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广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果 和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表 过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作 提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：磊d 卯口年月加日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 臼即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝储虢磊翮签妒1 雌b 月，日 垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 摘要 垃圾压缩减容是城市生活垃圾集运的发展方向，是减少城市生活垃圾 处理费用的主要手段，提高垃圾压缩机构的压缩能力，设计结构合理、安 全可靠的垃圾压缩机构具有重要意义。 本文介绍了一些常见的垃圾压缩装备，对目前常用的几种后装垃圾压 缩车后厢锁紧机构进行了分析、比较，针对其存在的不足做出了相应的改 进。对后装垃圾车的压缩机构与水平垃圾压缩机的锁紧机构进行了受力分 析，设计了结构简单、受力合理的锁紧机构。在现有垃圾车的基础上提出 了两种新型的垃圾压缩机构，进行了结构设计，较目前垃圾车的压缩性有 了较大提高。 针对后装垃圾车推卸油缸安装角度与推板折弯角取值存在的问题，运 用a d a m s 软件对其进行了参数化建模及优化仿真分析，找出了较为合理 的取值范围。 在a n s y s 中建立了后装垃圾车压缩刮板的有限元模型，并运用虚拟样 机技术对垃圾压缩过程进行了仿真，为压缩刮板的有限元分析提供了载荷 数据，根据三种不同的工况进行加载，得到了相应的应力应变结果，并结 合分析结果对刮板进行了局部调整和改进，使其满足了使用要求。为避免 振动带来的影响，还对后装垃圾车的车架与厢体做了模态分析，为进一步 研究垃圾车的振动以及结构优化提供依据。 关键词：垃圾压缩机构创新有限元优化设计模态分析 t h ec r e a t i v ed e s i g na n ds t r u c t u r a la n a l y s i s0 f t h eg a r b a g ec 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 oc o m p r e s sa n dr e d u c et h eg a r b a g e sv o l u m ei st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h ec i t yl i f e sg a r b a g ec o l l e c t i o na n dt h ep r i m a r ym e a n st or e d u c et h ec o s to f u r b a nw a s t ed i s p o s i t i o n a sar e s u l t ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e s i g na g a r b a g ec o m p r e s s i o nm e c h a n i s m w i t har e a s o n a b l es t r u c t u r ea n dr e l i a b l es a f e t y i nt h i sp a p e r , s o m ec o m m o n g a r b a g ec o m p r e s s i o ne q u i p m e n t sa r ei n t r o d u c e d i ta n a l y z e sa n dc o m p a r e ss o m ek i n d so fb a c k - l o a d e dg a r b a g ec o m p r e s s i o n t r u c k sr e a rl o c k i n gm e c h a n i s mu s e da tp r e s e n t ，m e a n w h i l e ，a l s oi m p r o v e st h e d i s a d v a n t a g e s t h et i g h tl o c k i n gm e c h a n i s mi sd e s i g n e dw i t hs i m p l