垃圾压缩设备液压系统定转变研究

唐拥军，余承旺

（广西玉柴专用汽车有限公司，广西 南宁537005）

0 引言

目前，国内固废垃圾的压缩与转运所使用的设备，按集成形式主要分为两类：一体式和分体式。按垃圾压缩方式主要分为水平式、垂直式和刮板式压缩。无论哪种方式，设备的液压系统基本采用定量泵+节流调速系统进行控制，节流调速系统有结构简单，维修方便的优点，但也存在节流损失大、匹配电机功率高、节流噪音大等缺点。

随着技术发展与市场环境的需求变化，垃圾处理由单一的压缩功能朝着多功能转变，如预压脱水、垃圾防夹带等，液压系统的循环动作变得也越来越复杂。同时，随着能源的日趋紧张，用户对节能降耗的要求越来越高。液压传动控制系统节能发展可分为三个阶段，即阀控制阶段、泵排量（容积）控制阶段和泵转速控制阶段，九十年代国外开始普及泵排量控制系统[1]。欧美发达国家在工业应用范围里，则愈来愈多地使用变量泵来替代定量泵。在我国也已出现了同样的倾向，在工业领域中，特别是在大型冶金液压系统中，逐步地使用变量泵，包括恒压变量泵来代替传统的定量泵[2]。变量系统作为一种节能高效的系统，在垃圾集运行业也有着广阔的应用前景。

当前国内垃圾压缩设备的液压系统工作压力一般在16 MPa～18 MPa这个级别，属于中低压系统，随着国内液压件制造水平的提高，其可靠性也得到了大幅改善，因此，可以通过提高液压系统的工作压力，让液压系统更加的紧凑和轻量化，提高垃圾转运能力，降低运营成本。

刮板式垃圾压缩机一种能将固废垃圾进行刮取提升、垃圾破碎、挤压脱水、压缩推进的一种复合型设备，动作最为复杂，因此本文以此为对象，实施应用容积调速系统，进行液压系统定转变与高压化设计研究。

1 刮板垃圾压缩设备的结构及工作原理

图1是固定式刮板垃圾压缩机，本文以其为对象，进行说明。

图1 压缩机结构

其工作过程：（1）垃圾倒入垃圾压缩腔，破碎板2在油缸的作用下向下运动将垃圾破碎；（2）破碎油缸至行程终点后，挤压板连带着破碎板将垃圾提升并挤压；（3）挤压油缸至行程终点后，压缩板推出，将垃圾推入垃圾箱并压缩。保压一段时间后复位进入下一个工作循环。

破碎板、挤压板、压缩板由于自重，下降时可能会产生吸空现象而导致抖动，为避免此问题，在油缸回油路增加了单向节流阀进行调速，由此而产生节流损失。

在工作过程中，当负载上升，系统压力上升达到溢流阀开启压力，一部分流量将从溢流阀流走，进入油缸的流量减少，油缸速度下降，由此而产生溢流损失。

图2为由定量泵、节流阀和溢流阀组成的液压调速回路简图，节流阀和溢流阀在调速过程中要产生能量损失。

图2 主要动作液压油路简图

式中Nb为泵输出功率；Pb为泵出口压力；Qb为泵输出流量；

负载的有效压力：

式中△Pc为液压阀及管路的压力损失，在阀开口与管路一定的情况下，△Pc正比于流量Q。

液压阀产生的功率损失为：

式中△P为阀进出口压差，Qm为阀的通过流量。

此时定量泵的输出功率Nb分成三部分：负载消耗的功率NL、节流损失功率△Nc、溢流损失功率△Ns，即

其中负载的输入功率NL为系统输出的有用功；要减少液压系统的能量损失，应从减少△Ns和△Nc方面着手[3-5]。

由式（1）可知，定量泵流量不变，电机的功率由系统最高工作压力决定。在油缸的空行程中，速度最快，但系统的压力远低于最高工作压力，此时电机并没有满负荷工作，造成电机功率的浪费。

在破碎、压缩垃圾时，由式（2）、式（3）可知，泵出口压力Pb由溢流阀调定，基本上不变，负载的阻力上升时，通过溢流阀溢流后，进入主油路的流量减少，则△Pc下降，因此负载压力PL上升，溢流部分的流量为损失的能量。在保压阶段，PL等于Pb，能量全部从溢流阀损失。

负载敏感变量泵能使泵的输出压力和流量自动适应负载需求，大幅度提高液压系统效率，降低电机的备转容量。

根据垃圾压缩机的工作特点，选用恒功率泵控制系统。使电机在不同工况下，都能工作在最大功率状态，充分利用电机的功率。

2 恒功率控制原理

根据泵功率公式（1），要保持功率输出恒定，则流量Qb要随着压力Pb成反比变化。因此变量泵内集成压力反馈机构，通过压力反馈机构控制泵的斜盘角度，改变泵的排量。

如图3所示是一种位移直接反馈变量控制结构，伺服阀一端的弹簧力与泵出口压力比较，当压力上升时，伺服阀向右移动，带动伺服油缸驱动斜板角度变小，泵排量变小；压力减小时，弹簧力将伺服阀向左推动，泵排量变大[6]。

