新型翻蓋移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備

張紅欣 鄒鳳剛

山東五征環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?山東日照 276800

1 前言

目前，市場(chǎng)現(xiàn)有的移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備，主要由壓縮箱體、料斗、動(dòng)力單元3部分組成。當(dāng)料斗放下時(shí)，設(shè)備的投料口為敞口狀態(tài)，垃圾壓縮設(shè)備內(nèi)的垃圾臭氣彌漫，造成空氣污染；當(dāng)設(shè)備露天使用時(shí)，在風(fēng)吹雨淋、高溫暴曬等極端天氣下，不可避免地會(huì)出現(xiàn)雨水進(jìn)入設(shè)備，出現(xiàn)垃圾污水外溢，垃圾飛濺、臭味彌漫等問(wèn)題[1]。

市場(chǎng)現(xiàn)有的移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備大都沒(méi)有徹底解決上述問(wèn)題的方案，只有一些廠家在入料口處設(shè)計(jì)一個(gè)可前后滑移的滑蓋，在料斗放下時(shí)該滑蓋可覆蓋投料口。但是，該機(jī)構(gòu)仍存在缺陷：一是料斗與滑蓋相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑蓋不能提前滑移，阻礙垃圾傾倒，且垃圾傾倒時(shí)易飛濺到滑蓋上；二是當(dāng)投料口處垃圾堆積較高時(shí)，滑蓋滑移過(guò)程中會(huì)與堆積較高的垃圾產(chǎn)生干涉，致使滑蓋無(wú)法正?；?，甚至滑蓋將垃圾推落到箱體外部，造成垃圾對(duì)環(huán)境的二次污染。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者以市場(chǎng)現(xiàn)有17 m3移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備為研究對(duì)象，結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)有的垃圾收集模式和收集環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種新型翻蓋移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備，該設(shè)備采用六桿翻蓋機(jī)構(gòu)，可180°無(wú)死點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，料斗傾倒垃圾時(shí)翻蓋可提前翻轉(zhuǎn)打開(kāi)，徹底解決了阻礙垃圾傾倒及垃圾飛濺的問(wèn)題；同時(shí)設(shè)備投料口在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中全封閉，無(wú)雨水進(jìn)入、污水外溢、垃圾外濺現(xiàn)象，有效解決了垃圾臭味四散、導(dǎo)致病菌傳染等問(wèn)題。該六桿翻蓋機(jī)構(gòu)采用UG三維建模軟件和CAE分析軟件對(duì)機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的受力和強(qiáng)度進(jìn)行綜合分析，并驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

該移動(dòng)垃圾壓縮設(shè)備不受場(chǎng)地限制，無(wú)需基建投資，易于搬遷，只需有380 V電源即可作業(yè)，適合在基建征地困難區(qū)域或有大型聚會(huì)等人群密集的臨時(shí)場(chǎng)所使用。設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)、電、液一體化集成，壓縮比大，作業(yè)高效，整個(gè)垃圾清運(yùn)系統(tǒng)投資少，操作方便，便于管理，可靈活變換作業(yè)場(chǎng)地。

2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

新型翻蓋移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備主要包括料斗、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、壓縮箱體、動(dòng)力單元、后門和六桿翻蓋機(jī)構(gòu)6大模塊。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 翻蓋移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備

動(dòng)力單元主要為整個(gè)壓縮設(shè)備提供動(dòng)力，動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)能源是380 V電源。當(dāng)散裝垃圾集中倒入垃圾裝載料斗后，在PLC控制程序驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)力單元中的電機(jī)工作并帶動(dòng)液壓油泵工作，為執(zhí)行元件翻轉(zhuǎn)油缸提供液壓油，翻轉(zhuǎn)油缸的活塞桿伸出進(jìn)而推動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)向上翻轉(zhuǎn)，帶動(dòng)垃圾裝載料斗向上翻轉(zhuǎn)，同時(shí)由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)后蓋板推桿，聯(lián)動(dòng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)板、外旋轉(zhuǎn)板和前蓋板拉桿，將前蓋板和后蓋板一起向后翻轉(zhuǎn)，打開(kāi)壓縮箱體的投料口，待垃圾裝載料斗內(nèi)的散裝垃圾倒入壓縮箱體的投料口后，動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)壓縮箱體的壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行散裝垃圾的預(yù)壓縮，達(dá)到壓縮減容的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓縮箱體投料口由封閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)口狀態(tài)。

