压缩式垃圾车液控系统配置型式设计分析

丁兆青1 彭习伦2

1.青岛中汽特种汽车有限公司 山东青岛 266109

2.广汽菲亚特克莱斯勒汽车有限公司 湖南长沙 410100

1 前言

压缩式垃圾车（本文指后装压缩式垃圾车）、自装卸式垃圾车、车厢可卸式垃圾车是城镇垃圾收运的主要装备。压缩式垃圾车因其具有操控简单方便，能够对垃圾进行破碎压缩，大大提升装载及运输效率，减缓城市交通压力，实现生活垃圾的即时收运和无害化处理，日益成为城镇环卫部门生活垃圾收运的重要装备。

压缩式垃圾车自动化程度高，液控系统功能模块技术复杂多样，为不同地区的广大环卫用户提供了更多选择，满足了市场不同的需求。根据压缩式垃圾车液控系统技术的不同特点，本文介绍了压缩式垃圾车液控系统设计的主要配置型式。

2 整车结构及功能概述

2.1 整车结构

整车结构由底盘、车厢、填装器、自动上料机构及液控系统组成。车厢内部装有推板，推板由推板油缸驱动，可以沿车厢边板两侧的导轨滑动，推板油缸伸出时将垃圾推出，收回时可以起到背压或封闭车厢前端作用。车厢后部装有填装器，上部通过铰链连接，下部通过锁紧拉杆或锁钩连接，实现污水密封。车厢和填装器之间装有举升油缸，举升油缸控制填装器升降或锁紧机构动作。填装器内装有滑板刮板装载机构，分别由滑板油缸和刮板油缸驱动，沿填装器两侧的滑槽按序滑动和摆动，将垃圾刮合并压入车厢内。填装器后部装有自动上料机构（俗称机械手），可将垃圾桶或垃圾斗内的垃圾倒入填装器内（如图1）。

2.2 主要装置功能模块之关系

由图1所介绍的整车结构可以看出，压缩式垃圾车主要有三大功能模块：一是整车后部的自动上料机构；二是填装器的刮板滑板装载系统；三是车厢内推板及填装器举升系统组成的卸载装置。这三大功能模块，分别按照图1中所设定的四个顺序动作有序运行，实现城镇生活垃圾的高效收集与转运。在三大功能模块中因装载、自动上料作业频度高，操作强度大，作业环境恶劣，其性能是液压操作系统设计中尤其考虑的重点。整车结构主要装置功能关系如图2。

图1 整车结构

图2 整车结构主要装置功能关系图

图3 专用压缩油路块

图4 双向压缩油路块原理图

2.3 液控系统设计思路、工作原理及组成

液压系统采用串联油路的开式系统，由齿轮泵供油，齿轮泵的动力由取力器从变速箱取力供给，取力器的取力采用电气挂挡，通过操纵驾驶室内仪表盘上的取力器按钮开关来完成。在油泵进油口和油箱回油口分别设置粗、精滤油器各一个，使供给液压系统的工作油保持清洁。由油泵供出的高压油经多路阀，根据工作规程按序分配给各组油缸回路，以驱动工作装置完成装卸垃圾的功能。液压系统中设置有溢流阀起限制系统最高压力作用。汽车发动机转速由电磁气阀通过油门气缸控制，当液压系统处于工作状态时，电磁气阀通气，发动机转速提高；当液压系统处于不工作状态时，电磁气阀断气，发动机回到怠速状态。

液压与控制系统由动力源、执行机构、多路阀及控制系统、双向压缩功能、电控及自动加速功能等组成。

3 动力源及辅助系统设计

包括取力器、液压泵以及由取力器到液压泵的传动机构、液压油箱及管路等。

3.1 取力器的确定

取力器一般要求底盘自带，其传动比选定遵循的基本原则是在满足专用装置所需功率的前提下，应选择发动机的经济转速，此时发动机的燃油经济性最好。发动机转速较低或较高，都不利于节油的原则。

