壓縮式垃圾車液控系統配置型式設計分析

丁兆青1 彭習倫2

1.青島中汽特種汽車有限公司 山東青島 266109

2.廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司 湖南長沙 410100

1 前言

壓縮式垃圾車（本文指后裝壓縮式垃圾車）、自裝卸式垃圾車、車廂可卸式垃圾車是城鎮垃圾收運的主要裝備。壓縮式垃圾車因其具有操控簡單方便，能夠對垃圾進行破碎壓縮，大大提升裝載及運輸效率，減緩城市交通壓力，實現生活垃圾的即時收運和無害化處理，日益成為城鎮環衛部門生活垃圾收運的重要裝備。

壓縮式垃圾車自動化程度高，液控系統功能模塊技術復雜多樣，為不同地區的廣大環衛用戶提供了更多選擇，滿足了市場不同的需求。根據壓縮式垃圾車液控系統技術的不同特點，本文介紹了壓縮式垃圾車液控系統設計的主要配置型式。

2 整車結構及功能概述

2.1 整車結構

整車結構由底盤、車廂、填裝器、自動上料機構及液控系統組成。車廂內部裝有推板，推板由推板油缸驅動，可以沿車廂邊板兩側的導軌滑動，推板油缸伸出時將垃圾推出，收回時可以起到背壓或封閉車廂前端作用。車廂后部裝有填裝器，上部通過鉸鏈連接，下部通過鎖緊拉桿或鎖鉤連接，實現污水密封。車廂和填裝器之間裝有舉升油缸，舉升油缸控制填裝器升降或鎖緊機構動作。填裝器內裝有滑板刮板裝載機構，分別由滑板油缸和刮板油缸驅動，沿填裝器兩側的滑槽按序滑動和擺動，將垃圾刮合并壓入車廂內。填裝器后部裝有自動上料機構（俗稱機械手），可將垃圾桶或垃圾斗內的垃圾倒入填裝器內（如圖1）。

2.2 主要裝置功能模塊之關系

由圖1所介紹的整車結構可以看出，壓縮式垃圾車主要有三大功能模塊：一是整車后部的自動上料機構；二是填裝器的刮板滑板裝載系統；三是車廂內推板及填裝器舉升系統組成的卸載裝置。這三大功能模塊，分別按照圖1中所設定的四個順序動作有序運行，實現城鎮生活垃圾的高效收集與轉運。在三大功能模塊中因裝載、自動上料作業頻度高，操作強度大，作業環境惡劣，其性能是液壓操作系統設計中尤其考慮的重點。整車結構主要裝置功能關系如圖2。

圖1 整車結構

圖2 整車結構主要裝置功能關系圖

圖3 專用壓縮油路塊

圖4 雙向壓縮油路塊原理圖

2.3 液控系統設計思路、工作原理及組成

液壓系統采用串聯油路的開式系統，由齒輪泵供油，齒輪泵的動力由取力器從變速箱取力供給，取力器的取力采用電氣掛擋，通過操縱駕駛室內儀表盤上的取力器按鈕開關來完成。在油泵進油口和油箱回油口分別設置粗、精濾油器各一個，使供給液壓系統的工作油保持清潔。由油泵供出的高壓油經多路閥，根據工作規程按序分配給各組油缸回路，以驅動工作裝置完成裝卸垃圾的功能。液壓系統中設置有溢流閥起限制系統最高壓力作用。汽車發動機轉速由電磁氣閥通過油門氣缸控制，當液壓系統處于工作狀態時，電磁氣閥通氣，發動機轉速提高；當液壓系統處于不工作狀態時，電磁氣閥斷氣，發動機回到怠速狀態。

液壓與控制系統由動力源、執行機構、多路閥及控制系統、雙向壓縮功能、電控及自動加速功能等組成。

3 動力源及輔助系統設計

包括取力器、液壓泵以及由取力器到液壓泵的傳動機構、液壓油箱及管路等。

3.1 取力器的確定

取力器一般要求底盤自帶，其傳動比選定遵循的基本原則是在滿足專用裝置所需功率的前提下，應選擇發動機的經濟轉速，此時發動機的燃油經濟性最好。發動機轉速較低或較高，都不利于節油的原則。

