（机械制造及其自动化专业论文）垃圾压缩动力学分析及压缩机构创新设计.pdf

垃圾压缩动力学分析及压缩机构创新设计 摘要 垃圾压缩是减少城市生活垃圾处理费用的主要手段 垃圾压缩的 动力学分析对高效率压缩设备的研发具有重要意义 总结了垃圾的成 分特点和变化趋势 压缩过程的主要特点表现为垃圾混合物在力的作 用下其内部空隙不断减小 建立了基于变模量弹性阻尼模型的垃圾压缩力数学模型 结合试 验方法和虚拟样机技术 求出了一组较优的压缩力数学模型的参数 该模型的仿真结果与试验结果的一致性程度较好 且压缩力模型产生 的误差在可以接受的范围内 介绍和分析了一些常见的垃圾压缩装备的主要结构和工作特点 分析了各类型压缩装备的主要不足及其原因 对后装压缩车装填垃圾 时的压缩装填力进行了受力计算 对后装车在压缩最后阶段进行动力 学仿真 仿真结果与理论计算值和试验结果的相似度都较好 计算了水平压缩机的压头 拉钩和锁紧钩的受力 压缩时垃圾受 自重的影响不大 比较接近均匀分布 对机构进行了改进创新 改进 后的机构优化了传动方案 结构简单 改善了机构的受力 在极限工 况下对后装压缩车和水平压缩机的关键部件进行了有限元分析 获得 了各自位移和应力分布 关键词 垃圾压缩动力学分析虚拟样机创新设计仿真 d y n a m i ca n a l y s i s0 nr e f u s ec o m p r e s s l 0 n a n dc r e l 钢 i v ed es i g no fc o m p a c t i n g m e c h a n i s m a bs t r a c t g a r b a g ec o m p r e s s i o ni s am a i nm e t h o dt or e d u c et h ed i s p o s a l e x p e n s eo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e m s w d y n a m i ca n a l y s i so ft r a s h c o m p r e s s i o np l a y sas i g n i f i c a n tp a r ti nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f e f f i c i e n tw a s t e c o m p a c t i o nd e v i c e s i n g r e d i e n t s c h a r a c t e r i s t i ca n d v a r i a t i o nt e n d e n c yo fm s wi ss u m m a r i z e d t h e nc o m et oac o n c l u s i o n t h a tt h ec o m p r e s s i o np r o c e s sa c t u a l l yi s r e d u c i n go fi n t e m a lg a po f g a r b a g em i x t u r eu n d e r t h el a r g e rs t r e n g t h t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o m p r e s s i o nf o r c ei se s t a b l i s h e db a s e d o nt h em o d i f i e dm o d u l ee l a s t i cd a m p i n gm o d e l u s i n ge x p e r i m e n t a l m e t h o da n dv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y w eh a v eg o tas e to fp a r a m e t e r s o fm a t h e m a t i c a lm o d e lt h a tr e p r e s e n t sc o m p r e s s i o nf o r c ew e l l w i t ht h e s i m u l a t i o nw h i c ha p p l i e df o rt r a s hc o m p r e s s i o n r e s u l ti sg a i n e dt h a t m e a s u r e si ns i m u l a t i o na n dt e s ta r ev e r ys i m i l a r a n de r r o rf r o m c o m p r e s s i o nf o r c em o d e lw i t h i na m i n o r s c o p e i i t h ea