（机械制造及其自动化专业论文）垃圾压缩特性的试验分析及压缩机构创新设计.pdf

垃圾压缩特性的试验分析及压缩机构创新设计 摘要 城市生活垃圾的压缩减容在垃圾处理过程中占有重要地位，它是提高 垃圾的运输效率、解决垃圾清运过程中的亏载问题，节省垃圾处理费用的 最有效手段，同时，城市生活垃圾的可压缩性等特性以及力学特性的研究， 对研究高效的压缩设备具有极其重要的意义。 根据课题组分工的需要，通过垃圾压缩试验主要对垃圾压缩特性和推 压头所受垃圾阻力进行了研究：借助m a t l a b 曲线拟合工具箱( c u r v e f i t t i n gt 0 0 1 b o x ) 对垃圾可压缩性和垃圾容重进行合理有效分析，从中得 出了相应的结论，并得到了垃圾体积模量和垃圾容重的表达式。通过这些 研究对垃圾压缩特性进行了深入的分析，从而对垃圾压缩过程中反映出来 的垃圾压缩特性有更深刻解释，对以后的垃圾压缩试验研究提供了依据。 同时，根据压缩试验所得的数据对推压头所受压力进行了合理有效的拟合 分析，并结合前人的研究对各次压缩试验第一次压缩的推压头所受压力与 位移之间的数据进行了分析，得到了一个合理的垃圾压缩力学模型，由此， 为垃圾压缩过程的研究提供了有效的参考。 根据所得的结论，在a m a d s 中建立了仿真模型，对压缩试验和垃圾力 学模型进行了分析和比较，验证了垃圾力学模型的可行性、合理性及实用 性。 根据垃圾清运工具及压缩机构的现状，结合前面章节分析所得结论和 后装式垃圾车的“收集功能与水平垃圾压缩机的“压缩 功能，对刮板 i 式后装压缩垃圾车的压缩机构提出了一个新的设计思路。在p r o e n g i n e e r 软件下，建立新型后装垃圾车的三维模型，并通过m e c h a n i s m p r o 软件将 模型导入a d a m s 中，在a d a m s 环境下对新型后装垃圾车进行了运动学仿真 及其压缩机构的动力学仿真，试验验证了设计思路的可行性、合理性和有 效性。 关键词：垃圾压缩试验曲线拟合垃圾压缩特性压力表达式虚拟样机 i i t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i so fg a r b a g e c o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ec r e a t i v ed e s i g no fc o m p r e s s i o nm e c h a n i s m a b s t r a c t t h ec o m p r e s s i o nr e d u c t i o no fu r b a l l l i v i n gg a r b a g eh 嬲锄i m p o r t a n t p o s i t i o ni nt h e 咖b a g ep r o c e s s i n g ，i t sm e e 任e c t i v em e t h o di ns o m ea s p e c t s ，e g i m p r o v i n gt l l ee f f i c i e n c yo fg a r b a g et r a n s p o r t a t i o n ，s o l v i n gt h ed e f i c i e n tl o a d i n g p r o b l e mi nt l l eg a r b a g en 锄s p o r t i n ga n ds a v i n gt h eg a r b a g ed i s p o s a le x p e n s e s f 删l e m o r e ，t h e 咖d yo fu r b a l ll i v i n gg 拍a g ec o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s h a sa g r e a ts i g i l i f i c a l l c e i ne 衔c i e n t c o m p r e s s i o n e q u i p m e n tr e s e a r c h i n g a c c o r d i n gt 0t l l en e e d so fo u rp r o j e c t 粤o u pd i v i s i o n ，g m a g ec o m p r e s s i o n c h a r a c t e r i s t i c sa i l dg 舶a g er e s i s t a n c eo ft h ep u s ha n dp r e s sh e a d w e r e s t u d i e dt l _ l r o u 曲m eg a r b a g ec o m p r e s s i o nt e s t ：c u ef i t t i n gt o o l b o xo fm a t l a b w a su s e dt om a k et h er e a s o n a b l ea n de f 诧c t i v ea 1 1 a l y