立式多層移動地板發酵倉及其液壓系統設計*

盛金良，趙 焱，郝冰波，成 波，宋世明

（1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092；2.廣東粵海水務股份有限公司，廣東 深圳 518021）

目前好氧發酵工藝主要分為條垛式系統、槽式系統和密閉式反應器系統3種，同時根據不同工程要求，結合強制通風、間歇式翻拋等輔助作業［1］。其中密閉式反應器因其自動化程度高、臭氣易控制、占地面積小的特點，是較為理想的污泥發酵系統，但其容積有限，目前難以滿足較大規模污泥處理量。密閉式反應器按結構形式主要分為筒倉式發酵倉、滾筒式發酵裝置、立式多層發酵倉［2］。

這里介紹一種新型立式多層發酵倉——立式移動地板發酵倉，該發酵倉由多個移動地板箱體組成，通過液壓動力作用于箱體地板，使其有規律地往復移動，進而實現物料的前進，并在箱尾落入下層，同時完成翻拋，如此實現物料的流動［3］。該發酵倉通過多層發酵倉組合，減小占地面積；通過箱體的有效密封和抽風除臭系統，改善臭氣排放問題；同時通過移動地板的泥料推送、掉落實現污泥翻拋作業，自動化程度顯著提高。實際工程運行中顯示該裝置能耗較低。

1 立式多層發酵倉工藝原理

該立式多層發酵倉由多個移動地板箱體組裝連接而成，可根據物料發酵量、發酵時間等工藝需求設計箱體尺寸及個數，如圖1為由5個箱體組成的單列5層發酵倉，實際工程中可根據污泥量組成多層多列的發酵塔。如在崇明陳家鎮污泥處置工程中，為3層4列共12箱體的發酵倉，每天1個箱體污泥處理量，第1層布滿后，開始落入下層，相當于每隔4 d翻堆1次，如此12 d后泥料出倉完成發酵。頂層布有抽風除臭系統。

圖1 立式多層發酵倉工藝示意

1.1 移動地板箱體結構

移動地板箱體（以下簡稱箱體） 主體是型材焊接而成的框架，側壁用鋼板焊接，外圍包裹一定厚度保溫材料，如圖2所示［4］。

圖2 移動地板箱體結構示意

1.2 移動地板箱體送料原理

箱體的底部是由若干塊地板組成（如圖3為9塊地板），相間隔2個的地板為1組，通過連接架相連接，共3組。液壓油缸作用于連接架從而推動每組地板作有序有規律的移動，實現物料的推送。

圖3 移動地板箱體送料原理

如圖3，液壓缸A、B、C依次有桿腔供油，帶動3組移動地板依次抽回，而物料保持不動；全部液壓缸同步無桿腔供油，使3組地板同步推出，從而帶動泥料前移，實現泥料的推送，完成1個周期。移動地板如此往復，便可實現泥料的向前推送。

2 液壓參數設計計算

以箱體內部尺寸l×b×h，滿載泥料質量M，移動地板等部件質量m計算，移動地板液壓系統的主要參數有箱體滿載時地板逐組抽回時的油缸拉力F1和地板全部推出去的油缸推力F2。

地板抽回時受泥料對地板的滑動摩擦力f1和輥輪對地板的滾動摩擦力f2［5-6］，其計算公式：

式中：μ1為泥料與側壁之間的摩擦因數。

式中：K為地板與托輥間的滾動摩擦因數；r為支撐托輥的輥輪半徑，m。

則地板逐組抽回時的單個油缸拉力：

地板推出去時主要受箱體兩側面的摩擦力f3和支撐托輥的摩擦力f4：

式中：N為泥料對箱體側壁的正壓力，可按照靜止土壓力計算N=2E0l（l為箱體內污泥的有效堆載長度，m）［7］。

式中：γ0為填土重力密度，kN/m3；H為擋土墻高度，這里為堆料高度，m；kn為靜止土壓力系數，一般取0.65。

則有：

則地板推出時單個油缸推力：

根據液壓油缸所需推拉力選定油缸工作壓力、尺寸、工作流量等參數，并進行校核。

3 液壓回路設計

液壓系統采用電控液壓系統，其基本功能要求為：通過PLC控制3個液壓缸A、B、C的順序及同步動作。由液壓移動地板式料倉送料系統工作原理可知，在1個工作循環中，液壓缸的順序動作是液壓缸A、B、C依次抽拉1個送料行程的距離后，3個油缸同步推送1個送料行程的距離。

為了實現上述基本功能，本控制系統選用電磁換向閥和電液比例閥對3個驅動油缸進行控制；3個電磁換向閥控制3個驅動油缸的順序動作；3個比例液壓閥對3個驅動油缸進行同步控制。通過PLC控制電磁換向閥中電磁鐵的得電情況，進而控制液壓缸的運動方向，并且通過控制3個電磁換向閥中電磁鐵的得電順序控制3個液壓缸的運動順序。這里選用3個電磁換向閥是為了更好地實現對3個雙作用液壓缸的控制，節省液壓管路。其電控液壓系統回路如圖4所示。