r t i c l eh a di n t r o d u c e da n da n a l y z e dt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r o c e s so fs o m ec o m m o nt r a s hc o m p r e s s i o n e q u i p m e n t w h o s em a i ni n s u f f i c i e n c yt o g e t h e rw i t hi t sc a u s eh a ds t a t e d f o r c ea n a l y s i si sc a r r i e do nf o r c o m p r e s s i o nf i l l i n gs t r e n g t hw h e n b a c k l o a d i n gc o m p r e s s i o nr e f u s ec o l l e c t o rg a t h e rr u b b i s h a sw e l la s d y n a m i c s s i m u l a t i o nf o rf i n a l s t a g e o fl o a d i n gf l a s hi sr u n t h e s i m u l a t i o nr e s u l tc o i n c i d e dw e l lw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls i t u a t i o n t h ef o r c eo fh o r i z o n t a lr e f u s ec o m p a c t o r sp u s h e r p u l l i n gh o o ka n d l o c k i n gh o o kh a dc a l c u l a t e d w h i c hr e v e a l e dt h a tt h ec o m p r e s s i n gf o r e c l o s et ou n i f o r md i s t r i b u t i o nb e c a u s eg a r b a g e ss e l f w e i g h th a dn o n o t a b l ei n f l u e n c ew h e ni ti sc o m p r e s s e d i m p r o v e m e n to rc r e a t i v ed e s i g n h a db e e na p p l i e dt os o m em e c h a n i s m w h i c ho p t i m i z e dt h et r a n s m i s s i o n p r o g r a m s i m p l i f i e dt h es t r u c t u r e a n di m p r o v e dt h eo r g a n i z a t i o ns t r e s s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a dc a r r i e do nu n d e rt h em a x i m u ml o a df o rk e y c o m p o n e n t o fb a c k l o a d i n gc o m p r e s s i o nr e f u s ec o l l e c t o ra n dt h e h o r i z o n t a lr e f u s e c o m p a c t o r w h i c ho b t a i n e dt h e c o m p o n e n t s d i s p l a c e m e n ta n d s t r e s sd i s t r i b u t i o n k e yw o r d s t r a s hc o m p r e s s i o n d y n a m i ca n a l y s i s v i r t u a lp r o t o t y p e c r e a t i v ed e s i g n s i m u l a t i o n i 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 本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容 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 务 论文作者签名 关 砂 沪卵年 月z 歹日 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 