一種分體式垂直壓縮垃圾設(shè)備的研究

摘要：隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾量的逐漸增加，垃圾壓縮中轉(zhuǎn)行業(yè)借助市場需求和技術(shù)創(chuàng)新而得到了蓬勃發(fā)展。研究了一種可壓縮存儲4塊垃圾的壓縮設(shè)備，垃圾在壓縮箱體內(nèi)垂直壓縮，隨后轉(zhuǎn)移到另一個箱體進(jìn)行存儲，該存儲箱可存儲3塊垃圾。在存儲箱舉升并與轉(zhuǎn)運(yùn)車完成對接、實(shí)現(xiàn)水平出料的同時，垃圾收集車可同時向壓縮箱進(jìn)料口卸料，提高垃圾清運(yùn)的效率。通過介紹該設(shè)備的特點(diǎn)及其液壓系統(tǒng)原理，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾壓縮轉(zhuǎn)運(yùn)提供了一種經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。

關(guān)鍵詞：垃圾壓縮設(shè)備;分體式;垂直壓縮

中圖分類號：U461" 收稿日期：2024-11-28

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503015

1 前言

隨著大量的工業(yè)品涌入農(nóng)村，人均生活垃圾產(chǎn)生量超過1kg/人/天，自然條件下無法降解的塑料、玻璃制品等垃圾越來越多。傳統(tǒng)的“鄉(xiāng)收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)、縣處理”垃圾處理模式已逐步向就地壓縮處理模式轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾處理的新需求［1］。由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)資金相對緊張，經(jīng)濟(jì)型垃圾清運(yùn)設(shè)備的需求尤為強(qiáng)烈。

目前國內(nèi)常用的垂直壓縮站一次可壓縮存儲2塊垃圾，而多數(shù)的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車一次可裝納3塊垃圾，這導(dǎo)致需要兩次對接才能完成轉(zhuǎn)運(yùn)，且二次對接需要等待壓縮裝料，不僅耗時較長，還降低了轉(zhuǎn)運(yùn)效率。在垂直壓縮站與轉(zhuǎn)運(yùn)車對接過程中，無法進(jìn)行垃圾傾倒作業(yè)，需在中轉(zhuǎn)站等待對接出料完成后才能傾倒垃圾，無法實(shí)現(xiàn)同時進(jìn)料和出料，轉(zhuǎn)運(yùn)效率低。

隨著垃圾量的日益增加，單個垃圾中轉(zhuǎn)站每天需要處理的垃圾量逐漸大于2塊垃圾塊，如不及時清運(yùn)，將無法進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮作業(yè)。特別是對于距離終端焚燒點(diǎn)較遠(yuǎn)的中轉(zhuǎn)站而言，減少一次轉(zhuǎn)運(yùn)將顯著降低運(yùn)營成本，因此對能夠多存儲1塊垃圾的需求也更加強(qiáng)烈。

基于上述因素，本文致力于研究一種適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾中轉(zhuǎn)的壓縮設(shè)備。

2 分體式垂直壓縮設(shè)備的結(jié)構(gòu)及原理

對于分體式垂直壓縮設(shè)備，單臺設(shè)備可服務(wù)1萬～5萬人的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。具體而言，前端收集的散裝垃圾首先在壓縮箱體內(nèi)壓縮，隨后轉(zhuǎn)移至存儲箱體中進(jìn)行存儲。當(dāng)存儲到3塊垃圾時，存儲箱體舉升與轉(zhuǎn)運(yùn)車對接出料。此時垃圾收集車仍可在壓縮箱體處投料壓縮，同時作業(yè)以提高效率。

該壓縮設(shè)備可以存儲3塊垃圾，壓縮1塊垃圾，相當(dāng)于可暫存4塊成型垃圾，解決了垃圾量少、運(yùn)距大且需要及時清空箱體的問題。該壓縮設(shè)備的運(yùn)動裝置主要由液壓缸驅(qū)動，充分發(fā)揮液壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動力大、運(yùn)行平穩(wěn)及控制方便的優(yōu)勢，采用PLC電氣系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)的有序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動化工作。

主機(jī)理論作業(yè)效率為80 t/d，壓頭壓縮力120 t，壓縮和存儲能力強(qiáng)大，減少了設(shè)備使用單位的初次投入經(jīng)費(fèi)，也避免了未來因垃圾量增加而設(shè)備處理能力不足的問題。

