一種垃圾桶清洗車液壓系統(tǒng)設(shè)計計算

陶湘廳，羅麗芳

（1.長沙普羅科環(huán)境裝備有限公司，長沙 410128；2.中航工業(yè)長沙中傳機械有限公司，長沙 410200）

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，中國城市垃圾桶數(shù)量不斷增長。據(jù)統(tǒng)計，未實施垃圾分類收集前，一個城市垃圾桶的數(shù)量平均達到2萬個。隨著垃圾分類政策的落地及垃圾分類處理系統(tǒng)的建設(shè)，垃圾桶數(shù)量將成倍增長[1]。垃圾桶作為一種垃圾收集裝置，必須定時定點對其進行清洗和消毒，以免滋生大量細(xì)菌病毒和蟲蠅，影響人們的日常生活和身體健康。目前，垃圾桶清洗大多采用人工的方法，即一邊用水沖洗，一邊用抹布擦洗，容易造成二次污染。環(huán)衛(wèi)工人手持水槍沖洗是較為先進的方式，但沒有適當(dāng)?shù)膱龅睾驮O(shè)備，清洗完后污水橫流，反而擴大了污染面積[2]。

垃圾桶清洗專用車具有垃圾桶清洗和污水回收雙重功能，能自動對垃圾桶內(nèi)壁和桶蓋進行沖洗，對垃圾桶外壁進行刷洗，也可根據(jù)需求添加洗滌劑和消毒劑；同時水箱的水可以循環(huán)使用，作業(yè)效率高。通過清洗，從根本上消除垃圾桶細(xì)菌病毒滋生的隱患，解決城市垃圾桶的清潔問題[3]。目前國外已設(shè)計出垃圾桶清洗車，而國內(nèi)只有幾家公司。垃圾桶清洗車的心臟是液壓系統(tǒng)，根據(jù)以往的經(jīng)驗設(shè)計此款垃圾桶清洗專用車的液壓系統(tǒng)，期望運用此液壓系統(tǒng)的垃圾桶清洗車可以提高清洗效果，為垃圾桶清洗專用車的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 垃圾桶清洗車

垃圾桶清洗車因要同時能對2個120 L、2個240 L或者1個120 L與1個240 L的標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶的筒體外部進行刷洗、內(nèi)部和桶蓋內(nèi)外進行沖洗，且又要在多個部位進行高壓水噴灑，所以執(zhí)行機構(gòu)比較多。垃圾桶清洗車結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示；垃圾桶清洗機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 垃圾桶清洗車結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 垃圾桶清洗機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

該垃圾桶專用車選用福田國六底盤5186HJEFA-1AD001，對應(yīng)的變速箱為DC6J95TA，輸入最大扭矩為830 N·m，最大輸入轉(zhuǎn)速為2 600 r/min。根據(jù)護欄清洗車清洗護欄和洗掃車清掃地面的轉(zhuǎn)速經(jīng)驗，選取垃圾桶筒體立刷自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速350～400 r/min；公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速根據(jù)垃圾桶清洗效率，選擇0.5～1 r/min。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 取力器選取

目前市面上專用車上裝動力除采用副發(fā)動機或外部動力單元外，基本都是采用取力器從底盤直接取力。取力器從底盤上取力的方式主要有飛輪取力(即直接從發(fā)動機取力)、離合器取力、一軸取力及變速器取力。其中變速器取力又包括變速器前置取力、后置取力、頂取力、側(cè)置取力等。取力器輸出方式也多種多樣，有單輸出、雙輸出、帶法蘭輸出、內(nèi)外花鍵輸出、直接連泵等[4]。

綜合考慮整車性價比和同時又要給水泵動力的情況，該車取力器采用變速器側(cè)置取力、帶法蘭雙輸出取力，選取某公司4205ZLHO4-010AAS的取力器。確定取力器具體參數(shù)為：速比為1.08，輸出軸1與發(fā)動機旋向相反，輸出軸2與發(fā)動機旋向相同，輸出方式為BJ212法蘭，最大輸出扭矩為450 N·m，最大輸出功率為40 kW，操縱方式為遠距離電控氣操作[5-6]。

2.2 高壓水泵選取

根據(jù)前期用手持噴槍對垃圾桶清洗流量和壓力的經(jīng)驗，選取UDER高壓水泵，具體型號為NX-C85/120。高壓水泵具體參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min；額定流量為85 L/min；額定壓力為12 MPa。經(jīng)計算，水泵的輸入功率P水=20 kW，水泵的輸入扭矩M水=135 N·m。

2.3 液壓油泵和馬達選取

該垃圾桶清洗車液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。該系統(tǒng)中要求內(nèi)噴頭上下油缸、內(nèi)噴頭旋轉(zhuǎn)馬達、桶蓋清洗油缸與立刷公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)馬達都能同時動作，考慮到同時動作的機構(gòu)比較多，一個油泵難以實現(xiàn)，初步選定雙聯(lián)泵[7]。因立刷公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)要同時動作，油路是串聯(lián)，但轉(zhuǎn)速相差比較懸殊，因此公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速需要采用馬達加減速機降速處理。

圖3 垃圾桶清洗車液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)水泵確定發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速為：

式中：N為發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速，r/min；i為取力器速比；n為水泵額定轉(zhuǎn)速，r/min。

