環(huán)衛(wèi)集運(yùn)車翻桶提升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)校核計(jì)算

王月嶺 孔云紅 王文豪 田貴峰

1.中通新能源汽車有限公司 山東聊城 252000

2.山東時(shí)風(fēng)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 山東聊城 252000

1 前言

目前，隨著環(huán)衛(wèi)專用車輛的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，環(huán)衛(wèi)集運(yùn)車雖然已發(fā)展為可以裝配不同規(guī)格的垃圾桶，但是其專用翻桶提升機(jī)構(gòu)多沿襲或借用同一套液壓系統(tǒng)元件，如液壓油泵、液壓閥組、液壓油缸等。這就往往存在著“小馬拉大車”或“大馬拉小車”，以及機(jī)構(gòu)作業(yè)速度過快或過慢等不匹配現(xiàn)象，極易造成機(jī)構(gòu)疲勞損壞、液壓系統(tǒng)故障或降低作業(yè)效率，導(dǎo)致車輛的使用壽命和效果大打折扣。為解決翻桶提升機(jī)構(gòu)在車輛作業(yè)過程中存在的上述問題，研究出了一種翻桶提升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)校核計(jì)算的方法。

2 翻桶提升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)校核計(jì)算方法思路

一般情況下，開發(fā)一款新車型，首先要根據(jù)工況、負(fù)載、作業(yè)速度及時(shí)間要求，進(jìn)行一系列的設(shè)計(jì)計(jì)算，得出液壓系統(tǒng)流量值、壓力值、油缸缸徑值等關(guān)鍵參數(shù)的指標(biāo)，然后反算校核第一步的正確性及優(yōu)化方向。這種方法是對(duì)產(chǎn)品的升級(jí)換代進(jìn)行性能優(yōu)化提升時(shí)所采用的一種液壓系統(tǒng)某一特例回路校核的計(jì)算方法。為了便于表達(dá)和說明，以某型號(hào)全推鏟自裝卸式垃圾車這一具體車型作為實(shí)例，其翻桶提升機(jī)構(gòu)相較于后門密封機(jī)構(gòu)和推鏟推擠卸料機(jī)構(gòu)而言，具有動(dòng)作較為復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)更為頻繁的特性，故對(duì)其翻桶提升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)校核計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1 確定研究對(duì)象

這款用于生活垃圾收集而廣泛使用的全推鏟自裝卸式垃圾車，主要作業(yè)裝置有側(cè)翻桶提升機(jī)構(gòu)的提升、傾倒、落桶；后門的開啟、關(guān)閉、鎖緊，推鏟往復(fù)壓縮和卸料。

這三大總成的動(dòng)作中以翻桶提升機(jī)構(gòu)最為關(guān)鍵，負(fù)責(zé)桶裝垃圾的頻繁裝載作業(yè)（滿載時(shí)可裝載60桶240 L垃圾）。該機(jī)構(gòu)能否平穩(wěn)、安全、可靠的運(yùn)行，將直接影響到上裝的整體性能。翻桶提升機(jī)構(gòu)的組成及液壓系統(tǒng)原理如圖1、圖2所示。其工作原理是翻桶油缸驅(qū)動(dòng)提升架，提升架的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)拉桿和滑動(dòng)架，使支撐架和提桶架沿導(dǎo)軌先上行和后翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)架上升到其上的掛桶板與垃圾桶前邊緣接觸，提桶架壓緊垃圾桶的上邊緣，繼續(xù)上行到軌道彎弧處，提桶架在提升架、拉桿、滑動(dòng)架、支撐架的共同作用下，將沿復(fù)合軌跡向上翻轉(zhuǎn)，從而將垃圾桶內(nèi)的垃圾傾倒至收集車箱內(nèi)。隨提升架一起運(yùn)動(dòng)的擋桶架其作用在于防止垃圾桶因慣性前翻造成損壞。

圖1 翻桶提升機(jī)構(gòu)（垃圾桶初始狀態(tài)）

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2.2 作業(yè)時(shí)間校核計(jì)算

2.2.1 翻桶提升機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的確定

查閱有關(guān)車輛技術(shù)資料，根據(jù)該產(chǎn)品型號(hào)以及采用的底盤型號(hào)，確定其底盤發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、PTO轉(zhuǎn)速和變速箱取力器的速比等相關(guān)參數(shù)（如表1）。

表1 翻桶提升機(jī)構(gòu)校核計(jì)算相關(guān)參數(shù)

