后装压缩式垃圾车的车箱设计

庞小兰 姚嘉宁

摘要：在选定的二类汽车底盘参数基础上，确定了后装压缩式垃圾车箱体的结构形式，然后进行了车厢主要参数的设计。同时，完成了对推板的设计校核，从而得出当增加车箱容积时，需要重新对车箱和推板设计进行计算分析，以提高垃圾车的承载能力。

关键词：垃圾车；车厢设计；推板设计与校核

中图分类号：U463  收稿日期：2023-01-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.013

1 研究背景和意义

据统计，国内的年总垃圾的产生量已经达到18亿t以上。在人们生活水平不断提高的同时，每年的垃圾产生量在不断大量增长，近年的垃圾年增长率达10%～15%。由于城市规模的发展，城市建设的不断扩大发展，使得城市垃圾成了城市建设中的问题。这些垃圾需要被及时清理，否则将会严重影响我们的生产生活，因此垃圾车是城市垃圾清运的发展方向。

本文设计了一种后装式垃圾车，该车能对垃圾进行压缩和装载，更好地降低运输成本，提高工作效率[1]。

2 总体方案设计

2.1 垃圾车类型确定

第一种方案选择侧装式垃圾车。在进行清运垃圾的时候，垃圾是在侧面进行装运的，这样比较方便，但不对垃圾进行压缩。这种垃圾车使用于特定垃圾处理中，一般运用人工处理，操作简单，制造成本比较低。设计缺点是不能实现全自动的侧装，实现的装载量比较小，无法在转运中进行污水处理。

如图1所示，侧装压缩式垃圾车主要由箱体、推料机构、起升机构和液压后门组成。起升机构将垃圾倒入箱体后，推板油缸将推板向后推送，将垃圾压实并产生一定的背压。当箱体中装满垃圾需要倾倒时，后门打开，推板油缸推动推板将垃圾推出车外，之后油缸收缩并回到原位。这种垃圾车在对垃圾进行压缩的时候，采用的方式是推板推出[2]。这种压缩方式非常好用，比传统依靠重力的方式好用很多，且不容易造成堵塞，并且能使垃圾车的重心保持在垃圾车中部的位置，使得垃圾车运行更为稳定。

第二个方案是后装式垃圾车。后装式垃圾车在应用场景上有别于侧装式垃圾车，其工作原理是填料器结构，填料器有下放和上扬的两个传动结构形式，下放后的结构如图2所示，整个结构通过底部的连接实现传动，厢体自动实现密封，这样的结构在使用上能够达到平稳和驾驶便捷的特点。

在工作过程中，当填料器装置上扬布置时，整个的填料器结构可以在传动系统的作用下实现油缸的工作传动 ，环绕旋转轴实现上扬到90°，如图3所示，这样的结构形式可以对垃圾进行全部的排出，同时整车重心后移，所以不利之处表现为爬坡能力降低。因此，在不影响装载的情况下，设计时回转支撑应该前移。

2.2 技术要求确定

根据前期的调研结果，本次设计选取垃圾车车厢的空间为12 m3，且在设计时遵循GB/T 7258-2017《机动车安全技术条件》。

本文以某公司生产的ZJV5160ZYSHBE型压缩车作为对标产品进行参考，选用EQ1168KJ型自卸车底盘，然后根据此底盘参数设计车厢，主要技术见表1。

2.3 总体方案确定

侧装压缩式垃圾车主要由箱体、推料机构、起升机构和液压后门组成。其中，箱体装载垃圾，箱体侧面安装起升机，由油缸给力提升，可将垃圾桶吊上、放下、上下升降，上下一次工作循环时间为50 s。

如圖4所示，后装压缩式垃圾车的工作流程为：起升机构将垃圾倒入箱体后，推板油缸将推板向后推送，将垃圾压实并产生一定的背压。当箱体中装满垃圾需要倾倒时，后门打开，推板油缸推动推板将垃圾推出车外，之后油缸收缩并回到原位。采用推板推出的方式，和传统车箱上举靠重力卸料的方式相比，可以避免由于过分压缩的垃圾膨胀堵塞在车厢内，同时还可以防止卸料时重心过于后移而翻车。

