餐廚垃圾車提桶機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

陳曦

摘要：為了提高車輛裝載的可靠性和穩(wěn)定性，減少提桶油缸的側(cè)向力，降低機(jī)構(gòu)故障率，提高整車的使用壽命，根據(jù)餐廚垃圾車提桶機(jī)構(gòu)的工作原理，對(duì)現(xiàn)有的鏈條式提桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過結(jié)構(gòu)上的改變解決液壓油缸內(nèi)泄的根本問題，并對(duì)改進(jìn)的提桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論上的受力分析和實(shí)際應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾車;提桶機(jī)構(gòu);改進(jìn)設(shè)計(jì);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U469.6 收稿日期：2022—03—10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.014

1餐廚垃圾車介紹

1.1餐廚垃圾車的作用

隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程的加快，越來越多的生活垃圾隨之產(chǎn)生，其中餐廚垃圾占有相當(dāng)高的比例。與其他垃圾相比，由于其具有含水量、油脂含量及有機(jī)物含量高、元素豐富等特點(diǎn)，因此具有很大的回收再利用價(jià)值。但是伴隨著一些不法商家對(duì)其進(jìn)行收集，繼而引發(fā)了關(guān)乎民生食品安全問題，政府部門對(duì)地溝油等城市餐廚廢棄物的嚴(yán)格把控加大了力度，并對(duì)餐廚垃圾的收集進(jìn)行了規(guī)范要求"。

1.2餐廚垃圾車的構(gòu)成

餐廚垃圾車主要是用于裝運(yùn)食堂、賓館、飯店、餐飲業(yè)等產(chǎn)生的廚余垃圾（也稱泔水），并對(duì)收集的垃圾進(jìn)行初步固—液分離，然后將它們分別運(yùn)輸?shù)綇U水處理站和有機(jī)垃圾加工利用廠進(jìn)行集中處理。

餐廚垃圾車主要由底盤、箱體、提桶機(jī)構(gòu)、推板、污水箱、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等構(gòu)成（圖1），完整的垃圾裝卸料過程包括垃圾桶的提升、翻轉(zhuǎn)及倒料的復(fù)位，因此提桶機(jī)構(gòu)是餐廚垃圾車裝卸垃圾的關(guān)鍵，操作人員通過操作提桶機(jī)構(gòu)將垃圾桶收集到的垃圾倒入垃圾車密封箱體內(nèi)。不斷優(yōu)化提桶機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是改善餐廚垃圾車裝載能力和工作效率的關(guān)鍵。

2 鏈條式提桶機(jī)構(gòu)

鏈條式提桶機(jī)構(gòu)位于整車的右側(cè)中部，用于提升垃圾桶并將垃圾倒入箱體的裝載機(jī)構(gòu)。該裝置通過提升油缸帶動(dòng)雙排鏈條，其中鏈條的一端固定在箱體上，另一端固定在掛垃圾桶的小車上，提升油缸通過舉升用鏈條帶動(dòng)小車在導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)。

2.1 工作原理

提桶機(jī)構(gòu)的工作采用液壓驅(qū)動(dòng)，其主要工作原理如下：a.取力器從車輛底盤發(fā)動(dòng)機(jī)獲取動(dòng)力，帶動(dòng)油泵旋轉(zhuǎn);b.操縱多路閥可控制提桶油缸。提桶機(jī)構(gòu)與推板設(shè)有互鎖裝置，若推板未復(fù)位，提桶機(jī)構(gòu)將無法動(dòng)作，以免垃圾倒入推板前部而無法清理;c.提桶機(jī)構(gòu)及其操作位置設(shè)于車輛右側(cè)前部，將垃圾桶掛靠在提桶機(jī)構(gòu)上，通過油缸帶動(dòng)提桶架進(jìn)行提升和翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。當(dāng)翻轉(zhuǎn)到設(shè)定角度50°時(shí)，垃圾提桶自動(dòng)將垃圾倒入車箱，傾倒完畢，提桶機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)下降復(fù)位，完成一次裝料工作。

2.2 機(jī)構(gòu)組成及工作流程

鏈條式提桶機(jī)構(gòu)設(shè)在箱體的前部右側(cè)，由提桶油缸、鏈條機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、舉升小車等組成。兩根鏈條分置于提桶油缸左右兩側(cè)，由油缸伸出端鏈輪桿帶動(dòng)鏈條實(shí)現(xiàn)舉升。

如圖2所示，提桶油缸與上開蓋油缸做順序動(dòng)作：提桶油缸做上升動(dòng)作，投料口門自動(dòng)開啟;當(dāng)垃圾桶掛入掛齒內(nèi)，舉升小車在預(yù)定的軌道內(nèi)上行至壓架，垃圾桶由掛齒和壓架夾緊合為一體，帶動(dòng)繼續(xù)上行至導(dǎo)軌終點(diǎn);舉升小車不再上升，而是在油缸作用下繞轉(zhuǎn)軸做翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，將垃圾自動(dòng)翻入投料口，垃圾傾倒完畢后復(fù)位。

