垃圾壓縮站中液壓泵站的設計

管天福

（湖北國土資源職業(yè)學院，湖北 武漢 430090）

0 引言

我國城鄉(xiāng)垃圾處理工作的優(yōu)劣與人民群眾生活質量的高低密切相關。垃圾的收集、運輸及最終處理是垃圾處理工作的三個部分，采用對生活垃圾進行壓縮轉運的收集方式，具有運營成本低、工作效率高、保護環(huán)境、避免二次污染等優(yōu)點。從當前的城市環(huán)衛(wèi)狀況來看，合理分布建設一定數(shù)量的壓縮式垃圾轉運站能夠有效提高城市垃圾處理能力、促進環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[1]。目前，垃圾壓縮站的類型按驅動方式分，有液壓式、氣動式、電動式、機械式。液壓驅動式垃圾壓縮裝置具有輸出壓力大且運行平穩(wěn)的特點[2]。

1 垃圾壓縮站簡介

一種中型垃圾壓縮站，采用雙工位垃圾集裝箱裝載系統(tǒng)，主機理論生產率為35 t/h，有效提高了壓縮主機的生產效率，減少了壓縮站使用單位的初次投入經費和后期的運營經費。該壓縮站運動裝置主要由液壓缸驅動，充分發(fā)揮液壓傳動系統(tǒng)驅動力大、運行平穩(wěn)及控制方便的優(yōu)勢，采用電氣系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)的有序運行，實現(xiàn)設備的自動化工作。

1.1 垃圾壓縮站基本構成

壓縮站主要由以下幾大部分組成。

1）卸料槽。其上下開口，四周封閉，用于接收并盛裝垃圾。

2）附推料機。主要用于向壓縮機供料。

3）垃圾壓縮機。中轉站的主要工藝設備，用于壓縮并裝載垃圾。

4）平移機構。安裝在壓縮機前方，用于承載集裝箱，通過自身的橫向平移動作來實現(xiàn)集裝箱的切換。

5）液壓動力系統(tǒng)。是垃圾壓縮系統(tǒng)的動力源，由電機帶動液壓油泵驅動各個液壓執(zhí)行缸，再由液壓缸推動各個機械設備動作。

6）電氣控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)采用電氣控制臺及PLC控制，可以實現(xiàn)對供料機、壓縮機等各處液壓執(zhí)行缸的順序動作控制。

設備各組成部分的位置布局如圖1所示。

圖1 垃圾壓縮站的系統(tǒng)布局圖

1.2 垃圾壓縮站的操作流程

壓縮站的轉運工藝流程是：垃圾收集車將垃圾倒入料槽（卸料）→附推料機向主壓縮機供應垃圾（供料）→主壓縮機壓縮垃圾（壓縮）→拉臂鉤車裝箱（裝箱）→拉臂鉤車將集裝箱運往最終處理廠（轉運）。壓縮站的操練按照設計要求，需要能夠實現(xiàn)手動操作、半自動操作及全自動操作功能。設備在運行時主要靠控制程序控制執(zhí)行元件實現(xiàn)自動化運行，也可以由操作員操控控制臺，實現(xiàn)半自動化運行或逐步運行。在此，以手動分步驟操作為例來分析其操作流程，具體操作流程如圖2所示。

圖2 垃圾壓縮站的操作流程圖

1.3 垃圾壓縮站的液壓執(zhí)行機構

該壓縮站共有7組（個）液壓執(zhí)行元件。具體內容如下。

1）主壓縮機推桿油缸。該油缸是壓縮機最重要的執(zhí)行缸，工作負載大，用來完成垃圾的壓縮任務，液壓缸在工作過程中，往復運行速度不同。

2）附推料機油缸。安裝在附推料機中，用來向主壓縮機供料，工作行程為往復直線運行。

3）推拉箱油缸。將平移機構上的集裝箱拉近至壓縮機，或者將壓縮機前已壓完的集裝箱推出到平移機構上。

4）鎖箱油缸。壓縮垃圾前使集裝箱鎖死固定在壓縮機上，壓縮完成后松開集裝箱與壓縮機的連接。

5）鎖鉤油缸。用來使安裝在集裝箱后門上的推板固定插銷拔出、插入。

6）閘板油缸。驅動閘板上下運行。

7）移箱油缸。驅動移動平臺的平移機構做橫向移動。

各個執(zhí)行機構順序動作，按照操作流程完成整個垃圾壓縮站的工藝流程。通過對各組液壓缸的功能分析、參數(shù)計算和液壓回路系統(tǒng)設計，得到了各組液壓缸的基本信息，具體內容如表1所示。