s i si nc o n l p r e s s i b i l i 够a n d d e n s i t yo f t h eg 砷a g e ，a i l dt h e ng e tt h er e l e v a i l tc o n c l u s i o n sa n dt l l e e q u a t i o n e x p r e s s i o no fg a r b a g ed e n s 时a n db u l km o d u l u s n 啪u 曲t l l eq u a l i t a t i v e a n a l y s i so fg a r b a g ec o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t l ed e e p e re x p l a n a t i o no f 鲫b a g ec o r n p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sw a sf o u n d e d6 o mt h eg a r b a g ec o n l p r e s s i o n p r o c e s s t h u s ，i tp r o v i d eb a s i sf o rt h eg a r b a g ec o m p r e s s i o nt e s tr e s e a r c hi nt h e a tm es 锄et i m e ，a c c o r d i n gt om ed a t ao b t a i n e d ，t h er e a s o n a b l ea n d u i e 仃e c t i v e 觚a l y s i sa b o u tt 1 1 ep r e s s u r eo fp u s ha i l dp r e s s u r eh e a dw e r ed o n e i nt 1 1 e f i r s tc o r n p r e s s i o no fa l lt h ec o m p r e s s i o np r o c e s s e s ，t h ed a _ t aw i 廿1t 1 1 ep r e s s u r eo f t h ep u s ha n dp r e s s u r eh e a da n dt 1 1 ec o m p r e s s i o nd i s p l a c e m e n tw e r ea 1 1 a l y s i s ，a r e a s o n a b l e g a r b a g ec o m p r e s s i o nm e c h a n i c sm o d e lw a so b t a i n e d ， a n d s o ， e f f e c t i v er e f e r e n c ew a sp r o v i d e df o rm er e s e a r c ho fg 抽a g ec o m p r e s s i o n p r o c e s s a c c o r d i i 玛t o 廿1 ec o n c l u s i o no b t a i n e d ，m es i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l di n a d a m s ，t l l ec o z n p r e s s i o nt e s ta n dg a r b a g em e c h a l l i c sm o d e lw e r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d ，a 1 1 dt 1 1 ef e a s i b i l i 劬r a t i o n a l 毋a n dp r a c t i c a b i l i t yo ft 1 1 eg a r b a g e m e c h a n i c sn l o d ew a sv e r i f i e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t ) ，o fg a r b a g e 仃m s p o i r t i n gt o o l sa n dc o n l p r e s s i o n i n s t i m t i o n s ，w i t ht l l e c o n c l u s i o no b t a m e d 盘o mt h ep r e c e d i n gc h a m e r ，t i l e c o l l e c t i n g 劬c t i o no fr e 扑l o a d i n gg a r b a g et r u c ka n dt | 1 ec o n l p r e s s i o n 丘m c t i o n o fl e v e lg a r b a g ec o m p r e s s i o nd e v i c