3.2 液壓泵及其回路的選型

液壓泵根據其排量q、壓力p確定。排量q(mL/r)滿足

式中Q為液壓泵流量， m3/t，可按執行元件的最大工作流量和回路的泄漏量確定；n為液壓泵額定轉速。

液壓泵的最大工作壓力為：

式中，P1為執行元件的最大工作壓力，MPa；ΣΔP1由液壓泵出口到執行元件進口之間的壓力損失，MPa,可選取經驗數值ΣΔP1=0.5～1.5 MPa[1]。

液壓泵的安裝方式，小型壓縮式垃圾車可采用直連方式，即液壓泵與取力器直接相連。大中型壓縮式垃圾車一般通過傳動軸與取力器相連。

壓縮式垃圾車作業環境惡劣，液壓泵一般選用抗污染能力強的齒輪油泵。根據采用的液壓泵及液壓管路數量，可分為單泵單回路系統和雙泵雙回路系統。

3.2.1 單泵單回路系統

對于小型壓縮式垃圾車可采用單只定量泵系統，其排量以滿足主系統的要求為準，當然在為低流量系統供油時（如機械手），輸入大于輸出，油路泄荷較為嚴重，造成部分能源浪費，油溫上升快，長期使用，會影響到元件的壽命。因此這種油路成本較低，整體性能較差。圖6、圖7、圖8為單泵單回路系統。

3.2.2 雙泵雙回路系統

各執行機構采用流量大小不同的雙聯高壓油泵供給液壓油。雙聯高壓油泵組成主、副兩條油路。大泵（主泵）油路向裝載壓縮、推板卸載提供動力，因為該系統需大流量、高壓力；小泵（副泵）油路僅支持后填裝器舉升、翻桶上料等系統，由于這兩個系統流量需求小，壓力也不高，由小泵支持。雙泵雙回路系統見圖9。

該回路優點：其輸入輸出匹配合理，較單泵系統過載泄荷少，既減少功率損失節省燃油，又可使不同系統同時工作，實現裝載系統連續循環，節省時間提高效率，該功能是雙泵系統獨有的。另外因液壓油泄荷小，系統升溫小，油溫溫升可控制在70以下，可以提高液壓件的使用壽命，減少維修費用；因泵的流量分配合理，所需發動機功率小，發動機轉速低（一般工作轉速1 000 r/m左右），故發動機噪音小。

另外還有一種情況：推板流量需求雖大，但考慮到占載率低，有的廠家將推板油路由小泵提供，也比較符合實際工況。

4 各功能執行機構設計分析

各機構執行油缸只需做往復運動便可實現功能，故各油缸采用雙作用單級油缸，推板缸行程較大，采用雙作用多級油缸，比較特殊的是日韓壓縮式垃圾車舉升缸為單作用單級油缸。綜合經濟性和性價比，大中小型壓縮式垃圾車系統壓力一般設計為15～21 MPa。各油缸工作壓力可根據實際工況受力分析進行確定，活塞直徑由最大工作壓力及最大作用力計算，最大行程由各機構所需極限位置確定。

4.1 滑板缸的布置型式

滑板缸布置有內置與外置兩種型式。內置和外置就是滑板缸分別位于填裝器左右邊板內部和外部兩側布置。兩種型式各有特點，分述如下：

滑板缸外置，相對于內置，其優點為：一是裝載機構提得高，垃圾回落少，裝載效率高；二是缸筒端在下，裝載作用力大；三是有桿腔在上，滑板下行速度快；四是容易實現連續工作循環；五是安裝及維修方便。

缺點：一是額外占用空間，對自動上料機構、擺臂吊拉油缸布置可能有一定影響；二是滑板缸外置，為增加整車美觀性，一般需設計側罩。

從壓縮式垃圾車的綜合性能來說，筆者認為滑板缸外置更具有優越性。

4.2 推板缸

推板缸采用多級雙作用液壓缸，可減少布置空間，容積效率高，其安裝位置應根據受力合理設計最大推卸角度，使推板缸水平分力最大，同時兼顧安裝距較小，車廂有效容積較大。

4.3 舉升缸

舉升缸兼做鎖緊缸，為單級雙作用油缸。日韓壓縮式垃圾車中，舉升缸為單級單作用缸，增加一只鎖緊缸，如圖7中間部分。填裝器舉升缸裝有防爆閥，即使油管破裂，填裝器也不會下降，確保人身安全，如圖8左側，圖9右側部分。

4.4 翻桶缸、提升缸

翻桶缸、提升缸為單級雙作用缸。對于普通機械手和翻簸箕機械手，可采用雙缸驅動，根據結構需要，油缸可采用上置或下置布置，下置受力合理，為常見布置型式。對于多功能機械手，需采用四缸傾倒機構，液壓動作為順序閥控制，如圖7左側部分。

