（机械制造及其自动化专业论文）生活垃圾压缩试验的研究及装置改进.pdf

生活垃圾压缩试验的研究及装置改进 摘要 生活垃圾的压缩减容是解决垃圾清运过程中亏载问题的主要方面，是 降低垃圾处理费用的主要手段，在城市生活垃圾的处理过程中意义重大。 通过垃圾压缩试验对垃圾的可压缩性等特性及其力学特性进行研究分析， 对课题的进展及后续研究高效的压缩设备都是一种必须且有效的方法。 简单描述了垃圾压缩的试验装置和方案，进行试验并得到相关试验数 据。根据课题组分工的需要，对装置后板所受垃圾阻力进行了研究。研究 结合m a t l a b 拟合工具箱及相关函数，用三种经典数学模型和在前人的研究 分析基础上建立的两种垃圾压缩力数学模型对试验数据进行了合理有效的 拟合分析，得到了后板压力与压缩位移的力学表达式，并为下文提供参考。 对垃圾压缩试验装置前板与后板所受的压力进行了比较分析后，提出 了表达垃圾压缩力的另一种思路。对水平试验压缩装置模型进行简化，并 运用a d 蝴s 对课题组所分析的垃圾压缩力和这种新的思路进行相关虚拟 样机仿真分析，从上述两种模型中验证出最适当表达垃圾体的力学模型； 通过试验过程的进展中发现的试验装置的某些不足及试验数据研究后 的思考，对垃圾压缩试验装置的部分构件提出了改进方案，如支撑架、装 置行程、数据采集系统等，并将相关改进构件运用a n s y s 进行了变形和应 力分析；试验装置的改进为后续试验的进行提供更好的方案，更有利于垃 圾压缩的试验研究和课题的进展。 关键词：垃圾压缩试验试验装置m a t l a b 拟合垃圾力学模型试验 装置改进a d a m s 与a n s y s 分析 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fl i v i n gg a r b a g e a n di m p r o v e m e n to fi t sd e v i c e a b s t r a c t 1 1 1 ec o l p r e s s i o nr e d u c t i o no f l i v i n gg a r b a g ei st h em 旬o ra s p e c ti ns o l v i n g t h ed e f i c i e n tl o a d i l l gp r o b l e mi ng m a g et r a n s p o r t a t i o n ，锄di t st h e p r i m a r y m e a n so fr e d u c i n g 廿l eg a r b a g ed i s p o s a le x p e n s e s ，s oi th a sag r e a ts i 印i f i c a l l c e i nt l l e g 抽a g ep r o c e s s i n g t h eg 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 sa n d m e c h 砌c a lp r o p e n i e sw e r es t u d i e db yt h eg a r b a g ec o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t ；i t s an e c e s s a 巧a 1 1 de f l e c t i v em e m o df o rt h et o p i cp r o 铲e s sa n dt 1 1 e s u b s e q u e n t r e s e a r c ho fe 行e c t i v ec o m p r e s s i o n e q u i p m e n t a g a r b a g ec o m p r e s s i o nt e s td e v i c ea n ds c h e m ew e r eb r i e n yd e s c r i b e d ，i t w a sp u to nt r i a la n dt 1 1 er e l a t e dt e s td a t aw e r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt om en e e d s o fo u rp r o je c tg r o u pd i v i s i o n ，g a r b a g er e s i s t a n c eo fm eb a c k b o a r dw a ss t u d i e d t h r e ec l a s s i c a lm a t h e m a t i cm o d e la n dt 、) l ，ol d n d so fg a r b a g e c o m p r e s s i o n m a t h e m a t i c a lm o d e lt h a ts e tu pb a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e sa n da n a l y s