2.2.2 齒輪油泵相關(guān)性能參數(shù)的確定

分析車輛上裝液壓系統(tǒng)原理，確定液壓油泵的規(guī)格型號(hào)CBN-F525-BFHL，并查閱供應(yīng)廠家的樣本，可計(jì)算得出表1中齒輪油泵的相關(guān)性能參數(shù)。相關(guān)的齒輪油泵流量Qj的計(jì)算公式為：

式中，q為泵或馬達(dá)的幾何排量，取q=25 mL/r；取力器速比i=1.5；n為轉(zhuǎn)速（n=nj/i），令n1為PTO設(shè)定油門加速的轉(zhuǎn)速（取n1=1 500 r/min），令n2為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速（取n2=800 r/min）。

由式（1）可計(jì)算出PTO的齒輪泵流量Q1=23 L/min。同理，怠速的齒輪泵流量Q2=12.27 L/min。

2.2.3 翻桶提升機(jī)構(gòu)油缸動(dòng)作及個(gè)數(shù)的確定

通過對(duì)液壓油泵的流量計(jì)算，可確定對(duì)應(yīng)的翻桶提升機(jī)構(gòu)油缸動(dòng)作及個(gè)數(shù)，進(jìn)行流量分配。

由圖2可知：翻桶缸桿伸出，提升機(jī)構(gòu)上行；翻桶缸桿縮回，對(duì)應(yīng)提升機(jī)構(gòu)下落；翻桶油缸呈左右對(duì)稱成對(duì)使用，每只油缸流量各占1/2。

2.2.4 翻桶提升機(jī)構(gòu)油缸參數(shù)的確定

翻桶油缸參數(shù)如表2所示，對(duì)油缸無桿腔和有桿腔截面積進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)油缸的速度和流量公式，推導(dǎo)出翻桶油缸驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)時(shí)間。

a.液壓缸速度V的關(guān)系式

式中，Q為液壓缸流量，L/min。

b.液壓缸流量Q的關(guān)系式

式中，V為液壓缸速度，m/min；S為液壓缸行程，m；t為液壓缸往返時(shí)間，s。

c.油缸活塞桿伸出和縮回時(shí)間t的關(guān)系式

由式（3）得出：

d.翻桶上翻t1和下翻時(shí)間t2的關(guān)系式

PTO在油門加速狀態(tài)下（Q1=23 L/min，兩只油缸成對(duì)使用，每只油缸流量各占1/2）。由式（5）和式（6）可得，翻桶上翻時(shí)間：t1=6A1×S/(Q1/2)=6.02 s；翻桶下翻時(shí)間：t2=6A2×S/(Q1/2)=3.59 s。

同理，在怠速狀態(tài)下（Q2=12.27 L/min，每只油缸流量各占1/2），t1=6 A1×S/(Q2/2)=11.28 s；t2=6A2×S/(Q2/2)=6.73 s。

2.2.5 實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

將怠速與油門加速狀態(tài)下的作業(yè)時(shí)間與實(shí)際參數(shù)對(duì)照，確定能否滿足實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性要求。

由表1翻桶機(jī)構(gòu)動(dòng)作數(shù)據(jù)可知，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果十分相近，完全可根據(jù)理論值作為車輛專用機(jī)構(gòu)參數(shù)依據(jù)。根據(jù)實(shí)際操作，翻桶下落速度不能太快，否則容易損壞垃圾桶，故在其回路上設(shè)置有單向節(jié)流閥，以調(diào)節(jié)到滿意的速度要求。需要指出的是，為提高工作可靠性，適宜低速作業(yè)；為提高車輛經(jīng)濟(jì)性，降低使用運(yùn)行成本，翻桶機(jī)構(gòu)作業(yè)適宜在怠速狀態(tài)下進(jìn)行。

綜合考慮，實(shí)際上翻桶上升時(shí)間在12 s左右，翻桶下落時(shí)間在7 s左右最為理想。

2.3 液壓力校核計(jì)算

在專用汽車的設(shè)計(jì)過程中，除了要對(duì)機(jī)械和結(jié)構(gòu)件做出正確的設(shè)計(jì)外，為動(dòng)作提供動(dòng)力的液壓件同樣需要做好選型和設(shè)計(jì)。故對(duì)翻桶提升機(jī)構(gòu)在各工作狀態(tài)下進(jìn)行受力分析，分別計(jì)算翻桶提升機(jī)構(gòu)在提升垃圾桶、翻轉(zhuǎn)垃圾桶、垃圾桶翻轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)的油缸推力，找出機(jī)構(gòu)受力最大的狀態(tài)點(diǎn)與系統(tǒng)設(shè)定的壓力對(duì)比，從而校核出液壓系統(tǒng)的選擇是否合理。