21 設(shè)備基本構(gòu)成

分體式垂直壓縮設(shè)備主要由壓縮箱體、壓縮機(jī)頭、儲存箱體、舉升裝置、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、附加裝置（包括排污裝置、噴霧除臭裝置和高壓沖洗設(shè)備等）及設(shè)備基礎(chǔ)組成，其主要結(jié)構(gòu)見圖1所示。

22 設(shè)備的工作流程

分體式垂直壓縮設(shè)備的工藝流程是：壓縮機(jī)頭滑移，讓出投料口→垃圾收集車將垃圾倒入料槽（裝料）→壓縮機(jī)垂直壓頭壓縮垃圾（壓縮）→升起壓縮箱閘門→存儲箱滑移門打開→壓縮箱水平推頭將垃圾塊推入存儲箱（存儲）→存儲箱推頭將垃圾塊向前推動一工位后復(fù)位→重復(fù)3次→存儲箱滑移門關(guān)閉→存儲箱體舉升→垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車對接（對接）→存儲箱體推頭將垃圾塊推入轉(zhuǎn)運(yùn)車（出料）→垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車運(yùn)往最終處理廠（轉(zhuǎn)運(yùn)）。

壓縮設(shè)備的操作根據(jù)使用單位的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)手動操作、半自動操作及全自動操作。設(shè)備在運(yùn)行時主要由程序控制執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)自動化，也可以由操作員操控控制臺或遙控作業(yè)。該設(shè)備的主要工作流程如圖2所示。

23 設(shè)備的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)

該壓縮設(shè)備共有7組液壓執(zhí)行元件，具體內(nèi)容如下：

a壓縮機(jī)壓頭油缸。該油缸是壓縮設(shè)備最重要的執(zhí)行缸，工作負(fù)載大，用來完成垃圾的壓縮任務(wù)，動作為上下往復(fù)運(yùn)行。

b壓縮機(jī)壓頭水平移動油缸。該油缸安裝在壓縮箱上方，實(shí)現(xiàn)投料口的讓位功能，以便于進(jìn)行投料作業(yè)，動作為水平往復(fù)運(yùn)行，而且在水平移動過程中壓頭還能抹平垃圾堆放。

c閘門油缸。該油缸安裝在壓縮箱體上，關(guān)閉時作為壓縮壓力時的前立面擋板使用，升起時便于主推油缸將垃圾塊推至儲存箱，動作為上下往復(fù)運(yùn)動。

d主推油缸。壓縮箱推頭油缸驅(qū)動主推頭將垃圾塊從壓縮箱推至存儲箱。當(dāng)主推頭在初始位置，執(zhí)行壓縮作業(yè)時，還能作為壓縮垃圾時后立面擋板使用，動作為水平往復(fù)運(yùn)動。

e存儲箱滑移門油缸。存儲箱滑移門的作用是，開啟時可以讓出空間，便于壓縮箱推頭油缸將垃圾塊推入存儲腔，關(guān)閉時能避免存儲箱舉升分離時，垃圾塊被推出時造成垃圾的散落，動作為水平往復(fù)運(yùn)動。

f存儲箱舉升油缸。該油缸用來將存儲箱舉升至地面以上，便于與垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車對接。四根油缸驅(qū)動，前后各兩根油缸，通過控制來調(diào)平，保證舉升的平穩(wěn)安全。動作為上下往復(fù)運(yùn)動。

g存儲箱出料油缸，該油缸用來將存儲的垃圾塊往前移動一工位，最終推入至垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車箱體內(nèi)。可根據(jù)實(shí)際要求，通過位移傳感器保證，定量推1塊、2塊或3塊垃圾至轉(zhuǎn)運(yùn)車箱體內(nèi)，動作為水平往復(fù)運(yùn)動。

各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)順序動作，按照操作流程完成整個垃圾壓縮站的工藝流程。通過對各組液壓缸的功能分析、參數(shù)計算和液壓回路系統(tǒng)設(shè)計，可得到各組液壓缸的基本信息，本文不再展開。

