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青岛科技大学研究生学位论文 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 摘要 垃圾压块机是垃圾中转站的主要设备，是一种由液压系统控制的将收集来 的垃圾进行压缩成块，实现垃圾减容以方便运输的机械。其工作原理是将收集 到中转站的松散状垃圾倒入该垃圾压缩机的储存箱中，经过反复压缩把松散垃 圾挤压成高密度块状，并用推出装置将压实成型的高密度垃圾块从垃圾压块机 的收集箱中推至垃圾运输车上，然后将其运输至垃圾处理厂进行最终处理，防 止对环境的二次污染。 本课题的垃圾压块机为地埋式结构，采用水平压缩方式，全液压式控制， 具有安全可靠，高效环保，结构紧凑，自动化程度高等特点。它主要包括压块 装置、推出装置、闸门控制装置、喷雾除臭装置、排污装置、液压系统及电气 控制系统等部分。通过阅读、分析及综合大量文献，结合液压技术、经典控制 策略、p l c 控制及系统仿真技术对垃圾压块机的液压控制系统进行了设计研究。 在液压系统设计部分，根据垃圾压块机的工况和运动分析完成了液压系统 的设计与计算。对液压系统的主要元件以及相关辅件进行了选型计算和相关校 核。为了简化液压站的设计，选用叠加阀来对液压系统进行了集成设计。 运用a m e s i m 仿真软件对液压系统建立了仿真模型。对液压系统的速度和 位移控制特性进行了仿真分析。 在电气控制设计部分，采用p l c 作为控制器。确定系统的电气硬件组成方 案，绘制电气控制电路图；完成电气控制系统设计，对主要的电气元件进行了 选型：完成了p l c 的选型、i o 地址分配等硬件设计；编制了系统流程图及梯 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。 关键词：垃圾压块机液压控制p l c 系统仿真 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 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 f h y d r a u l i cco n t r o ls y s t e mf o r g a r b a g eco m p r e s s o r a b s t r a c t g a r b a g ec o m p r e s s o ri sam a i nt y p ee q u i p m e n ti ng a r b a g et r a n s f e rs t a t i o n ， c o n t r o l l e db yh y d r a u l i cs y s t e ma n du s e df o rc o m p r e s sg a r b a g et ob l o c k ，f o rt h e p u r p o s eo fr e d u c i n gt h eg a r b a g ev o l u m e i t sw o r k i n gp r i n c i p l e i st h a tp o u r i n g g a r b a g et ot h es t o r a g eb i n ，e x t r u d i n gg a r b a g et i m ea n dt i m ea g a i nt oad e n s eb l o c k ， t h e np u s h i n gt h eg a r b a g eb l o c kt ot h eg a r b a g et r u c k a f t e rt h a t ，t h eg a r b a g et r u k d e l i v e rt h eb l o c kt ot h ew a s t et r e a t m e n tp l a n tf o rf i n a l l yt r e a t m e n t i nt h i sw a y , w e c a nr e d u c et h ep o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n ta g a i n t h en e w t y p eu n d e r g r o u n dg a r b a g ec o m p r e s s o ra d o p t sl e v e lc o m p r e s s i o n ，a l l h y d r a u l i c c o n t r o l l e da n d d e s i g n e d t ob ec o m p r e s s i o n - d e t r u s i o ni n c o