一種壓縮式垃圾車的壓縮循環(huán)冗余控制技術(shù)

摘要：探討了一種創(chuàng)新的應(yīng)用于垃圾車的壓縮循環(huán)冗余控制技術(shù)，詳細(xì)介紹其原理、實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用前景，以期為垃圾車的上裝可靠性、安全性提供理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施與應(yīng)用，可以有效降低垃圾車由于工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致接近開(kāi)關(guān)傳感器失效，從而引起的上裝壓縮循環(huán)功能失效，提升垃圾車的上裝可靠性，降低專用車廠家因該類微小故障而導(dǎo)致的大額售后成本。

關(guān)鍵詞：壓縮循環(huán)；冗余控制；開(kāi)關(guān)模式；壓力模式；時(shí)間模式

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2024-10-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.013

1 前言

隨著城鎮(zhèn)化及環(huán)衛(wèi)作業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，生活垃圾清運(yùn)、固廢清運(yùn)主要是通過(guò)可以自裝卸式垃圾車從小區(qū)收集清運(yùn)，或由壓縮式垃圾車在主干道收運(yùn)或轉(zhuǎn)運(yùn)到壓縮站。這兩類車型是市場(chǎng)上最常見(jiàn)的帶垃圾壓縮功能的垃圾車。壓縮循環(huán)功能是這兩類垃圾車的核心功能，直接關(guān)系到車輛的垃圾裝載量及收運(yùn)效率。

目前市場(chǎng)上垃圾車的壓縮功能控制，通常是基于接近開(kāi)關(guān)傳感器檢測(cè)位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的連續(xù)控制。一旦接近開(kāi)關(guān)傳感器故障或失效，就會(huì)導(dǎo)致垃圾車壓縮循環(huán)功能喪失，造成環(huán)衛(wèi)工人無(wú)法及時(shí)完成垃圾收運(yùn)。

由于垃圾收運(yùn)通常在凌晨進(jìn)行，一旦車輛故障，車輛生產(chǎn)廠家很難做到及時(shí)響應(yīng)處理故障，這給車輛生產(chǎn)廠家?guī)?lái)很大售后服務(wù)壓力。加之垃圾車工作條件比較惡劣，接近開(kāi)關(guān)的故障率居高不下；同時(shí)接近開(kāi)關(guān)傳感器本身檢測(cè)的是運(yùn)動(dòng)部件的位置，容易因松動(dòng)、移位導(dǎo)致傳感器未正常感應(yīng)，也會(huì)造成壓縮循環(huán)功能喪失，導(dǎo)致車輛無(wú)法正常作業(yè)。

當(dāng)前垃圾車生產(chǎn)廠家主要是通過(guò)采用進(jìn)口接近開(kāi)關(guān)，來(lái)降低接近開(kāi)關(guān)故障率，既帶來(lái)了成本上的提升，也無(wú)法從根本上解決接近開(kāi)關(guān)容易失效及帶來(lái)整車壓縮功能失效的技術(shù)困境。

2 壓縮循環(huán)冗余控制技術(shù)的原理

圖1所示為自裝卸式垃圾車及壓縮式垃圾車。壓縮式垃圾車的壓縮循環(huán)通常是基于位置控制模式，采用接近開(kāi)關(guān)判斷動(dòng)作執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作的循環(huán)往復(fù)[1]。一旦接近開(kāi)關(guān)故障失效或移位導(dǎo)致無(wú)法感應(yīng)，動(dòng)作就會(huì)中斷或異常，造成整車功能的失效。