24 設(shè)備的壓縮機(jī)頭

壓縮機(jī)頭作為設(shè)備最核心的部分，主要由壓頭機(jī)架、壓頭和壓縮油缸三大部件構(gòu)成。壓頭機(jī)架由采用了2根主梁與主體框架相結(jié)合的形式，采用200 mm×100 mm×8 mm的矩管，其余連接梁為100×6的方管。壓頭的底部面板采用12 mm的Q355鋼板，底部主體框架采用200 mm×100 mm×8 mm的矩管，立柱導(dǎo)軌及斜撐采用100 mm×6 mm的方管，保證四立柱導(dǎo)軌的剛性。垃圾塊高度1 500 mm，壓頭入箱距離設(shè)置大于530 mm，壓縮1/3的距離。壓縮油缸需保證足夠的缸徑和行程，在25 MPa的工作壓力時提供120 t的壓力。根據(jù)使用工況對核心部件進(jìn)行仿真分析，主要的仿真結(jié)果如圖3所示，滿足設(shè)計許用要求。

25 設(shè)備的舉升機(jī)構(gòu)

常用的舉升機(jī)構(gòu)有四立柱舉升和剪刀叉式舉升，具體如圖4所示。四立柱舉升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)在于其對土建基礎(chǔ)及安裝精度的要求較高，盡管在舉升同步性方面稍顯不足，但其卓越的穩(wěn)定性表現(xiàn)尤為突出。相比之下，底部剪刀叉式舉升結(jié)構(gòu)則展現(xiàn)出了良好的舉升同步性和簡便的安裝流程，然而，該結(jié)構(gòu)要求在箱體底部挖掘深度約2 m的坑洞以滿足其空間需求。本設(shè)計考慮到箱體長達(dá)86 m，重心在卸料完成后移動較大，對穩(wěn)定性要求較高，故采用四立柱舉升，通過液壓系統(tǒng)來調(diào)平，將立柱的支點(diǎn)位置與重心相匹配，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

液壓泵站作為垃圾壓縮站液壓執(zhí)行元件的動力源，為各組液壓缸的運(yùn)行提供壓力能。液壓泵站主要由電動機(jī)、液壓泵、油箱及其他附件共同構(gòu)成，為了確保垃圾壓縮站的液壓系統(tǒng)有效且有序地運(yùn)行，需設(shè)計液壓泵站相關(guān)元件的參數(shù)［2］。

31 液壓泵及電動機(jī)選擇

在分體式垂直垃圾壓縮站的液壓系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)其功能需求，液壓系統(tǒng)被劃分為垃圾壓縮回路、壓頭前后移動回路、閘門提升回路、主推回路、舉升回路以及存儲箱出料回路等多個組成部分。本系統(tǒng)中各組液壓缸動作為順序動作，故系統(tǒng)流量按照油缸速度計算，取最大值即可，其中主壓縮油缸和存儲箱出料油缸，無桿腔容積最大。主壓縮油缸無桿腔容積697 L，作業(yè)時長需要lt;80 s，存儲箱出料油缸無桿腔容積221 L，作業(yè)時長需要lt;180 s。綜合起來只需考慮存儲箱出料油缸的速度即可，存儲箱出料油缸伸出時所需流量最大為74 L/min。

主壓縮機(jī)液壓缸在快進(jìn)和快退行程所需液壓油泵的壓力小、流量大，油泵處于低壓大流量狀態(tài)；壓縮行程壓力大、流量小，油泵處于高壓小流量狀態(tài)，而在一個工作循環(huán)中，液壓缸快進(jìn)和快退時間長，壓縮時間短，如果選用單個定量泵作為整個系統(tǒng)的動力源，液壓系統(tǒng)會長時間處于大流量溢流狀態(tài)，從而造成能量的大量損失，系統(tǒng)效率低下，為了兼顧作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性，液壓系統(tǒng)的動力原件由兩個定量泵組成，分別是低壓大流量泵和高壓小流量泵。兩個定量泵為工作油路供油，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于10 MPa時，雙泵合流一起為工作油路供油。當(dāng)系統(tǒng)壓力高于10 MPa時，低壓大流量泵卸荷，只有高壓小流量泵為工作油路供油。常用電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，雙泵合流的排量需要大于50 mL/r，分別選定低壓大流量泵排量為32 mL/r，高壓小流量泵的排量為20 mL/r。

系統(tǒng)處于不同壓力時需要不同流量，還可以考慮恒功率泵，但考慮到本設(shè)計其余動作均需要節(jié)流使用，且四立柱舉升油缸需要調(diào)平等功能，本設(shè)計不適合。