3 后装式垃圾车车箱的设计

3.1 确定车箱结构形式

根据标准要求，垃圾车车身的比例必须符合实用功能，车辆在道路行驶过程中要带给人视觉上的舒服感，这就要求车身的比例协调[2]。部分垃圾车主要是采用流线型的结构样式（图5），这种结构比较美观，可以实现承受更大的膨胀力。

还有一种方形结构形式，如图6所示，这种设计采用在提高整体框架刚度的同时增加了产品美观性，因此本次设计采用方形结构箱体。

3.2 车箱设计

3.2.1 车箱前围板设计

车箱前围板设计如图7所示，尺寸和质量分别如下：

前板尺寸：2 270 mm×1 520 mm×4 mm。

钢板质量：N1=7.85×103×2.2×0.8×4×10-3 kg=55.26 kg

加强肋质量：N2=68.05 kg

前板总质量：m=N1+N2=123.31 kg

3.2.2 车箱左右栏板设计

车箱侧板设计如图8所示，各参数设计如下：

侧板尺寸：3 920 mm×1 670 mm×4 mm

钢板质量：N1=102.99 kg

加强肋质量：N2=177.14 kg

双侧板总质量：m=（N1+N2）×2=560.25 kg

3.2.3 车箱后部设计

车箱后框架设计如图9所示，各参数设计如下：

后板尺寸：2 270 mm×1 520 mm×5 mm

钢板质量：N1=7.85×103×2.2×0.8×5×10-3 kg=69.08 kg

加强肋质量：N2=10.007×6.8 kg=68.05 kg

后部总质量：m=N1+N2=137.33 kg

3.2.4 车箱顶部设计

车箱顶板设计如图10所示，主要参数如下：

顶板尺寸：3 197 mm×1 970 mm×8 mm

钢板质量：N1=7.85×103×4.1×2.2×5×8×10-3 kg=566.46 kg

两根长梁的质量：N2=16.981×8.2 kg=139.24 kg

两根长梁之间的加强肋质量：N3=29.56 kg

两边矩形管的质量：N4=5.658×8.2 kg=46.04 kg

其余加强肋的质量：N5=59.04 kg

车箱顶部的总质量：m=840.74 kg

3.2.5 车箱总装配图

根据某专用汽车公司生产的压缩式垃圾车观察，所设计的垃圾车车箱容积为12 m3，所以确定车箱形状和尺寸参见图11和图12。

3.3 车箱材料选取

车箱材料的选择非常重要，需要根据实际的需求和条件，来选择最为合适的材料，同时也要考虑性价比。

垃圾车箱体主要分为底板、侧板、前板和后板，不同部位的板所受到的作用力是不一样的，根据其受到的作用力的区别决定其板材的选择。其中底板所受到的作用力最大，为了满足承重的需求，钢板需要选择较厚的钢板，侧板和前板由于承受的作用比不是很大，所以其钢板的选择不要太厚，能够满足正常的使用需求就行，而对于后板，虽然和侧板、前板的情况差不多，但是它在车箱后面还能够起到防撞的作用，为了安全起見，后板钢材的厚度要比侧板和前板要厚。

综合以上因素考虑：车箱钢板全部选用选Q235钢板（GB/T 33963-2017《载重汽车车厢厢体用钢板和钢带》），顶板厚度为4.0 mm，车箱侧板和前板厚度为4.0 mm。

车箱底部主要受到货物的重力和作用力，尽量避免拉挂货物以及合理解决外观问题，因此选择结构用矩形冷弯空心型钢，其结构如图13所示。其中，H为长边；B为短边；t为壁厚；R为外圆弧半径。

在侧箱板和后箱板上加装用热轧槽钢做的加强肋，其结构如图14所示，其中，h为高度；r1为腿端圆弧半径；b为腿宽度；I为惯性矩；d为腰厚度；W为截面系数；t为平均腿厚度；i为惯性半径；r为内圆弧半径；Zo--Y-Y轴与YrY轴间距离。所选的热轧槽钢的尺寸规格如表2所示。

