高位舉升自裝卸式垃圾車設(shè)計

丁兆青

青島中汽特種汽車有限公司 山東青島 266109

1 前言

城鎮(zhèn)小區(qū)因街道路面狹窄，垃圾收集轉(zhuǎn)運一直以來廣泛使用低效落后的板車、小推車、低速電動環(huán)衛(wèi)車等收集裝備。隨著環(huán)衛(wèi)市場的發(fā)展、城市品位的提升，為了克服壓縮式垃圾車等大型車輛不便出行小區(qū)的困難、避免作業(yè)噪聲擾民和污水撒漏產(chǎn)生二次污染，筆者開發(fā)出一款機動性高、密封性好、經(jīng)濟及環(huán)保性強、適宜于小區(qū)垃圾收集及短途轉(zhuǎn)運的新型垃圾收集運輸車——高位舉升自裝卸式垃圾車（以下簡稱垃圾車）。其可將垃圾收集轉(zhuǎn)運到統(tǒng)一收集點，再經(jīng)大型壓縮式垃圾車、移動壓縮廂等裝備，長途轉(zhuǎn)運到中轉(zhuǎn)站或填埋場，從而大大提高了垃圾收集轉(zhuǎn)運的效率，減輕了環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度。因此，該垃圾車較其他車型有著諸多優(yōu)點，自投放市場以來，越來越受到用戶的認可和廣泛好評（如圖1）。

2 整車結(jié)構(gòu)、工作流程及設(shè)計目標

圖1 整車外形

2.1 整車結(jié)構(gòu)

整車結(jié)構(gòu)由輕型（或微型）純電動底盤、整體式船型箱體結(jié)構(gòu)（固定于副車架后部的固定平臺上），機械手翻桶裝置、掛桶架、刮板（位于車廂頂部）、活動導流板（位于車廂后斜板上）等部件組成（如圖2）。

圖2 整車結(jié)構(gòu)

2.2 工作流程

車廂與后固定平臺鉸鏈連接，在舉升缸的作用下可實現(xiàn)車廂舉升卸料。翻桶裝置通過驅(qū)動臂、拉桿與固定平臺鉸鏈，在翻桶油缸的作用下，翻桶裝置翻轉(zhuǎn)，將垃圾桶中垃圾傾倒入車廂后部。掛桶架位于翻桶裝置框架內(nèi)，在提升油缸作用下，掛桶架上升，將垃圾桶夾緊于翻桶裝置上。刮板在刮板油缸作用下，將倒入車廂后部的垃圾強力刮入壓縮至車廂前部，并在車廂卸料時控制卸料速度。主要工作裝置示意圖如圖3所示。

車車對接卸料時，導流板在導流油缸作用下沿后板上的導軌伸出，實現(xiàn)垃圾及污水的導流。

圖3 主要工作裝置示意圖

2.3 設(shè)計目標

2.3.1 設(shè)計背景

該車型已在國外廣泛使用，產(chǎn)品成熟度高，圖4為國外車車對接裝置示意圖。但該車在國內(nèi)仍處于起步發(fā)展及技術(shù)完善階段，普遍存在車廂容積小而質(zhì)量大，收集區(qū)域小和效率低下的問題，主要有高位舉升上料性能低，操作及安全方便性差等缺點。另外，在實現(xiàn)垃圾轉(zhuǎn)運車車對接時，因各車型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、差異性大，常常存在對接困難，卸料轉(zhuǎn)運時垃圾撒漏，而造成二次污染等問題。目前，國內(nèi)總質(zhì)量在4 500 kg以下的這類垃圾車，載質(zhì)量多數(shù)較小，車廂容積為3.5 m3以下，一次可裝載15～30桶垃圾。車車對接時無導流板或?qū)Я靼暹^短，易造成污水撒漏。

圖4 車車對接裝置示意圖

2.3.2 總體設(shè)計目標

上裝采用輕量化設(shè)計思路，總質(zhì)量為4 500 kg以下，載質(zhì)量為800 kg以上，總長控制不超過6 m，總寬約1.7 m，車廂高度略高于駕駛室。整體結(jié)構(gòu)緊湊，機動性高，美觀性強。車廂邊板為弧形，箱體“U”型底部結(jié)構(gòu)，容積為4.8 m3，單次收集裝載約30～45桶垃圾，在同等車型中不僅裝載量大、收集區(qū)域更廣，并且效率更高。