液壓系統(tǒng)功率最大時為高壓小流量泵強(qiáng)壓作業(yè)，流量為20 L/min，主壓縮油缸伸出時的額定壓力最大為25 MPa。計算此時的功率，液壓泵的實(shí)際輸出功率P=p×Q/60=83 kW，算上液壓系統(tǒng)的容積效率095、機(jī)械效率092，則電機(jī)的功率至少要95 kW，選擇10 kW的電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 480 r/min。

32 液壓原理圖的設(shè)計

根據(jù)分體式垂直垃圾壓縮站要實(shí)現(xiàn)的功能劃分，其液壓系統(tǒng)主要由存儲箱舉升回路1、垃圾壓縮回路2、壓頭前后移動回路3、閘門舉升回路4、主推回路5、存儲箱出料回路6和存儲箱開門回路7組成。液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。

液壓系統(tǒng)由電機(jī)泵、油箱、電磁換向閥、溢流閥、單向節(jié)流閥、液壓缸、平衡閥、液壓鎖、壓力傳感器等組成。

垃圾壓縮快進(jìn)、主推回路和箱體舉升回路通過雙泵供油，垃圾壓縮強(qiáng)壓通過高壓單泵供油，存儲箱出料采用雙泵進(jìn)油的同時，還增加了差動功能，提高作業(yè)速度，其余動作均通過單泵供油。

存儲箱舉升和閘門舉升回路均增加了平衡閥，保證運(yùn)動的穩(wěn)定和鎖止。

存儲箱舉升回路分別由兩個換向閥單獨(dú)控制前后油路，通過位移角度傳感器來控制換向閥的通斷，便于調(diào)節(jié)整個舉升過程的平穩(wěn)。

4 設(shè)備基坑設(shè)計

本設(shè)計需要建造房屋，屋面板采用雙層壓型鋼板符合保溫要求，06 mm彩鋼板搭配50 mm厚玻璃棉氈，屋面防水層合理使用年限需不少于20年。地面要求使用180 mm厚C30混凝土，底下鋪200 mm厚碎石，再底下是素土，壓實(shí)系數(shù)為095，地面屬于不發(fā)火樓地面。本設(shè)計壓縮箱體位于地面以下，僅存儲箱體可以通過舉升來進(jìn)行出料。地面上進(jìn)行倒料，房屋高度要求4 m即可，可適應(yīng)市面上絕大部分站房，剛好為轉(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)入高度。設(shè)備安裝的預(yù)埋件需設(shè)備廠家配合預(yù)埋后，方可同時施工，確保設(shè)備安裝后運(yùn)行穩(wěn)定。針對存儲箱舉升的液壓桿外筒與混凝土交接處做防水處理，確保密實(shí)，不滲漏。土建基坑簡圖如圖6所示。

壓縮箱體兩側(cè)留有700 mm空間的排水溝，同時給安裝和檢修留出了足夠的空間；存儲箱體周圍留出了300 mm空間的排水溝，便于將污水收集導(dǎo)入到積水井處。壓縮箱和存儲箱底板支撐平面均需離地面200 mm高，避免底板泡在底部污水里加速腐蝕。

5 結(jié)語

現(xiàn)代化鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾中轉(zhuǎn)站的設(shè)計要與人們?nèi)找嫣嵘纳钇焚|(zhì)相結(jié)合。該壓縮設(shè)備全部安裝在地面以下，有效克服了傳統(tǒng)垃圾中轉(zhuǎn)站的諸多弊端，隱形無臭，不擾民；外表美觀，符合現(xiàn)代人的審美要求；裝載量大，一次可壓縮4塊垃圾；轉(zhuǎn)運(yùn)效率高，可一次拖走3塊垃圾，轉(zhuǎn)運(yùn)無需等待。

該設(shè)備首次運(yùn)用分體式垂壓站概念，主機(jī)分為壓縮腔與存儲腔，功能分開，可同時壓縮和出料，轉(zhuǎn)運(yùn)時，卸料車無需等待。該設(shè)備運(yùn)用推頭水平移動技術(shù)，相較旋壓和四立柱垂直升降壓縮，結(jié)構(gòu)更為簡單安全，同時平移壓頭可將投料口處垃圾推平，無需人工輔助推平。該設(shè)備可為后續(xù)垃圾壓縮設(shè)備的發(fā)展研究提供參考。

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作者簡介：

許武剛，男，1989年生，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)衛(wèi)裝備開發(fā)。