r p o r a t e d s 咖c t u r e ，w i t ht h ec h a r a c t e ro fs a f e t ya n dr e l i a b l e ，e f f i c i e n ta n de n v i r o n m e n t a l l y , c o m p a c ts 仃1 l c t u r ea n dh i g ha u t o m a t i o n i tm a i n l yc o n s i s t so fc o m p r e s s i o nd e v i c e ， d e t r u s i o nd e v i c e ，t h eg a t ec o n t r o ld e v i c e ，s p r a y i n gd e o d o r i z i n gd e v i c e ，t h ew a s t e d i s p o s a lp l a n t ，h y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma n ds oo n w em a k ea d e s i g na n dr e s e a r c ho nt h eg a r b a g ec o m p r e s s o re l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ， t h r o u g hr e a d i n g ，a n a l y s i sa n ds y n t h e s i sal a r g en u m b e ro fd o c u m e n t s ，c o m b i n i n g w i t hh y d r a u l i ct e c h n o l o g y , t h ec l a s s i c a lc o n t r o ls t r a t e g y , p l cc o n t r o la n ds y s t e m s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y i nt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls e c t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o na n a l y s i sa n d m o t i o na n a l y s i s ，w ec o m p l e t e dt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m t h e m a i nc o m p o n e n t sa n dr e l a t e da u x i l i a r yc o m p o n e n t so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw e r e s e l e c t e da n dc h e c k e db yc a l c u l a t i o n t os i m p l i f yt h ed e s i g no fh y d r a u l i cs t a t i o n ，w e m a d ea ni n t e 黟a t c dd e s i g nf o rh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mb yu s i n gs a n d w i c hp l a t e v a l v e i i i 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 s i m u l a t i o nm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw a se s t a b l i s h e db yt h eu s eo f a m e s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e a n dm a d eas i m u l a t i o n a n a l y s i so ft h eh y d r a u l i c s y s t e mc o n t r o lo fv e l o c i t ya n dd i s p l a c e m e n t i nt h ee l e c t r i c a lc o n t r o lp a r t ，p l cw a su s e da sac o n t