2.3.1 提升垃圾桶時(shí)的液壓力校核計(jì)算

在本實(shí)例中，各實(shí)體質(zhì)量設(shè)置為：M1=100 kg（垃圾含塑料垃圾桶[4]），M2=26.79 kg（提升架），M3=25.70 kg（滑動(dòng)架），M4=11.79 kg（支撐架），單個(gè)M5=7.30 kg（拉桿），M6=74.98 kg（提升架）。各機(jī)構(gòu)總成質(zhì)點(diǎn)位置由三維軟件計(jì)算得出，最大系統(tǒng)工作壓力為16 MPa。

為便于后面的受力分析及力矩計(jì)算簡潔，根據(jù)機(jī)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將提升架和滑動(dòng)架的質(zhì)量和用M7表示，即M7=M2+M3；將垃圾、提升架、滑動(dòng)架和支撐架的質(zhì)量和用M0表示，即M0=M1+M2+M3+M4。

相應(yīng)的各重力變量設(shè)置為：G1（垃圾），G2（提升架），G3（滑動(dòng)架），G4（支撐架），G5（拉桿），G6（提升架）；令G0=G1+G2+G3+G4，G7=G2+G3。

G=M×g[1]相應(yīng)的各作用力設(shè)置為：F1（拉桿拉力）；F2（油缸推力）；F1＇（提升架拉力）；F0（滑動(dòng)架作用于拉桿的水平推力）。

各鉸接點(diǎn)設(shè)置為：A（拉桿與提升架旋轉(zhuǎn)點(diǎn)）；B（提升架與箱體焊合連接處旋轉(zhuǎn)點(diǎn)）；C（提桶架前滾輪旋轉(zhuǎn)點(diǎn)）。

垃圾桶初始位置時(shí)（如圖1）：翻桶油缸缸桿閉合，提桶架、支撐架及滑動(dòng)架位于導(dǎo)軌最下端，垃圾桶未接觸到滑動(dòng)架上的掛桶板。

垃圾桶剛開始被提升時(shí)（如圖3），翻桶油缸缸桿伸出一段距離，提桶架、支撐架位于導(dǎo)軌最下端，滑動(dòng)架上升到其上的掛桶板與垃圾桶接觸，受力分析如下。

圖3 垃圾桶提升示意圖

首先，以提升拉桿為研究對(duì)象，對(duì)拉桿與提升架轉(zhuǎn)臂連接處求轉(zhuǎn)矩，拉桿力矩分析示意圖如圖4所示。

圖4 垃圾桶提升時(shí)拉桿力矩分析示意圖

對(duì)旋轉(zhuǎn)A點(diǎn)求轉(zhuǎn)矩（L0:G0、L1:F0、L5:G5分別是對(duì)旋轉(zhuǎn)A點(diǎn)的力臂）：

由力矩平衡關(guān)系：F0×L1=G5×L5+G0×L0F0×1 861=G5×59+G0×121，可得，F(xiàn)0=109.21 N。

故可由拉桿受力三角形圖求出提升轉(zhuǎn)架對(duì)拉桿的拉力F1=1470.8 N，同時(shí)由角度0.329°可以看出拉桿本身重力對(duì)拉桿兩端的力來說很小，可以簡化視為二力桿。

其次，以提升架為研究對(duì)象，對(duì)提升架與箱體焊合連接處求轉(zhuǎn)矩，提升架力矩分析示意圖如圖5所示。

圖5 垃圾桶提升時(shí)提升架力矩分析圖

對(duì)旋轉(zhuǎn)B點(diǎn)求轉(zhuǎn)矩（L6＇:G6、L2＇:F1＇、L:F2分別是對(duì)旋轉(zhuǎn)B點(diǎn)的力臂）：

F1＇=F1

G6=M6×g=74.98×9.8=734.804 N

由力矩平衡關(guān)系：

F2×L=G6×L6＇+F1＇×L2＇

在圖5實(shí)施例中：L=198 mm，L6＇=510 mm，L2＇=1 324 mm。

推得F2=11.728 kN，故單個(gè)翻桶油缸的推力為：F=F2/2=5.86 kN。

由翻桶缸徑63 mm，無桿腔截面積A1=πD2/4=3 115.67 mm2，可得垃圾桶剛開始提升時(shí)單個(gè)油缸的壓力為：P=F/A1=1.882 MPa[2]。