整車后部設(shè)置橫向跨距大的支腿，作業(yè)時安全穩(wěn)定性高。車車對接時加裝的活動長導流板伸出，避免了污水撒漏而產(chǎn)生二次污染等問題。

根據(jù)不同用戶不同的作業(yè)環(huán)境，結(jié)合其個性化需求，可選配噴淋消毒清洗裝置：在車廂頂部設(shè)置自動消毒噴淋系統(tǒng)，在車輛前部加裝高壓清洗消毒裝置，堅決消滅疫情傳播隱患。

2.3.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計目標

液壓系統(tǒng)工作壓力為16 MPa，相關(guān)動作互鎖，可使車輛工作時更加安全可靠。刮板在不張開時，機械手不能裝載；而支腿不伸出，機械手不在下極限位置時，車廂則不能舉升。車廂舉升油缸與導流板油缸通過一組順序閥控制動作；機械手翻桶油缸與提升油缸通過一組液壓閥順序控制動作。

2.3.4 操作系統(tǒng)設(shè)計目標

操作系統(tǒng)為先進的CAN總線系統(tǒng)，移動控制器，高效故障智能診斷，監(jiān)控維修方便，可對車輛運行狀態(tài)實時監(jiān)控與智能服務(wù)。標配為線控（可選裝遙控），左右兩側(cè)都安裝操作按鈕盒，對接時左右兩側(cè)都能實現(xiàn)功能操作。后部外側(cè)設(shè)有插盒，便于短距離裝載時隨時取放按鈕盒。整車后部左右兩側(cè)皆裝有急停按鈕，操作按鈕盒上還設(shè)有加速按鈕，裝載時可提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而提升工作效率。左右兩側(cè)安裝操作按鈕盒如圖5所示。

圖5 左右兩側(cè)操作按鈕盒

3 上裝主要工作裝置設(shè)計

3.1 車廂總成結(jié)構(gòu)設(shè)計

車廂總成由底板、邊板、前板、后板、頂板總成等組成，結(jié)構(gòu)為全密閉無泄漏設(shè)計，以避免污水及臭氣的二次污染。邊板為弧形曲面截面，周邊為框架結(jié)構(gòu)，剛度更大，強度更高。其他總成亦為鋼板框架結(jié)構(gòu)，與高強度薄鋼板焊接而成。舉升油缸為雙缸雙作用油缸，單向液壓鎖、單向節(jié)流閥，且無桿腔還設(shè)有下降緩沖功能，確保車廂平穩(wěn)下落而對副車架無較大沖擊力，車廂傾卸角度不小于45°，確保卸料干凈徹底無殘余。上裝質(zhì)心低，車廂舉升到最大角度時，質(zhì)心位于回轉(zhuǎn)中心前側(cè)的適宜位置，確保車輛具有較高的安全性和穩(wěn)定性。筆者利用有限元分析軟件對舉升機構(gòu)進行仿真與優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可進一步減輕整備質(zhì)量，從而增大整車載質(zhì)量。

3.2 舉升油缸受力分析計算及各功能油缸確定

為了確定車廂裝滿垃圾時舉升油缸需提供的最大舉升力，取車廂與垃圾為研究對象，對車廂舉升過程進行動態(tài)受力分析，可知車廂最大舉升力須從3個運動狀態(tài)予以確定：a.初始狀態(tài)；b.車廂及垃圾質(zhì)心阻力臂與舉升力臂之比值最大；c.車廂被舉升到終了狀態(tài)時。

根據(jù)三維圖形分析，確定車廂與垃圾的質(zhì)量G及質(zhì)心位置。利用幾何作圖法，找出上述三種狀態(tài)時車廂與垃圾阻力臂（分別為L1、L2、L3）、油缸舉升力臂（分別為d1、d2、d3）、油缸舉升力（分別為F1、F2、F3）。以車廂后部回轉(zhuǎn)中心為轉(zhuǎn)動軸，根據(jù)力矩平衡條件G iLi=Fidi，由上式可得三種狀態(tài)時的舉升力Fi=GiLi/di。舉升油缸三種狀態(tài)受力分析計算如圖6所示。

