垃圾压块打包机设计及其液压系统分析毕业设计.docx
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垃圾压块打包机设计及其液压系统分析毕业设计
分类号：
密级：
天津理工大学本科生学位论文
垃圾压块打包机设计及其液压系统分析
（申请学士学位）
学科专业：
机械工程
作者姓名：
指导教师：
2017年4月
ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheBachelor’sDegree
DesignofPackingMachineforGarbageBriquettingPressandHydraulicSystemAnalysis
By
ZheZhao
Supervisor
LecturerJanenChen
April2017
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：
签字日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。
特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。
同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：
导师签名：
签字日期：
年月日签字日期：
年月日
摘要
随着城镇一体化的有效推进，城市垃圾主要包括塑料、建筑垃圾（指砖瓦、砂石等不可压缩固体）、纤维型等。
其中除了建筑垃圾外，塑料、纤维等都是可以压缩处理的。
考虑到城市垃圾总量庞大，占用空间也是非常可观的。
为了有效地利用城市空间，缓解城市用地紧张的形势。
对垃圾进行有效的压缩处理是刻不容缓的，也是对垃圾的科学处理起着关键作用的。
根据现在的现实情况，本文对城市产生的生活垃圾的处理，进行了系统的研究。
主要内容如下：
1、查阅关于城市垃圾的处理的有关资料。
分析国内外现在关于垃圾处理的研究现状。
综合考虑城市垃圾的特性。
构建出符合我国现在城市实际情况的垃圾压缩打包机。
2、构建城市垃圾压缩打包机的数学模型。
进行机械结构的整体设计，主要包括：
机架、加料口、捆线机构、压缩机构等。
3、综合考虑打包机压缩系统的技术要求，采用液压系统来实现压缩及其打包功能。
制定液压系统原理图，液压系统主要元件的设计计算等。
4、采用AMESim仿真软件，对所设计的液压系统进行功能仿真。
仿真结果比较合理。
关键词：
垃圾压缩；打包机；液压控制系统；仿真
Abstract
Withtheeffectivepromotionofurbanintegration,urbanwastemainlyincludesplastic,constructionwaste（referstobrick,sandandotherincompressiblesolids）,fibertype,etc..Amongthem,inadditiontoconstructionwaste,plastics,fibersandsooncanbecompressedprocessing.Takingintoaccountthelargeamountofurbanwaste,theoccupancyspaceisalsoveryimpressive.Inordertomakeuseoftheurbanspaceeffectively,thetensesituationoftheurbanlanduseisalleviated.Itisurgentandeffectivetocompresswasteeffectively.Italsoplaysakeyroleinthescientificdisposalofrubbish.
根据现在的现实情况，本文对城市产生的生活垃圾的处理，进行了系统的研究。
主要内容如下：
Accordingtothepresentreality,thispapermakesasystematicresearchonthedisposalofmunicipalsolidwaste.Themaincontentsareasfollows:
1、查阅关于城市垃圾的处理的有关资料。
分析国内外现在关于垃圾处理的研究现状。
综合考虑城市垃圾的特性。
构建出符合我国现在城市实际情况的垃圾压缩打包机。
1.Consultrelevantdataonthedisposalofmunicipalrefuse.Thepresentsituationofwastetreatmentathomeandabroadisanalyzed.Takingintoaccountthecharacteristicsofmunicipalwaste.Constructionofgarbagecompressingandpackingmachineaccordingwiththeactualsituationofourcity.
2、构建城市垃圾压缩打包机的数学模型。
进行机械结构的整体设计，主要包括：
机架、加料口、捆线机构、压缩机构等。
2.Buildthemathematicalmodelofmunicipalwastecompressionpacker.Theoveralldesignofthemechanicalstructure,including:
frame,feedingport,wirebindingmechanism,compressionmechanismandsoon.
3、综合考虑打包机压缩系统的技术要求，采用液压系统来实现压缩及其打包功能。
制定液压系统原理图，液压系统主要元件的设计计算等。
3.Consideringthetechnicalrequirementsofthecompressionsystemofthebaler,thehydraulicsystemisusedtorealizethecompressionandpackingfunctions.Makehydraulicsystemschematicdiagram,designandcalculationofmaincomponentsofhydraulicsystem.
4、采用AMESim仿真软件，对所设计的液压系统进行功能仿真。
仿真结果比较合理。
4、thesimulationofthehydraulicsystemiscarriedoutbyAMESimsimulationsoftware.Thesimulationresultsarereasonable.
