垃圾壓縮設(shè)備液壓系統(tǒng)定轉(zhuǎn)變研究

唐擁軍，余承旺

（廣西玉柴專用汽車有限公司，廣西 南寧537005）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)固廢垃圾的壓縮與轉(zhuǎn)運(yùn)所使用的設(shè)備，按集成形式主要分為兩類：一體式和分體式。按垃圾壓縮方式主要分為水平式、垂直式和刮板式壓縮。無(wú)論哪種方式，設(shè)備的液壓系統(tǒng)基本采用定量泵+節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便的優(yōu)點(diǎn)，但也存在節(jié)流損失大、匹配電機(jī)功率高、節(jié)流噪音大等缺點(diǎn)。

隨著技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)環(huán)境的需求變化，垃圾處理由單一的壓縮功能朝著多功能轉(zhuǎn)變，如預(yù)壓脫水、垃圾防夾帶等，液壓系統(tǒng)的循環(huán)動(dòng)作變得也越來(lái)越復(fù)雜。同時(shí)，隨著能源的日趨緊張，用戶對(duì)節(jié)能降耗的要求越來(lái)越高。液壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)節(jié)能發(fā)展可分為三個(gè)階段，即閥控制階段、泵排量（容積）控制階段和泵轉(zhuǎn)速控制階段，九十年代國(guó)外開(kāi)始普及泵排量控制系統(tǒng)[1]。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在工業(yè)應(yīng)用范圍里，則愈來(lái)愈多地使用變量泵來(lái)替代定量泵。在我國(guó)也已出現(xiàn)了同樣的傾向，在工業(yè)領(lǐng)域中，特別是在大型冶金液壓系統(tǒng)中，逐步地使用變量泵，包括恒壓變量泵來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定量泵[2]。變量系統(tǒng)作為一種節(jié)能高效的系統(tǒng)，在垃圾集運(yùn)行業(yè)也有著廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)垃圾壓縮設(shè)備的液壓系統(tǒng)工作壓力一般在16 MPa～18 MPa這個(gè)級(jí)別，屬于中低壓系統(tǒng)，隨著國(guó)內(nèi)液壓件制造水平的提高，其可靠性也得到了大幅改善，因此，可以通過(guò)提高液壓系統(tǒng)的工作壓力，讓液壓系統(tǒng)更加的緊湊和輕量化，提高垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)能力，降低運(yùn)營(yíng)成本。

刮板式垃圾壓縮機(jī)一種能將固廢垃圾進(jìn)行刮取提升、垃圾破碎、擠壓脫水、壓縮推進(jìn)的一種復(fù)合型設(shè)備，動(dòng)作最為復(fù)雜，因此本文以此為對(duì)象，實(shí)施應(yīng)用容積調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)行液壓系統(tǒng)定轉(zhuǎn)變與高壓化設(shè)計(jì)研究。

1 刮板垃圾壓縮設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1是固定式刮板垃圾壓縮機(jī)，本文以其為對(duì)象，進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

其工作過(guò)程：（1）垃圾倒入垃圾壓縮腔，破碎板2在油缸的作用下向下運(yùn)動(dòng)將垃圾破碎；（2）破碎油缸至行程終點(diǎn)后，擠壓板連帶著破碎板將垃圾提升并擠壓；（3）擠壓油缸至行程終點(diǎn)后，壓縮板推出，將垃圾推入垃圾箱并壓縮。保壓一段時(shí)間后復(fù)位進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

破碎板、擠壓板、壓縮板由于自重，下降時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生吸空現(xiàn)象而導(dǎo)致抖動(dòng)，為避免此問(wèn)題，在油缸回油路增加了單向節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)速，由此而產(chǎn)生節(jié)流損失。

在工作過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載上升，系統(tǒng)壓力上升達(dá)到溢流閥開(kāi)啟壓力，一部分流量將從溢流閥流走，進(jìn)入油缸的流量減少，油缸速度下降，由此而產(chǎn)生溢流損失。

圖2為由定量泵、節(jié)流閥和溢流閥組成的液壓調(diào)速回路簡(jiǎn)圖，節(jié)流閥和溢流閥在調(diào)速過(guò)程中要產(chǎn)生能量損失。

