壓縮式垃圾車(chē)推鏟背壓回路改進(jìn)分析

黃磊 李林 李文芳 金先進(jìn)

長(zhǎng)沙普羅科環(huán)境裝備有限責(zé)任公司 湖南長(zhǎng)沙 410100

1 前言

國(guó)內(nèi)大中型壓縮式垃圾車(chē)一般是基于雙向壓縮原理均勻壓實(shí)垃圾的，在垃圾壓填過(guò)程中，刮板和滑板通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)從后端把垃圾擠入垃圾箱內(nèi)，推鏟從前端保持一定的背壓，從而使垃圾兩頭受壓；當(dāng)刮、滑板的壓縮力克服垃圾移動(dòng)時(shí)的膨脹摩擦力和推鏟背壓力后，使推鏟逐漸后退，將垃圾壓實(shí)、逐漸填滿箱體。影響壓縮式垃圾車(chē)壓縮性能的決定因素是推鏟的適時(shí)背壓力[1]，市場(chǎng)上主流的壓縮車(chē)一般采用順序閥回路來(lái)控制推鏟的背壓力[2]，或在順序閥回路上增加阻尼孔，通過(guò)阻尼孔來(lái)調(diào)節(jié)背壓力[3]；但由于阻尼孔易于堵塞、背壓與流量存在相關(guān)的問(wèn)題，也有部分車(chē)型采用溢流閥和電磁閥來(lái)控制背壓[4]。理論上講，垃圾應(yīng)充分壓實(shí)，均勻地充滿整個(gè)垃圾箱；但很多車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在壓縮比小、壓不實(shí)的情況，達(dá)不到額定裝載量，造成作業(yè)次數(shù)增加、轉(zhuǎn)運(yùn)成本高的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。因此，有必要針對(duì)推鏟背壓回路的特性，深入分析垃圾的實(shí)際受力狀態(tài)，找出虧載原因，并尋求相應(yīng)解決方案。

2 常規(guī)推鏟背壓回路分析

2.1 工作原理

以市場(chǎng)上主流的8t美系壓縮式垃圾車(chē)為例，其推鏟背壓回路采用的是順序閥回路，工作原理如圖1所示。當(dāng)滑板剛開(kāi)始提升時(shí)，順序閥未開(kāi)啟，推鏟機(jī)構(gòu)背壓逐漸上升，垃圾逐漸被壓縮。當(dāng)滑板油缸有桿腔壓力達(dá)到順序閥調(diào)定壓力后，順序閥開(kāi)啟，使得推鏟油缸無(wú)桿腔與油箱連通，在滑板油缸提升力的作用下，推鏟油缸收縮，推鏟機(jī)構(gòu)后退[2]。

圖1 常規(guī)車(chē)型推鏟背壓回路

2.2 力學(xué)分析

垃圾壓填過(guò)程中，主要存在三個(gè)作用力：滑板油缸的上行壓縮力FH、推鏟油缸的背壓力FT、垃圾移動(dòng)時(shí)的膨脹摩擦力Ff，垃圾在填裝擠壓過(guò)程中的受力情況如圖2所示。當(dāng)箱體剛開(kāi)始?jí)喝肜鴷r(shí)，垃圾量較少，故Ff較小，此時(shí)，滑板油缸的水平壓縮分力FX主要由推鏟油缸承受；當(dāng)滑板油缸的工作壓力未達(dá)到順序閥設(shè)定壓力時(shí)，推鏟油缸通過(guò)過(guò)載閥卸荷，推鏟油缸的背壓力FT由其過(guò)載閥限制。隨著垃圾的裝填，推動(dòng)垃圾移動(dòng)所需克服的膨脹摩擦力Ff增大，滑板油缸的工作壓力上升。當(dāng)滑板油缸的工作壓力達(dá)到順序閥設(shè)定壓力時(shí)，順序閥開(kāi)啟，推鏟油缸此時(shí)通過(guò)順序閥卸荷，推鏟油缸提供的背壓力FT開(kāi)始降低。當(dāng)繼續(xù)壓入垃圾時(shí)，滑板油缸工作壓力有上升的趨勢(shì)，會(huì)導(dǎo)致順序閥開(kāi)度增大和推鏟油缸背壓減小，最終使滑板油缸的工作壓力維持在順序閥設(shè)定壓力處。

