趙由才，楊繼紅，錢春軍，戴世金，黃仁華，周海燕

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272999;3.上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201304)

安全填埋是城市生活垃圾和危險(xiǎn)廢物處理的一種主要方式［1］。在傳統(tǒng)的填埋作業(yè)中，往往需要卸料、推平、壓實(shí)和覆蓋等操作，使用的機(jī)械設(shè)備包括挖土機(jī)、運(yùn)輸車、推土機(jī)和壓實(shí)機(jī)等機(jī)械設(shè)備［2－3］。由于填埋場(chǎng)地的不穩(wěn)定性，極易導(dǎo)致在作業(yè)過程中發(fā)生翻車、垃圾堆體滑坡、沼氣爆炸等事故［4］。同時(shí)，由于填埋場(chǎng)作業(yè)區(qū)域潮濕、惡臭等惡劣的作業(yè)環(huán)境，尤其是危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)地的嚴(yán)重污染，極大地影響了作業(yè)工人的身心健康。

為了提升填埋設(shè)備的安全性和可靠性，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，也采取了一些較為有效的防范措施，如采用駕駛室全密封以隔絕臭氣、采用加厚鋼板以提高行駛安全性等［5］。然而對(duì)于長期在垃圾場(chǎng)作業(yè)的人員，這些措施只能部分減小受污染程度，填埋設(shè)備事故率依然居高不下，不能從根本上解決問題。

就目前技術(shù)而言，最有效的途徑有兩種:無人駕駛技術(shù)和遙控駕駛(遠(yuǎn)距離操縱)技術(shù)。美國、日本已研制出第一代無人駕駛汽車，但費(fèi)用高、技術(shù)難度大，因此延緩了其商業(yè)化進(jìn)程［6－7］。相比而言，遙控駕駛技術(shù)則顯得更加經(jīng)濟(jì)、有效。國外學(xué)者研制了部分無線遙控的填埋設(shè)備，但在價(jià)格上，這些產(chǎn)品一般為普通機(jī)型的2～3倍，國內(nèi)用戶難以承受［8］。在技術(shù)上，這些公司都拒絕轉(zhuǎn)讓、公開他們這方面的研究成果。目前來看，國內(nèi)外還未有無線監(jiān)控式垃圾填埋設(shè)備，因此開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的遠(yuǎn)程控制垃圾填埋設(shè)備具有重要意義。

在工業(yè)4.0和中國制造2025的大背景下，本文基于無人駕駛的新技術(shù)，針對(duì)填埋場(chǎng)地的特殊性，開發(fā)基于含無人駕駛推土機(jī)在內(nèi)的危險(xiǎn)廢物和生活垃圾填埋作業(yè)技術(shù)和設(shè)備，設(shè)計(jì)運(yùn)行了自動(dòng)旋轉(zhuǎn)式卸料平臺(tái)替代傳統(tǒng)的固定式卸料平臺(tái)，使用多功能遙控移動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備工具和相關(guān)物品的遙控搬運(yùn)。無人駕駛設(shè)備可在垃圾層或覆蓋膜上隨意行走，極大的改善了目前現(xiàn)場(chǎng)人工作業(yè)的強(qiáng)度和工人的身心健康。為填埋場(chǎng)的無人駕駛設(shè)備提供設(shè)計(jì)思路，也為我國的自主設(shè)計(jì)和制造貢獻(xiàn)力量。

1 遙控推土機(jī)

推土機(jī)是填埋場(chǎng)的常用設(shè)備，常用于生活垃圾或危險(xiǎn)廢物的填埋－壓實(shí)－推土－覆土及場(chǎng)地平整等流程。實(shí)現(xiàn)推土機(jī)的無人駕駛和智能遙控，可有效改進(jìn)填埋作業(yè)的安全性。一般來說，要實(shí)現(xiàn)推土機(jī)的無線遙控，需要將推土機(jī)遙控系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)遙測(cè)系統(tǒng)、安全運(yùn)行全自動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)作為填埋設(shè)備的附加裝置。在現(xiàn)有的推土機(jī)上加上該系統(tǒng)便具有相應(yīng)功能。同時(shí)，由于填埋作業(yè)的特殊性和連續(xù)性，需實(shí)現(xiàn)手控/遙控完全兼容。

推土機(jī)遙控操作的原理如圖1所示。設(shè)立遠(yuǎn)程操作仿真平臺(tái)，工作人員可在仿真平臺(tái)上操作操縱桿，同時(shí)把操作信號(hào)轉(zhuǎn)換成遙控信號(hào)，遙控信號(hào)發(fā)射到接收平臺(tái)并轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，從而驅(qū)使推土機(jī)上的泵、馬達(dá)等元件工作。這時(shí)，需要對(duì)原機(jī)型進(jìn)行電液操縱改造，對(duì)設(shè)備啟動(dòng)、熄火、油門控制、轉(zhuǎn)向、換檔、制動(dòng)、工作裝置動(dòng)作的手動(dòng)操縱特點(diǎn)進(jìn)行研究，確定推土機(jī)無線遙控操縱控制策略。開發(fā)填埋設(shè)備安全運(yùn)行全自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)并判斷設(shè)備的安全運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行減速或停車以防設(shè)備破壞性損傷，確保設(shè)備運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全運(yùn)行的全自動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控［6］。