Keywords：
Compressionbaler；Packer;HydraulicControlSystem；simulation
第一章绪论
1.1城市垃圾打包机现状与发展趋势
由于中国处于经济迅速发展的时代，因此都市化程度逐渐提升，城市的生活废弃物逐渐增多，于此同时处理城市废弃物的能力并不强劲导致了都市生活垃圾状况十分严重，当下最需要的就是如何缓解这个难题[1]。
但是中国在垃圾打包压缩领域的研究并不完善，因而创造出压缩功能更好、打包性能更迅速的都市生活垃圾压块打包机就显得尤为重要。
1.1.1国外研究进展
海外专家广泛看法是，垃圾并不是没有价值的反而是一种成本。
针对垃圾的再利用，在最初时就应该考虑垃圾的差别，通过差别将垃圾合理化区分开[1]。
国外的理想是达到将来的可连续可成长的持续经济体系，该体系的核心是爱护生态，然后是对废料物品的可再生应用。
通过一百年左右的研究，海外对垃圾深埋、燃烧和制成生物肥料的基本方法已有独到的看法[2]。
科技也在逐步提升，厌氧消化、生物质气化的程度也在逐渐深入、新型方式的产生也迅速诞生比如厌氧堆肥、气化等。
制成生物肥料法：
该方法的启蒙开始于早期的的荷兰[2]。
该法主要是通过人为设定的环境中让废弃物通过一定的生物化学反应将其降解变为可操控的腐化物，这种物质可以作为土地的营养物用在作物的生长中。
生物肥料法相对单一，其主要针对于生活垃圾，这种方法不但减少了燃烧所产生的大气污染而且降低了化肥在农用作业的使用率，同时还实现了垃圾再利用的持续发展观念。
制成生物肥料要用刚回收的垃圾，最初要对垃圾进行区分，而后再对其中有机成分逐步发酵。
正是因为其他解决垃圾问题的方法正在改进并且
逐步完善，在海外该种方式处理量相对减少，减少并不意味着停滞，此种方法依旧是主流的生物机械技术[9]。
1.1.2国内研究发展
中国现在采用的垃圾治理方法比较简单有土地深埋、垃圾燃烧、制成生物肥料等，为更快解该问题，城市间会依据本地地域环境针对几种方法的优缺点进行合理的搭配[3]。
当下中国的填埋处理，及消耗人力物力，又大大降低了土地使用率，而且提高了物流价格，中途的散落也对道路产生再次污染[10]。
垃圾深埋、在其中的比例战9成，燃烧和制成生物肥料加起来不足1成，但是生活垃圾占总垃圾量的比例远远高于此，由此可以看出在垃圾处理前的垃圾分类也存在很大的弊端。
1.2课题的研究意义和价值
1.2.1城市垃圾的有效处理
由于有些垃圾是不具备可压缩性的，但是其所占城市垃圾总量并不是太大。
因此预先的区分垃圾种类需要被得到重视，这样可以减少压缩的困难同时也能保证机器正常运行，将可压缩垃圾进行压缩打包处理，这样既能在更大程度上对城市垃圾进行总体所占空间进行有效缩减，也符合社会倡导的城市环保治理理念。
城市垃圾的压缩如果单纯靠人力去操作完成，既费时、费力、费财，也往往达不到预期的效果。
1.2.2有助于达到成本节省型、环保和睦型社会
都市废弃物中，有大多数垃圾都是可持续利用的原料，就像废弃金属、废弃轮胎、废纸等。
废弃金属的再利用可以有效节约能量消耗，减少废水排放并且降低了化学用品的利用比率，废纸的再利用可以加工成再生纸和再生纸板。
这些都是再利用的典型事例，有助于爱护环境节省资源。
1.2.3表达了如今都会拥有完成往复经济的良好能力
城市垃圾有些成分是可以回收处理再加工的：
诸如废弃纸张的再利用，用回收的物品去代替原产物料，再将回收物加工成纸浆，此纸浆再进行再加工处理可以制造出新的再生纸张和再生纸板。
通过复杂的再加工处理诸如煮、漂等步骤，回收的废弃品已经达到了环保要求，同时降低了能耗，减轻了污染源，形成了节俭、环保的新形势。
1.3课题研究内容
随着城镇一体化的有效推进，城市垃圾主要包括塑料、建筑垃圾（指砖瓦、砂石等不可压缩固体）、纤维型等。
其中除了建筑垃圾外，塑料、纤维等都是可以压缩处理的。
考虑到城市垃圾总量庞大，占用空间也是非常可观的。