4 推板结构

4.1 推板机构总体方案确定

对于传统推板，当箱体容积为8.5 m3时，除去推板占用的空间，实际有效容积只有6.5 m3，垃圾的压实率约0.6 t/m3。针对传统推板存在的缺陷，本文设计一种连杆式推板机构，该机构主要由连杆、推板、推杆油缸所组成，如图15所示。

4.2 推板方案确定

根据现有后装压缩车的箱体截面，设计相应的推板结构，设计的推板外形尺寸为：长900 mm，宽1 970 mm，高1 270 mm，卸料角为42°，推板结构如图16所示。

5 三维建模及仿真分析

在此次设计中运用的三维的设计软件为Solidworks，运用该软件进行三维建模，设计出该后装垃圾车的外观以及结构。在这次的设计中，关键的结构设计有传动机构设计和推板机构设计。三维建模完成后主要对垃圾车进行仿真分析、校核以及判断方案能否达到预期效果。

5.1 三维结构设计及运动仿真

车厢采用钣金折弯焊接，整个车厢是封闭的，如图17所示，该车厢拥有足够的强度。推板装置采用液压驱动，如图18所示，整个液压缸都是铰链连接而成。总装建模如图19、图20所示，后装垃圾车是以普通垃圾车改造的，使其实现倒垃圾的自动化功能。

5.2 推板的静力学有限元分析

此次有限元分析软件使用的是ANSYS19.0。为防止推板变形应力过大，预设有加强筋的推板，如图21所示。

a.将三维模型导入分析模块中，如图22所示。

b.材料属性设置，如图23所示。新增算例并且选择车架的材料为Q235钢的密度7 890 kg/m3，泊松比0.269，杨氏模量209 GPa，屈服强度为235 MPa。

c.网格划分。进入Mesh划分步骤，插入Body Size，选择所有实体，然后在Element Size中输入网格尺寸为50 mm，同时插入网格划分方法Method，选择四面体网格Tehrahedrons划分，设置完成之后单击Mesh选择Generate Mesh生成网格，如图24所示。

d.载荷及约束设置。对支撑推板机构的铰链座进行固定。在工具栏中选择Supports→Fixed Support，在弹出的详细设置窗口选择底部两个面并确定，如图25所示。施加外载荷。右键单击Static Structure，选择Insert→Force，如图26所示。此车设计的载重垃圾约为1 t，因此需要在推板施加载荷10 000 N。选择受力外表面，方向向后。

e.模型求解。右键单击Solution，选择Insert，分别插入Equivalent Stress、Tatal Deformation和Directional Deformation，最后进行结果分析，具体内容如图27、图28和图29所示。

此板受力可以满足施加载荷10 000 N；可见是蓝色的受力很多，看不到红色受力集中，设计三维安全。由分析结果可知，推板主要变形部位为上部，最大变形量为0.312 mm，因此可撤销加强筋的设计。撤销加强筋设计推板，如图30所示。

将推板导入ANSYS软件进行仿真，操作方法同上，具体步骤不再赘述，最后生成的结果如图31、图32和图33所示。从结果图可以看出，推板受到的最大应力为10.722 MPa，不超过限定屈服强度，其余地方最大值小于材料的许用应力，推板安全，校核完成。

6 结语

在垃圾车整体的设计基础之上，需要对其进行三维建模。建模是一种非常好的方法，能够在没有实物的时候利用仿真技术，对垃圾车的各个零件进行测试，判断其是否能够达到预设的要求，还能够从整体的角度进行测试，判断各个关键部件以及组合是否达到预期。本文设计的垃圾车并不是那种大型的垃圾清理车，这种垃圾车整体尺寸不大，适合在小区内部使用。

参考文献：

[1]田亚忠弧型厢压缩式垃圾车车厢改进设计研究[D]青岛：青岛理工大学，2019.

[2]赵婉兵，刘壮基于城市垃圾分类处理的小型分类垃圾车设计研究[J]美与时代（上），2020（12）：106-109.

作者简介：

庞小兰，女，1982年生，副教授，研究方向为汽车电子控制技术。