2.1 位置控制方法（M1）

當(dāng)前主流的壓縮式垃圾車，滑板油缸多才采用內(nèi)置于填裝器的方式[2-3]，這類垃圾車普遍的壓縮循環(huán)控制方法（簡(jiǎn)稱位置控制方法，假設(shè)為M1）的原理描述如下：

a.執(zhí)行刮板打開(kāi)，刮板打開(kāi)到位接近開(kāi)關(guān)傳感器觸發(fā)，停止執(zhí)行刮板打開(kāi)，執(zhí)行下一動(dòng)作。

b.執(zhí)行滑板伸出，滑板伸出到位接近開(kāi)關(guān)傳感器觸發(fā)，停止執(zhí)行滑板伸出，執(zhí)行下一動(dòng)作。

c.執(zhí)行刮板閉合，刮板閉合到位接近開(kāi)關(guān)傳感器觸發(fā)，停止執(zhí)行刮板閉合，執(zhí)行下一動(dòng)作。

d.執(zhí)行滑板縮回，滑板縮回到位接近開(kāi)關(guān)傳感器觸發(fā)，停止執(zhí)行滑板縮回，單次循環(huán)結(jié)束。若是連續(xù)/多次循環(huán)，則不停止循環(huán)，回到第一步，重復(fù)循環(huán)。

在上述位置控制方法（M1）的基礎(chǔ)上，提出了兩種新的控制方法，可簡(jiǎn)稱為壓力控制方法（M2）、時(shí)間控制方法（M3），三種控制方法可組合成多種冗余控制方法組合（如M1M2M3，M1M2，M1M3，M2M3）。因?yàn)镸1方法是基于位置傳感器進(jìn)行判定，最為直接準(zhǔn)確，因此該方法優(yōu)先級(jí)最高；M2方法是間接傳感器判定，優(yōu)先級(jí)次之；M3方法是基于時(shí)間判定，場(chǎng)景適用性最低，優(yōu)先級(jí)也最低，但實(shí)現(xiàn)成本也是最低。

2.2 壓力控制方法（M2）

在原有位置控制方法基礎(chǔ)上，增加一個(gè)液壓壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)壓縮循環(huán)過(guò)程中動(dòng)作的液壓壓力，當(dāng)各個(gè)動(dòng)作執(zhí)行到位后，若還繼續(xù)給執(zhí)行命名，液壓系統(tǒng)將會(huì)憋壓（壓力持續(xù)提升），壓力達(dá)到卸荷壓力設(shè)定值，液壓系統(tǒng)就會(huì)卸壓，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自我保護(hù)。假定整個(gè)垃圾車液壓系統(tǒng)卸荷壓力出廠設(shè)置為P1（如16 MPa），根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)及壓縮力要求，將壓縮循環(huán)動(dòng)作執(zhí)行到位的判定壓力設(shè)為P2（如14 MPa）。因壓力控制方法是對(duì)位置控制方法的補(bǔ)充，在動(dòng)作到位判定壓力P2值的設(shè)定上，因遵循P2大于基于位置控制時(shí)動(dòng)作執(zhí)行到位即將停止的液壓壓力P3（如8 MPa）的原則，但P2須小于等于P1。

壓力控制方法的具體實(shí)現(xiàn)方式為：

a.執(zhí)行刮板打開(kāi)，刮板打開(kāi)到位壓力監(jiān)測(cè)值達(dá)到P2，則停止執(zhí)行刮板打開(kāi)動(dòng)作，執(zhí)行下一動(dòng)作。

b.執(zhí)行滑板伸出，滑板伸出到位壓力監(jiān)測(cè)值達(dá)到P2，則停止執(zhí)行滑板伸出動(dòng)作，執(zhí)行下一動(dòng)作。

c.執(zhí)行刮板閉合，刮板閉合到位壓力監(jiān)測(cè)值達(dá)到P2，則停止執(zhí)行刮板閉合，執(zhí)行下一動(dòng)作。

d.執(zhí)行滑板縮回，滑板縮回到位壓力監(jiān)測(cè)值達(dá)到P2，則停止執(zhí)行滑板縮回，單次循環(huán)結(jié)束；若是連續(xù)/多次循環(huán)，則不停止壓縮循環(huán)，回到第一步，重復(fù)循環(huán)。

