圆筒型移动式垃圾压缩设备设计

于晓娟 陈 锐 姚燕生 郑 磊 李 云

（1、劲旅环境科技股份有限公司，安徽 合肥230011 2、安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽 合肥230601）

当一个国家城镇化率在30%～70%时，是城市病的集中爆发期[1]。在2010 年我国城镇化率达到50%之后，环境污染等一些突出城市病就开始明显表露出来，城市垃圾处理成为解决城市环境问题以及居住舒适感的关键问题[2]。当前垃圾压缩运转处理流程如图1 所示，城市居民的生活垃圾先送到小区或街道的垃圾桶，由环卫工人开着垃圾运输车到各个收集点收集，再运输到垃圾压缩中转站，经垃圾压缩中转站将松散垃圾压实以减小体积并分离污水，再由运输车运输到垃圾场进行集中填埋或焚烧[3]。从上述流程中可以看出垃圾经过中转站压缩与多次装卸运输，比较浪费人力物力。为解决这一问题，我们研究开发了集多功能于一体的高效移动式垃圾压缩设备，并制造出系列化的应用产品。

1 总体机械结构设计

城市垃圾主要有工业垃圾、建筑垃圾和生活垃圾。工业垃圾和建筑垃圾一般为短期内集中应用运输车辆直接运送到处理场，而城市生活垃圾主要为餐厨垃圾、生活废弃物资、树枝落叶等，比较蓬松、含水量大、成分复杂，为提高运输效率，最好的办法是先压缩再运输。移动式垃圾压缩设备实现了运输与压缩装载的流程一体化，可以放置在垃圾中转站地面收集垃圾和压缩垃圾，也可装载于运输车上，在转运途中将收集的垃圾在箱体内压缩，最后直接运送到垃圾场焚烧填埋，无需再到压缩中转站中压缩垃圾。相较于传统的垃圾压缩处理方式，该设备使垃圾运转处理流程得到简化，节省了更多的时间；另外可不进入垃圾压缩站，减少垃圾压缩站建设投资，可节约资金，降低对周边居民生活的影响。

目前常见的移动式垃圾压缩设备多为长方体等有死角的箱体[4]，这种设备较易在拐角、棱边处产生损伤，缩短箱体的使用寿命，而且不利于垃圾脱离干净，在箱体内产生残留。综合考虑现有方箱式垃圾压缩设备优缺点，在传统设备的基础上设计了外形为圆筒型的可移动翻斗式垃圾压缩设备。图2 中分别展示的是新型移动压缩设备结构设计图、三维模型图和实物图。

图1 城市垃圾压缩运转处理系统组成图

图2 新型垃圾压缩设备

图3 垃圾压缩处理流程图

圆筒形储料箱体采用高强度合金板材料，分两半圆模压成型后焊接成整体，结构轻便、容积量大、经济性高。创新设计了多连杆液压驱动的上料翻斗机构，改变了传统的提升单个垃圾桶翻桶倾倒垃圾的模式，另外其制造工艺也为模压成型减轻了自身重量；当翻斗液压缸启动，驱动复合连杆机构来实现翻斗上多个垃圾桶同时向箱体中倒入垃圾。压缩头与压缩腔采用无导轨与无缝式设计，良好的导向性使得压缩过程更加平稳、流畅，使垃圾在压缩腔内受力会更均匀、更小、更易于将松散垃圾压实成型。圆形后门及门框采用优质钢材模压成型，圆度优良，确保了对垃圾渗滤液的完全密封。

2 液压与控制系统设计

液压系统是垃圾压缩设备非常重要的组成部分，无论对于垃圾压缩站还是移动式垃圾压缩设备，它都直接关系着垃圾压缩设备的垃圾压缩效率。液压系统主要是由液压泵、液压缸、控制阀以及其它辅助元件构成，油箱内的液压油由输油泵抽吸送入液压泵，为垃圾压缩设备提供工作压力，各控制阀分别控制提料液压缸、推压液压缸、尾门液压缸的油路方向，从而实现液压系统压缩垃圾的工作。其中溢流阀和蓄能器来共同维持液压系统内的压力在设定值。