都市的土地资源可以得到更好的利用这样才可以提升都市土地利用率。
能更有效率的进行垃圾压缩并妥善处理显然是首要任务。
该论文针对此问题进行了都市垃圾打包压块机的整体方案设计，并针对液压功能进行了专项设计。
（1）掌握垃圾压块打包机工作原理，对垃圾压块打包机进行整体方案设计。
（2）基于AMEsim软件搭建液压系统回路图。
（3）研究各液压元件的状态参数变化情况，剖析元件选型及逐个元件参数对系统共性的作用。
第二章压块打包机的结构设计
2.1城市垃圾压缩机理简介
2.1．1城市垃圾状况简介
随着生活水平的逐渐提高，人们对物资的需求在品类与量上也呈现出快速的发展。
为了创造出更好的城市生活环境，对城市生活所制造的垃圾的处理就显得尤其重要。
城市垃圾有如下几个特点：
1）垃圾种类繁杂；
2）垃圾总体量多；
3）垃圾各成分所占比比较稳定。
随着城镇一体化的有效推进，城市垃圾主要包括塑料、建筑垃圾（指砖瓦、砂石等不可压缩固体）、纤维型等。
其中除了建筑垃圾外，塑料、纤维等都是可以压缩处理的。
考虑到城市垃圾总量庞大，占用空间也是非常可观的。
为了有效地利用城市空间，缓解城市用地紧张的形势。
对垃圾进行有效的压缩处理是刻不容缓的，还是对垃圾的科学解决回收起着必要作用的。
由于有些垃圾是不具备可压缩性的，但是其所占城市垃圾总量并不是太大。
因此预先的区分垃圾种类需要被得到重视，这样可以减少压缩的困难同时也能保证机器正常运行，将可压缩垃圾进行压缩打包处理，这样既能在更大程度上对城市垃圾进行总体所占空间进行有效缩减，也符合社会倡导的城市环保治理理念。
城市垃圾的压缩如果单纯靠人力去操作完成，既费时、费力、费财，也往往达不到预期的效果。
这种种因素就使得城市垃圾压缩打包机的研制应运而生，且刻不容缓。
在对垃圾进行压块打包机的研发中，其中对垃圾压缩处理的模块是整个研发中的核心，所以我们有必要对垃圾压缩处理模块的压缩理论进行研究。
得出垃圾压缩的物理模型，进一步给压缩模块的设想给出了关键的理论撑持。
2.12城市垃圾的压缩机理
众所周知，在对废弃物所给予的压缩压力愈大，被压缩的垃圾紧缩水平自然也就越高。
但实际应用中，并不是压力更大才更好，因为压力的增加，虽然对垃圾的紧缩水平有一定的升高，但同时对所采用的设备的要求也就也高，这不利于控制设备的成本。
所以我们应该根据实际要求来设计出合理的压力。
查阅目前实际应用中得出的的经验[4]，可以将压缩时的压力与垃圾紧实的水平关系曲线绘制出来，具体如图2.1所示：
图2.1垃圾被施加的压缩压力与压实程度的关系曲线
在钻研垃圾在被紧缩时的受力状况。
我们绘制出垃圾在被压缩时的压缩模型，具体见图2.2。
在压缩垃圾时，垃圾在压缩腔内受到来自活塞的压力，此压力可近似看作均匀分布在活塞上的均布载荷F。
垃圾在被压缩的过程中，活塞的运动距离为X。
垃圾压缩腔的长度设计为L。
依照动力学的相干理论知识[4]，可以推导出压缩腔的压力F的表达式：
（2-1）
其中：
k—垃圾刚度；
x—活塞压缩的位移；
c—系统的阻尼；
m—压缩腔内的垃圾总质量。
图2.2垃圾压缩模型
在实际应用当中，垃圾的压缩程度较大，垃圾同时也是非连续介质（垃圾与垃圾之间存在着间隙），所以在压缩过程中，压缩压力F与压缩位移X并不完全符合线性弹性理论。
为了更好的描述压缩压力F的变化情况，我们把垃圾的刚度k视为变化的模量，而不是一个定值，并且刚度k只与静力学有关。
为了方便分析，这里引用了动力学的线性阻尼特性C，为常数。
所以，这里构建的垃圾压缩模型能够表达出城市垃圾在受到压缩条件下的受力情况。
在实际生活中的垃圾在被压缩的过程中，随着压缩量的增加，压缩力F也不断加大。
根据材料力学[1]的相关基本理论可以将垃圾压缩压力F可以表达为：
（2-2）
其中：
A—活塞横截表面积（即垃圾被压缩的横截表面积）；
σav—平均应力。
由杨先海推导的经验公式（2-3）：
（2-3）
其中：
x—活塞压缩的位移；
L—压缩腔的长度；
a、b、θ—均为常数。
