立式多層移動(dòng)地板發(fā)酵倉(cāng)及其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

盛金良，趙 焱，郝冰波，成 波，宋世明

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.廣東粵海水務(wù)股份有限公司，廣東 深圳 518021）

目前好氧發(fā)酵工藝主要分為條垛式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)和密閉式反應(yīng)器系統(tǒng)3種，同時(shí)根據(jù)不同工程要求，結(jié)合強(qiáng)制通風(fēng)、間歇式翻拋等輔助作業(yè)［1］。其中密閉式反應(yīng)器因其自動(dòng)化程度高、臭氣易控制、占地面積小的特點(diǎn)，是較為理想的污泥發(fā)酵系統(tǒng)，但其容積有限，目前難以滿足較大規(guī)模污泥處理量。密閉式反應(yīng)器按結(jié)構(gòu)形式主要分為筒倉(cāng)式發(fā)酵倉(cāng)、滾筒式發(fā)酵裝置、立式多層發(fā)酵倉(cāng)［2］。

這里介紹一種新型立式多層發(fā)酵倉(cāng)——立式移動(dòng)地板發(fā)酵倉(cāng)，該發(fā)酵倉(cāng)由多個(gè)移動(dòng)地板箱體組成，通過(guò)液壓動(dòng)力作用于箱體地板，使其有規(guī)律地往復(fù)移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物料的前進(jìn)，并在箱尾落入下層，同時(shí)完成翻拋，如此實(shí)現(xiàn)物料的流動(dòng)［3］。該發(fā)酵倉(cāng)通過(guò)多層發(fā)酵倉(cāng)組合，減小占地面積；通過(guò)箱體的有效密封和抽風(fēng)除臭系統(tǒng)，改善臭氣排放問(wèn)題；同時(shí)通過(guò)移動(dòng)地板的泥料推送、掉落實(shí)現(xiàn)污泥翻拋?zhàn)鳂I(yè)，自動(dòng)化程度顯著提高。實(shí)際工程運(yùn)行中顯示該裝置能耗較低。

1 立式多層發(fā)酵倉(cāng)工藝原理

該立式多層發(fā)酵倉(cāng)由多個(gè)移動(dòng)地板箱體組裝連接而成，可根據(jù)物料發(fā)酵量、發(fā)酵時(shí)間等工藝需求設(shè)計(jì)箱體尺寸及個(gè)數(shù)，如圖1為由5個(gè)箱體組成的單列5層發(fā)酵倉(cāng)，實(shí)際工程中可根據(jù)污泥量組成多層多列的發(fā)酵塔。如在崇明陳家鎮(zhèn)污泥處置工程中，為3層4列共12箱體的發(fā)酵倉(cāng)，每天1個(gè)箱體污泥處理量，第1層布滿后，開(kāi)始落入下層，相當(dāng)于每隔4 d翻堆1次，如此12 d后泥料出倉(cāng)完成發(fā)酵。頂層布有抽風(fēng)除臭系統(tǒng)。

圖1 立式多層發(fā)酵倉(cāng)工藝示意

1.1 移動(dòng)地板箱體結(jié)構(gòu)

移動(dòng)地板箱體（以下簡(jiǎn)稱箱體） 主體是型材焊接而成的框架，側(cè)壁用鋼板焊接，外圍包裹一定厚度保溫材料，如圖2所示［4］。

圖2 移動(dòng)地板箱體結(jié)構(gòu)示意

1.2 移動(dòng)地板箱體送料原理

箱體的底部是由若干塊地板組成（如圖3為9塊地板），相間隔2個(gè)的地板為1組，通過(guò)連接架相連接，共3組。液壓油缸作用于連接架從而推動(dòng)每組地板作有序有規(guī)律的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料的推送。

圖3 移動(dòng)地板箱體送料原理

如圖3，液壓缸A、B、C依次有桿腔供油，帶動(dòng)3組移動(dòng)地板依次抽回，而物料保持不動(dòng)；全部液壓缸同步無(wú)桿腔供油，使3組地板同步推出，從而帶動(dòng)泥料前移，實(shí)現(xiàn)泥料的推送，完成1個(gè)周期。移動(dòng)地板如此往復(fù)，便可實(shí)現(xiàn)泥料的向前推送。

