擠壓式垃圾脫水減量機的設(shè)計

舒炳林 馮永具

摘 要： 擠壓式垃圾脫水減量機是針對含水量大的垃圾進行擠壓脫水，從而實現(xiàn)固液分離的設(shè)備。本文分析了垃圾脫水減量機的特點，并闡述了其基本組成和設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞： 擠壓式；垃圾處理；脫水減量；液壓系統(tǒng)

引言

當(dāng)前，城市垃圾主要可分為工業(yè)垃圾、生活垃圾、果蔬垃圾、餐廚垃圾等幾類。其中果蔬垃圾和餐廚垃圾是比例非常大的兩類。其主要特點是含水量大、體積大，運輸費用高；有機物質(zhì)多，可利用價值高，但也容易腐爛變質(zhì)，污染環(huán)境。隨著城鎮(zhèn)化進程加快，城市人口不斷增長，相應(yīng)垃圾數(shù)量也不斷增加。以一個中型農(nóng)貿(mào)市場為例，一天產(chǎn)生的果蔬垃圾就達到10噸左右。

果蔬垃圾和餐廚垃圾的處理方式一般有兩種：填埋和焚燒。目前，國內(nèi)大部分城市采用填埋處理，該方式即浪費資源又污染環(huán)境，不符合國家大力提倡的節(jié)能環(huán)保要求。更為環(huán)保的方式是，對果蔬垃圾和餐廚垃圾進行固液分離和油水分離，分離后的水可以排放掉，油可提煉生物柴油，固體物質(zhì)可以堆肥處理，也可以發(fā)電。這種環(huán)保的垃圾處理方式，需要將垃圾集中處理，才能形成規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

果蔬垃圾和餐廚垃圾含水量大，體積大。收集時，占用運輸資源多，而且，在運輸過程中極易對環(huán)境造成污染。因此，開發(fā)了一款垃圾脫水減量機，在收集時就對果蔬垃圾和餐廚垃圾進行減量處理，然后將固體垃圾運輸?shù)郊械牡胤竭M行后續(xù)處理。

1 總體方案的確定

果蔬垃圾和餐廚垃圾的減量處理技術(shù)主要是從垃圾的體積減量和重量減量兩方面著手。體積減量主要通過將垃圾粉碎使其體積減小，重量減量則是通過擠壓將垃圾中的液體成分擠出。主要有兩種方式，一種螺旋擠壓方式，另一種液壓擠壓方式。螺旋擠壓方式可以連續(xù)進料，連續(xù)出料，但減量率不高。液壓擠壓方式進料、擠壓、出料分步進行，但減量率高。另外，果蔬類垃圾纖維多、表面摩擦系數(shù)小，采用螺旋擠壓的方式容易導(dǎo)致粉碎后的垃圾在擠壓筒內(nèi)反復(fù)旋轉(zhuǎn)而無法出料，造成堵塞。液壓擠壓的方式，是將粉碎后的垃圾倒入擠壓筒內(nèi)后進行擠壓，并保壓一定時間，然后再將物料推出擠壓筒，則不存在該問題。因此采用液壓擠壓方式。

擠壓式垃圾脫水減量機設(shè)計的核心是其液壓系統(tǒng)設(shè)計。要求操作簡單、維修方便、安全可靠。因此，擬定脫水減量機液壓系統(tǒng)的基本要求如下：

（1）在電氣控制和機械裝置的配合下，可通過壓力繼電器自動完成擠壓、保壓、出料等動作，同時也能實現(xiàn)單步動作的點動和聯(lián)動；

（2）液壓系統(tǒng)需具備自動泄壓保護功能；

（3）為使整臺設(shè)備的能耗低，設(shè)計時應(yīng)考慮節(jié)能要求。

2 液壓系統(tǒng)工作原理設(shè)計

根據(jù)擠壓式脫水減量機的作業(yè)要求，設(shè)計一套依靠壓力控制，具備慢進、快退、保壓、卸荷、節(jié)能的單缸液壓系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示：