一次上料完成后，動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回復(fù)原位，同時(shí)帶動(dòng)垃圾裝載料斗、后蓋板和前蓋板回復(fù)原位，確保后蓋板和前蓋板將壓縮箱體的投料口封閉，壓縮箱體的投料口由開(kāi)口狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)散裝垃圾收集過(guò)程壓縮箱體完全封閉。即使壓縮箱體投料口處垃圾堆積較高時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)垃圾阻礙翻蓋運(yùn)動(dòng)和推動(dòng)垃圾外掉等隱患，反而翻蓋對(duì)垃圾進(jìn)行垂直壓縮，提高了設(shè)備的壓縮比和作業(yè)效率。

設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)流程：使用鉤臂車將移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備卸放到指定作業(yè)點(diǎn)，把動(dòng)力單元電源插頭接入380 V電源，使用遙控器翻下料斗，環(huán)衛(wèi)工人將垃圾送往移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備作業(yè)點(diǎn)并將垃圾倒入移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備料斗內(nèi)，通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作將垃圾倒入壓縮設(shè)備壓縮倉(cāng)，最后通過(guò)推鏟將垃圾壓入箱體中，直到滿箱報(bào)警；將料斗通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻到壓縮倉(cāng)上部，斷開(kāi)壓縮設(shè)備動(dòng)力單元電源，鉤臂車將滿箱設(shè)備起吊上鉤臂車，通過(guò)鉤臂車上的鎖緊鎖箱裝置將壓縮設(shè)備與鉤臂車?yán)喂踢B接，然后把車輛與壓縮設(shè)備后門快插接頭插好。在駕駛室內(nèi)通過(guò)取力即可操作后門開(kāi)閉，鉤臂車將滿載垃圾的設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至垃圾焚燒廠即完成了整個(gè)作業(yè)流程，如圖2所示。

3 設(shè)備的功能特點(diǎn)

3.1 推鏟機(jī)構(gòu)及其工作原理

推鏟機(jī)構(gòu)（如圖3所示）采用雙油缸驅(qū)動(dòng)，兩只油缸交叉布置，可縮短壓縮倉(cāng)長(zhǎng)度。推鏟與箱體采用小間隙、水平運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，有效防止垃圾被帶入壓縮腔后部；推鏟機(jī)構(gòu)采用W型設(shè)計(jì)，具有破碎、壓縮減容功能，可減少垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，降低垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用。

圖2 設(shè)備作業(yè)流程圖

圖3 推鏟機(jī)構(gòu)三維數(shù)模

3.2 箱體密封系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

箱體密封系統(tǒng)主要由自主創(chuàng)新鎖緊機(jī)構(gòu)和四道楞結(jié)構(gòu)硅膠條組成，鎖緊機(jī)構(gòu)由浮動(dòng)油缸、上下鎖止鉤總成等組成，該機(jī)構(gòu)具有安裝方便、啟閉靈活、機(jī)構(gòu)自鎖等特點(diǎn)，在油缸內(nèi)泄、管路滲漏情況下，仍能保障箱體與后門的可靠密封，有效解決垃圾收集和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中普遍存在的二次污染問(wèn)題。鎖緊機(jī)構(gòu)自鎖狀態(tài)如圖4所示。

3.3 液壓控制系統(tǒng)的組成及其原理

液壓控制系統(tǒng)（圖5）由內(nèi)嚙合齒輪泵、閥塊、電磁卸荷閥、單向閥、壓力開(kāi)關(guān)、電磁控制閥、液壓鎖、主推油缸、舉升油缸、后門鎖緊油缸、液壓接頭、液壓管路、液壓油箱等組成。由齒輪泵提供的高壓油進(jìn)入多路換向閥，高壓油被分配給相應(yīng)的油路，完成相應(yīng)的機(jī)構(gòu)作業(yè)動(dòng)作。通過(guò)PLC程序控制電磁閥，完成料斗傾倒或推鏟壓縮垃圾等作業(yè)。多路閥內(nèi)設(shè)有溢流閥，防止系統(tǒng)過(guò)載。舉升油路中油缸上設(shè)置了液壓鎖和節(jié)流閥，使料斗上升、下落平穩(wěn)并且速度可調(diào)，能在任何位置長(zhǎng)時(shí)間停留。

圖4 鎖緊機(jī)構(gòu)自鎖試驗(yàn)圖

圖5 液壓控制系統(tǒng)