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 囱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 论文作者虢器乳导师签砺1 1 年6 呷日 f 西大掣啊页士掌位论文触 改压缩动力学分析及压缩机构创新设计 第一章绪论 1 1 城市生活垃圾处理现状 1 1 1 城市生活垃圾产量 随着工业化进程的加快 经济的高速发展 城市人口密度的增大及城市人均 生活水平的提高 入口越来越多的向城市涌入 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 据预测 2 0 1 0 年我国城市生活垃圾产生量将达到2 6 4 亿吨 m 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 1 1 2 生活垃圾的处理方法 对生活垃圾的处理目前主要有三种方法 堆肥法 焚烧法和卫生填埋法 5 7 1 堆肥法 垃圾堆肥是在一定温度下 对垃圾进行发酵 生物分解 将其中的有机物质 转化为农作物所需要的腐殖土 使垃圾达到无害化的一种方法 这种方法比较简 单 投资少 可以做到垃圾资源化 2 焚烧法 低位热值大于4 1 8 0 k j l 喀 含水率低于5 5 的垃圾 引 该方法是将垃圾放在特 殊设计的封闭炉中 在1 0 0 0 2 左右烧成灰 然后再填埋 此法可使垃圾体积缩小 5 0 9 5 具有减害 稳定和无害化效果的优点 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 空气及周围环境造成污染 卫生填埋以 其处理成本低 技术简便 适应性强 是目前世界上使用最多的垃圾处理方式 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 从发 g 西大掌硕士掌位论文捌嘣 压缩动力学分析乃压缩机构创新设计 达国家城市采取上述三种处理技术的比例看卫生填埋大体占6 0 7 0 焚烧占 2 5 3 0 堆肥占5 l o 总体看 仍以填埋法为主 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 瑞士等国家采用焚烧法比例较大 到 9 0 年代均达到7 0 以上 据最新资料显示 近年来发达国家对焚烧法普遍产生浓 厚兴趣 采用焚烧技术处理城市生活垃圾的比例呈明显上升趋势 与其不同的是 发展中国家目前大多仍以填埋法为主 9 1 0 1 1 2 研究目的和意义 1 2 1 垃圾压缩是垃圾集运发展方向 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 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莫大的好处 i m 3 l 垃圾的处理包括垃圾的收集 运输与最终处理 见图1 1 图卜1 垃圾综合处理系统简图 f i g 1 lt h ep r o c e s s e so f r u b b i s hg a t h e r 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 2 广西大掌硕士掌位论文捌瞄玟压缩动力学分析及压缩机构创新设计 如果采用原来普通的运输方式 由于自然堆积的垃圾密度较小 不能充分利 用运输车辆的运载能力 从而造成垃圾运输过程中的亏载 导致垃圾转运效率低 所以 降低垃圾转运费用是降低整个城市垃圾处理费用的关键 近年来城市生活垃圾密度在不断降低 垃圾的可压缩性大大增加 如果对垃 圾进行压缩减容 那么垃圾运输中的亏载问题就能很好地解决 垃圾压缩后 一 次运输的垃圾量增加 可以提高运输效率 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 1 2 2 垃圾压缩装备的研究具有良好经济前景 既然垃圾压缩能够有效地减少垃圾处理费用 那么对垃圾压缩装备的研究就 具有良好的经济前景了 垃圾压缩装置可以配备在运输车上 即压缩式垃圾车 也可以放置在垃圾中 转站里 即垃圾压缩机 与发达国家相比 我国对垃圾压缩设备的研究起步较晚 目前对压缩装备的设计主要参考国外国的同类产品 所以对垃圾压缩装备展开研 究 具有重要的意义 提高自主创新能力 来提高国内企业的竞争力 目前 国内一些中小城市的垃圾车数量上极为不足 需要投入大量的人力收 运垃圾 引入一定数量的压缩式垃圾车的将可以减少环卫部门的人力投入 并提 高收运效率 另外 垃圾中转站数量上大为不足 如南宁现有3 7 座垃圾中转站 而按照相关标准还需建1 0 0 多座 1 4 15 1 从而 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 3 新型研究方法的应用具有重要意义 课题将利用虚拟样机技术对压缩装置进行分析和动力学仿真 