由擠壓式脫水減量機的作業(yè)要求，該液壓系統(tǒng)的動作循環(huán)為：慢進→保壓→快退 原位停留。根據(jù)動作循環(huán)，該液壓系統(tǒng)由調(diào)速回路、壓力控制回路等組成。

2.1 調(diào)速回路

調(diào)速回路主要完成液壓缸壓頭的慢進和快退兩個動作。一般調(diào)速回路包括：節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速和容積節(jié)流調(diào)速三種方式。節(jié)流調(diào)速結(jié)構(gòu)簡單，多用于功率不大的場合，但是效率較低，發(fā)熱量大；容積調(diào)速沒有節(jié)流和溢流損失，效率較高，但是需增加輔助泵；容積節(jié)流調(diào)速多用于閉式系統(tǒng)，效率高，速度穩(wěn)定性好，但是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。綜合比較后，本液壓系統(tǒng)選擇節(jié)流調(diào)速中的進油路進行節(jié)流調(diào)速，該種方式啟動沖擊較小。調(diào)速回路由定量液壓泵1、換向閥4、節(jié)流閥5、液壓缸8、溢流閥10組成。

液壓缸壓頭慢進：當(dāng)按下設(shè)備電源按鈕時，電動帶動液壓泵1動作，此時由于換向閥3處于中位位置，油液直接經(jīng)換向閥3的T口流回油箱，當(dāng)按下啟動按鈕時，電磁鐵1YA得電，使電磁換向閥3切換至左位，此時主油路的流動線為：

進油路：液壓泵1→單向閥2→電液動換向閥4→節(jié)流閥5→液壓缸8無桿腔

回油路：液壓缸8有桿腔→電液動換向閥4→過濾器11→油箱

此時，液壓缸向前慢進并完成擠壓動作。

液壓缸壓頭快退：當(dāng)擠壓動作完成后，在電氣元件控制下，電磁鐵1YA得電，電液動換向閥3切換至右位，此時主油路的流動線為：

進油路：液壓泵1→單向閥2→電液動換向閥4→液壓缸8有桿腔

回油路：液壓缸8無桿腔→節(jié)流閥5→電液動換向閥4→過濾器11→油箱

2.2 壓力控制回路

一般壓力控制回路包括調(diào)壓、增壓、減壓、保壓、卸荷、平衡等回路。該系統(tǒng)中，壓力控制回路主要包括保壓回路、卸荷回路兩種。其中保壓回路主要是為使含水物料擠壓更充分，需保持系統(tǒng)壓力基本穩(wěn)定；卸荷回路主要是為減少功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，避免頻繁啟動液壓泵，降低液壓泵壽命。

保壓回路主要由液壓泵1、電液動換向閥4、電接點壓力表6、液控單向閥7、液壓缸8組成。當(dāng)系統(tǒng)壓力到達電接點壓力表的上限值時，壓力表的高壓觸點通電，使電磁鐵2YA斷電，電液動換向閥4恢復(fù)至中位，液壓泵1經(jīng)電液動換向閥4的M型中位卸荷，液壓缸壓力由液控單向閥7保壓，在保壓期間，隨著含水物料中的水分逐漸滲出，系統(tǒng)壓力下降至電接點壓力表5調(diào)定的下限值時，壓力表發(fā)出信號，使電磁鐵2YA得電，液壓泵恢復(fù)向液壓缸供油，使壓力上升，從而保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

卸荷回路主要通過換向閥的中位機能進行卸荷，主要由液壓泵1、電液動換向閥4和單向閥3組成，當(dāng)系統(tǒng)液壓達到設(shè)定值時，系統(tǒng)開始卸荷，此時電磁鐵2YA斷電，使電液動換向閥恢復(fù)至中位，由于該電液動換向閥選用M型的，油路中的油液通過單向閥3流至油箱，其中單向閥3可使系統(tǒng)在卸荷中保持一定壓力，以供卸荷結(jié)束后控制油路換向。

