餐廚垃圾車提桶機構(gòu)的改進設(shè)計應用研究

陳曦

摘要：為了提高車輛裝載的可靠性和穩(wěn)定性，減少提桶油缸的側(cè)向力，降低機構(gòu)故障率，提高整車的使用壽命，根據(jù)餐廚垃圾車提桶機構(gòu)的工作原理，對現(xiàn)有的鏈條式提桶機構(gòu)進行了改進設(shè)計。通過結(jié)構(gòu)上的改變解決液壓油缸內(nèi)泄的根本問題，并對改進的提桶機構(gòu)進行了理論上的受力分析和實際應用研究。

關(guān)鍵詞：餐廚垃圾車;提桶機構(gòu);改進設(shè)計;應用

中圖分類號：U469.6 收稿日期：2022—03—10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.014

1餐廚垃圾車介紹

1.1餐廚垃圾車的作用

隨著國內(nèi)城市化進程的加快，越來越多的生活垃圾隨之產(chǎn)生，其中餐廚垃圾占有相當高的比例。與其他垃圾相比，由于其具有含水量、油脂含量及有機物含量高、元素豐富等特點，因此具有很大的回收再利用價值。但是伴隨著一些不法商家對其進行收集，繼而引發(fā)了關(guān)乎民生食品安全問題，政府部門對地溝油等城市餐廚廢棄物的嚴格把控加大了力度，并對餐廚垃圾的收集進行了規(guī)范要求"。

1.2餐廚垃圾車的構(gòu)成

餐廚垃圾車主要是用于裝運食堂、賓館、飯店、餐飲業(yè)等產(chǎn)生的廚余垃圾（也稱泔水），并對收集的垃圾進行初步固—液分離，然后將它們分別運輸?shù)綇U水處理站和有機垃圾加工利用廠進行集中處理。

餐廚垃圾車主要由底盤、箱體、提桶機構(gòu)、推板、污水箱、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等構(gòu)成（圖1），完整的垃圾裝卸料過程包括垃圾桶的提升、翻轉(zhuǎn)及倒料的復位，因此提桶機構(gòu)是餐廚垃圾車裝卸垃圾的關(guān)鍵，操作人員通過操作提桶機構(gòu)將垃圾桶收集到的垃圾倒入垃圾車密封箱體內(nèi)。不斷優(yōu)化提桶機構(gòu)的設(shè)計，是改善餐廚垃圾車裝載能力和工作效率的關(guān)鍵。

2 鏈條式提桶機構(gòu)

鏈條式提桶機構(gòu)位于整車的右側(cè)中部，用于提升垃圾桶并將垃圾倒入箱體的裝載機構(gòu)。該裝置通過提升油缸帶動雙排鏈條，其中鏈條的一端固定在箱體上，另一端固定在掛垃圾桶的小車上，提升油缸通過舉升用鏈條帶動小車在導軌中運動。

2.1 工作原理

提桶機構(gòu)的工作采用液壓驅(qū)動，其主要工作原理如下：a.取力器從車輛底盤發(fā)動機獲取動力，帶動油泵旋轉(zhuǎn);b.操縱多路閥可控制提桶油缸。提桶機構(gòu)與推板設(shè)有互鎖裝置，若推板未復位，提桶機構(gòu)將無法動作，以免垃圾倒入推板前部而無法清理;c.提桶機構(gòu)及其操作位置設(shè)于車輛右側(cè)前部，將垃圾桶掛靠在提桶機構(gòu)上，通過油缸帶動提桶架進行提升和翻轉(zhuǎn)動作。當翻轉(zhuǎn)到設(shè)定角度50°時，垃圾提桶自動將垃圾倒入車箱，傾倒完畢，提桶機構(gòu)翻轉(zhuǎn)下降復位，完成一次裝料工作。

2.2 機構(gòu)組成及工作流程

鏈條式提桶機構(gòu)設(shè)在箱體的前部右側(cè)，由提桶油缸、鏈條機構(gòu)、導軌、舉升小車等組成。兩根鏈條分置于提桶油缸左右兩側(cè)，由油缸伸出端鏈輪桿帶動鏈條實現(xiàn)舉升。

