孔德軍 單龍

徐州徐工環(huán)境技術(shù)有限公司 江蘇徐州 221004

1 前言

目前，壓縮式垃圾車在生活垃圾收運(yùn)過程中，至少需要司機(jī)及操作工共兩名人員。作業(yè)過程中需要專人將垃圾桶移動(dòng)到位，并鉤掛好后，才能收集垃圾。如垃圾投放桶為1 000 L以上的自制鐵桶時(shí)，還需要叉車輔助裝料，垃圾桶現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖1所示。

此種作業(yè)模式效率較低，成本較大。為改變這一現(xiàn)狀，筆者特研發(fā)了一款自抓取壓縮式垃圾車，其自動(dòng)化程度高，可一鍵操作，提升了作業(yè)效率，降低了人力成本。

2 自抓取壓縮式垃圾車的總體設(shè)計(jì)

圖1 垃圾桶現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖

2.1 總體布局

自抓取壓縮式垃圾車是在普通載貨汽車底盤的基礎(chǔ)上，加裝生活垃圾收集專用設(shè)備的專用車輛。生活垃圾收集專用設(shè)備主要由后門、箱體、投料箱、壓縮裝置、收集裝置、自卸裝置和底盤等組成。其中，收集裝置位于投料箱右側(cè)外部，是一種自抓取式裝置，能實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動(dòng)抓取、自動(dòng)傾料、自動(dòng)放置等工作。壓縮裝置位于投料箱的內(nèi)側(cè)，能實(shí)現(xiàn)垃圾的自動(dòng)壓縮過程。自卸裝置位于箱體前部，能實(shí)現(xiàn)垃圾的卸料。自抓取壓縮式垃圾車總體布置如圖2所示。

圖2 自抓取壓縮式垃圾車總體布置圖

2.2 收集裝置設(shè)計(jì)

在填料箱側(cè)面，設(shè)計(jì)安裝了收集裝置，用于垃圾桶的抓取、提升、傾倒、歸位。該收集裝置由導(dǎo)軌總成、提升裝置、掛桶裝置、壓桶裝置、抱桶裝置及推拉油缸等組成，收集裝置如圖3所示。

圖3 收集裝置機(jī)構(gòu)示意圖

收集裝置機(jī)構(gòu)工作原理為：作業(yè)車輛在接近垃圾桶行駛過程中，駕駛室內(nèi)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)檢測(cè)收集裝置與垃圾桶對(duì)中情況。車輛行駛到位后，駕駛員按下裝載按鈕，推拉油缸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌總成擺出，同時(shí)掛通裝置根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自行調(diào)整對(duì)接高度，當(dāng)掛桶裝置與自制鐵桶（或240 L標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶）的距離到達(dá)標(biāo)定值后（如圖4），提升裝置進(jìn)行提升動(dòng)作，通過掛通裝置的掛扣或掛齒實(shí)現(xiàn)自制鐵桶或240 L標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶的掛桶，掛桶檢測(cè)到位后，提升裝置繼續(xù)提升（如掛齒檢測(cè)到位后，抱桶裝置完成抱桶動(dòng)作），壓桶裝置通過導(dǎo)軌總成的軌道實(shí)現(xiàn)自行壓桶（如圖5）。當(dāng)掛桶裝置被提升到導(dǎo)軌總成末端后，提升裝置繼續(xù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)掛桶裝置的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，將自制鐵桶內(nèi)的生活垃圾傾倒到壓縮腔內(nèi)（如圖6）。提升裝置停留5 s后下行，完成脫桶及復(fù)位，以滿足下一次作業(yè)。

圖4 收集裝置擺出示意圖

圖5 收集裝置提桶示意圖

圖6 收集裝置翻轉(zhuǎn)示意圖

2.3 壓縮裝置設(shè)計(jì)

壓縮裝置位于投料箱內(nèi)部，包括推頭、蓋板Ⅰ、蓋板Ⅱ和壓縮油缸。兩交叉的壓縮油缸活塞桿與推頭鉸接，缸頭與填料箱前板鉸接。推頭在壓縮油缸的作用下可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成投料箱里生活垃圾的壓縮。蓋板Ⅰ位于推頭上側(cè)，蓋板Ⅱ位于蓋板Ⅰ上側(cè)，防止有生活垃圾灑落到推頭后部。壓縮裝置如圖7所示。

圖7 壓縮裝置示意圖

2.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車主要有以下幾部分液壓控制動(dòng)作。

a.垃圾上料。推拉油缸將導(dǎo)軌總成擺出，提升油缸或抱桶油缸將自制鐵桶（或240 L標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶）固定于掛桶裝置上，提升油缸將垃圾倒入填料腔內(nèi)，如圖8所示。