i sw e r e u s e dt om a k et h eda | t aar e a s o n a b l ea n de f r e c t i v ef i t t i n ga n a l y s i s ，c u r v ef i t t i n g t b o l b o xa n ds o m er e l a t e df i u n c t i o n so fm a t l a bw e r eu s e dt of i n i s ht h em e c h a n i c s e x p r e s s i o no fb a c kb o a r da n dc o m p r e s s i o nd i s p l a c e m e n t r e f i e r e n c ew a s p r o v i d e df o rt h ef o l l o w i n g n e p r e s s u r eo fm e 舶n tb o a r da n dm eb a c k b o 删o f t h ec o m p r e s s i o nt e s t d e v i c ew e r ec o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d ，a n o t h e rn e wk i n do fi d e at h a te x p r e s st 1 1 e i i g 抽a g ec o m p r e s s i o nf o r c ew a sp mf o r w a r d t h el e v e lt e s tc o i n p r e s s i o nd e v i c e m o d e l 、a s s i m p l i f i e d ， a n dr e l a t e ds i m u l a t i o n a n a l y s i s i n c l u d e d g a 柏a 伊 c o m p r e s s i o nf o r c em a tp r o j e c t 舯u pa n a l y z e da n dm i sn e wi d e ao fv i r t u a l p r o t o 帅e 、r ef i n i s h e db yu s i n ga d 劁m s ；t h em e c h a n i c sm o d e lt h a te x p r e s s e d m eg 抽a g eb o d ya p p r o p r i a t e l yw a sv a l i d a t e db ya n a l y s i s 吣mt 1 1 et w om o d e l s a b o v e s o m ed e f i c i e n c i e so ft h et e s td e v i c ew a sf o u n d e dt 1 1 o u 曲t h ep r o g r e s so f e x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，w i t hm et 1 1 i n h n ga f t e rt h er e s e a r c ho fm et e s td a t a ，m e i i l l p r o v e m e n ts c h e m eo fs o m ec o r n p o n e n to f 咖b a g ec o m p r e s s i o nt e s td e v i c e w a sp u tf o 刑a r d ，s u c ha st h es u p p o r t i n g 舶【m e ，d e v i c et r a v e l ，d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m t h ed e f o m l a t i o na n ds t l _ e s sa n a l y s i sf o rr e l a t e di m p r o v e m e n tc o m p o n e n t w a sf i i l i s h e db yu s i n ga n s y s ；t h eb e 钍e rp l a nb yd e v i c ei m p r o v e m e n tw a s s u p p l i e df o rt h ef o l l o w i n gt e s t ， i tm a k em o r ec o n d u c i v et om eg 抽a g e c o m p r e s s i o nt e s tr e s e a r c ha n dp r o 铲e s so fs u b j e c t k e y w o r d s ：g m a g ec o m p r e s s i o nt e s t ；c o m p r e s s i o nd e v i c e ；m a = r i ，a bf i 钍i n g ； g a r b a g em e c h a n i c sm o d e l ；t e s te q u i p m e n ti m p r o v e m e n t ；a d a m sa n da n s y s a i l a l y s i s i 生e 暮_ | 盘圾压缩崩汨睑的研究及装置改进 1 1 生活垃圾的现状 1 1 1 生活垃圾的研究背景 第一章绪论 生活垃圾是人们在生产、分配、消费中的必然产物，我国人口众多，基数大，产生 的垃圾量大且来源性广。