e ，an e wd e s i g n i n gi d e aw a sp u tf o n a mo n t h ec o m p r e s s e di n s t i 砌o n so fr e a r - l o a d i n gg a r b a g et m c kw i t hs c r a p eb o 砌a n e w 缸e e d i m e n s i o n a lm o d e lf o rt h e r e a r - l o a d i n gg a r b a g e t 】m c kw a s e s t a b l i s h e db yu s i n gp r o e n g i n e e rs o 胁a r e t h em o d e lw a si m p o r t e di n t o a d a m ss o 胁a r et h o u 曲t h em e c h a n i s n 卯r os o 脚a r e t h ek i n e m a t i c s s i m u l a t i o no fm en e wr e 孙l o a d i n gg a r b a g et m c ka n dd y n 锄i c ss i m u l a t i o no f i t sc o m p r e s s i o ni n s t i t u t i o n sw e r ed o n e ，m e nt h ef e a s i b i l i 饥r a t i o n a l i 够a n d v a l i d i 够o ft h ed e s i g nw a s v e r i f i e db yt h et e s t i v k e yw 0 胁s ： g a r b a g ec o m p r e s s i o nt e s t ；1 1 1 ec u r v ef i t t i n g ；g a r b a g ec o m p r e s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s ；b q u a t i o ne x p r e s s i o no fs t r e s s ；t h ev i r m a lp r o t o 咖e v 广西大学硕士学位论文 垃圾压缩特性的试聪曙尹析及匿缩机构创索n 戈计 第一章绪论 1 1 城市生活垃圾国内外研究现状 1 1 1 城市生活垃圾的介绍 城市生活垃圾，又称城市固体废弃物( m u i l i c i p a l s o l i d v ，a 咖简称m s w ) ，是指在城市 居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物。它是固、液和 气三部分组成的三相松散体。其中的固体构成骨架，骨架之间存在着孔隙，其中液体和 气体填充在孔隙中。随着地点、居民生活水平、季节气候和温度的变化，会引起垃圾中 三者比例的变化。主要成分包括：生活废弃物、废纸、废金属、废玻璃陶瓷碎片、废家 具等等。它的重要物理特性包括容重、含水率、粒度尺寸、产生量、成分等【。 1 ) 、容重：单位体积的垃圾质量称为垃圾容重( 1 【咖3 ) 。它又分为自然容重和压实 容重，自然状态时的容重称为自然容重，由于人为压实所产生的容重称为压实容重。一 般情况下我国城市生活垃圾自然容重为2 5 0 5 5 0 k g m 3 ，中城市垃圾容重较小，中小城 市垃圾容重较大，并且比八十年代有降低。由此可见，随着生活水平的不断提高，城市 生活垃圾的容重呈不断降低趋势。 2 ) 、含水率：含水率是指生活垃圾中含水重量与垃圾重量的百分比。一般情况下我 国城市生活垃圾含水率为2 0 一5 0 ，它的数值大小主要取决于垃圾组成、季节变化和 天气条件等因素。 3 ) 、粒度尺寸：粒度尺寸是指垃圾松散体不同成分的尺寸大小。 4 ) 、产生量和成分：影响垃圾生产量和组分的主要因素有人口、生活能源结构、地 域、季节、生活水平等等f 4 1 。 1 1 2 城市生活垃圾的处理及现状 目前，工业化进程逐步加快，经济迅猛发展，城市人口密度日益增大，城市人均生 活水平也逐步提高，这便引起了城市垃圾的急剧增加。我国2 0 0 5 年产生1 5 亿吨的城市 垃圾，而且每年在以8 1 0 的速度增长，北京、上海等大城市的增长率更高【2 】【。 在很多大中城市，垃圾污染已经成为困扰居民生活的重要问题，而且随着人口及垃圾量 的增加，垃圾污染将会成为社会的焦点，如何合理的处理垃圾应当引起政府部门及城市 捌【圾压缩特性的试验份析及压缩机构创新设计 居民的重视。大量城市生活垃圾如果得不到及时有效的处理，就会向空气中排放有害气 体，其中的有毒有害物质还会污染土壤，渗透到地下和河流中，破坏了人类赖以生存的 自然环境【。 生活垃圾处理过程主要包括：垃圾的收集、运输与最终处理【1 1 1 。其中，垃圾的收运 工作是整个综合处理的首要环节，然而，在运输过程中，亏载现象较为突出。生活垃圾 的物理特性受到诸多因素的影响，亏载问题的也难以得到更好的解决，因此，生活垃圾 的物理特性和亏载问题是研究垃圾处理技术和研制开发相关垃圾处理机械设备应该首 要解决的问题和研究方向【1 2 1 4 1 。 