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青岛科技大学研究生学位论文 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 摘要 垃圾中转是城市生活垃圾处理过程中的一个关键环节，垃圾压块机则是垃圾中 转站中对生活垃圾进行压缩减容处理的重要设备。本课题以平台式垃圾压块机为研 究对象，旨在对老旧结构进行改良，同时对设备的液压系统和电气控制系统进行设 计，增强整体设备的实用性和自动化水平。不仅提高了垃圾运转效率，降低了劳动成 本，而且能够避免垃圾运输中的二次污染，保护环境。 本课题主要解决三个方面的问题，即垃圾压块机整体结构的优化设计、液压控 制系统的设计和电气控制系统的设计。 机械结构设计部分，针对现有垃圾压块机上料困难、压缩不彻底、后期难清理 等问题对其结构进行优化设计，确定垃圾压块机为平台式结构，采用垂直式压缩。 此外，在此结构的基础上对各组成部分进行受力分析和应力校核，确保结构的准确 性和实用性。 液压系统设计部分，根据垃圾压块机的工作情况，分析动作需求，确定液压回 路，完成液压系统的设计并绘制液压原理图。同时对液压系统的主要元件以及相关 辅件进行选型计算和校核。 电气控制系统设计部分，采用p l c 作为控制器，完成垃圾压块机控制系统设计及 系统调试。主要包括确定系统的电气硬件组成方案，绘制电气控制电路图，对主要 的电气元件进行选型：完成p l c 的选型、i o 地址分配等硬件设计：编制系统流程图 及梯形图，并对程序编译及调试。经过调试后，程序达到了预定的控制要求。 此外，在上位机中利用组态软件w i n c c 开发出友好的用户监控界面。在w i n c c 平 台下将设备运行参数以实时记录，更好地反映系统的运行情况以及监测系统的运行 状态，为设备维护和生产管理提供实时、可靠的决策依据。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：垃圾压块机液压系统p l c 控制w i n c c 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 i i 青岛科技大学研究生学位论文 t h ed e s i g na n ds t u d yo fs t r u c t u r e a n dc o n t r o ls y s t e mf o rp l a t f o r m g a r b a g ec o m p r e s s o r a b s t r a c t 1 1 1 et r a n s f e ro fg a r b a g ei sak e yl i n ki nt h e p r o c e s so fg a r b a g ed i s p o s a l t h eg a r b a g e c o m p r e s s o ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tt h a ti su s e df o rc o m p r e s sg a r b a g et or e d u c et h e q u a l i t yo fh o u s e h o l dg a r b a g ei nt h eg a r b a g et r a n s f e rs t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e d t oas t u d yo ft h ep l a t f o r mg a r b a g ec o m p r e s s o r , a i m e da ti m p r o v i n gt h ed e s i g no fo l d s 仃u c t u r e a n dd e s i g n i n gt h eh y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r o n i cs y s t e mo ft h ee q u i p m e n t i t n o to n l yi m p r o v e st h eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c ya n dt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o n ，r e d u c e st h e l a b o rc o s t s ，b u ta l s oa v o i d ss e c o n d a r yp o l l u t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so ft h et r a n s p o r t a t i o no f g a r b a g ea n dp r o t e c t se n v i r o n m e n t t h e r ea r em a i n l yt h r e ei s s u e sd o n ei nt h i s d i s s e r t a t i o n ，i n c l u d i n gm a k