3 鏈條式提桶機(jī)構(gòu)存在的問題分析

對(duì)于餐廚垃圾車，大部分改裝廠采用的都是鏈條式提桶機(jī)構(gòu)，但是該類機(jī)構(gòu)在使用過程中存在一定的不穩(wěn)定性，其整套動(dòng)作由油缸帶動(dòng)舉升小車及一桶垃圾（約240kg），舉升至車輛頂部高度2000mm位置翻轉(zhuǎn)完成。需要說明的是，餐廚垃圾是含水率高、含油率高的濕垃圾，裝載在240 L垃圾桶內(nèi)，普通生活垃圾的密度為0.5t/m3，餐廚垃圾的含水量通常高達(dá)90%左右，重量約為普通生活垃圾的兩倍。鏈條式提桶機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性因素主要有如下兩個(gè)方面：

a.在舉升過程中，由于活塞桿受側(cè)向力較大，長(zhǎng)期使用的情況下密封件易損耗，由此易造成油缸體內(nèi)液壓油內(nèi)泄，從而降低了運(yùn)行速度，并影響了工作效率;b.車輛使用的聯(lián)動(dòng)鏈條為等距滾子鏈，只能按節(jié)數(shù)調(diào)整，無法做到微調(diào)，影響了舉升小車的翻轉(zhuǎn)角度，且由于鏈條長(zhǎng)期暴露在外，容易受到外溢濕垃圾的腐蝕，長(zhǎng)時(shí)間不及時(shí)清理會(huì)影響鏈條運(yùn)行的流暢性。因此，鏈條作為活動(dòng)部件，需要頻繁加注黃油進(jìn)行保養(yǎng)。

本文設(shè)計(jì)了一款拉桿舉升聯(lián)動(dòng)開蓋機(jī)構(gòu)，利用拉桿連接舉升小車和投料口門，在油缸旋轉(zhuǎn)開啟投料口門的同時(shí)，帶動(dòng)舉升小車沿導(dǎo)軌上升運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)軌上止點(diǎn)，通過油缸運(yùn)動(dòng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了投料口門的開啟和傾倒垃圾兩項(xiàng)工作。

4 提升方式的改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 拉桿式提桶機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

拉桿式提桶機(jī)構(gòu)由拉桿、導(dǎo)軌、舉升小車、投料口蓋總成、液壓缸活動(dòng)端支點(diǎn)、液壓缸及其管路組成（圖3）。

4.2 拉桿式提桶機(jī)構(gòu)工作流程

與鏈條式提桶機(jī)構(gòu)相比，用于提升垃圾桶的舉升小車結(jié)構(gòu)基本相同，提桶液壓油缸為雙作用液壓缸。當(dāng)液壓泵開始工作，液壓油推動(dòng)提桶液壓油缸伸出，液壓缸推動(dòng)投料口蓋總成繞著固定端支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，拉桿在投料口蓋總成的作用下向上沿導(dǎo)軌提升舉升小車，直到滑輪運(yùn)行到導(dǎo)軌上止點(diǎn)停止，舉升小車將繼續(xù)在拉桿總成的帶動(dòng)下繞投料口蓋的鉸接點(diǎn)做轉(zhuǎn)動(dòng)傾倒垃圾動(dòng)作。

4.3 拉桿式提桶機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

拉桿式提桶機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)勢(shì)：

a.由拉桿代替鏈條并頂置左右雙油缸，則雙缸提桶穩(wěn)定性高于鏈條帶動(dòng)的單油缸提桶，提桶和投料口開蓋動(dòng)作合二為一;b.綜合考慮液壓閥因素，拉桿提桶機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)開啟投料口蓋相比成本更低;c.從結(jié)構(gòu)上徹底解決了液壓油缸因傾倒產(chǎn)生側(cè)向力造成的車內(nèi)泄的根本問題，且避免了不能微調(diào)的翻轉(zhuǎn)角度。

5 拉桿式提桶機(jī)構(gòu)分析與計(jì)算

5.1 油缸定位要點(diǎn)

油缸定位點(diǎn)位置的選取對(duì)提桶機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性起著主導(dǎo)作用。油缸固定端支點(diǎn)的位置定位的原則是盡量使支點(diǎn)位置靠近提桶拉桿一側(cè)，在運(yùn)動(dòng)不干涉的情況下，支點(diǎn)位置離拉桿越近越有利。

5.2 提桶油缸計(jì)算

5.2.1 作用于活塞桿上的推力

當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)處于初始位置準(zhǔn)備提升時(shí)，單根油缸受到的推力最大（圖5），單油缸所受推力計(jì)算公式如下：

式中，G為提升裝置加上滿載濕垃圾所承受的重力，取2倍載荷500 kg;L為轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)到油缸旋轉(zhuǎn)中心的力臂長(zhǎng)度，取L=187 mm;S為轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)到提升裝置和垃圾桶重力中心的力臂長(zhǎng)度，mm;S，為轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)到重心的距離，mm。其中，在提桶機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，初始階段S，=1358mm最大，L最小。