es t r u c t u r e s a n dr e a s o n a b l ef o r c e s t h e n ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ef o r c ea n a l y s i so ft h e b a c k l o a d e dg a r b a g et r u c k sc o m p r e s s i o nm e c h a n i s ma n dt h eh o r i z o n t a lg a r b a g e c o m p r e s s o r st i g h tl o c k i n gm e c h a n i s m f u r t h e r m o r e ，t w o n e w g a r b a g e c o m p r e s s i o nm e c h a n i s m sa r eb r o u g h tu po nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gg a r b a g e t r u c k t h e i rs t r u c t u r e sa r ew e l ld e s i g n e dw i t hag r e a ti m p r o v eo nt h ec u r r e n t t r u c k sc o m p r e s s i b i l i t y b ed i r e c t e dt ot h ep r o b l e m st h a tl i ei nt h em o u n t i n ga n g l eo ft h eb a c k l o a d e d g a r b a g et r u c k ss h i f t i n go i lc y l i n d e ra n d t h ed e r e f e r e n c i n go ft h ep u s h i n g p l a t e s i i i p r e s s - b r a k ea n g l e ，t h i sp a p e rf i n d so u tam o r er e a s o n a b l en u m e r i ca r e ab y a p p l y i n gt ot h ea d a m s ，o n t h eu s eo fw h i c ht h ep a r a m e t r i cm o d e l i n ga n dt h e o p t i m i z e da n ds i m u l a t e da n a l y s i sa r ec a r r i e d o u t i na n s y s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l l i n go ft h eb a c k l o a d e dg a r b a g et r u c k s c o m p r e s s e ds c r a p e r i sb u i l tu p ，a n dc o u r s eo ft h eg a r b a g ec o m p r e s s i o ni s s i m u l a t e db yt h eu s e do ft h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , a l lo fw h i c hp r o v i d e t h ec o m p r e s s e ds c r a p e r sf i n i t ee l e m e n t m o d e l l i n gw i t hp a y l o a dd a t a b yl o a d i n g a c c o r d i n gt ot h r e ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h ec o r r e s p o n d i n gs t r e s ss t r a i n r e s u l ti sc o m eo u ta c c o r d i n gt ow h i c ht h es c r a p e ri s i m p r o v e dp a r t l ya n d s a t i s f i e dt h eo p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t t oa v o i dt h ei m p a c t sc o m e du pw i t ht h e v i b r