垃圾压缩液压系统设计.docx
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垃圾压缩液压系统设计
垃圾压缩液压系统设计4（总24页）
本科生毕业设计
毕业设计题目
学生姓名
所在学院
专业及班级
指导教师
完成日期年月日
摘要
随着我国城市化和工业化进程的快速推进以及人民生活水平的不断提高，大量垃圾的产生和堆积产生了严重的环境问题。
因此，环境污染治理的日益迫切以及对垃圾处理设备的巨大需求量使环卫机械得到了快速发展。
本课题研制的移动式垃圾压缩设备是众多环卫机械中的典型代表，它可将周边运送来的垃圾进行压实后转运，有效地解决了垃圾堆积和转运过程中飘洒带来的二次污染问题，同时提高了转运效率并降低了成本，具有十分重要的现实意义。
移动式垃圾压缩车是在压缩垃圾车基础上加装后挂桶翻转机构或垃圾斗翻转机构。
由密封式垃圾厢、液压系统、操作系统组成。
整车为全密封型，自行压缩、自行倾倒、压缩过程中的污水全部进入污水厢，较为彻底的解决了垃圾运输过程中的二次污染的问题，具有压力大、密封性好、操作方便、安全等优点。
本文主要介绍了移动式垃圾压缩设备液压系统的设计过程包括液压方案拟定、液压相关参数设计、液压元件的设计、液压系统图的设计以及液压系统性能的验算等。
利用AMEsim软件对该液压系统进行动力学仿真，对其进行运动学分析，并对液压系统仿真结果进行分析。
关键词移动式垃圾压缩，液压系统设计，AMEsim，动力学仿真
ABSTRACT
WiththerapiddevelopmentofChina'surbanizationandindustrializationprocessandtheimprovementofpeople'slife,alotofgarbageandtheaccumulationhaveproducedseriousenvironmentalproblems.Therefore,thehugedemandforgarbagecompressionequipmentandtheeffectivemanagementofenvironmentalproblemsmakeenvironmentalprotectionequipmentgrowrapidly.Themobilegarbagecompressionequipmentthatourprojectwasstudyingisthetypicalrepresentativeofmanyenvironmentalprotectioncantransshipgarbagethatisshippedfromthesurroundingafterbeingcompacted,whichiseffectivetosolvethegarbageaccumulationandthesecondarypollutionbroughtduringthetransportandhavingimportantpracticalsignificance.
Mobilegarbagecompressionvehicleisinstalledinthecompressiongarbagetruckbasisafterhangingoverturningmechanismorgarbagebucketturnovermechanism.Consistsofsealedgarbagecar、hydraulicsystem、operatingsystem.Thevehicleisfullysealed,compressedbyitself,dumping,compressionprocessofsewageallenteredthesewagechamber,isthoroughlysolvepollutiontwogarbageintheprocessoftransportationproblem,hastheadvantagesofhighpressure,goodsealingperformance,convenientoperation,safety.
Thispapermainlyintroducesthedesignprocessofmobileequipmenthydraulicsystemcomprisesahydraulicgarbagecompressionscheme、hydraulicdesignparameters、Thedesignofhydrauliccomponents、Thedesignofthehydraulicsystemdiagramandthehydraulicsystemperformancecheckingetc.DynamicsimulationofthehydraulicsystembyusingAMEsimsoftware，Itskinematicanalysiswasconducted,andtheresultsofsimulationofhydraulicsystemareanalyzedinthispaper.