新时代，科技发展促进工业化进程不断加快，人口密度的不断 增大和生活水平的不断提高，导致城市垃圾急剧增加。据相关统计，我国人均生活垃圾 年产量约为4 4 0k g ，年增长率达8 1 0 。全国历年已有高达6 0 亿吨的垃圾堆存量， 占地约5 亿m 2 ，造成约8 0 亿元人民币的国民经济损失【l 】，能源问题和垃圾处理是未来 发展的两大瓶颈。大量垃圾无论对人类赖以生存的自然环境，还是国家经济发展都影响 重大。因此，庞大的垃圾成为发展和生活的一大困扰，妥善处理垃圾已刻不容缓。下表 1 1 为零六年全国各城市的垃圾清运量： 表1 12 0 0 6 年中国各地区的城市垃圾清运量 t a b l e1 - 1t o t a lu r b 锄g a r b a g eo f v a r i o u sa r e a si nc h i n ai n2 0 0 6 自1 9 8 0 年以来，顺应垃圾大量滋生的需要，多种类型的垃圾车被大型专用汽车厂 开发。其中，压缩式垃圾车凭借其高效收集、有效避免收集转运过程的二次污染的优势 成为最受青睐的垃圾清运城市环卫专用车辆。在中国，压缩式垃圾车一直位居注册单榜 首，据预前估计可占整个垃圾车辆市场的7 5 9 0 。而在压缩式垃圾车中，后装式 垃圾压缩车应用最广【2 1 。 1 1 。2 生活垃圾的处理方法及其利弊 生活垃圾匿缩司调睦的研究乃滚置改进 生活垃圾由专用车辆收集运输后，需要对收集的垃圾集中处理。目前各国针对本国 国情，集中处理垃圾一般采取填埋、焚烧和堆肥三种方式。各国使用方法综合统计的占 比情况如下表1 2 所示： 表l - 2 垃圾集中处理方法占比 1 曲l e1 2t h ep e r c e n to fg a r b a g ec o n c e n t r a t i o nt r e a t i i l e n tm e t h o d s 填埋法卫生填埋法堆肥法焚烧法 国家类型、 ( ) ( ) ( ) 发达国家( 总体) 发展中国家( 中国) 6 0 7 0 7 0 5 l o 2 0 2 5 3 0 1 0 各种方法简介及优缺点1 捌： l 、填埋法 填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，也是所有垃圾处理工艺剩余物的最终处 理方法。填埋法分为两类传统填埋法和卫生填埋法。其中卫生填埋法使用多，是采 用工程技术措施，通过最大限度的减少掩埋垃圾对周遭生态循环系统造成污染及危害的 填埋方法；填埋法优点：方便易行，投资少，处理量大。缺点：易造成二次污染，填埋 场所容量有刚1 捌。 2 、堆肥法 垃圾堆肥是将生活垃圾在郊外堆肥场堆积成堆，保温至7 0 储存、发酵，生物分解 为无机养分( 腐殖质) ，尽量达到垃圾无害化；堆肥法优点：垃圾资源化，成本低。缺 点：劳动强度大，难去除的重金属离子会通过生物链造成积累效应，对身体健康有危害； 所得肥料销路少【1 翔。 3 、焚烧法据不同焚烧原理，主要分为三种炉排炉焚烧、流化床焚烧、热解法。 低位热值大于4 1 8 0m j 埏，含水率小于5 5 的垃圾适用焚烧法。方法是把垃圾投入 特殊设计的封闭炉中焚烧。焚烧过程产生( 8 5 0 9 0 0 ) o c 的大量高温烟输入余热锅炉 换热，过热蒸汽再进入汽轮发电机组发电或进行供暖； 焚烧法优点：焚烧后残渣重量减少量大于8 0 ，体积减少量大于9 0 ，处理彻底。 缺点：成本很高，有些金属垃圾焚烧后毒性很大，如二嗯英类有大毒【1 捌。 总体上，仍以填埋法为主的国家居多，如中英美墨等国家6 0 以上的垃圾采用填埋 法，而日本、瑞士、德国等国家7 0 以上的垃圾采用焚烧法【4 】。近来，我国城市垃圾中 可易燃物含量明显增加，热值显著增大，经过分类选择等预处理后可得到垃圾热值较高 含水量较低符合焚烧条件的垃圾。经搜集得到我国部分城市垃圾组成如下表1 3 所示： 2 广西大学硕士掌位论文生湄盼立圾压缩铀酒龟的研究乃0 丧置改进 由上表得知，我国一些地区已具备发展焚烧技术的基础，有条件的地区可根据本地 实际情况酌情采用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 生活垃圾的转运的处理 1 、垃圾车的收集转运装置及中转站设备 近年来，我国一些高校和企业都致力于垃圾压缩装备及配套设备方面的开发创新研 究，比如说大容量高压缩比垃圾车、大型高压缩比垃圾中转站设备及其配套的去污除臭 系统和垃圾资源化研究等。高校如：山东理工大学对垃圾中转站设备进行了开发研究； 华南农业大学和上海同济大学对餐厨垃圾厌氧产氢进行研究；同济大学对垃圾车的工作 装置进行了开发研究；广西大学对垃圾压缩车的载荷情况的数学模型和垃圾压缩试验装 生活捌暖砭压缩钼鸲盒的研究及装置改进 置进行研究探讨等。