将方程式（2-3）代入方程式（2-2）整顿可得：
（2-4）
其a、b、θ参数的取值参考文献[5]。
式（2-4）为城市垃圾压块打包机的研究提供了必要的理论支撑。
为之后的液压系统的设想也提供了足够根底，使得城市垃圾压块打包机的设计严谨。
2.2压块打包机的总体设计
城市垃圾压块打包机属于典型的机电一体化产品。
这里设计的压缩打包机主要是由机械系统、PLC控制系统、和液压系统等组成。
城市垃圾压块打包机的工作流程大致可以分为:
上料、压缩、打包三个过程[5]。
图2.3压块打包机的总体结构示意图
2.2.1系统设计要求
城市垃圾压块打包机的技术要求可以分为：
功能需求、工艺参数需求、性能需求以及资源需求这四个方面。
1）功能需求分析：
本文研究的打包机需要满足的功能：
1.把从进料口进入的各种废弃物品实施压紧缩实；
2.对垃圾迸行压缩，压缩比为3:
1；
3.并对压紧缩实后的废弃物品实施打包。
2）工艺参数分析：
本文研究的打包机需要满足的工艺参数：
1.垃圾打包的截面尺寸：
800mm*800mm*500mm,其中长度可调，暂设定为800mm；
2.生产能力：
2.3-2.6t/h；
3.打包密度：
400kg/m3；
4.打包重量：
115-145kg。
2.3进料口的设计
城市垃圾压块打包机的进料口部分的三维结构示意图如图2.3所示：
进料口的机械结构可以划分为上、下两个部分。
其中上半部是为了防止垃圾散漏出进料口的防护罩。
而进料口下半部分为垃圾输送进入压缩腔的储料部分。
考虑到进料口与打包机的垃圾压缩腔是相通的结构。
所以这里按照垃圾压缩腔的几何尺寸来设计垃圾加料口的长度与宽度，为900mm*500mm（长*宽）。
为了便于将垃圾送入进料口，将进料口一侧的侧板设计成斜板。
图2.3进料口整体三维示意图
图2.4进料口整体的上、下部分的三维示意图
垃圾加料口的侧板材料采用高强度钢板，厚度为5mm。
为了保证加料口的使用寿命，必须进行相应的表面处理。
考虑到加料口钢板的损坏形式多为腐蚀与磨损。
所以其表面需要先进行酸洗磷化处理，然后再喷涂油漆。
加料口尺寸设计为：
1）进料口：
900mm*500mm*1000mm；
斜板为500mm*500mm*900mm；
2）防护罩：
890mm*490mm*790mm。
那么加料口至多能容纳的垃圾体积为：
V=900x500x1000mm2+0.5x500x500x900mm2=0.5625m3。
2.4压缩活塞的设计
压缩活塞在垃圾的压缩构造中起着关键的作用，它与机架相互作用对压缩腔内垃圾实现压缩，同时也是垃圾压缩后的输送结构。
伴随着压缩液压缸的推动，垃圾被处理后抵达了打包机构位置，这时压缩活塞运行完一次流程。
压缩活塞机构包含：
压缩块、支架还有液压缸等元件。
压缩块是直接接触垃圾的部分，该元件给垃圾提供压缩，压缩液压缸是运动部件，支架包括上板和一对侧板，它们与机架的上板和侧板运行面相匹配，在压缩进行中起到了紧闭压缩腔和指向的功能。
2.4.1压缩活塞的设计与计算
由于本文所设计的垃圾打包机采用四条捆线打包的机制。
因此，压缩机构部分一共采用5件压缩块，并按要求将压缩块安装在挡板上。
结合实际情况，打包时需要满足已经打包好垃圾块不会产生松散脱落的现象。
通过具体的分析，设计出符合技术要求的捆线分布方案。
详细如图2.5所示，四根捆线相对散布：
紧缩块的上、下两根线离边沿的相距度为88mm。
四根线的相距度都是208mm。
图2.5垃圾压缩包捆线分布图
把垃圾压缩块划分为两组：
上、下两压缩快为一组，另外中部的三块为一组。
根据垃圾压缩块的几何尺寸，我们也将压缩活塞的工作面设计为800mmX500mm，即压缩块挡板的长和宽为800mmX500mm。
为了在捆线的过程中，使捆线能够流畅的经过压缩块的捆线槽。
在垃圾压缩块组成的压缩面预留出4道6mm的缝隙，且有压缩块中的空腔到缝隙的空间设置成楔形。
挡板三维图见图2.6.
