垃圾桶提升機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與控制系統(tǒng)設(shè)計

李長征，朱寶華，屠佳佳，2，史偉民

(1.浙江理工大學(xué)教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研究中心，浙江杭州 310018；2.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化學(xué)院，浙江杭州 310053)

0 前言

垃圾分類是近幾年來人們重點(diǎn)關(guān)注的。隨著人口的增長與生活水平的不斷提高，餐飲業(yè)的迅速發(fā)展，特別是外賣行業(yè)的快速興起，使得廚余垃圾產(chǎn)生量逐年上升。廚余垃圾必須進(jìn)行及時處理，否則會腐敗變質(zhì)，對自然界造成一定污染[1]，其中垃圾桶提升機(jī)在垃圾處理設(shè)備中扮演著重要的角色。

垃圾桶提升機(jī)主要應(yīng)用在環(huán)衛(wèi)車以及廚余垃圾處理設(shè)備上，主要以提升專用尺寸垃圾桶為主。我國首次對提升機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的是福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司的羅龍明[2]，他所設(shè)計的提升機(jī)構(gòu)主要是與垃圾車做配套，設(shè)計出一套平面四連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)垃圾桶的提升與翻轉(zhuǎn)，然后陸續(xù)有人對該提升機(jī)構(gòu)做出改進(jìn)。后來，該提升機(jī)構(gòu)被曹昌勇等[3]應(yīng)用在餐余垃圾分揀系統(tǒng)上，并設(shè)計出一套PLC閉環(huán)控制與液壓控制相結(jié)合的垃圾桶提升系統(tǒng)。

目前國內(nèi)垃圾處理設(shè)備上的提升機(jī)多數(shù)沒有設(shè)置稱重結(jié)構(gòu)，只有少數(shù)設(shè)置稱重平臺，但因?yàn)闈M桶質(zhì)量較大，稱重平臺又設(shè)有斜坡，單人操作較難，而且提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性不高，因此，作者針對提升機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計出易操作，工作穩(wěn)定、可靠，與廚余垃圾處理設(shè)備配套的提升機(jī)。

1 廚余垃圾處理設(shè)備與垃圾桶介紹

廚余垃圾處理設(shè)備集提升、分揀、撕碎、擠壓、攪拌、發(fā)酵、烘干為一體，廚余垃圾處理設(shè)備透視圖如圖1所示。

圖1 廚余垃圾處理設(shè)備透視圖

圖1為小型分體式廚余垃圾處理設(shè)備，它可以有效解決廚余垃圾污染問題，生產(chǎn)化工原料、有機(jī)肥等[4]，常放置在單位食堂、社區(qū)衛(wèi)生站等場所。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 廚余垃圾處理工藝流程

圖2中，廚余垃圾處理的工藝流程是將生活有機(jī)垃圾、農(nóng)作物廢棄物和畜禽糞便等物料裝入120 L垃圾桶內(nèi)，然后經(jīng)提升機(jī)機(jī)械提升，接著倒入分揀臺進(jìn)行人工分揀，再接著進(jìn)入撕碎機(jī)撕碎，撕碎過的物料自動落入擠壓絞龍中，經(jīng)過絞龍的循環(huán)擠壓脫水后，物料進(jìn)入發(fā)酵-烘干一體倉進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后，提高油溫進(jìn)行最后的烘干處理得到有機(jī)肥或有機(jī)土。

廚余垃圾處理設(shè)備可選裝油水分離裝置和廢氣處理裝置，擠壓脫水產(chǎn)生的液體進(jìn)行油水分離后，污水進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放，油脂通過酸催化預(yù)酯化和堿催化酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為酯，然后減壓蒸餾生成生物柴油[5]；發(fā)酵和烘干所產(chǎn)生的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)抽取進(jìn)入廢氣處理裝置中進(jìn)行雙層活性炭吸附，當(dāng)氣體分子通過活性炭時，固態(tài)或液態(tài)顆粒可被活性炭的多孔截留，氣體分子可與活性炭的官能團(tuán)結(jié)合成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，從而完成除臭，然后進(jìn)行廢氣的達(dá)標(biāo)排放[6]。