2.3.3 翻轉(zhuǎn)垃圾桶時(shí)的液壓力校核計(jì)算

a.垃圾桶即將翻轉(zhuǎn)時(shí)（如圖6）翻桶油缸的的液壓力校核方法如下。對(duì)提桶架前滾輪旋轉(zhuǎn)點(diǎn)C求力矩，其力矩分析示意圖如圖7所示。

圖6 垃圾桶即將翻轉(zhuǎn)時(shí)示意圖

圖7 提桶架前滾輪旋轉(zhuǎn)點(diǎn)力矩分析

對(duì)旋轉(zhuǎn)C點(diǎn)求轉(zhuǎn)矩（L＂:F1、L1＂:G1、L4＂:G4、L7＂:G7分別是對(duì)旋轉(zhuǎn)C點(diǎn)的力臂）：

在圖6中，G1=M1×g=980 N，G7=(M2+M4)×g=514.363 N，G3=M3×g=115.542 N；L＂=96 mm，L1＂=577 mm，L7＂=259 mm，L4＂=215 mm。

由力矩平衡關(guān)系：

F1×L1＂=G1×L1＂+G7×L7＂+G4×L4＂

推得拉桿拉力：F1=7 536.683 N。

b.以提升架為研究對(duì)象，對(duì)提升架與箱體焊合連接處旋轉(zhuǎn)點(diǎn)B求轉(zhuǎn)矩，其力矩分析示意圖如圖8所示。

圖8 垃圾桶即將翻轉(zhuǎn)時(shí)提升架力矩分析圖

對(duì)旋轉(zhuǎn)B點(diǎn)求轉(zhuǎn)矩（L:F2、L1＇:F1＇、L5＇:G5、L6＇:G6分別是對(duì)旋轉(zhuǎn)B點(diǎn)的力臂）：

在圖8中G拉桿=2 M5×g=143.08 N，G6=M6×g=74.98×9.8=734.804 N，F(xiàn)1＂=F1=7 536.683 N,L=163 mm，L5＇=848mm，L6＇=92 mm，L1＇=976 mm

由力矩平衡關(guān)系：

F2×L=G5×L5＇+G6×L6＇+F1＇×L1＇

推得F2=46 286.726 N，故單個(gè)翻桶油缸的推力F=23 143.363 N。

由翻桶缸截面積A1=πD2/4，可得垃圾桶翻轉(zhuǎn)時(shí)單個(gè)油缸的壓力為：

P=F/A1=7.428 MPa

2.3.4 垃圾桶翻轉(zhuǎn)至一定角度時(shí)的液壓力校核計(jì)算

垃圾桶翻轉(zhuǎn)至一定角度時(shí)（如圖9），翻桶油缸的的液壓力校核方法如下。

圖9 垃圾桶翻轉(zhuǎn)到31°時(shí)提升架力矩分析圖

圖9中：L＂=227 mm，L1＂=691 mm，L7＂=355 mm，L4＂=236 mm，L=153 mm，L5＇=838 mm，L6＇=45 mm，L1＇=1 019 mm

同理，按章節(jié)2.3.3步驟方法計(jì)算，以旋轉(zhuǎn)點(diǎn)C求力矩。

由力矩平衡關(guān)系：

F1×L＂=G1×L1＂+G7×L7＂+G4×L4＂

推得F1=3 907.695 N

以旋轉(zhuǎn)點(diǎn)B求力矩：

F2×L=G5×L5＇+G6×L6＇+F1＇×L1＇

推得F2=27 025.545 N，F(xiàn)=13 512.773 N。

由翻桶缸截面積A1=πD2/4可得垃圾桶翻轉(zhuǎn)到某一角度狀態(tài)單個(gè)油缸的壓力為：

P=F2/A1=4.337 MPa

2.3.5 垃圾桶翻轉(zhuǎn)至最大角度時(shí)的液壓力校核計(jì)算

垃圾桶翻轉(zhuǎn)到最大角度時(shí)（如圖10），求翻桶油缸的壓力。

此時(shí)，圖10為翻桶油缸最大行程的提升架力矩分析圖。同理，按章節(jié)2.3.3步驟方法計(jì)算。

圖10中：L＂=350 mm，L1＂=33 mm，L7＂=92 mm，L4＂=193 mm

圖10 垃圾桶翻轉(zhuǎn)到最大角度（47°）狀態(tài)