圖2 壓縮機(jī)構(gòu)的受力分析圖

各主要作用力的簡(jiǎn)化力學(xué)表達(dá)式和約束方程如下：

滑板油缸對(duì)垃圾的水平壓縮分力Fx：

向前壓縮推進(jìn)垃圾的力學(xué)條件：

推鏟油缸的第三級(jí)油缸在順序閥未開(kāi)啟時(shí)提供的背壓力FT0：

滑板油缸的工作壓力達(dá)到順序閥設(shè)定壓力時(shí)提供的水平壓縮力Fx0：

由于順序閥的特性，滑板油缸的工作壓力在達(dá)到順序閥設(shè)定壓力后維持不變，而推鏟油缸的背壓力則進(jìn)行隨動(dòng)變化：

公式中引用的參數(shù)如表1所示。

表1 美系8t壓縮車(chē)參數(shù)表

根據(jù)上述約束方程和計(jì)算，對(duì)主要作用力和滑板油缸壓力變化曲線進(jìn)行擬合，如圖3所示。

圖3 主要作用力及滑板油缸工作壓力曲線圖

2.3 存在的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)圖3分析可知：a. 推鏟油缸第3級(jí)缸由于缸徑限制，所能提供的背壓力較小，導(dǎo)致最前端裝入的垃圾壓實(shí)度不高；b. 在中后段，滑板油缸的工作壓力只用到順序閥設(shè)定壓力值12 MPa左右，只有系統(tǒng)壓力的75%，滑板油缸的提升力未充分利用。

另外，在實(shí)際運(yùn)行中，由于順序閥的特性，在滑板上行過(guò)程中，壓縮不均導(dǎo)致油缸沖擊壓力超過(guò)12 MPa，或者滑板上行到位油缸憋壓至16 MPa，都將導(dǎo)致順序閥開(kāi)度較大或全開(kāi)，推鏟在垃圾膨脹力的作用下無(wú)背壓后退，從而出現(xiàn)垃圾壓不實(shí)、虧載的情況。當(dāng)滑板上行到位停止后，筆者時(shí)常能夠觀察到推鏟仍在回退的情況。

3 改進(jìn)后的推鏟背壓回路

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)常規(guī)的推鏟背壓回路進(jìn)行改進(jìn)，在順序閥主油路上增加了設(shè)定值為3 MPa的背壓閥，如圖4所示。由于背壓閥的存在，當(dāng)順序閥在滑板油缸上行、憋壓情況下開(kāi)度增大或全開(kāi)時(shí)，推鏟油缸仍能提供一定的背壓力，減少推鏟無(wú)背壓回退情況；另外，在垃圾裝載的后段，由于推鏟油缸缸徑增大，推鏟油缸仍能提供較大的背壓力，故而相應(yīng)地增大了滑板油缸的上行壓縮力，從而將垃圾壓實(shí)，顯著增加了垃圾裝載量。簡(jiǎn)易計(jì)算如下所示。

推鏟油缸的第一級(jí)油缸提供的背壓力FT：

結(jié)合式（1）～（6），針對(duì)改進(jìn)后回路，對(duì)主要作用力和滑板油缸壓力變化曲線進(jìn)行擬合，如圖5所示。從圖示可知，在垃圾收集的最后階段，推鏟背壓力和滑板油缸提升力相比改進(jìn)前提升，滑板油缸對(duì)系統(tǒng)壓力的利用率接近100%。

