壓縮式垃圾車推鏟背壓回路改進分析

黃磊 李林 李文芳 金先進

長沙普羅科環境裝備有限責任公司 湖南長沙 410100

1 前言

國內大中型壓縮式垃圾車一般是基于雙向壓縮原理均勻壓實垃圾的，在垃圾壓填過程中，刮板和滑板通過油缸驅動從后端把垃圾擠入垃圾箱內，推鏟從前端保持一定的背壓，從而使垃圾兩頭受壓；當刮、滑板的壓縮力克服垃圾移動時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、逐漸填滿箱體。影響壓縮式垃圾車壓縮性能的決定因素是推鏟的適時背壓力[1]，市場上主流的壓縮車一般采用順序閥回路來控制推鏟的背壓力[2]，或在順序閥回路上增加阻尼孔，通過阻尼孔來調節背壓力[3]；但由于阻尼孔易于堵塞、背壓與流量存在相關的問題，也有部分車型采用溢流閥和電磁閥來控制背壓[4]。理論上講，垃圾應充分壓實，均勻地充滿整個垃圾箱；但很多車輛實際運行過程中存在壓縮比小、壓不實的情況，達不到額定裝載量，造成作業次數增加、轉運成本高的經濟問題。因此，有必要針對推鏟背壓回路的特性，深入分析垃圾的實際受力狀態，找出虧載原因，并尋求相應解決方案。

2 常規推鏟背壓回路分析

2.1 工作原理

以市場上主流的8t美系壓縮式垃圾車為例，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。當滑板剛開始提升時，順序閥未開啟，推鏟機構背壓逐漸上升，垃圾逐漸被壓縮。當滑板油缸有桿腔壓力達到順序閥調定壓力后，順序閥開啟，使得推鏟油缸無桿腔與油箱連通，在滑板油缸提升力的作用下，推鏟油缸收縮，推鏟機構后退[2]。

圖1 常規車型推鏟背壓回路

2.2 力學分析

垃圾壓填過程中，主要存在三個作用力：滑板油缸的上行壓縮力FH、推鏟油缸的背壓力FT、垃圾移動時的膨脹摩擦力Ff，垃圾在填裝擠壓過程中的受力情況如圖2所示。當箱體剛開始壓入垃圾時，垃圾量較少，故Ff較小，此時，滑板油缸的水平壓縮分力FX主要由推鏟油缸承受；當滑板油缸的工作壓力未達到順序閥設定壓力時，推鏟油缸通過過載閥卸荷，推鏟油缸的背壓力FT由其過載閥限制。隨著垃圾的裝填，推動垃圾移動所需克服的膨脹摩擦力Ff增大，滑板油缸的工作壓力上升。當滑板油缸的工作壓力達到順序閥設定壓力時，順序閥開啟，推鏟油缸此時通過順序閥卸荷，推鏟油缸提供的背壓力FT開始降低。當繼續壓入垃圾時，滑板油缸工作壓力有上升的趨勢，會導致順序閥開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定壓力處。

圖2 壓縮機構的受力分析圖

各主要作用力的簡化力學表達式和約束方程如下：

滑板油缸對垃圾的水平壓縮分力Fx：

向前壓縮推進垃圾的力學條件：

推鏟油缸的第三級油缸在順序閥未開啟時提供的背壓力FT0：

滑板油缸的工作壓力達到順序閥設定壓力時提供的水平壓縮力Fx0：

由于順序閥的特性，滑板油缸的工作壓力在達到順序閥設定壓力后維持不變，而推鏟油缸的背壓力則進行隨動變化：

公式中引用的參數如表1所示。

表1 美系8t壓縮車參數表

根據上述約束方程和計算，對主要作用力和滑板油缸壓力變化曲線進行擬合，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 存在的問題

通過對圖3分析可知：a. 推鏟油缸第3級缸由于缸徑限制，所能提供的背壓力較小，導致最前端裝入的垃圾壓實度不高；b. 在中后段，滑板油缸的工作壓力只用到順序閥設定壓力值12 MPa左右，只有系統壓力的75%，滑板油缸的提升力未充分利用。

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

3 改進后的推鏟背壓回路

針對上述問題，對常規的推鏟背壓回路進行改進，在順序閥主油路上增加了設定值為3 MPa的背壓閥，如圖4所示。由于背壓閥的存在，當順序閥在滑板油缸上行、憋壓情況下開度增大或全開時，推鏟油缸仍能提供一定的背壓力，減少推鏟無背壓回退情況；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，故而相應地增大了滑板油缸的上行壓縮力，從而將垃圾壓實，顯著增加了垃圾裝載量。簡易計算如下所示。

推鏟油缸的第一級油缸提供的背壓力FT：

結合式（1）～（6），針對改進后回路，對主要作用力和滑板油缸壓力變化曲線進行擬合，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前提升，滑板油缸對系統壓力的利用率接近100%。

圖4 改進后的推鏟背壓回路

圖5 改進后的力學曲線圖

4 國外推鏟背壓回路介紹

根據歐洲環衛車廠家的實踐研究，對于分類垃圾的壓縮收集，推鏟的背壓并非越高越好；有機垃圾、無機垃圾、紙、建筑垃圾、玻璃、煤灰、皮革等，其可變形、可壓縮性、潤滑程度、比重等特性是不同的，為達到最大壓縮量，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動態調節推鏟的背壓，回路原理如圖6所示。滑板油缸小腔連接有壓力傳感器，檢測滑板油缸上行時的工作壓力和負荷情況，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油單向閥；推鏟在壓縮方向上被強壓后退時，推鏟油缸的無桿腔可通過比例溢流閥產生背壓并卸荷，有桿腔可通過單向閥補油。

圖6 歐洲壓縮車的推鏟背壓回路

具體工作原理如下：a. 開環控制：針對不同種類的垃圾收集，直接控制比例溢流閥的電流值來設定背壓力，由廠家預設幾組選項給用戶選擇，或者直接由用戶根據作業經驗自行設置電流值百分比，以適應不同的工況；b. 閉環控制：通過程序設定滑板油缸上行時工作壓力值，由壓力傳感器來檢測和監控，當壓力出現偏移時，由程序控制降低或增大比例溢流閥壓力，調節推鏟油缸背壓，最終維持滑板上行壓縮力的穩定，實現閉環控制，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垃圾箱，均衡車輛載荷，減輕后橋負載，提升車型行駛穩定性。閉環控制模式適用用戶不同裝載量的需求，當用戶要求較高的裝載量時，可以將滑板油缸的工作壓力設定在較高值，以提供較高的壓縮比；當用戶所需裝載量不多時，將滑板油缸的工作壓力設定在較低值，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。5 結語

a. 常規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、順序閥開度過大和推鏟油缸背壓力偏小的問題，導致垃圾壓不實和虧載現象；

b. 改進后的回路，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，避免了推鏟無背壓回退情況，可以有效地壓實生活垃圾，提升車輛裝載量和利用率；

c. 歐洲環衛車廠家采用了比例溢流閥背壓回路方案，便于客戶按需調節或智能化調節，動態控制推鏟油缸背壓和垃圾的壓縮比，適用于分類垃圾的壓縮和用戶不同裝載量的需求。隨著國內垃圾分類的興起和推行，這種回路對于提升國內壓縮式垃圾車的適用性有借鑒意義。