Keywords：
Thedesignofhydraulicsystem，AMEsim，dynamicssimulation，Mobilegarbagecompression
引言
随着我国的城镇化建设，城市生活垃圾的成分发生了很大的变化，垃圾的密度不断下降，可压缩性增加城市中的垃圾处理工作量变得越来越繁重，采用传统的人工收集垃圾方式，耗时耗力，效率低。
移动压缩式垃圾车开始得到重视，使用范围越来越广。
移动式垃圾压缩车是在压缩垃圾车基础上加装后挂桶翻转机构或垃圾斗翻转机构。
由密封式垃圾厢、液压系统、操作系统组成。
整车为全密封型，自行压缩、自行倾倒、压缩过程中的污水全部进入污水厢，较为彻底的解决了垃圾运输过程中的二次污染的问题，具有压力大、密封性好、操作方便、安全等优点。
我国的垃圾车技术引自国外，现在技术日趋成熟，但我国的垃圾车缺乏自己的核心技术，相关重要关键部件需靠进口。
压缩式垃圾车的压缩装置靠液压系统来驱动，其液压系统设计及其重要。
随这现代设计技术的发展，在机械设计过程中，三维建模技术与虚拟样机仿真技术开始广泛运用。
这些技术能够缩短开发周期，降低研究开发成本，更好地完善后装压缩垃圾车的技术。
第1章绪论
压缩式垃圾车研究现状与发展趋势
压缩式垃圾车由密封式垃圾厢、液压系统、操作系统组成。
整车为全密封型，自行压缩、自行倾倒、压缩过程中的污水全部进入污水厢，较为彻底的解决了垃圾运输过程中的二次污染的问题，关键部件采用进口部件，具有压力大、密封性好、操作方便、安全等优点。
可选配后挂桶翻转机构或垃圾斗翻转机构。
压缩式垃圾车大大提高了装载量和效率，它的收集和压缩过程基本都由液压系统驱动。
垃圾收集方式简便,一改城市满街摆放垃圾筒的脏乱旧貌，杜绝二次污染。
压缩比高、装载量大,最大破碎压力达12吨，装载量相当于同吨级排非压缩垃圾的两倍半。
作业自动化,采用进口电脑控制系统，全部填装排卸作业中需司机一人操作，不仅减轻环卫工人的劳动强度，而且大大改善了工作环境。
经济性好，专用设备工作时，电脑控制系统自动控制油门。
双保险系统，作业系统具有电脑控制和手动操纵双重功能，大大地保障和提高车辆的使用率。
翻转机构，可选装配置带垃圾筒（或斗）的翻转机构。
然而压缩式垃圾车在使用过程中仍存在着一些问题，如作业噪声大、密闭可靠性差、载质量利用率低等。
随着技术的发展，它的发展趋势主要有以下几点：
1）垃圾监测系统
在压缩式垃圾车工作过程中，垃圾装载情况是管理者所关心的垃圾车负载变化及垃圾箱内垃圾是否填满，在一般情况下是很难监测的。
通过加载垃圾监测系统，能随时随地检测车辆负载的变化情况及垃圾是否填满，为垃圾车驾驶员和管理者提供参考。
这有利于提高垃圾车作业的科学性和行车安全性同时也能减少工作人员的工作量、提高工作效率。
国内少数车型安装了该系统。
2）翻桶机构
配备全自动控制的翻桶机构是压缩式垃圾车发展的新方向。
发达国家尤其是西欧及美国的压缩式垃圾车都配备先进的翻桶机构，可方便地实现对大小垃圾桶在不同位置的自动抓取、举升和卸料。
我国许多城已采用桶装垃圾收集，但垃圾车配备的翻桶技术水平和灵活性不高。
国外一些压缩式垃级车的翻桶机构可以"远离车厢"，灵活主动抓取垃圾桶，而国内垃圾车的翻桶机构一般不能远离车厢，因此需将车厢紧贴垃圾桶，给驾驶者带来难度。
3）液压控制装置
压缩式垃圾车的液压装置应具有以下特征:
较小的节流损失:
减少管路连接工作:
无泄漏:
可与其他液压功能组合，如装载机构的液压泵可以向抓钳等系统供油。
4）绿色视觉效果
车辆的外观造型及彩化已越来越受到环卫部门的重视，一些适合不同城市品味的彩化的环卫车辆已成为城市一道亮丽的风景。
通过对车辆外形和性能的改进，可消除或减轻视觉污染，避免或减少作业时对周围环境和人员的影响，使环卫车辆与作业环境相协调。
5）除臭灭菌
除臭灭菌技术在压缩式垃圾车上的运用也是发展方向。
杜绝细菌传播，减少臭气污染已成为当务之急。
目前一些臭氧除臭除菌技术已在该类产品上成功运用。
6）分隔车厢
压缩式垃圾车车身内部结构可按一定比例划分为几部分，这种结构划分使得压缩式垃圾车可在同一次作业时收集并分隔几种不同类型的垃圾。
可通过优化垃圾收集路线，为垃圾分类回收提供更多的便利性。
国内外研究现状
国外研究现状
在欧洲发达国家，垃圾车已经成为城乡一道风景线。