如圖3所示為120 L垃圾桶實(shí)物，為垃圾處理設(shè)備中所用垃圾桶[7]。

圖3所示垃圾桶的結(jié)構(gòu)特征有：

(1)桶體和桶蓋使用一次性鑄模而成，堅(jiān)固耐用。

(2)桶內(nèi)光潔，減少垃圾殘留，易于清潔。

(3)桶身、箱口及底部特別加固加厚處理，可經(jīng)受各種外力(如碰撞、提升及墜落等)。

2 提升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計建模與改進(jìn)

提升機(jī)[8]廣泛應(yīng)用于環(huán)衛(wèi)工作，大多為后期加裝，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。圖4所示為優(yōu)化前廚余垃圾處理設(shè)備上所配備的提升機(jī)。

圖4 改進(jìn)前提升機(jī)三維結(jié)構(gòu)

改進(jìn)前提升機(jī)采用液壓泵提供動力，利用鏈條與浮動框架結(jié)構(gòu)。浮動框架采用多塊鋼板焊接而成，長時間工作會出現(xiàn)變形情況。這種提升機(jī)稱重平臺安裝在地面，方便測量，但當(dāng)大量滿載廚余垃圾的垃圾桶到來時，上料會產(chǎn)生一定難度。所以作者對提升機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使其結(jié)構(gòu)緊湊，工作安全、可靠，與廚余垃圾處理設(shè)備緊密配合。優(yōu)化后的提升機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后提升機(jī)三維結(jié)構(gòu)

主要對夾緊結(jié)構(gòu)、稱重結(jié)構(gòu)和固定框架做了改進(jìn)，包括浮動外框架、浮動內(nèi)框架、安裝角鐵、橫梁、稱重槽鋼、稱重儀。

改進(jìn)后提升機(jī)采用廚余垃圾處理設(shè)備內(nèi)置液壓泵提供動力，動力穩(wěn)定，噪聲小，采用鏈條-連桿-浮動軸結(jié)構(gòu)，更加方便垃圾桶的提升和翻轉(zhuǎn)；整個提升機(jī)大多數(shù)采用方管、槽鋼焊接而成，工作穩(wěn)定、可靠；稱重儀布置在鏈條固定側(cè)，在勻速提升時測量垃圾質(zhì)量，結(jié)構(gòu)更加緊湊，符合人機(jī)工程學(xué)；橫梁位置可根據(jù)不同尺寸垃圾處理設(shè)備進(jìn)行更改，便于安裝。

3 提升液壓缸選型計算

3.1 提升液壓缸受力分析

提升液壓缸受力分析如圖6所示。

圖6 液壓缸受力分析

如圖6(a)所示為液壓缸受力相關(guān)部件，液壓缸固定，液壓缸為雙作用單桿液壓缸[9]，活塞桿吊耳與鏈輪鉸接，鏈條一端固定，另一端與浮動軸鉸接，浮動軸在槽鋼內(nèi)上下移動。

圖6(c)所示為液壓缸初始位置受力狀態(tài)簡圖，實(shí)際工作時，液壓缸豎直放置，浮動軸主要受重力G(滾動摩擦力、水平方向槽鋼支撐力忽略不計)，G等于浮動框架重力加空垃圾桶重力加廚余垃圾重力，在點(diǎn)O進(jìn)行受力分析，主要是豎直向下的重力G和沿著鏈條的拉力F拉和垂直于槽鋼內(nèi)壁的支撐力F支，受力分析[10]得：

(1)

式中：θ1=5°；由于G約為2 000 N，取安全系數(shù)為1.5，故G=3 000 N。

(2)

式中：θ2=15°。

聯(lián)立式(1)(2)得，F(xiàn)液=5 908 N，F(xiàn)1=516 N。

3.2 提升液壓缸選型

根據(jù)液壓缸受力分析可得，最大液壓力F液=5 908 N，工作行程L=600 mm，要求液壓缸的動作時間t=5 s，活塞桿最大行程時受徑向力，液壓缸選用HSG工程液壓油缸，工作壓力16 MPa，缸徑40～400 mm，根據(jù)表1初選缸徑。

表1 HSG工程液壓油缸參數(shù)

結(jié)合提升機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、高度、行程及液壓缸徑向壓力，初選缸徑D=50 mm，活塞桿直徑d=32 mm，型號為HSGL01-50/32×SE-1101的HSG工程液壓油缸。

