高位举升自装卸式垃圾车设计

丁兆青

青岛中汽特种汽车有限公司 山东青岛 266109

1 前言

城镇小区因街道路面狭窄，垃圾收集转运一直以来广泛使用低效落后的板车、小推车、低速电动环卫车等收集装备。随着环卫市场的发展、城市品位的提升，为了克服压缩式垃圾车等大型车辆不便出行小区的困难、避免作业噪声扰民和污水撒漏产生二次污染，笔者开发出一款机动性高、密封性好、经济及环保性强、适宜于小区垃圾收集及短途转运的新型垃圾收集运输车——高位举升自装卸式垃圾车（以下简称垃圾车）。其可将垃圾收集转运到统一收集点，再经大型压缩式垃圾车、移动压缩厢等装备，长途转运到中转站或填埋场，从而大大提高了垃圾收集转运的效率，减轻了环卫工人的劳动强度。因此，该垃圾车较其他车型有着诸多优点，自投放市场以来，越来越受到用户的认可和广泛好评（如图1）。

2 整车结构、工作流程及设计目标

图1 整车外形

2.1 整车结构

整车结构由轻型（或微型）纯电动底盘、整体式船型箱体结构（固定于副车架后部的固定平台上），机械手翻桶装置、挂桶架、刮板（位于车厢顶部）、活动导流板（位于车厢后斜板上）等部件组成（如图2）。

图2 整车结构

2.2 工作流程

车厢与后固定平台铰链连接，在举升缸的作用下可实现车厢举升卸料。翻桶装置通过驱动臂、拉杆与固定平台铰链，在翻桶油缸的作用下，翻桶装置翻转，将垃圾桶中垃圾倾倒入车厢后部。挂桶架位于翻桶装置框架内，在提升油缸作用下，挂桶架上升，将垃圾桶夹紧于翻桶装置上。刮板在刮板油缸作用下，将倒入车厢后部的垃圾强力刮入压缩至车厢前部，并在车厢卸料时控制卸料速度。主要工作装置示意图如图3所示。

车车对接卸料时，导流板在导流油缸作用下沿后板上的导轨伸出，实现垃圾及污水的导流。

图3 主要工作装置示意图

2.3 设计目标

2.3.1 设计背景

该车型已在国外广泛使用，产品成熟度高，图4为国外车车对接装置示意图。但该车在国内仍处于起步发展及技术完善阶段，普遍存在车厢容积小而质量大，收集区域小和效率低下的问题，主要有高位举升上料性能低，操作及安全方便性差等缺点。另外，在实现垃圾转运车车对接时，因各车型结构复杂、差异性大，常常存在对接困难，卸料转运时垃圾撒漏，而造成二次污染等问题。目前，国内总质量在4 500 kg以下的这类垃圾车，载质量多数较小，车厢容积为3.5 m³以下，一次可装载15～30桶垃圾。车车对接时无导流板或导流板过短，易造成污水撒漏。

图4 车车对接装置示意图

2.3.2 总体设计目标

上装采用轻量化设计思路，总质量为4 500 kg以下，载质量为800 kg以上，总长控制不超过6 m，总宽约1.7 m，车厢高度略高于驾驶室。整体结构紧凑，机动性高，美观性强。车厢边板为弧形，箱体“U”型底部结构，容积为4.8 m³，单次收集装载约30～45桶垃圾，在同等车型中不仅装载量大、收集区域更广，并且效率更高。

整车后部设置横向跨距大的支腿，作业时安全稳定性高。车车对接时加装的活动长导流板伸出，避免了污水撒漏而产生二次污染等问题。

根据不同用户不同的作业环境，结合其个性化需求，可选配喷淋消毒清洗装置：在车厢顶部设置自动消毒喷淋系统，在车辆前部加装高压清洗消毒装置，坚决消灭疫情传播隐患。

2.3.3 液压系统设计目标

液压系统工作压力为16 MPa，相关动作互锁，可使车辆工作时更加安全可靠。刮板在不张开时，机械手不能装载；而支腿不伸出，机械手不在下极限位置时，车厢则不能举升。车厢举升油缸与导流板油缸通过一组顺序阀控制动作；机械手翻桶油缸与提升油缸通过一组液压阀顺序控制动作。