企业如：中联重科环卫机械公司开发成功的“中联牌 z u 5 0 7 0 z c l e 3 型餐厨垃圾车；山东鸿达建工集团有限公司改进成功的后装式垃圾压缩车；广东省梅州 市环卫局自主研发了垃圾车自动开合车厢盖、折叠式垃圾箱盖；吉林省长春市的一汽集 团“解放”在城市垃圾车上率先突破环保节能；湖北东风程力特种专用汽车制造有限公司 将负压板结构运用到后装卸式垃圾车上等。另外国内如北京，上海的杨浦、黄埔、崇明、 广州等一些大城市开始建设大型的压缩比高的垃圾中转站【1 0 1 。另外，对于本文试验所在 地南宁来说，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 1 ，1 2 1 。 2 、垃圾管理系统方面。 垃圾管理系统是指从垃圾产生到最终处理的控制、监督、规划和管理。包括垃圾 来源控制、分类收集、分选技术、回收利用、法规制定等【m 1 6 1 。国外发达国家如瑞典 等开始把垃圾收集、转运和压缩过程组成一个完整的系统。恩华特集团( e n v a c ) 在瑞 典首次研制出一套完全封闭式垃圾自动收集系统，优势在于采用真空气力管道输送系 统，将垃圾收集过程用地下代替地面，用封闭式代替暴露式，用自动化代替半人工。 经国外研究机构统计和综合研究证明，此技术可以节约9 0 的垃圾运输交通量，降低 6 7 的能量消耗，节省9 0 的人工；其年总费用比传统方法节约一半多；且通过e n v a c 的光学分选系统分选的可回收物效率高，节约了资源。 随着我国对环境污染的不断重视，一些城市如2 0 0 6 年广州金沙洲，世界上最大的、 占地9 3 平方公里的封闭式垃圾自动收集系统项目开始启动；同年的海南三亚半山 半岛和2 0 0 9 年的天津中新生态城项目也开始启动。但此系统前期需资金投大，投 入使用后居民需按规范投放垃圾，所以短时期内在全国推广使用上有一定的困难【1 7 1 9 】。 封闭式收集系统的相关图如下图1 1 、1 2 图所示： 图1 1 封闭式垃圾真空自动收集系统图 f i g 1 1m o b i l e v a c u u ms y s t e m s 4 褪鋈 *tannn“h# 广西大掌硕士学位嵌鬈生活捌口及压缩剖鸲险的习阳宅刀a 失置诌口龟 图1 2 光学分选系统 f i g 1 - 2o p t i c a ls o r t i n g 国内对垃圾系统管理研究如：上海同济大学研制成功的城市生活垃圾处理生产线及 自行设计的由卧式气流分选机、滚筒筛和振动筛三种设备组成的生活垃圾分选设备 【2 她刁；内蒙古鄂尔多斯代表中小城市的沼气高效利用示范工程项目已启动运行等等。在 中国，因地区差异，应结合本地需求，因地制宜，采取分选、有机垃圾发酵、肥料加工、 可燃物热解焚烧、气化发电、无机垃圾填埋等工艺相结合的系统集成技术有很大可取 性。提出处理模式如下图1 3 供参考： 城市生活垃圾 图1 3 生活垃圾处理模式 f i g 1 3p r o c e s s i n gm o d eo fl i v i i 培g a r b a g e 1 2 2 新旧垃圾压缩模型的研究 5 生活触咀瓦压缩试验的研究及蕨置改进 1 、垃圾土力学模型 在土力学中，d u n c a l l c h a n g 本构模型较为成熟，张振营、刘荣等通过三轴压缩试验 证实垃圾土达到一定压实程度后，垃圾土符合邓肯张本构模型团列。城市生活垃圾与垃 圾土相比，空隙大，压缩比大，张振营等也得出生活垃圾的室内应力曲线与一般土压缩 曲线的形状相似，所以土力学模型可给新鲜垃圾的压缩研究提供参考口5 ，2 6 】。 2 、弹塑性体模型 垃圾是松散型材料具有可压缩性，其性质较符合弹塑性体的特性，山东理工大学的 杨先海教授把垃圾看成是弹塑性体来进行研究，提出了生活垃圾压缩弹塑性模型的应力 应变关系，通过回归分析和函数拟合得出了经验计算公式如1 1 式所示，具有很大参考 性【2 7 捌 1 j p = 岛+ o 0 3 1 h ，) o 崩 ( 1 1 ) 式中，平均应力和平均应变 p 加压实密度和初始密度 把生活垃圾看成是弹塑性体模型，虽然有不符合之处，如垃圾的成块和松散与压缩 时间有关、垃圾成分复杂、质地不均匀及垃圾不是各向同性的，但是由于垃圾体本身的 复杂性，这是一种相对最符合的模型。 3 、粘弹性体模型 粘弹性理论有三个基本元件：弹性体、粘性体和塑性体四，如下图1 4 所示。将多 个弹性元件和粘性元件按各种不同形式串联或并联，可以描述不同粘弹性体的特性。 重庆大学的谢强老师等据生活垃圾的室内压缩蠕变试验，提出了利用粘弹塑性理论建立 的蠕变本构模型：h k 和p t h 模型，蠕变模型如下图1 5 所示。利用这两种模型对垃圾 蠕变曲线进行了拟合【3 0 】，还通过试验进而推出基于蠕变模型理论的填埋场计算方法 【3 l 】1 3 l 】 o 因粘弹性体在外力作用下随时间而变化产生弹性变形，其粘性性质主要表现 为材料中的应力和应变率关系。因考虑时间，这增加了垃圾压缩试验的难度，很难 得到较准确的垃圾蠕变模型。 