垃圾車自掛桶機械手擋桶機構(gòu)設(shè)計探析

摘要：垃圾車自掛桶機械手在掛桶卸料傾倒垃圾時，為避免垃圾桶因慣性沖擊脫落而使掛桶部位遭受較大折彎力矩導(dǎo)致桶沿折彎脆斷損壞，需設(shè)置擋桶機構(gòu)對垃圾桶進行合理限位。因掛桶機構(gòu)和垃圾桶規(guī)格不同，擋桶機構(gòu)設(shè)計也不盡相同。本文通過對垃圾車固定式擋桶機構(gòu)、柔性擋桶機構(gòu)和多功能擋桶機構(gòu)等多種擋桶機構(gòu)的設(shè)計分析及比較，探討和歸納自掛桶機械手擋桶機構(gòu)設(shè)計應(yīng)從結(jié)構(gòu)型式、擋桶部位以及是否可調(diào)等所應(yīng)遵循的基本規(guī)律。

關(guān)鍵詞：垃圾車；自掛桶機械手；垃圾桶；擋桶機構(gòu)

中圖分類號：U463 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2023.03.001

0前言

垃圾車是城鎮(zhèn)垃圾收運的主要車輛。在垃圾收集過程中，自掛桶機械手能夠自行完成垃圾桶掛桶及桶內(nèi)垃圾的傾倒，實現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)作業(yè)的機械化，極大地減輕了環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度，提高了垃圾收集與運輸?shù)淖鳂I(yè)效率。

在垃圾桶翻轉(zhuǎn)卸料過程中，垃圾桶翻轉(zhuǎn)至終點極限位置時，通常會出現(xiàn)以下2個問題一是垃圾桶桶口掛桶部位隨掛桶架停止翻轉(zhuǎn)，而垃圾桶底部只是由掛桶架底部橫梁托住，因受運動慣性的作用，垃圾桶離開掛桶架橫梁托板繞掛桶沿軸線繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致垃圾桶脫落，繼而跌落至填裝器內(nèi)；二是垃圾桶桶沿掛桶部位，局部遭受較大折彎力矩，多頻次受力擠壓掰折后極易造成疲勞損壞，甚至撕裂破損（如圖1）。因此，為延長垃圾桶使用壽命，使垃圾桶傾倒過程能夠順利進行，需設(shè)置擋桶機構(gòu)。由于機械手掛桶型式不同，垃圾桶也千差萬別，擋桶機構(gòu)設(shè)計亦迥然不同。下面根據(jù)環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)主流垃圾車型及垃圾桶的幾種型式，概括性地介紹垃圾車典型擋桶機構(gòu)的設(shè)計思想（如圖2）。

1自掛桶機械手擋桶機構(gòu)的主要型式

根據(jù)自掛桶機械手擋桶機構(gòu)結(jié)構(gòu)的不同，可分為固定式擋桶機構(gòu)、柔性擋桶機構(gòu)、多功能擋桶機構(gòu)3大種類。

根據(jù)自掛桶機械手擋桶機構(gòu)擋桶桿與垃圾桶擋桶部位的不同，可分為擋桶身擋桶機構(gòu)、擋桶口擋桶機構(gòu)。現(xiàn)以壓縮式垃圾車為例，分述如下。

1.1固定式擋桶機構(gòu)

固定式擋桶機構(gòu)是最為常用的擋桶機構(gòu)，擋桶桿直接固定于填裝器左右邊板內(nèi)側(cè)的底座上，無緩沖，不可調(diào)節(jié)，但結(jié)構(gòu)簡單，成本低，經(jīng)濟性強，使用可靠性高。它適用于120 L、240 L等標準塑料垃圾桶或用戶自制的非標垃圾桶（需測繪外形尺寸并實際稱重）。

1.2柔性擋桶機構(gòu)

柔性擋桶機構(gòu)（如圖3）是在填裝器左、右邊板內(nèi)側(cè)各設(shè)置一擋桶桿支架，左、右擋桶桿支架安裝于回轉(zhuǎn)座上，并可繞回轉(zhuǎn)座進行一定角度的旋轉(zhuǎn)，擋桶桿支架一端與拉簧連接，另一端與擋桶桿焊接，垃圾桶與擋桶桿限位過程中，通過彈簧拉力，垃圾桶和擋桶桿受到的轉(zhuǎn)動阻力矩隨行程增大而不斷增大，在機械手卸料翻轉(zhuǎn)過程中，隨著擋桶桿角位移不斷增大，彈簧拉力也不斷增大，垃圾桶翻轉(zhuǎn)阻力呈漸進式增長，阻力矩不斷增強，擋桶桿起到緩沖作用，直至最后停止轉(zhuǎn)動，更好地保護了垃圾桶。此外，擋桶桿具有一定角度的擺動，在一定范圍內(nèi)，柔性擋桶機構(gòu)可適用于不同高度、不同厚度及寬度的垃圾桶，具有更大的調(diào)節(jié)作用，掛桶范圍更廣。