建立了能充分 模拟物理样机的虚拟样机模型后 利用新型的多学科耦合仿真技术 能够方便地 测试模型各项性能参数 从而进行分析 验证以及最终的创新设计 虚拟样机技术应用于垃圾压缩设备研究的最大优势是能够迅速地建立 修改 和优化模型 并根据分析结果对垃圾压缩装备进行改进或者创新 这将有助于减 少设计与实验工作的盲目性 重复性 并大大降低设计与试验费用 课题研究的 意义如下 1 利用一套先进的设计理论 设计与试验方法 为垃圾压缩装置的方案 3 广西大学硕士掌位论文垃圾压缩动力学分析刀u 玉缩射 勺创新设计 设计 参数选择和仿真优化等提供科学的依据 2 提出具有一定实用价值的相关结论 推动我国高性能 高质量的垃圾 压缩装置的发展 3 课题研究突出实用性 能产生良好的社会效益和经济效益 为我国的 环保事业做出一定贡献 1 3 研究现状与存在的问题 1 3 1 国内外研究现状 对生活垃圾的研究 国内外专家和学者主要集中在以下几点 垃圾车的工作 装置 垃圾中转站设备 垃圾填埋场的沉降特性 垃圾管理系统 1 垃圾车的工作装置 垃圾中转站设备方面 主要是垃圾压缩装备及其 配套装置的设计研究 在这方面 国外研究起步早 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 1 6 1 9 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方面的开发研究也取得了很大成果 较集中的研究主要在山东理工大学 同济大学 哈尔滨工业大学 浙江大学和北 京科技大学 其中 山东理工大学的吕传毅和杨先海两位老师对垃圾中转站设备 进行了开发研究 同济大学的盛金良教授对垃圾车的工作装置进行了开发研究 广西大学陈树勋教授等探讨了垃圾压缩车的载荷情况的数学模型 目前国内很多 企业加入到垃圾压缩与转运设备的生产行列 企业自行研究生产的压缩机已经使 用在中小型垃圾中转站 街道上运行的各式垃圾车也大多是国内自主开发的 2 垃圾填埋场的垃圾沉降特性方面 国内外学者根据长期对已建的卫生 填埋场进行沉降观测和试验 得出了沉降特性的计算模型 对卫生填埋场的沉降 计算可以选用土力学中较为成熟的模型 如d u n c a n c h a n g 本构模型 不过国内外 学者也研究提出了许多其他基于经典土力学理论的垃圾沉降的数学模型 y e x a n ds e a n l o n 1 9 7 5 的对数模型 e d i le ta 1 1 9 9 0 的幂函数模型 h o eil i n g 1 9 9 8 的双曲线模型 m a r q u e sa n df i l z 2 0 0 2 复合压缩模型 国内浙江大学的陈云敏教 授等也研究总结出了次压缩及生物降解引起沉降的计算公式 2 0 2 2 1 4 广西大学硕士学位键慧 捌 致压缩动力学分析蕴压缩机构创新设计 3 垃圾管理系统方面 指从垃圾的产生到最终处理所有过程的控制 监 督 规划和管理 实现对垃圾 从摇篮到坟墓 整个流程的监控 主要内容包括 垃圾来源的控制 垃圾分类收集 垃圾综合管理 垃圾分选技术 垃圾管理法规 制定 垃圾回收利用 垃圾处理产业化 垃圾物流系统综合优化等 2 3 2 8 因为垃圾的综合治理是一个社会问题 对此 许多国内外学者 社会工作者 都提出过各种意见和方案 从事相关研究的各学科研究人员也非常多 在具体实 施方面 一些发达国家已经实现对垃圾的产生 收集 存放 运输 分送 加工 回收 处理 最终处置等全过程实现全面的 综合的 封闭式管理 一环扣一环 形成链式管理 普遍制定了一个由法律 经济 管理相结合的三位一体的政策 在这些方面 瑞典 日本 美国等对垃圾从源头上控制的方法就能够为我们 提供一定的可供借鉴的成功经验 禁止和限制一次性物品的使用 垃圾实行严格 的分类收集 对可重复利用的成份回收利用实现资源化 在把垃圾变为一种廉价 资源的同时 也减少了垃圾处理费用 在我国 由于各种原因垃圾综合治理的程 度不高 但随着经济条件的改善和政府监管力度的加大 中国对垃圾的综合管理 正在不断加强和完善 1 3 2 主要存在的问题 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就 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 1 垃圾压缩力学计算问题 因为垃圾成份极为复杂 研究垃圾在压缩时的力学特性十分困难 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 冽 p 风 o 0 3 1 o q o 硒 1 1 式中 一一平均应力和平均应变 p p o 一一压实密度和初始密度 5 g 西大掌硕士学位论文垃圾压缩动力掌分析及压缩机构创新设 f r 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 3 0 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 