新型翻蓋移動式垃圾壓縮設備

張紅欣 鄒鳳剛

山東五征環保科技股份有限公司 山東日照 276800

1 前言

目前，市場現有的移動式垃圾壓縮設備，主要由壓縮箱體、料斗、動力單元3部分組成。當料斗放下時，設備的投料口為敞口狀態，垃圾壓縮設備內的垃圾臭氣彌漫，造成空氣污染；當設備露天使用時，在風吹雨淋、高溫暴曬等極端天氣下，不可避免地會出現雨水進入設備，出現垃圾污水外溢，垃圾飛濺、臭味彌漫等問題[1]。

市場現有的移動式垃圾壓縮設備大都沒有徹底解決上述問題的方案，只有一些廠家在入料口處設計一個可前后滑移的滑蓋，在料斗放下時該滑蓋可覆蓋投料口。但是，該機構仍存在缺陷：一是料斗與滑蓋相對運動時，滑蓋不能提前滑移，阻礙垃圾傾倒，且垃圾傾倒時易飛濺到滑蓋上；二是當投料口處垃圾堆積較高時，滑蓋滑移過程中會與堆積較高的垃圾產生干涉，致使滑蓋無法正常滑移，甚至滑蓋將垃圾推落到箱體外部，造成垃圾對環境的二次污染。

針對以上問題，筆者以市場現有17 m3移動式垃圾壓縮設備為研究對象，結合市場現有的垃圾收集模式和收集環境，設計了一種新型翻蓋移動式垃圾壓縮設備，該設備采用六桿翻蓋機構，可180°無死點翻轉，料斗傾倒垃圾時翻蓋可提前翻轉打開，徹底解決了阻礙垃圾傾倒及垃圾飛濺的問題；同時設備投料口在整個作業過程中全封閉，無雨水進入、污水外溢、垃圾外濺現象，有效解決了垃圾臭味四散、導致病菌傳染等問題。該六桿翻蓋機構采用UG三維建模軟件和CAE分析軟件對機構整個運動過程的受力和強度進行綜合分析，并驗證其設計的合理性。

該移動垃圾壓縮設備不受場地限制，無需基建投資，易于搬遷，只需有380 V電源即可作業，適合在基建征地困難區域或有大型聚會等人群密集的臨時場所使用。設備結構緊湊，機、電、液一體化集成，壓縮比大，作業高效，整個垃圾清運系統投資少，操作方便，便于管理，可靈活變換作業場地。

2 設備的結構設計及工作原理

新型翻蓋移動式垃圾壓縮設備主要包括料斗、翻轉機構、壓縮箱體、動力單元、后門和六桿翻蓋機構6大模塊。設備結構如圖1所示。

圖1 翻蓋移動式垃圾壓縮設備

動力單元主要為整個壓縮設備提供動力，動力單元驅動能源是380 V電源。當散裝垃圾集中倒入垃圾裝載料斗后，在PLC控制程序驅動下，動力單元中的電機工作并帶動液壓油泵工作，為執行元件翻轉油缸提供液壓油，翻轉油缸的活塞桿伸出進而推動翻轉機構向上翻轉，帶動垃圾裝載料斗向上翻轉，同時由翻轉機構帶動后蓋板推桿，聯動內旋轉板、外旋轉板和前蓋板拉桿，將前蓋板和后蓋板一起向后翻轉，打開壓縮箱體的投料口，待垃圾裝載料斗內的散裝垃圾倒入壓縮箱體的投料口后，動力單元驅動壓縮箱體的壓縮機構進行散裝垃圾的預壓縮，達到壓縮減容的目的，同時實現壓縮箱體投料口由封閉狀態轉變為開口狀態。

一次上料完成后，動力單元驅動翻轉機構回復原位，同時帶動垃圾裝載料斗、后蓋板和前蓋板回復原位，確保后蓋板和前蓋板將壓縮箱體的投料口封閉，壓縮箱體的投料口由開口狀態轉變為封閉狀態，實現散裝垃圾收集過程壓縮箱體完全封閉。即使壓縮箱體投料口處垃圾堆積較高時也不會出現垃圾阻礙翻蓋運動和推動垃圾外掉等隱患，反而翻蓋對垃圾進行垂直壓縮，提高了設備的壓縮比和作業效率。

設備轉運作業流程：使用鉤臂車將移動式垃圾壓縮設備卸放到指定作業點，把動力單元電源插頭接入380 V電源，使用遙控器翻下料斗，環衛工人將垃圾送往移動式垃圾壓縮設備作業點并將垃圾倒入移動式垃圾壓縮設備料斗內，通過翻轉機構動作將垃圾倒入壓縮設備壓縮倉，最后通過推鏟將垃圾壓入箱體中，直到滿箱報警；將料斗通過翻轉機構翻到壓縮倉上部，斷開壓縮設備動力單元電源，鉤臂車將滿箱設備起吊上鉤臂車，通過鉤臂車上的鎖緊鎖箱裝置將壓縮設備與鉤臂車牢固連接，然后把車輛與壓縮設備后門快插接頭插好。在駕駛室內通過取力即可操作后門開閉，鉤臂車將滿載垃圾的設備轉運至垃圾焚燒廠即完成了整個作業流程，如圖2所示。