表1 各執(zhí)行元件參數(shù)表

2 液壓泵站設計

液壓泵站是垃圾壓縮站液壓執(zhí)行元件的動力源，為各組液壓缸的運行提供壓力能。液壓泵站主要包括電動機、液壓泵、油箱及其他附件等，為使垃圾壓縮站的液壓系統(tǒng)有效有序地運行，需設計液壓泵站相關元件的參數(shù)。

2.1 電動機及液壓泵選擇

根據(jù)圖2所示的垃圾壓縮站的操作流程，本系統(tǒng)中各組液壓缸動作為順序動作，故系統(tǒng)流量按照油缸速度計算，取最大值即可。從表1各執(zhí)行元件參數(shù)可得，主壓縮機推桿油缸回縮時所需流量最大為63.6 L/min，其他油缸運行時所需流量最大為30 L/min。主壓縮機推桿油缸伸出時的額定壓力和推拉箱油缸伸出時的額定壓力最大，都是25 MPa，其他液壓缸負載行程的額定壓力是16 MPa，而系統(tǒng)各液壓缸的回程大多為幾乎空載的狀態(tài)。

液壓泵的實際輸出功率公式是[3]：

液壓泵是通過電動機帶動，輸入的是轉矩Ti和角速度ω；即輸入能量為機械能。輸入功率Pi指作用在液壓泵主軸上的機械功率。

總效率η為液壓泵的實際輸出功率與其輸入功率的比值，也等于容積效率與機械效率的乘積，即：

將垃圾壓縮站液壓系統(tǒng)的最大流量63.6 L/min和最高額定壓力25 MPa代入公式（1）得：

液壓泵取總效率η=0.7，代入公式（2）得電動機功率Pi為：

則電機的功率至少要40 kW。

主壓縮機液壓缸在快進和快退行程所需液壓油泵的壓力小、流量大，油泵處于低壓大流量狀態(tài)；工進行程壓力大、流量小，油泵處于高壓小流量狀態(tài)。而在一個工作循環(huán)中，液壓缸快進和快退時間長，工進時間短，選用單個定量泵作為整個系統(tǒng)的油源，液壓系統(tǒng)會長時間處于大流量溢流狀態(tài)，從而造成能量的大量損失，系統(tǒng)效率低下。

由于主壓縮機推桿油缸回縮時所需流量最大為63.6 L/min，其他油缸運行時所需流量最大為30 L/min左右，確定選用雙聯(lián)液壓泵供油方案，有利于降低能耗和生產成本。本系統(tǒng)采用高壓雙聯(lián)齒輪泵供油，油泵型號為JHP2040/2040，前泵的排量為40 mL/r，后泵排量為40 mL/r，6級電機驅動，故前泵理論排量為38.4 L/min，油泵總效率按0.8考慮，前泵實際輸出流量為30.72 L/min，后泵實際輸出流量為30.72 L/min，雙泵同時供油時，理論輸入流量為76.8 L/min，油實際流量為61.4 L/min，可滿足油缸快速縮回的需油量。雙泵供油原理圖如圖3所示。

圖3 雙泵供油油源

根據(jù)公式（1），可分別計算各個工作狀態(tài)時所需的電機功率。

快速進給：油缸為空載，工作壓力按2 MPa考慮，雙泵供油壓力達到8 MPa時切換至一次進給，故P=8×（38+38）/60=10.1 kW。

一次進給：油缸開始壓縮物料，工作壓力達到12 MPa時切換至二次進給，雙泵供油，故P=12×（38+38）/60=15.2kW。

二次進給：油缸工作壓力為25 MPa，單泵供油，工作壓力達到13.5 MPa時切換至二次進給，故P=25×38/60=15.8 kW。

系數(shù)安全系數(shù)取0.8，則電機功率應不小于19.75 kW，故選取22 kW電機。

則可以確定液壓泵站的系統(tǒng)額定壓力為25 MPa，系統(tǒng)額定流量為76 L/min，液壓泵電機參數(shù)：三相交流380 V/50 Hz/960 r/22 kW。