a t i o n ，t h ef r a m ea n db o d yo ft h eb a c k l o a d e dg a r b a g et r u c ka r eg o i n go n w i t hm o d a la n a l y s i sw h i c hp r o v i d e saf u r t h e r m o r er e s e a r c ho nt h eg a r b a g e t r u c k sv i b r a t i o na n ds t r u c t u r a li m p r o v e m e n tw i t hb a s i s k e y w o r d s ：g a r b a g ec o m p r e s s i o n ；m e c h a n i s mi n n o v a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t ； o p t i m a ld e s i g n ；m o d a la n a l y s i s i v 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源与主要任务一1 1 2 课题研究的目的和意义1 1 2 1 城市生活垃圾处理现状l 1 2 2 垃圾压缩是垃圾集运发展的方向2 1 2 3 垃圾压缩装备的研究前景3 1 2 4 新型研究方法的应用具有重要意义4 1 3 研究现状与存在的问题4 1 3 1 国内外研究现状4 1 3 2 主要存在的问题5 1 4 主要研究内容7 第二章垃圾压缩装备的创新与研究9 2 1 城市生活垃圾压缩装备的发展9 2 1 1 自卸式垃圾车9 2 1 2 压缩式垃圾车1 0 2 1 3 生活垃圾中转站。l o 2 2 后装压缩式垃圾车的研究1 2 2 2 1 后装压缩式垃圾车结构组成一1 2 2 2 2 后装垃圾车压缩机构的分析。1 2 2 2 3 后装垃圾车的受力分析1 3 2 2 4 后装垃圾车锁紧机构的研究与创新。1 6 2 3 水平垃圾压缩机锁紧机构一2 0 2 3 1 水平压缩机的结构特点。2 0 2 3 2 水平压缩机的工作流程2 1 v 2 3 3 水平垃圾压缩机锁紧机构的分析与改进2 2 2 4 新型垃圾压缩车的研究2 5 2 4 1 后装垃圾车的改进2 5 2 4 2 顶装垃圾车的改进3 0 2 5 本章小结3 2 第三章推板机构优化设计3 3 3 1 推板结构及油缸摆放方式3 3 3 2 推板机构受力分析3 4 3 2 1 力学模型简化一3 4 3 2 2 受力分析计算3 5 3 2 3 推板卸载受力分析。3 6 3 3 参数化建模3 7 3 4 优化仿真分析3 8 3 5 本章小结4 1 第四章刮板机构的动力学仿真与有限元分析4 2 4 1 刮板机构的动力学仿真4 2 4 1 1 刮板机构运动原理与仿真研究。4 2 4 1 2 垃圾压缩过程仿真模型的建立4 3 4 1 3 运动仿真曲线分析4 4 4 1 4 动力学分析4 6 4 2 刮板机构的有限元分析4 7 4 2 1a n s y s 有限元分析在结构强度分析中的应用4 7 4 2 2 刮板有限元模型的建立与网格划分。5 0 4 2 3 工况分析与加载5 1 4 2 4 刮板结构的改进5 5 4 3 本章小结5 7 第五章垃圾车车架与厢体的模态分析。5 8 5 1 模态分析理论5 8 5 2 模态提取方法5 9 5 3 车架与车厢结构模态分析6 0 v t 5 3 1 有限元模型6 0 5 3 2 边界条件6 l 5 3 - 3 模态分析6 2 5 4 本章小结6 4 第六章总结与展望6 6 6 1 总结6 6 6 2 展望6 7 参考文献6 8 j g 【谢7 l 攻读学位期间发表的学术论文7 2 v i i 广西大掌硕士学位论文 垃圾压缩机构的创帮n 殳计与结构分析 1 1 课题来源与主要任务 第一章绪论 本课题是广西区2 0 0 7 年度科学基金项目( 桂科自0 7 2 8 0 3 1 ) 一城市生活垃圾压 缩特性研究及垃圾压缩机构创新设计”的一部分。该项目主要是通过对国内城市垃圾压 缩特性进行研究，以掌握垃圾的压缩规律和垃圾压缩的力学特性，通过理论分析，找出 最佳的垃圾压缩压力范围使垃圾压缩效果最佳，并在理论研究的基础上，应用虚拟样机 技术和有限元理论，对垃圾压缩机构进行创新和优化设计，从而提高垃圾压装的效率和 压缩设备的可靠性。 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 城市生活垃圾处理现状 我国的城市化进程不断地加快，垃圾产量逐年增长，使其成为我国环境面临的紧迫 问题。据报道，我国2 0 0 5 年产生1 5 亿t 的城市垃圾，而且每年在以8 1 0 的速度 增长。