城市生活垃圾中转站举升机构分析与综合

随着城市建设规模的扩大及居民生活水平的提高，再考虑人口增长的因素，城市生活垃圾产生量在迅速增加，垃圾处理和处置的问题日益突出。城市生活垃圾综合处理系统主要有垃圾收集、转运和处理3个环节组成，其中垃圾的收集与转运系统的费用约占生活垃圾处理总费用的一半以上，所以选择经济、合理的垃圾收集与转运系统有着非常重要的现实意义。城市生活垃圾中转站是实现垃圾集运的重要设备，举升机构又是地平式垃圾中转站的关键部分，它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。现有的一些垃圾中转站举升机构由于设计不合理，稳定性差，功耗大，主要件易损坏，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、性能优良的城市生活垃圾中转站举升机构是很有必要的。 
1举升机构的设计目标和约束条件 
地平式城市生活垃圾中转站由于不需要修建地上建筑物，节省投资，全封闭无污染，美化环境被广泛应用于各个城市中。它主要包括举升机构、动力系统、起重平台、垃圾集装箱、汽车托板、控制箱6个功能模块组成，举升机构是地平式垃圾中转站的关键组成部分。 
举升机构主要实现将垃圾集装箱举升一定高度的功能。一般地，汽车车厢平面距地平面约1.2m，垃圾集装箱的高度为1.5m，再考虑到汽车托板等部分所占的高度空间，举升机构的举升高度一般在3.3m左右。一箱垃圾及其集装箱的重量约4×103kg，考虑特殊情况的重量，举升机构要承受至少6×103kg的重量。 
地平式生活垃圾中转站在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，垃圾清运大多在夜间，中转站工作噪声要低，否则会影响附近居民休息。综上所述，举升机构要求在承受约6×103kg重量的载荷下，能够实现3.3m的举升高度，而且运行可靠、成本低、噪声小、易维护。 
2三种举升机构运动及受力分析 

 
图1液压式举升机构图 
2.1液压式举升机构分析 
液压式举升机构如图1所示。工作原理如下: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2倍于外桶的速度和高度上升，即当液压缸顶起中桶1.65m时，内桶就会上升3.3m，达到举升的高度。 
液压式举升机构优点是结构较简单，但是这种机构决定了液压缸的长度较长(约2m)，而且需要2个液压缸，制造成本比较高；由于举升机构需要对称布置，液压系统很难保证两边运动的同步性；且液压缸在使用一段时间后，由于磨损，容易出现漏油现象，并且液压油粘度受温度影响较大，容易导致爬行现象。这些问题导致了系统的稳定性差，同时产生的啸叫噪音容易对周围环境产生污染。 
2.2连杆式举升机构分析 
连杆式举升机构如图2所示。一组连杆通过相对转动关节连接在一起，连杆中间的关节在导向导轨里滑动，小连杆与连杆的最上一部分组成平行四边形机构，连杆的一个关节在固定支架处固定，连杆的最下端与钢丝绳连接，当钢丝绳向下拉动时，带动连杆以固定支架为基点向上移动，平台将垃圾集装箱举起。 

 
图2连杆式举升机构示意图 
设与钢丝绳相连的连杆长度l=0.5m，α是此两连杆之间的夹角，16°≤α≤164°，则起重平台能举升的理论高度h=4×2×0.5×(cos8°-cos82°)=3.4m，能够满足举升高度的要求。 
对于这种机构，钢丝绳拉力T等于起重平台施加给举升机构的压力N与举升机构的重量之和，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很大)，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，在举升过程中受力逐渐减小，举升到最高点时(即α接近于16°)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。

该机构还要求有一导轨导向，导轨不能露出地面以上，在举升机构达到最高位移时，举升机构的大部分不能被导向，稳定性不易保证。 
此机构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，且关节及连杆尺寸较大，故可靠性和稳定性差。 
2.3齿轮五杆举升机构分析 
分析图3所示的组合机构，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。图4是齿轮五杆举升机构简图。 