1.3多功能擋桶機構(gòu)

多功能擋桶機構(gòu)（如圖4）：該機構(gòu)為多連桿機構(gòu)，通過氣動或液壓裝置，由多路閥控制，根據(jù)不同垃圾桶翻轉(zhuǎn)終了位置的不同，擋桶機構(gòu)處于不同的設(shè)定位置，實現(xiàn)擋桶機構(gòu)的按需調(diào)節(jié)。多功能擋桶機構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但可調(diào)幅度更大，使用范圍更廣，性能更為優(yōu)越，卻因成本相對較高，目前國內(nèi)使用較少。

2擋桶機構(gòu)設(shè)計分析

2.1擋桶機構(gòu)擋桶型式的確定

綜上所述，擋桶機構(gòu)的選型與擋桶桿安裝位置是否受限的關(guān)聯(lián)性較高。通常地，微型、小型垃圾車因結(jié)構(gòu)緊湊，空間范圍小，擋桶機構(gòu)常選用固定式擋桶機構(gòu)，而擋桶桿采用擋桶身型式，中型或大型垃圾車擋桶機構(gòu)安裝空間受限小，從成本方面考慮，一般采用固定式擋桶機構(gòu)，擋桶桿宜采用擋桶口型式。為增大緩沖效果，更好地保護垃圾桶，部分車型也會采用柔性擋桶機構(gòu)。對于同一地區(qū)不同垃圾桶混用的使用工況，單一擋桶桿位置不能滿足不同垃圾桶的擋桶要求，需采用多功能擋桶機構(gòu)。

2.1.1擋桶身擋桶機構(gòu)

當垃圾桶隨機械手卸料翻轉(zhuǎn)接近終了位置時，擋桶機構(gòu)擋桶桿與處于垃圾桶側(cè)面的桶蓋接觸，在擋桶桿與桶蓋相對滑移過程中，產(chǎn)生滑動摩擦，垃圾桶翻轉(zhuǎn)減速及至停止（如圖5）。

擋桶身擋桶機構(gòu)缺點：易造成垃圾桶桶蓋破裂，特別是在北方寒冷的冬季，塑料垃圾桶因溫度低，脆性大，更容易損壞。此外，擋桶身擋桶機構(gòu)擋桶效果差，因為：若擋桶桿與桶身間隙過小，擠壓力過大，易造成垃圾桶桶蓋擠壓損壞，若擋桶桿與桶身間隙大，垃圾桶滑移距離大，掛桶部位受力變形大，易疲勞損壞，且擋桶效果也較差。特別地，不同的垃圾桶桶蓋打開時，翻轉(zhuǎn)角度不同，導(dǎo)致桶蓋受力變形較大，垃圾桶桶蓋或桶蓋轉(zhuǎn)軸易產(chǎn)生過早損壞。

2.1.2擋桶口擋桶機構(gòu)

當垃圾桶隨機械手卸料翻轉(zhuǎn)接近終了位置時，擋桶機構(gòu)擋桶桿處于垃圾桶桶口下面，對垃圾桶進行機械限位（如圖6）。設(shè)計時擋桶桿應(yīng)處于垃圾桶桶口桶蓋端，避免擋桶桿掛粘垃圾，但需注意擋桶桿與桶蓋把手之間應(yīng)設(shè)定合理間距，以避免與把手干涉，此外，還要兼顧到垃圾桶大小不一或重載垃圾桶變形較大時，擋桶桿能擋多種垃圾桶，擋桶范圍更大。

擋桶口擋桶機構(gòu)優(yōu)點與上述擋桶身擋桶機構(gòu)相比，擋桶口擋桶機構(gòu)限位及時可靠，垃圾桶一旦與擋桶桿接觸，翻轉(zhuǎn)過程也就接近終端位置，運動幾乎沒有延遲，擋桶效果明顯。另外因垃圾桶桶口部位剛度大，可承受更高的作用力，相對擋桶身擋桶機構(gòu)，延長了垃圾桶使用壽命。

擋桶身擋桶機構(gòu)與檔桶口擋桶機構(gòu)都可以實現(xiàn)擋桶，究竟采用何種方式，需根據(jù)垃圾車填裝器結(jié)構(gòu)進行選型設(shè)計。相對而言，擋桶口的擋桶桿可以更好地保護垃圾桶，且擋桶效果更好，因此大多數(shù)垃圾車自掛桶機械手翻桶機構(gòu)擋桶桿采用擋桶口的結(jié)構(gòu)型式。