2 压缩最优压力问题 根据实际经验 压实度与压力的曲线必然形如图1 2 所示的斜率减小的增函 数 压缩垃圾的压力越大 垃圾的压实程度必然越好 但压力提高意味着制造成 本的增加 液压油泵和液压阀的要求增高 液压油缸的缸径增大 压头和车厢的 强度也必须提高 所以应该综合考虑各种因素 找到一个合适的系统压力 使系 统压力和垃圾压缩比 造价等因素达到最佳 即寻求最经济的系统压力 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 根据试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 压实度 图卜2 压力与压实度关系不意图 f i g 1 2s i m p l ed 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 3 某些类型压缩装备的缺点及不足 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 6 f 西大掌硕士掌位论文鲫嘱孤压缩动力掌分析及匿缩机构创新设计 而在远离刮板的车厢前部 垃圾的分布相对松散 甚至有的区域没有垃圾 也就 是垃圾分布不均很严重 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一定的进一步改进和优化 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 关于垃圾压缩装备的缺点和不足的分析及改进方法的探讨 将在后文进一步 阐述 1 4 主要研究内容 本课题是广西区2 0 0 7 年度科学基金项目 桂科1 刍0 7 2 8 0 31 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 论文将从以下几个方面展开 1 收集全国主要城市的生活垃圾的成分特点并归纳分类 7 广西大掌硕士掌位论文 捌瞄瓦压缩动力掌分析及压缩机构创新设计 2 对生活垃圾的压缩过程进行试验研究 测试机构或垃圾的受力大小 得出 压缩过程中受力大小的一系列数据 3 通过对数据分析 建立数学模型 得出压缩过程中生活垃圾所表现出的主 要力学特性 4 收集 分析整理现有的压缩机构的特点及存在的缺点 应用虚拟样机技术 对压缩机构进行改进和创新设计 5 建立几种压缩设备主要机构的模型 模拟机构的工作情况进行动态仿真 并对某些关键部件进行结构的有限元分析 8 广西大掌叼旺b 掌位论文捌嘣醍压缩动力掌分析及压缩机构创新设计 第二章城市生活垃圾成分及其压缩特性 2 1 生活垃圾成分特点 要对垃圾压缩装各进行创新设计 有一项重要的任务就是分析垃圾压缩时的 力学特点 从而可以利用虚拟样机技术对垃圾压缩过程进行动态仿真 利用计算 机辅助分析手段对垃圾压缩机构进行改进和创新设计 并为机构的优化提供依 据 这需要从研究垃圾的成份对垃圾力学特性的影响入手 2 1 1 生活垃圾组成 1 生活垃圾组成和分类标准 按照 城市生活垃圾分类及其评价标准 的行业标准 生活垃圾成分分类有 十种 3 l 见表2 1 表2 一l 城市生活垃圾分类 分类类别内容 可回收物 大件垃圾 可堆肥垃圾 可燃垃圾 有害垃圾 其他垃圾 包括下列适宜回收循环使用和资源利用的废物 l 纸类 未严重站污的文字用纸 包装用纸和其他纸制品等 2 塑料 废容器塑料 包装塑料等塑料制品 3 金属 各种类别的废金属制品 4 玻璃 有色和无色废玻璃制品 5 织物 旧纺织衣物和纺织制品 体积较大 整体性强 需要拆分再处理的废弃物品 包括废家用电器和家具等 垃圾中适宜于利用微生物发醉处理并制成肥料的物质 包括剩余饭菜等易腐食物类 厨余垃圾 树枝花草等可堆沤植物类垃圾等 可以燃烧的垃圾 包括植物类垃圾 不适宜回收的废纸类 废塑料像胶 旧织物用 品 废木料等 垃圾中对人体健康或自然环境造成直接或潜在危害的物质 包括废日用小电子产 品 废油漆 废灯管 废日用化学品和过期药品等 在垃圾分类中 按要求进行分类以外的所有垃圾 2 影响垃圾产生量与成分的因素 生活垃圾是有很多种物质组成的混合物 而这些组分的含量变化性也很大 9 广西大掌硕士学位葭譬赶垃圾压缩动力掌分析及压缩机构创新设q t 影响垃圾生产量和组分的主要因素有 1 人口的影响 3 2 3 3 人口是影响城市垃圾产生量的重要指标 城市生活垃圾产量的公式可以简单 表示为 q q n 2 1 式中q 一一城市垃圾日产量 t d q 一一城市垃圾人均日产量 k g 人 d n 一一城市人口数 2 生活能源结构的影响 3 4 s 生活能源结构对垃圾的产量影响较大 主要使用天然气的区域垃圾产量明显 低于主要使用煤碳的区域 约为后者的1 2 二者的垃圾的组成也大不一样 燃 气区的易腐物比例都很高 一般为7 0 左右甚至更高 而灰渣比例很低 多在1 0 以下 可回收物比例一般都大于1 0 垃圾含水率约为5 0 而燃煤区情况相反 易腐物约2 0 