对生活垃圾的处理方法主要有三种：堆肥法、焚烧法和卫生填埋法【4 巧，1 5 。2 1 1 。 1 ) 堆肥法：垃圾堆肥是在一定温度下，对垃圾进行发酵和生物分解，将垃圾中的有机 物质转化为农作物所需要的腐殖土，是垃圾无害化的一种方法。这种方法比较简单、投 资少，可以将垃圾资源化。 2 ) 焚烧法：低位热值大于4 1 8 0 l 【j l ( g ，含水率低于5 5 的垃圾【2 2 1 ，这种方法是将垃圾 放在特殊的封闭炉中，当温度达到1 0 0 0 左右时，垃圾烧成灰，然后再将其填埋，这样 可使垃圾的体积缩小5 0 9 5 ，具有减害、稳定和无害化的优点，但该方法技术要求 较高，投资较大。 3 ) 卫生填埋法：卫生填埋法是对垃圾处理场按照环境卫生工程技术进行施工，最大限 度地减少掩埋的垃圾对地下水、地表水、土地、空气及周围环境等造成污染。它具有处 理成本低，技术简便，适应性强等优点，是目前世界上使用最多的垃圾处理方式之一。 世界各国一般都根据本国国情和城市的具体特点选择合适的处理方法，发达国家城 市采取上述三种处理技术的比例一般卫生填埋大体占6 0 7 0 ，焚烧占2 5 3 0 ， 堆肥占5 1 0 ，从总体上看，以填埋法为主，其中英国美国西德等国家填埋比例较 大，均占6 0 以上；而日本、瑞士等国家则采用焚烧法比例较大，到9 0 年代均达到7 0 以上。根据最新资料显示，近年来发达国家对焚烧法普遍发展较快，采用焚烧技术处 理城市生活垃圾的比例也呈明显上升趋势。另外，发展中国家目前大多以填埋法为主 【2 3 - 2 5 】 o 在国外发达国家，大多采用大型的垃圾中转站，这种垃圾中转站具有压缩效率高， 经济性好，日处理垃圾量高等。这样的大型的垃圾中转站可以完成很大一片地区的垃圾 处理，而且它是建设在地下的，减少了垃圾对居民生活的带来的不利影响。在我国的大 城市，也开始建设大型的垃圾中转站，比如上海的杨浦、黄埔、崇明等大型的垃圾中转 2 垃圾压缩特性的试鬻盼析及压缩机构创索盼戈计 站等等。同时，我们还需要改善城市垃圾收集和转运系统，部分城市也需要增加垃圾中 转站及垃圾清运车1 2 眈7 】，比如南宁现有3 0 多座垃圾中转站，按照相关标准还需建造1 0 0 多座【2 8 。0 1 。 国外发达国家开始把垃圾收集、转运和压缩过程组成一个完整的系统，采用这种垃 圾压缩具有效率高，经济性好，不污染环境等特点，其中，瑞典的e n v a c 公司的封闭式 垃圾自动收集系统就是一个很好的例子。整个真空管道垃圾收集系统工作原理是：在收 集系统末端装有引风机械，当风机运转时，整个系统内部形成负压，管道内外形成较大 的压差，空气被吸人管道，同时，垃圾也被带人管道，进而输送至分离器，在分离器处 垃圾与空气分离。分离出来的垃圾由卸料机构卸出，并在集装箱内对垃圾进行压缩，与 此同时，空气则被送到除尘器净化，然后排放至空气中。每个小区中都布置有垃圾投放 口，居民投放垃圾方便，整个系统如图1 1 所示。整个垃圾收集和运输过程将垃圾的收 运由地上转为地下，由暴露转为封闭，由人工转为自动，以科技手段超越了传统的垃圾 收集方式，实现了垃圾清运的突破性变革，减少了垃圾对城市的污染，减轻环卫工人的 负担等等，这些优点十分明显。随着我国对环境污染的重视，我国的一些大城市如上海、 广州、三亚等也开始与e n v a c 公司合作建立封闭式垃圾自动收集系统。但由于此系统前 期投入的资金大，而且投入使用后居民需要了解一些使用说明和注意事项，所以在全国 推广使用方面还存在一定的困难【3 刀3 1 。3 2 】。 图1 1e n v a c 公司的封闭式垃圾自动收集系统原理图 f i g 1 - 1t h ef i g u i - eo fa u t o m a t i cg a r b a g ec o l l e c t i o ns y s t e mi ne n v a cc o m p 锄y 生活垃圾中有很多可回收物，还有很多在填埋中很难被降解的塑料等，所以在填埋、 焚烧前都会对垃圾进行分类处理。e n v a c 公司的封闭式垃圾字的收集系统在地面上有三 个投放口，一个是投放可回收物用的，一个是投放一般垃圾用的，还有一个是投放对环 垃圾压缩特性的试验分析及匿缩机构创肃n 殳计 境会造成污染的垃圾用的( 如电池等物质) 。在城市生活垃圾分选研究上，美国的城市 生活垃圾分选回收综合系统由手选、筛选、重选、磁选、电选、浮选、光电分选等装置， 并配有输送、粉碎、打包机等，设备自动化程度高，回收成分多；日本研制的列车垃圾 分选系统，也采用了多种分选方式，自动化程度较高高，可以分选玻璃、塑料、易拉罐 等垃圾成分；我国在这方面也进行了一些研究，如同济大学研制成功了城市生活垃圾处 理生产线和上海研制成功的城市生活垃圾自动分选和资源化综合利用装置等等 4 3 3 3 4 1 。 1 1 3 城市生活垃圾的压缩特性 在垃圾压缩过程中，仅有水和部分无机固体不可压缩，其余的大多可以被压缩。其 压缩主要是由颗粒的压缩、孔隙中水和气体的排除及孔隙容积的减少引起，垃圾成块后 的松散过程则是由于空气进入垃圾体的孔隙中引起垃圾膨胀。 