2.3.4 操作系统设计目标

操作系统为先进的CAN总线系统，移动控制器，高效故障智能诊断，监控维修方便，可对车辆运行状态实时监控与智能服务。标配为线控（可选装遥控），左右两侧都安装操作按钮盒，对接时左右两侧都能实现功能操作。后部外侧设有插盒，便于短距离装载时随时取放按钮盒。整车后部左右两侧皆装有急停按钮，操作按钮盒上还设有加速按钮，装载时可提高发动机转速，从而提升工作效率。左右两侧安装操作按钮盒如图5所示。

图5 左右两侧操作按钮盒

3 上装主要工作装置设计

3.1 车厢总成结构设计

车厢总成由底板、边板、前板、后板、顶板总成等组成，结构为全密闭无泄漏设计，以避免污水及臭气的二次污染。边板为弧形曲面截面，周边为框架结构，刚度更大，强度更高。其他总成亦为钢板框架结构，与高强度薄钢板焊接而成。举升油缸为双缸双作用油缸，单向液压锁、单向节流阀，且无杆腔还设有下降缓冲功能，确保车厢平稳下落而对副车架无较大冲击力，车厢倾卸角度不小于45°，确保卸料干净彻底无残余。上装质心低，车厢举升到最大角度时，质心位于回转中心前侧的适宜位置，确保车辆具有较高的安全性和稳定性。笔者利用有限元分析软件对举升机构进行仿真与优化设计，根据优化结果可进一步减轻整备质量，从而增大整车载质量。

3.2 举升油缸受力分析计算及各功能油缸确定

为了确定车厢装满垃圾时举升油缸需提供的最大举升力，取车厢与垃圾为研究对象，对车厢举升过程进行动态受力分析，可知车厢最大举升力须从3个运动状态予以确定：a.初始状态；b.车厢及垃圾质心阻力臂与举升力臂之比值最大；c.车厢被举升到终了状态时。

根据三维图形分析，确定车厢与垃圾的质量G及质心位置。利用几何作图法，找出上述三种状态时车厢与垃圾阻力臂（分别为L1、L2、L3）、油缸举升力臂（分别为d1、d2、d3）、油缸举升力（分别为F1、F2、F3）。以车厢后部回转中心为转动轴，根据力矩平衡条件G iLi=Fidi，由上式可得三种状态时的举升力Fi=GiLi/di。举升油缸三种状态受力分析计算如图6所示。

图6 举升油缸三种状态受力分析计算

综合各方面因素，举升油缸内径初定为D=80 mm，系统最高工作压力初定为：P=16 MPa，则举升油缸举升力为：

式中，Fmax为油缸的最大作用力，N；P为系统压力，Pa；η为油缸机械效率，一般取0.9；D为油缸内径，m。

通过计算可知：Fmax≥F1，F2，F3，可满足设计要求，故确定举升油缸内径为80 mm；系统额定工作压力为16 MPa。

同理，按以上方法可计算机械手翻桶装置、刮板刮合、支腿支撑装置液压缸的最大受力，并根据系统额定工作压力，确定机械手翻桶油缸、刮板油缸内径为63 mm，机械手提升油缸、导流板油缸由于工作时阻力很小，故不需要太大的缸径和压力，根据其工作特点，参考同类车型设计经验，油缸内径确定为40 mm。各液压油缸杆径根据缸径按标准设计。

3.3 后固定平台

后固定平台作为车厢举升卸料、安全维修撑杆、支腿、机械手固定装置的工作平台，必须确保其具有足够的强度及刚度，但是结构又不能太重。因为功能部件较多，布置应紧凑，为此采用内部中空的框架结构焊接而成，同时为增加美观性，便于内部功能部件的维修，外部加装了可拆卸式防护罩。

3.4 副车架

副车架采用钢板折弯成形的框架焊接结构而成。上部固定缓冲橡胶垫带，侧部通过连接板及固定座与底盘纵梁连接，中前部设置有车厢限位装置。

3.5 刮板

刮板为弧形框架结构的双曲面设计，具有强度高、刚度大、质量轻的优点；刮板油缸为双缸双作用油缸，其驱动装置为连杆放大式，可对垃圾强力压缩，由此极大地提高了垃圾装载量，降低了运营成本。刮板还与箱体盖板一体化设计（如图7），避免了垃圾抛撒飞扬。