2.3 時(shí)間控制方法（M3）

在原有位置控制方法基礎(chǔ)上，不增加任何傳感器，只需在程序里基于壓縮循環(huán)4個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行時(shí)間，增加4個(gè)計(jì)時(shí)器Timer1～Timer4用于動(dòng)作到位控制。假定基于位置控制法中，刮板打開(kāi)動(dòng)作從起點(diǎn)到傳感器觸發(fā)的時(shí)間為T1（如6 s）；滑板伸出動(dòng)作從起點(diǎn)到傳感器觸發(fā)的時(shí)間為T2（如10 s）；刮板閉合動(dòng)作從起點(diǎn)到傳感器觸發(fā)的時(shí)間為T3（如8 s）；滑板收回動(dòng)作從起點(diǎn)到傳感器觸發(fā)的時(shí)間為T4（如12 s）。因時(shí)間控制方法是對(duì)位置控制方法的補(bǔ)充，其4個(gè)計(jì)時(shí)器Timer的設(shè)置，應(yīng)遵循Time1≥T1，Timer2≥T2，Timer3≥T3，Timer4≥T4，這樣才能在（或處于）時(shí)間模式下保證壓縮循環(huán)各個(gè)動(dòng)作能夠執(zhí)行到位。

時(shí)間控制方法的具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

a.執(zhí)行刮板打開(kāi)，持續(xù)的時(shí)間達(dá)到判定到位計(jì)時(shí)器Timer1，認(rèn)為動(dòng)作到位，停止執(zhí)行刮板打開(kāi)動(dòng)作，執(zhí)行下一動(dòng)作。

b.執(zhí)行滑板伸出，持續(xù)的時(shí)間達(dá)到判定到位計(jì)時(shí)器Timer2，認(rèn)為動(dòng)作到位，停止執(zhí)行滑板伸出動(dòng)作，執(zhí)行下一動(dòng)作。

c.執(zhí)行刮板閉合，持續(xù)的時(shí)間達(dá)到判定到位計(jì)時(shí)器Timer3，認(rèn)為動(dòng)作到位，停止執(zhí)行刮板閉合，執(zhí)行下一動(dòng)作。

d.執(zhí)行滑板縮回，持續(xù)的時(shí)間達(dá)到判定到位計(jì)時(shí)器Timer4，認(rèn)為動(dòng)作到位，停止執(zhí)行滑板縮回，單次循環(huán)結(jié)束；若是連續(xù)/多次循環(huán)，則不停止壓縮循環(huán)，回到第一步，重復(fù)循環(huán)。

3 壓縮循環(huán)冗余控制技術(shù)實(shí)施方案

本技術(shù)方案提出的垃圾車壓縮循環(huán)的冗余控制方法是以上三種方法的組合，以M1M2M3這種全集組合為例，進(jìn)行原理闡述。前面提到M1方法優(yōu)先級(jí)最高，M2方法優(yōu)先級(jí)次之，M3方法優(yōu)先級(jí)最低。其執(zhí)行原理決定了壓縮循環(huán)的效率，以表1為例來(lái)闡述如何通過(guò)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)三種控制方法之間的冗余控制。

從表1可以看出，方法M1的效率最高，壓縮循環(huán)總時(shí)間為36 s，其中各個(gè)動(dòng)作時(shí)間為位置開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)的真實(shí)時(shí)間及壓力，以實(shí)車標(biāo)定為準(zhǔn)?；贛1方法控制壓縮循環(huán)時(shí)，其動(dòng)作到位時(shí)的壓力、耗時(shí)均是最低、最小的。而M2、M3根據(jù)控制優(yōu)先級(jí)，在M1的壓力、時(shí)間參數(shù)上進(jìn)行配置，確保當(dāng)M1方法失效時(shí)，M2優(yōu)先觸發(fā)；M1、M2方法都失效時(shí)，M3方法才會(huì)觸發(fā)。