目前，对垃圾的压缩特性的研究虽然取得了一定的成果，但是由于垃圾是一种松散 体且成分复杂，大小及形状都有很大的不确定性，因此，国内外的专家学者还未形成一 个统一描述垃圾压缩特性的数学表达式。但就目前而言，许多学者提出的不同的看法， 并对垃圾建立了一套分析模型，其中，主要垃圾模型有弹塑性体模型，它把生活垃圾看 成是弹塑性体模型方法忽视了压缩时间对垃圾成块及松散的影响，然而垃圾成分的复杂 性及不确定性也影响着模型的准确性；粘弹性体模型，利用粘弹塑性理论建立的蠕变本 构模型，它需要考虑时间，然而，很多粘弹性体模型都是线性模型，明显与实际不符， 而且，增加了实验以及建立模型的难度，国内外使用蠕变本构模型研究垃圾压缩的专家 并不多；土的弹塑性体模型，目前，被大家所公认的垃圾填土的主要压缩机理包括s o 、e 瑙 模型、对数模型及g i b s o n 和l o 流变模型【4 2 3 ，3 5 。6 】。 国内研究垃圾填土压缩性的时间比较晚，最近几年才开始有学者进行研究。如张振 营等最早研究的垃圾填土工程特性试验，得到垃圾土的压缩变形是由固相体积的缩减和 孔隙体积的压缩引起的并得到主次压缩的公式f 4 2 3 矧。陈云敏等通过固体废弃物的大三 轴压缩试验得到一个拟合的模型【4 2 3 3 引。 在以上有名的垃圾沉降模型的基础上，很多专家学者也提出了一些改进模型等，但 是垃圾沉降与垃圾压缩特性并不完全相同，不可能把垃圾沉降模型直接使用在垃圾的压 缩上，所以有必要建立一种能描述垃圾压缩特性的模型。 4 垃圾压缩特性的试鬻曙萨析技压缩机构创帝h 戈计 1 2 选题背景 本课题来源于广西区2 0 0 7 年度科学基金项目“城市生活垃圾压缩特性研究及垃圾 压缩机构创新设计 ( 桂科自0 7 2 8 0 3 1 ) 和广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任 课题：“基于虚拟样机技术的垃圾压缩装置关键技术的研究 项目( 桂科能 0 8 4 2 0 0 6 _ 0 0 3 上) 。 目前对垃圾压缩特性和垃圾压缩装备的研究虽然已经取得了一定成果，但是还有 一些领域尚未有人涉猎，一些垃圾压缩装备也存在许多不足，如垃圾压缩力学计算问题、 压缩最优压力问题和某些类型压缩装备的缺点及不足等等。 1 3 研究的主要内容 根据课题组分工的需要，本论文根据垃圾压缩试验所得的试验数据，主要对垃圾 的压缩特性和推压头压力进行试验研究，并得出部分重要结论。再结合前人研究的成果 和当前的压缩机构和垃圾清运工具的特点进行了相关研究，因此，本论文将从以下几个 方面展开： ( 1 ) 、对垃圾压缩过程进行试验，并应用m a t l a b c u r v ef i t t i n gt 0 0 l b o x 工具对相关 试验数据进行有效、合理的拟合分析，从而对垃圾在压缩过程中表现出来的可压缩性和 容重特性进行研究； ( 2 ) 、应用m a t l a b c u n ，ef i 戗i i l gt 0 0 l b o x 工具，对推压头所受的垃圾阻力进行了研 究，并结合前人的研究成果，对推压头所受的垃圾阻力进一步深入研究，得出垃圾压缩 力学模型； ( 3 ) 、应用a d a m s 软件对垃圾压缩过程进行动力学仿真，从而，进一步对所得的 垃圾压缩力学模型进行验证； ( 4 ) 、通过前面所分析的垃圾特性与分析当前垃圾清运工具及压缩机构现状及其主 要机构和工作特性，以及刮板式后装压缩垃圾车的一些缺点，结合后装式垃圾车和水平 垃圾压缩机的优点，对刮板式后装压缩垃圾车的压缩机构提供了一个新的设计思路，并 借助虚拟样机的试验对新型后装垃圾车仿真，试验验证设计思路的可行性、合理性和有 效性。 垃圾压缩特性的试鬻 ：扩析乃毛缩机构创索n 殳计 第二章垃圾的相关物理特性试验研究 2 1 垃圾的相关物理特性概念 2 1 1 垃圾可缩性的概念 物料可压缩性是指物料在受到外界压力体积缩小的特性f 3 9 1 。在一定的外界条件下， 压力为昂、体积为k 的物料，当压力增大尸时，体积减小y ，则物料在单位压力下 的体积相对变化量可以用体积压缩系数1 c 表示： 1 y r = 一= i ( 2 1 ) a p 一“ 由于压力是增大，而体积是减小，为使l c 为“+ ，故公式前面带一负号。1 c 大则易压缩， 小则难压缩。其倒数为体积弹性模量，以k 表示： k ：三：一婴 ( 2 - 2 ) ky k 越大表明该物料抵抗压缩的能力越大，当k 专o o 时，说明物料不可压缩。本文以体积 模量来研究垃圾的可压缩性州1 1 。 2 1 2 垃圾容重的概念 垃圾容重是指城市生活垃圾单位体积垃圾的重量，它是衡量城市生活垃圾密实程 度的一个重要指标，用矿来表示容重： 形= 等 ( 2 - 3 ) 式中m 垃圾重量v 垃圾所占体积 垃圾容重可以分为自然容重和压实容重，自然容重是指垃圾在自然状态下的容重，压实 容重是指垃圾受人为压缩时的容重【2 3 4 2 】。垃圾的容重受到诸多因素的影响，即使测出某 一地区、某一时期的平均值，而实际条件下也会相差甚远。因此，本文对实验数据进行 相关处理，以求容重的特性规律。 6 垃圾压缩特性的试骝盼析及压缩机构创索殳计 2 2 试验方案 2 2 1 试验设备 目前，对垃圾特性研究进行的试验不多，主要有山东理工大学杨先海等对垃圾特性 的研究。