3.2 液压泵及其回路的选型

液压泵根据其排量q、压力p确定。排量q(mL/r)满足

式中Q为液压泵流量， m3/t，可按执行元件的最大工作流量和回路的泄漏量确定；n为液压泵额定转速。

液压泵的最大工作压力为：

式中，P1为执行元件的最大工作压力，MPa；ΣΔP1由液压泵出口到执行元件进口之间的压力损失，MPa,可选取经验数值ΣΔP1=0.5～1.5 MPa[1]。

液压泵的安装方式，小型压缩式垃圾车可采用直连方式，即液压泵与取力器直接相连。大中型压缩式垃圾车一般通过传动轴与取力器相连。

压缩式垃圾车作业环境恶劣，液压泵一般选用抗污染能力强的齿轮油泵。根据采用的液压泵及液压管路数量，可分为单泵单回路系统和双泵双回路系统。

3.2.1 单泵单回路系统

对于小型压缩式垃圾车可采用单只定量泵系统，其排量以满足主系统的要求为准，当然在为低流量系统供油时（如机械手），输入大于输出，油路泄荷较为严重，造成部分能源浪费，油温上升快，长期使用，会影响到元件的寿命。因此这种油路成本较低，整体性能较差。图6、图7、图8为单泵单回路系统。

3.2.2 双泵双回路系统

各执行机构采用流量大小不同的双联高压油泵供给液压油。双联高压油泵组成主、副两条油路。大泵（主泵）油路向装载压缩、推板卸载提供动力，因为该系统需大流量、高压力；小泵（副泵）油路仅支持后填装器举升、翻桶上料等系统，由于这两个系统流量需求小，压力也不高，由小泵支持。双泵双回路系统见图9。

该回路优点：其输入输出匹配合理，较单泵系统过载泄荷少，既减少功率损失节省燃油，又可使不同系统同时工作，实现装载系统连续循环，节省时间提高效率，该功能是双泵系统独有的。另外因液压油泄荷小，系统升温小，油温温升可控制在70以下，可以提高液压件的使用寿命，减少维修费用；因泵的流量分配合理，所需发动机功率小，发动机转速低（一般工作转速1 000 r/m左右），故发动机噪音小。

另外还有一种情况：推板流量需求虽大，但考虑到占载率低，有的厂家将推板油路由小泵提供，也比较符合实际工况。

4 各功能执行机构设计分析

各机构执行油缸只需做往复运动便可实现功能，故各油缸采用双作用单级油缸，推板缸行程较大，采用双作用多级油缸，比较特殊的是日韩压缩式垃圾车举升缸为单作用单级油缸。综合经济性和性价比，大中小型压缩式垃圾车系统压力一般设计为15～21 MPa。各油缸工作压力可根据实际工况受力分析进行确定，活塞直径由最大工作压力及最大作用力计算，最大行程由各机构所需极限位置确定。

4.1 滑板缸的布置型式

滑板缸布置有内置与外置两种型式。内置和外置就是滑板缸分别位于填装器左右边板内部和外部两侧布置。两种型式各有特点，分述如下：

滑板缸外置，相对于内置，其优点为：一是装载机构提得高，垃圾回落少，装载效率高；二是缸筒端在下，装载作用力大；三是有杆腔在上，滑板下行速度快；四是容易实现连续工作循环；五是安装及维修方便。

缺点：一是额外占用空间，对自动上料机构、摆臂吊拉油缸布置可能有一定影响；二是滑板缸外置，为增加整车美观性，一般需设计侧罩。

从压缩式垃圾车的综合性能来说，笔者认为滑板缸外置更具有优越性。

4.2 推板缸

推板缸采用多级双作用液压缸，可减少布置空间，容积效率高，其安装位置应根据受力合理设计最大推卸角度，使推板缸水平分力最大，同时兼顾安装距较小，车厢有效容积较大。

4.3 举升缸

举升缸兼做锁紧缸，为单级双作用油缸。日韩压缩式垃圾车中，举升缸为单级单作用缸，增加一只锁紧缸，如图7中间部分。填装器举升缸装有防爆阀，即使油管破裂，填装器也不会下降，确保人身安全，如图8左侧，图9右侧部分。

4.4 翻桶缸、提升缸

翻桶缸、提升缸为单级双作用缸。对于普通机械手和翻簸箕机械手，可采用双缸驱动，根据结构需要，油缸可采用上置或下置布置，下置受力合理，为常见布置型式。对于多功能机械手，需采用四缸倾倒机构，液压动作为顺序阀控制，如图7左侧部分。