ea n i m p r o v e m e n to nt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ee q u i p m e n ta n dc o m p l e t et h ed e s i g no f h y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r o n i cs y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa l ea sf o l l o w s i nt h es e c t i o no ft h ed e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m s e x i s t i n g i nt h ep r e s e n t g a r b a g ec o m p r e s s o r , s u c h a s f e e d i n gd i f f i c u l t i e s ，p a n i a l c o m p r e s s i o na n dd i f f i c u l tt oc l e a nu p ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ew a si m p r o v e dt ob e p l a t f o r mt y p ea n dv e r t i c a lc o m p r e s s i o ns t l l l c t l l r e m o r e o v e r , f o r c ea n a l y s i sa n ds t r e s s c h e c k i n gw e r em a d e t oe n s u r et h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h es t l l j c t u r e i nt h es e c t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ew o r kp r i n c i p l eo fg a r b a g e c o m p r e s s o r , w ea n a l y s i s e dt h ea c t i o nr e q u e s t ，c h o s et h eh y d r a u l i cc i r c u i t ，c o m p l e t e dt h e d e s i g no ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，d r e wh y d r a u l i cs c h e m a t i c s a tt h es a m et i m e ，w e c a l c u l a t e da n dc h e c k e dt h ec o m p o n e n t sa n dr e l a t e da c c e s s o r i e so fh y d r a u l i cs y s t e m i nt h es e c t i o no fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，c o m p l e t e dt h ed e s i g no fc o n t r o l - s y s t e m a n dt h ed e b u g g i n gb yu s i n gp l ca st h ec o n t r o l l e r d e t e r m i n e dt h ee l e c t r i c a lh a r d w a r eo f t h es y s t e m ，d r e wt h ee l e c t r i c a lc o n t r o lc i r c u i t ，a n dc o m p l e t e dt h ed e s i g no fe l e c t r i c a l 1 1 1 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 c o n t r o ls y s t e m s e l e c t e dt h em a i nd e c t f i c a lc o m p o n e n t s ，c o m p l e t e dt h es e l e c t i o no fp l c a n di 0a d d r e s s a s s i g n m e n t p r o g r a m m e dt h es y s t e r nf l o w c h a r ta n dl a d d e rc h a r t , c o m p i l e da n dd e b u g g e df o rt h ep r o g r a m a f t e rd e b u g g i n g ，t h ep r o g r a ma c h i e v e dt h e p r e d