2.2擋桶機構(gòu)間隙設(shè)計

擋桶機構(gòu)擋桶桿與垃圾桶之間應(yīng)保持合理間隙，需要根據(jù)實際狀況做出針對性設(shè)計。

對于擋桶身機構(gòu)，若間隙太小，垃圾桶受力較大，易造成桶蓋過早破損，此外，對于粘性較大的垃圾，傾倒后桶內(nèi)垃圾殘留量大；另外，對于部分因垃圾桶剛度較小產(chǎn)生較大變形或超標準桶口的垃圾桶，可調(diào)性差，易造成垃圾桶擠壓損壞。若間隙太大，擋桶效果差，易造成擋桶失效或掛桶部位過早疲勞損壞。

對于擋桶口機構(gòu)，若間隙太小，部分非標垃圾桶可調(diào)性差，易造成垃圾桶碰撞擠壓損壞，此外，對于粘性較大的垃圾，垃圾桶在傾倒后因無震動，桶內(nèi)垃圾殘留量大。若間隙太大，沖擊力過大，擋桶效果差，易造成垃圾桶桶沿接觸部位過早破損。

通常地，擋桶機構(gòu)擋桶桿與垃圾桶之間的間隙兼顧各方情況，保持在15-35 mm范圍內(nèi)較為合理。

2.3擋桶機構(gòu)設(shè)計注意事項

擋桶機構(gòu)設(shè)計還應(yīng)注意與其它各機構(gòu)運動部件不發(fā)生干涉。當刮板滑板裝載系統(tǒng)沿填裝器邊板兩側(cè)的軌道上下運行時，擋桶機構(gòu)與刮板滑板及其上面的附屬裝置應(yīng)保持合理間隙，避免干涉（如圖7）。

對于擋桶身擋桶機構(gòu)或擋桶口擋桶機構(gòu)，若要實現(xiàn)壓縮機構(gòu)連續(xù)裝載循環(huán)，必須將擋桶機構(gòu)擋桶桿與刮板滑板裝載機構(gòu)之間保持合理間距，避免垃圾桶把手或擋桶桿與刮板滑板裝載機構(gòu)發(fā)生干涉。

除以上出廠狀態(tài)擋桶機構(gòu)正常使用外，還應(yīng)考慮垃圾車使用幾年后，裝載機構(gòu)滑板滑塊產(chǎn)生最大磨損后，擋桶機構(gòu)擋桶桿與刮板各運動部件不會因部件磨損產(chǎn)生的間隙而發(fā)生干涉。

部分環(huán)衛(wèi)垃圾車填裝器后蓋放下或提升過程中，間隙太小，擋桶桿或垃圾桶與后蓋易發(fā)生滑擦或碰撞，設(shè)計時應(yīng)統(tǒng)籌考慮，避免此類現(xiàn)象發(fā)生。

3固定式擋桶機構(gòu)設(shè)計分析

3.1固定式擋桶機構(gòu)組成

機械手擋桶機構(gòu)一般位于填裝器內(nèi)部后下部進料口處。固定式擋桶機構(gòu)由固定座、連接盤、擋桶桿、橡膠套等組成（如圖8）。

3.2固定式及柔性擋桶機構(gòu)擋桶桿設(shè)計分析

機械手擋桶機構(gòu)使用頻度高，就目前常用的車廂容積為14m3的壓縮式垃圾車而言，機械手翻桶卸料約100-120次／車，而每天每車需作業(yè)2-3車次，有的多達4-5車次，因此每天翻桶使用頻率高達幾百次。機械手掛桶機構(gòu)可同時掛240 L兩輪移動式垃圾桶2-3個／次，770 L非標大鐵桶1個／次（自質(zhì)量約200 kg）。在每天收運裝載垃圾過程中，垃圾桶與擋桶桿處于高頻度碰撞沖擊，連續(xù)循環(huán)作業(yè)狀態(tài)中，若擋桶機構(gòu)設(shè)計不當，在使用一段時間后，擋桶桿極易發(fā)生彎曲或疲勞損壞，此時垃圾桶傾翻的穩(wěn)定性變差，擋桶桿對垃圾桶的擋桶限位效果減弱或失效，故擋桶桿設(shè)計時需保持一定的強度（如圖9）。

4多功能復(fù)合擋桶機構(gòu)設(shè)計分析

多功能擋桶機構(gòu)由左右固定座、連桿機構(gòu)、緩沖膠管、油缸（氣缸）、多路閥等組成。多功能擋桶機構(gòu)型式多樣，不同車型、不同垃圾桶組合一般需設(shè)計不同的擋桶機構(gòu)來實現(xiàn)擋桶功能，其組成復(fù)雜多樣，設(shè)計原理同液壓或氣動機構(gòu)設(shè)計類似，在此不做贅述。