4 六桿翻蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 壓縮箱體

壓縮箱體是17 m3移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備的主要工藝設(shè)備，用于存儲(chǔ)壓縮后的垃圾，主要由框架、壓縮機(jī)構(gòu)、后門等主要模塊組成。該部分材質(zhì)板料主要采用CR780/980MS、610L（其中壓縮機(jī)構(gòu)和箱體底板材質(zhì)采用高強(qiáng)度耐磨鋼）等高強(qiáng)度材料，箱體兩側(cè)板采用整板制作，無(wú)任何焊縫。箱體采用高密度噴丸處理，并采用汽車面漆，內(nèi)表面涂防石擊涂料，雙重防腐蝕措施保證箱體經(jīng)久耐用。

4.2 六桿翻蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

平面連桿機(jī)構(gòu)是所有構(gòu)件均由低副連接而成的機(jī)構(gòu)，四桿機(jī)構(gòu)是最常用的平面連桿機(jī)構(gòu)。一般情況下，四桿機(jī)構(gòu)只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，精確設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜，因此，在軌跡較為復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)中以五桿和六桿機(jī)構(gòu)更為常見(jiàn)[2]。 結(jié)合17 m3移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備的工作規(guī)律以及投料口處的特點(diǎn)，該翻蓋機(jī)構(gòu)采用六連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以壓縮箱體為機(jī)架，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為原動(dòng)件，箱體投料口處的蓋板為執(zhí)行構(gòu)件，在動(dòng)力單元的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)壓縮箱體投料口處翻蓋的聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉。

如圖6、7所示，應(yīng)用UG三維建模軟件構(gòu)建基于六連桿機(jī)構(gòu)的六桿翻蓋機(jī)構(gòu)[3]，將壓縮箱體看做機(jī)架，其余連桿為活動(dòng)構(gòu)件，該六桿翻蓋機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為如圖8所示的六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。該機(jī)構(gòu)全部由低副（即旋轉(zhuǎn)副）構(gòu)成，其中連桿L1為原動(dòng)件，連桿L5為執(zhí)行構(gòu)件，機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)為機(jī)構(gòu)自由度；n為機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；Pl為機(jī)構(gòu)中低副個(gè)數(shù)；Ph為機(jī)構(gòu)中高副個(gè)數(shù)。

由計(jì)算可知F=1，即該六桿翻蓋機(jī)構(gòu)的自由度為1，滿足機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件——機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目。

圖6 六桿翻蓋機(jī)構(gòu)關(guān)閉狀態(tài)

圖7 六桿翻蓋機(jī)構(gòu)開(kāi)啟狀態(tài)

4.3 六桿翻蓋機(jī)構(gòu)受力分析

六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖8所示，其中，連桿L1為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，連桿L2為后蓋板推桿，連桿L3為內(nèi)旋轉(zhuǎn)板，連桿L4為外旋轉(zhuǎn)板，連桿L5為后蓋板。

圖8 六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

利用UG三維建模軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，按照?qǐng)D8所示的六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖創(chuàng)建相關(guān)連桿和運(yùn)動(dòng)副。由于該機(jī)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)力輸入為翻轉(zhuǎn)油缸的輸出力，但該輸出力大小受定量泵特性限制為恒定值，不易作為運(yùn)動(dòng)仿真的驅(qū)動(dòng)輸入。因此取翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（連桿L1）的旋轉(zhuǎn)角度作為該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輸入，并將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)施加在連桿L1上，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：STEP(time, 0, 0, 5, 85)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)定為0～5 s，連桿L1最大旋轉(zhuǎn)角度為85°，運(yùn)動(dòng)仿真中各構(gòu)件的材料屬性直接繼承UG三維建模軟件中所賦予的材料屬性。

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)O、A、B、C、D、E處的運(yùn)動(dòng)副受力情況如圖9所示。

圖9 點(diǎn)O、A、B、C、D、E處的受力

由圖9可知，以上5點(diǎn)的最大受力情況如表1所示。

表1 點(diǎn)O、A、B、C、D、E處運(yùn)動(dòng)副最大受力情況

如圖10所示，只有點(diǎn)C處的加速度變化較大，其余各點(diǎn)的加速度變化很小，C點(diǎn)為桿L4和桿L5的鉸接點(diǎn)，并且由圖9可知，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)C受力突變很大，點(diǎn)O、D、E三點(diǎn)均為連桿與機(jī)架的鉸接點(diǎn)且各點(diǎn)處受力突變也較大，點(diǎn)A、B兩點(diǎn)為二力桿的兩端點(diǎn)且加速度的突變很小，因此，整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程需重點(diǎn)校核點(diǎn)C、O、D、E4點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。