3 設備的功能特點

3.1 推鏟機構及其工作原理

推鏟機構（如圖3所示）采用雙油缸驅動，兩只油缸交叉布置，可縮短壓縮倉長度。推鏟與箱體采用小間隙、水平運動設計，有效防止垃圾被帶入壓縮腔后部；推鏟機構采用W型設計，具有破碎、壓縮減容功能，可減少垃圾轉運次數，降低垃圾轉運費用。

圖2 設備作業流程圖

圖3 推鏟機構三維數模

3.2 箱體密封系統創新設計

箱體密封系統主要由自主創新鎖緊機構和四道楞結構硅膠條組成，鎖緊機構由浮動油缸、上下鎖止鉤總成等組成，該機構具有安裝方便、啟閉靈活、機構自鎖等特點，在油缸內泄、管路滲漏情況下，仍能保障箱體與后門的可靠密封，有效解決垃圾收集和轉運過程中普遍存在的二次污染問題。鎖緊機構自鎖狀態如圖4所示。

3.3 液壓控制系統的組成及其原理

液壓控制系統（圖5）由內嚙合齒輪泵、閥塊、電磁卸荷閥、單向閥、壓力開關、電磁控制閥、液壓鎖、主推油缸、舉升油缸、后門鎖緊油缸、液壓接頭、液壓管路、液壓油箱等組成。由齒輪泵提供的高壓油進入多路換向閥，高壓油被分配給相應的油路，完成相應的機構作業動作。通過PLC程序控制電磁閥，完成料斗傾倒或推鏟壓縮垃圾等作業。多路閥內設有溢流閥，防止系統過載。舉升油路中油缸上設置了液壓鎖和節流閥，使料斗上升、下落平穩并且速度可調，能在任何位置長時間停留。

圖4 鎖緊機構自鎖試驗圖

圖5 液壓控制系統

4 六桿翻蓋機構設計

4.1 壓縮箱體

壓縮箱體是17 m3移動式垃圾壓縮設備的主要工藝設備，用于存儲壓縮后的垃圾，主要由框架、壓縮機構、后門等主要模塊組成。該部分材質板料主要采用CR780/980MS、610L（其中壓縮機構和箱體底板材質采用高強度耐磨鋼）等高強度材料，箱體兩側板采用整板制作，無任何焊縫。箱體采用高密度噴丸處理，并采用汽車面漆，內表面涂防石擊涂料，雙重防腐蝕措施保證箱體經久耐用。

4.2 六桿翻蓋機構設計

平面連桿機構是所有構件均由低副連接而成的機構，四桿機構是最常用的平面連桿機構。一般情況下，四桿機構只能近似實現給定的運動規律或運動軌跡，精確設計往往比較復雜，因此，在軌跡較為復雜的機械設計中以五桿和六桿機構更為常見[2]。 結合17 m3移動式垃圾壓縮設備的工作規律以及投料口處的特點，該翻蓋機構采用六連桿機構進行設計，以壓縮箱體為機架，翻轉機構為原動件，箱體投料口處的蓋板為執行構件，在動力單元的驅動下實現壓縮箱體投料口處翻蓋的聯動開啟和關閉。

如圖6、7所示，應用UG三維建模軟件構建基于六連桿機構的六桿翻蓋機構[3]，將壓縮箱體看做機架，其余連桿為活動構件，該六桿翻蓋機構可簡化為如圖8所示的六連桿機構運動簡圖。該機構全部由低副（即旋轉副）構成，其中連桿L1為原動件，連桿L5為執行構件，機構自由度計算公式如下：

式中，F為機構自由度；n為機構中活動構件數；Pl為機構中低副個數；Ph為機構中高副個數。

由計算可知F=1，即該六桿翻蓋機構的自由度為1，滿足機構具有確定運動的條件——機構的原動件數目應等于機構的自由度的數目。

圖6 六桿翻蓋機構關閉狀態

圖7 六桿翻蓋機構開啟狀態

4.3 六桿翻蓋機構受力分析

六連桿機構運動簡圖如圖8所示，其中，連桿L1為翻轉機構，連桿L2為后蓋板推桿，連桿L3為內旋轉板，連桿L4為外旋轉板，連桿L5為后蓋板。

圖8 六連桿機構運動簡圖

利用UG三維建模軟件中的運動仿真模塊，按照圖8所示的六連桿機構運動簡圖創建相關連桿和運動副。由于該機構的實際動力輸入為翻轉油缸的輸出力，但該輸出力大小受定量泵特性限制為恒定值，不易作為運動仿真的驅動輸入。因此取翻轉機構（連桿L1）的旋轉角度作為該機構的驅動輸入，并將旋轉驅動施加在連桿L1上，驅動函數為：STEP(time, 0, 0, 5, 85)，運動時間設定為0～5 s，連桿L1最大旋轉角度為85°，運動仿真中各構件的材料屬性直接繼承UG三維建模軟件中所賦予的材料屬性。

