圓筒型移動式垃圾壓縮設備設計

于曉娟 陳 銳 姚燕生 鄭 磊 李 云

（1、勁旅環境科技股份有限公司，安徽 合肥230011 2、安徽建筑大學 機械與電氣工程學院，安徽 合肥230601）

當一個國家城鎮化率在30%～70%時，是城市病的集中爆發期[1]。在2010 年我國城鎮化率達到50%之后，環境污染等一些突出城市病就開始明顯表露出來，城市垃圾處理成為解決城市環境問題以及居住舒適感的關鍵問題[2]。當前垃圾壓縮運轉處理流程如圖1 所示，城市居民的生活垃圾先送到小區或街道的垃圾桶，由環衛工人開著垃圾運輸車到各個收集點收集，再運輸到垃圾壓縮中轉站，經垃圾壓縮中轉站將松散垃圾壓實以減小體積并分離污水，再由運輸車運輸到垃圾場進行集中填埋或焚燒[3]。從上述流程中可以看出垃圾經過中轉站壓縮與多次裝卸運輸，比較浪費人力物力。為解決這一問題，我們研究開發了集多功能于一體的高效移動式垃圾壓縮設備，并制造出系列化的應用產品。

1 總體機械結構設計

城市垃圾主要有工業垃圾、建筑垃圾和生活垃圾。工業垃圾和建筑垃圾一般為短期內集中應用運輸車輛直接運送到處理場，而城市生活垃圾主要為餐廚垃圾、生活廢棄物資、樹枝落葉等，比較蓬松、含水量大、成分復雜，為提高運輸效率，最好的辦法是先壓縮再運輸。移動式垃圾壓縮設備實現了運輸與壓縮裝載的流程一體化，可以放置在垃圾中轉站地面收集垃圾和壓縮垃圾，也可裝載于運輸車上，在轉運途中將收集的垃圾在箱體內壓縮，最后直接運送到垃圾場焚燒填埋，無需再到壓縮中轉站中壓縮垃圾。相較于傳統的垃圾壓縮處理方式，該設備使垃圾運轉處理流程得到簡化，節省了更多的時間；另外可不進入垃圾壓縮站，減少垃圾壓縮站建設投資，可節約資金，降低對周邊居民生活的影響。

目前常見的移動式垃圾壓縮設備多為長方體等有死角的箱體[4]，這種設備較易在拐角、棱邊處產生損傷，縮短箱體的使用壽命，而且不利于垃圾脫離干凈，在箱體內產生殘留。綜合考慮現有方箱式垃圾壓縮設備優缺點，在傳統設備的基礎上設計了外形為圓筒型的可移動翻斗式垃圾壓縮設備。圖2 中分別展示的是新型移動壓縮設備結構設計圖、三維模型圖和實物圖。

圖1 城市垃圾壓縮運轉處理系統組成圖

圖2 新型垃圾壓縮設備

圖3 垃圾壓縮處理流程圖

圓筒形儲料箱體采用高強度合金板材料，分兩半圓模壓成型后焊接成整體，結構輕便、容積量大、經濟性高。創新設計了多連桿液壓驅動的上料翻斗機構，改變了傳統的提升單個垃圾桶翻桶傾倒垃圾的模式，另外其制造工藝也為模壓成型減輕了自身重量；當翻斗液壓缸啟動，驅動復合連桿機構來實現翻斗上多個垃圾桶同時向箱體中倒入垃圾。壓縮頭與壓縮腔采用無導軌與無縫式設計，良好的導向性使得壓縮過程更加平穩、流暢，使垃圾在壓縮腔內受力會更均勻、更小、更易于將松散垃圾壓實成型。圓形后門及門框采用優質鋼材模壓成型，圓度優良，確保了對垃圾滲濾液的完全密封。

2 液壓與控制系統設計

液壓系統是垃圾壓縮設備非常重要的組成部分，無論對于垃圾壓縮站還是移動式垃圾壓縮設備，它都直接關系著垃圾壓縮設備的垃圾壓縮效率。液壓系統主要是由液壓泵、液壓缸、控制閥以及其它輔助元件構成，油箱內的液壓油由輸油泵抽吸送入液壓泵，為垃圾壓縮設備提供工作壓力，各控制閥分別控制提料液壓缸、推壓液壓缸、尾門液壓缸的油路方向，從而實現液壓系統壓縮垃圾的工作。其中溢流閥和蓄能器來共同維持液壓系統內的壓力在設定值。