 
图3齿轮五杆机构示意图 

 
图4齿轮五杆举升机构 
连杆BC与CD受力大小相等，曲柄AB与DE所受力矩大小相等。 
连杆BC所受压力 
 
施加在曲柄AB上的力矩 
 
当曲柄AB旋转一周时，连杆BC的受力变化情况与曲柄AB所受齿轮施加扭矩变化情况通过编程绘制出曲线如图5、图6所示。图5中，连杆BC在 
 
范围内不仅受力较小，而且比较平缓。图6中，曲柄AB所受扭矩峰值在 
范围内较小。

 

 
改善一些，特别是连杆BC的受力情况改善了许多。采用这一组合机构实现垃圾集装箱的举升，优点是结构比较简单。但是用这种组合机构实现直线位移需要较长的曲柄与连杆，施加于曲柄的转矩较大，举升点C的速度和加速度不稳定。同时因为曲柄转速相当低，需要传动比相当大的减速器才能得到这样的输出转速，减速器需要很大的输出扭矩，造成减速器选型困难，成本高。 
3链条式举升机构分析与综合 
3.1机构分析 
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机构。举升机构的原理如下: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，第一节臂固定于地基上，链条的一节链节与链固定块固连于第二节臂，钢丝绳两端分别固连于第一节臂和第三节臂，滑轮固连于第二节臂。当链条转动时带动第二节臂举升，第三节臂则以2倍的速度在滑轮和钢丝绳带动下向上举升，从而将第三节臂上的起重平台顶起，起重平台举升垃圾集装箱，然后再将垃圾集装箱放置于垃圾车上运走。链条式举升机构如图7所示。 

链条式机构的直线位移是由链条运动的直线段实现的，所以链条直线段运动应超过1.65m，因为第三节臂举升高度是链条直线段运动距离的2倍，所以可以实现举升3.3m的位移目标。由于采用了三节臂伸缩结构，使地下建筑施工的深度由原来的二节臂结构的5m减少到现在的3m，大大减少了施工难度和费用。选择直径较小的链轮，大幅度降低了减速器的输出扭矩，因此使得对传动系统的选择不受太多的限制，同时由于整个举升机构全部采用机械传动实现，总传动效率大于85%，而液压传动的举升机构的总传动效率只有70%，故功耗减少，配备电机功率由液压举升的5.5kW降为4kW。 
采用链传动时，由于多边形效应，传动链条的线速度和从动轮的角速度是变化的，这种变化带来了速度的不均匀性和工作的不稳定性。采用设计的参数计算速度和加速度，如表1所示，由表1可以看出，链在垂直方向和水平方向的速度变化值分别为1.078mm/s和8.188mm/s，链在垂直方向和水平方向的加速度变化值分别为3.521mm/s2和0.397mm/s2，由于这些值非常小，故对整个系统带来的速度的不均匀性和工作的不稳定性影响较小，故比其他三种举升结构的稳定性高。 
表1链条在垂直方向和水平方向3个特殊位置的速度和加速度值(Z=14) 

 
3.3跳齿问题分析 
链条垂直布置时，由于链条在水平方向的跨度小，链条磨损变长极易导致跳齿现象发生，这将导致传动不稳定或破坏链条。研究发现当链条相对伸长量增大到一个链条节距时，链条将会形成弓形链，接下来将发生跳齿现象。造成链条伸长的原因很多，主要原因是链条受力作用下的磨损和弹性伸长造成的。由于举升机构的结构限制，如果在链轮之间采用普通的张紧轮对链条进行调整，将使施工深度增加并导致机构结构庞大。同时举升机构安装于地下，安装时可以调整好中心距，正式工作以后，它的特殊工作环境和位置不宜于经常调整链条的松紧度。为此设计了一种新型装置解决了跳齿问题，其原理是在下链轮的松边处安装一个压链轮适当压紧链条，使松边的链条在压链轮的作用下保持在整个啮合包角内始终与下链轮正常啮合，而不会因为松边过长下垂导致在链轮上形成弓形链，从而避免跳齿现象发生。这种装置尤其适用于中心距不好调整和没有张紧装置的链传动。 
4结论 
链条式举升机构应用于城市生活垃圾中转站，克服了传统举升机构存在的一些缺点，解决了链条垂直布置时容易发生跳齿的问题，提高了中转站的可靠性，增加了稳定性，节能省电，噪音小，运行费用低。现已成功应用于环卫工程中，并取得了明显的经济效益、社会效益和环境效益。 
[参考文献]略