图3 位移直接反馈

反馈弹簧由一大一小两根弹簧组成，伺服阀在初始位置时，大弹簧有一定初始压缩量，作为控制机构的起调压力；小弹簧与伺服阀有一定间距。根据伺服阀两端的受力平衡条件：

大弹簧单独接触阶段：

式中K1为大弹簧刚度，x0为大弹簧初始压缩量，x1为伺服阀阀芯位移量。

双弹簧接触阶段

式中K2为大弹簧刚度，d为小弹簧初始距离，x2为伺服阀阀芯位移量。

因此，泵的压力流量曲线是由两端不同斜率组成的直线，通过设定合适的弹簧刚度，可得到近似双曲线的曲线。如图4所示。

图4 双弹簧恒功率泵压力-流量曲线

3 变量泵选型

根据市场的情况和用户的要求，电机的功率由定量泵系统的22 kW降为15 kW。

系统压力由最大负载决定，压缩机的推力F=P·S（S是油缸缸径）。提高压力P，可以减小油缸缸径，但受到活塞杆稳定性的限制，缸径不能太小。经过核算，初选压力24 MPa。压力由16 MPa升为24 MPa，推力不变的情况下，油缸缸径可以减小：D1=0.82 D0（其中D1新油缸缸径；D0旧油缸缸径）。

从图4可知，恒功率泵在低压区有一段恒流量线，系统低于起始变量压力时，排量都是最大值。变量泵输出功率为Nt=Qmax·PS（其中Qmax为泵最大流量；PS为起始变量压力）。起始变量压力决定系统最大流量的工作时间，系统在空行程阶段皆要求在最大速度运行。因此参考定量系统实际工作过程的压力值，设定起始变量点压力值。

根据排量与压力选定泵的型号，最终选择力士乐A10VSO45变量柱塞泵。

4 变量系统节能效果

系统能量的损失

其中△P为能量损失部件的压力差，△Q为损失流量，T为运转时间。

系统的总能量

压力P随负载变化而变化，流量Q定量泵是恒定的，因此定量泵总能量可用平均压力估算。

（1）待机空运转损失

作业过程中存在对接箱体、倒垃圾等待机时间，约占总作业时间的5%～10%。空运转空流损失Wk=Pk·Q·Tk。其中Pk为空运作压力，Tk为空运转时间。

由于垃圾压缩机泵与阀的距离较远，定量系统通过阀中位卸荷回油箱，压力损失较高，一般达到1.5～2 MPa。损失占总能量的1%～1.5%。

变量系统油路采用正流量控制，阀处于中位时，油泵流量接近于0，压力也接近于0，系统处于待命状态。因此变量系统在空运转时能量损失很小，接近于0。

（2）溢流损失

压缩机在一个压缩循环中，定量系统在压缩时如果阻力增大，压力达到最大压力，油缸速度下降，部分流量从溢流阀溢流，溢流量和时间与垃圾的成分、数量以及压缩的阶段有关。能量损失平均约占总能量的2%～4%。

另外压缩后一般保压1～2 s，油泵流量全部从溢流阀溢流。一个压缩循环一般是50～60 s，保压能量损失约占总能量的3%～6%。

变量系统基本没有溢流损失。

（3）节流损失

压缩机的辅助动作有垃圾斗提升垃圾、耙杆耙落垃圾，它们的油缸小，需要的流量只有最大流量的1/4，定量系统通过节流阀节流实现，大部分流量都从溢流阀流失。工作一次的总时间10 s，按平均提升一斗垃圾可压缩三次计算，这部分能量损失大概占3%～5%。

变量泵可通过外控口控制流量，外控口连接设定压力时，泵出于小流量工作。通过电磁阀控制外控口的油路通断，当提升垃圾斗、耙垃圾时油泵处于小流量工作，减小节流损失。

综上，垃圾压缩机应用变量泵系统可比定量泵系统节能9%～16%。

5 功率利用率

通过实际工况测量，定量泵与变量泵的电机功率利用率如图7，可明显看到变量泵系统可以充分利用电机的功率。

图7 定量泵与变量泵的电机功率利用率

6 结语

变量系统与定量系统相比，减少了能量的损失，提高了工作效率，有效地利用电机功率，有效降低泵的备转容量。因此，变量系统在垃圾压缩设备有着广阔的应用前景。

变量泵在相同的功率和工作效率下，系统的工作压力相比定量泵可提高很多。液压系统高压化有利于压缩设备的小型化、轻量化，经过固定压缩设备应用成功后，同样也可应用于垃圾压缩车，提升垃圾压缩车的运载能力。