e t e r m i n e dc o n t r o lr e q u i r e m e n t i nt h ee n d ，w ed e v e l o p e dt h ef r i e n d l yr e a l t i m e d i s p l a y i n gw i n d o w sb yu s i n g c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c ci nt h es u p e rc o m p u t e r b a s e do nt h ew i n c cp l a t f o r m ，t h e s y s t e mc a nr e 百s t e r e rt h er e a l - t i m ep a r a m e t e r so fe q u i p m e n t i ti sb e t t e rt or e f l e c tt h e o p e r a t i o n a ls t a t u so ft h es y s t e ma n dm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dp r o v i d et h eb a s i so fr e a l t i m e a n dr e l i a b l ed e c i s i o nf o re q u i p m e n tm a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：g a r b a g ec o m p r e s s o r ；h y d r a u l i cs y s t e m ；p l c ；w i n c c i v 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题研究背景 1 绪论 1 1 1 我国城市生活垃圾现状 进入二十一世纪，随着城市人e l 的急剧增长、城市规模的不断扩大、人民生活 水平的提高，使得城市生活垃圾日益暴增，由此引发的环境污染和人们向往优美环 境之间的矛盾也日趋严重。城市内生活垃圾是人类在生活中不可避免的废弃物，主 要由厨房废弃物、废纸、废旧物品以及日常废旧物品组成，同时，这些垃圾又受生 活水平、区域环境、气候变化等多因素的影响。虽然生活垃圾有其可资源化的一面， 但迄今为止，我国绝大多数城市生活垃圾利用率较低，大多仍以露天堆放为主。 据统计，我国城市生活垃圾人均年生产4 4 0 k g ( 已高于一些欧美国家的人均垃 圾产生量) ，全国生活垃圾年产量已达2 亿吨，占世界垃圾总产量的2 6 5 ，并且 以8 一9 的速率增长，垃圾累计堆存量达6 5 亿吨，侵占土地约5 亿m 2 ，全国有二 百多座城市陷入垃圾包围之中。与此同时，全国每年固体废物造成的经济损失以及 可利用而未充分利用的废物资源价值约达3 0 0 亿元人民币。 长期以来，我国绝大部分城市采用露天堆放、填埋的方式消纳城市垃圾，对土 壤、地下水、大气等均造成现实的影响和潜在的危害，生活垃圾无害化处理率不到 2 0 ，高效的城市垃圾处理己变的刻不容缓乜1 。 如何及时、方便地收集、转运、处理生活垃圾己引起全国各级环卫部门的高度 重视，立足于当今现实状况，切实、稳妥地解决生活垃圾处理问题是一种必然趋势。 1 1 2 城市生活垃圾分类 城市垃圾主要包括生活垃圾、建筑垃圾、清扫垃圾、电子垃圾和医疗垃圾等。 我国地域辽阔，南北温差大，东西经济发展不平衡，燃料结构差别大，因此我国的 垃圾成分随着地域不同、季节不同差异很大。但总的来说垃圾中有机物成分在不断 增加，如：大型城市垃圾中有机物接近5 0 ，中型城市垃圾中有机物为3 0 - 4 0 ；而 无机物的成分在减少，大型城市垃圾中无机物所占比例为3 0 - 4 0 ，中等城市垃圾 中无机物为5 0 一6 0 ；垃圾成分的不同必然决定了垃圾处理的方法也不同。表1 - 1 列举了我国一些城市生活垃圾的成分。 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 表1 - 1 城市生活垃圾成分 t a b l e1 - 1t h ec o m p o s i t i o no f m u n i c i p a ld o m e s t i cw a s t e 城市名称有机物含量( )无机物含量( )其他物含量( ) 北京5 0 1 8 4 2 1 87 6 4 上海 5 7 4 5 3 5 9 1 2 6 6 4 广州 5 4 4 53 0 1 51 5 4 0 深圳6 1 0 02 2 0 01 7 0 0 杭州 5 1 o o4 2 2 3 6 7 7 武汉 5 0 7 34 9 3 | 桂林3 4 6 45 2 1 67 3 2 9 成都5 2 1 41 4 8 73 3 0 9 德阳7 7 8 11 5 8 06 3 9 乐山3 1 0 76 1 0 57 7 3 常州 4 2 0 04 5 0 0 1 3 0 0 1 1 3 现有垃圾收运系统及方式 当前的生活垃圾收运系统主要是由收集环节、运输环节和中转环节三个部分组 成曙1 ，其中收集环节和运输环节是每个收运系统不可缺少的，而中转环节则需要根 据垃圾从产生源到处理地点之间的距离、垃圾运输车的运输能力以及产生的垃圾量 来确定。 