2 液壓參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

以箱體內(nèi)部尺寸l×b×h，滿載泥料質(zhì)量M，移動(dòng)地板等部件質(zhì)量m計(jì)算，移動(dòng)地板液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)有箱體滿載時(shí)地板逐組抽回時(shí)的油缸拉力F1和地板全部推出去的油缸推力F2。

地板抽回時(shí)受泥料對(duì)地板的滑動(dòng)摩擦力f1和輥輪對(duì)地板的滾動(dòng)摩擦力f2［5-6］，其計(jì)算公式：

式中：μ1為泥料與側(cè)壁之間的摩擦因數(shù)。

式中：K為地板與托輥間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)；r為支撐托輥的輥輪半徑，m。

則地板逐組抽回時(shí)的單個(gè)油缸拉力：

地板推出去時(shí)主要受箱體兩側(cè)面的摩擦力f3和支撐托輥的摩擦力f4：

式中：N為泥料對(duì)箱體側(cè)壁的正壓力，可按照靜止土壓力計(jì)算N=2E0l（l為箱體內(nèi)污泥的有效堆載長(zhǎng)度，m）［7］。

式中：γ0為填土重力密度，kN/m3；H為擋土墻高度，這里為堆料高度，m；kn為靜止土壓力系數(shù)，一般取0.65。

則有：

則地板推出時(shí)單個(gè)油缸推力：

根據(jù)液壓油缸所需推拉力選定油缸工作壓力、尺寸、工作流量等參數(shù)，并進(jìn)行校核。

3 液壓回路設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)采用電控液壓系統(tǒng)，其基本功能要求為：通過(guò)PLC控制3個(gè)液壓缸A、B、C的順序及同步動(dòng)作。由液壓移動(dòng)地板式料倉(cāng)送料系統(tǒng)工作原理可知，在1個(gè)工作循環(huán)中，液壓缸的順序動(dòng)作是液壓缸A、B、C依次抽拉1個(gè)送料行程的距離后，3個(gè)油缸同步推送1個(gè)送料行程的距離。

為了實(shí)現(xiàn)上述基本功能，本控制系統(tǒng)選用電磁換向閥和電液比例閥對(duì)3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸進(jìn)行控制；3個(gè)電磁換向閥控制3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的順序動(dòng)作；3個(gè)比例液壓閥對(duì)3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸進(jìn)行同步控制。通過(guò)PLC控制電磁換向閥中電磁鐵的得電情況，進(jìn)而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向，并且通過(guò)控制3個(gè)電磁換向閥中電磁鐵的得電順序控制3個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)順序。這里選用3個(gè)電磁換向閥是為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)雙作用液壓缸的控制，節(jié)省液壓管路。其電控液壓系統(tǒng)回路如圖4所示。

圖4 電控液壓系統(tǒng)回路

推送泥料時(shí)在未工作時(shí)，限位開(kāi)關(guān)S01、S03、S05均為斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)按下“開(kāi)始”按鈕SB1時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始工作，具體工作步驟如下：系統(tǒng)首先會(huì)檢查限位開(kāi)關(guān)S02、S04、S06的狀態(tài)，當(dāng)全部為閉合狀態(tài)時(shí)，圖4中7三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA1得電，驅(qū)動(dòng)油缸A開(kāi)始有桿腔進(jìn)油，無(wú)桿腔出油，驅(qū)動(dòng)油缸A的活塞桿縮回；當(dāng)A缸活塞桿運(yùn)動(dòng)到最左端，碰到限位開(kāi)關(guān)S01時(shí)，8三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA3得電，B缸開(kāi)始有桿腔進(jìn)油，無(wú)桿腔出油，活塞桿縮回；當(dāng)B缸活塞桿運(yùn)動(dòng)到最左端，碰到限位開(kāi)關(guān)S03時(shí)，9三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA5得電，C缸開(kāi)始有桿腔進(jìn)油，無(wú)桿腔出油，活塞桿縮回。當(dāng)檢測(cè)到S01、S03、S05同時(shí)閉合時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)，在該程序中設(shè)定延時(shí)1 s。1 s之后，7三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA2、8三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA4、9三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA6同時(shí)得電，3個(gè)液壓缸中活塞桿同時(shí)拉回，對(duì)應(yīng)3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸同時(shí)推出。當(dāng)3個(gè)液壓缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)到最右端，限位開(kāi)關(guān)S02、S04、S06同時(shí)閉合時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。在自動(dòng)卸料的1個(gè)工作周期內(nèi)，任意時(shí)刻按下“停止”按鈕SB2，3個(gè)雙作用液壓缸將會(huì)停止運(yùn)動(dòng)；當(dāng)再次按下“開(kāi)始”按鈕SB1時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)當(dāng)前動(dòng)作。其端子接線示意見(jiàn)圖5。

