高位舉升自裝卸式垃圾車設計

丁兆青

青島中汽特種汽車有限公司 山東青島 266109

1 前言

城鎮小區因街道路面狹窄，垃圾收集轉運一直以來廣泛使用低效落后的板車、小推車、低速電動環衛車等收集裝備。隨著環衛市場的發展、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的困難、避免作業噪聲擾民和污水撒漏產生二次污染，筆者開發出一款機動性高、密封性好、經濟及環保性強、適宜于小區垃圾收集及短途轉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）。其可將垃圾收集轉運到統一收集點，再經大型壓縮式垃圾車、移動壓縮廂等裝備，長途轉運到中轉站或填埋場，從而大大提高了垃圾收集轉運的效率，減輕了環衛工人的勞動強度。因此，該垃圾車較其他車型有著諸多優點，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 整車結構、工作流程及設計目標

圖1 整車外形

2.1 整車結構

整車結構由輕型（或微型）純電動底盤、整體式船型箱體結構（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 整車結構

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車廂舉升卸料。翻桶裝置通過驅動臂、拉桿與固定平臺鉸鏈，在翻桶油缸的作用下，翻桶裝置翻轉，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，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，實現垃圾及污水的導流。

圖3 主要工作裝置示意圖

2.3 設計目標

2.3.1 設計背景

該車型已在國外廣泛使用，產品成熟度高，圖4為國外車車對接裝置示意圖。但該車在國內仍處于起步發展及技術完善階段，普遍存在車廂容積小而質量大，收集區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，在實現垃圾轉運車車對接時，因各車型結構復雜、差異性大，常常存在對接困難，卸料轉運時垃圾撒漏，而造成二次污染等問題。目前，國內總質量在4 500 kg以下的這類垃圾車，載質量多數較小，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導流板過短，易造成污水撒漏。

圖4 車車對接裝置示意圖

2.3.2 總體設計目標

上裝采用輕量化設計思路，總質量為4 500 kg以下，載質量為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。整體結構緊湊，機動性高，美觀性強。車廂邊板為弧形，箱體“U”型底部結構，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、收集區域更廣，并且效率更高。

整車后部設置橫向跨距大的支腿，作業時安全穩定性高。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生二次污染等問題。

根據不同用戶不同的作業環境，結合其個性化需求，可選配噴淋消毒清洗裝置：在車廂頂部設置自動消毒噴淋系統，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 液壓系統設計目標

液壓系統工作壓力為16 MPa，相關動作互鎖，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 操作系統設計目標

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

圖5 左右兩側操作按鈕盒

3 上裝主要工作裝置設計

3.1 車廂總成結構設計

車廂總成由底板、邊板、前板、后板、頂板總成等組成，結構為全密閉無泄漏設計，以避免污水及臭氣的二次污染。邊板為弧形曲面截面，周邊為框架結構，剛度更大，強度更高。其他總成亦為鋼板框架結構，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、單向節流閥，且無桿腔還設有下降緩沖功能，確保車廂平穩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。上裝質心低，車廂舉升到最大角度時，質心位于回轉中心前側的適宜位置，確保車輛具有較高的安全性和穩定性。筆者利用有限元分析軟件對舉升機構進行仿真與優化設計，根據優化結果可進一步減輕整備質量，從而增大整車載質量。

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受力分析，可知車廂最大舉升力須從3個運動狀態予以確定：a.初始狀態；b.車廂及垃圾質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時。

根據三維圖形分析，確定車廂與垃圾的質量G及質心位置。利用幾何作圖法，找出上述三種狀態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）。以車廂后部回轉中心為轉動軸，根據力矩平衡條件G iLi=Fidi，由上式可得三種狀態時的舉升力Fi=GiLi/di。舉升油缸三種狀態受力分析計算如圖6所示。

圖6 舉升油缸三種狀態受力分析計算

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

式中，Fmax為油缸的最大作用力，N；P為系統壓力，Pa；η為油缸機械效率，一般取0.9；D為油缸內徑，m。

通過計算可知：Fmax≥F1，F2，F3，可滿足設計要求，故確定舉升油缸內徑為80 mm；系統額定工作壓力為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，并根據系統額定工作壓力，確定機械手翻桶油缸、刮板油缸內徑為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，根據其工作特點，參考同類車型設計經驗，油缸內徑確定為40 mm。各液壓油缸桿徑根據缸徑按標準設計。

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，但是結構又不能太重。因為功能部件較多，布置應緊湊，為此采用內部中空的框架結構焊接而成，同時為增加美觀性，便于內部功能部件的維修，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構而成。上部固定緩沖橡膠墊帶，側部通過連接板及固定座與底盤縱梁連接，中前部設置有車廂限位裝置。

3.5 刮板

刮板為弧形框架結構的雙曲面設計，具有強度高、剛度大、質量輕的優點；刮板油缸為雙缸雙作用油缸，其驅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計（如圖7），避免了垃圾拋撒飛揚。

圖7 刮板結構

3.6 支腿

支腿固定于底盤后部縱梁兩側，橫向跨距大，安全穩定性高。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，觸碰感應開關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（優于單桶上料），其兩側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，掛桶高度可調節的范圍大，裝載效率也很高。翻桶裝置上部設有導流板，確保裝載翻轉時，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，避免偏載時結構穩定性變差造成系統損壞或可靠性降低。

圖8 支腿互鎖裝置示意圖

3.8 導流板

導流板為U型結構，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的導軌滑行。為防止污水進入導流板與后板兩側的縫隙，在車廂邊板后上部兩側加裝了傾斜的擋板；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。導流板結構示意圖如圖9所示。

圖9 導流板結構示意圖

3.9 消毒噴淋系統配置

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置了自動噴霧消毒系統（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，提高了環境衛生和操作人員的安全性，免除了疫情傳播的后顧之憂，實現了垃圾的無害化密閉運輸。限于篇幅，該系統不做詳細介紹，液壓及電控系統也不包含此裝置。

4 液壓系統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。據此，可根據上述確定的舉升缸參數、舉升下降時間≤20 s，發動機加速時轉速設置為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 控制系統設計要求及工作原理

控制系統采用手動+電動按鈕盒形式（手電兩用操作），方便可靠，穩定性高。在實現車車對接時，相關功能的操作在左右兩側都能進行，由此避免了對接操作時工作人員需繞過車頭到另一側操作，極大地方便了用戶使用。線控標配+選裝遙控，可根據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、接插頭采用防水設計。

圖11 左右按鈕盒及電氣原理圖

6 結語

根據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小區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，且易實現垃圾收集與運輸的卸料對接（小車可短途收集，大車能長途轉運），為目前正在興起的組合式垃圾清運提供了重要的環衛裝備，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零排放，在市區繁忙街道更易實現車輛的頻繁啟動及制動，節能環保降噪，可實現環衛作業的現代化、智能化和滿足環保經濟型的需求，從而促進環衛產業持續快速向前發展而產生良好的經濟效益及社會效益，符合社會友好型及可持續發展的戰略要求，市場前景非常廣闊。