由于垃圾车的质量利用系数较高，密封性能良好，配有性能优良的汽车底盘，较适合于长距离运输垃圾，市城乡环保事业的最佳选择。
如今欧洲各大厂商竞相开发低驾驶室的垃圾车。
戴姆勒-克莱斯勒（Daimler-Chrysler）在梅赛德斯·埃柯尼克（MercedesEconic）装配了侧面装载机构的垃圾车，他的出现打开了一个新的市场，欧洲各大厂商纷纷参与进来，站卡了激烈的竞争。
在梅赛德斯·埃柯尼克车型获奖一年后，一辆方便快速上下、便于装卸的低驾驶室的垃圾车正式登场。
图1-1MercedesEconic首先进入市场，装有低驾驶室及Faun（法思公司）的侧面装载的垃圾车
美国Marathon公司生产的TS-2000型预压式垃圾转运站的压缩设备，如图1-2所示，可压缩垃圾容量大、压缩倍数高、采用自动化操作，工作时运行平稳、可靠，压缩设备的主要零部件采用特殊工艺处理的钢板，其耐磨、耐腐蚀性高，工作寿命长。
图1-2TS-2000预压型垃圾压缩设备
由埃柯尼克（Econic）改装的低驾驶室垃圾车是一款应时而生的产品。
新产品的出现伴随着一些问题的出现，不如说车门的视野问题。
于是依维柯（IVECO）又以其出色的Suromover车型公共事业的市场，成为埃柯尼克（Econic）的竞争对手。
图1-3IVECO已批量生产的Suromover，装有本国的改装部分及Haller公司的后装在部分的垃圾车
同时，国外学者也对移动式垃圾压缩设备做了深入的研究。
BenjaminLee和RyanStewart以垃圾压缩设备液压系统中的最大系统压力、活塞杆直径、泵排量作为输入参数，以设计空间作为输出参数，利用实验规划中的全因子功能得到了输入参数对输出参数的影响关系，并对设计的垃圾压缩设备液压系统作了优化设计；NeilDixon对压缩成块型的垃圾块的机械特性作了研究，分别给单位重量、压缩系数、屈服强度、横向刚度、水平应力、导水率作了定性和定量解释。
目前国外以移动式垃圾压缩设备为代表的环卫工程机械的设计大多利用大型高速全数字并行处理计算机和液压及流体仿真软件，如法国Imagine公司开发的系统工程高级建模和仿真平台AMEsim和以数值方法求解流动问题的计算流体力学软件CFD（ComputationalFluidDynamics），结合流体力学、控制理论、仿真、计算机等学科的交叉对液压系统进行建模仿真和动态性能分析，分析其流体特性和动力特性，使得液压系统更加稳定、可靠。
凭借CAE虚拟仿真技术在产品全生命周期中的大量应用，虚拟样机很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的物理样机验证设计过程，使产品的设计周期大大缩短，不但提升了产品的性能，而且降低了产品的成本，使企业更具有竞争力。
国内研究现状
由于在垃圾压缩设备的研制上我国起步较晚，与国外先进水平相比尚有一段差距。
自上世纪九十年代以来，在对国外先进技术引进、消化、吸收的基础上，国内相关企业在垃圾压缩设备的研制上已取得了丰硕的成果，产品的类型、功能已能满足一般的作业要求，并已在北京奥运会和上海世博会上得到了广泛运用和认可，部分产品已达到国际先进水平。
东方红研制生产的LT5161ZLJ东方红对接式垃圾车，选择底盘轴距4500mm,发动机ISDe18030,ISDe18530,ISDe21030,B19033。
该车仅用于环卫部门运输压缩式垃圾块,车厢顶部封闭,不可开启.侧后防护材料均为：
Q235,与车身连接方式均为:
焊接,后防护主要尺寸为：
100×50mm,离地高度为：
550mm.该车装有排气辅助制动。
图1-4LT5161ZLJ东方红对接式垃圾车
福建龙马环卫装备股份有限公司研制生产的FLM5250ZXX型移动式垃圾压缩设备，采用压缩机与垃圾箱一体的结构方式，运用水平压缩技术对城市垃圾进行压缩，占地面积小，设备可以随时由拉臂车装载后转场，经济适用，机动灵活，独特的液压锁门机构能可靠地锁紧后门，确保运输过程不会发生二次污染，如图1-5所示。
图1-5FLM5250ZXX移动式垃圾压缩设备
长安小钩臂垃圾车是一种采用新设计可伸缩的钩臂，实现垃圾箱的二次吊装，自吊上放下，可自行倾到垃圾的环卫设备。
一车可带多个垃圾箱，在装卸的过程中可有效地避免二次污染。
图1-6长安小钩臂垃圾车
本课题研究内容