圖5 PLC端子接線

根據(jù)前面介紹的工作流程，在PLC編程器中編制出梯形圖程序，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)梯形圖

4 Automation Studio平臺(tái)下液壓系統(tǒng)的仿真分析

4.1 仿真過(guò)程

Automation Studio中Library Explorer中含有各種液壓元件，按照如圖4所示的液壓連線從中選取所需的液壓元件構(gòu)建液壓系統(tǒng)。其中3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的同步控制采用PID控制，驅(qū)動(dòng)油缸B的位移通過(guò)A缸的位移進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)油缸C的位移通過(guò)B缸位移進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)油缸A的位移通過(guò)C缸的位移進(jìn)行控制。其中電液比例閥與控制單元匹配如圖7所示［8］。

圖7 電液比例閥與控制單元的匹配

4.2 仿真結(jié)果及分析

圖8 液壓缸位移曲線

圖8中綠藍(lán)紅分別表示液壓缸A、B、C位移曲線?？梢钥闯觥伴_(kāi)始”前，3個(gè)液壓缸的位移為零；“開(kāi)始”后，綠色曲線上升，表示A缸位移開(kāi)始增加，運(yùn)動(dòng)到最大位移200 mm，觸發(fā)到限位開(kāi)關(guān)；同時(shí)B缸開(kāi)始移動(dòng)，如同A缸運(yùn)動(dòng)形式；同理C缸的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)C缸觸碰到限位開(kāi)關(guān)后，3條曲線重合，持續(xù)1 s后，3條曲線重合并同時(shí)下降，表示3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的活塞桿同步收回，直至位移下降為0，1個(gè)運(yùn)行周期完成，進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)行周期，如第2條綠色曲線，至此完成了3個(gè)液壓缸工作狀態(tài)的仿真［9］。

從圖9可知，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真周期中液壓泵輸入流量基本保持在18 L/min左右，如圖中白色曲線所示，按下“開(kāi)始”鍵后，液壓缸A的流量因電磁換向閥和電液比例閥的作用而發(fā)生輕微跳動(dòng)，隨后流量值保持在18 L/min，如圖中綠色曲線所示；同理，圖中藍(lán)色和紅色曲線分別表示液壓缸B、C的流量變化；3個(gè)液壓缸依次順序動(dòng)作，停頓1s后，3個(gè)液壓缸的有桿腔輸入流量為8.4 L/min左右，負(fù)值表示為輸出流量，從圖中可得3個(gè)液壓缸的有桿腔同時(shí)輸出流量，且輸出流量大小相同，表明3個(gè)液壓缸同步；圖中第2條綠色曲線表明3個(gè)液壓缸進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。

圖9 液壓缸流量曲線

由此，本電控液壓系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的順序控制和同步控制，從仿真結(jié)果中可看出位移、流量曲線基本滿足了對(duì)電控系統(tǒng)的要求，為更深層次的仿真研究和系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

立式多層發(fā)酵倉(cāng)通過(guò)多層箱體組合，減小占地面積，密閉形式提高臭氣處理能力，同時(shí)通過(guò)移動(dòng)地板的物料推送、掉落實(shí)現(xiàn)污泥翻拋?zhàn)鳂I(yè)，自動(dòng)化程度顯著提高，為污泥好氧發(fā)酵工程提供了新的方案。對(duì)移動(dòng)地板發(fā)酵倉(cāng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算及系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)，并通過(guò)Automation Studio對(duì)該電控液壓回路系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為更深層次的仿真研究和系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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