5側(cè)掛桶垃圾車（合餐廚垃圾車）擋桶機構(gòu)設(shè)計分析

側(cè)掛桶垃圾車擋桶機構(gòu)拉桿式掛桶機構(gòu)設(shè)計居多，比較常見的，有的將擋桶機構(gòu)加裝于掛桶拉桿上，隨拉桿隨動，還有的將擋桶機構(gòu)設(shè)置與上蓋隨動，主要有以下型式。

5.1側(cè)掛桶垃圾車U型隨動擋桶機構(gòu)

側(cè)掛桶拉桿式垃圾車因為進料口上蓋隨掛桶上料機構(gòu)隨動，受結(jié)構(gòu)限制（進料口上蓋翻轉(zhuǎn)時橫掃空間范圍大），在進料口處不能同壓縮式垃圾車一樣，設(shè)置結(jié)構(gòu)類似的固定式擋桶機構(gòu)，但可在左右兩側(cè)拉桿之間設(shè)置“U”型擋桶桿，隨拉桿一起運動，在翻桶終了位置，對垃圾桶桶口進行限位（如圖10）。對于不同規(guī)格的垃圾桶，通過調(diào)節(jié)“U”型擋桶桿設(shè)定的不同固定孔位置，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)不同垃圾桶的擋桶限位功能。這種隨動擋桶桿結(jié)構(gòu)型式通過拉桿的“巧妙設(shè)計”，突破了固定式擋桶桿與上蓋運動干涉帶來的設(shè)計困難。

5.2拉桿式側(cè)掛桶垃圾車隨動擋桶機構(gòu)

拉桿式擋桶機構(gòu)是通過與掛桶拉桿機構(gòu)驅(qū)動液壓缸銷軸聯(lián)動，實現(xiàn)擋桶機構(gòu)終了位置時擋桶限位。此種擋桶機構(gòu)也是隨動擋桶機構(gòu)的一種型式（如圖11）。隨動擋桶機構(gòu)擋桶桿固定梁加工多個連接孔，可實現(xiàn)不同垃圾桶擋桶桿位置的調(diào)節(jié)。此種擋桶機構(gòu)相對于上述固定于拉桿上的“U”型擋桶桿，受拉桿軌跡影響較小，更易于實現(xiàn)擋桶所需的各項參數(shù)設(shè)計。該機構(gòu)成本些許增加，但擋桶效果顯著。

5.3新型拉桿式側(cè)掛桶垃圾車可調(diào)式擋桶機構(gòu)

一種拉桿式側(cè)掛桶垃圾車可調(diào)式擋桶機構(gòu)（如圖12），擋桶機構(gòu)一端與位于車廂頂板的支座鉸接，另一端與上蓋鉸接，擋桶桿位置可調(diào)，可適用不同的垃圾桶擋桶限位，多孔可調(diào)式彈簧使其具有緩沖保護功能。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可調(diào)范圍大，緩沖效果好，是較高級的一種擋桶機構(gòu)。

6高位上料后掛桶自裝卸式垃圾車、無泄漏壓縮式垃圾車擋桶機構(gòu)

6.1高位上料后掛桶自裝卸式垃圾車擋桶機構(gòu)

小型后掛桶高位上料自裝卸式垃圾車因結(jié)構(gòu)限制及成本考慮，一般不單獨設(shè)置擋桶機構(gòu)，使用時通過刮板暫且充當擋桶功能（如圖13）。

6.2無泄漏壓縮式垃圾車擋桶機構(gòu)

無泄漏壓縮式垃圾車機械手擋桶機構(gòu)是在后部進料口上部采用柔性擋桶機構(gòu)（如圖14）實現(xiàn)的。此種垃圾車后部高位上料，垃圾桶翻轉(zhuǎn)高度大，沖擊力強，擋桶桿跨度大，為確保各部件不發(fā)生干涉，需對各運動部件軌跡確認及擋桶機構(gòu)必要的強度校核。

7結(jié)語

垃圾車自掛桶機械手擋桶機構(gòu)是自動上料機構(gòu)的重要組成部分。本文對環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)主流車型垃圾車自掛桶機械手擋桶機構(gòu)基本技術(shù)特點作了初步的探析，意在為行業(yè)技術(shù)人員提供更多的啟迪，滿足環(huán)衛(wèi)用戶上料機構(gòu)翻轉(zhuǎn)各種垃圾桶的不同工況要求，延長垃圾桶使用壽命，為用戶創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)較高的社會價值。

（責(zé)任編輯：消獻法）