r o l l e r 1 1 1 ee l e c t r i c a l h a r d w a r eo ft h es y s t e mw a sd e t e r m i n e d ，a n dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o lc i r c u i tw a sd r a w e d 1 1 1 ed e s i g no ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mw a sc o m p l e t e da n dt h em a i ne l e c t r i c a l c o m p o n e n t sw e r es e l e c t e d p l c ss e l e c t i o na n di 0a d d r e s sa s s i g n m e n ta n do t h e r h a r d w a r ed e s i g nj o b sw e r ea l lc o m p l e t e d 1 1 1 es y s t e mf l o wc h a r ta n dd i a g r a mw e r e p m g r a m e da n dt h ep r o g r a mw a sc o m p e l l e da n dd e b u g g e d a f t e rb e i n gd e b u g g e d ，t h e p r o g r a ma c h i e v e dap 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 k e yw o r d s ：g a r b a g ec o m p r e s s o rh y d r a u l i cc o n t r o l p l c s y s t e m s i m u l a t i o n i v 青岛科技大学研究生学位论文 1 绪论 1 1 我国城市生活垃圾处理现状 相关资料显示，中国每年产生垃圾近1 5 亿吨，城市人均垃圾年产量4 4 0 公斤，根据国家环保总局预测，2 0 1 5 年将达到2 1 亿吨。不得不承认，中国垃 圾增长的速度实在太快上海市一年的生活垃圾相当于5 个金茂大厦的体 积：而北京市的生活垃圾堆起来，更相当于一个景山的体积。然而，多数城市 的垃圾处理能力并没有跟上垃圾的增速。统计表明，全国垃圾总量约有四成未 经集中处理，北京的垃圾在未来四五年内将无地可埋，上海有的垃圾场已与届 民区为邻。 中国又大约三分之一的城市面临垃圾围城的困境。相关数据表明，中国目 前除县城之外的6 6 8 个城市中，有三分之二的城市被日常生活垃圾包围，有四 分之一的城市已经没有场地可供垃圾填埋。截至目前，我国城市生活垃圾堆存 总共侵占土地超过5 亿平方米，造成每年3 0 0 多亿元的经济损失【l 】。而与此相 对应的却是仅为5 0 左右的城市垃圾处理率。 城市生活垃圾的处理方法主要是垃圾焚烧、高温堆肥、卫生填埋三类。而 就目前国内发展情况，这三类处理方式都还较难实现产业化。垃圾焚烧处理技 术较复杂，对运行操作人员素质和运行监管水平要求较高，建设投资和运行成 本较高，且焚烧的过程会产生比垃圾更可怕的二恶英这是一种极危险的致 癌物，在目前已经认识的环境激素中，它的毒性最大。高温堆肥的不足之处则 在于需要对原料进行比较严格的分选，需要强制通风和机械搅拌，对设备要求 高，运行能耗大，投资大。卫生填理技术成熟，作业相对简单，对处理对象的 要求较低，在不考虑土地成本和后期维护的前提下，建设投资和运行成本相对 较低【2 1 。 目前，国内大多数城市主要采用填埋的方法处理生活垃圾。但一些早早兴 建的垃圾处理设施，在城市的快速膨胀中，也迅速陷入超负荷运转的窘境。如 承担广州市9 成垃圾填埋量的兴丰垃圾填埋场，由于垃圾增幅过快，将于2 0 1 2 年被填满，而北京市的所有垃圾填埋场也将在5 年内饱和。 随着我国城市规模继续扩大，人口数量圾继续增加，产生的垃圾量不断增 加，垃圾的收运处理越来越受到重视，近年来提出了城市处置“无害化、减量 化、资源化 的原则。垃圾的收运处理，作为一个物流系统一般由收集、运输 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 和中转三部分组成，如图1 1 所示，这包括直接收运和设立垃圾压缩中转站， 将收集起来的垃圾压缩减容后再转运至垃圾填埋场或焚烧场。可以看出，无论 收集后的运输，还是中转处理，都需要垃圾压缩机对垃圾进行减容压缩。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。 | 垃圾收剿一瞎剃一| j ；立圾处删 lf i 中转i 一瞎剃 图1 - 1 垃圾集运系统示意图 f i g 1 - 1g a r b a g ec o n s o l i d a t i o ns y s t e md i a g r a m 建设部、国家环境保护总局、科学技术部于2 0 0 0 年6 月联合发文要求：“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、散落和滴漏，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”。生 活垃圾压块机正是适应时代的要求而设计的，它固定安装在垃圾转运站内，其 功能是将集中于中转站的垃圾倒入该垃圾压缩机的收集箱中，经过挤压、倾倒 的反复过程把松散垃圾挤压成高密度块状，并用推出装置将垃圾块从收集箱中 推至垃圾运输车上，然后将其运输至垃圾处理厂进行最终处理，防止对环境的 二次污染。 随着文明卫生城市的创建与发展，城市的垃圾数量在不断增加，垃圾转运 的路程在延长，能源价格不断飞涨，环境对垃圾转运过程的要求越来越高，实 行生活垃圾分类、压缩处理势在必行。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，其作用越来越明显，建立区域性的、相应规模的生 活垃圾中转站已经迫在眉睫。为了更有效的中转运输，对垃圾压缩机的需求量 日益增大，单靠进口国外的垃圾压缩机，不但成本高，而且也难以满足我国各 城市的需求。这迫使人们寻求高效、环保和高自动化的垃圾中转设备。 1 2 垃圾压块机介绍 1 2 1 垃圾压块机的特点与类型 垃圾压块机是实现垃圾压缩减容的主要设备之一，也是垃圾转运站的主要 处理设备。垃圾压块机是垃圾中转站的主要设备，是一种由液压系统控制的将 青岛科技人学研究生学位论文 收集来的垃圾进行压缩，以减少垃圾体积的设备。采用垃圾压块机使垃圾压缩 减容后再再用大吨位、密闭式专用车辆转运，提高垃圾收集运输的效率和质量， 这样既可减轻污水、废气在转运过程中对城市造成的二次污染，又可大大降低 垃圾的转运成本，是卫生、经济的合理选择。因此垃圾压块机在世界各地得到 普遍应用。 常见的垃圾压块机按安装位置是否位于地面以上分为地埋式和平台式。按 照压缩方向与地面的位置关系又可分为垂直式( 立式) 和水平式( 卧式) 。如 下图所示为使用较为广泛的几种垃圾压块机。 图1 2 地埋式水平压缩垃圾压块机 f i g 1 - 2u n d e r g r o u n dh o r i z o n t a lg a r b a g ec o m p r e s s o r ，、 图1 3 地埋式垂直压缩垃圾压块机 f i g 1 - 3u n d e r g r o u n dv e r t i c a lg a r b a g ec o m p r e s s o r 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 图1 4 平台式水平压缩垃圾压块机 f i g 1 - 4p l a t f o r mh o r i z o n t a lg a r b a g ec o m p r e s s o r 图1 - 5 平台式水平压缩式垃圾压块机 f i g 1 - 5p l a t f o r mh o r i z o n t a lg a r b a g ec o m p r e s s o r 地埋式垃圾压块机就是将一个大的长方体状垃圾箱埋于地下，地面上只露 出一个投料盖，运输车将垃圾倒在垃圾箱里，然后投料盖自动闭合，垃圾箱内 的液压缸推动压头对垃圾进行水平压缩，同时内置除臭系统进行除臭处理，垃 圾压缩成块后，污水经环保处理后排入地下城市污水管网。整个过程可设计成 半自动或者全自动遥控器操作，不会产生大的噪音和异昧，不会有垃圾被抛撒 出来，是一种比较科学的垃圾中转方式。但是地埋式垃圾压块机是一定要挖地 坑的，那么前期的基建费用就是一笔不小的投入，并且由于地埋式垃圾压块机 的许多装置位于地下，一是给安装、维修、保洁都带来不便，二者这种形式注 4 青岛科技大学研究生学位论文 定要求自动化程度很高，必然设备是比较昂贵的，适用范围受到限制。 平台式垃圾压块机相对于地埋式最大优势在于不需要挖地坑，土建费用低 其次整机位于地面之上，无论安装、维修还是保沽都比较方便操作。虽然弥补 了地埋式的一些缺点，但是目前国内现有的平台式压块机也存在不足之处，比 如上料没有地埋式方便，难以实现一次性大量上料，压缩效率较慢，再就是大 多设备不能实现将压实成型的垃圾快直接推到垃圾车厢内直接将垃圾运到填埋 场，而是将配套的集装箱直接运到垃圾填埋场，这样子导致垃圾中转站效率较 低。 对比了地埋式与平台式垃圾压块机的优缺点之后，我们再看一下国内外现 有的垂直式和水平式两类垃圾压块机的优缺点。垂直式是利用竖直压头向下运 动，将位于其下端的方形垃圾存储箱内的垃圾反复压实成块压缩设备。