在中国，约有2 0 0 多座城市陷入垃圾的包围之中，且有1 4 的城市已发展到无合 适的场所用来堆放垃圾，以至于把解决垃圾的途径延伸到了乡村，导致城乡结合地带区 域环境逐年恶化。据统计，按现在垃圾增长的速度，2 0 1 0 年我国城市生活垃圾产量将达 到2 6 4 亿t i i - 4 1 。 近年来，随着城市经济水平和居民消费水平的提高，我国城市垃圾产量持续增长的 同时，生活垃圾的成分也发生t大变化，其主要特点是：垃圾的密度不断下降，易压 缩物增多，可压缩性增加，垃圾中的有机成分在逐渐增多，出现了重量增长缓、体积增 长快的现象5 川。表1 1 为国内外一些大城市生活垃圾成分的含量。 表1 - 1 国内外大城市垃圾成分含量( ) 类型北京上海南京砖安 广州济南 南宁纽约 东京 巴黎 厨余6 6 7 6 5 85 2 0 5 5 14 2 05 3 1 4 3 8 2 7 92 8 1 2 3 4 塑料8 0 1 4 51 3 21 0 82 1 01 3 11 6 85 11 1 7 1 8 纸类 3 09 24 9 3 51 0 9 5 89 3 4 4 8 3 3 12 8 0 广西大掌硕士学位论文垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 金属2 00 81 3 0 90 60 80 58 06 03 9 玻璃2 05 34 13 13 62 24 6 1 1 3 9 4 5 4 布类0 52 21 21 56 93 27 10 53 00 5 无机物 1 7 82 82 3 32 5 11 5 02 1 81 7 92 48 73 7 0 目i j 我国人均年产生活垃圾约为3 0 0 k g ，年增长率高达5 8 【8 。10 1 ，虽然建有7 4 0 多座生活垃圾处理场( 厂) ，但无害化处理率不足2 0 ，大量的生活垃圾被运往城外郊 区露天堆放，每年堆存量高达4 0 多亿吨，占用5 亿多平方米的国土，有2 0 0 多个城市 被城市生活垃圾包围所困扰。所以，如何按照可持续发展的战略要求，通过技术创新来 提高垃圾处理的能力，真正做到减容减量，是摆在我国环境建设面前的一项重要任务， 同时也是建设节约型社会的基本内容。 1 2 2 垃圾压缩是垃圾集运发展的方向 生活垃圾是整个社会经济生产、分配、消费再循环过程各环节的必然产物，与所有 社会成员均密切相关，与城市的现代化进程和科学技术的发展密切相关。生活垃圾既是 有害物，又是可以变害为利的永续的资源。生活垃圾治理的“减量化、资源化、无害化” 水平的提高是改变城市生态环境、保证和促进社会经济可持续发展的基础条件之一。 城市生活垃圾从收集、转运再到最终处理，组成了一个完整的垃圾处理过程。研究 解决城市垃圾收集、转运、处理技术，改变现有的城市垃圾管理体制，合理分配城市垃 圾物流调配系统，切实提高城市垃圾的减量化、无害化和资源化水平是提高我国城市环 境卫生水平的关键，这对于提升城市形象，改变人居环境状况，提高人民生活水平，促 进城市经济的可持续发展都有着许多好处 1 l - 1 3 】。 垃圾的处理过程主要包括垃圾的收集、运输与最终处理，见图1 1 。 图1 1 垃圾处理简图 f i g 1 - 1t h ep r o c e s s e so f r u b b i s h 我国目前的情况是城市人口密度大、居住环境拥挤、垃圾多而且复杂、垃圾处理点 距离居民区较远。据统计，国内几个大城市的垃圾处理厂距离市区均在5 0 k m 以上，这 2 广西大掣页士掌位论文捌口及压缩机构的创新设计与结构分析 段较长的距离需要投入相当的运输成本。此外，随着城市规模的增长，以及近郊可供填 埋的适宜场地的越来越少，垃圾处理场所不断远离市区。从而垃圾的运输费用会不断增 加，在一些发达国家运输费用已占垃圾处理费用的8 0 以上【1 4 。1 6 1 。 近年来城市生活垃圾的密度在不断降低，而且随着人们生活水平的提高，原装垃圾 的容重也在不断的下降，垃圾中的易压缩成分占了很大比重( 约占总重量的3 0 - 4 5 ，而占到总体积的8 0 左右) 0 7 j 。如果采用传统的运输方式，由于自然堆积的垃圾 未经任何处理，垃圾密度小、体积大，不能充分利用运输车的承载能力，从而造成垃圾 转运过程中亏载现象严重，降低了垃圾转运效率。因此，降低垃圾转运费用是降低整个 城市垃圾处理费用的关键【1 8 l 。 由于垃圾的可压缩性大大增加，有效的对垃圾进行压缩减容就可以很好地解决垃圾 运输中的亏载问题。垃圾压缩后，每一次运输的垃圾总质量增加，可以很好提高运输效 率，降低垃圾的运输费用。可以说，垃圾压缩减容是城市生活垃圾集运的发展方向，是 当前研究的热点。 1 2 3 垃圾压缩装备的研究前景 我国对城市垃圾压缩技术的研究起步比较晚，国内专家学者对生活垃圾压缩特性及 压缩装备的研究相对比较滞后，致使这些设备无论在实用性还是使用性能上都比较一 般，严重影响了我国城市垃圾处理设备的发展。 