灰渣7 0 左右 可回收物为5 左右 含水率约为2 5 3 地域的影响 北方地区城市人均日产垃圾量明显高于全国平均值 南方城市则低于全国平 均值 北方的垃圾含水量普遍低于南方城市 与国外城市生活垃圾相比 我国城 市生活垃圾成分复杂 各城市间的垃圾成分相差也很大 见表2 2 3 6 使得垃 圾分类 回收利用以及综合处理等方面 存在一定的技术难度 表2 2 我国部分城市垃圾组成情况 1 0 4 西大掌硕士学位论文垃圾压缩动力掌分析及压缩机构创新设 t t 常州 1 9 9 7 4 4 4 03 4 6 03 5 63 1 51 8 07 9 5 o 3 5 0 1 0 44 8 4 7 武汉1 9 9 95 7 4 41 9 7 25 0 61 1 50 9 09 5 1 3 0 23 1 8 杭州 1 9 9 75 8 1 92 4 0 03 6 8 2 2 31 2 06 6 2i o l 2 0 9o 9 85 3 6 宁波1 9 9 95 5 9 01 5 6 05 1 04 5 01 0 01 3 8 0 无锡 2 0 0 06 9 0 51 4 2 3 4 64 24 7 2 深圳1 9 9 95 0 6 27 9 61 4 2 46 7 27 1 61 3 3 0 温州1 9 9 84 4 7 0 1 7 9 0 7 鹋1 6 91 8 72 3 8 6 福州2 0 0 06 0 1 7 1 3 7 24 2 1 0 6 6 南京 1 9 9 65 2 0 02 0 6 44 9 01 1 31 0 8 1 1 2 0 合肥 1 9 9 64 4 9 7 2 8 4 03 5 72 9 82 5 21 0 2 2 盘锦1 9 9 96 4 5 02 0 东莞 2 0 0 2 3 2 2 3 4 11 51 3 6 4 4 1 6 0 67 8 3 5 8 1 9 2 8 3 2 0o 5 0 3 0 0 2 2 1 3 01 0 05 2 o o 3 3 55 7 5 4 0 91 2 8 4 2 4o 8 0 2 3o 55 0 3 3 76 1 04 8 9 8 已归入其它类或缺省 4 季节的影响 在同一地区不同季节的垃圾成分也不同 比如夏天果皮较多 秋天树叶较多 主要表现为上半年的垃圾含水量高于下半年 5 生活水平的影响 发达国家的垃圾中无机物少 有机物多 我国垃圾成分的主要特点是无机物 多 有机物少 可回收的废品也少 我国的深圳 台湾等个别地区由于垃圾含水 量较高使统计的有机物含量大为偏高 但事实上 我国绝大部分地区城市生活垃 圾的特点是无机物含量高于有机物 不可燃成分高于可燃成分 3 7 1 且在有机成 分中 以生物质所占比例大 纸张较少 无机成分中 以灰土砖石为主 玻璃 金属等的含量低 表2 3 部分国家城市垃圾组成与我国上海 深圳 台湾垃圾组成比较 l l 广西大学硕士学位论文垃圾压缩动力掌分析及匿缩机构创新设计 随着国民经济的发展和人民生活的提高 我国城市生活垃圾成分也不断变 化 变化趋势为 比重有下降的趋势 含水率逐年提高 无机成分逐年减少 可 燃成分和热值逐年提高 纸张 塑料 金属 玻璃等可回收利用的成分逐年增加 约占垃圾总量的2 0 左右 不过目前中国城市生活垃圾的主要特点仍然是 低热 值 高水分和厨余垃圾占多数 2 1 2 南宁生活垃圾特点 获得南宁市的生活垃圾产量和组成成份的调查数据 有利于对本市垃圾处理 费用进行预算 还可以用来评价本市生活垃圾的最佳处理工艺 例如本市生活垃 圾是否适于焚烧法 堆肥法 如果采用综合处理的方法 则有利于确定3 种处理 方法的各自权重 以充分利用各套处理设备 合理提高资源利用率 1 生活垃圾产量 根据南宁市环卫处1 9 8 6 1 9 9 8 年间统计 生活垃圾的最大产量为2 5 6 万吨 日平均产量7 0 1 t d 最小产量为2 2 6 万吨 日平均产量6 1 9 t d 1 9 9 9 年最高日产 量达1 0 0 吖d 并预计今后的年递增量将大于5 2 生活垃圾成份 与其他南方城市一样 南宁市的生活垃圾中无机成份和含水率较高 垃圾成 份有如下特点 1 无机类含量高 可燃物含量低 垃圾中煤渣 砂土等无机物含量高 2 有机类物质中 纸张 橡胶等高热值物质少 垃圾热值较低 3 有机类物质中主要以厨余垃圾为主 垃圾含水率高 表2 4 2 5 为南宁市生活垃圾组成特点 表2 6 给出了南宁市生活垃圾的理化 性质p 8 1 表2 4 南宁市1 9 8 6 1 9 9 8 年生活垃圾成份调查汇总表 1 2 广西大学硕士学位铭吁 墟娟u 毛缩动力掌分析及压缩机构创新设计 年度 动物 植物 纸类塑胶 纺多纤 金属玻璃陶瓷砖 灰土 维 瓦 1 9 8 6 1 9 9 2 1 9 9 7 2 7 5 4 8 2 1 0 4 5 2 2 2 7 3 5 3 6 4 4 2 2 1 8 5 3 1 4 6 2 7 1 0 9 4 3 3 4 4 2 o 5 5 1 2 7 1 8 5 0 6 4 0 3 6 o 7 3 o 6 3 1 2 2 3 l 3 6 