为了防止上板将压缩腔的落料口堵死。
上板的尺寸大小就必须不小于落料口得尺寸。
但为了便于封闭落料口，所以上板的尺寸略大于落料口。
上文已经得出落料口的尺寸，所以上板的尺寸设计成1100mmX500mm。
图2.6挡板三维示意图
2.5机架的设计
机架是整个机器的骨架，为其他零部件提供支撑与固定的作用。
垃圾打包机的机架主要结构有：
底座、底板、侧板、上盖板以及加强筋等。
底座起着支撑整个压缩打包机的作用。
其采用两根槽钢与加强板连接组成，槽钢的型号为20#。
底板的几何尺寸为4470mm*684mm*15mm（长*宽*厚）。
底板连接在槽钢上组成了机架底座。
左、右侧板的几何尺寸为2500mm*806mm*12mm（长*宽*厚）。
为了提高侧板的强度，在左右侧板上焊接了加强筋。
加强筋的尺寸为80mmxl2mm的钢板。
如图2.7所示。
图2.7机架侧板结构三维图
机架组装时，考虑到方便日后的维护、保养、维修，机架需要具有可拆卸性。
所以不能采用焊接的方法将各零部件连接起来。
而是把要经常更换的零部件设计成螺栓或者螺钉这样可重复拆卸安装的连接形式。
为了降低液压缸的工作压力，提高液压缸的使用寿命。
将机架与垃圾在压缩时的接触面进行表面处理，使其达到一定的表面粗糙度以及防腐蚀性。
2.6收缩口的设计
收缩口机构是由左、右侧板、上压板、龙门架、收缩液压缸等构成的。
龙门架通过液压缸的推动带动上压板与收缩侧板（左、右侧板）同步往内部收缩。
龙门架具有如下优点：
a、提高机械运动效率；
b、简化机械结构；
c、保证收缩动作的一致性。
左、右两侧的收缩侧板与上压板设计成悬浮式结构。
这样的结构设计既节约材料。
也可以规避收缩口在收缩运动过程中侧板和底板组成的摩擦副间的摩擦力。
收缩口总体结构如图2.8所示：
图2.8收缩口总体结构示意图
综合实际生产中总结的经验与自身设备的特点来设计收缩口的几何尺寸。
侧板与上压板选用钢材来制作。
具体数据如下所示：
侧板：
1900mm*450mm（长*宽）；
上压板：
1900mm*450mm（长*宽）、厚15mm；
左、右收缩侧板：
1900mm*700mm（长*宽）、厚12mm。
为了保证上压板与侧板具有足够的强度，所以在上压板上焊接了3条加强筋。
每条相互平行。
在左、右侧板上均匀分布的焊接上四条加强筋，加强筋选用80mmxl2mm的钢板材料。
2.7推线结构的设计
推线结构主要包括：
框架、液压缸、推线杆、滑块、推线头等组件。
具体结构如图2.9所示。
图2.9推线机构示意图
当液压缸开始收缩运动时。
带动滑块沿着导杆运动。
推线杆的一端被固定在滑块上。
推线杆的另外一端连接着推线头。
滑块的运动又带动推线杆运动，从而带动推线头运动。
推线头接触到捆线后在推动过程中把捆线推到机器另一侧。
其动作流程图如下图2.10。
图2.10推线流程图
2.8捆线机构的设计
捆线机构是一个比较复杂的结构。
当今在设计打包机时，对捆线机构大多是在现有的捆线机构产品中直接选取。
这样既然保证捆线机构的质量，又利于缩短打包机的开发周期。
在后期的维护维修中也具有生产厂家的技术支撑。
在本文的研究中是在现有的捆线机构产品的基础上进行适当的修改。
捆线结构如图2.11所示。
整体箱架的尺寸为：
长为250mm，宽为lOOmm,高度为1200mm。
两列捆线头的距离与推线机构中的推线头上两个轮毂的距离相对应为70mm。
图2.11捆线结构
2.9本章小结
本章主要是给城市垃圾打包机的整体机械结构进行设计。
根据工艺参数要求以及实际生产经验，设计了加料口、压缩活塞、机架、收缩口、推线结构、捆线结构等机械机构。
并且绘制了这些主要机构的外形图。
也为下一章的液压系统的设计作准备。
第三章液压系统的设计
3.1工况分析
垃圾压块打包机的各种动作的实现，其动力有多种选择。
其中液压系统是较为适当的选择，因为液压系统可以实现无级变速，使节拍无明显的顿挫感。
垃圾压块打包机的液压系统主
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