随着垃圾压缩减容的发展方向，对垃圾压缩装备的要求日益提高。大型化、高压缩 比、智能化、高效率、可靠性高、密封性好、结构简单合理、耐用的压缩装置将成为研 究的热点。垃圾压缩效率的提高能有效地减少垃圾处理的费用，因而对压缩装备的研究 就具有良好的经济效益和社会效益。国内外城市生活垃圾压缩设备都向着高效性、高压 缩比、占空间小的方向发展，改善压缩技术和研制高效实用垃圾压缩装备是垃圾减容的 关键。 目前国内垃圾压缩装备的研究主要集中在垃圾压缩车与垃圾压缩中转站上。与发达 国家相比，我国对垃圾压缩装备的制造还停留在引进国外技术或其他设备进行简单改 造、模仿的基础上，目前对压缩装备的设计主要是参考国外的同类产品。因此结合国内 生活垃圾特性，对垃圾压缩装备展开研究，是提高企业自主创新力和增强企业竞争力的 前提。 3 捌嘣及压缩机构的创新设计与结构分析 目前，国内一些中小城市的垃圾转运设备数量上极为有限，需要投入大量的人力来 收运垃圾。引入一定数量的压缩式垃圾车以及在适当的位置修建垃圾压缩中转站可以减 少环卫部门的人力投入，提高转运效率，节约成本。另外，南宁现有3 0 多座垃圾中转 站，而按照相关标准还需建1 0 0 多座【1 9 2 1 1 。因而，本课题对垃圾压缩设备的改进与创新 研究有很大的市场前景。 1 2 4 新型研究方法的应用具有重要意义 垃圾压缩装置的工作环境相对恶劣，由于垃圾的不确定性，载荷情况复杂多变。因 此，压缩装置的试验也要根据不同的工作情况进行分析，增加了试验的周期以及复杂性， 另外垃圾压缩装置体积较大，制造成本较高，反复的试验无形中又提高了设计成本。为 避免以上情况，我们采用虚拟样机技术，可使设计人员在虚拟环境中真实地模拟垃圾压 缩装置的工作情况，减少了设计工作的盲目性与重复性，快速分析各种设计方案，帮助 设计人员完成实验工作。在整个仿真过程中，可以根据目标函数与约束函数进行优化设 计与参数匹配修改，得到改进的虚拟样机，反复此过程直至获得最优化性能的整机设计 方案。 本课题利用虚拟样机技术、有限元分析以及模态分析相结合的方法对垃圾压缩装置 进行了结构改进创新，并对关键的部件做了运动学仿真、静力学研究及模态分析。利用 三维绘图软件建立物理样机的模型，然后利用a d a m s 软件来模拟工作条件下压缩装备 的运动情况，测试模型各项性能参数，进而将得到的载荷信息施加到a n s y s 中的有限 元模型上，再做强度分析及模态分析。 1 3 研究现状与存在的问题 1 3 1 国内外研究现状 国内的城市生活垃圾收运系统主要是在2 0 世纪8 0 年代建立的，对城市生活垃圾及 垃圾压缩装备的研究还不够成熟。国内外专家和学者主要集中在以下几点：后装式垃圾 压缩车的整体设计以及各关键机构的研究、垃圾中转站设备、垃圾压缩液压控制系统、 垃圾填埋场的沉降特性、垃圾收运管理系统。 垃圾车的工作装置、垃圾中转站设备方面，主要集中在对垃圾压缩装备及其配套装 4 广西大学咀炙士掌位论文垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 置的设计和研究，这方面，国外研究起步比较早，目前主要研究方向为：大型垃圾中转 站设备、大容量高压缩比垃圾车、配套的去污除臭系统等【2 2 ，2 3 1 。这些方面技术要求较高， 国内的大型垃圾中转站压缩设备多采用引进及合作建造的方式。 近年来，我国在垃圾压缩装备及配套设备的研发上取得了一定的成果，其中同济大 学、山东理工大学、浙江大学、哈尔滨工业大学和北京科技大学在这方面的研究比较突 出。山东理工大学的吕传毅和杨先海两位老师对垃圾压缩机械设备与垃圾分选技术的研 究获得了专利成果；同济大学的盛金良教授对垃圾车的压缩装置进行了设计；广西大学 陈树勋教授探讨了垃圾压缩车的载荷情况的数学模型并对垃圾车做了优化【2 4 】。国内很多 企业也都加入到后装垃圾压缩车与垃圾中转设备的研究生产行列，企业自主创新能力的 提高对国内垃圾压缩行业的发展起到了推动作用。 1 3 2 主要存在的问题 目前国内外专家学者对垃圾压缩特性和压缩装备的研究已经取得了一些成果，但是 还有一些复杂的领域尚未涉及，一些垃圾压缩车辆以及压缩式中转站还存在一定的不 足，这是需要我们进一步探索研究的。 1 城市生活垃圾压缩规律，压实度与压力的关系 根据实际经验，压实度与压力的曲线为斜率逐渐减小的增函数如图1 2 所示。压缩 垃圾的力越大，垃圾的压实度就越高，压实效果也就越好。但一味的提高系统压力，势 必要提高液压油泵的马力，增大液压缸的缸径，同时推头与装载厢的强度也必然要提高， 这就增加了制造成本。因此要综合考虑各种因素，使系统压力和垃圾压缩比、造价等因 素匹配，即寻求最优性价比压力。然而，目前对于压缩装置的液压系统压力的选择大多 是根据经验确定，现在尚还没有这方面的试验研究资料。 