如圖2所示，提桶油缸與上開蓋油缸做順序動作：提桶油缸做上升動作，投料口門自動開啟;當垃圾桶掛入掛齒內(nèi)，舉升小車在預定的軌道內(nèi)上行至壓架，垃圾桶由掛齒和壓架夾緊合為一體，帶動繼續(xù)上行至導軌終點;舉升小車不再上升，而是在油缸作用下繞轉(zhuǎn)軸做翻轉(zhuǎn)動作，將垃圾自動翻入投料口，垃圾傾倒完畢后復位。

3 鏈條式提桶機構(gòu)存在的問題分析

對于餐廚垃圾車，大部分改裝廠采用的都是鏈條式提桶機構(gòu)，但是該類機構(gòu)在使用過程中存在一定的不穩(wěn)定性，其整套動作由油缸帶動舉升小車及一桶垃圾（約240kg），舉升至車輛頂部高度2000mm位置翻轉(zhuǎn)完成。需要說明的是，餐廚垃圾是含水率高、含油率高的濕垃圾，裝載在240 L垃圾桶內(nèi)，普通生活垃圾的密度為0.5t/m3，餐廚垃圾的含水量通常高達90%左右，重量約為普通生活垃圾的兩倍。鏈條式提桶機構(gòu)的不穩(wěn)定性因素主要有如下兩個方面：

a.在舉升過程中，由于活塞桿受側(cè)向力較大，長期使用的情況下密封件易損耗，由此易造成油缸體內(nèi)液壓油內(nèi)泄，從而降低了運行速度，并影響了工作效率;b.車輛使用的聯(lián)動鏈條為等距滾子鏈，只能按節(jié)數(shù)調(diào)整，無法做到微調(diào)，影響了舉升小車的翻轉(zhuǎn)角度，且由于鏈條長期暴露在外，容易受到外溢濕垃圾的腐蝕，長時間不及時清理會影響鏈條運行的流暢性。因此，鏈條作為活動部件，需要頻繁加注黃油進行保養(yǎng)。

本文設(shè)計了一款拉桿舉升聯(lián)動開蓋機構(gòu)，利用拉桿連接舉升小車和投料口門，在油缸旋轉(zhuǎn)開啟投料口門的同時，帶動舉升小車沿導軌上升運動至導軌上止點，通過油缸運動同時實現(xiàn)了投料口門的開啟和傾倒垃圾兩項工作。

4 提升方式的改進設(shè)計

4.1 拉桿式提桶機構(gòu)的構(gòu)成

拉桿式提桶機構(gòu)由拉桿、導軌、舉升小車、投料口蓋總成、液壓缸活動端支點、液壓缸及其管路組成（圖3）。

4.2 拉桿式提桶機構(gòu)工作流程

與鏈條式提桶機構(gòu)相比，用于提升垃圾桶的舉升小車結(jié)構(gòu)基本相同，提桶液壓油缸為雙作用液壓缸。當液壓泵開始工作，液壓油推動提桶液壓油缸伸出，液壓缸推動投料口蓋總成繞著固定端支點旋轉(zhuǎn)動作，拉桿在投料口蓋總成的作用下向上沿導軌提升舉升小車，直到滑輪運行到導軌上止點停止，舉升小車將繼續(xù)在拉桿總成的帶動下繞投料口蓋的鉸接點做轉(zhuǎn)動傾倒垃圾動作。

4.3 拉桿式提桶機構(gòu)優(yōu)勢

拉桿式提桶機構(gòu)具有如下優(yōu)勢：

a.由拉桿代替鏈條并頂置左右雙油缸，則雙缸提桶穩(wěn)定性高于鏈條帶動的單油缸提桶，提桶和投料口開蓋動作合二為一;b.綜合考慮液壓閥因素，拉桿提桶機構(gòu)聯(lián)動開啟投料口蓋相比成本更低;c.從結(jié)構(gòu)上徹底解決了液壓油缸因傾倒產(chǎn)生側(cè)向力造成的車內(nèi)泄的根本問題，且避免了不能微調(diào)的翻轉(zhuǎn)角度。