圖6 舉升油缸三種狀態(tài)受力分析計算

綜合各方面因素，舉升油缸內(nèi)徑初定為D=80 mm，系統(tǒng)最高工作壓力初定為：P=16 MPa，則舉升油缸舉升力為：

式中，F(xiàn)max為油缸的最大作用力，N；P為系統(tǒng)壓力，Pa；η為油缸機械效率，一般取0.9；D為油缸內(nèi)徑，m。

通過計算可知：Fmax≥F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，可滿足設(shè)計要求，故確定舉升油缸內(nèi)徑為80 mm；系統(tǒng)額定工作壓力為16 MPa。

同理，按以上方法可計算機械手翻桶裝置、刮板刮合、支腿支撐裝置液壓缸的最大受力，并根據(jù)系統(tǒng)額定工作壓力，確定機械手翻桶油缸、刮板油缸內(nèi)徑為63 mm，機械手提升油缸、導流板油缸由于工作時阻力很小，故不需要太大的缸徑和壓力，根據(jù)其工作特點，參考同類車型設(shè)計經(jīng)驗，油缸內(nèi)徑確定為40 mm。各液壓油缸桿徑根據(jù)缸徑按標準設(shè)計。

3.3 后固定平臺

后固定平臺作為車廂舉升卸料、安全維修撐桿、支腿、機械手固定裝置的工作平臺，必須確保其具有足夠的強度及剛度，但是結(jié)構(gòu)又不能太重。因為功能部件較多，布置應(yīng)緊湊，為此采用內(nèi)部中空的框架結(jié)構(gòu)焊接而成，同時為增加美觀性，便于內(nèi)部功能部件的維修，外部加裝了可拆卸式防護罩。

3.4 副車架

副車架采用鋼板折彎成形的框架焊接結(jié)構(gòu)而成。上部固定緩沖橡膠墊帶，側(cè)部通過連接板及固定座與底盤縱梁連接，中前部設(shè)置有車廂限位裝置。

3.5 刮板

刮板為弧形框架結(jié)構(gòu)的雙曲面設(shè)計，具有強度高、剛度大、質(zhì)量輕的優(yōu)點；刮板油缸為雙缸雙作用油缸，其驅(qū)動裝置為連桿放大式，可對垃圾強力壓縮，由此極大地提高了垃圾裝載量，降低了運營成本。刮板還與箱體蓋板一體化設(shè)計（如圖7），避免了垃圾拋撒飛揚。

圖7 刮板結(jié)構(gòu)

3.6 支腿

支腿固定于底盤后部縱梁兩側(cè)，橫向跨距大，安全穩(wěn)定性高。支腿油缸為雙缸雙作用油缸，雙向液壓鎖，確保整車運行及裝載時車輛安全。為確保卸料的安全性，左右支腿油缸分別由兩組閥控制，并設(shè)置了互鎖控制，即只有在支腿腳板觸地上升至10 mm，觸碰感應(yīng)開關(guān)起作用后才能解除互鎖（如圖8），車廂才能舉升卸料，由此增強了卸料的安全性。

3.7 機械手翻桶裝置及掛桶架

掛桶架為雙掛桶框架機構(gòu)（優(yōu)于單桶上料），其兩側(cè)滑塊可沿翻桶裝置兩邊的縱梁導軌上下滑動?？蓲靸蓚€120 L或240 L標準塑料桶或單個660 L垃圾桶，單次最大裝載可達400 kg以上，掛桶高度可調(diào)節(jié)的范圍大，裝載效率也很高。翻桶裝置上部設(shè)有導流板，確保裝載翻轉(zhuǎn)時，起到導流作用而使垃圾不撒漏。翻桶裝置油缸為單缸雙作用油缸；提升油缸為雙缸雙作用油缸，避免偏載時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差造成系統(tǒng)損壞或可靠性降低。