一般的垃圾收运系统可以表示成如图卜1 所示的形式，其中中转可能是一次， 也可以有多次。 图卜1 垃圾收运系统示意图 f i g u r e1 - 1g a r b a g er e m o v a ls y s t e md i a g r a m 我国多数城市( 医院垃圾除外) 大都采用混合式收集方法进行垃圾收集。所采用 的收集方法和相关设备主要有以下几种方式：固定垃圾箱、利用垃圾储存收集：活动 垃圾箱、利用垃圾台收集；利用垃圾桶收集；利用塑料袋收集；利用密闭集装箱收 集；利用地面建立的垃圾站收集； 无论采用以上何种方式都不可避免的存在着一个共同问题：垃圾严重暴露，密封 2 青岛科技大学研究生学位论文 性差、污染环境，刺鼻的气体严重影响人们的身体健康。尤其是混合垃圾，其中还有 大量灰土，当垃圾装车时导致尘土飞扬，产生十分严重的二次污染。此外，运用混合收 集的垃圾收集方式，可导致某些可回收废弃物也一同进入城市垃圾里，增加了垃圾收 集量的同时也加大了垃圾处理难度。另外，因此耗费了大量人力物力，十分不利于垃 圾处理和资源化利用。 目前我国主要使用的垃圾收集方式有两种1 ： 1 车辆流动式收集( 也称为无站式收集) 车辆流动式收集是指利用垃圾收集车辆对分散在各垃圾回收点的垃圾进行回收 的一种方法，收集到的垃圾会直接或者经中转后运送到垃圾处理场( 厂) 。 这种垃圾收集方法比较适用于人口密度低的中小城市。其显著特点是灵活性强， 垃圾的回收点可以根据实际情况随时变更，但也存在一定的不足之处，如车辆需到 各个收集点进行垃圾回收，对回收点的周边环境会造成一定的影响。 2 收集站收集 收集站收集( 也称小型中转站) 是利用建立固定站点在垃圾产生区域从而进行 垃圾回收的一种办法。通常来说，产生的垃圾运送到收集站，收集站中安装有将垃 圾从小车向运输车集装厢体转移的设施。此方式比较适用于人口密度较高、区域内 道路较狭窄的城区内，另外一些对噪声等污染有一定控制要求或者垃圾进行分类收 集的地区也可以采用这种收集方式。 一般来说收集站收集的基本流程如图1 - 2 所示： 图卜2 收集站的一般流程 f i g u r e1 - 2t h eg e n e r a lp r o c e s so fc o l l e c t i o ns t a t i o n 收运系统的前一个环节是垃圾的产生来源，如居民小区、单位、餐馆等，合理 的收运系统应该是有利于垃圾的运输转移，同时又要卫生、方便、省时省力。另外， 垃圾收运系统的好坏对环境有很大影响。在垃圾收运过程中应严格避免包括垃圾的 二次污染( 例如运输途中垃圾的散落、污水的泄漏等方面) 、嗅觉污染( 例如散发 大量刺鼻气体等) 、噪声污染和视觉污染等。 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 因此合理实用的垃圾收运系统应最大限度地降低劳动强度，改善劳动条件，充 分采用技术使其具有较高的机械化、自动化和智能化程度。 1 1 4 当前城市生活垃圾处理技术 我国常用的垃圾处理技术有填埋、堆肥和焚烧，其它形式具有资源化、能源化 的处理技术也在迅速发展。虽然我国目前的城市垃圾处理率已经达到5 8 2 ，但无 害化处理率却只占2 0 左右，大部分的生活垃圾都是采用卫生填埋的方式。经统计， 目前我国采用填埋方式进行城市垃圾处理大约占全部处理量的7 0 以上，其次是高 温堆肥，约占2 0 以上，采用焚烧方法仍比较少。 鉴于垃圾成份的多样化，没有一种处理工艺能对所有的垃圾达到最佳的处理效 果，因此综合处理仍是目前最为推崇的处理办法。 现将填埋、堆肥、焚烧及综合处理等技术简单介绍如下： 填埋技术：是现阶段我国垃圾处理的主要方式。大多数垃圾填埋方式都是简易 填埋，忽视了处理中的环境管理。而且填埋式的垃圾处理占地面积大，选择合适场 地困难；并且随着环保标准的提高，其初期投资和填埋运费越来越高；还有操作现 场污染严重，处理时间较长，存在一定的隐患。因此垃圾填埋只能是最终处理。 堆肥技术：是指在有控制的条件下，利用微生物对垃圾中的有机物进行分解转化处 理后，制作成肥料的处理方法。这种处理方法对垃圾中的部分组分进行了资源利用。 目前食物垃圾约占生活总量的1 3 。食物垃圾和谋些有机垃圾具有易分解、产量大、 容易污染环境的特点，对它们进行集中处理，如堆肥等，可以大量减少垃圾污染， 而且将它们与其他的垃圾分开，也方便垃圾分类，从而方便了城市生活垃圾的处理。 但堆肥容易渗透到地下，造成地下水污染，而且如果发酵不成熟堆肥效果也不理想： 此外，堆肥会产生大量甲烷，如果处理不好则可能引发爆炸。 焚烧技术：垃圾经过焚烧，产生高温烟气进入余热锅炉产生蒸汽，然后进入汽 轮发电机发电。但焚烧技术对垃圾进行减容、减量及无害化程度都很高，而且易产 生局部大气污染。 资源化综合处理：由于城市生活垃圾的成分很复杂，采用单一的方式处理垃圾， 垃圾往往不能得到充分处理，易形成二次污染。垃圾的资源化综合处理则是针对垃 圾内的不同物质，分别采用不同的方法进行处理，该方法的缺点是对垃圾实现充分 分选比较困难。 