6 生孛毫扣盘圾月谗鲁试验的研究刀滚置改进 0 y 图1 - 4 基本元件 ( c ) f i 晷1 - 4b 嬲i cc o m p i d n e n t s 4 、垃圾填埋场的垃圾沉降特性方面 ( a ) ( b ) 图1 5 蠕变模型 f i g 1 5c r e 印m o d e l 此方面，研究人员己建立了一些基于经典土力学理论的垃圾土沉降模型3 2 1 ，其中包 括主沉降及长期沉降模型，如s o w e r s ( 1 9 7 3 ) ；长期沉降模型，如对数模型y e ne ts c a i l l o n ( 1 9 7 5 ) ；幂函数模型，如e d i l ，e ta 1 ( 1 9 9 0 ) ；生物沉降模型，如e d g e r s ，e ta 1 ( 1 9 9 2 ) ；双曲 线模型，如l i l l g ，e ta 1 ( 1 9 9 8 ) ；复合压缩模型，如m a r q u e s 锄df i l z ( 2 0 0 2 ) ；另外还有相 关模型z i i i l m 咖a n ，e ta 1 ( 1 9 7 7 ) ；k s w a t t s ( 1 9 9 9 ) ；l e o n a r d e ta 1 ( 2 0 0 0 ) 等1 3 3 3 5 】。 国内刘荣等选择用l o 西s t i c 模型，说明其具有沉降一时间曲线所具有的特点，该模型大幅 度提高垃圾土封场期后沉降值的预测精度【3 6 】。 虽然很多专家学者在垃圾沉降模型的基础上提出了一些改进模型，但是新鲜生活垃 圾压缩特性与旧垃圾的填埋沉降有很大不同，垃圾沉降模型不可直接使用，所以有必要 建立一种能描述垃圾压缩特性的模型。 1 3 研究的目的意义与存在的问题 1 3 1 研究的目的和意义 目前，垃圾采取集运的处理方式，处理过程如下图1 6 所示。其中，垃圾的压缩减 容处理是重中之重。因此，所有的垃圾收集方式都需要垃圾压缩装置，我国的垃圾压缩 装置主要有垃圾中转站中固定式的压缩装置以及移动式的垃圾压缩车【3 7 1 。 7 生活捌嘣殴压缩试验的研究及j 乞置改进 图1 _ 6 垃圾处理系统简图 f 培1 61 1 1 es i m p l i f i e dw 嘲e 骶a n n e n ts y s t e l l l s 现阶段，垃圾密度不断降低，可压缩性增加。影响垃圾集运处理费用最大的是垃圾 运输中的亏载问题，即垃圾压缩减容问题。以垃圾压缩减容为研究方向和最终目标，切 实以试验入手，通过试验得到能表示垃圾压缩力的数学模型，对提高垃圾压缩率意义重 大；另外对现实垃圾压缩车的机构进行创新改进也很重要。 1 3 2 主要存在的问题 因生活垃圾的复杂性，与此相关的很多问题多具挑战性，存在一些如下问题： l 、城市生活垃圾最优压缩力问题 最优压缩力，即综合最优。在城市生活垃圾有一个合理的压缩比的情况下，综合考 虑液压油泵和液压阀，液压油缸的缸径，压头和车厢的强度，加上合适的系统压力，使 得系统压力和垃圾压缩比、造价等因素达到最佳。 根据实际经验，压实度与压力的曲线如图1 7 所示，压缩初期斜率较大，压缩率高， 后来逐渐平缓，垃圾容重继续增大，垃圾接近成块。若能根据试验和理论得出可以表示 垃圾的力学模型，从而在相关软件中优化仿真确定最优系统压力，结合经验指导工程实 践，那么这项研究将有重要的理论意义和良好的经济前景。 压实度 图1 7 压力与压实度关系示意图 f i g 1 - 7s i l i i p l er e l a t i o 璐d i 楚阳m 蜘p r e s s u r e 锄dc o m p a c 协e s s 8 广西大掌硕士学位论文生词 | 盘埚压缩剖鸲睦的研究及装置改进 2 、垃圾压缩特性 由于垃圾是一种力学性质复杂的混合物【3 羽，应力应变关系很难确定且成分受多种因 素影响，研究垃圾在压缩时的力学特性十分困难。由本文1 2 2 节所述，很多专家学者 也进行了大量试验研究，得出一些参考模型，但还需继续研究。 3 、垃圾压缩设备方面 目前，使用较广泛的垃圾车主要有前装推板式垃圾压缩车、后装刮板式垃圾压缩车； 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。另外，一些小型中转站 也使用刮板式垃圾压缩机构嗍。 压缩车：后装式压缩垃圾车存在后桥的偏载现象，垃圾分布不均；前装压缩式垃圾 车因推压机构占据了车厢的一定空间，减小了垃圾的可容面积，装载量没有很大提高。 中转站设备：中转站的规模比较小，大多建设在地上，日处理垃圾量小于1 0 0 吨， 压缩装置的压缩比小于2 ：3 。我国部分城市需建立大型高效的垃圾中转站，并增加垃圾 中转站数量。 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，大大减少了运输载 重。但对于水平压缩机，还有明显的垃圾分布不均现象。 4 、垃圾管理及其他方面 高级专业化的垃圾处理也是一方环境质量的必要考虑因素，最基本的是实现垃圾管 理。在这方面，瑞典、日本、美国等对垃圾从源头上控制的方法可供借鉴：限制并禁止 使用一次性物品，如一次性碗筷等，实行严格的垃圾分类收集，适量征收垃圾处理费用， 回收利用可循环垃圾，实现资源化。总体来讲，我国部分城市也根据本地情况制定实施 相关政策，但大多分类不够彻底，人民意识不够强，导致垃圾容易混装，易对垃圾桶、 垃圾车造成严重腐蚀，减少其使用寿命。 