挤压式垃圾脱水减量机的设计

舒炳林 冯永具

摘 要： 挤压式垃圾脱水减量机是针对含水量大的垃圾进行挤压脱水，从而实现固液分离的设备。本文分析了垃圾脱水减量机的特点，并阐述了其基本组成和设计方法。

关键词： 挤压式；垃圾处理；脱水减量；液压系统

引言

当前，城市垃圾主要可分为工业垃圾、生活垃圾、果蔬垃圾、餐厨垃圾等几类。其中果蔬垃圾和餐厨垃圾是比例非常大的两类。其主要特点是含水量大、体积大，运输费用高；有机物质多，可利用价值高，但也容易腐烂变质，污染环境。随着城镇化进程加快，城市人口不断增长，相应垃圾数量也不断增加。以一个中型农贸市场为例，一天产生的果蔬垃圾就达到10吨左右。

果蔬垃圾和餐厨垃圾的处理方式一般有两种：填埋和焚烧。目前，国内大部分城市采用填埋处理，该方式即浪费资源又污染环境，不符合国家大力提倡的节能环保要求。更为环保的方式是，对果蔬垃圾和餐厨垃圾进行固液分离和油水分离，分离后的水可以排放掉，油可提炼生物柴油，固体物质可以堆肥处理，也可以发电。这种环保的垃圾处理方式，需要将垃圾集中处理，才能形成规模效应，产生良好的经济效益。

果蔬垃圾和餐厨垃圾含水量大，体积大。收集时，占用运输资源多，而且，在运输过程中极易对环境造成污染。因此，开发了一款垃圾脱水减量机，在收集时就对果蔬垃圾和餐厨垃圾进行减量处理，然后将固体垃圾运输到集中的地方进行后续处理。

1 总体方案的确定

果蔬垃圾和餐厨垃圾的减量处理技术主要是从垃圾的体积减量和重量减量两方面着手。体积减量主要通过将垃圾粉碎使其体积减小，重量减量则是通过挤压将垃圾中的液体成分挤出。主要有两种方式，一种螺旋挤压方式，另一种液压挤压方式。螺旋挤压方式可以连续进料，连续出料，但减量率不高。液压挤压方式进料、挤压、出料分步进行，但减量率高。另外，果蔬类垃圾纤维多、表面摩擦系数小，采用螺旋挤压的方式容易导致粉碎后的垃圾在挤压筒内反复旋转而无法出料，造成堵塞。液压挤压的方式，是将粉碎后的垃圾倒入挤压筒内后进行挤压，并保压一定时间，然后再将物料推出挤压筒，则不存在该问题。因此采用液压挤压方式。

挤压式垃圾脱水减量机设计的核心是其液压系统设计。要求操作简单、维修方便、安全可靠。因此，拟定脱水减量机液压系统的基本要求如下：

（1）在电气控制和机械装置的配合下，可通过压力继电器自动完成挤压、保压、出料等动作，同时也能实现单步动作的点动和联动；

（2）液压系统需具备自动泄压保护功能；

（3）为使整台设备的能耗低，设计时应考虑节能要求。

2 液压系统工作原理设计

根据挤压式脱水减量机的作业要求，设计一套依靠压力控制，具备慢进、快退、保压、卸荷、节能的单缸液壓系统，其液压系统原理图如图1所示：

由挤压式脱水减量机的作业要求，该液压系统的动作循环为：慢进→保压→快退 原位停留。根据动作循环，该液压系统由调速回路、压力控制回路等组成。

2.1 调速回路

调速回路主要完成液压缸压头的慢进和快退两个动作。一般调速回路包括：节流调速、容积调速和容积节流调速三种方式。节流调速结构简单，多用于功率不大的场合，但是效率较低，发热量大；容积调速没有节流和溢流损失，效率较高，但是需增加辅助泵；容积节流调速多用于闭式系统，效率高，速度稳定性好，但是结构非常复杂。综合比较后，本液压系统选择节流调速中的进油路进行节流调速，该种方式启动冲击较小。调速回路由定量液压泵1、换向阀4、节流阀5、液压缸8、溢流阀10组成。

液压缸压头慢进：当按下设备电源按钮时，电动带动液压泵1动作，此时由于换向阀3处于中位位置，油液直接经换向阀3的T口流回油箱，当按下启动按钮时，电磁铁1YA得电，使电磁换向阀3切换至左位，此时主油路的流动线为：