圖2 主要?jiǎng)幼饕簤河吐泛?jiǎn)圖

式中Nb為泵輸出功率；Pb為泵出口壓力；Qb為泵輸出流量；

負(fù)載的有效壓力：

式中△Pc為液壓閥及管路的壓力損失，在閥開(kāi)口與管路一定的情況下，△Pc正比于流量Q。

液壓閥產(chǎn)生的功率損失為：

式中△P為閥進(jìn)出口壓差，Qm為閥的通過(guò)流量。

此時(shí)定量泵的輸出功率Nb分成三部分：負(fù)載消耗的功率NL、節(jié)流損失功率△Nc、溢流損失功率△Ns，即

其中負(fù)載的輸入功率NL為系統(tǒng)輸出的有用功；要減少液壓系統(tǒng)的能量損失，應(yīng)從減少△Ns和△Nc方面著手[3-5]。

由式（1）可知，定量泵流量不變，電機(jī)的功率由系統(tǒng)最高工作壓力決定。在油缸的空行程中，速度最快，但系統(tǒng)的壓力遠(yuǎn)低于最高工作壓力，此時(shí)電機(jī)并沒(méi)有滿負(fù)荷工作，造成電機(jī)功率的浪費(fèi)。

在破碎、壓縮垃圾時(shí)，由式（2）、式（3）可知，泵出口壓力Pb由溢流閥調(diào)定，基本上不變，負(fù)載的阻力上升時(shí)，通過(guò)溢流閥溢流后，進(jìn)入主油路的流量減少，則△Pc下降，因此負(fù)載壓力PL上升，溢流部分的流量為損失的能量。在保壓階段，PL等于Pb，能量全部從溢流閥損失。

負(fù)載敏感變量泵能使泵的輸出壓力和流量自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載需求，大幅度提高液壓系統(tǒng)效率，降低電機(jī)的備轉(zhuǎn)容量。

根據(jù)垃圾壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)，選用恒功率泵控制系統(tǒng)。使電機(jī)在不同工況下，都能工作在最大功率狀態(tài)，充分利用電機(jī)的功率。

2 恒功率控制原理

根據(jù)泵功率公式（1），要保持功率輸出恒定，則流量Qb要隨著壓力Pb成反比變化。因此變量泵內(nèi)集成壓力反饋機(jī)構(gòu)，通過(guò)壓力反饋機(jī)構(gòu)控制泵的斜盤角度，改變泵的排量。

如圖3所示是一種位移直接反饋?zhàn)兞靠刂平Y(jié)構(gòu)，伺服閥一端的彈簧力與泵出口壓力比較，當(dāng)壓力上升時(shí)，伺服閥向右移動(dòng)，帶動(dòng)伺服油缸驅(qū)動(dòng)斜板角度變小，泵排量變?。粔毫p小時(shí)，彈簧力將伺服閥向左推動(dòng)，泵排量變大[6]。

圖3 位移直接反饋

反饋彈簧由一大一小兩根彈簧組成，伺服閥在初始位置時(shí)，大彈簧有一定初始?jí)嚎s量，作為控制機(jī)構(gòu)的起調(diào)壓力；小彈簧與伺服閥有一定間距。根據(jù)伺服閥兩端的受力平衡條件：

大彈簧單獨(dú)接觸階段：

式中K1為大彈簧剛度，x0為大彈簧初始?jí)嚎s量，x1為伺服閥閥芯位移量。

雙彈簧接觸階段

式中K2為大彈簧剛度，d為小彈簧初始距離，x2為伺服閥閥芯位移量。

因此，泵的壓力流量曲線是由兩端不同斜率組成的直線，通過(guò)設(shè)定合適的彈簧剛度，可得到近似雙曲線的曲線。如圖4所示。

圖4 雙彈簧恒功率泵壓力-流量曲線

3 變量泵選型

根據(jù)市場(chǎng)的情況和用戶的要求，電機(jī)的功率由定量泵系統(tǒng)的22 kW降為15 kW。

系統(tǒng)壓力由最大負(fù)載決定，壓縮機(jī)的推力F=P·S（S是油缸缸徑）。提高壓力P，可以減小油缸缸徑，但受到活塞桿穩(wěn)定性的限制，缸徑不能太小。經(jīng)過(guò)核算，初選壓力24 MPa。壓力由16 MPa升為24 MPa，推力不變的情況下，油缸缸徑可以減?。篋1=0.82 D0（其中D1新油缸缸徑；D0舊油缸缸徑）。