1 4 研究的主要内容 介于垃圾体本身的复杂性，本论文主要通过对南宁市的生活垃圾进行试验研究分 析，数据分析过程充分考虑前人所得相关结论，最后得到能够表示南宁生活垃圾的相关 力学模型；并通过试验过程提出对试验设备的进一步改进；为后续城市生活垃圾的研究 提供参考，本论文将从以下几个方面展开： 1 、经过实地调研结合南宁市生活垃圾的现状，制作出通用型垃圾( 物料) 压缩设 9 生孛春垃掘压缩锚鸽瞪的研究乃0 丧置改进 备；分析城市生活垃圾压缩特性，为垃圾压缩试验做好准备工作； 2 、通过南宁城市生活垃圾的压缩试验，得到相关试验数据；结合前人研究结论并 应用m a t l a b 软件对其进行拟合处理，对垃圾压缩过程中压缩位移与后板受力关系进行 研究，得到了压缩箱后板受力与推压头对垃圾的压缩位移间的表达关系式； 3 、应用m a t l a b 软件，结合三组试验数据中推压板与压缩箱后板的试验受力和压缩 位移、拟合分析得到的推压板的力与位移关系式和后板的力与位移关系式，分析比较了 推压版与后板的受力情况；并对压缩箱内的垃圾总体受力状态进行了表达，对水平压缩 装置进行简化，运用a d a m s 软件进行相关仿真分析，验证了可以用来适当表达垃圾体 的力学模型； 4 、通过试验过程的进展中发现的试验装置的某些不足及试验数据研究后的思考， 对试验装置的部分构件提出了改进方案，如支撑架、装置行程、数据采集系统等，并 将相关改进构件运用a n s y s 软件进行了变形和应力分析；对现有试验装置的改进为后 续试验的进行给出更好的方案，更有利于垃圾压缩的试验研究和课题的进展。 l o 广西大国昀页士掌位论文 生活触暾压缩割汨金的研究及装置改进 第二章生活垃圾压缩试验问题的基本研究 2 1 垃圾处理概况 城市生活垃圾成分复杂、随机性大；有季节性、地域性；影响因素多、差异大等特 点。要对城市生活垃圾进行压缩试验，首先选择一个城市进行实地垃圾调研，通过设计 的垃圾压缩装置完成垃圾压缩试验，进而进行试验的后续研究工作。 2 1 1 南宁生活垃圾概况 试验研究的垃圾所在城市：南宁市。南宁市处于中国广西西南部，雨量充沛，属于 亚热带季风气候。与很多南方城市一样，南宁市的生活垃圾中无机成分和含水量较高。 下表2 1 为南宁市生活垃圾的有关特性m ： 表2 1 南宁市生活垃圾的物理化学性质 t a b l e2 - 1n ec h e m i c a l 锄dp h y s i c a lp r o p e n i e so fl i f eg a r b a g ei nt h ec i 妙o f n a n n i n g 要深入了解南宁市生活垃圾成分及现状，必须经过调研；课题组对处于鲁班路、唐 山路、南绵广场、秀灵路的四个垃圾中转站分组进行调研。三个垃圾中转站都使用水平 垃圾压缩设备，收集流程是环卫人员每天用人力三轮车运送垃圾运到相应中转站，然后 运来垃圾被倒入垃圾压缩设备中进行压缩减容，再用水平垃圾车把垃圾运到垃圾填埋场 处理。下图2 1 为秀灵路垃圾中转站： 图2 1 秀灵路垃圾中转站 f i g 2 - lt h ew a s t ct r a n s f e rs t a t i o ni nx i ul i n gr o a d 据统计，垃圾压缩箱容量( 7t ) 等于1 6 1 8 辆人力三轮车的装载量( 最大装载量为 广西大奄翰炙士掌位论文生涩n 立甥u 瑚试验的研究及装置改进 0 4 4t ) 。为提高垃圾成分获取数据的可靠性，调查时取综合性更强的三轮车装载物进行 调查。获得有关垃圾数据如下表2 2 所示： 表2 - 2 南宁市垃圾中转站的生活垃圾分析 1 a b l e2 - 2t h e 孤a l y s i so f1 i f eg a r b a g ei nt r a n s f e rs t a t i o ni nt h ec 岭o f n 籼i n g 结合表2 1 、表2 2 数据和现场观察可知： 1 、南宁生活垃圾含水量大，可燃性低。菜叶、烂水果所占比重很大，垃圾可压缩 性强。 2 、人力三轮车中的木块、金属等坚硬的垃圾少，沙粒也不多；一般如酒瓶、金属、 完整的塑料瓶等会被环保人员单独收集，只留有些许破碎的，将要被压缩的垃 圾中可回收物少。 3 、经过多处观察，南宁所设垃圾桶有些地方分为两大类：可回收垃圾和不可回收 垃圾，但人们丢垃圾时会混装，有些地方无较完善的条款概念，也有地方还是 没有明显要求；总体来讲，南宁市的垃圾收集主要采用混合收集，收集后成分 较复杂。 2 1 2 生活垃圾可压缩性及力学性质的相关因素 垃圾的可压缩性是指垃圾可以被外部压力压实成块，体积减小( 密度增加) ，垃圾 成分间孔隙减小，气体溢出，水分流出的性能。影响垃圾可压缩性及其力学性质的因素 主要有：含水率、粒度、容重；表达垃圾可压缩性的方式主要有：压缩率( 体积模量) 及体积压缩比。 广西大萼昀页士掌位论文 生活垃掘匿缩试验的研究技装置改进 影响因素如下： 1 、含水率 城市生活垃圾是包括固、液、气在内的三相松散体，其中的固体之间存在大小空隙， 孔隙之间有气体和孔隙水；另外，一般的生活垃圾还存在含水物质、吸水物质。城市生 活垃圾含水率是垃圾含水量与垃圾总重量的比例。