3 3 1 2 4 4 6 6 7 2 4 4 6 l 2 6 5 3 1 9 9 87 84 6 15 4 3 7 1 31 7 51 11 8 92 8 9 2 6 5 7 表2 5 南宁市1 9 8 6 1 9 9 8 年生活垃圾成份调查汇总表 年度t m 3 篓一 植0 燃急蓁孽嚣 e k c a 披热g 糟物 2 物 1 9 9 2 4 6 6 1 1 9 9 7o 3 3 66 7 2 5 3 3 9 3 2 8 4 4 1 4 4 2 2 9 7 4 1 2 5 4 9 0 5 1 4 5 2 3 9 6 4 5 4 6 7 1 9 9 8 0 3 3 26 7 9 83 2 0 26 4 74 6 1 1 4 2 91 5 15 3 78 3 2 表2 6 南宁市生活垃圾的物理化学性质 2 2 垃圾压缩特性 2 2 1 影响垃圾力学性质主要指标 从理论上研究垃圾的力学特性 首先需要建立垃圾的力学模型 影响生活垃 圾的力学性质的主要指标如下 3 9 4 1 垃圾组分含量比 生活垃圾各组分占垃圾总量的百分比 按式2 2 计算 l r 成分含量比 重量百分比 皇x 1 0 0 2 2 j 式中w l 一一风干的同一成分重量 k g w 一一被分析的混合垃圾 整体垃圾 重量 k g 含水量 w 3 城市生活垃圾中存在着含水物质 吸水物质和孔隙水 使得 这个混合物有一定的含水量 城市生活垃圾含水量是指单位重量的原城市生活垃 广西大掌硕士学位论文捌嚆醍压缩动力掌分析乃o 缩机构创新设 h 圾在 1 0 s 1 1 0 c 烘箱中烘至恒重时的损失量 容重 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 度的一个指标 容重 矿 丝 2 3 v 式中m 一一垃圾重量 v 一一垃圾所占体积 2 2 2 生活垃圾力学模型 1 线弹性体模型 线弹性体模型可以用一个弹簧表示 该模型的特点是其应力与应变间的关系 服从虎克定律 即线性关系 在施加荷载后 弹簧的变形立即发生 在所受应力 为恒量时 应变不随时间发展而变化 即无蠕变现象 卸载后 弹簧的变形立即 恢复 即应变是完全可恢复的 4 2 4 3 1 材料的应力o 与应变 成正比 其正比例值 为弹性模量 本构方程表示为 盯 如 2 4 但是线弹性体模型有其基本假设 均匀连续介质 线性小变形 因为垃圾并 不是均质的 且垃圾体内具有很多宏观上的间隙 所以简单地对把垃圾整体看作 线弹性体 显然是不符合实际的 但是线弹性体模型的表达式简单 模型参数可以通过简单试验测试得出 如 果对其进行一些处理 改用等效的弹性模量 也可以给垃圾的力学计算带来方便 但如果试验得出其各向异性和非线性程度较高 就要使用一般弹性本构方程 使 公式变得较复杂 另外在研究垃圾压缩成块问题时 如果还使用弹性模型 势必要引入卸载过 程中的永久变形或者变形不可逆问题 此时 虽然可以在亚弹性体或变模量弹性 体的基础上构造本构模型 4 4 4 5 1 但这些模型很复杂且应用不广 不可能得到既简 洁又在数学上严密的公式 2 粘滞体 粘滞体又称n e w t o n 流体 它模拟物体的粘滞性 结构模型用一粘壶表示 如图2 l 所示 它是由圆简内装满一种粘滞性液体及一个可移动的穿孔活塞组成 1 4 垃圾压缩动力掌分析及压缩机构创新设计 圆筒中液体的应力与应变关系完全符合服从粘滞定律 粘滞体在受应力是恒量 时 应变随时间的发展而变化 有蠕变现象 卸载时 应变也不会恢复 即存在 永久变形 粘滞体只具有粘滞性 而无弹性和强度 没有瞬时应变 州刀 模型的 应力 与应变速率i 之间成正比关系 本构方程表示为 o h 2 5 图2 1 粘滞体 f i g 2 1v i s c o u sb o d ym o d e l 该模型一般多与其他模型并联或串联起来 以附加时间效应 但是粘滞体模 型的参数在试验中测量起来比较困难 在考虑垃圾压缩的实际问题时一般并不会 考虑蠕变效应 引入这个模型并没有多大实际意义 3 塑性体模型 塑性理论提供了描述材料弹 塑性响应的数学关系 在不考虑应力应变的时 间效应下的塑性理论有三个组成部分 屈服准则 流动准则和强化准则 屈服准则决定着屈服产生时的应力值 当应力超过材料的屈服应力时 将会 发生塑性变形 流动准则描述了发生屈服时塑性应变增量 描述塑性应变随着屈服是怎样发 展的 强化准则描述了初始屈服面随着塑性应变的增加是怎样发展的 从而可以确 定接下来的屈服条件口3 删 如在各向同性强化准则下的弹塑性体的增量应力应变关系可以表达如下 峨一c 训卜吉丧c 朋如啬j 沼6 其中朋 老h p q 鲁丧 岳 鲁 q 1 5 广西大掌硕士学位论文鲫峭瓦压缩动力学分析及压缩机构创新设计 以上两式中 c 一一弹性刚度矩阵 产一屈服函数g 一一塑性势能函数 q 一一正常数 与流动法则相关七一一强化函数吒一一有效塑性应力 当然 垃圾体并不适合弹塑性模型的基本假设 要使用该模型 也必须先经 过 些等效处理 利用弹塑性力学的成熟理论 可以方便建立模型的数学模型 