L=79 mm，L5＇=347 mm，L6＇=236 mm，L1＇=844 mm。以旋轉(zhuǎn)點(diǎn)C求力矩。

由力矩平衡關(guān)系：

F1×L＂=G1×L1＂+G7×L7＂+G4×L4＂

推得F1=291.317 N。

以旋轉(zhuǎn)點(diǎn)B求力矩：

F2×L=G5×L5＇+F1×L1＇－G6×L6＇

推得，F(xiàn)2=1 545.653 N，F(xiàn)=772.826 N。

由翻桶缸截面積：A1=πD2/4，可得垃圾桶翻轉(zhuǎn)到某一角度狀態(tài)單個(gè)油缸的壓力為：

P=F/A1=0.248 MPa

綜上所述，垃圾桶剛開始提升時(shí)翻桶油缸壓力為1.882 MPa，垃圾桶即將翻轉(zhuǎn)時(shí)，翻桶油缸壓力為7.428 MPa，當(dāng)垃圾桶翻轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，翻桶油缸的壓力為4.337 MPa，當(dāng)翻桶翻到最大角度時(shí)，翻桶油缸的壓力為0.248 MPa，可見翻桶即將翻轉(zhuǎn)狀態(tài)油缸壓力最大，翻轉(zhuǎn)到最大角度時(shí)油缸壓力最小。液壓系統(tǒng)設(shè)定的最大工作壓力為16 MPa（約為實(shí)際作業(yè)時(shí)的2倍），故滿足提升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)要求。

2.3.6 翻桶油缸的缸徑最小值校核計(jì)算

由上分析，當(dāng)F最大時(shí)（F=23 143.363 N），此時(shí)系統(tǒng)壓力最大，允許的油缸缸徑最小值可由：P=F缸/A，A=πD2/4；推出D2=4F缸/(Pπ)，即D=43 mm；若選缸徑為50 mm油缸，通過上述方法計(jì)算，怠速狀態(tài)下，翻桶上升和下落的時(shí)間分別為7.1 s，2.6 s；可見翻桶下落時(shí)間較快，不利于實(shí)際作業(yè)操作，在油門加速狀態(tài)下速度將更快，這是不可行的。本實(shí)例翻桶油缸缸徑為63 mm，則可滿足液壓機(jī)構(gòu)作業(yè)要求。同時(shí)，結(jié)合其他車型的通用性和油缸配套廠家批量生產(chǎn)一致性的要求，進(jìn)行優(yōu)選現(xiàn)有車型油缸標(biāo)配參數(shù)，以提高油缸參數(shù)通用化，并可節(jié)約油缸制造或采購成本。

同理依此可進(jìn)行液壓系統(tǒng)其他機(jī)構(gòu)的校核計(jì)算，如本實(shí)例中液壓后門及多級(jí)推鏟油缸的校核計(jì)算。液壓后門校核計(jì)算需分別對(duì)后門即將開啟、后門開啟到最大角度、后門閉合鎖緊時(shí)的3種狀態(tài)進(jìn)行受力分析；多級(jí)推鏟油缸的校核計(jì)算需要對(duì)各級(jí)油缸，根據(jù)缸徑、桿徑及行程進(jìn)行受力分析，逐級(jí)計(jì)算；對(duì)應(yīng)求出各狀態(tài)的油缸壓力，與液壓系統(tǒng)壓力進(jìn)行比較，以便校核判斷后門與推鏟油缸能否滿足作業(yè)要求；從而保證整個(gè)液壓系統(tǒng)匹配協(xié)調(diào)，更好地滿足性能要求。

3 結(jié)語

通過對(duì)翻桶提升機(jī)構(gòu)受力分析和液壓系統(tǒng)配置的參數(shù)進(jìn)行校核計(jì)算，得出了翻桶提升機(jī)構(gòu)裝載作業(yè)速度或時(shí)間的計(jì)算結(jié)果，對(duì)如何提高工作效率以驗(yàn)證液壓元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的匹配合理性，并優(yōu)選液壓元件以滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，避免配置間的不足和過?，F(xiàn)象，提供了一種實(shí)用有效的理論校核計(jì)算方法。該種方法目前已廣泛應(yīng)用于桶裝自裝卸式垃圾車、餐廚垃圾車收集裝置的受力分析和液壓系統(tǒng)校核計(jì)算之中。