其中，城市生活垃圾含水量是指单位 重量的原城市生活垃圾在( 1 0 5 1 1 0 ) 烘箱中烘至恒重时的损失量【3 9 j 。 2 、粒度 粒度是垃圾混合物成分的不同尺寸大小。同样成分的垃圾，粒度越小，越易压缩， 即压缩率高。若垃圾中存在一些大粒度比如弃旧木材、弃旧金属、沙石等难压缩成分时， 由于垃圾压缩设备在压缩垃圾时的平均压力一般 0 5m p a 【3 9 1 ，此压力达不到硬质材料变 形的应力，所以经过压缩后，它们不会发生显著变形，对垃圾压缩减容影响不大。 3 、容重形 容重指的是单位城市生活垃圾体积的重量。它是衡量城市生活垃圾密实程度的一个 指标。 形= 等 ( 2 - 1 ) 式中膨垃圾重量 形单位_ k g 舢3 垃圾压缩特性表达方式如下所述 1 、压缩率( 体积模量) 圪 垃圾压缩率表示垃圾可压缩性的强弱，下式表示垃圾产生单位体积的变化时，所需 要的压力增量。 v e ：一黑 ( 2 - 2 ) 、 d y y 、7 式中f 压力，单位m p a y 垃圾体积，单位m 3 圪体积模量，单位m p a j 表示垃圾体积随着对垃圾施加压力的增大而减小 圪越大，表明垃圾越不可压缩，可压缩性越差，式中0 劬1 ， 1 ，当批趋近o 时， 圪无穷大，表明被压缩材料理论为刚体，不具备压缩性。 2 、体积压缩比恐 广西大胄明炙士掌位论文生活捌瞳玟压缩试验的研究及装置改进 垃圾的体积压缩比恐也可以用来衡量垃圾压缩的比例。用下式2 3 表示： k = 甚2 孚= 量= 鲁 协3 ) 式中乃垃圾压缩前的体积 乃一垃圾压缩后的体积 立圾压缩箱体的体积 一压缩后的不可压缩垃圾充满垃圾压缩箱体的重量 原始未压缩垃圾充满垃圾压缩箱体的重量 疋越大，表明垃圾可压缩性强，压缩率大，垃圾压缩效果好。 2 2 垃圾试验准备工作 2 2 1 试验装置本体简介 从试验要求出发，本着简单实用的设计思想，依据刚度，强度，稳定性的设计准则， 充分垃圾本身特点及试验压缩过程中可能遇到的问题( 如试验数据误差等) ，通过三维 建模及模型应力分析，最终制作出一套垃圾压缩试验装置，这对城市生活垃圾的试验研 究及后续处理意义重大。装置简图如下图2 2 所示： 图2 - 2 物料压缩试验装置简图 f i g 2 2m o d e io fm a t e r i a lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t a ls e t 1 4 广西大学司旺b 掌位馥譬生活捌殁压缩诌鸲瞪的研究及装置改进 2 2 2 试验所用主要仪器 1 、施力装置 试验所用施力工具是扭力扳手( 测力矩扳手或定力矩扳手) 。课题组所用规格为 w 0 3 6 8 ，1 2 7m m 系列专业级可调式扭力扳手( 定力矩) ，最大刻度值是3 6 0f t l b ，即 4 8 8n m ，可以满足施加1 0t 的轴向压缩力。扳手采用过载保护、自动卸力模式，当力矩 到达设定力矩时会自动卸力，此后扳手自动复位。选择扭力扳手的最大原因是利用扳手 读数我们可以方便知道所给垃圾施加轴向压缩力的大小，有利于数据的统计，简单实用 成本低。在垃圾压缩过程中，传力螺旋中扭矩r 与轴向压缩力，的转换由下述公式2 4 实现【4 。 丁：f t 觚( 鲫c t 孤( 8 仞4 2 ) ) + a r c t 锄( o 1 5 ) ) 竺警n m ( 2 4 ) z 运用扭矩r 与轴向压缩力，之间的关系，对于定力矩扳手，调节扭力扳手的预设扭 矩，便可控制推压头的推力，从而使得推压头的压缩力实现可调。试验开始施力时因垃 圾松散只需设置扳手为小量程，当所加的力矩达到此量程时，把手便不会再被摇动，扭 力扳手也会自动卸力，随着垃圾越压越实，需要更换扳手为较大量程继续施力，直到再 次达到所设量程。然后，根据垃圾的松散状况来决定是否继续更换大的量程，在整个过 程中可以通过预设量程对当时压缩力的大小进行估测；对于测力矩扳手扭力扳手，可以 读取力矩值，便可估算推压头所受推力，从而对推压头的压缩力实现大致的动态观测及 对其大小的控制。所以可以根据现实需要选择应用哪种扭力扳手【4 2 1 。 2 、数据采集装置 数据采集装置有上海天沐自动化仪表有限公司的测位移装置n s w y 0 3 型位移传感 器、n s y b 0 5 c 的显示控制仪表；测力装置n s t h 3 a 型称重传感器( n s t h 3 系列轮辐 式称重传感器结构简单、坚固，具有抗侧向力和偏载能力强、重心低、便于安装) 、f d 3 的求和放大器、n s y b 0 5 c 的显示控制仪表；称重装置为上海永杰衡器有限公司的t c s 电子计价台秤【4 2 】； 称重( 压力) 传感器的量程是3f ，非线性误差为0 5 ；由于试验装置的压缩的量 程为7 0 0i 姗，所以选用位移传感器的量程是7 0 0m m ，非线性位差为0 5 。所选择电 子台秤抗干扰能力强，可以对垃圾准确称重【4 2 1 。 下图2 3 为相关数据采集仪器： 生活垃圾匿缩试验的研究及装置改进 图2 3 试验相关数据采集仪器 f i g 2 3d a t a q u i s i t i o ni l l s 咖e mo f t h et e s t 在测试压力时，考虑称重传感器的瞬间超载现象和受力平衡问题，将每三个传感器 分为一组，每组的三个传感器进行串联固定，并用一个浮动状态挡板和四个销钉作为导 向柱。