將i=1.08，n=1 450代入式（1）得N=1 566 r/min。

因發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為1 566 r/min，而垃圾桶筒體立刷自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為350～400 r/min，故要采用小排量的雙聯(lián)泵和大排量的馬達才能協(xié)調(diào)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與立刷自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之間的差值。選取某公司CBTLB-F310/F308系列的雙聯(lián)泵，小泵給立刷自轉(zhuǎn)馬達和立刷公轉(zhuǎn)馬達供油，大泵給其他執(zhí)行元件供油；立刷自轉(zhuǎn)馬達選取某公司BMS-25系列馬達，立刷公轉(zhuǎn)馬達選取某公司BMS-250系列馬達，減速機選用某公司的馬達驅(qū)動渦輪蝸桿減速機，減速比為50。

大泵輸出流量按下式計算[8]：

式中：Q大為大泵輸出流量，L/min；V大為大泵排量，cm3；n為取力器輸出轉(zhuǎn)速，r/min；ηv為泵的容積效率，一般取0.85～0.95，本設(shè)計取0.9。

將V大=10，n=1 450， ηv=0.9代入式（2）得Q大=13.05 L/min。同理得出小泵輸出流量Q小=10.44 L/min。

大泵輸入扭矩按下式計算：

式中：M大為大泵輸入扭矩，N·m；V大為大泵排量，cm3；ΔP為進出油口壓差，MPa；ηm為機械效率，一般取0.88～0.92，本文取0.9。

將 V大=10， ΔP=160， ηm=0.9代入式 （3） 得 M大=28.3 N·m。同理得出小泵輸入扭矩M小=22.6 N·m。

大泵輸入功率按下式計算：

式中：P大為大泵輸入功率，kW；Q大為大泵輸出流量，L/min；ΔP為進出油口壓差，MPa；ηt為總效率，一般取0.75～0.88，本文取0.8。

將 Q大=13.05， ΔP=160， ηt=0.8代入式 （4） 得 P大=4.26 kW。同理得出小泵輸入功率P小=3.4 kW。

如立刷自轉(zhuǎn)馬達和公轉(zhuǎn)馬達按液壓油流動方向為第一個自轉(zhuǎn)馬達—公轉(zhuǎn)馬達—第二個自轉(zhuǎn)馬達，同時考慮各馬達的容積效率。第一立刷馬達的理論自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為376 r/min，公轉(zhuǎn)馬達理論轉(zhuǎn)速為41.8 r/min，通過減速機以后變?yōu)?.84 r/min；第二立刷馬達的理論自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為304.56 r/min，不滿足立刷自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在350～400 r/min的要求。重選第二立刷自轉(zhuǎn)馬達為某公司的BMS-20系列馬達，調(diào)整后，第二立刷馬達的理論自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為380.7 r/min，滿足要求。

垃圾桶清洗車上裝輸入總功率可按下式計算：

將 P水=20， P大=4.26， P小=3.4代入式 （5） 得 P總=27.66 kW。

垃圾桶清洗車上裝輸入總扭矩可按下式計算：

將 M水=135， M大=28.3， M小=22.6代入式（6）得 M總=185.9 N·m。

水泵輸入功率、大泵輸入功率與小泵輸入功率三者之和為27.66 kW，小于取力器的最大輸出功率40 kW；同時水泵輸入扭矩、大泵輸入扭矩與小泵輸入扭矩之和為185.9 N·m，小于取力器的最大輸出扭矩450 N·m；故取力器選取滿足要求。雙聯(lián)泵轉(zhuǎn)速和流量滿足各執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速和流量要求，各馬達轉(zhuǎn)速和流量的選擇滿足垃圾桶清洗車清洗機構(gòu)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的要求，故雙聯(lián)泵和各馬達的選取滿足垃圾桶清洗車整體性能要求。

3 驗證

通過轉(zhuǎn)速測量儀測量水泵和各馬達的轉(zhuǎn)速在設(shè)計值的3%以內(nèi)波動，滿足設(shè)計要求。清水箱裝滿3 000 L清水，循環(huán)利用時可連續(xù)清洗300個標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶，單個垃圾桶平均用水量僅為10 L。垃圾桶連續(xù)清洗2 min后，外壁和內(nèi)壁清洗效果分別如圖4～5所示。

圖4 垃圾桶外部刷洗效果圖

圖5 垃圾桶內(nèi)部沖洗效果圖

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)垃圾桶清洗模式的不足，設(shè)計了一種新型的垃圾桶清洗專用車的液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)的垃圾桶清洗車能同時自動清洗兩個垃圾桶的內(nèi)壁、桶蓋和外壁，清洗效率高，1 min可以清洗1個垃圾桶，且清洗后的廢水能回收循環(huán)利用，采用刷洗加高壓射流技術(shù)大大提高了清洗效果，達到水資源的最大化利用，單個垃圾桶平均用水量僅為10 L。該系統(tǒng)適用于流動清洗作業(yè)或遠距離清洗作業(yè)，相比目前手持高壓噴槍清洗垃圾桶具有更好的清洗效果，減輕了環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度，改善了作業(yè)環(huán)境，同時提高水資源的利用率，為城市垃圾桶清洗專用車的設(shè)計提供了理論與實物基礎(chǔ)。