压缩式垃圾车推铲背压回路改进分析

黄磊 李林 李文芳 金先进

长沙普罗科环境装备有限责任公司 湖南长沙 410100

1 前言

国内大中型压缩式垃圾车一般是基于双向压缩原理均匀压实垃圾的，在垃圾压填过程中，刮板和滑板通过油缸驱动从后端把垃圾挤入垃圾箱内，推铲从前端保持一定的背压，从而使垃圾两头受压；当刮、滑板的压缩力克服垃圾移动时的膨胀摩擦力和推铲背压力后，使推铲逐渐后退，将垃圾压实、逐渐填满箱体。影响压缩式垃圾车压缩性能的决定因素是推铲的适时背压力[1]，市场上主流的压缩车一般采用顺序阀回路来控制推铲的背压力[2]，或在顺序阀回路上增加阻尼孔，通过阻尼孔来调节背压力[3]；但由于阻尼孔易于堵塞、背压与流量存在相关的问题，也有部分车型采用溢流阀和电磁阀来控制背压[4]。理论上讲，垃圾应充分压实，均匀地充满整个垃圾箱；但很多车辆实际运行过程中存在压缩比小、压不实的情况，达不到额定装载量，造成作业次数增加、转运成本高的经济问题。因此，有必要针对推铲背压回路的特性，深入分析垃圾的实际受力状态，找出亏载原因，并寻求相应解决方案。

2 常规推铲背压回路分析

2.1 工作原理

以市场上主流的8t美系压缩式垃圾车为例，其推铲背压回路采用的是顺序阀回路，工作原理如图1所示。当滑板刚开始提升时，顺序阀未开启，推铲机构背压逐渐上升，垃圾逐渐被压缩。当滑板油缸有杆腔压力达到顺序阀调定压力后，顺序阀开启，使得推铲油缸无杆腔与油箱连通，在滑板油缸提升力的作用下，推铲油缸收缩，推铲机构后退[2]。

图1 常规车型推铲背压回路

2.2 力学分析

垃圾压填过程中，主要存在三个作用力：滑板油缸的上行压缩力FH、推铲油缸的背压力FT、垃圾移动时的膨胀摩擦力Ff，垃圾在填装挤压过程中的受力情况如图2所示。当箱体刚开始压入垃圾时，垃圾量较少，故Ff较小，此时，滑板油缸的水平压缩分力FX主要由推铲油缸承受；当滑板油缸的工作压力未达到顺序阀设定压力时，推铲油缸通过过载阀卸荷，推铲油缸的背压力FT由其过载阀限制。随着垃圾的装填，推动垃圾移动所需克服的膨胀摩擦力Ff增大，滑板油缸的工作压力上升。当滑板油缸的工作压力达到顺序阀设定压力时，顺序阀开启，推铲油缸此时通过顺序阀卸荷，推铲油缸提供的背压力FT开始降低。当继续压入垃圾时，滑板油缸工作压力有上升的趋势，会导致顺序阀开度增大和推铲油缸背压减小，最终使滑板油缸的工作压力维持在顺序阀设定压力处。

图2 压缩机构的受力分析图

各主要作用力的简化力学表达式和约束方程如下：

滑板油缸对垃圾的水平压缩分力Fx：

向前压缩推进垃圾的力学条件：

推铲油缸的第三级油缸在顺序阀未开启时提供的背压力FT0：

滑板油缸的工作压力达到顺序阀设定压力时提供的水平压缩力Fx0：

由于顺序阀的特性，滑板油缸的工作压力在达到顺序阀设定压力后维持不变，而推铲油缸的背压力则进行随动变化：

公式中引用的参数如表1所示。

表1 美系8t压缩车参数表

根据上述约束方程和计算，对主要作用力和滑板油缸压力变化曲线进行拟合，如图3所示。

图3 主要作用力及滑板油缸工作压力曲线图

2.3 存在的问题

通过对图3分析可知：a. 推铲油缸第3级缸由于缸径限制，所能提供的背压力较小，导致最前端装入的垃圾压实度不高；b. 在中后段，滑板油缸的工作压力只用到顺序阀设定压力值12 MPa左右，只有系统压力的75%，滑板油缸的提升力未充分利用。