在垃圾特性研究试验中，垃圾压缩装置是最重要的装置，它由箱体、动力装置、 推压头等组成。现在广泛应用的压缩机构都是用液压驱动作为动力装置，然而，用液压 进行驱动的压缩机构一般成本较高，对于做一些小型的压缩实验不太适应。山东理工大 学曹冲振的硕士论文新型城市垃圾中转装置研究中所提到的研究生活垃圾压缩效果 的简易实验装置，应用杠杆原理增加重物实现压缩【4 3 1 。如果力臂长则需要较大的场地， 如果力臂短则需要重物较重，增加重物困难。 基于以上考虑，我们制作了一种通用的小型压缩机构。它主要应用扭力扳手对丝杆 进行人工加载，具有结构简单、机构省力、保压效果和压缩效果较好；能够在较小场地， 灵巧方便的进行操作；维修、保养成本低廉，无环境污染等优点。 以下对这种通用小型压缩机构进行介绍，它的主要部件有填装箱，推头，轴承和轴 承座，丝杆，支撑座，扭力扳手，压力传感器和位移传感器以及显示器和放大器。 ( 1 ) 填装箱：填装箱与普通的箱体有所不同，垃圾在其内部被强烈压缩，垃圾会急剧膨 胀，因此，填装箱要满足足够的强度；在实验的过程中，为了便于对压缩垃圾的成 块及松散等情况的观察，填装箱四周都可以打开。箱体的形状主要有常见的长方体 及陈树勋老师提出的椭球体，但考虑到加工、装载垃圾、实验及观察等，最终使用 长方体，填装箱的内部尺寸为1 0 0 0 n u n 8 0 0 r i l i n 5 0 0 n m ： 图2 1 填装箱箱体的设计图 f i g 2 1d e s i 印o f c a b i n e t 填装箱的材料用5 咖的q 2 3 5 号钢，箱体外的加强筋用5 号槽钢焊接，在箱体边上焊接 铰连接，箱体内部的两侧面使用5 号槽钢作为导轨，对推头起支承作用，使推头在填装 7 广西大李l 硕士掌位嵌譬垃甥u e 缩特性的试髫盼析及匿缩机构创帝n 殳计 箱内部能沿导轨移动。 ( 2 ) 、推压头：垃圾倒入填装箱，封闭填装箱后推压头对垃圾进行压缩，推压头受到垃 圾的强烈抵抗力，导致推压头变形过大，甚至使系统崩溃，因此，推压头必须要有足够 的强度。本实验设计使推压头最大受力为1 0 t ，推压头使用6 舢m 的钢板，四边使用4 m m 的钢板，内侧的加强筋用5 号槽钢焊接而成，推压头的设计图见图2 2 。推压头设计相 应的孔，前端安装力传感器部件，内侧安装轴承座等。 一。- ，一。 图2 - 2 推压头的设计 f i g 2 - 2d e s i 鄹o fp l l s h i n g _ p i s t o n ( 3 ) 、轴承和轴承座：按照动力装置的设计思路，要把丝杆固定在推压头上，并能使丝 杆正常转动，因此需要在推压头与丝杆间设计相应的轴承和轴承座。在压缩垃圾的过程 中，动力装置只提供轴向力推动推压头前移，而压缩垃圾到极限要使推压头退回到初始 位置时，亦由动力装置提供轴向力，考虑到人工扭动转速很低，同时为减少推力摩擦， 因此，选用单向推力球轴承，型号为5 1 2 1 1 。为固定单向推力球轴承，设计一个轴承座， 见图2 3 ： 1 推压头2 轴承座3 推力轴承4 丝杆5 套筒6 垫圈7 螺母 图2 3 轴承和轴承座c a d 设计图 f i g 2 3d e s i 印0 f b e 撕n ga n db e 撕n gp e d e s t a l c a d ( 4 ) 、丝杆：应用丝杆与螺母间的自锁原理，垃圾压缩后不再反弹具有保压效果，压缩 8 垃圾压缩特性的试聪巧手析及压缩机构创新设计 效果较好。丝杆使用4 5 号钢，一端设计成阶梯轴便于固定在轴承座上，另一端加工成 边长为3 0 i i u n 的六角头用于扭力扳手施载荷，中间攻矩形螺纹，实验选择的是长1 m ， 外径4 6 m m ，内径3 8 舢，螺距8 i 姗的丝杠。 ( 5 ) 、支撑座：它是由与丝杆匹配的螺母和四根支撑架焊接而成，整个支撑座要求固定 在填装箱的前端。把支撑架用螺栓固定在填装箱的侧板和上下板上，这样可以方便箱体 各板及支撑座的拆装。垃圾被压缩对推压头产生的强烈的抵抗力通过丝杆传递给支撑 座，故在螺母与支撑架上焊接加强筋。支撑座与丝杆的安装实物图见图2 - 4 ： 图2 - 4 支撑座与丝杆的实物图 f i g 2 - 41 kf i g u 他o f s u p p o n 辩a t s 锄d l e a ds c r e w ( 6 ) 、可调式棘轮扭力扳手扭力扳手：扭力扳手选用w 0 3 6 8 公斤可调扭力、棘轮头的 扭力扳手，用于对丝杆施加载荷。可调式棘轮扭力扳手见图2 5 ： 图2 - 5 可调式棘轮扭力扳手 f i g 2 5a d j u 蛐出l er a t c h e tw h lt o r q u ew 他n c h ( 7 ) 、压力传感器和位移传感器：本实验使用的是上海天沐自动化仪表有限公司生产的 n s t h 3 a 型称重传感器共6 个和n s w y 0 3 型位移传感器共1 个。称重传感器作为压力 传感器测试推压头对垃圾的压力及填装箱后板受到垃圾的压力，其单个的量程是3 t ，非 线性误差为0 5 ，单位是吨，本所说的压力传感器即是称重传感器。在垃圾被压缩过 程中，为传感器的顶板保持相对平衡及考虑到瞬间超载现象，我们使用三个传感器串联 作一组的方式分别对推压头和填装箱后板所受压力进行测试，此时，一组传感器能承受 的最大压力为9 t 。