本课题针对我国目前存在大量露天式的垃圾转运站所造成的严重二次环境污染，研制成功一种移动式垃圾压缩设备，它可将周边运送来的垃圾进行压实后转运，有效地解决了垃圾堆积和转运中飘洒带来的二次污染问题，具有非常重要的应用价值。
目前国内很多企业生产的垃圾压缩设备在运行时都还存在一定的噪声和振动问题，如果不能将这些问题控制在一定的范围内，那么垃圾压缩设备在工作时势必会影响周边居民的日常生活，同时产生的振动会增大垃圾压缩设备的故障频率，降低设备的可靠性。
对垃圾车的液压系统进行设计，液压系统的设计包括液压系统的功能原理设计和液压系统结构设计。
液压系统的功能原理设计要根据技术要求进行系统功能设计，主要包括动力和运动分析，确定主要参数，编制液压执行器工况图，然后拟定液压系统图。
组成元件的选定要尽量选择标准元件。
利用AMEsim软件对该液压系统进行动力学仿真。
目前城市生活垃圾的处理问题，越来越受重视，垃圾围城现象困扰人们生活。
要处理垃圾首先需要收集转运，以前的收集方式是先人力收集，然后采用普通的车运输，效率低且装载量少。
压缩时垃圾车大大提高了装载量和效率，压缩式垃圾车的收集和压缩过程基本都由液压系统驱动。
本课题研究对象是压缩式垃圾车的液压系统设计，研究对象应用越来越广泛，对于掌握液压系统设计流程帮助很大，另外对于改善垃圾车的工作效率和可靠性有一定的意义。
第2章液压传动系统设计计算
设计方案分析
压缩式垃圾车的压缩装置由压缩机构和装填箱组成，对其压缩装置形式进行分析，确定最佳方案。
到目前为止，已经研究开发和使用的压缩机构可分为五种形式:
滑动刮板式、摆动刮板式、滑动一摆动刮板式、连杆刮板式、定轴转动刮板式。
一般认为，机构的运动件数、自由度数较多及装填箱底板轨迹较复杂的机构为复杂机构。
表2-1各机构特征表
机构名称
机构运动件数
机构自由度
装填箱底板轨迹特征
滑动刮板式
2
2
圆弧/直线
滑动—摆动刮板式
3
3
圆弧+直线
摆动刮板式
2
2
圆弧1+圆弧2
连杆刮板式
3
1
连杆曲线
定轴转动刮板式
2
2
圆弧
从表2-1可以看出，滑动一摆动刮板机构的构造最复杂，摆动刮板式有圆弧运动运动形式复杂，连杆刮板式和定轴转动刮板式也有曲线运动，而滑动刮板式的构造较简单而选择直线运动形式更加的简单。
根据经济性和实际使用情况，选择滑动刮板式压缩机构。
压缩式垃圾车主要机构包括：
车体、车厢、推板、推板油缸、滑板、滑板油缸、刮板、刮板油缸、装填厢、举升油缸、翻斗、翻斗油缸。
根据设计要求我们设计翻斗油缸和刮板油缸组成的垃圾压缩系统并优化。
工况分析
工况分析是指对工作机构的工作过程进行运动分析和动力分析，以便了解其运动规律和负载特性。
此处对压缩式垃圾车的工作油缸进行分析即翻斗油缸、刮板油缸。
运动分析
移动式垃圾压缩设备的主机结构主要由翻转斗、压缩车厢、翻转油缸、刮板油缸、连接板等部件组成，执行机构的动作包括翻转斗的上料、回落和刮板前进时的压缩以及退回。
翻转动作与刮板压缩动作不联动，当翻转斗翻转上料时，压力油进入翻转油缸无杆腔，推动翻转油缸活塞杆向前运动，通过固定在连接板上的一对齿轮传动使翻转斗上料，完成上料动作后可通过油路换向使翻转油缸活塞杆退回，则翻转斗回落至水平初始位置；在完成翻转上料和回落后，压力油进入刮板油缸无杆腔，带动刮板油缸活塞杆向前运动压缩垃圾至一定压实量后，通过油路换向使刮板油缸活塞杆退回，推板回至初始位置。
1-翻转斗2-前齿轮3-推头油缸4-压缩车厢
5-推板6-翻转油缸7-连接板8-后齿轮9-连接板
图2-1移动式压缩设备主机结构简图
动力分析
动力分析是分析工作机构在运动过程中的受力情况，也就是分析分析液压缸或液压马达的负载情况。
工作机构作直线运动时，液压缸所要克服的负载为：
式中：
Fe—工作负载；
Ff—摩擦负载；
Fi—惯性负载；
1）翻斗油缸
估算翻斗支架质量m1为30Kg，每桶垃圾的质量m2为80Kg，滑动摩擦系数
为。
N
N
N
其总负载为
N。
对总负载放大留余量，则取65KN。
2）刮板油缸
估算刮板质量
为350Kg，车厢容积为13m3，滑动摩擦系数
为，垃圾密度为m3。
其总负载为
，对总负载放大留余量，则取
。
确定液压系统主要参数
初选系统工作压力
液压系统工作压力选定是否合理，直接关系到整个液压系统设计的合理程度。