通过表卜2 将各种处理技术简单进行比较： 4 青岛科技大学研究生学位论文 表1 - 2 几种城市生活垃圾处理技术 t a b l e1 - 2s e v e r a lm u n i c i p a ld o m e s t i cw a s t ed i s p o s a lt e c h n o l o g y 方法 卫生填埋焚烧堆肥 资源化 指标 投资( 万元t )2 0 - 3 0 ( 2 0 年) 4 0 - 6 52 5 - 3 51 5 - 2 5 经济处理规模任何 1 0 0 0 t d 5 0 1 5 0t d 5 0 t d 投资风险低中等较高 低 对垃圾的要求无要求 热值 4 0 0 0 5 0 0 0k j k g 有机物含量高 无要求 二次污染 渗滤液( 可治理)烟气( 可治理)重金属( 潜在)无 环境效益低较好 由 好 关键问题 资金投入大，电力并网难市场认可肥料推广 1 1 5 垃圾处理中存在的问题 经过实地考察，现在环卫部门对垃圾的清运工作，远远不能够满足垃圾处理的 要求，同时大部分现有的垃圾处理场的数量和规模也远远不能适应城市垃圾增长的 要求，大部分的垃圾仍然露天集中堆放于中转站内，对周围环境的即时和潜在危害 很大，存在的问题十分严重，主要表现在巧1 ： 1 由于没有先进的设备和处理的不及时，导致侵占大量土地，对农田破坏严重。 2 严重污染空气。露天堆放的垃圾经常产生难闻的异味和大量的污水，蚊蝇孽 生，并且有大量的氨、硫化物等污染物向大气释放。 3 严重污染水体。 4 由于垃圾的松散和密封不好会在运输过程中产生大量的洒落，对垃圾的处理 不够完善，产生二次污染，很大程度上影响到城市的环境。 5 自动化程度差，工人的劳动量较大。 6 在操作过程中，存在着较大的安全隐患。 7 在垃圾处理过程中，会产生很大的噪音，同样造成污染。 1 1 6 垃圾压块机的研究意义 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，我国城市垃圾的各 组分比重不断发生变化。以北京市为例，见表1 - 3 。 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 表1 - 3 北京市1 9 8 9 年和2 0 0 0 年生活垃圾组成( ) t a b l e1 - 3d o m e s t i cw a s t ec o m p o s i t i o no f b e i j i n gi n1 9 8 9a n d2 0 0 0 ( p e r c e n t ) 年份食品塑料砖瓦木竹玻璃纸类织物灰土金属其他 1 9 8 93 2 61 8 84 7 91 1 73 7 96 0 41 7 44 7 20 7 60 2 0 2 0 0 0 4 4 2 1 3 60 8 87 4 76 3 41 4 39 5 82 0 21 1 7o 5 0 通过比较1 9 8 9 年和2 0 0 0 年各垃圾组分占垃圾总量的比重变化可以看出，城市 生活垃圾的成份发生了很大改变：灰土、砖瓦等比重高，不易压缩的成分呈明显下 降趋势，而塑料、废纸、织物、食品、木竹等比重偏低，压缩系数较高的成分所占 比例明显升高。这样就容易造成亏载，导致垃圾转运效率低下。 此外，城市近郊可利用来填埋垃圾的场地越来越少，人们不得不考虑在远离市 区的郊区建立垃圾处理场所哺1 。据统计，国内一些大城市的垃圾处理厂距离市区均 在5 0 k m 以上，一般来说普通的垃圾收运车较小，都不易进行远途运输，再加上日益 高涨的油价，采用运输车运输会造成运输费用的大幅上涨。此外城市交通道路对垃 圾车的限制也导致垃圾车运输的局限性。2 0 0 0 年，建设部城市垃圾转运站设计规 范第2 2 5 条规定：当垃圾运输的距离超过2 0 k m 时，应相应建立大、中型垃圾中 转站。垃圾压块机作为垃圾中转站的一个重要环节，它可以很好地解决垃圾运输中 存在的亏载问题。，更有效地提高垃圾运载效率，降低垃圾转运频率，节省垃圾运 输费用，改善交通拥挤状况等，为垃圾处理带来了较好的经济效益和显著的社会效 益，因此研究垃圾压块机十分必要。 总的来说，垃圾中转站主要功能就是对大量垃圾进行中转运输。中转站中将小 吨位的车辆转换为大型的集装箱运输车，同时提高垃圾的装载密度，进而提高运输 效率，减轻交通压力，降低运输过程中的环境污染。此外，在某些有条件地区，垃 圾中转站还可以对收集到的垃圾进行分拣或者筛分等预处理。 1 2 国内外垃圾处理状况及垃圾压块机的研究现状 1 2 1 国外垃圾处理状况 由于经济的发展水平的不同和垃圾成分的差异，不同国家所使用的垃圾处理方 法也各不一样，从而导致各国采用垃圾收运方式也相应不同。发达国家很早便开始 思考垃圾如何减量、如何提高垃圾回收利用率等问题。如芬兰在垃圾分类和回收、 垃圾减量等方面就做得比较突出阳3 ，其垃圾收运设备大多是废品分类型回收站，周 边地区的居民可以根据回收站的垃圾分类标示牌，将垃圾投放进相应的回收箱内。 而如美国等机械化水平较高的国家阳1 ，大量将机械自动化应用于垃圾收集清理的过 6 青岛科技大学研究生学位论文 程。通常都是由垃圾回收车直接将收集清扫到的垃圾直接运往各个垃圾处理厂然后 进行处理，有的城市甚至建立了城市管道真空收集系统或者大型的垃圾转运站，其 特点是封闭性较好，对周边环境无污染，自动化程度很高，大大减轻了工人操作时 的劳动强度，但因其前期投资大，运行费用高等问题，我国暂时还不能借鉴实施。 总的来说，目前国内外大量进行的城市生活垃圾处理方式主要也是卫生填埋、 高温堆肥和焚烧等。但考虑到各个城市垃圾成分复杂，同时也受到经济发展水平、 环境结构、自然状况和传统习惯等多因素的影响，国外一般都是随各国国情的不同 进行垃圾处理，没有统一的模式，但都是以无害化、资源化、减量化作为处理的最 终目标。