三个传感器串联作一组的布置呈三角形，见图2 6 和2 7 。在称重传 感器上方，我们用一个顶板和四个销钉将其安装在推压头前端和填装箱后板内侧上。所 受压力通过称重传感器上方的顶板将力传到传感器上，通过放大器将信号放大，传输到 与之配套的显示器上显示力的大小。 函 广西大学硕士掌位诧譬垃圾压缩特性的试鬻汾析技压缩机构创新设计 实验装置压缩的量程为7 0 0 l i 皿，故选用位移传感器的量程是7 0 0 i 眦，非线性位差 为0 5 ，单位是n u n 。实验过程中，将位移传感器座固定在地面上，位移传感器芯与推 压头内侧固定，并随着推压头一起运动，值得注意的是位移传感器座与填装箱要保持平 齐，防止位移传感器芯有过大的挠动，因此，为位移传感器设计一安装座，见图2 8 。 位移传感器信号直接传输给与之配套的显示器上显示位移的大小。 图2 - 6 称重传感器实物图 f i g 2 石l 0 a d c e u 图2 7 传感器的布置图 f 追2 7l a y o u to f l 0 a dc e u 图2 - 8 位移传感器实物图 f i g 2 - 8l k 小p o s i t i o ns e i 姗 ( 8 ) 、显示器和放大器：显示控制仪表( 即显示器) 型号是n s y b 0 5 c ，共3 个，分别 用于显示力和位移的值，求和放大器型号是f 啕，共2 个，分别对两组压力传感器的 值求和。称重传感器的放大器和传感器的显示器分别见图2 9 和2 1 0 ： 图2 - 9 称重传感器放大器 f i g 2 9m a 印i f i e ro fl o a dc e l l 另外，还需要些软质材料，比如塑料， 图2 1 0 传感器显示屏 f i g 2 一1 0s c r e e no f s e n s 0 r 把安装传感器的整个部分与垃圾分隔开，避 l o 广西大学硕士掌位论文垃圾压缩特性的试验分析及压缩机构创帝微计 免垃圾进入安装传感器的部分而影响实验数据，如图2 1 l ： 图2 - l l 推压头实物 f i g 2 - 1 1p r 懿s u 他h e a d 整个设计的总成实物图见图2 1 2 ： 图2 - 1 2 试验装置总装配实物 f i g 2 - 1 2t h eg e n e r a l 硒s e m b l yo f t e s tu n i t 2 2 2 试验方法 试验开始前，需要将压力传感器与放大器，放大器与显示器，位移传感器与显示器 按照仪器附带的说明书连接好，其连接方式： 1 ) 、压力传感器与放大器及显示器的连接方式流程图见图2 1 3 ： 图2 1 3 压力测试连接流程 f i g 2 - 13t h ep r o c e s so fc o l l l l e c t i o nf o rp r e s u r et e s t 2 ) 、位移传感器与显示器的连接方式流程图见图2 1 4 ： 广西大学硕士掌位论文垃圾压缩特性的试验分析及压缩机构创索殳计 i 位移传感器一端与推 了止上业7 i 开4 e ， l 压头接触 - 位移传感器 l - 位移传感器的显示器 i 试验的总体框架图： 图2 1 4 位移测试连接流程 f i g 2 一1 41 1 l ep r o c e s s0 fc o n n e c t i o n 氨泔d i s p l a c 锄e n tt e s t 1 填j 黼、2 垃教、3 拥短氮4 枷募座、5 劐蝶、6 支l 继、7 纠硼陬8 笪杆、9 艄姻瀚、l o 扭力扳手、1 1 帛慷、1 2 - 固触孵、1 3 压力传勰、l t 压力施姆、1 5 压 力豇示晷、坻蠲多缃嚣晷1 7 伺多星际晷 图2 1 5 系统总体框架 f 毽2 - 1 5t h ef r a m e w o r ko f t l l es y s t e m 试验开始时，组装好个压缩部件，打开填装箱上板，从上面把垃圾倒入箱体内， 装满垃圾后使用螺栓将上板与箱体固定好，此时，垃圾对填装箱上板有一定的压力，但 由于这时的压力与压缩时的压力相比很小，不足以使垃圾压缩成块，因此，这时的压力 对实验的影响较小。安装完成后进行实验，一次压缩完成后，把推头退出，打开上板， 观察成块情况，然后，按照上面步骤继续添加垃圾，再重复之前的动作，经过数次的压 缩成块后，将垃圾倒出并称其重量，将这个过程称为一次试验，因此，每次试验有若干 次压缩。在一次试验中，由于填装箱尺寸有限，经过数次的压缩成块后，压缩会越来越 困难，推压头的行程越来越短，而压缩的压缩的次数理论上较多。但我们所进行的实验 由于填装箱，支撑座等加工粗糙，承受压力与理论上设计的最大承受压力差别太大，在 压缩数次后，实验装备容易出问题，因此，我们压缩的次数相对较少。 1 2 广西大掣明页士掌位论文 垃圾压缩特性的试骚曙于析及压缩机构创索盼定计 2 3 试验结果及其分析 垃圾压缩进行若干次试验，每次试验数据变化趋势大致相似，因此，只选取三组较 好的数据进行分析，其中，第2 组即第2 次垃圾压缩试验在进行第3 次压缩时，试验装 备出现问题，所测得的第3 次压缩数据不太准确，故而将第2 次压缩试验的第3 次压缩 数据去除，这对整个数据的分析并没有实质性的影响。 