圖1 遙控操作的基本原理

目前，山推公司開發(fā)的DE17R智能遙控推土機(jī)已成功應(yīng)用于上海老港公司填埋作業(yè)，該遙控推土機(jī)主要性能參數(shù)如表1［9］。該系統(tǒng)可遙控與在機(jī)駕駛同步兼容，具有推土機(jī)仿真駕駛遙控操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)1000 m遠(yuǎn)程遙控控制。推土機(jī)具有雙向防傾翻功能，防碰撞功能和自動(dòng)怠速功能。

表1 DE17R智能遙控推土機(jī)部分參數(shù)

無人駕駛的推土機(jī)在未來具有較高的優(yōu)勢(shì):

(1)無人駕駛仿真控制平臺(tái):遙控操作室模擬推土機(jī)駕駛臨場(chǎng)感設(shè)計(jì)，駕駛環(huán)境真實(shí)、操作更舒適?？稍谝欢ú僮鞣秶鷥?nèi)對(duì)推土機(jī)的遙控駕駛操作并配有急停按鈕確保無人駕駛安全。同時(shí)可具有無線視頻監(jiān)控控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)推土機(jī)前面、后面、鏟刀左刀角、鏟刀右刀角及推土機(jī)周邊環(huán)境云臺(tái)監(jiān)測(cè)。

(2)無人駕駛遙控功能:可遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)推土機(jī)上下電、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、熄火及油門大小控制。遠(yuǎn)程遙控操作前進(jìn)、后退、行進(jìn)左轉(zhuǎn)向、行進(jìn)右轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向、推土機(jī)加減速控制及制動(dòng)控制。遠(yuǎn)程遙控操作鏟刀升降控制、鏟刀左右傾斜控制、鏟刀浮動(dòng)控制。

(3)無人駕駛安全系統(tǒng):可設(shè)計(jì)防傾翻功能，前后傾斜15°顯示報(bào)警，25°自動(dòng)進(jìn)入怠速制動(dòng)狀態(tài);左右傾斜10°報(bào)警，15°自動(dòng)進(jìn)入怠速制動(dòng)狀態(tài);防碰撞功能可實(shí)現(xiàn)左右及后方5m距離報(bào)警、1m自動(dòng)進(jìn)入怠速制動(dòng)狀態(tài)。推土機(jī)自動(dòng)怠速控制等節(jié)能降耗控制;

(4)工況適應(yīng)能力:靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)，可無級(jí)調(diào)速、帶載轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向，靈活機(jī)動(dòng)，適應(yīng)多種工況。底盤系統(tǒng)接地長度長，離地間隙大，行駛平穩(wěn)，通過性良好;配置環(huán)衛(wèi)鏟，容量大。牽引架與刮泥板一體化設(shè)計(jì)，可牽引、可踩踏;刮泥板加強(qiáng)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度更強(qiáng)、刮泥效果更好。

2 遙控式履帶布料機(jī)

布料機(jī)適用于各種塊狀、粒狀等松散物料堆場(chǎng)堆料。它包括:履帶式行走機(jī)構(gòu)、進(jìn)料裝置、皮帶機(jī)系統(tǒng)、臂架俯仰機(jī)構(gòu)、臂架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、出料筒系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等。對(duì)于材料穩(wěn)定的大型堆場(chǎng)一般采用固定式堆取料機(jī)，而對(duì)于填埋場(chǎng)等臨時(shí)堆場(chǎng)采用裝載機(jī)堆料效率很差，顆粒小的物料很難堆到一定高度，且有很大的危險(xiǎn)性。目前市場(chǎng)上有簡(jiǎn)易的堆料裝置，其存在以下缺點(diǎn):堆料效率差;堆料高度低，不適應(yīng)有粉塵物料［10］。

表2 遙控式履帶布料機(jī)部分參數(shù)

履帶式布料機(jī)可解決以上問題。其特征是:全部系統(tǒng)安裝在移動(dòng)式平臺(tái)上，可以在填埋場(chǎng)作業(yè)區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，行走機(jī)構(gòu)采用履帶式，接地比壓滿足在垃圾表面移動(dòng)的要求。進(jìn)料裝置與輸送懸臂集為一體，二者均安裝于一個(gè)公共底盤之上，構(gòu)成一體式移動(dòng)堆料機(jī)。皮帶機(jī)系統(tǒng)采用直線式，臂架俯仰機(jī)構(gòu)采用液壓油缸懸臂拉桿或采用液壓油缸推動(dòng)升降，臂架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用液壓油缸和回轉(zhuǎn)軸承，出料筒可前后偏擺或回轉(zhuǎn)布料，使整個(gè)系統(tǒng)具有完整地獨(dú)立性。