基于以上壓縮循環(huán)冗余控制方法，當(dāng)垃圾車在凌晨作業(yè)時(shí)，因?yàn)榻咏_(kāi)關(guān)傳感器故障或移位導(dǎo)致無(wú)法有效感應(yīng)位置，M1方法失效時(shí)，M2或M3方法仍可以有效接管壓縮循環(huán)控制，保證垃圾車能夠完成有效作業(yè)，而不是徹底癱瘓，雖然壓縮循環(huán)效率有所下降。壓縮循環(huán)冗余控制方法邏輯如圖2所示。

以上狀態(tài)矩陣，說(shuō)明壓縮循環(huán)的第1步刮板打開(kāi)、第2步滑板伸出都是基于M1控制方法實(shí)現(xiàn)的，對(duì)應(yīng)兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)是正常的；第3步刮板閉合，是基于M2控制方法實(shí)現(xiàn)的，接近開(kāi)關(guān)位置到位未觸發(fā)（當(dāng)垃圾裝載過(guò)多，液壓力不足，讓刮板無(wú)法閉合到位）；第4步滑板縮回，是基于M3控制方法實(shí)現(xiàn)的，M1、M2均未能生效，故接近開(kāi)關(guān)位置到位未觸發(fā)，壓力判定也未觸發(fā)，最后是Timer4時(shí)間判定觸發(fā)了。

以上狀態(tài)矩陣說(shuō)明第1步刮板打開(kāi)是基于M3時(shí)間控制方法實(shí)現(xiàn)的，刮板打開(kāi)到位接近開(kāi)關(guān)未能正常觸發(fā)，若這種現(xiàn)象是偶發(fā)，說(shuō)明液壓系統(tǒng)存在異常，導(dǎo)致偶發(fā)無(wú)法打開(kāi)到位；若某個(gè)接近開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期未能正常觸發(fā)，說(shuō)明接近開(kāi)關(guān)已經(jīng)故障或移位（無(wú)法感應(yīng)到）。

通過(guò)以上壓縮循環(huán)冗余控制方法組合，可以有效地解決完全依賴接近開(kāi)關(guān)傳感器進(jìn)行壓縮循環(huán)控制的弊端，依靠冗余控制防范組合衍生出的壓縮循環(huán)狀態(tài)矩陣，還能輔助我們進(jìn)行接近開(kāi)關(guān)故障診斷。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)接近開(kāi)關(guān)這種開(kāi)關(guān)量傳感器故障，是無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程有效診斷，本技術(shù)方案提出的狀態(tài)矩陣是一種有效的診斷方案。上裝控制器可以通過(guò)對(duì)該狀態(tài)矩陣進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)接近開(kāi)關(guān)故障的判斷。

4 壓縮循環(huán)冗余控制技術(shù)的應(yīng)用前景

目前環(huán)衛(wèi)專用車正在進(jìn)行新能源化替代，底盤電動(dòng)化的同時(shí)，上裝功能智能化、信息化的技術(shù)趨勢(shì)也日益明顯。本文提出的垃圾車壓縮循環(huán)的冗余控制方法，具備多種組合的靈活性、低成本（增加一個(gè)壓力傳感器的壓力控制方法）或無(wú)成本（時(shí)間控制方法）的特點(diǎn)，同時(shí)為垃圾車的接近開(kāi)關(guān)傳感器故障診斷提供了一種思路，在新能源壓縮式垃圾車、自裝卸式垃圾車（圖3～圖4）上均能很好地應(yīng)用，有助于提升新能源垃圾車上裝可靠性和智能化水平。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)垃圾車的壓縮循環(huán)基于位置控制方法的原理進(jìn)行了闡述，提出了基于壓力控制方法、時(shí)間控制方法的實(shí)現(xiàn)模式，并基于上述三種方法以組合的方式實(shí)現(xiàn)冗余控制，以一種低成本的方式，有效解決接近開(kāi)關(guān)傳感器失效而引起的上裝壓縮循環(huán)功能失效，從而提升垃圾車上裝的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

李勝，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)檎囍悄芫W(wǎng)聯(lián)控制技術(shù)。