但是在材料弹性阶段本构关系的确定 以及屈服准则 流动准则和强化法则的选 定这些方面 需要通过繁琐的试验来确定模型的等效参数 4 基于经典土力学的弹塑性体模型 在垃圾填埋场的垃圾沉降特性时 许多学者都认为填埋场的垃圾与土有很大 的相似性 并且基于经典土力学建立了垃圾沉降的数学模型 2 0 2 1 1 如果要使用土力学方法研究垃圾的力学特性 则影响垃圾的力学性能的主要 包括垃圾的以下指标 容重 含水量 孔隙率 透水性 抗剪强度等 其中 孔隙率定义为废弃物孔隙体积与总体积之比 抗剪强度的计算公式如 下 f c o t a m p 2 8 式中f 一一抗剪强度c 一一黏聚力缈一一内摩擦角 黏聚力c 和内摩擦角够的值 可以通过直剪试验 三轴试验 以及无侧限抗 压和抗拉试验等得出 在研究垃圾在压缩装备中受压的力学性质时 如果使用土力学中的相关理 论 只需进行一系列土工试验确定必要的参数就可以对垃圾压缩问题进行求解 根据土的压缩性理论 完全侧限条件 压缩模量e 竺鱼 2 9 p l e 2 式中妲一一附加应力 即两级载荷的差值 q 乞一一分别为初始孔隙比和稳定时的孔隙比 即压缩模量仅与载荷和孔隙比的变化有关 这是因为 在考虑土的压缩性时 土粒的压缩是忽略不计的 可把土的压缩仅视为土中孔隙体积的减小 4 引 虽然利用土力学中成熟的理论 可以使计算更加简便 但是与土相比 垃圾 1 6 广 酉大掌硕士学位论文鲴瞳改压缩动力掌分析乃o t 缩机构创新设计 的成份极为复杂 而且垃圾的间的空隙与土中孔隙的尺寸也相差太大 所以把土 力学理论直接应用到垃圾压缩过程中 会带来很大的偏差 应该根据垃圾的试验 特性 对土力学理论进行适当的修改 或者建立新的力学模型 实际上如前面所指出的影响垃圾的成分变化的因素很多 垃圾成分复杂多 变 具有一定随机性 垃圾体大小 形状各异 如其中有大件物体 也有泥沙 尘土之类的小颗粒物体 要分析垃圾在每一处的受力几乎是不可能实现的 而且 对于垃圾压缩这一复杂的动态过程也没有太多实际意义 所以建立的模型应当更 多地考虑平均化的受力效果 满足总体的变化趋势即可 2 3 本章小结 收集整理了全国主要城市的生活垃圾的成分特点 并归纳分析了影响城市生 活垃圾的成分和产量的一些主要因素 以及成分变化趋势 给出了南宁市的生活 垃圾组分特点 分析了影响生活垃圾力学特性的各项指标 总结了分析垃圾压缩问题时可以 使用的各种理论计算模型 并归纳了各种模型在该实际问题应用中的局限性 为 对垃圾压缩装备进行相关的研究做好准备工作 1 7 广西大掌硕士学位论文触瞄 压缩动力掌分析刀o e 缩机构创新设t l 第三章垃圾压缩动力学分析 3 1 垃圾压缩过程的分析 由于生活垃圾呈自然松散状 垃圾体形状又不规则 使得垃圾之间的空隙很 大 对垃圾施压可以使垃圾间的空隙减小 实现垃圾减容的目的 此外还有一些 成分很容易压缩 随着压缩的进行其体积有明显减小 所以生活垃圾的压缩减容 主要包括以下两个方面 1 减小垃圾之间的空隙 2 易压缩物质的体积的减小 这里定义的易压缩物质主要包括2 大类 第l 类为垃圾中的一些高含水量物 质 如西瓜皮 树叶 菜渣等 第2 类为本身有空腔的低强度物件 包括塑料瓶 泡沫塑料等 这2 类垃圾在压缩时很容易发生明显的形状改变 对其体积的压缩相对比较 容易 近年来随着人们生活水平的提高 生活垃圾中的有机成份逐年增多 而大 部分有机成份属于我们定义的易压缩材料 从而垃圾的可压缩性也大大增加 不过必须得特别指出的是 上面定义的 易压缩物质 在实际上要么是水分 占满了有机体组织间的空隙 要么就是成型材料内部具有很大的空腔 所以总的来说 所谓垃圾压缩的过程 实质上就是在力的作用下 垃圾之间 的空隙不断减小 的过程 垃圾中还不可避免会出现一些难压缩成份 包括废弃木材 废弃金属 沙石 等 这些成份要发生明显的形状改变 材料内部必须达到相当大的应力 在垃圾 压缩过程中基本不发生形状改变 因为根据调查压缩装备压缩垃圾时的平均压力 一般不会超过0 5 m p a 只要应力集中不会非常明显 这个大小的压力还不足以 使这些硬质垃圾体发生显著的变形 为了调查生活垃圾中这种硬质垃圾体的含量和外形特点 评估这些垃圾对垃 圾整体力学性能的影响 进而据此选择合适的垃圾压缩的力学模型 我们到南宁 市的鲁班路垃圾中转站和唐山路垃圾中转站 对生活垃圾进行了分选试验 分选 1 8 广西大学硕士学位论文垃圾压缩动力掌分析反匿缩机构创新设计 后垃圾各组分含量见表3 1 表3 1 分选后垃圾各组分含量 根据调查发现易拉罐或其它废弃金属 啤酒瓶等基本上没有 因为垃圾进入 中转站之前 这些回收价格较高的成分都经过了好几轮的人工收集 另外分选过程中也基本不会发现具有较大尺寸的硬质垃圾 在2 天里调查的 4 0 0 多小三轮车的垃圾中 只有1 辆小车装着一些废弃木料 不过偶尔也会出现一 些尺寸较大的垃圾 如破旧薄板 废弃塑料 废弃衣物等 但由于这些垃圾本身 的强度不高 其对压缩装备的刚度破坏也不明显 也是相对易于压缩的 即使出 现那种尺寸较大 质地又极为坚硬的垃圾 工人也会将其抽