另外，在实际运行中，由于顺序阀的特性，在滑板上行过程中，压缩不均导致油缸冲击压力超过12 MPa，或者滑板上行到位油缸憋压至16 MPa，都将导致顺序阀开度较大或全开，推铲在垃圾膨胀力的作用下无背压后退，从而出现垃圾压不实、亏载的情况。当滑板上行到位停止后，笔者时常能够观察到推铲仍在回退的情况。

3 改进后的推铲背压回路

针对上述问题，对常规的推铲背压回路进行改进，在顺序阀主油路上增加了设定值为3 MPa的背压阀，如图4所示。由于背压阀的存在，当顺序阀在滑板油缸上行、憋压情况下开度增大或全开时，推铲油缸仍能提供一定的背压力，减少推铲无背压回退情况；另外，在垃圾装载的后段，由于推铲油缸缸径增大，推铲油缸仍能提供较大的背压力，故而相应地增大了滑板油缸的上行压缩力，从而将垃圾压实，显著增加了垃圾装载量。简易计算如下所示。

推铲油缸的第一级油缸提供的背压力FT：

结合式（1）～（6），针对改进后回路，对主要作用力和滑板油缸压力变化曲线进行拟合，如图5所示。从图示可知，在垃圾收集的最后阶段，推铲背压力和滑板油缸提升力相比改进前提升，滑板油缸对系统压力的利用率接近100%。

图4 改进后的推铲背压回路

图5 改进后的力学曲线图

4 国外推铲背压回路介绍

根据欧洲环卫车厂家的实践研究，对于分类垃圾的压缩收集，推铲的背压并非越高越好；有机垃圾、无机垃圾、纸、建筑垃圾、玻璃、煤灰、皮革等，其可变形、可压缩性、润滑程度、比重等特性是不同的，为达到最大压缩量，其所需的推铲背压是不同的。为此，采用比例溢流阀作为背压阀来动态调节推铲的背压，回路原理如图6所示。滑板油缸小腔连接有压力传感器，检测滑板油缸上行时的工作压力和负荷情况，推铲油缸大腔旁通连接有比例溢流阀，其小腔旁通连接有补油单向阀；推铲在压缩方向上被强压后退时，推铲油缸的无杆腔可通过比例溢流阀产生背压并卸荷，有杆腔可通过单向阀补油。

图6 欧洲压缩车的推铲背压回路

具体工作原理如下：a. 开环控制：针对不同种类的垃圾收集，直接控制比例溢流阀的电流值来设定背压力，由厂家预设几组选项给用户选择，或者直接由用户根据作业经验自行设置电流值百分比，以适应不同的工况；b. 闭环控制：通过程序设定滑板油缸上行时工作压力值，由压力传感器来检测和监控，当压力出现偏移时，由程序控制降低或增大比例溢流阀压力，调节推铲油缸背压，最终维持滑板上行压缩力的稳定，实现闭环控制，保持垃圾压缩密度的均衡性，使垃圾尽可能均匀地布满整个垃圾箱，均衡车辆载荷，减轻后桥负载，提升车型行驶稳定性。闭环控制模式适用用户不同装载量的需求，当用户要求较高的装载量时，可以将滑板油缸的工作压力设定在较高值，以提供较高的压缩比；当用户所需装载量不多时，将滑板油缸的工作压力设定在较低值，以提供较低的压缩比，保证垃圾尽可能均匀布满在垃圾箱内。5 结语

a. 常规推铲背压回路由于顺序阀的特性，存在滑板油缸提升力利用不充分、顺序阀开度过大和推铲油缸背压力偏小的问题，导致垃圾压不实和亏载现象；

b. 改进后的回路，增加了背压元件，增大了推铲背压力，间接增大滑板上行压缩力，避免了推铲无背压回退情况，可以有效地压实生活垃圾，提升车辆装载量和利用率；

c. 欧洲环卫车厂家采用了比例溢流阀背压回路方案，便于客户按需调节或智能化调节，动态控制推铲油缸背压和垃圾的压缩比，适用于分类垃圾的压缩和用户不同装载量的需求。随着国内垃圾分类的兴起和推行，这种回路对于提升国内压缩式垃圾车的适用性有借鉴意义。