垂直式 垃圾压块机既有地埋式也有平台式，较普遍使用的是地埋式。平台式的一般上 料不便，要么需要单独设计送料装置，而且大多设计出来的整机过高。所以经 常看到和使用的是地埋式垂直压缩垃圾压块机。垂直式的优点在于压头运动方 向与重力方向一致，压缩有利，压缩比大，效率高，设备稳定可靠，使用寿命 长。但是通常要设计单独辅助设计提料装置和推出装置，结构设计相对复杂， 设备成本高。水平式的结构解决了这一缺点，大多水平式垃圾压块机将推出装 置与压缩装置合二为一，结构简化，且能满足使用要求。 综上分析可见，不同的结构形式的垃圾压块机各有利弊，但是无论何种结 构，现有垃圾压缩装置的主要装置( 压缩装置和推出装置) 以及辅助装置( 如 上料装置和闸门启闭装置) 大都采用了液压系统驱动控制。可以说，整个装置 的液压控制系统设计的好坏直接决定了垃圾压块机性能好坏。 1 3 国内外的发展状况 1 3 1 国外的研究发展状况 国外已开发出多种结构形式不同的垃圾压缩处理设备，如垃圾分类机、垃 圾粉碎机、垃圾压缩机以及瓶罐回收机等，而且技术比较成熟，自动化程度高， 但是价格较高。以德美日为代表的机电高度发达的国家，已经基本实现垃圾收 集压缩转运一体化、机械化和自动化。一般由垃圾车直接收集垃圾后运往垃圾 中转站或者处理厂进行压缩或者其他处理。有些城市建立了大型垃圾压缩转运 站或城市管道真空收集系统，其封闭性好，对环境无污染，而且自动化程度高， 减轻了人工劳动强度，但投资大，运行和管理费用较高，暂时还不适合我国国 情。 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 随着工业控制技术的飞速发展，各国在继续研发各种新型垃圾处理设备同 时，也在不断推进这类设备的自动化控制，开发更高效节能的控制系统。美国 早在上世纪六十年代就开始了垃圾压缩装置的自动控制研究，并于六十年代末 研制出由普通电子电气元件组合而成的简易控制系统。在八十年代时，美国又 成功研制出可以判断箱体内垃圾压实度的设备。进入二十一世纪后，计算机控 制系统的应用越来越广泛，越来越多的设备将计算机控制技术应用到垃圾压缩 处理过程中，研制出多种能够监测垃圾压缩装置箱体内垃圾压实度的设备。其 中大部分都是采用压缩装置的油压作为主要参数进行监测，当压缩装置的控制 液压缸中的压力达到预定值时即表明垃圾箱内垃圾压实，不再进行投料和压缩 处理。当然这种方法实用性不强，一旦垃圾成分比较复杂，就会造成监测精确 度不高。在垃圾压缩处理设备方面，欧洲所做的研究也取得较大发展。其中荷 兰的垃圾压缩设备发展最快最成熟，自动化和智能化程度较高。针对压缩箱内 垃圾压实度的监测问题，荷兰的设备较多的采用了压力作为主要的监控参数， 研制出一种新型的垃圾压实度智能监测设备，但同样是由于只采用压力这一唯 一参数进行监测，导致监测过程不是很精准，时常会发生误判断【3 】。 1 3 2 国内的研究发展状况 我国对城市垃圾处理尤其是压缩技术的研究起步较发达国家晚几十年，国 内专家学者对生活垃圾压缩特性及压缩设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较一般，严重影响了我国城市垃圾处理设备 的发展。当然，随着近些年来我国国际地位提高和各项国际事务的承办，国家 对环境保护越来越重视，政府每年投入大量资金用于城镇垃圾处理机相关技术 的研发。近些年来我国垃圾处理技术也取得一些进步。垃圾由原来的人工简单 转载，发展到今天的压缩预处理装载，控制技术也有原来简单的人工手动操作 变成现在的机电液自动控制。 目前国内对于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。随着竞争的进一步加剧，产品开发手段的完善和创新设计能力 的提升，必然成为各企业竞争的核心内容，也是企业做大做强的制胜法宝。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。 以往企业在设计压缩装置时往往是靠经验积累，其特点是适用性不广，而 且有时往往不可靠 4 】。在使用中，国内设计制造的垃圾压缩装置大多存在一下 青岛科技大学研究生学位论文 几方面问题：( 1 ) 上料不方便。有的设备需要单独设计上料装置，并且上料不 便，无法实现方便快捷的一次性大量上料。从而降低了设各工作效率。( 2 ) 压 实度不够。许多设备无法精确地监测何时垃圾箱内垃圾堆满，何时不需要再投 料压缩，何时需要及时推出垃圾块。( 3 ) 压缩比较小。由于液压缸或者压缩装 置设计参数不合理，提供的压缩力不够大，使得散装垃圾压缩成垃圾块时的压 缩比不够大，增加转运成本。( 4 ) 压缩装置的结构设计不够合理，设备可靠性 低，维护不方便。( 5 ) 自动化程度和控制精度低。国内设备大多采用传统继电 器控制，相比国外设备而言，自动化程度和控制精度有很大提高空间。 