運動過程中點O、A、B、C、D、E處的運動副受力情況如圖9所示。

圖9 點O、A、B、C、D、E處的受力

由圖9可知，以上5點的最大受力情況如表1所示。

表1 點O、A、B、C、D、E處運動副最大受力情況

如圖10所示，只有點C處的加速度變化較大，其余各點的加速度變化很小，C點為桿L4和桿L5的鉸接點，并且由圖9可知，整個運動過程中點C受力突變很大，點O、D、E三點均為連桿與機架的鉸接點且各點處受力突變也較大，點A、B兩點為二力桿的兩端點且加速度的突變很小，因此，整個機構運動過程需重點校核點C、O、D、E4點的強度和剛度。

圖10 點O、A、B、C、D、E處的加速度

4.4 六桿翻蓋機構的有限元分析

用ANSYS Workbench軟件對該六連桿機構進行靜態工況的強度和剛度有限元分析，根據圖9、10所示，取機構在2.65 s時的狀態為研究對象，有限元模型如圖11所示。

圖11 六桿機構有限元模型

4.4.1 網格劃分

有限元模型中由于零件尺寸和形狀差異較大且不規則，對關鍵位置處的網格要求比較精細，因此模型整體采用Automatic Method方法、關鍵位置處進行局部網格細化的方法進行網格劃分，模型網格采用結構單元，局部網格細化區域采用六面體網格，其他區域以四面體網格為主，整體網格大小為10 mm，局部細化網格大小為5 mm。

4.4.2 邊界條件

根據第 2節描述的設備工作原理，取機構在 2 .65 s時的狀態為研究對象，參考圖 7六桿翻蓋機構開啟狀態和圖8六連桿機構運動簡圖對模型施加邊界條件：給點O、點D和 點E處 的機架設置固定約束，給點H、點G和點F分別施加相應的外載荷，其中：點H為調節連桿與翻轉機構的鉸點；點G為 翻轉油缸與翻轉機構的鉸點；點F為后蓋板與前蓋板的鉸點。

通過第4.3節中六連桿機構的運動仿真可獲知，機構在2.65 s時點H、點G和 點F3 點處的外載荷大小如表 2所示，各點受力方向如圖 1 2所示。

表2 點H、點G和點F處的外載荷大小。

圖12 機構2.65 s時點H、點G、點F外載荷方向示意圖

該有限元模型邊界條件加載后如圖13所示。

圖13 模型邊界條件

4.4.3 云圖分析

圖14 六桿機構靜載下應力云圖

整個機構在靜載荷工況下的應力云圖如圖14所示，由圖中可見，機構整體應力偏低、安全系數相對較高，只是在點O、點A、點G和點H4點處及其對應連桿的應力值相對較大，安全系數相對較低，尤其在點G附近出現最大應力和最低安全系數值。由圖14(b)可知，最大應力發生在連桿內部加強筋尖角處，為局部應力集中，而點G是該機構的驅動力作用處，因此此處為該機構的危險點。但該連桿所用材料為Q345B的高強度板材，最大應力遠小于材料的許用應力，滿足材料的使用要求。

由圖14(f)可見，安全系數小于1.5的部分很少，主要集中在連桿內部加強筋尖角處。

綜合以上分析，該機構在靜載工況下，機構整體強度在設計方面完全滿足使用要求。

5 結語

本文以市場現有17 m3移動式垃圾壓縮設備為研究對象，結合市場現有的垃圾收集模式和收集環境，設計了一種采用六桿翻蓋機構的新型翻蓋移動式垃圾壓縮設備。文中闡述了新型翻蓋移動式垃圾壓縮設備的工作原理和特點，與市場現有的眾多移動式垃圾壓縮設備相比，該設備整體密閉設計，有效解決了雨水進入、污水外溢、垃圾外漏、臭味彌漫等問題，杜絕了二次污染；能夠滿足智能、高效、環保、節能的要求。采用UG三維建模軟件和CAE分析軟件對機構整個運動過程中各關鍵點進行了受力和強度分析，分析結果表明該六桿翻蓋機構的設計合理有效，能夠滿足使用要求。