从应用技术上来看，国外主要也是运用填埋、焚烧、堆肥、综合利用等方 式，但其机械化程度很高，而且已经形成自己的系统并配备了成套的设备。结合国 外多种处理方式，目前垃圾处理的方式有以下趋势：( 1 ) 由于能源、土地资源的日 益紧张，工业发达国家逐渐多的采用焚烧处理；( 2 ) 垃圾填埋处理作为城市垃圾的 最终处理手段仍占有很大比例；( 3 ) 以农业型为主的发展中国家大多数采用堆肥的 方式：( 4 ) 各国都在不断探索新技术，如热解法、填海法、堆山造景等技术，都取 得了不错的进步。 1 2 2 国内垃圾处理状况 我国城市垃圾的处理属于起步较晚国家，截止到1 9 9 2 年底，全国的垃圾清运数 量达到了1 1 2 6 4 万吨，而配套的垃圾处理厂却仅有3 7 1 座，日处理垃圾总能力为7 1 5 0 1 吨，远远不能满足处理需求。近几年来，全国各地都根据实际情况对城市垃圾处理 技术进行不断探索。杭州、北京、武汉等多个城市自行设计建设了符合中国国情的 垃圾机械化堆肥处理生产线；深圳、乐山等城市也成功建设垃圾焚烧厂：沈阳、鞍 山等城市对各医院产出垃圾进行统一管理，集中焚烧，在垃圾处理方面也进行了创 新m 1 。 目前我国的环卫装备水平远远不能满足城市发展的需求，在环卫装备技术方面 的研究也仍处于初期阶段。在我国现在应用较多的还是中小型的垃圾中转设备。但 随着我国城市垃圾的产量逐年大幅增加，及时并且方便的进行收集、储存、运输生 活垃圾引起高度重视，而城市生活垃圾中转设备的研制与改进也显得十分重要。通 过垃圾转运站不仅能够实现垃圾运输的完全封闭化，而且也可以提高长途经济性运 输，减少车流量。近几年来，垃圾中转装置已逐步成为重要的城市环卫设施。 1 2 3 国内外垃圾压块机的研究现状 国外在垃圾中转设备研制方面进行的比较早，目前已经开发出了各种形式的垃 圾中转站垃圾压块机，并且技术成熟。例如早在1 9 8 6 年，日本三菱重工株式会社帮 助新加坡建造出了世界上第一座日处理量为1 5 0 0 吨的垃圾中转站1 ，其后，欧洲和 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 亚洲多个国家相继建成了多座大型垃圾转运站。 近年来，我国垃圾收运机械已有了较大发展n 引，有些城市垃圾已做到了密闭运 输。为了实行对垃圾进行压缩后运输，逐步采用了垃圾压块机、压缩式垃圾车、压 缩式集装箱、垃圾站等设备。随着城市的发展，垃圾处理场( 厂) 离城市越来越远， 为节省运输费用，北京、厦门、天津等城市已率先建设了大型的垃圾转运站。但是 经调查发现，我国目前环卫装备的整体水平还远不能满足城市发展的需求。 国内也有部分城市在积极探索垃圾压块机的研发，多以引进外国的设备，自己 加以模仿改造而成，有的已取得了较好的使用效果。但是引进外国设备价格较高u 引， 加上国内外的垃圾特性差异较大，不完全适合国内的需求，为此研发适合我国国情 的垃圾压块机将带来较高的社会效益和经济效益。同时大力推广垃圾压缩式今后环 卫设备行业的一种发展趋势，也是丌发新产品的一个热点。 表1 - 4 中所示的是几种不同的垃圾压块机及其主要特点h ”： 表1 - 4 几种典型的压块机( 中转站) 及主要特点 t a b l e1 - 4s e v e r a lt y p i c a lk i n d so fg a r b a g ec o m p r e s s o r ( t r a n s f e rs t a t i o n ) a n dt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c s 压缩机参考图片 主要特点 t a y l 0 0 型压块 圈 1 适用于生活小区、校园、厂矿、机场等生活垃 豳- 圾的收集。 机( 中转站) 处理能力：配套中转车：5 吨拉臂车 8 一爨髓e适用于适用垃圾小车进行垃圾收集时的垃圾 霹擎 甏i i 槲“罐 t 、 舔蠹 t a y 一2 a 型压块 l1 4 蘩酒。 一 雪 i 机( 中转站) m 鞴露图繇戳虢盖套5 吨中转车 2 气b 盘 旧式中转站的改造。 t b g l 2 5 型压块 处理能力：配套中转车：5 吨箱体可卸式自 机( 中转站) l卸垃圾车 ” 淫 专利后翻斗，适用于较大垃圾收集车的倾倒。 t c y l 6 0 型压块 鲞再 处理能力：配套中转车：8 吨拉臂车或专用 机( 中转站) 中转车。 青岛科技大学研究生学位论文 站主要有三种n ：分别是翻斗式地平式中转站，吊装式垃圾站和高位倒斜式中转站， 但都存在着一定的问题：翻斗式地平式中转站主要采用翻斗加料装置，在倾倒垃圾 的过程中极易出现二次污染，而且由于存在无高度落差，倒料时会存有大量的残留 垃圾；高位倒料式中转站需建造约2 层的平台来倾倒垃圾，此外在提升高度的同时还 需要为垃圾运输车修建引道，从而导致建筑费用增加；而吊装式垃圾站则直接采用 吊装，并未对垃圾进行相应压缩，从而导致垃圾转运效率较低，反而运费提升。总 的来说，现有垃圾压块机主要存在如下一些缺点： 1 作业时工作面未封闭，手工操作与自动控制相混合，自动化程度低，容易产 生操作人员的失误。 2 垃圾压块机设备功能相对简单，并且体积庞大，整机结构的安全系数偏低。 3 基建成本费用偏高，要求复杂，不易于清洗 4 垃圾压块机设备运行时产生的噪音较大，且操作人员需近距离接触垃圾，工 作环境差。 