液压系统的工作压力一般是由设备负载所决定的。传统的垃圾压缩设备都是采用定量泵作为液压泵，配合节流调速系统实现液压系统的工作，但都存在着明显的缺点——即需要电机提供大功率，且节流调速系统的损耗也很高。对此，我们采用了恒功率变量泵取代定量泵作为液压泵，这在国外一些发达国家的工业领域中已经试验过了。采用定量泵的液压系统工作压力一般在16MPa 到18MPa, 采用恒功率变量泵其所需的压缩机功率从22kW 降到了15kW，而系统的工作压力却从16MPa 提高到了24MPa。这不仅可以满足液压系统的压力设定值22MPa，还可以减小执行元件的尺寸使设备结构更加紧凑、体积变小，另外还降低了压缩机功率，实现了节能减耗。

移动式垃圾压缩设备的电控系统主要包括电源模块、单片机模块、数据储存模块、数据传输模块、温度信号处理模块、显示模块等。电源模块为整个系统供电；单片机模块收发指令控制整个设备运行；数据储存模块用来储存实时装载垃圾量、设备的累计运行时间、当日垃圾处理量等信息；数据传输模块可以传输单片机的控制指令；温度信号处理模块用来监测设备液压系统的温度，防止油温超出预定值；显示模块可以显示设备的相关信息。新型移动式垃圾压缩设备具体处理流程见图3 所示：先启动垃圾压缩设备，为设备的电控系统供电，液压系统预热，并完成设备自检；通过翻斗将垃圾收集翻转倾倒入压缩腔内，推头在压缩腔内压缩松散垃圾，再将其装入垃圾设备的箱体内。

通常压缩设备中的液压系统最高压力设定为22MPa，液压系统因持续溢流会产生热量损耗，当检测液压油温度达到一定值后，电控系统则会启动冷却风机进行降温处理，消耗更多的电能。为此，对最新型移动式垃圾压缩设备电控系统的电源模块进行了改进设计，采用变频器驱动电机，电机转速可以根据工作情况实时调节。当系统工作压力较低时，此时变频器的电流输出值较小，系统会以50HZ 工频工作，压缩头高速前进。当系统压力升高达到设定值22MPa 时，此时变频器的电流输出值较大，系统降低频率以10Hz 工作，使系统压力稳定在22MPa，推头进行保压。该工作方式的优点是一方面降频后可以降低电机能耗；另一方面降频后系统通过溢流阀溢流的油液减少，系统发热量大大降低。通过实验，采用变频系统后较传统电控系统降低能耗约20%。

表1 新型垃圾压缩设备与传统压缩设备对比

图5 垃圾转运车/车厢

图6 传统移动式垃圾压缩设备

3 与传统压缩设备对比分析

与传统的垃圾压缩设备相比，我们研究开发的新型移动式垃圾压缩设备具备显著的优点（如表1）。其箱机一体式的结构设计避免了传统垃圾压缩站地基的土建工程（如图4），也避免了垃圾转运车（如图5）无法压缩垃圾的缺点，提高了设备的垃圾处理效率，减少了设备资金的投入。我们也与市面上具有相同箱体容积和压缩腔容积的传统移动式垃圾压缩设备做了比较（如图6），传统设备的箱体设计多为长方体，存在死角不便清洁箱体，且上料方式多为挂桶式或后装式，需人工上料。新型移动式垃圾压缩设备的箱体结构采用圆柱体，且采用翻斗式上料，避免了上述缺点。并且我们研发的新型垃圾压缩设备的液压系统和电源模块分别采用恒功率变量泵和变频器驱动电机，在相同的垃圾处理情景下，这些改进在保证液压系统工作压力的同时减少了系统所需相匹配的电机，降低了设备能耗。

4 结论

本文研究设计的圆筒型移动式压缩设备，其优异的一体式结构集合了运输与压缩功能，改变了传统的垃圾压缩运转处理流程，缩短了整个流程的运转时间，提高了垃圾处理的效率。公司开发的移动式垃圾压缩设备获得安徽省新产品证书，并批量生产与销售，年销售额上千万元。传统的垃圾运输车和垃圾压缩中转站将会逐渐退出社会的舞台，移动垃圾压缩设备将会在未来成为发展的主流。目前我们正在将远程监控与在线故障诊断技术应用到每个移动垃圾压缩设备，并通过大数据分析提前预测，在发生故障之前维护好垃圾压缩设备，实现垃圾处理设备无故障高效工作。