3.3 確定液壓缸最大工作壓力

液壓缸的平均速度v=120 mm/s，選取負(fù)荷率β=80%。

(3)

式中：F0為理論拉力，液壓缸實(shí)際出力低于理論出力；p為液壓壓力；A為活塞桿腔面積；D為液壓缸缸體直徑；負(fù)荷率β值，在慣性力小的場合取β=80%，慣性力大的場合取β=60%，這里速度較低，負(fù)載力較小，所以慣性力較小，故取β=80%。

由(3)式得：

(4)

將數(shù)值代入式(4)，得出p=15 MPa<16 MPa，即最大工作壓力為15 MPa，也為溢流閥設(shè)置壓力。

4 提升液壓缸仿真分析

整個機(jī)構(gòu)中受力的主要部件是液壓缸，它在提升機(jī)工作時的受力情況將直接影響其安全性與穩(wěn)定性。現(xiàn)采用ANSYS Workbench軟件對液壓缸進(jìn)行靜力學(xué)分析[11]，主要分析它的應(yīng)力與變形情況。首先選擇材料屬性，液壓缸選定材料為45鋼，在Engineeing Data中選取材料Structural Steel，并更改相應(yīng)參數(shù)；然后在SolidWorks軟件中對液壓缸進(jìn)行建模，另存為x_t格式，導(dǎo)入ANSYS Workbench中；接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對模型施加邊界條件及載荷；最后求解。

4.1 模型建立

SolidWorks軟件是現(xiàn)在最為常用的三維繪圖軟件之一，考慮到它與ANSYS軟件可以實(shí)現(xiàn)無縫銜接[12]，所以首先利用SolidWorks軟件建立液壓缸的三維簡化模型，如圖7所示。

圖7 三維模型

液壓缸三維模型主要參數(shù)如下：液壓缸缸體直徑50 mm，壁厚10 mm，活塞桿直徑32 mm，然后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。

4.2 定義材料屬性與網(wǎng)格劃分

HSG液壓缸材料大多為45鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。對液壓缸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體單元，缸體和活塞桿單元長度5 mm，缸底和缸頂單元長度2 mm，對接觸受力面進(jìn)行了細(xì)密化處理，單元長度為1 mm。最終劃分的結(jié)果是該模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)925 801個，實(shí)體單元數(shù)584 736個，其網(wǎng)格劃分效果如圖8所示，主要接觸受力面網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)如圖8(b)所示。

圖8 網(wǎng)格劃分效果

4.3 約束和載荷的施加

液壓缸簡化模型約束和載荷的施加情況如圖9所示。

圖9 液壓缸的約束和載荷

對液壓缸進(jìn)行有限元分析時，為了使其數(shù)值解存在且唯一，左側(cè)吊耳的位移需要消除，根據(jù)實(shí)際工況，缸體頂部的位移也需要消除，所以在左側(cè)吊耳內(nèi)圓柱面和缸體外表面施加各個方向的位移約束；在活塞桿頂部平面和底部平面各施加5 908 N的力，方向垂直于各平面向內(nèi)；在活塞桿頂部側(cè)圓柱面施加516 N的力，方向垂直于該圓柱面；由于液壓缸的實(shí)際工作壓力為15 MPa，根據(jù)國家規(guī)定的加載方式，對液壓缸進(jìn)行1.5倍載荷的施加，即對液壓缸施加22.5 MPa的工作壓力，分別對液壓缸缸體內(nèi)表面和缸體底部施加載荷。

4.4 液壓缸變形情況

經(jīng)過求解，得出液壓缸的變形云圖如圖10所示。

圖10 變形云圖

液壓缸受載時，液壓缸會出現(xiàn)微小變形。將其變形放大11倍，可以更直觀地看出液壓缸各部分的變形情況。從圖10中可以看出左端吊耳和缸體外表面的位移為0，說明約束條件與分析的結(jié)果一致；液壓缸主要變形發(fā)生在活塞桿上，最大變形發(fā)生在活塞桿頂部處，最大變形量是8.35×10-3m，變形值在安全范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了液壓缸選型的正確性。

