于曉娟 陳 銳 姚燕生 鄭 磊 李 云

（1、勁旅環(huán)境科技股份有限公司，安徽 合肥230011 2、安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥230601）

當(dāng)一個(gè)國(guó)家城鎮(zhèn)化率在30%～70%時(shí)，是城市病的集中爆發(fā)期[1]。在2010 年我國(guó)城鎮(zhèn)化率達(dá)到50%之后，環(huán)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(huán)境問題以及居住舒適感的關(guān)鍵問題[2]。當(dāng)前垃圾壓縮運(yùn)轉(zhuǎn)處理流程如圖1 所示，城市居民的生活垃圾先送到小區(qū)或街道的垃圾桶，由環(huán)衛(wèi)工人開著垃圾運(yùn)輸車到各個(gè)收集點(diǎn)收集，再運(yùn)輸?shù)嚼鴫嚎s中轉(zhuǎn)站，經(jīng)垃圾壓縮中轉(zhuǎn)站將松散垃圾壓實(shí)以減小體積并分離污水，再由運(yùn)輸車運(yùn)輸?shù)嚼鴪?chǎng)進(jìn)行集中填埋或焚燒[3]。從上述流程中可以看出垃圾經(jīng)過中轉(zhuǎn)站壓縮與多次裝卸運(yùn)輸，比較浪費(fèi)人力物力。為解決這一問題，我們研究開發(fā)了集多功能于一體的高效移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備，并制造出系列化的應(yīng)用產(chǎn)品。

1 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

城市垃圾主要有工業(yè)垃圾、建筑垃圾和生活垃圾。工業(yè)垃圾和建筑垃圾一般為短期內(nèi)集中應(yīng)用運(yùn)輸車輛直接運(yùn)送到處理場(chǎng)，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(fù)雜，為提高運(yùn)輸效率，最好的辦法是先壓縮再運(yùn)輸。移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸與壓縮裝載的流程一體化，可以放置在垃圾中轉(zhuǎn)站地面收集垃圾和壓縮垃圾，也可裝載于運(yùn)輸車上，在轉(zhuǎn)運(yùn)途中將收集的垃圾在箱體內(nèi)壓縮，最后直接運(yùn)送到垃圾場(chǎng)焚燒填埋，無需再到壓縮中轉(zhuǎn)站中壓縮垃圾。相較于傳統(tǒng)的垃圾壓縮處理方式，該設(shè)備使垃圾運(yùn)轉(zhuǎn)處理流程得到簡(jiǎn)化，節(jié)省了更多的時(shí)間；另外可不進(jìn)入垃圾壓縮站，減少垃圾壓縮站建設(shè)投資，可節(jié)約資金，降低對(duì)周邊居民生活的影響。

目前常見的移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備多為長(zhǎng)方體等有死角的箱體[4]，這種設(shè)備較易在拐角、棱邊處產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)生殘留。綜合考慮現(xiàn)有方箱式垃圾壓縮設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了外形為圓筒型的可移動(dòng)翻斗式垃圾壓縮設(shè)備。圖2 中分別展示的是新型移動(dòng)壓縮設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、三維模型圖和實(shí)物圖。

圖1 城市垃圾壓縮運(yùn)轉(zhuǎn)處理系統(tǒng)組成圖

圖2 新型垃圾壓縮設(shè)備

圖3 垃圾壓縮處理流程圖

圓筒形儲(chǔ)料箱體采用高強(qiáng)度合金板材料，分兩半圓模壓成型后焊接成整體，結(jié)構(gòu)輕便、容積量大、經(jīng)濟(jì)性高。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了多連桿液壓驅(qū)動(dòng)的上料翻斗機(jī)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的提升單個(gè)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(dāng)翻斗液壓缸啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)翻斗上多個(gè)垃圾桶同時(shí)向箱體中倒入垃圾。壓縮頭與壓縮腔采用無導(dǎo)軌與無縫式設(shè)計(jì)，良好的導(dǎo)向性使得壓縮過程更加平穩(wěn)、流暢，使垃圾在壓縮腔內(nèi)受力會(huì)更均勻、更小、更易于將松散垃圾壓實(shí)成型。圓形后門及門框采用優(yōu)質(zhì)鋼材模壓成型，圓度優(yōu)良，確保了對(duì)垃圾滲濾液的完全密封。

2 液壓與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是垃圾壓縮設(shè)備非常重要的組成部分，無論對(duì)于垃圾壓縮站還是移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備，它都直接關(guān)系著垃圾壓縮設(shè)備的垃圾壓縮效率。液壓系統(tǒng)主要是由液壓泵、液壓缸、控制閥以及其它輔助元件構(gòu)成，油箱內(nèi)的液壓油由輸油泵抽吸送入液壓泵，為垃圾壓縮設(shè)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(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)的壓力在設(shè)定值。

液壓系統(tǒng)的工作壓力一般是由設(shè)備負(fù)載所決定的。傳統(tǒng)的垃圾壓縮設(shè)備都是采用定量泵作為液壓泵，配合節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的工作，但都存在著明顯的缺點(diǎn)——即需要電機(jī)提供大功率，且節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的損耗也很高。對(duì)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(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)試驗(yàn)過了。采用定量泵的液壓系統(tǒng)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(jī)功率從22kW 降到了15kW，而系統(tǒng)的工作壓力卻從16MPa 提高到了24MPa。這不僅可以滿足液壓系統(tǒng)的壓力設(shè)定值22MPa，還可以減小執(zhí)行元件的尺寸使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊、體積變小，另外還降低了壓縮機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減耗。