图7 刮板结构

3.6 支腿

支腿固定于底盘后部纵梁两侧，横向跨距大，安全稳定性高。支腿油缸为双缸双作用油缸，双向液压锁，确保整车运行及装载时车辆安全。为确保卸料的安全性，左右支腿油缸分别由两组阀控制，并设置了互锁控制，即只有在支腿脚板触地上升至10 mm，触碰感应开关起作用后才能解除互锁（如图8），车厢才能举升卸料，由此增强了卸料的安全性。

3.7 机械手翻桶装置及挂桶架

挂桶架为双挂桶框架机构（优于单桶上料），其两侧滑块可沿翻桶装置两边的纵梁导轨上下滑动。可挂两个120 L或240 L标准塑料桶或单个660 L垃圾桶，单次最大装载可达400 kg以上，挂桶高度可调节的范围大，装载效率也很高。翻桶装置上部设有导流板，确保装载翻转时，起到导流作用而使垃圾不撒漏。翻桶装置油缸为单缸双作用油缸；提升油缸为双缸双作用油缸，避免偏载时结构稳定性变差造成系统损坏或可靠性降低。

图8 支腿互锁装置示意图

3.8 导流板

导流板为U型结构，位于车厢后板上部。导流板油缸为单缸双作用油缸，位于车厢后板下面后部中心位置。在该后部中心位置开有长条孔，便于导流板油缸与导流板中心处的连接座相连。导流板上固定的滑块在导流板油缸的作用下，可沿后板长条孔两侧的导轨滑行。为防止污水进入导流板与后板两侧的缝隙，在车厢边板后上部两侧加装了倾斜的挡板；为防止污水浸入后板与导流板下部缝隙，在导流板下部压装了挡水橡胶板，使其与后板紧密贴合，随导流板滑行。另外，在长条孔周边焊接有适度高的挡水板，以避免因污水的意外浸入而造成污水撒漏。导流板结构示意图如图9所示。

图9 导流板结构示意图

3.9 消毒喷淋系统配置

为避免垃圾收集及运输过程中可能存在的疫情传播，在车厢顶板及投料口周边设置了自动喷雾消毒系统（配置了液压马达、水泵、水过滤器、水箱、水管路、喷枪、喷嘴等），喷雾范围覆盖了整车，杜绝了细菌病毒的传播。

在车厢与驾驶室之间装有水泵和喷枪，可对整车高压清洗消毒，提高了环境卫生和操作人员的安全性，免除了疫情传播的后顾之忧，实现了垃圾的无害化密闭运输。限于篇幅，该系统不做详细介绍，液压及电控系统也不包含此装置。

4 液压系统元件选型及工作原理

考虑各方面因素，确定液压油缸、液压泵、组合多路换向阀等主要液压元件的选配。因举升缸为各种动作油缸中受力最大且使用流量最大的油缸，为首要满足的主要部件。据此，可根据上述确定的举升缸参数、举升下降时间≤20 s，发动机加速时转速设置为800 r/min，确定液压油泵型号为CBF9-F420-ALPL。换向阀为电液控多路阀，确定其最大流量为35 L/min，电压为12 V。液压原理图如图10所示。

图10 液压原理图

5 控制系统设计要求及工作原理

控制系统采用手动+电动按钮盒形式（手电两用操作），方便可靠，稳定性高。在实现车车对接时，相关功能的操作在左右两侧都能进行，由此避免了对接操作时工作人员需绕过车头到另一侧操作，极大地方便了用户使用。线控标配+选装遥控，可根据实际使用的不同工况予以配置，从而增大了操作人员的实际安全距离和心理安全感。左右按钮盒及电气原理图如图10所示。整车线束、接插头采用防水设计。

图11 左右按钮盒及电气原理图

6 结语

根据试验及用户使用的效果来看，高位自装卸式垃圾车非常适宜于城镇小区及狭窄街道的垃圾收集及运输，具有高效快捷、安全方便、省时省力、污水密封性好（无泄漏、无抛撒），装载操作方便，且易实现垃圾收集与运输的卸料对接（小车可短途收集，大车能长途转运），为目前正在兴起的组合式垃圾清运提供了重要的环卫装备，改变了板车、小推车、电动三轮车等落后低效的垃圾收集运输模式。另外，该车采用纯电动底盘可实现零排放，在市区繁忙街道更易实现车辆的频繁启动及制动，节能环保降噪，可实现环卫作业的现代化、智能化和满足环保经济型的需求，从而促进环卫产业持续快速向前发展而产生良好的经济效益及社会效益，符合社会友好型及可持续发展的战略要求，市场前景非常广阔。