圖10 點(diǎn)O、A、B、C、D、E處的加速度

4.4 六桿翻蓋機(jī)構(gòu)的有限元分析

用ANSYS Workbench軟件對(duì)該六連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)工況的強(qiáng)度和剛度有限元分析，根據(jù)圖9、10所示，取機(jī)構(gòu)在2.65 s時(shí)的狀態(tài)為研究對(duì)象，有限元模型如圖11所示。

圖11 六桿機(jī)構(gòu)有限元模型

4.4.1 網(wǎng)格劃分

有限元模型中由于零件尺寸和形狀差異較大且不規(guī)則，對(duì)關(guān)鍵位置處的網(wǎng)格要求比較精細(xì)，因此模型整體采用Automatic Method方法、關(guān)鍵位置處進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)單元，局部網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，其他區(qū)域以四面體網(wǎng)格為主，整體網(wǎng)格大小為10 mm，局部細(xì)化網(wǎng)格大小為5 mm。

4.4.2 邊界條件

根據(jù)第 2節(jié)描述的設(shè)備工作原理，取機(jī)構(gòu)在 2 .65 s時(shí)的狀態(tài)為研究對(duì)象，參考圖 7六桿翻蓋機(jī)構(gòu)開(kāi)啟狀態(tài)和圖8六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖對(duì)模型施加邊界條件：給點(diǎn)O、點(diǎn)D和 點(diǎn)E處 的機(jī)架設(shè)置固定約束，給點(diǎn)H、點(diǎn)G和點(diǎn)F分別施加相應(yīng)的外載荷，其中：點(diǎn)H為調(diào)節(jié)連桿與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)；點(diǎn)G為 翻轉(zhuǎn)油缸與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)；點(diǎn)F為后蓋板與前蓋板的鉸點(diǎn)。

通過(guò)第4.3節(jié)中六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真可獲知，機(jī)構(gòu)在2.65 s時(shí)點(diǎn)H、點(diǎn)G和 點(diǎn)F3 點(diǎn)處的外載荷大小如表 2所示，各點(diǎn)受力方向如圖 1 2所示。

表2 點(diǎn)H、點(diǎn)G和點(diǎn)F處的外載荷大小。

圖12 機(jī)構(gòu)2.65 s時(shí)點(diǎn)H、點(diǎn)G、點(diǎn)F外載荷方向示意圖

該有限元模型邊界條件加載后如圖13所示。

圖13 模型邊界條件

4.4.3 云圖分析

圖14 六桿機(jī)構(gòu)靜載下應(yīng)力云圖

整個(gè)機(jī)構(gòu)在靜載荷工況下的應(yīng)力云圖如圖14所示，由圖中可見(jiàn)，機(jī)構(gòu)整體應(yīng)力偏低、安全系數(shù)相對(duì)較高，只是在點(diǎn)O、點(diǎn)A、點(diǎn)G和點(diǎn)H4點(diǎn)處及其對(duì)應(yīng)連桿的應(yīng)力值相對(duì)較大，安全系數(shù)相對(duì)較低，尤其在點(diǎn)G附近出現(xiàn)最大應(yīng)力和最低安全系數(shù)值。由圖14(b)可知，最大應(yīng)力發(fā)生在連桿內(nèi)部加強(qiáng)筋尖角處，為局部應(yīng)力集中，而點(diǎn)G是該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力作用處，因此此處為該機(jī)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)。但該連桿所用材料為Q345B的高強(qiáng)度板材，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足材料的使用要求。

由圖14(f)可見(jiàn)，安全系數(shù)小于1.5的部分很少，主要集中在連桿內(nèi)部加強(qiáng)筋尖角處。

綜合以上分析，該機(jī)構(gòu)在靜載工況下，機(jī)構(gòu)整體強(qiáng)度在設(shè)計(jì)方面完全滿足使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以市場(chǎng)現(xiàn)有17 m3移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備為研究對(duì)象，結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)有的垃圾收集模式和收集環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種采用六桿翻蓋機(jī)構(gòu)的新型翻蓋移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備。文中闡述了新型翻蓋移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備的工作原理和特點(diǎn)，與市場(chǎng)現(xiàn)有的眾多移動(dòng)式垃圾壓縮設(shè)備相比，該設(shè)備整體密閉設(shè)計(jì)，有效解決了雨水進(jìn)入、污水外溢、垃圾外漏、臭味彌漫等問(wèn)題，杜絕了二次污染；能夠滿足智能、高效、環(huán)保、節(jié)能的要求。采用UG三維建模軟件和CAE分析軟件對(duì)機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了受力和強(qiáng)度分析，分析結(jié)果表明該六桿翻蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理有效，能夠滿足使用要求。