因此，研发一种工作可靠性高、性能优良的城市生活垃圾压缩中转站成为必要。 1 4 课题研究意义 我国是人口大国，随着人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾的成分也越来 越复杂，加大了垃圾处理的难度，现有的垃圾处理技术己逐渐不能适应产量日益增 长与成分不断复杂化的垃圾处理的需要，因此，为减轻垃圾处理难度，垃圾处理急 需一场革命性的变化。我国已相继颁布了一些有关垃圾分类收运和处理的政策，北 京、上海、广州等地的部分地区已对垃圾实行分类收集。随着公众的环境保护和环 境卫生意识不断提高，政府对此的力度不断加大，国家相关政策法规的相继出台， 对机械化、自动化、智能化的垃圾处理设备需求会越来越高。 基于此背景，本课题的研究意义也应运而生： 1 掌握一批先进的设计理论、设计与试验方法，为垂直垃圾压块机的方案设计、 参数选择、仿真分析等提供科学的依据； 2 提出具有一定实用价值的相关理论，推动我国机械化、自动化、智能化的垂 直垃圾压块机的发展； 3 产生良好的社会和经济效益，为我国的环保事业做出一定的贡献。 1 5 本文主要研究内容 在总结了前人工作的基础上，本文针对现有普通垃圾压块机中存在的各种问题， 进行分析与研究，同时结合我国国情，研究出实用性较强、自动化程度高的新型垃 9 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 圾压块机，方便使用于环卫工程中。 1 分析确定垃圾压块机的工作环境，根据其实际工作要求，对垃圾压块机整机 结构进行设计； 2 确定垃圾压块机控制系统的设计目标，提出平台式垃圾压块机液压控制系统 的工作步骤及方法。对可行性方案经行分析比较，优选出液压系统的最佳方案。 3 根据现有的设计理论、试验方法，改进垃圾压块机的方案设计，并根据要求 进行参数选择； 4 对液压系统的液压缸进行设计和计算，做出合理的液压原理图： 5 详细分析垃圾压块机的运动步骤，对其进行相应的p l c 编程，通过计算机自动 控制机构的各项动作； 6 为增强平台式垃圾中转装置的适用性，运用w i n c c 软件完成对垃圾压块机液压 控制系统控制画面设计以及功能模块划分，针对其设计要求及与后续环节的配合性， 对主要模块及相关部分进行创新性设计。 1 6 新型平台式垃圾压块机的发展前景 2 0 0 0 年6 月建设部、国家环境保护总局、科学技术部联合发文要求u6 。：“积极 开展垃圾分类收集，垃圾收集和运输应密闭化，防止暴露、散落和地漏，鼓励采用 压缩式垃圾收集处理和运输方式，尽快淘汰敞开式收集和运输方式。” 同时对我国城市生活垃圾调查表明：城市生活垃圾中的塑料制品含量增长最快。 而根据我国垃圾混合收集、成份复杂，氮、磷、钾含量低( 5 ) ，可利用价值不大 的特点，我国大多数城市生活垃圾处理的适宜技术仍然是卫生填埋技术。再者，无 论是焚烧还是堆肥，都有1 0 - 5 0 的残余物需要填埋，这就决定了在最近几年内卫 生填埋还是垃圾处理的主要方式。垃圾转运又是卫生填埋技术中的必然环节，因此， 如何改善垃圾转运状况( 包括各种中转设备) 是我们当前的一个主要课题。 然而，现有的中转设备中存在着二次污染较严重、运输车装运费用高、有一定 的安全隐患等一系列的问题，为解决这些问题，我们进行设计垃圾集中封闭压缩转 运设备，用以改善垃圾中转站周边的环境，节省运输成本，提高操作安全性等。 结合我国城市垃圾收集及垃圾处理的实际状况，设计开发了这种既经济又实用， 自动化程度高，易于操作的平台式垂直垃圾压块机。 平台式垃圾压块机的机械设计和控制过程研究将在后续章节中进行详细介绍。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 2 平台式垃圾压块机的整体结构设计 2 1 垃圾中转站的形式 目前城市生活垃圾量不断增加，进行生活垃圾压缩转运是势在必行的。在垃圾 处理过程中垃圾中转站的作用也越来越明显。因此建立区域性、有一定规模的生活 垃圾中转站十分必要【1 7 】0 由于垃圾中转站内的垃圾处理设备工作原理各不相同，其 减容压实的效果也不同，主要可以分为以下几种形式： 1 直接转运式 二十世纪八、九十年代我国建造的垃圾中转站大多属于这种形式。垃圾收集后 由人力收集车、小型收运车运。此形式的垃圾中转站工艺流程较为简单，而且基本 没有专用的中转垃圾处理设备，因此投资费用较低。但是，由于中转时并没有对垃 圾进行相应的减容和压缩处理，导致中转站里垃圾运输车的车厢体积很大，不能承 担大量的运输工作。此外中转过程中多数为非封闭性工作，在运输的途中极易发生 散落的问题，造成二次污染，为防止垃圾飞扬，敞篷处还需加用篷布覆盖。 2 预压缩式 预压缩式垃圾中转站的工作形式为：当垃圾运到中转站以后，可以把垃圾倒入 已经固定在中转站里的垃圾受圾箱内，通过垃圾压块机进行压缩成块，然后利用推 出机构一次性的将垃圾块推入已经对接好的封闭式垃圾运输车的箱体内，最后由运 输车运送到垃圾处理场。 预压缩式垃圾中转站特点为：垃圾在固定好的箱体内可以压缩成块，实现了压 实减容的效果；箱体密封处理，可以收集垃圾的挤出液，以防二次污染；方便重量 和压力的检测，垃圾压缩过程重不需要集装箱半挂车配合，工作效率高；但是设备 结构较复杂、造价高，运营费较高。 