压实度 图l - 2 压力与压实度关系示意图 f i g 1 2d i a g r a mo fr e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r ea n dc o m p a c t n e s s 5 广西大尊嵋页士掌位论文 垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 根据实验和理论计算确定最优化的系统压力，并用以指导工程实践，那么这项研究 将有重要的理论意义和良好的经济前景。 2 对于压块式的压缩方式，垃圾块保持时间与压力的关系 为了得到更好的压实效果，一些大型的中转站通常采用压块式的压缩方式，压缩比 例可达3 ：1 。小型收集车将沿街收集的垃圾卸入中转站内，垃圾再送入垃圾压实机中， 垃圾在压缩腔内被压缩( 减容并压实) 成形( 块) ，最后送出压缩腔，装入大型垃圾箱。通 常压块式分为水平与垂直两种方式，但是对于这两种压缩方式所需要的压力以及压块保 持的时间还没有准确的数据，一直是靠经验来确定的，所以确定它们之间的关系对于压 缩效果的好坏以及节约成本也是至关重要的。 3 垃圾压缩的力学特性 考虑到垃圾成份的复杂性，研究垃圾在压缩时的力学特性也是十分困难的，目前尚 未见到对压缩垃圾时力学性质的研究资料。由于没有关于垃圾压缩时适于数值计算的力 学性质的数学模型，使计算机辅助分析很难进行。 虽然山东理工大学的杨先海老师等根据大量试验和分析，通过回归分析和函数拟合 得出了压实引起的密度变化和平均应力以及平均应力与应变的乘积对于垃圾压实容重 的经验计算公式【2 5 】： p = a + o 0 3 1 ( e a ，) m 6 6 ( 1 1 ) 式中吒，乞，一一平均应力和平均应变 p ，扁压实密度和初始密度 但是实际情况下，垃圾压缩时各处的压实密度是不一样的。既然压实密度不确定那 么应力应变的乘积也就无法计算得出了。另外，由于垃圾是一种力学性质很难确定的混 合物【2 6 】，其应力应变关系非常复杂而难以确定，所以这个公式并不能应用于精确度要求 较高的计算机辅助分析中。 4 常见压缩装备存在的不足 目前使用比较广泛的压缩式垃圾车主要有后装刮板式垃圾压缩车、前装推板式垃圾 压缩车；垃圾中转站压缩设备主要有水平垃圾压缩机、垂直垃圾压缩机，还用一些小型 中转站也使用刮板式垃圾压缩机构。 后装压缩式垃圾车的装填机构庞大而复杂，这些沉重的机构都分布在车厢尾部，装 入的垃圾也主要聚集在车厢后半部，这些情况使汽车后桥的偏载现象明显。而在远离刮 6 广西大学硕士掌位论文 垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 板的车厢前部，垃圾的分布相对松散，甚至有的区域没有垃圾，也就使得垃圾分布不均 得现象严重。 前装压缩式垃圾车虽然不会出现汽车后桥的过载，但是推压机构占据了车厢的一定 空间，减小了车厢可以装载垃圾的空间。其采用有利于垃圾压缩的推压的方式，但垃圾 的装载量并没有明显提高。 在垃圾中转站的压缩装备方面，水平垃圾压缩机和垂直垃圾压缩机这两种压缩装备 的机构庞大，占地面积大。机器系统复杂，检修起来比较麻烦，维护费用也较高。目前 许多中小城市的垃圾中转站附近的空气质量都非常差，在这方面改进的可行方法是：加 强装置的密封性，并减少垃圾在转运与压缩过程中减少暴露在外面的时间，不断地改善 中转站的除臭工艺。此外，由于在总体上我国的垃圾压缩设备的制造技术尚有不足，某 些机构和部件还存在进一步改进和优化的空间。 刮板式压缩机，与其配套的大多是车厢可分离式垃圾转运车厢。垃圾运输过程中汽 车不必同时运载压缩装置，垃圾车可以减少大量的载重。由于该机构除了具有与后装压 缩车功能类似的破碎装置和提升装置外，里面还有一个压缩刮板，车厢内垃圾分布不均 的现象有所改善。但相对于水平压缩机，垃圾分布不均现象还是很明显。 1 4 主要研究内容 在总结前人研究成果的基础上，本论文将从以下几个方面展开： ( 1 ) 分析常见的压缩装置的特点及存在的缺点，比较几种常见的后装垃圾车后厢 锁紧机构，并针对其不足做出相应的改进；为提高垃圾车的压缩性能，在现有车型的基 础上创新出新的垃圾压缩车，并进行结构设计。改进水平垃圾车的锁紧机构，使其结构 简单、工作可靠。 ( 2 ) 针对后装垃圾车推板卸料机构油缸安装角以及推板折角存在的问题。通过对 推板分析，建立力学模型、目标函数与约束函数。运用仿真软件a d a m s 对推板机构进 行参数化建模与优化设计，从而找出合理的角度范围。 ( 3 ) 应用a d a m s 软件模拟滑动刮板式后装垃圾车的压缩过程，同时获得压缩装 置关键部件( 刮板) 的载荷信息。应用有限元分析软件a n s y s 对三种工况下的刮板进 行静力学分析，并对受力及变形最大的部位进行结构改进，使改进后的机构在极限工况 下满足使用要求。 7 广西大掌硕士掣q 赴论文 垃圾压缩书留的创新设计与结构分析 ( 4 ) 为避免和减少垃圾车在运动及工作过程中受到的振动影响，在a n s y s 中对后 装垃圾车的车架与厢体做了模态分析，为以后的结构优化设计提供依据。 