移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備的電控系統(tǒng)主要包括電源模塊、單片機(jī)模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、溫度信號(hào)處理模塊、顯示模塊等。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電；單片機(jī)模塊收發(fā)指令控制整個(gè)設(shè)備運(yùn)行；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊用來儲(chǔ)存實(shí)時(shí)裝載垃圾量、設(shè)備的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、當(dāng)日垃圾處理量等信息；數(shù)據(jù)傳輸模塊可以傳輸單片機(jī)的控制指令；溫度信號(hào)處理模塊用來監(jiān)測(cè)設(shè)備液壓系統(tǒng)的溫度，防止油溫超出預(yù)定值；顯示模塊可以顯示設(shè)備的相關(guān)信息。新型移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備具體處理流程見圖3 所示：先啟動(dòng)垃圾壓縮設(shè)備，為設(shè)備的電控系統(tǒng)供電，液壓系統(tǒng)預(yù)熱，并完成設(shè)備自檢；通過翻斗將垃圾收集翻轉(zhuǎn)傾倒入壓縮腔內(nèi)，推頭在壓縮腔內(nèi)壓縮松散垃圾，再將其裝入垃圾設(shè)備的箱體內(nèi)。

通常壓縮設(shè)備中的液壓系統(tǒng)最高壓力設(shè)定為22MPa，液壓系統(tǒng)因持續(xù)溢流會(huì)產(chǎn)生熱量損耗，當(dāng)檢測(cè)液壓油溫度達(dá)到一定值后，電控系統(tǒng)則會(huì)啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫處理，消耗更多的電能。為此，對(duì)最新型移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備電控系統(tǒng)的電源模塊進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)工作情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力較低時(shí)，此時(shí)變頻器的電流輸出值較小，系統(tǒng)會(huì)以50HZ 工頻工作，壓縮頭高速前進(jìn)。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到設(shè)定值22MPa 時(shí)，此時(shí)變頻器的電流輸出值較大，系統(tǒng)降低頻率以10Hz 工作，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在22MPa，推頭進(jìn)行保壓。該工作方式的優(yōu)點(diǎn)是一方面降頻后可以降低電機(jī)能耗；另一方面降頻后系統(tǒng)通過溢流閥溢流的油液減少，系統(tǒng)發(fā)熱量大大降低。通過實(shí)驗(yàn)，采用變頻系統(tǒng)后較傳統(tǒng)電控系統(tǒng)降低能耗約20%。

表1 新型垃圾壓縮設(shè)備與傳統(tǒng)壓縮設(shè)備對(duì)比

圖5 垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車/車廂

圖6 傳統(tǒng)移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備

3 與傳統(tǒng)壓縮設(shè)備對(duì)比分析

與傳統(tǒng)的垃圾壓縮設(shè)備相比，我們研究開發(fā)的新型移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備具備顯著的優(yōu)點(diǎn)（如表1）。其箱機(jī)一體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)垃圾壓縮站地基的土建工程（如圖4），也避免了垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車（如圖5）無法壓縮垃圾的缺點(diǎn)，提高了設(shè)備的垃圾處理效率，減少了設(shè)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(tǒng)移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備做了比較（如圖6），傳統(tǒng)設(shè)備的箱體設(shè)計(jì)多為長(zhǎng)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(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備的箱體結(jié)構(gòu)采用圓柱體，且采用翻斗式上料，避免了上述缺點(diǎn)。并且我們研發(fā)的新型垃圾壓縮設(shè)備的液壓系統(tǒng)和電源模塊分別采用恒功率變量泵和變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在相同的垃圾處理情景下，這些改進(jìn)在保證液壓系統(tǒng)工作壓力的同時(shí)減少了系統(tǒng)所需相匹配的電機(jī)，降低了設(shè)備能耗。

4 結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)的圓筒型移動(dòng)式壓縮設(shè)備，其優(yōu)異的一體式結(jié)構(gòu)集合了運(yùn)輸與壓縮功能，改變了傳統(tǒng)的垃圾壓縮運(yùn)轉(zhuǎn)處理流程，縮短了整個(gè)流程的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，提高了垃圾處理的效率。公司開發(fā)的移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備獲得安徽省新產(chǎn)品證書，并批量生產(chǎn)與銷售，年銷售額上千萬元。傳統(tǒng)的垃圾運(yùn)輸車和垃圾壓縮中轉(zhuǎn)站將會(huì)逐漸退出社會(huì)的舞臺(tái)，移動(dòng)垃圾壓縮設(shè)備將會(huì)在未來成為發(fā)展的主流。目前我們正在將遠(yuǎn)程監(jiān)控與在線故障診斷技術(shù)應(yīng)用到每個(gè)移動(dòng)垃圾壓縮設(shè)備，并通過大數(shù)據(jù)分析提前預(yù)測(cè)，在發(fā)生故障之前維護(hù)好垃圾壓縮設(shè)備，實(shí)現(xiàn)垃圾處理設(shè)備無故障高效工作。