进油路：液压泵1→单向阀2→电液动换向阀4→节流阀5→液压缸8无杆腔

回油路：液压缸8有杆腔→电液动换向阀4→过滤器11→油箱

此时，液压缸向前慢进并完成挤压动作。

液压缸压头快退：当挤压动作完成后，在电气元件控制下，电磁铁1YA得电，电液动换向阀3切换至右位，此时主油路的流动线为：

进油路：液压泵1→单向阀2→电液动换向阀4→液压缸8有杆腔

回油路：液压缸8无杆腔→节流阀5→电液动换向阀4→过滤器11→油箱

2.2 压力控制回路

一般压力控制回路包括调压、增压、减压、保压、卸荷、平衡等回路。该系统中，压力控制回路主要包括保压回路、卸荷回路两种。其中保压回路主要是为使含水物料挤压更充分，需保持系统压力基本稳定；卸荷回路主要是为减少功率损耗，降低系统发热，避免频繁启动液压泵，降低液压泵寿命。

保压回路主要由液压泵1、电液动换向阀4、电接点压力表6、液控单向阀7、液压缸8组成。当系统压力到达电接点压力表的上限值时，压力表的高压触点通电，使电磁铁2YA断电，电液动换向阀4恢复至中位，液压泵1经电液动换向阀4的M型中位卸荷，液压缸压力由液控单向阀7保压，在保压期间，随着含水物料中的水分逐渐渗出，系统压力下降至电接点压力表5调定的下限值时，压力表发出信号，使电磁铁2YA得电，液压泵恢复向液压缸供油，使压力上升，从而保持系统压力稳定。

卸荷回路主要通过换向阀的中位机能进行卸荷，主要由液压泵1、电液动换向阀4和单向阀3组成，当系统液压达到设定值时，系统开始卸荷，此时电磁铁2YA断电，使电液动换向阀恢复至中位，由于该电液动换向阀选用M型的，油路中的油液通过单向阀3流至油箱，其中单向阀3可使系统在卸荷中保持一定压力，以供卸荷结束后控制油路换向。

3 主要元件设计

3.1 挤压压力的确定

通过试验研究挤压压力和体积减量率、质量减量率的关系，最终确定了挤压压力。试验表明，挤压压力和体积减量率、质量减量率的关系大致如图2所示。

从图2可以看出当挤压压力达到8.5MPa后，体积减量率和质量减量率变化已经很小了，此时，体积减量率约为91%，质量减量率约为51%，故确定挤压压力为8.5MPa。

3.2 液压缸的主要结构尺寸计算

根据挤压压力和挤压腔横截面积可以计算最大的挤压力为Fmax =8×104 N。

所选液压缸的设计压力为p=14MPa，液压缸的无杆腔为主工作腔，η取0.8，则可计算出液压缸的有效作用面积

A1=Fmax/ηp=0.0063m2

则液压缸内径

D=（4*A1/π）10-2=89mm

液压缸类型：双作用单活塞液压缸。

3.2 液压泵与驱动电机选择

液压泵压力计算：

液压缸最高压力p=14MPa，由于进油路元件较多，故液压泵至液压缸間的油路压力损失估取为△p=0.5 MPa，则液压泵的最高工作压力Pp为

Pp=p+△p=14+0.5=14.5MPa

液压泵排量计算：

液压泵的流量取决于执行元件即液压缸所需的流量以及管路、元件间的泄露，由于油路较长。故泄露系数取K=1.3，则液压泵流量为

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

拟初取液压泵的转速n=1500r/min，液压泵容积效率取ηv=0.8，则可得液压泵排量；

Vg=1000qv/nηv=16.3ml/r

根据以上参数可查相关产品样本，进行液压泵的选型，液压泵初步选为定量齿轮泵。

驱动电机功率计算：

P=Pp*qv/η=8.8kW

4 液压系统主要特点

1、采用了由定量泵、调速阀、溢流阀组成的串联节流调速回路，该回路具有结构简单、性价比高、速度平稳性好、故障率低、调速范围广等优点；

2、该液压系统采用了M型中位机能的电液动换向阀和单向阀组成的卸荷回路，该卸荷回路结构简单， M型电液动换向阀换向位置精度高，液压缸的压头停止动作后，液压缸及管路内充满油液，因此重新启动时平稳性好，在中位时液压泵卸荷，有利于减小功率损失和发热，具有节能特点；

3、为减小液压缸开停、换向阀换向、液压泵停车等液流发生激烈变化时产生的液压冲击而造成运动不均匀，通过蓄能器吸收液压压力冲击；

4、采用了由定量泵、换向阀、液控单向阀、电接点压力表组成的自动补油保压回路，该回路能自动地保持液压缸的压力在某一范围内，具有保压时间长、压力稳定性高等优点；

5、该液压系统采用叠加阀控制，集成安装方便，便于使用维护；

6、通过溢流阀回路上设置的过滤器，提高了系统油液散热效果和洁净度，系统可靠性高。

5 结论

该垃圾脱水减量机通过了试验和使用，工作稳定可靠，能耗低，具有良好的市场前景。

参考文献

[1]《液压传动系统及设计》，张利平，2005.9，北京：化学工业出版社.

[2]《液压工程手册》，雷天觉，1990，北京：机械工业出版社.

[3]《液压传动与设计》，贾铭新，2001，北京：国防工业出版社.