8 , r - 西大学硕士掌位论文垃圾压缩机构的创新设引吐可结构分析 第二章垃圾压缩装备的创新与研究 2 1 城市生活垃圾压缩装备的发展 随着城市生活垃圾数量的不断增长，垃圾的运输费用也在不断的增加。相应地对垃 圾进行分类收集、压缩减容势在必行。根据我们这些年对国内外环卫作业系统及环卫车 辆的了解和分析，采用环卫车辆或设备进行城市垃圾收集、处理和转运大致经历了如下 三个发展阶段【2 7 之9 】： 2 1 1 自卸式垃圾车 图2 - 1 罾封式自卸垃圾军 f i g 2 - 1s e a l e dd u m pg a r b a g et r u c k 密封自卸式垃圾车( 图2 1 ) 一般采用手推车、三轮车或人工收集垃圾，利用有高低差 的平台将垃圾投入自卸车的车厢，或者采用标准垃圾桶，由垃圾桶提升翻转机构将垃圾 转入自装卸式垃圾车后再运往垃圾处理厂，最后由车厢举升系统提供动力倾卸垃圾。其 主要特点是直接收集转运，不经过压缩处理，操作简单，成本低。但同时也存在一些缺 点，如装填量比较小、装填密度较低，自动化程度不高，转运效率低，而且转运过程中 的洒落的污水还会造成二次污染等问题。因此，这类垃圾车大都出现在早期的大中型城 市，目前的中小城市及欠发达地区。 9 广西大曹明飒士学位论文垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 2 1 2 压缩式垃圾车 图2 2 后装压缩式垃圾车 f i g 2 - 2l o a d e da n dc o m p r e s s e dg a r b a g et r u c k 目前后装式压缩垃圾车的技术在国内已经趋于成熟，后装压缩垃圾车( 图2 2 ) 主要由 汽车底盘、车厢、压缩机构，卸料机构、液压系统等几大部分组成。后装垃圾车的主要 特点在于集收集、压缩、转运为一体；可适应各种不同的人工收集方式；液压、电气控 制系统使自动化程度提高；优化的车厢填装角度设计，可使垃圾最大压实密度达到 o 8 t m 3 ，装载量也较多；全封闭设计可以有效的杜绝二次污染等等。后装垃圾车将沿街 收集到的垃圾通过专门的翻转机构装载入尾部的装填厢中，然后通过压缩机构进行挤压 处理。其最大的优点在于可以沿街收集，穿梭于城市中装载、处理，然后直接运往填埋 场：也可以在固定的地方装载、压缩，装满后再装车转运，因此被广泛应用于国内各地 区的大、中、小城市。缺点是压缩效果不够明显，车型本身质量较大，效率相对较低。 2 1 3 生活垃圾中转站 虽然垃圾压缩车得到了广泛的应用，但是随着城市生活垃圾的不断增长，有限数量 的垃圾车已经不能满足垃圾压缩处理的要求，而增加垃圾车的数量势必会增加垃圾处理 的成本，同时会对城市交通产生一定的影响。因此，生活垃圾中转站作为连接垃圾产生 源头和末端处置系统的结合点，其作用也越来越明显。 l o 广西大掌硕士掌位论文捌l 圾压缩和勺的创新设计与结构分析 图2 - 3 垂直垃圾压缩中转站 f i g 2 - 3v e r t i c a lc o m p r e s s i o ng a r b a g et r a n s f e rs t a t i o n 国内外生活垃圾中转站形式多种多样，按照垃圾处理设备的工作原理、布置方式和 处理效果( 减容压实程度) 的不同，大致可以分为水平式垃圾压缩中转站与垂直垃圾压缩 中转站两类： 水平式垃圾中转站按照压缩形式的不同又可分为两种：一种是水平推压式垃圾压缩 机。垃圾收集后由小型收集车运到中转站，在卸料平台上将垃圾卸入垃圾压缩机的落料 槽。槽内垃圾被压缩机推头推入与压缩机对接的大型运输车的车厢( 集装箱) 内。随着厢 内垃圾量的不断增加，压缩机的推头往复对厢内垃圾形成压缩，从而提高厢内垃圾的密 度，达到垃圾的减容、压实，实现封闭、满载、大运量运行。此种形式中转站的特点是： 较好地实现了封闭、压缩的工艺；设备工作可靠，配置合理，生产效率较高；对环境的 影响较小，因此已被广泛应用。 另一种是刮板式垃圾压缩机。其主要部件包括：扫刮和破碎装置、提升装置和挤压 装置。与后装压缩车压缩装置相同的是都使用刮板扫刮和破碎垃圾，不同的是在刮板提 升到后，压缩机内部还布置了一个挤压刮板，用来将垃圾向车厢内部推压，从而实现了 二次挤压。作业完毕后由拉臂车或由专门的车厢提升机构将车厢装车，运送至填埋厂。 因为挤压刮板对垃圾具有二次压缩的作用，因此该压缩机在一定程度上比后装压缩车的 压缩效果好，使车厢内垃圾分布更紧凑。但相对于推压式的压缩装备，该压缩机还是不 具优势。 垂直垃圾中转站也称压实装箱式中转站，例如南宁金浦中转站。小型收集车将垃圾 卸入中转站内的垃圾槽中。通过垃圾压实机沿垂直方向对压缩腔内垃圾进行压缩减容处 理，使其逐渐成形( 块) ，这种形式的压缩比可达到3 ：l 。