2 3 1 试验结果预处理 为了使试验研究方案更具有科学合理性，在正式试验前进行了预试验研究。通过对 预试验结果分析可知，在一次压缩过程中，随着压缩的进行，压缩越来越困难，因此， 读取压缩位移的间隔应由大逐渐减小，具体数值在具体试验中给定。 为了分析的方便，在进行可压缩性和容重的试验数据拟合分析时，选择推压头与填 装箱后板之间的间距作为拟合变量。因此，在分析数据前，通过所测推压头的位移，计 算出对应的推压头与填装箱后板之间的间距，以备数据处理时所需。 在后文中，将推压头与填装箱后板之间的间距简称为间距；将推压头在填装箱内移 动的距离简称为位移；将推压头所受的推力简称为压力。 对数据进行处理需要应用m a t l a b 软件，m a t l a b 软件名字由m a 确x 和l a b o r a t o 巧 的前3 个字母组合而成。1 9 8 4 年，l i t t l e 、m o l e r 、s t e v eb a i l g e n 合作并成立了m a t h w r o r k s 公司，把m a n ，a b 正式推向市场，以其良好的开放性和运行的可靠性赢得了市场，在 2 0 世纪九十年代，m a t l a b 已经被认为是国际控制界公认的标准计算软件。九十年代 初期，在国际上3 0 多个数学类科技应用软件中，它在数值计算方面独占鳌头。其优点 主要有：具有较高的执行效率和良好的可移植性；拥有完善的类库和工具箱，功能强大， 运算速度快；具有强大的再编程能力，可以根据需求开发新的功能部件等等4 7 】。 2 3 2 试验结果处理方法 在试验过程中，所测量出的是一组离散数据，试验中获得的数据往往存在些差异， 引起差异的因素包括两方面：一方面是因素变化所产生的误差，即条件误差，它决定了 实验数据的准确度，另一方面是随机波动引起的误差，即随机误差，它决定实验数据的 精确度，因此，单从这些离散的数据不能准确的反映数据间的本质关系，由此可见，必 须对实验数据进行一些合理的处型4 3 4 9 】。 在处理科学实验或工程问题时，普遍的处理方法是在测试数据的基础上找到一个近 似的数学表达式来反映数据间的变化关系。把所测的数据在图形上以点的形式表达，然 广西大学萄n 瞵位论文垃圾压缩特性的试聪汾析及压缩机构创索h 戈计 后，通过这些点找到某一条能最佳的拟合数据，反映数据间的变化关系的光滑曲线，并 得到曲线的表达式，这即是所谓的曲线拟合，当然，拟合曲线的过程中，拟合的曲线不 一定要求每一点都经过测得数据点，而要求这条曲线能反映数据间的变化趋势即可，并 尽量避免出现局部波动。然而，实际中用传统的数据处理方法难以获得很好地适应所有 点的曲线，同时也很难估计所得曲线的精度，而且很难找到由这些点构成曲线的数学模 型，如果所找到的数学模型不能达到一定的要求，则将直接影响到对数据间变化关系的 判蝌5 3 】。用m a t l a b 对数据进行有效和便捷的拟合处理，从而可以形象直观地得到数 据间的规律性5 4 1 。我们通常采用的曲线拟合方法是最小二乘法。 最小二乘法的基本思想是：先选定一组函数( x ) ，吒( x ) ，：，| ( 力，聊 ( 4 1 ) 其中弹塑性模量 d 】。为： 【d 】 刍 r 【d 】 p b _ 刎一i 葫 降2 ) 式中，幽一总应力增量；如一总应变增量；【d 】一弹性模量；q 一表示潜在的塑型应力； 户等效应力；，卜卉次方程次数；p 一塑性功函数。 该模型把生活垃圾看成是弹塑性体模型，忽视了压缩时间对垃圾成块及松散的影 响，同时，垃圾成分的复杂性及不确定性也影响着模型的准确性，但它利用了弹塑性力 学的成熟理论，有利于垃圾的数学模型的建立。 2 粘弹性体模型 有学者在弹塑性体模型的基础上考虑了压缩时间对垃圾成块及松散的影响，由此提 出了生活垃圾的蠕变模型，它有三个基本元件：弹性体、粘性体和塑性体【鲫，通过它们 的串联和并联可以形成一个基本的蠕变模型及其他更复杂的模型。在蠕变模型的基础上 垃圾压缩特性的试验分析及压缩机构创索h 殳计 推导出了基于蠕变模型理论的填埋场计算方法【6 9 】。但由于蠕变模型试验的难度大，国内 外使用该模型研究垃圾压缩的学者并不多见。 3 土的弹塑性体模型 许多专家学者都认为垃圾模型与土力学模型有很多较为相似的特点，基于经典土力 学建立了垃圾沉降的数学模型。就目前而言，主要以s o w e r s 模型、对数模型及g i b s o n 和l o 流变模型为典型口5 ，3 6 ，7 嗍。该方法利用成熟的土力学理论，可以方便建立垃圾力学 模型，但由于垃圾成分的复杂性以及环境的对它的影响很大，因此，与土力学相比较， 垃圾力学模型显然更为复杂，如果把土力学模型理论直接应用到垃圾力学模型中会带来 很大的误差。该方法可以根据垃圾试验，对土力学模型理论进行一定的修改可以建立较 好的垃圾力学模型。 另外，国内对垃圾压缩研究的起步比较晚，最近几年才开始有学者进行研究。如张 振营等最早研究的垃圾填土工程特性试验，陈云敏等通过固体废弃物的大三轴压缩试验 得到一个拟合的模型等【3 7 捌。 诸如此类的垃圾压缩研究都存在这样或那样的不足。然而，随着城市建设规模的不 断扩大和人们生活水平的不断提高，城市生活垃圾不断增多，对垃圾的处理任务繁重， 同时也提高了处理垃圾的压