從圖4可知，恒功率泵在低壓區(qū)有一段恒流量線，系統(tǒng)低于起始變量壓力時(shí)，排量都是最大值。變量泵輸出功率為Nt=Qmax·PS（其中Qmax為泵最大流量；PS為起始變量壓力）。起始變量壓力決定系統(tǒng)最大流量的工作時(shí)間，系統(tǒng)在空行程階段皆要求在最大速度運(yùn)行。因此參考定量系統(tǒng)實(shí)際工作過(guò)程的壓力值，設(shè)定起始變量點(diǎn)壓力值。

根據(jù)排量與壓力選定泵的型號(hào)，最終選擇力士樂(lè)A10VSO45變量柱塞泵。

4 變量系統(tǒng)節(jié)能效果

系統(tǒng)能量的損失

其中△P為能量損失部件的壓力差，△Q為損失流量，T為運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

系統(tǒng)的總能量

壓力P隨負(fù)載變化而變化，流量Q定量泵是恒定的，因此定量泵總能量可用平均壓力估算。

（1）待機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)損失

作業(yè)過(guò)程中存在對(duì)接箱體、倒垃圾等待機(jī)時(shí)間，約占總作業(yè)時(shí)間的5%～10%?？者\(yùn)轉(zhuǎn)空流損失Wk=Pk·Q·Tk。其中Pk為空運(yùn)作壓力，Tk為空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

由于垃圾壓縮機(jī)泵與閥的距離較遠(yuǎn)，定量系統(tǒng)通過(guò)閥中位卸荷回油箱，壓力損失較高，一般達(dá)到1.5～2 MPa。損失占總能量的1%～1.5%。

變量系統(tǒng)油路采用正流量控制，閥處于中位時(shí)，油泵流量接近于0，壓力也接近于0，系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。因此變量系統(tǒng)在空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能量損失很小，接近于0。

（2）溢流損失

壓縮機(jī)在一個(gè)壓縮循環(huán)中，定量系統(tǒng)在壓縮時(shí)如果阻力增大，壓力達(dá)到最大壓力，油缸速度下降，部分流量從溢流閥溢流，溢流量和時(shí)間與垃圾的成分、數(shù)量以及壓縮的階段有關(guān)。能量損失平均約占總能量的2%～4%。

另外壓縮后一般保壓1～2 s，油泵流量全部從溢流閥溢流。一個(gè)壓縮循環(huán)一般是50～60 s，保壓能量損失約占總能量的3%～6%。

變量系統(tǒng)基本沒(méi)有溢流損失。

（3）節(jié)流損失

壓縮機(jī)的輔助動(dòng)作有垃圾斗提升垃圾、耙桿耙落垃圾，它們的油缸小，需要的流量只有最大流量的1/4，定量系統(tǒng)通過(guò)節(jié)流閥節(jié)流實(shí)現(xiàn)，大部分流量都從溢流閥流失。工作一次的總時(shí)間10 s，按平均提升一斗垃圾可壓縮三次計(jì)算，這部分能量損失大概占3%～5%。

變量泵可通過(guò)外控口控制流量，外控口連接設(shè)定壓力時(shí)，泵出于小流量工作。通過(guò)電磁閥控制外控口的油路通斷，當(dāng)提升垃圾斗、耙垃圾時(shí)油泵處于小流量工作，減小節(jié)流損失。

綜上，垃圾壓縮機(jī)應(yīng)用變量泵系統(tǒng)可比定量泵系統(tǒng)節(jié)能9%～16%。

5 功率利用率

通過(guò)實(shí)際工況測(cè)量，定量泵與變量泵的電機(jī)功率利用率如圖7，可明顯看到變量泵系統(tǒng)可以充分利用電機(jī)的功率。

圖7 定量泵與變量泵的電機(jī)功率利用率

6 結(jié)語(yǔ)

變量系統(tǒng)與定量系統(tǒng)相比，減少了能量的損失，提高了工作效率，有效地利用電機(jī)功率，有效降低泵的備轉(zhuǎn)容量。因此，變量系統(tǒng)在垃圾壓縮設(shè)備有著廣闊的應(yīng)用前景。

變量泵在相同的功率和工作效率下，系統(tǒng)的工作壓力相比定量泵可提高很多。液壓系統(tǒng)高壓化有利于壓縮設(shè)備的小型化、輕量化，經(jīng)過(guò)固定壓縮設(shè)備應(yīng)用成功后，同樣也可應(yīng)用于垃圾壓縮車，提升垃圾壓縮車的運(yùn)載能力。