2.2 主壓縮機推桿油缸液壓回路改進

由于液壓泵站采用雙泵供油，垃圾壓縮站液壓系統(tǒng)中附推料機油缸、閘板油缸、鎖箱油缸、鎖鉤油缸、移箱油缸所需的流量、壓力都較小，且為順序動作，故可采用一個油泵供油。

主壓縮機推桿油缸和推拉箱油缸工作壓力為25 MPa，可使用一組高壓油泵供油。主壓縮機推桿油缸為本系統(tǒng)的主油缸，運動規(guī)律較為復雜，可分為快速進給、一次進給、二次進給和快速縮回幾個過程。為充分發(fā)揮液壓泵站的性能，需要重新設計主壓縮機推桿油缸的液壓控制回路。

主壓縮機推桿油缸需要經過多次壓縮工作循環(huán)才能完成一個箱體內物料的壓縮，且該缸的行程較大，油缸在單個工作循環(huán)之初，并不接觸物料，此時油缸為空載狀態(tài)，速度應盡量快，這個過程為快速進給狀態(tài)，油缸采用差動回路控制，雙泵供油，系統(tǒng)壓力為8 MPa；開始壓縮物料時，負載較小，油缸切換至一次進給狀態(tài)，為了提高效率，油缸應保持較高的進給速度，油缸采用雙泵供油，壓力為12 MPa；當物料壓縮比較大時，負載增大，油缸進入二次進給狀態(tài)，采用單泵供油，壓力為25 MPa；如果物料的壓縮比已達到要求，則油缸可快速縮回，完成一個工作循環(huán)。油缸工作狀態(tài)的切換可通過油缸無桿腔的壓力繼電器控制。主壓縮機推桿油缸的液壓控制系統(tǒng)回路如圖4所示。

圖4 主壓縮機推桿油缸液壓系統(tǒng)回路圖

2.3 液壓泵站油箱設計

油箱主要用于貯存油液，同時也起到散熱的作用。參考相關文獻及設計資料，油箱的設計可先根據(jù)液壓泵的額定流量，按照經驗計算方法計算油箱的體積，然后再根據(jù)散熱要求對油箱的容積進行校核。

油箱中能夠容納的油液容積按JB/T7938-1999標準估算，取ζ=7時，求得其容積為：

按JB/T7938-1999規(guī)定，取標準值V=450 L。

而一般油箱內油液的容積不超過油箱容積的0.8倍，所以油箱的容積取600 L。油箱底部放有磁鐵用以吸附鐵屑，空氣濾清器、液位液溫計、維修清理人孔、安裝起吊裝置齊備；使用介質為46#抗磨液壓油，油液污染度等級不低于NAS9級。油箱可聯(lián)系專門的生產廠商按照設計要求和一般技術規(guī)范生產。

液壓系統(tǒng)油溫過高不僅會增加能耗，還會降低使用壽命。在液壓系統(tǒng)作業(yè)過程中，如果大量的油液由壓力溢流閥回到油箱中，就會導致油溫升高[4]。為預防油溫升高，液壓泵站配有風冷卻器，散熱量計算如下：

Qrep：發(fā)熱量，kW。

V：油箱容積，L。

γoil：油比重，取0.915 kg/L。

Coil：油比熱，取1.88 kJ/(kg·℃)。

T：溫升，℃。

S：時間，s。

油箱容積為600 L，油溫假設45 min從20℃上升至45℃，將上述參數(shù)代入公式（4）則可計算出系統(tǒng)的發(fā)熱量為9.5 kW。根據(jù)風冷機樣本曲線[5]，如圖5所示，DEL-5在通過的流量為86 L時，散熱能力為11 kW，可滿足要求，故風冷機選取DEL-5。

圖5 風冷機性能曲線圖

本系統(tǒng)推薦工作油溫范圍為30℃~55℃，配有加熱、冷卻及溫控裝置；并配有液位報警裝置，高、低液位及過濾器堵塞報警停機等安全保護裝置；控制電壓為DC24 V；回油過濾器過濾精度為20 m。

3 結束語

通過分析垃圾壓縮站結構特點、性能要求和操作流程，在綜合各個執(zhí)行液壓缸的運動規(guī)律和運行參數(shù)的基礎上，計算選擇了合適的電動機和液壓泵，降低了設備成本，提高了系統(tǒng)效率。計算設計了液壓泵站油箱的容積，并選擇了其他各種輔助裝置和液壓油，完成垃圾壓縮站的液壓泵站設計，為設備的運行提供可靠動力保障。