遙控式履帶布料機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)使用的靈活性:不需固定設(shè)施，不需要增加基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)不進(jìn)行作業(yè)時(shí)，可以清空所有的移動(dòng)設(shè)備，對(duì)現(xiàn)存的作業(yè)工藝影響小?？梢栽谌我馕恢枚蚜?，擴(kuò)大利用空間。該設(shè)備可以輕松遷移到其它地方，提升設(shè)備的利用率。

(2)設(shè)計(jì)的科學(xué)性:進(jìn)料裝置具備穩(wěn)流功能，保證連續(xù)、均勻、平穩(wěn)地供料;整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)保堆料，無論是采用液壓油缸懸臂拉桿或采用液壓油缸推動(dòng)升降，都能使卸料點(diǎn)降到最低水平，減少物料降落的距離;當(dāng)輸送有塵物料時(shí)，進(jìn)料裝置設(shè)計(jì)為廂式，進(jìn)料口處增加橡膠簾罩;出料槽可前后偏擺或回轉(zhuǎn)布料，設(shè)備可移動(dòng)到碼頭的任意位置和出料槽的廣幅布料極大提高了平均堆料速度。

(3)系統(tǒng)的完整性:配套移動(dòng)進(jìn)料裝置，讓自卸卡車以最快的速度進(jìn)行卸料，極大提高了運(yùn)營能力。電力或移動(dòng)式電站可適應(yīng)不同的工作環(huán)境，輸送有塵物料配套高效的除塵設(shè)施。

3 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)卸料平臺(tái)

填埋場(chǎng)用旋轉(zhuǎn)式卸料平臺(tái)替代固定式卸料平臺(tái)，主要作業(yè)工藝為:運(yùn)輸車經(jīng)運(yùn)輸通道直接正面駛?cè)胄D(zhuǎn)卸料平臺(tái)，由旋轉(zhuǎn)卸料平臺(tái)完成車頭、車尾的互換，進(jìn)行360°任意方向的卸料，卸料完成再由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使得運(yùn)輸車車頭面向運(yùn)輸通道，正面駛離卸料平臺(tái)。此工藝運(yùn)輸車全部正面駛?cè)?駛離)作業(yè)平臺(tái)，完全脫離倒車上坡，最大程度的避免了車輛翻車事故，減少了填埋作業(yè)機(jī)械設(shè)備的安全隱患。

平臺(tái)主要由底盤、平臺(tái)、過渡板、一二級(jí)爬坡板、支腿穩(wěn)定架、動(dòng)力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。平臺(tái)專用裝置的工作全部采用液壓傳動(dòng)，液壓電磁閥完全采用電控，同時(shí)也設(shè)計(jì)手動(dòng)應(yīng)急操作。具有自行走、回轉(zhuǎn)、自帶引坡板結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)、安全可靠，機(jī)械化自動(dòng)化作業(yè)程度高、功能齊全、承載能力大、操作方便、外形美觀大方等優(yōu)點(diǎn)，是一種實(shí)用的車輛回轉(zhuǎn)卸料平臺(tái)。

表3 旋轉(zhuǎn)式卸料平臺(tái)部分參數(shù)

圖2 車輛在自動(dòng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)外形圖

4 多功能遙控移動(dòng)裝置

該移動(dòng)裝置依靠安裝的蓄電池組來提供動(dòng)力源，蓄電池將電能輸出至電機(jī)減速機(jī)一體機(jī)，一體機(jī)內(nèi)部將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再在一體機(jī)內(nèi)部將電機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速動(dòng)力轉(zhuǎn)化為低轉(zhuǎn)速動(dòng)力，同時(shí)提高輸出扭矩，傳遞至履帶式行走機(jī)構(gòu)，從而驅(qū)動(dòng)移動(dòng)裝置的前進(jìn)、后退、變向等動(dòng)作。專門用于設(shè)備工具和相關(guān)物品的搬運(yùn)，并且自身依靠電能驅(qū)動(dòng)履帶式行走機(jī)構(gòu)可在垃圾層或覆蓋膜上隨意行走，極大的改善了目前現(xiàn)場(chǎng)人工作業(yè)的強(qiáng)度。整個(gè)移動(dòng)裝置的一些列動(dòng)作全部由一臺(tái)手持式的遙控操作手柄來控制完成。

表4 多功能遙控移動(dòng)裝置參數(shù)

5 結(jié)論與展望

填埋場(chǎng)遙控裝置的設(shè)計(jì)需針對(duì)其特殊性，做更高的要求。本文針對(duì)目前填埋場(chǎng)中的推土機(jī)、布料機(jī)、卸料平臺(tái)、遙控裝置等自動(dòng)化設(shè)備，介紹了其基本原理和參數(shù)，為后續(xù)跟多的裝備設(shè)計(jì)提供思路。

無人駕駛的自動(dòng)車裝備已在國內(nèi)外悄然興起，填埋場(chǎng)這一細(xì)分領(lǐng)域也開始了遠(yuǎn)程遙控和無人駕駛的探索。未來，針對(duì)更多的設(shè)備和裝置，自動(dòng)化水平會(huì)逐步提高，可有效解放生產(chǎn)力，降低安全系數(shù)。