4.5 液壓缸等效應(yīng)力分布情況

液壓缸模型的等效應(yīng)力分布云圖如圖11所示。

圖11 等效應(yīng)力分布云圖

從圖11中局部放大圖可以看出：由于受徑向力的作用，活塞桿底端階梯倒角處受力最大，最大值為274.87 MPa，約等于275 MPa。由于45鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa，而且液壓缸選型計算以及仿真分析都已經(jīng)設(shè)置安全系數(shù)，所以液壓缸的設(shè)計滿足應(yīng)力要求。

5 提升機(jī)電氣與液壓系統(tǒng)設(shè)計

5.1 提升機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計

圖12為提升機(jī)電氣系統(tǒng)原理[13]。

圖12中，控制器采用三菱FX3U系列，具體I/O口數(shù)量需滿足廚余垃圾處理設(shè)備需求；稱重儀采用Z型，并配有稱重顯示屏，稱重顯示屏與控制器采用485通信方式，24 V供電；觸摸屏與控制器通信采用RS232C通信方式，24 V供電；另外還包括開關(guān)、變壓器、直流電源、熔斷器、繼電器、接觸器等電氣元件。

提升機(jī)外部控制按鈕和限位傳感器為輸入，有升降外停、外部上升、外部下降、上升限位和下降限位，其中升降外停為常閉按鈕，上升限位、下降限位為NPN常閉型傳感器，外部上升、外部下降為常開按鈕。繼電器KA1輔助常開觸點(diǎn)控制三位四通電磁閥左位通斷，繼電器KA2輔助常開觸點(diǎn)控制三位四通電磁閥右位通斷，KA1、KA2互鎖。接觸器KM1主要控制液壓泵的通斷，有低電壓釋放保護(hù)作用。提升機(jī)具體工作過程如下：

(1)在三菱編程軟件中編寫提升機(jī)程序，并下載至控制器中；

(2)將裝滿廚余垃圾的垃圾桶(滿桶)推至工作位置，按下外部上升按鈕(X10置1)，液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)(Y0、Y2置1)，提升機(jī)開始勻速上升，PLC每0.5 s讀取一次質(zhì)量，讀取5次，取其平均值作為實(shí)際質(zhì)量，稱重顯示屏實(shí)時顯示垃圾質(zhì)量，稱重平均值經(jīng)程序處理，顯示到觸摸屏上；

(3)當(dāng)提升機(jī)到達(dá)上升限位時(X1置0)，提升機(jī)上升停止(Y0置0)，液壓泵停止(Y2置0)，廚余垃圾自然倒出；

(4)當(dāng)廚余垃圾已完全倒出時，按下外部下降按鈕(X11置1)，液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)(Y1、Y2置1)，提升機(jī)開始勻速下降；

(5)當(dāng)提升機(jī)到達(dá)下降限位時(X2置0)，提升機(jī)下降停止(Y1置0)，液壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)(Y2置0)，將空垃圾桶(空桶)推至指定位置；

(6)間隔一段時間后，重復(fù)上述操作。

5.2 提升機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

圖13所示為提升機(jī)液壓原理圖，液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵、油箱、液壓缸、溢流閥、減壓閥、單向閥、N型三位四通換向閥和壓力表等[10]，其中溢流閥起恒壓和過載保護(hù)的作用，保證進(jìn)油壓力一直處于工作壓力；減壓閥起減壓作用，可以使液壓缸慢速縮回[14]。

圖13 提升機(jī)液壓原理

當(dāng)電磁閥1YA得電時，三位四通換向閥左位接通油路，液壓油從液壓泵流出，經(jīng)單向閥繼續(xù)向上，分為兩路，左油路未達(dá)到溢流閥設(shè)定壓力，暫時不通，上油路經(jīng)換向閥到達(dá)液壓缸底部，待壓力達(dá)到工作壓力時，液壓缸伸出，則提升機(jī)勻速上升，當(dāng)壓力大于溢流閥設(shè)定壓力時，溢流閥工作，保持進(jìn)油壓力在設(shè)定壓力左右，活塞桿腔液壓油經(jīng)單向閥、換向閥流回油箱。

當(dāng)電磁閥2YA得電時，三位四通換向閥右位接通油路，液壓油從液壓泵流出，經(jīng)單向閥向上，分為兩路，左油路未達(dá)到溢流閥設(shè)定壓力，暫時不通，上油路經(jīng)減壓閥到達(dá)活塞桿腔，待壓力達(dá)到工作壓力時，液壓缸縮回，提升機(jī)下降。

