城市生活垃圾中转站举升装置设计与应用吕传毅 杨先海3曹冲振 董 涛 (山东理工大学,淄博255012)摘 要 对地平式城市垃圾中转站的3种举升装置进行了详细分析,指出了其存在的问题,提出了一种新型的链条式 城市垃圾中转站举升装置,它结构紧凑,运行平稳可靠,成本低,噪音小,节能省电,是垃圾中转站新型优选产品,现已成功 应用于环卫工程中 关键词 垃圾中转站 举升装置 地平式 链条式 液压式Research on raising device of municipal refuse transfer stationsLu Chuanyi Yang Xianhai Cao Chongzhen Dong Tao (Shandong University of Technology , Zibo 255012)Abstract The structure characteristics of 3 types of raising devicesfor municipal refuse transfer stations are ana2 lyzed in this paper , and a new2style chain2driving raising mechanism of municipal refuse transfer stations is put for2 ward. It is proved by testing: it has compact structure , low cost and low noise , it runs steadily and credibly. It has been successfully used in sanitary engineering. Key words refuse transfer station; raising device ; underground type ; chain type ; hydraulic type基金项目:山东省教育厅2001年科技计划项目(J01b 01)收稿日期:2002 - 07 - 19;修订日期:2002 - 12 - 10作者简介:吕传毅(1962～) ,男,教授,博士。
主要从事机构分析与综合、 机电一体化技术、 城市生活垃圾处理技术与装备方面的研究与开发工作,发表论文30多篇,出版著作4部,多次获得科技进步奖3 通讯联系人:杨先海(1964～) ,男,副教授,西安理工大学博士生1 引 言我国年产垃圾已达1.5亿t ,垃圾处理和处置的 问题日益突出,城市生活垃圾中转站是实现垃圾集 运的设备之一,它分为地上式和地平式地上式城市生活垃圾中转站机械部分安装费用较低,但需要 建筑物作为提升垃圾集装箱的支撑,地平式垃圾中 转站机械部分安装费用相对较高,但不需要建筑物 作提升集装箱的支撑,因此特别适合于草坪、 绿地附 近垃圾的集运现有的一些垃圾中转站举升装置由于设计不合理,稳定性差,功耗大,主要件易损坏,设 备维修不方便,时常导致垃圾不能及时转运,造成环 境污染因此,研究开发一种工作可靠、 性能优良的 地平式城市生活垃圾中转站举升装置,是很有必 要的2 地平式城市生活垃圾中转站举升装置的 设计目标城市地平式生活垃圾中转站主要包括举升装 置、 动力系统、 起重平台、 垃圾集装箱、 汽车托板、 控制箱等6个功能模块组成举升装置是地平式垃圾 中转站的关键部分,不仅决定着整台中转站的可靠性、 平稳性,而且决定着整台中转站的成本。
地平式垃圾中转站主要实现将垃圾集装箱提升 一定高度的功能,一般地,汽车车厢平面距地平面 约1.2 m ,垃圾集装箱的高度为1. 5 m ,再考虑到汽 车托板等部分所占的高度空间,垃圾集装箱提升的 高度一般在3.3 m左右一箱垃圾及其集装箱的重 量约4 t ,举升装置要承受至少4 t的重量,实现3.3 m的铅垂位移 地平式垃圾中转站在大中城市中安装数量较 多,属于应用量大、 面广的产品,因此中转站的成本 不能太高另外,垃圾中转站工作时应无噪声污染, 否则会影响附近居民休息 综上所述,举升装置的设计目标为:在承受约4 t 重量的载荷下,能够实现3. 3 m的铅直位移,而且要求运行可靠、 操作简单、 成本低、 噪声小、 易维护第4卷第2期环境污染治理技术与设备Vol . 4 , No . 22 0 0 3年2月Techniques and Equipment for Environmental Pollution ControlFeb . 2 0 0 3图1 液压式举升装置图3 举升装置分析3.1 液压式举升装置 液压式举升装置如图1所示液压式举升装置是这样完成举升功能的:液压缸顶住中桶,中桶上安有滑轮,钢丝绳绕过 滑轮,一端与内桶底端相连,另一端与外桶顶端相连。
当液压缸顶起中桶时,由于外桶是固定不动的, 所以内桶会以两倍于外桶的速度上升,即当液压缸顶起中桶1.65 m时,内桶就会上升3.3 m ,达到举升 的高度 这种举升方式中的内桶承受的压力N等于起重平台施加的压力N,也等于钢丝绳的拉力,所以滑轮的压力等于2N,因此液压缸的推动力为2N,约为10 t ,这个载荷相当大,导致了整个系统的功耗大 液压式举升装置优点是结构简单、 举升平稳,但是这种装置决定了液压缸的长度较长(约2 m) ,而 且需要两个液压缸,制造成本比较高,且液压缸在使用一段时间后,由于磨损,容易出现漏油、 爬行现象 和啸叫噪音,而且举升臂均是方桶形,不利于对中转 站的维修3.2 连杆式举升装置 连杆式举升装置的结构如图2所示设与钢丝绳相连的连杆长度为l= 0. 5 m ,α是此两连杆之间的夹角,考虑到具体结构的限制,α的取值范围是16° ≤ α≤160°,则起重平台能举升的理论高度为h=4×2×0.5×(sin80°- sin8°) = 3.38 m ,能够满足举升 高度的要求这种装置的钢丝绳拉力T等于起重平台施加给举升装置的压力N与举升装置的重量之和,钢丝 绳的拉力并不大。