3 直接压缩式 直接压缩式垃圾转运站的工作方式为：收集后的垃圾运至中转站中，经上料斗 直接将垃圾卸入运输车内，由固定的压缩机构进行多次反复的压缩装载，直至满载 后才由车运走。与直接压缩式垃圾转运站相配合的车辆可以采用车箱一体式的，也 可以采用车箱分离式的。 直接压缩式垃圾中转站的特点为：由于设备的体积较小，因此相应的土建设施 规模也较小，同样投资也相对较少：压缩合装运过程属于完全的自动控制，全封闭 工作，无二次污染；但是，带有压缩装置的集装箱结构要求复杂，造价较高，其工 1 l 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 作状态与预压缩式的垃圾中转站相较，车辆等候的时间较长。 因此，综合考虑处理效果、环境影响等各方面因素，通过分析和比较以上三种 形式的垃圾中转站，选定预压缩式的垃圾中转站作为本课题的研究对象。 2 2 垃圾压块机整体方案的确定 预压缩式垃圾中转站按压缩方式可以分为：垂直压缩式、水平压缩式。与水平 式压缩相比，垂直压缩式压缩效率较高且便于处理垃圾。按垃圾受圾箱的位置可以 分为：平台式和地坑式。地坑式投料口和地面相平不需专门的倒料装置，但后期清 理起来比较困难，容易产生长期堆积的垃圾。平台式虽然需要专门的倒料装置和相 应的土建设施，但后期处理相对简掣1 8 】。 从经济、技术、社会环境效益等方面综合考虑，结合实际情况，最终确定本论 文研究对象的工作环境为压缩方式为垂直压缩式、受圾箱的位置采用平台式，推出 方式为水平推出的平台式垂直压缩垃圾中转站，其主要性能指标如下： 1 垃圾日处理能力：1 2 0t ； 2 垃圾处理方式：垂直压块机进行垂直压缩，垃圾体积压缩比为2 3 ，采用全 液压控制，压缩成块的垃圾直接推入运输箱内，污水随地表排水口排出。垃圾密封 运输，垃圾和污水在转运过程中无撒漏，杜绝二次污染； 3 适用垃圾类别：生活垃圾，固体废弃物； 4 适用垃圾收集方式：人力车收集、手推车收集和小型机动车收集； 5 适用范围：社区、医院、学校、商场、车站等产生大量垃圾的相关场所； 6 需操作人员与操作方式：2 人，采用手动和自动控制两种。当设备正常工作 时，采用电动自动控制，而当设备出现故障的时，可选用手动控制。即当设备的电 气系统出现故障时，在人工手动操作下仍可以继续工作； 7 工作噪声：小于等于6 0 分贝。采用进口的双联叶片泵，可靠性高，可以降低 整机噪声。 2 3 垃圾压块机的工作原理 生活垃圾压块机作为时代急需的一个产物而生，它作为压缩式垃圾中转 站的一个核心装置，固定在垃圾中转站内，其工艺流程如图2 - 1 所示： 青岛科技大学研究生学位论文 图2 - 1 垃圾中转站工艺流程示意框图 f i g u r e 2 - 1t h ec o m p r e s s i o np r o c e s so f g a r b a g et r a n s f e rs t a t i o n 平台式垃圾压块机是处理城市生活垃圾的专用设备，该垃圾压块设备采用垂直 压缩技术，通过处理，可使松散的生活垃圾压缩成块状垃圾，既大大缩小体积，又 由于大量地排除垃圾中的所含污水和气体，而减轻重量，从而提高城市生活垃圾堆 放、集运的经济效益，避免了运输途中的滴、漏、散、扬等现象而引起的二次污染， 具有重要现实意义。 该设计的平台式垂直垃圾压块机工作原理如下：压缩系统由主液压缸、活动横 梁、压头组成，用于对垃圾进行垂直压缩。主液压缸的缸筒固定于活动横梁之上。 集中于中转站或者直接收运来的散装垃圾倒入压块机的自动进料装置( 输送带) ，然 后由输送装置传送至压缩箱内以后，主液压缸驱动压头伸入垃圾箱中进行垃圾压缩。 每块垃圾块压缩成型需要经历3 至4 次的“倾倒一压缩倾倒”的轮番过程，同时每 次压缩到一定程度时进行保压，确保垃圾压实成块。挤出废水通过底部管道流入城 市统一排污系统。 压缩完以后，垃圾箱总成的中门提起，由推出装置将压缩成型后的垃圾块从压 缩箱中直接推至运输车的车箱内( 或者也可以推至储存车上，等到运输车来时再装 车) ，装车运走，至此完成一次整个输送、压缩与推出的循环过程，然后由其转运至 垃圾处理厂( 场) 进行处理。 2 4 垃圾压块机的整体结构 本设计的平台式垃圾压块机主要是由型钢框架、压缩装置、推出装置、闸门的 开关装置、安全导向装置、压缩箱、压缩平台、垃圾输送装置、液压驱动系统、操 作控制箱及污水排放系统等部件构成【1 9 1 。其整体结构如图2 2 所示： 平台式垃圾压块机设计及控制系统研究 图2 2平台式垃圾压块机整体结构图 f i g u r e2 - 2t h es t r u c t u r eo fp l a t f o r mg a r b a g ec o m p r e s s o r 1 外部结构 主要结构件：机架采用分装式，便于拆卸、安装、转移；压缩主油缸，行程1 8 0 0 m m ， 额定压力1 6m p a ，保证了压缩油缸安装要求；四根立柱顶部内加装加强梁，确保大 压力压缩垃圾时，立柱不产生局部变形。所有结构件表面经喷砂处理，再喷涂高防 腐油漆，提高防腐能力和整机寿命。 2 压缩装置 压缩装置是压块机的主体，它由焊接金属框架、液压缸、压头等组成。液压缸 用螺栓联接固定在金属框架顶粱上，液压缸活塞杆下端固定在压头上，压头下端设 有压缩箱，待散装垃圾倒入压缩箱后，压头在主液压缸6 0 吨的压力作用下伸入垃圾 箱中进行垃圾压缩，将松散的垃圾压缩成块状。由于压缩箱的内腔尺寸比较大( 长 度