要想解决上述几方面的问题，就需要对垃圾压缩装置的整机设计进行深入 研究。国内有不少高校对垃圾压缩处理设备进行了分析、研究和设计。其【 l 广西大学的陈树勋教授通过研究垃圾压缩车的载荷情况，进行了有限元分析和 优化设计，实现了预期的优化目标【5 1 。山东理工大学的吕传毅教授针对垃圾压 缩处理装置和垃圾压缩车分别进行了分析研究与设计开剔6 1 ，取得了不少成果。 此外，同济大学的盛金良教授对不同类型的垃圾压缩车进行了综合比较与分析 研搿7 1 ，还有陈世和教授对城市垃圾处理系统进行了较深入的研究。 目前国内垃圾压缩机多采用继电器一接触器控制系统，自动化程度低、接 线复杂、维修困难。此外，国内的垃圾压块机的箱内垃圾压实度仍需操作人员 采用目测、敲箱听侧、根据压力表读数估测、送料计数推测等方法借助操作经 验来判断，常造成误判断，带来不必要的麻烦。不同于国外，我国垃圾还没有 做到生活垃圾分类回收，一般都是混合收集的，因此垃圾压块机作业对象不单 一，所以国外开发的那种通过单一参数来进行垃圾压实度监测的方法在国内并 不适用【3 1 。 当然国内也在垃圾压实度监测方面做过尝试，寻求过技术突破，曾经试图 采用称重的方法来测量垃圾压块成型箱的重量来监测压实度。但是采用称重测 量的方法理论上虽然合理，但是实际操作起来却不是用。原因是称重传感器找 不到合适的安装位置。垃圾压块机工作环境恶劣，这对抗污染能力较弱的电子 元器件造成致命影响。因此采用称重的方法检测垃圾压实度的方法没有得到普 及使用。 1 4 课题研究的目的和意义 基于以上对现有常见垃圾压缩装置的分析以及对国内外的研究发展现状分 析可知，研制出一套高效节能、稳定可靠、高自动化的垃圾压块机的液压控制 系统既是人类社会可持续发展的需要，也是工业发展到今天的水平所要求的， 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 有着其重要的现实意义和应用价值。在垃圾压缩过程中，为了减少对周围环境 的影响，垃圾压块机的箱体都是不透明的，这就给装载垃圾和压缩垃圾过程中 箱体内垃圾的装入量和压实程度判断带来极大困难。有的时候会因为装载不足 降低垃圾压块机的工作效率，增加运输成本；有的时候则可能会因为装入量过 大而导致关不上闸门导致垃圾溢出而增加人工劳动，既耽误工作时间又影响环 境卫生。本课题研究的目的有两个：第一、完成垃圾压块机的液压系统集成设 计并对其进行建模仿真；第二、通过运用先进工业控制技术，利用p l c 技术来 实现垃圾压块机的自动控制，完成垃圾压块机的电气控制系统设计。 通过本课题的研究，一方面提高我国垃圾压缩处理的智能化和自动化程度 另一方面进一步提高垃圾压块机的压缩比，从而降低垃圾处理转运成本和填埋 占地面积。此外，还要提高设备的工作效率以及可靠性和环保性。这对我国环 境治理，提升人民生活质量有着重要的现实意义。 1 5 课题研究的理论依据 1 5 1 液压技术的发展与研究现状 液压技术在二十世纪得到了快速发展。从二十世纪初用矿物油作为工作介 质这一新概念的引入，到三大类阀和柱塞泵的相继发明，再到电液伺服阀的诞 生和伺服控制理论的确立，再到插装阀和比例阀的不断问世，这些都是液压领 域里革命性的进步。近年来，随着电子技术、计算机技术、信息技术、自动控 制技术的不断发展和进步，液压控制技术也在不断发展创新，液压技术的发展 包含传动、控制与监测在内的自动化技术。如今，液压技术已渗入到各个学科 领域。液压控制技术正朝着高压、高速、大功率、高效率、低噪声、节能高效、 小型化和轻量化方向发展。液压控制技术以提高系统可靠性、降低总成本为目 标，研究和开发系统控制技术和机电液的综合技术 8 】。 1 5 2 液压系统的特点 液压传动是以液体作为工作介质，用液压能进行动力传递的一种传动形式。 它首先通过动力元件( 如液压泵) 将原动机( 如电动机) 的机械能转变为工作 介质的压力能，然后经过液压管路以及各种控制元件( 如流量阀、压力阀、方 向阀) 等，由执行元件( 如液压缸或液压马达) 将液体的压力能转变为机械能， 驱动负载，使执行元件得到所需的动力，完成所需的运动。 液压传动系统与机械系统、电力传动系统相比，具有如下特点【9 】： ( 1 ) 在同等功率的情况下，液压装置体积较小、重量较轻、惯性较小。 青岛科技大学研究生学位论文 ( 2 ) 在运行中能方便的实现无级调速，调速范围比较大，并且低速性能好。 ( 3 ) 工作相对较平稳，反应快而且冲击小，能频繁启动和换向。液压传动 装置的换向频率高，往复直线运动每分钟可达4 0 0 - , 10 0 0 次，回转运动每分钟可 达5 0 0 次。 ( 4 ) 易于实现自动化，且该系统控制调节比较简单，与电气控制配合使用 能实现复杂的顺序动作和远程控制。 ( 5 ) 易于实现过载保护，工作安全可靠，当系统超负载时，油液可以将溢 流阀流回油箱。