條曲線重合，持續(xù)1 s后，3條曲線重合并同時下降，表示3個驅(qū)動油缸的活塞桿同步收回，直至位移下降為0，1個運行周期完成，進入下一個運行周期，如第2條綠色曲線，至此完成了3個液壓缸工作狀態(tài)的仿真［9］。

從圖9可知，在整個運動仿真周期中液壓泵輸入流量基本保持在18 L/min左右，如圖中白色曲線所示，按下“開始”鍵后，液壓缸A的流量因電磁換向閥和電液比例閥的作用而發(fā)生輕微跳動，隨后流量值保持在18 L/min，如圖中綠色曲線所示；同理，圖中藍(lán)色和紅色曲線分別表示液壓缸B、C的流量變化；3個液壓缸依次順序動作，停頓1s后，3個液壓缸的有桿腔輸入流量為8.4 L/min左右，負(fù)值表示為輸出流量，從圖中可得3個液壓缸的有桿腔同時輸出流量，且輸出流量大小相同，表明3個液壓缸同步；圖中第2條綠色曲線表明3個液壓缸進入下一個運動周期。

圖9 液壓缸流量曲線

由此，本電控液壓系統(tǒng)基本實現(xiàn)了對3個驅(qū)動油缸的順序控制和同步控制，從仿真結(jié)果中可看出位移、流量曲線基本滿足了對電控系統(tǒng)的要求，為更深層次的仿真研究和系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)束語

立式多層發(fā)酵倉通過多層箱體組合，減小占地面積，密閉形式提高臭氣處理能力，同時通過移動地板的物料推送、掉落實現(xiàn)污泥翻拋作業(yè)，自動化程度顯著提高，為污泥好氧發(fā)酵工程提供了新的方案。對移動地板發(fā)酵倉關(guān)鍵技術(shù)進行研究，對液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計計算及系統(tǒng)回路設(shè)計，并通過Automation Studio對該電控液壓回路系統(tǒng)進行仿真，為更深層次的仿真研究和系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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