5 多路閥、油路塊、雙向壓縮功能及自動加速系統設計分析

5.1 多路閥的布置選型

多路閥是壓縮式垃圾車液壓系統性能的重要部件，它的型式決定著液控系統的布置、性能優劣和不同的經濟性。

早期的壓縮式垃圾車多路閥是整體組合式，需統一布置于車廂前端，通過液壓管路實現前部車廂內推板缸、車廂與填裝器之間舉升缸的動作和后部填裝器刮板缸、滑板缸、翻桶缸的動作控制,該布置方式對于手動操作而言，不方便、不安全，優點是多路閥價格低，可統一布管，成本低，初期使用較多。

如前所述，目前流行的壓縮式垃圾車多路閥分前閥和后閥。綜合而言，性能卓越的多路閥設計選型通常采用整體鑄造式，其性能優于分片組合式，并且系統各處的油壓可按不同需要設成不同等級，這種多等級的系統與等壓力系統相比，可大大降低液壓系統故障率，降低能耗，還能延長元件和構件壽命。

5.2 專用壓縮油路塊

歐美環衛車起步早，技術性強，壓縮機構工作通常采用專用壓縮油路塊控制，該油路塊可控制壓縮機構的刮板張開、滑板下行、刮板刮合、滑板上行等動作。它集四個閥于一體，專用于填裝垃圾作業（壓縮車的主要功能），具有控制程序、實現快動、過載保護等多個功能，并且順序閥是節能型的。與傳統的分離式液壓閥相比，此閥功能齊全，體積小，安裝簡單，故障率極低，它還具有不怕污水和震動的優點。該油路塊還具有滑板上行油量自鎖功能。遇到較大障礙物，刮板可自行開啟避讓，避免了對壓縮機構的損壞，從而保證了車輛的正常使用，保護車體部件和作業者的安全。根據滑板缸外置與內置，油路塊配置也不同。油路塊外形如圖3，滑板缸外置專用壓縮油路塊液壓原理圖見圖9，滑板缸內置專用壓縮油路塊國內使用較少，在此不作介紹。

5.3 雙向壓縮功能

專用雙向壓縮油路塊集成了高壓外控先導順序閥和低壓背壓溢流閥，使推板油缸逐次漸進回縮，可使箱內垃圾處處填實，垃圾壓縮均勻有效，壓縮密度更高，擴大了實際裝載能力。油路塊背壓力及開啟壓力應根據實際情況進行調整，防止背壓閥開度過大或背壓力偏小，為防止推板后退過快或出現沖擊現象，回路中一般還設置節流閥。

使用范圍：小型壓縮式垃圾車車廂長度短，垃圾壓縮較為均勻，一般無需雙向壓縮功能。大中型壓縮車車箱長度長，垃圾壓縮前松后緊，垃圾壓縮密度低，且后部垃圾壓縮密度高，整車軸荷分配也不合理。因此大中型壓縮式垃圾車大多配備雙向壓縮功能。其液壓原理圖如圖4[2]和圖9推板下部。

5.4 自動加速功能

電控自動加速定速系統：汽車發動機轉速由電磁氣閥通過油門氣缸控制，當液壓系統處于工作狀態時，電磁氣閥通氣，發動機轉速提高；當液壓系統處于不工作狀態時，電磁氣閥斷氣，發動機回到怠速狀態。一般地發動機轉速需控制在1 200 r/min以下。電控自動加速定速系統可節省燃油，減小噪聲影響，達到系統合理節能與降噪的目的。

手動輔助加速系統：為滿足手動控制時發動機轉速要求，可單獨設計手動輔助加速器。

6 液控系統設計思想及主要配置型式分析

液控系統一般由手動操作、電動控制和手電兩用等幾種型式。根據壓縮式垃圾車整車結構，液控系統配置應首先考慮功能模塊性能和控制系統操作的安全穩定和方便性。現代壓縮式垃圾車，液控系統基本控制模式是手電兩用，電動為主，手動為輔。就操作的安全方便性而言，操控位置至關重要，壓縮式垃圾車主要有三個控制位置。具體說來，裝載垃圾的電控按鈕、手控手柄全部集中在后部填裝器右側面，以控制位于填裝器內上部的后閥，為主油路；垃圾桶傾倒機構的手電兩套操作裝置也布置在該處，以控制后閥，為副油路；填裝器升降、推鏟工作的電控操作裝置布置在駕駛室內，而手控手柄布置在車廂右側前端面上，距地面高約1.5 m處，以控制前閥，為副油路；卸載時填裝器底板垃圾清理按鈕也布置在駕駛室內。