圖8 上料模塊液壓原理圖

b.垃圾壓縮。壓縮油缸驅(qū)動(dòng)推頭將垃圾從投料箱推入車箱內(nèi)，當(dāng)車箱內(nèi)生活垃圾較少時(shí)，液壓系統(tǒng)差動(dòng)，推頭快速前進(jìn)。當(dāng)車箱內(nèi)生活垃圾較多，液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到10 MPa時(shí)，取消差動(dòng)，推頭慢速前進(jìn)，將垃圾壓實(shí)，如圖9所示。

圖9 壓縮模塊液壓原理圖

c.垃圾卸料。后門油缸將后門鎖鉤打開，自卸油缸舉升，將生活垃圾傾倒出車箱，如圖10所示。

圖10 卸料模塊液壓原理圖

2.5 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

所有動(dòng)作過程，都采用邏輯保護(hù)自動(dòng)控制，確保安全性。各動(dòng)作控制流程如下：

a.垃圾上料控制流程。按下裝載按鈕后，導(dǎo)軌總成擺出，收集裝置與自制鐵桶（或240 L標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶）接近到位后，掛桶裝置動(dòng)作，完成掛桶（抱桶）后，提升裝置提升，提升到位后，將生活垃圾倒入投料箱。收集裝置停留5 s后，提升裝置下降脫桶后，收集裝置歸位。上料模塊控制流程如圖11所示。

圖11 上料模塊控制流程圖

b.垃圾壓縮控制流程。投料箱里垃圾達(dá)量后，按下壓縮按鈕，邏輯保護(hù)自測(cè)通過后，推頭快速壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，推頭慢速壓縮。壓縮力達(dá)到設(shè)定數(shù)值之后，推頭復(fù)位。控制程序設(shè)有滿箱和故障報(bào)警功能。壓縮模塊控制流程如圖12所示。

圖12 壓縮模塊控制流程圖

c.垃圾卸料控制流程。按下卸料按鈕，后門打開，自卸油缸舉升箱體，卸完生活垃圾后，箱體復(fù)位，后門鎖緊。卸料模塊控制流程如圖13所示。

圖13 卸料模塊控制流程圖

3 液壓油缸校核計(jì)算

液壓缸安裝距及行程，主要依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最小及最大行程確定。

根據(jù)液壓缸推力大小和選定的工作壓力來計(jì)算液壓缸內(nèi)徑，計(jì)算公式如下：

式中，D為液壓缸內(nèi)徑，m；F為液壓缸推力，N；P為選定的工作壓力，MPa。

當(dāng)活塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下，僅承受軸向載荷時(shí)，活塞桿直徑直接按單拉壓強(qiáng)度考慮，計(jì)算公式如下：

式中，d為活塞桿直徑，m；[σ]為活塞桿材料的許用應(yīng)力，MPa；當(dāng)活塞桿為碳鋼時(shí)，[σ]=100～120 MPa。

對(duì)于中高壓液壓系統(tǒng)，塑性材料缸體應(yīng)按第四強(qiáng)度理論計(jì)算缸筒厚度，計(jì)算公式如下：

式中，δ為液壓缸缸筒厚度，m；D為液壓缸內(nèi)徑，m；Py為試驗(yàn)壓力，工作壓力P≤16 MPa時(shí)，Py=1.5P；工作壓力P≥16 MPa時(shí),Py=1.25P；[σ]為缸筒材料的許用應(yīng)力，當(dāng)缸筒為碳鋼時(shí)，[σ]=100～120 MPa。

經(jīng)計(jì)算，求得各油缸參數(shù)如表1所示。

4 安全性計(jì)算

若車輛不傾翻，需滿足公式:

式中，M1為上裝力矩，Nm；M2為底盤力矩，Nm；G1為上裝的質(zhì)量，N；G2為底盤的質(zhì)量，N；L1為上裝的力臂，m；L2為底盤的力臂，m。

通過計(jì)算可得，M2=103 176 Nm＞M1=27 301 Nm，可見車輛不會(huì)出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象。

5 結(jié)語

樣車已通過檢測(cè)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。目前，該車型已小批量投入市場(chǎng)，交予客戶使用，使用情況良好。后期將繼續(xù)關(guān)注該產(chǎn)品使用情況，進(jìn)一步優(yōu)化、提升產(chǎn)品性能，使該款產(chǎn)品能夠更好地服務(wù)于生活垃圾清運(yùn)工作。