圖8 支腿互鎖裝置示意圖

3.8 導流板

導流板為U型結(jié)構(gòu)，位于車廂后板上部。導流板油缸為單缸雙作用油缸，位于車廂后板下面后部中心位置。在該后部中心位置開有長條孔，便于導流板油缸與導流板中心處的連接座相連。導流板上固定的滑塊在導流板油缸的作用下，可沿后板長條孔兩側(cè)的導軌滑行。為防止污水進入導流板與后板兩側(cè)的縫隙，在車廂邊板后上部兩側(cè)加裝了傾斜的擋板；為防止污水浸入后板與導流板下部縫隙，在導流板下部壓裝了擋水橡膠板，使其與后板緊密貼合，隨導流板滑行。另外，在長條孔周邊焊接有適度高的擋水板，以避免因污水的意外浸入而造成污水撒漏。導流板結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 導流板結(jié)構(gòu)示意圖

3.9 消毒噴淋系統(tǒng)配置

為避免垃圾收集及運輸過程中可能存在的疫情傳播，在車廂頂板及投料口周邊設(shè)置了自動噴霧消毒系統(tǒng)（配置了液壓馬達、水泵、水過濾器、水箱、水管路、噴槍、噴嘴等），噴霧范圍覆蓋了整車，杜絕了細菌病毒的傳播。

在車廂與駕駛室之間裝有水泵和噴槍，可對整車高壓清洗消毒，提高了環(huán)境衛(wèi)生和操作人員的安全性，免除了疫情傳播的后顧之憂，實現(xiàn)了垃圾的無害化密閉運輸。限于篇幅，該系統(tǒng)不做詳細介紹，液壓及電控系統(tǒng)也不包含此裝置。

4 液壓系統(tǒng)元件選型及工作原理

考慮各方面因素，確定液壓油缸、液壓泵、組合多路換向閥等主要液壓元件的選配。因舉升缸為各種動作油缸中受力最大且使用流量最大的油缸，為首要滿足的主要部件。據(jù)此，可根據(jù)上述確定的舉升缸參數(shù)、舉升下降時間≤20 s，發(fā)動機加速時轉(zhuǎn)速設(shè)置為800 r/min，確定液壓油泵型號為CBF9-F420-ALPL。換向閥為電液控多路閥，確定其最大流量為35 L/min，電壓為12 V。液壓原理圖如圖10所示。

圖10 液壓原理圖

5 控制系統(tǒng)設(shè)計要求及工作原理

控制系統(tǒng)采用手動+電動按鈕盒形式（手電兩用操作），方便可靠，穩(wěn)定性高。在實現(xiàn)車車對接時，相關(guān)功能的操作在左右兩側(cè)都能進行，由此避免了對接操作時工作人員需繞過車頭到另一側(cè)操作，極大地方便了用戶使用。線控標配+選裝遙控，可根據(jù)實際使用的不同工況予以配置，從而增大了操作人員的實際安全距離和心理安全感。左右按鈕盒及電氣原理圖如圖10所示。整車線束、接插頭采用防水設(shè)計。

圖11 左右按鈕盒及電氣原理圖

6 結(jié)語

根據(jù)試驗及用戶使用的效果來看，高位自裝卸式垃圾車非常適宜于城鎮(zhèn)小區(qū)及狹窄街道的垃圾收集及運輸，具有高效快捷、安全方便、省時省力、污水密封性好（無泄漏、無拋撒），裝載操作方便，且易實現(xiàn)垃圾收集與運輸?shù)男读蠈樱ㄐ≤嚳啥掏臼占筌嚹荛L途轉(zhuǎn)運），為目前正在興起的組合式垃圾清運提供了重要的環(huán)衛(wèi)裝備，改變了板車、小推車、電動三輪車等落后低效的垃圾收集運輸模式。另外，該車采用純電動底盤可實現(xiàn)零排放，在市區(qū)繁忙街道更易實現(xiàn)車輛的頻繁啟動及制動，節(jié)能環(huán)保降噪，可實現(xiàn)環(huán)衛(wèi)作業(yè)的現(xiàn)代化、智能化和滿足環(huán)保經(jīng)濟型的需求，從而促進環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速向前發(fā)展而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益及社會效益，符合社會友好型及可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，市場前景非常廣闊。