而且液压传动以油液为工作介质，润滑性好，且功率损失所产 生的热量可由流动着的油液带走，避免局部温升，所以寿命长。 ( 6 ) 液压元件易于实现系列化、标准化、通用化。 ( 7 ) 易于实现回转、直线运动，且元件布置灵活。 正是由于液压系统的以上优点，使得液压技术在各行业得到广泛的应用。 本课题的垃圾压块机也很适合采用液压传动系统来控制。 1 5 3 液压系统仿真技术发展与研究现状 液压系统仿真技术经过几十年的研究发展通过前任的不断努力和钻研，已 经积累了不少宝贵的经验。它始于2 0 世纪5 0 年代，当时h a n p u n 和n i g h t i n g a t e 就分别作了液压伺服系统动态性能分心，那时采用的是古典控制理论中的传递 函数法，在一定范围内有独到的优点。它不仅能反应时域内的特性并且可以反 映在频域的特性。另外其函数中的参数与系统性能直接关联，很直观。加之以 往多奶奶发展中行程的判据完整，因此成为理论成熟、实用简单的方法，至今 还广泛使用。但此法只限于线性系统，非线性系统要进行线性化。这对于通常 都为非线性系统的液压装置就显示出了一定的局限性【l0 1 。 在2 0 世纪7 0 年代初期，国外开始利用计算机来对液压系统及其元件进行 仿真研究。1 9 7 3 年，美国成功研制出液压技术领域的第一个专用液压仿真软件 h y d s i m ，但该软件只能够完成动态特性的仿真计算，并且其数据输入较为复 杂。7 0 年代后期，随着仿真、流体力学、计算机、控制理论、最优化设计等多 种学科的同步发展，已经能够通过理论或实验方法来完成液压系统的数学建模 【9 】。7 0 年代末期以来，西欧和美国相继开发出许多快速、高精度、操作方便的 各类液压系统仿真软件，并且这些软件满足液压系统的静动态特性【1 1 1 。 液压系统仿真技术的研究在我国起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代 初，当时以上海交大、航空航天、大连理工和浙江大学一些高校为主，通过引 进国外仿真软件进行国产化，开发出了一些仿真产品。如上海交大自主研制开 发的针对液压原理图的仿真软件包h y c a d ；浙大流体传动及控制研究所刀：发 9 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 的液压系统及元件仿真软件d l y s i m ，但这些仿真软件与国外软件相比，还存 在很大的差距。 对液压系统进行仿真首要任务是建立数学模型，最困难的也是建立模型。 然后才可能进行计算机仿真研究，而建模是一件很复杂的工作。模型建立的好 坏将直接影响到仿真结果。正是基于建模过程的复杂性给仿真研究带来的不便， 近些年来国外又相继研制出一些更成功的液压仿真软件，1 9 9 5 年由法国 i m a g i n e 公司于推出的基于键合图的液压机械系统建模、仿真及动力学分析 软件a m e s i m 就是这些软件中杰出的代表【1 1 1 。a m e s i m 迄今已发展到r e v l 0 版本，该软件包含i m a g i n e 的专门技术，能为工程师设计提供交互能力。 a m e s i m 为流体动力、机械、热流体和控制系统提供了一个完善优越的仿真环 境及灵猴的解决方案，可在制动系统、动力传递、机电系统和冷却系统中很好 的应用，使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案来研究任何元件或者 回路的动态特性。 1 5 4 p l c 控制技术 可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) ，它采用一类可 编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数 与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的 机械或生产过程。p l c 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成 一个整体，易于扩展其功能的原则而设训1 0 】。 在p l c 的控制过程中，可以对数字量进行控制，如各种开关、电机的启停 等等。同时还可以对于生产过程中的模拟量进行控制，如温度、压力、速度等。 这些模拟量都是连续变化的，当p l c 对模拟量进行采集时以及处理时，就必须 对其进行模拟量与数字量之间的转换。在处理中，是通过自带的a d 转换及 d a 转换模块进行实现的。在p l c 的过程控制功能中，我们可以实现对众多模 拟量的闭环控制，如压力闭环控制、温度闭环控制等】。在程序的编制过程中， 可以用控制算法程序来实现闭环控制【1 1 】【1 2 】。 1 6 课题研究主要内容 本论文在对垃圾压块机进行充分调研的基础上，通过阅读、分析及综合大 量文献，对垃圾压块机的液压控制系统进行了研究和设计。