5 多路阀、油路块、双向压缩功能及自动加速系统设计分析

5.1 多路阀的布置选型

多路阀是压缩式垃圾车液压系统性能的重要部件，它的型式决定着液控系统的布置、性能优劣和不同的经济性。

早期的压缩式垃圾车多路阀是整体组合式，需统一布置于车厢前端，通过液压管路实现前部车厢内推板缸、车厢与填装器之间举升缸的动作和后部填装器刮板缸、滑板缸、翻桶缸的动作控制,该布置方式对于手动操作而言，不方便、不安全，优点是多路阀价格低，可统一布管，成本低，初期使用较多。

如前所述，目前流行的压缩式垃圾车多路阀分前阀和后阀。综合而言，性能卓越的多路阀设计选型通常采用整体铸造式，其性能优于分片组合式，并且系统各处的油压可按不同需要设成不同等级，这种多等级的系统与等压力系统相比，可大大降低液压系统故障率，降低能耗，还能延长元件和构件寿命。

5.2 专用压缩油路块

欧美环卫车起步早，技术性强，压缩机构工作通常采用专用压缩油路块控制，该油路块可控制压缩机构的刮板张开、滑板下行、刮板刮合、滑板上行等动作。它集四个阀于一体，专用于填装垃圾作业（压缩车的主要功能），具有控制程序、实现快动、过载保护等多个功能，并且顺序阀是节能型的。与传统的分离式液压阀相比，此阀功能齐全，体积小，安装简单，故障率极低，它还具有不怕污水和震动的优点。该油路块还具有滑板上行油量自锁功能。遇到较大障碍物，刮板可自行开启避让，避免了对压缩机构的损坏，从而保证了车辆的正常使用，保护车体部件和作业者的安全。根据滑板缸外置与内置，油路块配置也不同。油路块外形如图3，滑板缸外置专用压缩油路块液压原理图见图9，滑板缸内置专用压缩油路块国内使用较少，在此不作介绍。

5.3 双向压缩功能

专用双向压缩油路块集成了高压外控先导顺序阀和低压背压溢流阀，使推板油缸逐次渐进回缩，可使箱内垃圾处处填实，垃圾压缩均匀有效，压缩密度更高，扩大了实际装载能力。油路块背压力及开启压力应根据实际情况进行调整，防止背压阀开度过大或背压力偏小，为防止推板后退过快或出现冲击现象，回路中一般还设置节流阀。

使用范围：小型压缩式垃圾车车厢长度短，垃圾压缩较为均匀，一般无需双向压缩功能。大中型压缩车车箱长度长，垃圾压缩前松后紧，垃圾压缩密度低，且后部垃圾压缩密度高，整车轴荷分配也不合理。因此大中型压缩式垃圾车大多配备双向压缩功能。其液压原理图如图4[2]和图9推板下部。

5.4 自动加速功能

电控自动加速定速系统：汽车发动机转速由电磁气阀通过油门气缸控制，当液压系统处于工作状态时，电磁气阀通气，发动机转速提高；当液压系统处于不工作状态时，电磁气阀断气，发动机回到怠速状态。一般地发动机转速需控制在1 200 r/min以下。电控自动加速定速系统可节省燃油，减小噪声影响，达到系统合理节能与降噪的目的。

手动辅助加速系统：为满足手动控制时发动机转速要求，可单独设计手动辅助加速器。

6 液控系统设计思想及主要配置型式分析

液控系统一般由手动操作、电动控制和手电两用等几种型式。根据压缩式垃圾车整车结构，液控系统配置应首先考虑功能模块性能和控制系统操作的安全稳定和方便性。现代压缩式垃圾车，液控系统基本控制模式是手电两用，电动为主，手动为辅。就操作的安全方便性而言，操控位置至关重要，压缩式垃圾车主要有三个控制位置。具体说来，装载垃圾的电控按钮、手控手柄全部集中在后部填装器右侧面，以控制位于填装器内上部的后阀，为主油路；垃圾桶倾倒机构的手电两套操作装置也布置在该处，以控制后阀，为副油路；填装器升降、推铲工作的电控操作装置布置在驾驶室内，而手控手柄布置在车厢右侧前端面上，距地面高约1.5 m处，以控制前阀，为副油路；卸载时填装器底板垃圾清理按钮也布置在驾驶室内。