6 提升機(jī)改進(jìn)前后對比實(shí)驗(yàn)

廚余垃圾處理設(shè)備需要不間斷地進(jìn)行廚余垃圾質(zhì)量的統(tǒng)計，所以提升機(jī)需要配備垃圾稱重系統(tǒng)。圖14所示為改進(jìn)前、后提升機(jī)，對圖中提升機(jī)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

圖14 改進(jìn)前(a)、后(b)提升機(jī)

實(shí)驗(yàn)時，垃圾桶內(nèi)裝入100 kg垃圾，垃圾桶放置在提升機(jī)3 m處，從開始推滿桶，垃圾卸下，然后空桶到達(dá)收集區(qū)為一個計時周期，并且推垃圾桶時不能加速助推，需要全程勻速。由于改進(jìn)前地面裝有稱重平臺，所以需要兩名成年男性才可以較順利推上稱重平臺。對改進(jìn)前后提升機(jī)進(jìn)行6次垃圾桶提升實(shí)驗(yàn)并取其平均值，得出如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖15所示為改進(jìn)前/后單人操作耗時實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)前單人操作耗時平均值在26 s左右，改進(jìn)后在17 s左右，可知改進(jìn)后單人操作時間減少了9 s左右。

圖15 改進(jìn)前/后單人操作耗時實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖16所示為改進(jìn)前/后雙人操作耗時實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改進(jìn)前雙人操作耗時平均值在18 s左右，改進(jìn)后為16.5 s左右，雙人操作時間縮短較少，沒有單人操作縮短效果明顯，而且實(shí)際操作也多為單人。

圖16 改進(jìn)前/后雙人操作耗時實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看：改進(jìn)后單人操作提升機(jī)時所耗費(fèi)的時間比改進(jìn)前雙人操作所耗費(fèi)的時間還略有縮短，所以改進(jìn)后的提升機(jī)縮短了操作時間，提高了垃圾處理效率。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，不僅操作耗時有較大縮短，也可以清晰感受到改進(jìn)后比改進(jìn)前更省力，并且多次觀察發(fā)現(xiàn)，提升機(jī)工作時的穩(wěn)定性與可靠性也大大提高，噪聲也相對較低，綜合性能大大提高。

7 結(jié)語

垃圾提升機(jī)是廚余垃圾處理設(shè)備中的重要部分，對提升機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制系統(tǒng)研究可以有效提高廚余垃圾處理設(shè)備的工作效率。作者在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出基于三菱PLC控制的垃圾提升機(jī)，利用Solid Works軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模優(yōu)化設(shè)計，對提升液壓缸進(jìn)行了受力分析與選型計算，利用ANSYS Workbench對該工況下液壓缸進(jìn)行靜力學(xué)分析，設(shè)計了電液控制系統(tǒng)。

研究結(jié)果表明：

(1)通過對提升機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并增加了稱重結(jié)構(gòu)，使其在勻速提升中即可實(shí)現(xiàn)稱重，體積小，精度高；

(2)對提升機(jī)液壓缸進(jìn)行了受力分析與選型計算，得出了其工作時的最復(fù)雜工況，并對該工況下液壓缸進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出液壓缸工作時的最大應(yīng)力為275 MPa，而45鋼的屈服強(qiáng)度為315 MPa；最大變形值為8.35×10-3m，由此證明，其應(yīng)力與變形都滿足工作要求；

(3)基于PLC控制，設(shè)置外部按鈕，更加方便操作，通過溢流閥、減壓閥和單向閥完成了液壓系統(tǒng)的恒壓、減壓和止回的作用，使提升機(jī)工作更加安全、穩(wěn)定、可靠；

(4)當(dāng)單人操作時，改進(jìn)后提升時間比改進(jìn)前減少9 s左右，且提升機(jī)工作更加穩(wěn)定、可靠，由此證明，改進(jìn)后提升機(jī)綜合性能大大提高，為廚余垃圾處理設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在后續(xù)的研究中，作者將對自動分揀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，以提高廚余垃圾處理設(shè)備的自動化程度。