5.2.2 油缸內(nèi)徑計(jì)算

式中，P為系統(tǒng)額定壓力，取10 MPa;n為油缸機(jī)械效率，取0.97。

由式（2）計(jì)算可得，D=48 mm，根據(jù)《液壓缸內(nèi)徑尺寸系列》《液壓缸活塞桿外徑尺寸系列》，參考缸徑、桿徑取值如表所示。

32 5.2.3 油缸行程

根據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB31/T 681《環(huán)衛(wèi)車技術(shù)與配置要求》，提升裝置傾翻角度翻轉(zhuǎn)到大于50°時(shí)為傾倒垃圾最佳位置，確定聯(lián)動(dòng)時(shí)投料口蓋最大翻轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)投料口蓋的翻轉(zhuǎn)角度要求，通過軌跡模擬和計(jì)算，初步設(shè)定油缸初始位置l，確定油缸的最大行程1，尺寸，從而計(jì)算出油缸的有效行程。經(jīng)計(jì)算，1，油缸安裝距為556mm;/油缸有效行程為298mm。

5.2.4 油缸速度和流量計(jì)算

提桶機(jī)構(gòu)上升動(dòng)作時(shí)，單根油缸流量計(jì)算公式如下：

式中，T為設(shè)計(jì)提桶機(jī)構(gòu)上升動(dòng)作所需時(shí)間，根據(jù)地方標(biāo)準(zhǔn)要求取10s。

提桶機(jī)構(gòu)下降動(dòng)作時(shí)，單根油缸流量計(jì)算公式如下：V

式中，T為設(shè)計(jì)提桶機(jī)構(gòu)下降動(dòng)作所需時(shí)間，取15s。

提桶機(jī)構(gòu)上升速度計(jì)算公式如下：

式中，L為提桶機(jī)構(gòu)運(yùn)行導(dǎo)軌設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，取2030mm。

提桶機(jī)構(gòu)下降速度計(jì)算公式如下：

由于整車其他機(jī)構(gòu)需要的流量較大，目前車輛選用泵排量40 mL/r，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速800 r/min;泵的理論流量（不計(jì)算容積效率與機(jī)械效率）Q=40—800=32 L/min。

對(duì)提桶機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度也有一定要求：當(dāng)提桶機(jī)構(gòu)上升運(yùn)行時(shí)間小于7 s時(shí)，因?yàn)樵诜D(zhuǎn)過程中速度過快再加上慣性作用，垃圾桶較容易損壞;當(dāng)提桶機(jī)構(gòu)上升運(yùn)行時(shí)間大于15 s，容易在翻轉(zhuǎn)的過程中發(fā)生濕垃圾外溢。因此，對(duì)提桶機(jī)構(gòu)液壓部分加裝截流閥很有必要，以保證提桶機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度為理論設(shè)計(jì)值。

5.3 模擬對(duì)象為吊桶機(jī)構(gòu)的Simulation有限元分析

現(xiàn)模擬舉升小車?yán)瓧U處負(fù)載5 000 N，拉桿機(jī)構(gòu)材料包括Q345和45鋼兩種，其中銷軸為45鋼，其余零部件均為Q345。選用材料參數(shù)見表2。

為了確保舉升小車的可靠性，運(yùn)用Simulation模擬舉升小車?yán)瓧U末端負(fù)載5 000 N，對(duì)舉升小車從應(yīng)力、位移、應(yīng)變?nèi)齻€(gè)方面進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得出結(jié)論如表3、圖6、圖7所示。

如圖6所示，最大位移產(chǎn)生在拉桿末端，施加5 000N的位置，需要對(duì)拉桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理，保證整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

分析結(jié)果：對(duì)模擬對(duì)象為掛桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行Simulation有限元分析，在舉升小車掛齒架上負(fù)載5000 N的情況下，整套機(jī)構(gòu)安全系數(shù)大于1，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了傳統(tǒng)的鏈條式提桶機(jī)構(gòu)的主要問題：首先，其油缸由于受側(cè)向力的作用，缸體內(nèi)部密封件受到側(cè)向擠壓，影響了密封件的使用壽命;其次，單缸提桶穩(wěn)定性不足，易造成垃圾外泄。因此對(duì)鏈條式提桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，本文采用拉桿式提桶機(jī)構(gòu)，利用拉桿舉升聯(lián)動(dòng)開蓋機(jī)構(gòu)，油缸動(dòng)作使投料口蓋打開的同時(shí)，通過拉桿帶動(dòng)舉升小車和垃圾沿導(dǎo)軌拉升至卸料位置，然后油缸繼續(xù)運(yùn)動(dòng)完成開蓋和投料兩項(xiàng)工作。

改進(jìn)后的拉桿式提桶機(jī)構(gòu)具有一定優(yōu)勢(shì)：a.成本低，性能穩(wěn)定，故障率低;b.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，易于保養(yǎng);c.舉升小車上升平穩(wěn)，垃圾不易外泄;d.實(shí)現(xiàn)提桶和舉升同步，簡(jiǎn)化了液壓控制系統(tǒng)。由于餐廚垃圾車的市場(chǎng)潛力大，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)突出，拉桿式提桶機(jī)構(gòu)可提升裝載的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。

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