圖4 改進(jìn)后的推鏟背壓回路

圖5 改進(jìn)后的力學(xué)曲線圖

4 國(guó)外推鏟背壓回路介紹

根據(jù)歐洲環(huán)衛(wèi)車(chē)廠家的實(shí)踐研究，對(duì)于分類(lèi)垃圾的壓縮收集，推鏟的背壓并非越高越好；有機(jī)垃圾、無(wú)機(jī)垃圾、紙、建筑垃圾、玻璃、煤灰、皮革等，其可變形、可壓縮性、潤(rùn)滑程度、比重等特性是不同的，為達(dá)到最大壓縮量，其所需的推鏟背壓是不同的。為此，采用比例溢流閥作為背壓閥來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)推鏟的背壓，回路原理如圖6所示?；逵透仔∏贿B接有壓力傳感器，檢測(cè)滑板油缸上行時(shí)的工作壓力和負(fù)荷情況，推鏟油缸大腔旁通連接有比例溢流閥，其小腔旁通連接有補(bǔ)油單向閥；推鏟在壓縮方向上被強(qiáng)壓后退時(shí)，推鏟油缸的無(wú)桿腔可通過(guò)比例溢流閥產(chǎn)生背壓并卸荷，有桿腔可通過(guò)單向閥補(bǔ)油。

圖6 歐洲壓縮車(chē)的推鏟背壓回路

具體工作原理如下：a. 開(kāi)環(huán)控制：針對(duì)不同種類(lèi)的垃圾收集，直接控制比例溢流閥的電流值來(lái)設(shè)定背壓力，由廠家預(yù)設(shè)幾組選項(xiàng)給用戶選擇，或者直接由用戶根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)自行設(shè)置電流值百分比，以適應(yīng)不同的工況；b. 閉環(huán)控制：通過(guò)程序設(shè)定滑板油缸上行時(shí)工作壓力值，由壓力傳感器來(lái)檢測(cè)和監(jiān)控，當(dāng)壓力出現(xiàn)偏移時(shí)，由程序控制降低或增大比例溢流閥壓力，調(diào)節(jié)推鏟油缸背壓，最終維持滑板上行壓縮力的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保持垃圾壓縮密度的均衡性，使垃圾盡可能均勻地布滿整個(gè)垃圾箱，均衡車(chē)輛載荷，減輕后橋負(fù)載，提升車(chē)型行駛穩(wěn)定性。閉環(huán)控制模式適用用戶不同裝載量的需求，當(dāng)用戶要求較高的裝載量時(shí)，可以將滑板油缸的工作壓力設(shè)定在較高值，以提供較高的壓縮比；當(dāng)用戶所需裝載量不多時(shí)，將滑板油缸的工作壓力設(shè)定在較低值，以提供較低的壓縮比，保證垃圾盡可能均勻布滿在垃圾箱內(nèi)。5 結(jié)語(yǔ)

a. 常規(guī)推鏟背壓回路由于順序閥的特性，存在滑板油缸提升力利用不充分、順序閥開(kāi)度過(guò)大和推鏟油缸背壓力偏小的問(wèn)題，導(dǎo)致垃圾壓不實(shí)和虧載現(xiàn)象；

b. 改進(jìn)后的回路，增加了背壓元件，增大了推鏟背壓力，間接增大滑板上行壓縮力，避免了推鏟無(wú)背壓回退情況，可以有效地壓實(shí)生活垃圾，提升車(chē)輛裝載量和利用率；

c. 歐洲環(huán)衛(wèi)車(chē)廠家采用了比例溢流閥背壓回路方案，便于客戶按需調(diào)節(jié)或智能化調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)控制推鏟油缸背壓和垃圾的壓縮比，適用于分類(lèi)垃圾的壓縮和用戶不同裝載量的需求。隨著國(guó)內(nèi)垃圾分類(lèi)的興起和推行，這種回路對(duì)于提升國(guó)內(nèi)壓縮式垃圾車(chē)的適用性有借鑒意義。