液壓系統的工作壓力一般是由設備負載所決定的。傳統的垃圾壓縮設備都是采用定量泵作為液壓泵，配合節流調速系統實現液壓系統的工作，但都存在著明顯的缺點——即需要電機提供大功率，且節流調速系統的損耗也很高。對此，我們采用了恒功率變量泵取代定量泵作為液壓泵，這在國外一些發達國家的工業領域中已經試驗過了。采用定量泵的液壓系統工作壓力一般在16MPa 到18MPa, 采用恒功率變量泵其所需的壓縮機功率從22kW 降到了15kW，而系統的工作壓力卻從16MPa 提高到了24MPa。這不僅可以滿足液壓系統的壓力設定值22MPa，還可以減小執行元件的尺寸使設備結構更加緊湊、體積變小，另外還降低了壓縮機功率，實現了節能減耗。

移動式垃圾壓縮設備的電控系統主要包括電源模塊、單片機模塊、數據儲存模塊、數據傳輸模塊、溫度信號處理模塊、顯示模塊等。電源模塊為整個系統供電；單片機模塊收發指令控制整個設備運行；數據儲存模塊用來儲存實時裝載垃圾量、設備的累計運行時間、當日垃圾處理量等信息；數據傳輸模塊可以傳輸單片機的控制指令；溫度信號處理模塊用來監測設備液壓系統的溫度，防止油溫超出預定值；顯示模塊可以顯示設備的相關信息。新型移動式垃圾壓縮設備具體處理流程見圖3 所示：先啟動垃圾壓縮設備，為設備的電控系統供電，液壓系統預熱，并完成設備自檢；通過翻斗將垃圾收集翻轉傾倒入壓縮腔內，推頭在壓縮腔內壓縮松散垃圾，再將其裝入垃圾設備的箱體內。

通常壓縮設備中的液壓系統最高壓力設定為22MPa，液壓系統因持續溢流會產生熱量損耗，當檢測液壓油溫度達到一定值后，電控系統則會啟動冷卻風機進行降溫處理，消耗更多的電能。為此，對最新型移動式垃圾壓縮設備電控系統的電源模塊進行了改進設計，采用變頻器驅動電機，電機轉速可以根據工作情況實時調節。當系統工作壓力較低時，此時變頻器的電流輸出值較小，系統會以50HZ 工頻工作，壓縮頭高速前進。當系統壓力升高達到設定值22MPa 時，此時變頻器的電流輸出值較大，系統降低頻率以10Hz 工作，使系統壓力穩定在22MPa，推頭進行保壓。該工作方式的優點是一方面降頻后可以降低電機能耗；另一方面降頻后系統通過溢流閥溢流的油液減少，系統發熱量大大降低。通過實驗，采用變頻系統后較傳統電控系統降低能耗約20%。

表1 新型垃圾壓縮設備與傳統壓縮設備對比

圖5 垃圾轉運車/車廂

圖6 傳統移動式垃圾壓縮設備

3 與傳統壓縮設備對比分析

與傳統的垃圾壓縮設備相比，我們研究開發的新型移動式垃圾壓縮設備具備顯著的優點（如表1）。其箱機一體式的結構設計避免了傳統垃圾壓縮站地基的土建工程（如圖4），也避免了垃圾轉運車（如圖5）無法壓縮垃圾的缺點，提高了設備的垃圾處理效率，減少了設備資金的投入。我們也與市面上具有相同箱體容積和壓縮腔容積的傳統移動式垃圾壓縮設備做了比較（如圖6），傳統設備的箱體設計多為長方體，存在死角不便清潔箱體，且上料方式多為掛桶式或后裝式，需人工上料。新型移動式垃圾壓縮設備的箱體結構采用圓柱體，且采用翻斗式上料，避免了上述缺點。并且我們研發的新型垃圾壓縮設備的液壓系統和電源模塊分別采用恒功率變量泵和變頻器驅動電機，在相同的垃圾處理情景下，這些改進在保證液壓系統工作壓力的同時減少了系統所需相匹配的電機，降低了設備能耗。

4 結論

本文研究設計的圓筒型移動式壓縮設備，其優異的一體式結構集合了運輸與壓縮功能，改變了傳統的垃圾壓縮運轉處理流程，縮短了整個流程的運轉時間，提高了垃圾處理的效率。公司開發的移動式垃圾壓縮設備獲得安徽省新產品證書，并批量生產與銷售，年銷售額上千萬元。傳統的垃圾運輸車和垃圾壓縮中轉站將會逐漸退出社會的舞臺，移動垃圾壓縮設備將會在未來成為發展的主流。目前我們正在將遠程監控與在線故障診斷技術應用到每個移動垃圾壓縮設備，并通過大數據分析提前預測，在發生故障之前維護好垃圾壓縮設備，實現垃圾處理設備無故障高效工作。