试验时分别将两组安装在推板和前板上，并进行所得数据的采集放大和输出显示， 所以测力装置标定时应对三个传感器组合进行标定4 2 】。称重传感器配置如下图2 - 4 所示： b b 1 传力板2 导向柱3 传感器 4 底板5 连接螺栓 图2 4 称重传感器配置图 f i g 2 4c o n f i g u r a t i o nd i a g 舢o fw e i 曲i n g s d u c e r 测试压力相关仪器的连接如下图2 5 所示： 1 6 广西大掣唾爵士学位论文生活垃圾压缩试验的研究强装置改进 输出推压头所受压力 i 显示控制仪表 什 配套求和放大器 1 f 推压头压力传感器受力 f l 推压头施压 u d 压缩 i 输出后板所受压力 显示控制仪表 配套求和放大器 后板压力传感器受力 内垃圾受压 = 兰刮后板受压 图2 5 压力传感器运作流程图 f 噜2 - 5o p e m t i o nn o wc h a no f p r e s s u f e n s o r 测位移时为保证位移值的准确性，位移传感器芯体与压缩箱应保持水平不扭曲，采 取位移传感器前后两头固定，其前端芯体头部固定在推压头内侧以使传感器能随推压头 一起运动，其后端固定在传感器( 自制) 座上并保证与装填箱保持水平。如图2 6 所示： 图2 6 位移传感器实物图 f i g 2 币r e a lm o d e io fd i s p l a c e m e n ts 锄s o r 测试压缩位移的相关仪器连接如下图2 7 所示： 产生压缩位移 介 i 推压头前移匕些刮位移传感器 图2 7 位移传感器的运作流程 f i g 2 - 7o p e r a t i o nf l o wc h a r to fd i s p l a c 锄e n ts e n s o r 另外，本试验通过测位移装置可以用下列公式获得试验过程的压缩密度p ： 1 7 广西大掌司配b 学位谶曙起生活垃掘压缩试验的研究刀0 吏置改进 肘 ，) = 一 。 厶厶( 厶一，) 式中肘喂入试验装置的垃圾量( k g ) 三j 、厶垃圾压缩箱体截面尺寸( 埘l i l l ) 历压缩装置长度( m m ) j 推压头移动距离( 压缩位移) ( m m ) 2 3 试验过程概述 ( 2 5 ) 经过运输、材料、路程等方面考虑，我们选择的试验地点为：南宁市秀灵路垃圾中 转站。试验开始前对整套装置进行检查，对仪器进行标定，对压力传感器标定时注意是 对每组三个共同标定。并采取先用草及树叶类物料进行压缩预试验，对所得试验数据进 行预分析，并结合理论确定装置运行正常后，再用垃圾进行正式试验。下图2 8 为预试 验和正式试验垃圾简图： 图2 8 试验材料简图 f i g 2 8t e s tm a c e r i a l sp i c t u r e 在秀灵路垃圾中转站正式试验时，进行了三组试验。每组试验过程中将垃圾分三次 装入压缩装置，即进行三次压缩，且每次对将装入的垃圾称重；试验使用螺旋机构( 丝 杠) 进行压缩，当首次喂入垃圾被压缩到达极限时，把推头往外拉出，同时打开箱体上 板，可观察垃圾的压实松散情况，并加入新的垃圾进行再次压缩。通过数据采集装置读 出位移、推压头压力、前板压力的相应试验数据，后面的试验过程同理。并且在试验中 可以对压缩力进行估测，第一可结合实际并通过扭力扳手读数进行估测；第二由于配置 好的传感器顶板边长l b ：o 2 5i n m ，则与垃圾的接触面积为l b 2 = 0 0 6 2 5m m 2 ，而推压头的 圈 广西大掣翰页士学位论文生活垃圾匿缩试验的研究及装置改进 面积为o 3 8 0 8i n 2 ，成比例关系，这也可为相互估测提供参考。 2 4 试验建模 经过试验所得到的位移与压缩力的数据要实现函数化有两种方式，第一种是用 m a t 乙蛆数据拟合工具箱给定的经典函数参考模型进行数据拟合，经过比较分析最终 确定垃圾压缩试验模型，这种方式相对简单但结合实际性效果不明显；另一种是自定义 函数类型，分析并结合前人经验研究得到函数然后验证。这种方法比较切合实际，与现 实联系较大，但可能拟合适合度会减弱。 结合有关垃圾压缩资料分析及实际经验，推导出两种自定义函数，下面为其考虑因 素及推导过程，前提条件： l 、由于经过调研得知现阶段南宁市的垃圾主要采用混合收集，收集后的成分较复 杂，可回收物少，所以结合适时实际情况课题组试验用的垃圾就是秀灵路垃圾中转站收 集到的未经筛选分类的混合垃圾。 2 、由表2 2 所示，总体来说，在南宁市调研的这几个垃圾中转站及试验过程中的 垃圾混合物中，各成分的硬度区别不大，所以受到压缩机构的强力压缩时局部应力集中 可能不会很明显，即同一压缩面上的受力会相对平均，垃圾对机构的反力会趋向于均布 载荷； 3 、因为垃圾压缩是一个动态过程，试验研究的目的是实现压缩减容，分析复杂的 垃圾混合体在压缩过程中每点的受力很难实现且实际意义不大，所以通过试验数据所建 立的模型应更多地考虑平均的受力效果，满足总体的变化趋势。 按照先建模再试验验证的步骤经上述分析并适当简化得到如下两种自定义模型。模 型一：首先认为垃圾是弹性体，在塑性模型方面，经