与钢丝绳相连的两根连杆是二力杆,其受力简单在刚举升时基本处于水平方向(即 α很小) ,所以连杆的受力相当大,这就要求连杆的 截面尺寸能够保证强度要求,在举升过程中逐渐减 小,举升到最高点时(即α接近于160°)连杆受力最 小与起重平台相连的两根连杆受力状况与上述两 连杆基本相同图2 连杆式举升装置示意图该装置还要求有一导轨导向,导轨不能露出地 面以上,在举升装置达到最高位移时,举升装置的大 部分不能被导向,稳定性不易保证 此装置的优点是能够实现较大的直线位移,而 且钢丝绳的载荷较小,动力及传动系统易满足要求但是,由于连杆在举升开始时所受到的力较大,而且 关节较多,每个关节处都需要安装轴承等零件,因此 关节及连杆尺寸较大,结构复杂,所以这种装置实现 起来也不经济3.3 组合机构式举升装置分析图3所示的齿轮五杆组合机构,此齿轮五 杆机构是由齿轮、 曲柄与连杆组成的对称式机构 相互啮合的齿轮1、2中心分别位于固定铰链A、E 上,两齿轮结构参数相同,且旋转方向相反,转速相 同,两齿轮构成定轴轮系齿轮1和曲柄AB固联,齿轮2和曲柄DE固联,曲柄AB和曲柄DE尺寸相 同,曲柄AB与连杆BC铰接于B ,曲柄DE与连杆CD铰接于D ,长度相同的连杆BC、CD铰接于C ,那 么C点的运动轨迹为一条直线。
当曲柄AB旋转一周时,连杆BC的受力变化情 况较大,受力比较平缓的范围是在角度区域:π- arccosa b+c≤ θ< 2π- arccosa c-b47环 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备4卷图3 齿轮五杆机构示意图曲柄AB所受扭矩在π- arccosa b+c≤ θ< 2π-arccosa c-b范围内较小所以当π- arccosa b+c≤ θ<2π- arccosa c-b时,连杆BC的受力情况与曲柄AB所受齿轮施加扭矩情况要比当0° ≤ θ<π- arccosa b+c及2π- arccosa c-b≤ θ< 2π时改善一些,特别是连杆BC的受力情况改善了许多图4 组合机构式举升装置采用这一组合机构实现垃圾集装箱的举升,结构比较简单,结构原理图如图4所示 θ的取值范围是0°<θ< 95° 及285°<θ< 360°,但是由于垃圾集装箱需要提升的高度是3. 3 m ,用这种组合机构实现直线位移需要较长的曲柄与连杆,若齿轮中心距a= 0.5 m ,曲柄的长度b= 1.6 m ,则连杆的长度c≈3.3 m ,再考虑垃圾集装箱等重量较大,则施加于曲柄的转矩较大,约32 000 Nm。
又由于垃圾集装箱每提升一次时,曲柄旋转的角度不足半周,提升时间约90 s ,因此转速相当低,这样需要传动比相当大的减速器才能得到很低的输出转速,特别是减速器需要很大的输出扭矩,因为要考虑到减速器成本问题,使得减速器选型相当困难4 举升装置创新综合 — — — 链条式举升装置链条传动中链节上某点的运动在一定范围内是 直线运动,利用这一特点,我们提出了把链条传动纵 向布置,应用其中一部分直线运动位移来达到提升高度的链条式举升装置,如图5所示图5 链条式举升装置结构图举升装置原理如下:动力系统将扭矩传递给下链轮,下链轮是链传动的主动轮,上链轮、 下链轮分 别固定于第一节臂顶板、 底板,第一节臂立柱支撑着 第一节臂顶板,链条的一节链节与举升块固定,举升 块与第二节臂底板相连,当链条上升时经举升块带 动第二节臂底板,第二节臂立柱与第二节臂底板固连,第二节臂立柱上升时顶起第二节臂顶板,从而将 起重平台顶起,起重平台举升垃圾集装箱,然后将垃 圾集装箱放置于垃圾车上运走 此装置的直线位移是由链条运动实现的,所以 上、 下链轮间距离应超过1. 65 m链条的起重力为起重平台施加的压力与第二节臂重量之和,约10 t , 由于链轮的直径较小,可以大幅度降低减速器的输 出扭矩,因此使得对传动系统的选择不受太多的限 制,同时功耗减少,空间上有利于结构安排,采用了 三节臂伸缩结构,有效降低了高度方向的尺寸,不但结构紧凑,也节省了地下建筑施工的深度和费用。
链条式举升装置所有的连接和传动均采用机械 零部件,传动精度高,磨损小,保证了举升机构的平 稳性和可靠性572期吕传毅等:城市生活垃圾中转站举升装置设计与应用5 结 论通过现场测试分析,采用链条式举升装置的城 市生活垃圾中转站比其他类型的产品节能25 % ,提 升时间缩短40 % ,噪音降低17 dB ,施工深度减少14 % ,并且占地面积少,运行平稳可靠,成本低因此是垃圾中转站新型优选产品,现已成功应用于环 卫工程中,并取得了明显的经济效益和社会效益参 考 文 献[1] George Tchobanoglous ,Hilary Theisen ,Samuel Vigil. Integratedsolid waste management—engineering principles and manage2ment issues.北京:清华大学出版社,2000[2] Liebman , J. C. Routing of solid waste collection vehicles , finalreport on project 801289. Office of Research and Monitoring ,U. S. Environmental Protection Agency , Washington DC,1993[3] Shuster , K.A. , D.A. Schur. Heuristic routingfor solid wastecollection vehicles. Publication SW2113 , U. S. EnvironmentalProtection Agency , Washingt。