在液压系统功率一定的情况下，若压力选的过低，则液压元、辅件的尺寸和自重就会增加；若压力选的较高，则尺寸和自重会相应减少。
例如，飞机液压系统的工作压力从21MPa提高到28MPa，则其自重下降约5%，其体积将减小13%。
然而，若液压系统压力选的过高，由于对制造液压元、辅件的材质、密封、制造精度等要求的提高，反而会增大系统的尺寸和自重，其效率和使用寿命也会相应下降，因此不能一味的追求高压。
表2-2所示为目前我国几类机器常用的液压系统工作压力。
根据表2-2的数据，初选翻转缸和刮板缸的工作压力为P1=11MPa和P2=12MPa。
表2-2我国目前几类机器常用的液压系统工作压力
设备类型
机床
农业机械、小型工程机械、工程机械的辅助机构等
压力机，中、大型挖掘机，重型机械，起重运输机械等
系统压力
/MPa
磨床
组合
机床
龙门
刨床
拉床
～2
3～5
2～8
8～10
10～16
20～32
液压系统设计参数
（1）液压系统应设安全阀，其调整压力应为系统最高工作压力的110%；
（2）翻斗油缸工作行程L1=430mm，时间40s包括上料快进慢进和下料快退和慢退；
（3）刮板油缸工作行程L2=800mm，时间40s包括刮板快进慢进和快退慢退；（4）翻斗油缸负载为100KN，刮板油缸负载为200KN；
（5）上料和回落时间之和T1：
翻转油缸上料、回落往返一次行程所需要的时间控制在40s左右；
（6）刮头自动循环时间T2：
刮板油缸压缩、退回往返一次行程所需要的时间控制在40s左右；
（7）翻转缸速度：
包括上料快进速度、上料慢进速度、回落快退速度、回落慢退速度。
上料快进速度稳定在40mm/s左右，回落快退速度稳定在45mm/s左右，而翻转慢进、退速度可在10~20mm/s之间用节流阀调节；
（8）刮板速度：
包括刮头快进速度、刮头慢进速度、刮头退速度。
刮头快进速度稳定在50mm/s左右，刮头退速度稳定在50mm/s。
计算液压缸的主要结构尺寸
根据需要的液压缸的理论输出F和系统选定的供油压力p来计算缸筒内径D（m），计算公式如下：
（2-1）
式中：
F—液压缸的理论输出力（N）；
p—供油压力（MPa）。
对于活塞杆直径可以按经验公式来初步选定活塞杆直径，经验公式如下：
（2-2）
在此处确定为
1）翻斗油缸
翻斗油缸负载F=65KN，根据公式（2-1）计算得D=，根据表2-3选取标准尺寸D=100mm；根据公式（2-2）得d=，根据表2-4选取标准尺寸d=36mm。
表2-3缸筒内径尺寸系列（mm）
8
40
125
（280）
10
50
（140）
320
12
63
160
（360）
16
80
（180）
400
20
（90）
200
（450）
25
100
（220）
500
32
（110）
250
注：
1.圆括号内尺寸为非优先选用者。
2.内径上限可扩展，按R10优先数系列选用。
表2-4活塞杆外径尺寸系列
4
20
56
160
5
22
63
180
6
25
70
200
8
28
80
220
10
32
90
250
12
36
100
280
14
40
110
320
16
45
125
360
18
50
140
注：
直径上限可扩展，按R20优先数系列选用。
2）刮板油缸
刮板油缸负载F=100KN，根据公式（2-1）计算得D=，根据表2-3选取标准尺寸D=125mm；根据公式（2-2）得d=，根据表2-4选取标准尺寸d=45mm。
则翻转液压缸内径、活塞杆直径及实际有效面积分别为：
则刮板液压缸内径、活塞杆直径及实际有效面积分别为：
计算液压缸的流量
根据活塞横截面积和液压缸运动速度来计算液压缸流量。
计算公式如下：
（2-3）
（2-4）
（2-5）
（2-6）
式中：
—缸筒内径；
—活塞杆直径；
—液压缸的最大运动速度。
—无杆腔面积；
—活塞杆面积；
1）翻斗油缸
2）刮板油缸
第3章制定液压系统图
油路液压方案图
主换向控制油路设计
图3-1为主换向控制油路。
泵5由电动机6带动产生压力油，单向阀4安装在泵的出口，一方面防止系统的压力冲击影响泵的正常工作，另一方面在泵不工作时防止系统的油液倒流经泵回油箱。
溢流阀2旁接在主油路上起溢流作用，保证系统压力恒定或限制其最高压力。
三位四
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