最后由推出机构将整个垃圾块推 l l 广西大掌硕士曹q 立论文垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 入大型垃圾厢，最后运往处置厂( 场) 。该形式中转站的特点是：垃圾压实减容效果好， 污染小，但是机构复杂、造价高，运营费高，对混合垃圾的适应性差。 图2 4 生活垃圾处理方式 f i g 2 - 4m o d eo fp r o c e s s i n gm s w 2 2 后装压缩式垃圾车的研究 2 2 1 后装压缩式垃圾车结构组成 后装压缩式垃圾车是在汽车二类底盘上改装而成，它主要由汽车底盘、车厢、压缩 厢、车厢举升机构、后厢锁紧机构、垃圾桶翻转机及推卸机构等组成，主要用于收集、压 缩、转运城市生活垃圾。车厢固定在底盘车架上，装填厢位于车厢后部，上端与车厢铰接。 垃圾倒入装填厢内，并由压缩机构进行压缩，将垃圾一次次推入车厢并不断挤压。车厢 前端备有卸料机构。倾斜垃圾时，举升油缸将装填厢推起，卸料油缸驱动推板由前向后 运动将垃圾推出车厢。 2 2 2 后装垃圾车压缩机构的分析 到目前为止，已经研究开发和使用的压缩机构可分为五种形式：滑动刮板式、摆动 刮板式、滑动一摆动刮板式、连杆刮板式、定轴转动刮板式p o l 。 一般认为，机构的运动件数、自由度数较多及装填箱底板轨迹较复杂的机构为复杂 机构。从表2 1 可以看出，滑动摆动刮板机构的构造最复杂，而转动刮板式的构造较 1 2 垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 简单。 理想的装载压缩机构应具备优良的装载性能，结构简单，工作可靠，适应性强及单 次装载量大等优点，通过对五种机构型式的综合分析评价，结果见表2 2 。根据综合评 价结果、经济性和实际使用情况等，我们选择滑动刮板式压缩机构作为课题研究的对象。 表2 1 各机构结构特征表 t a b2 1c h a r a c t e r i s t i c so f e a c hi n s t i t u t i o ns t r u c t u r e 表2 2 机构综合评价表 t a b2 - 2v a l u a t i o no fo r g a n i z a t i o nf u n c t i o n 通过以上分析可以看出，从经济性和实用性来讲，滑动刮板式压缩机构结构灵活， 工作可靠，压缩性能也相对较好，因此使用较为广泛。 2 2 3 后装垃圾车的受力分析 现以常用的滑动刮板式后装垃圾车为例，分析垃圾在装填挤压过程中的受力情况。 如图2 5 所示，在滑板挤压力e 的作用下，刮板提升垃圾向斜上方运动， 经过反复地 提升，车厢内的垃圾相互之间不断挤压，并使一部分垃圾向车厢前部、上部移动，经过 数次运动后逐渐使垃圾填满整个车厢，并使被压垃圾之间产生膨胀力作用。 1 3 广西大学硕士掌位论文垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 图2 - 5 压缩机构受力分析图 f i g 2 - 5f o r c i n ga n a l y s i so fc o m p r e s s i o nm e c h a n i s m s 垃圾由于被压缩产生的膨胀力最终作用于车厢壁面，因此产生一个阻碍垃圾流动的 摩擦力t ，乃。的方向与垃圾移动的方向相反，其大小为： 乃l = f p s l x ( 2 - 1 ) 式中： s 车厢横截面内壁周长( m ) ； 厂垃圾与壁面的综合摩擦因数； 石图示的推进长度( m ) ； p 垃圾的单位膨胀力( n m 2 ) 。 阻碍垃圾运动的另外一个阻力是由垃圾的重力引起的摩擦力，记作哆：，则有： 哆2 = f p g s 2 x h ( 2 - 2 ) 式中：& 近似取车厢的宽度( m ) ； p 垃圾的计算密度( k g m3 ) ； 办车厢高度( m ) 。 由于后装垃圾车的卸料推板再推出垃圾后并没有收回，而是存在一定的背压力， 对垃圾的移动同样具有阻碍作用。因此，若要向前推进垃圾，根据力的平衡原理， 必须满足下列条件： 1 4 垃圾压缩机构的创新设计与结构分析 即： e l 目= 五c o s t l + 2 + 乃l + 0 2 + 一f ( p s , + j o g s 2 h ) x + 咯 c o s 口c o s 口 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 当结构尺寸确定之后，s ，、s ：和h 是已知的，但厂、p 、p 随压缩程度、垃圾成分 的不同而有所变化，因此我们很难确定它们的具体数据。通过试验以及之前学者的研究， 推荐f ( p s l + p g s 2 h ) = 3 0 k n m 。 因此 设 f u - 3 0 x + r 背 c o s 口 x 眦2 l ( 2 5 ) 则k ：旦l + 量( 2 6 ) 式中：i 广_ 椎板的行