總之，壓縮式垃圾車操控系統主要操控位置有三個，分別是室內按鈕盒操作、室外車箱右前部手動操作和填裝器右后部的按鈕盒及手動操作。操控型式有兩種，分別是電控、手動操作。無論實現哪個動作，上述的操控布置設計都能給操作人員一個可視性最強、最安全、最便于操作的位置（如圖5）。

圖5 控制系統操作布置圖

7 電控系統技術發展及設計分析

壓縮式垃圾車電控技術發展經歷了三個主要階段：繼電器控制技術→PLC控制技術→CAN總線控制技術。其技術性能隨發展過程不斷提升。

繼電器控制技術具有控制簡單可靠、價格低、易維護等優點，在早期車輛設計中得到廣泛使用。缺點是其控制邏輯采用硬件接線，連線多且復雜，功能靈活性和可擴展性受到限制。

PLC控制技術即可編程序控制器，是將控制內容編成軟件程序。程序控制使電路變得簡單，故障率低，壽命長，便于維修。電氣線路由輸入電路和輸出電路組成。輸入電路由開關、按鈕及壓力繼電器等輸入信號元件構成，并能實現系統自鎖、互鎖，起到安全保護的作用，輸入電信號通過輸出電路，使多路閥上相應的電磁鐵通電而產生動作，從而控制多路閥換向，使液壓系統運作。

PLC控制技術能夠實現自動化作業，裝載機構可實現一次或連續作業，也可實現單獨動作，且具有故障自診斷功能，在較長時間內得到了迅速推廣和廣泛使用。缺點：一旦出現故障，用戶維修難度大；另外，隨著車載計重收費、實時網控等功能的增多，該技術線束越來越復雜，可靠性有所降低，且不能與底盤主機總線信息進行功能交流和互動，發展前景受到一定制約，隨著技術進步，車載CAN總線技術應運而生。

CAN總線技術是目前環衛車最高級的控制技術。它將各控制單元形成一個完整的系統，并與主機達到信息共享互動，使用線束更少，穩定性更強，傳輸速率更高。

電控系統設計應注意幾個互鎖：舉升缸舉升不到位，推板不能推出，清理按鈕不起作用；鎖緊拉鉤鎖緊到位后，才能實現裝載；裝載及超載轉換設置互鎖功能。

8 液控系統的主要配置型式

根據多路閥控制型式及電控技術的發展，壓縮式垃圾車液控系統配置型式主要有以下幾種型式。

8.1 組合多路閥與手動控制配置型式

8.1.1 純手動控制配置型式

早期的壓縮式垃圾車，多路閥用手操縱手柄推動閥芯運動，分別控制各自的功能，即純手動操作，是經典的配置型式。各閥分別控制填裝器的舉升降落、推板的推出收回、刮板的張開刮合、滑板的下行與上行、上料機構的翻轉與回落。

該方式優點：通用性強，操作簡單可靠，對水、塵、雜質不敏感，油路清潔度要求低，故障率低，維修也較方便，早期更適合國情。缺點：組合多路閥統一布置在車箱前部與駕駛室之間，各功能模塊分別實現控制，結構件較多，而控制系統根據實際操作需要分布在整車前后不同的位置，因此推拉軟軸跨距大，布置復雜；另外純手動操作，操作頻度高，勞動強度大，故純手動操作一般僅在低流量、低壓力的小型壓縮式垃圾車上配置，發揮其操縱力小、操作頻度低、簡單經濟可靠等特點，該型式目前一般不單獨采用，卻是復合控制的標配模式之一，其液壓原理圖如圖6。

圖6 純手動控制液壓原理圖

8.1.2 自動返程閥控制配置型式（半手動操縱模式）

分前后兩閥，前部兩聯閥分別控制填裝器舉升和推板推出卸貨，手控或氣控（駕駛室內操作）。后部三聯閥，其中一聯閥控制翻桶裝置，另兩聯閥分別控制裝載機構的刮滑板動作。工作原理：同時操作刮滑板控制受柄，由于是串聯閥，靠近進油口處閥先動作（刮板閥先動），當壓力達到設定數值時，手柄自動跳回中位，刮板停止工作，接著滑板動作，當壓力增大到設計數值時，手柄自動跳回中位，滑板停止工作，完成了刮板張開、滑板下行動作。之后再同時操作刮板和滑板閥片手柄往相反方向，即實現刮板刮合、滑板上行動作，裝載系統完成一個工作循環。該型式優點：省略一組順序閥，刮滑板操作只需手動一次，勞動強度較上述手動控制型式減小一半。缺點：無連續動作，一般僅在中、小車型上配置，經濟性和可靠性亦較強，該型式目前國內很少采用。