总之，压缩式垃圾车操控系统主要操控位置有三个，分别是室内按钮盒操作、室外车箱右前部手动操作和填装器右后部的按钮盒及手动操作。操控型式有两种，分别是电控、手动操作。无论实现哪个动作，上述的操控布置设计都能给操作人员一个可视性最强、最安全、最便于操作的位置（如图5）。

图5 控制系统操作布置图

7 电控系统技术发展及设计分析

压缩式垃圾车电控技术发展经历了三个主要阶段：继电器控制技术→PLC控制技术→CAN总线控制技术。其技术性能随发展过程不断提升。

继电器控制技术具有控制简单可靠、价格低、易维护等优点，在早期车辆设计中得到广泛使用。缺点是其控制逻辑采用硬件接线，连线多且复杂，功能灵活性和可扩展性受到限制。

PLC控制技术即可编程序控制器，是将控制内容编成软件程序。程序控制使电路变得简单，故障率低，寿命长，便于维修。电气线路由输入电路和输出电路组成。输入电路由开关、按钮及压力继电器等输入信号元件构成，并能实现系统自锁、互锁，起到安全保护的作用，输入电信号通过输出电路，使多路阀上相应的电磁铁通电而产生动作，从而控制多路阀换向，使液压系统运作。

PLC控制技术能够实现自动化作业，装载机构可实现一次或连续作业，也可实现单独动作，且具有故障自诊断功能，在较长时间内得到了迅速推广和广泛使用。缺点：一旦出现故障，用户维修难度大；另外，随着车载计重收费、实时网控等功能的增多，该技术线束越来越复杂，可靠性有所降低，且不能与底盘主机总线信息进行功能交流和互动，发展前景受到一定制约，随着技术进步，车载CAN总线技术应运而生。

CAN总线技术是目前环卫车最高级的控制技术。它将各控制单元形成一个完整的系统，并与主机达到信息共享互动，使用线束更少，稳定性更强，传输速率更高。

电控系统设计应注意几个互锁：举升缸举升不到位，推板不能推出，清理按钮不起作用；锁紧拉钩锁紧到位后，才能实现装载；装载及超载转换设置互锁功能。

8 液控系统的主要配置型式

根据多路阀控制型式及电控技术的发展，压缩式垃圾车液控系统配置型式主要有以下几种型式。

8.1 组合多路阀与手动控制配置型式

8.1.1 纯手动控制配置型式

早期的压缩式垃圾车，多路阀用手操纵手柄推动阀芯运动，分别控制各自的功能，即纯手动操作，是经典的配置型式。各阀分别控制填装器的举升降落、推板的推出收回、刮板的张开刮合、滑板的下行与上行、上料机构的翻转与回落。

该方式优点：通用性强，操作简单可靠，对水、尘、杂质不敏感，油路清洁度要求低，故障率低，维修也较方便，早期更适合国情。缺点：组合多路阀统一布置在车箱前部与驾驶室之间，各功能模块分别实现控制，结构件较多，而控制系统根据实际操作需要分布在整车前后不同的位置，因此推拉软轴跨距大，布置复杂；另外纯手动操作，操作频度高，劳动强度大，故纯手动操作一般仅在低流量、低压力的小型压缩式垃圾车上配置，发挥其操纵力小、操作频度低、简单经济可靠等特点，该型式目前一般不单独采用，却是复合控制的标配模式之一，其液压原理图如图6。

图6 纯手动控制液压原理图

8.1.2 自动返程阀控制配置型式（半手动操纵模式）

分前后两阀，前部两联阀分别控制填装器举升和推板推出卸货，手控或气控（驾驶室内操作）。后部三联阀，其中一联阀控制翻桶装置，另两联阀分别控制装载机构的刮滑板动作。工作原理：同时操作刮滑板控制受柄，由于是串联阀，靠近进油口处阀先动作（刮板阀先动），当压力达到设定数值时，手柄自动跳回中位，刮板停止工作，接着滑板动作，当压力增大到设计数值时，手柄自动跳回中位，滑板停止工作，完成了刮板张开、滑板下行动作。之后再同时操作刮板和滑板阀片手柄往相反方向，即实现刮板刮合、滑板上行动作，装载系统完成一个工作循环。该型式优点：省略一组顺序阀，刮滑板操作只需手动一次，劳动强度较上述手动控制型式减小一半。缺点：无连续动作，一般仅在中、小车型上配置，经济性和可靠性亦较强，该型式目前国内很少采用。