利用液压驱动系统 和p l c 控制技术来完成设备各装置的动作控制，实现垃圾压缩和转运过程中的 各种工况。同时利用软件进行了液压系统的建模仿真，得到良好的效果。论文 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 主要包括以下几个方面： ( 1 ) 垃圾压块机结构分析研究与设备定型。结合国内外现有垃圾压块机，参 考了大量相关文献和资料，分析了多种结构形式的垃圾压块机的优缺点。最终 确定了本课题选用的垃圾压块机结构形式为地埋式水平推压一体式结构，使得 设备结构紧凑，高效环保的特点。 ( 2 ) 垃圾压块机的液压系统设计。通过对垃圾压块机工艺流程的分析，根据 垃圾压块机需要实现的各项动作和所有动作的循环顺序，进行了液压系统设计。 不仅绘制了液压原理图，并且对液压系统各元器件主要参数进行了设计计算和 选型。为了简化液压站和管路布置，选用叠加阎来进行液压系统的集成化设计。 ( 3 ) 液压系统仿真分析。采用先进的液压仿真软件a l i i e s i m 对垃圾压块机的 升降装置和压缩推出装置的液压系统建立了仿真模型。主要对液压缸活塞朴的 速度和位移控制特性进行了仿真分析，根据仿真结果来进一步完善液压系统设 计，使得最终设计液压系统可满足本课题的设计要求。 ( 4 ) 利用p l c 进行电气控制系统设计。通过不同控制方案对比，选定p l c 来对垃 圾压块机的电气控制系统进行软硬件设计。硬件设计方面，完成p l c 的选型、i 0 地址分配等设计；软件方面，完成系统流程图及梯形图的编制，进行程序的编译 及调试。 1 7 本章小结 本章首先分析了当前我国城市生活垃圾处理技术和现状，介绍了垃圾压块 机的应用特点和不同结构类型的压缩装置的优缺点，在对比了国内外垃圾压缩 装置的发展和研究状况后，提出了本课题的研究目的、意义以及完成本课题的 理论依据，并对本课题的研究内容作了介绍。 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 青岛科技大学研究生学位论文 2 垃圾压块机的液压系统的设计 2 1 垃圾压缩机结构及工作原理 垃圾压块机是实现垃圾压缩减容的主要设备之一，也是垃圾中转站的主要 处理设备。它是一种将收集来的松散垃圾进行反复压缩成块，以减少垃圾体积 的设备，通常要求压缩比达到1 ：3 以上。考虑到具有高压力、大功率、变负载 的控制特点，采用液压系统来实现动力的传递。 垃圾压块机在垃圾中转站的工作流程如下图2 1 所示： 营_ 蚕 燃举升鞯 转运 图2 - 1 垃圾压块机的工作流程图 f i g 2 - 1w o r k f l o wo f g a r b a g ec o m p r e s s o r 本课题所设计的垃圾压块机主要应用于小区、学校、医院等场合。其结构 主要包括压块装置、推出装置、升降装置、闸门控制装置、喷雾除臭装置、排 污装置、液压系统及电气控制系统等部分。由于此垃圾压块机是采用水平压缩 推出的方式，故将压块装置和推块装置合二为一，设计为一体。整机结构如下 图2 2 所示： 垃圾压块机液压控制系统的设计与研究 图2 - 2 垃圾压块机二维结构图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fg a r b a g ec o m p r e s s o r 1 出料口闸门2 主箱体3 液压升降支架4 上料口闸门5 压缩推出装置6 表面盖板 工作原理：当有垃圾被送来时，垃圾压块机的上料口闸门在液压缸作用下 打开，垃圾车将散状垃圾从压块机箱体项部的入料口倒入压块机的储料仓内， 之后上料口闸门关闭。这时压头在主液压缸的推动下将垃圾向成型箱内反复推 压成块，而挤压过程产生的垃圾渗滤液将通过管道流入城市排污系统。当压缩 成块并且垃圾箱满时会蜂鸣报警，提示应该将垃圾块推出。转运垃圾时垃圾箱 在顶升油缸的驱动下自动升出地面，推出装置的出料口与垃圾转运车对接。箱 体的出料口闸门处的锁紧扣打开后，闸门在液压缸控制下完全开启，然后推出 装置( 也就是之前的压缩装置) 的压头在液压缸的推动下将压好的垃圾块推至 垃圾车的车箱内。完毕，将带有消毒、除味的液体在高压喷枪作用下完成清洗， 再自动将垃圾箱回位到水平面。这样就完成了垃圾的压块、推出、转运的一次 循环过程。提高了转运效率，降低了转运成本。 2 2 液压系统设计 液压系统设计的好坏直接决定了设备的整机工作性能。液压系统的设计是 整个机器设计的一部分，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压 传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系 统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统