圖4 電控液壓系統回路

推送泥料時在未工作時，限位開關S01、S03、S05均為斷開狀態，當按下“開始”按鈕SB1時，系統開始工作，具體工作步驟如下：系統首先會檢查限位開關S02、S04、S06的狀態，當全部為閉合狀態時，圖4中7三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA1得電，驅動油缸A開始有桿腔進油，無桿腔出油，驅動油缸A的活塞桿縮回；當A缸活塞桿運動到最左端，碰到限位開關S01時，8三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA3得電，B缸開始有桿腔進油，無桿腔出油，活塞桿縮回；當B缸活塞桿運動到最左端，碰到限位開關S03時，9三位四通電磁換向閥的右電磁鐵YA5得電，C缸開始有桿腔進油，無桿腔出油，活塞桿縮回。當檢測到S01、S03、S05同時閉合時，啟動延時，在該程序中設定延時1 s。1 s之后，7三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA2、8三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA4、9三位四通電磁換向閥的左電磁鐵YA6同時得電，3個液壓缸中活塞桿同時拉回，對應3個驅動油缸同時推出。當3個液壓缸同時運動到最右端，限位開關S02、S04、S06同時閉合時，進入下一個工作循環。在自動卸料的1個工作周期內，任意時刻按下“停止”按鈕SB2，3個雙作用液壓缸將會停止運動；當再次按下“開始”按鈕SB1時，系統繼續當前動作。其端子接線示意見圖5。

圖5 PLC端子接線

根據前面介紹的工作流程，在PLC編程器中編制出梯形圖程序，如圖6所示。

圖6 控制系統梯形圖

4 Automation Studio平臺下液壓系統的仿真分析

4.1 仿真過程

Automation Studio中Library Explorer中含有各種液壓元件，按照如圖4所示的液壓連線從中選取所需的液壓元件構建液壓系統。其中3個驅動油缸的同步控制采用PID控制，驅動油缸B的位移通過A缸的位移進行控制，驅動油缸C的位移通過B缸位移進行控制，驅動油缸A的位移通過C缸的位移進行控制。其中電液比例閥與控制單元匹配如圖7所示［8］。

圖7 電液比例閥與控制單元的匹配

4.2 仿真結果及分析

圖8 液壓缸位移曲線

圖8中綠藍紅分別表示液壓缸A、B、C位移曲線?？梢钥闯觥伴_始”前，3個液壓缸的位移為零；“開始”后，綠色曲線上升，表示A缸位移開始增加，運動到最大位移200 mm，觸發到限位開關；同時B缸開始移動，如同A缸運動形式；同理C缸的運動，當C缸觸碰到限位開關后，3條曲線重合，持續1 s后，3條曲線重合并同時下降，表示3個驅動油缸的活塞桿同步收回，直至位移下降為0，1個運行周期完成，進入下一個運行周期，如第2條綠色曲線，至此完成了3個液壓缸工作狀態的仿真［9］。

從圖9可知，在整個運動仿真周期中液壓泵輸入流量基本保持在18 L/min左右，如圖中白色曲線所示，按下“開始”鍵后，液壓缸A的流量因電磁換向閥和電液比例閥的作用而發生輕微跳動，隨后流量值保持在18 L/min，如圖中綠色曲線所示；同理，圖中藍色和紅色曲線分別表示液壓缸B、C的流量變化；3個液壓缸依次順序動作，停頓1s后，3個液壓缸的有桿腔輸入流量為8.4 L/min左右，負值表示為輸出流量，從圖中可得3個液壓缸的有桿腔同時輸出流量，且輸出流量大小相同，表明3個液壓缸同步；圖中第2條綠色曲線表明3個液壓缸進入下一個運動周期。

圖9 液壓缸流量曲線

由此，本電控液壓系統基本實現了對3個驅動油缸的順序控制和同步控制，從仿真結果中可看出位移、流量曲線基本滿足了對電控系統的要求，為更深層次的仿真研究和系統優化提供了理論依據。

5 結束語

立式多層發酵倉通過多層箱體組合，減小占地面積，密閉形式提高臭氣處理能力，同時通過移動地板的物料推送、掉落實現污泥翻拋作業，自動化程度顯著提高，為污泥好氧發酵工程提供了新的方案。對移動地板發酵倉關鍵技術進行研究，對液壓系統參數設計計算及系統回路設計，并通過Automation Studio對該電控液壓回路系統進行仿真，為更深層次的仿真研究和系統優化提供了理論依據。

［1］ 陳俊，彭淑婧，張軍，等.污泥好氧發酵工程現狀及發展方向［J］.給水排水動態，2013（4）：19-21.

［2］ 劉幸福.大型滾筒式好氧發酵反應器設計及關鍵技術研究［D］.上海：同濟大學，2016.

［3］ 盛金良，郝冰波，盛春強.一種立式多層移動地板發酵倉：CN205773986［P］.2016-12-07.

［4］ 盛金良，宋世明，劉海濱，等.基于ANSYS的矩形料倉中刮板滑架的單元特性分析［J］.中國工程機械學報，2015，13（1）：88-94.

［5］ 郭建廷.滾動摩擦力的產生機理及其計算［J］.潤滑與密封，1988（1）：19-24.

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