8.2 电磁换向多路阀

电磁换向阀利用多路阀两端的电磁铁推动阀芯移动控制液流方向。由于用电操纵，宜于实现自动化和远距离控制，但电磁铁吸力较小，控制力亦有限，在压缩式垃圾车上一般不单独采用，通常作为电液控制阀、电控气动阀的先导控制。

8.3 液动换向多路阀

液动换向阀是利用压力油通过控制油路来操纵阀芯运动的。由于液动换向可产生很大的力，因此适用于大流量阀。单一控制的液动换向多路阀在压缩式垃圾车上也很少采用。

8.4 电液动换向多路阀

电液多路阀使用范围广，由电磁换向阀和液动换向阀组合在一起构成电液换向阀，具有两种阀的优点，属于二级阀。电磁换向阀起先导级作用，液动换向阀作为主阀。其工作过程是将阀芯端部容腔与外部控制油路相连，由控制力较小的电磁阀为先导，驱动液动力较大的液压阀控制多路阀换向。该种操纵方式操纵力大，适用于高压、大流量的压缩式垃圾车，因需专用的控制回路，成本较高，但该种操作自动化程度高，适用于各种车型。早期的日韩压缩式垃圾车多采用此操控模式，日韩某车型液压原理图如图7。国内压缩式垃圾车压缩装载功能常采用普通换向阀+顺序阀型式实现，成本较低，图8为某车型电液-手动复合控液压原理图。

图7 日韩压缩式垃圾车电液控制阀液压原理图

图8 配顺序阀的电液-手动复合控液压原理图

图9 配油路块的电控气动-手动复合控液压原理图

8.5 电控气动-手控手动双重复合控系统（简称手电两用式）

该控制系统采用电控气动—手动手控的双操作模式，电控为主，点动操作，手动为辅，拉杆操作。

电气控制多路阀由电磁阀通电控制多路阀端部的气缸实现多路阀的换向，相对于电液动换向阀，电控气动换向阀具有成本低，使用方便，气路泄漏相比液压泄漏影响小等特点，是目前使用量最广，经济性最强，可靠性较高的一种控制方式。

先进的多路阀具有电控和手控两套操控机能，电控时靠压缩空气推动阀杆，手控时靠手柄操控阀杆，即电控气动—手控手动两用式多路阀操作控制系统。

电控式的优点是操作轻便、自动化程度高、装载垃圾作业可一次循环完成，也可进行连续循环控制，轻便省力、省时。卸料功能模块，是通过推板控制和填装器升降控制，采用电控与手控两种控制方式，电控在驾驶室内，手控在车厢前端右侧。推卸垃圾、填装器升降、清理填装器中残余的垃圾等控制均可在驾驶室内电控完成。

手动式作为辅助，可在室外完成。常用于微动调整或应急情况，且两套操作系统的手柄、按钮均布置在对使用者最方便、易于接近的最安全的位置。而有些产品，全车的手动操控手柄全集中在一起，布置在同一个位置，结果使用手控功能时不能面视机构动作，不方便，不安全。

总之，双重复合控系统充分考虑了操作方式灵活轻便可靠、工作效率高的实用性优点，是当今压缩车最先进的操作方式。某车型液压原理图如图9[3]，它是通过专用压缩油路块实现装载压缩功能，成本虽高，但性能更强，欧美及国内高端产品常采用此种型式，液压油路为先进的双泵双回路。

9 结语

压缩式垃圾车液控系统各功能技术关联性强，配置型式复杂多样，设计时应根据不同的使用需求，合理配置。近年来新能源环卫车发展迅速，双动力、混合动力或纯电动压缩式垃圾车技术应用越来越广泛，整车底盘动力有的外接电源，有的车载电池动力两套系统或纯电池动力系统，其取力及控制系统方面局部会有一定变化，此时应根据实际情况做出合理的配置设计。此外对于底盘无气源或国Ⅵ压缩式垃圾车，可通过相应技术实现加速功能。总之，压缩式垃圾车液控技术处于动态发展中，环卫产品专业技术人员需要根据新技术的发展不断总结创新，实现配置技术的不断升级换代。