3 主要元件設(shè)計

3.1 擠壓壓力的確定

通過試驗研究擠壓壓力和體積減量率、質(zhì)量減量率的關(guān)系，最終確定了擠壓壓力。試驗表明，擠壓壓力和體積減量率、質(zhì)量減量率的關(guān)系大致如圖2所示。

從圖2可以看出當(dāng)擠壓壓力達到8.5MPa后，體積減量率和質(zhì)量減量率變化已經(jīng)很小了，此時，體積減量率約為91%，質(zhì)量減量率約為51%，故確定擠壓壓力為8.5MPa。

3.2 液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸計算

根據(jù)擠壓壓力和擠壓腔橫截面積可以計算最大的擠壓力為Fmax =8×104 N。

所選液壓缸的設(shè)計壓力為p=14MPa，液壓缸的無桿腔為主工作腔，η取0.8，則可計算出液壓缸的有效作用面積

A1=Fmax/ηp=0.0063m2

則液壓缸內(nèi)徑

D=（4*A1/π）10-2=89mm

液壓缸類型：雙作用單活塞液壓缸。

3.2 液壓泵與驅(qū)動電機選擇

液壓泵壓力計算：

液壓缸最高壓力p=14MPa，由于進油路元件較多，故液壓泵至液壓缸間的油路壓力損失估取為△p=0.5 MPa，則液壓泵的最高工作壓力Pp為

Pp=p+△p=14+0.5=14.5MPa

液壓泵排量計算：

液壓泵的流量取決于執(zhí)行元件即液壓缸所需的流量以及管路、元件間的泄露，由于油路較長。故泄露系數(shù)取K=1.3，則液壓泵流量為

qv=K*v1*A1=19.6L/min

擬初取液壓泵的轉(zhuǎn)速n=1500r/min，液壓泵容積效率取ηv=0.8，則可得液壓泵排量；

Vg=1000qv/nηv=16.3ml/r

根據(jù)以上參數(shù)可查相關(guān)產(chǎn)品樣本，進行液壓泵的選型，液壓泵初步選為定量齒輪泵。

驅(qū)動電機功率計算：

P=Pp*qv/η=8.8kW

4 液壓系統(tǒng)主要特點

1、采用了由定量泵、調(diào)速閥、溢流閥組成的串聯(lián)節(jié)流調(diào)速回路，該回路具有結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、速度平穩(wěn)性好、故障率低、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點；

2、該液壓系統(tǒng)采用了M型中位機能的電液動換向閥和單向閥組成的卸荷回路，該卸荷回路結(jié)構(gòu)簡單， M型電液動換向閥換向位置精度高，液壓缸的壓頭停止動作后，液壓缸及管路內(nèi)充滿油液，因此重新啟動時平穩(wěn)性好，在中位時液壓泵卸荷，有利于減小功率損失和發(fā)熱，具有節(jié)能特點；

3、為減小液壓缸開停、換向閥換向、液壓泵停車等液流發(fā)生激烈變化時產(chǎn)生的液壓沖擊而造成運動不均勻，通過蓄能器吸收液壓壓力沖擊；

4、采用了由定量泵、換向閥、液控單向閥、電接點壓力表組成的自動補油保壓回路，該回路能自動地保持液壓缸的壓力在某一范圍內(nèi)，具有保壓時間長、壓力穩(wěn)定性高等優(yōu)點；

5、該液壓系統(tǒng)采用疊加閥控制，集成安裝方便，便于使用維護；

6、通過溢流閥回路上設(shè)置的過濾器，提高了系統(tǒng)油液散熱效果和潔凈度，系統(tǒng)可靠性高。

5 結(jié)論

該垃圾脫水減量機通過了試驗和使用，工作穩(wěn)定可靠，能耗低，具有良好的市場前景。

參考文獻

[1]《液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計》，張利平，2005.9，北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[2]《液壓工程手冊》，雷天覺，1990，北京：機械工業(yè)出版社.

[3]《液壓傳動與設(shè)計》，賈銘新，2001，北京：國防工業(yè)出版社.