8.2 電磁換向多路閥

電磁換向閥利用多路閥兩端的電磁鐵推動閥芯移動控制液流方向。由于用電操縱，宜于實現自動化和遠距離控制，但電磁鐵吸力較小，控制力亦有限，在壓縮式垃圾車上一般不單獨采用，通常作為電液控制閥、電控氣動閥的先導控制。

8.3 液動換向多路閥

液動換向閥是利用壓力油通過控制油路來操縱閥芯運動的。由于液動換向可產生很大的力，因此適用于大流量閥。單一控制的液動換向多路閥在壓縮式垃圾車上也很少采用。

8.4 電液動換向多路閥

電液多路閥使用范圍廣，由電磁換向閥和液動換向閥組合在一起構成電液換向閥，具有兩種閥的優點，屬于二級閥。電磁換向閥起先導級作用，液動換向閥作為主閥。其工作過程是將閥芯端部容腔與外部控制油路相連，由控制力較小的電磁閥為先導，驅動液動力較大的液壓閥控制多路閥換向。該種操縱方式操縱力大，適用于高壓、大流量的壓縮式垃圾車，因需專用的控制回路，成本較高，但該種操作自動化程度高，適用于各種車型。早期的日韓壓縮式垃圾車多采用此操控模式，日韓某車型液壓原理圖如圖7。國內壓縮式垃圾車壓縮裝載功能常采用普通換向閥+順序閥型式實現，成本較低，圖8為某車型電液-手動復合控液壓原理圖。

圖7 日韓壓縮式垃圾車電液控制閥液壓原理圖

圖8 配順序閥的電液-手動復合控液壓原理圖

圖9 配油路塊的電控氣動-手動復合控液壓原理圖

8.5 電控氣動-手控手動雙重復合控系統（簡稱手電兩用式）

該控制系統采用電控氣動—手動手控的雙操作模式，電控為主，點動操作，手動為輔，拉桿操作。

電氣控制多路閥由電磁閥通電控制多路閥端部的氣缸實現多路閥的換向，相對于電液動換向閥，電控氣動換向閥具有成本低，使用方便，氣路泄漏相比液壓泄漏影響小等特點，是目前使用量最廣，經濟性最強，可靠性較高的一種控制方式。

先進的多路閥具有電控和手控兩套操控機能，電控時靠壓縮空氣推動閥桿，手控時靠手柄操控閥桿，即電控氣動—手控手動兩用式多路閥操作控制系統。

電控式的優點是操作輕便、自動化程度高、裝載垃圾作業可一次循環完成，也可進行連續循環控制，輕便省力、省時。卸料功能模塊，是通過推板控制和填裝器升降控制，采用電控與手控兩種控制方式，電控在駕駛室內，手控在車廂前端右側。推卸垃圾、填裝器升降、清理填裝器中殘余的垃圾等控制均可在駕駛室內電控完成。

手動式作為輔助，可在室外完成。常用于微動調整或應急情況，且兩套操作系統的手柄、按鈕均布置在對使用者最方便、易于接近的最安全的位置。而有些產品，全車的手動操控手柄全集中在一起，布置在同一個位置，結果使用手控功能時不能面視機構動作，不方便，不安全。

總之，雙重復合控系統充分考慮了操作方式靈活輕便可靠、工作效率高的實用性優點，是當今壓縮車最先進的操作方式。某車型液壓原理圖如圖9[3]，它是通過專用壓縮油路塊實現裝載壓縮功能，成本雖高，但性能更強，歐美及國內高端產品常采用此種型式，液壓油路為先進的雙泵雙回路。

9 結語

壓縮式垃圾車液控系統各功能技術關聯性強，配置型式復雜多樣，設計時應根據不同的使用需求，合理配置。近年來新能源環衛車發展迅速，雙動力、混合動力或純電動壓縮式垃圾車技術應用越來越廣泛，整車底盤動力有的外接電源，有的車載電池動力兩套系統或純電池動力系統，其取力及控制系統方面局部會有一定變化，此時應根據實際情況做出合理的配置設計。此外對于底盤無氣源或國Ⅵ壓縮式垃圾車，可通過相應技術實現加速功能。總之，壓縮式垃圾車液控技術處于動態發展中，環衛產品專業技術人員需要根據新技術的發展不斷總結創新，實現配置技術的不斷升級換代。