5 拉桿式提桶機構(gòu)分析與計算

5.1 油缸定位要點

油缸定位點位置的選取對提桶機構(gòu)的工作穩(wěn)定性起著主導作用。油缸固定端支點的位置定位的原則是盡量使支點位置靠近提桶拉桿一側(cè)，在運動不干涉的情況下，支點位置離拉桿越近越有利。

5.2 提桶油缸計算

5.2.1 作用于活塞桿上的推力

當整個機構(gòu)處于初始位置準備提升時，單根油缸受到的推力最大（圖5），單油缸所受推力計算公式如下：

式中，G為提升裝置加上滿載濕垃圾所承受的重力，取2倍載荷500 kg;L為轉(zhuǎn)動支點到油缸旋轉(zhuǎn)中心的力臂長度，取L=187 mm;S為轉(zhuǎn)動支點到提升裝置和垃圾桶重力中心的力臂長度，mm;S，為轉(zhuǎn)動支點到重心的距離，mm。其中，在提桶機構(gòu)運動過程中，初始階段S，=1358mm最大，L最小。

5.2.2 油缸內(nèi)徑計算

式中，P為系統(tǒng)額定壓力，取10 MPa;n為油缸機械效率，取0.97。

由式（2）計算可得，D=48 mm，根據(jù)《液壓缸內(nèi)徑尺寸系列》《液壓缸活塞桿外徑尺寸系列》，參考缸徑、桿徑取值如表所示。

32 5.2.3 油缸行程

根據(jù)上海市地方標準DB31/T 681《環(huán)衛(wèi)車技術(shù)與配置要求》，提升裝置傾翻角度翻轉(zhuǎn)到大于50°時為傾倒垃圾最佳位置，確定聯(lián)動時投料口蓋最大翻轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)投料口蓋的翻轉(zhuǎn)角度要求，通過軌跡模擬和計算，初步設(shè)定油缸初始位置l，確定油缸的最大行程1，尺寸，從而計算出油缸的有效行程。經(jīng)計算，1，油缸安裝距為556mm;/油缸有效行程為298mm。

5.2.4 油缸速度和流量計算

提桶機構(gòu)上升動作時，單根油缸流量計算公式如下：

式中，T為設(shè)計提桶機構(gòu)上升動作所需時間，根據(jù)地方標準要求取10s。

提桶機構(gòu)下降動作時，單根油缸流量計算公式如下：V

式中，T為設(shè)計提桶機構(gòu)下降動作所需時間，取15s。

提桶機構(gòu)上升速度計算公式如下：

式中，L為提桶機構(gòu)運行導軌設(shè)計長度，取2030mm。

提桶機構(gòu)下降速度計算公式如下：

由于整車其他機構(gòu)需要的流量較大，目前車輛選用泵排量40 mL/r，發(fā)動機怠速800 r/min;泵的理論流量（不計算容積效率與機械效率）Q=40—800=32 L/min。

對提桶機構(gòu)的運行速度也有一定要求：當提桶機構(gòu)上升運行時間小于7 s時，因為在翻轉(zhuǎn)過程中速度過快再加上慣性作用，垃圾桶較容易損壞;當提桶機構(gòu)上升運行時間大于15 s，容易在翻轉(zhuǎn)的過程中發(fā)生濕垃圾外溢。因此，對提桶機構(gòu)液壓部分加裝截流閥很有必要，以保證提桶機構(gòu)運行速度為理論設(shè)計值。

5.3 模擬對象為吊桶機構(gòu)的Simulation有限元分析

現(xiàn)模擬舉升小車拉桿處負載5 000 N，拉桿機構(gòu)材料包括Q345和45鋼兩種，其中銷軸為45鋼，其余零部件均為Q345。選用材料參數(shù)見表2。

為了確保舉升小車的可靠性，運用Simulation模擬舉升小車拉桿末端負載5 000 N，對舉升小車從應力、位移、應變?nèi)齻€方面進行靜應力分析，得出結(jié)論如表3、圖6、圖7所示。

如圖6所示，最大位移產(chǎn)生在拉桿末端，施加5 000N的位置，需要對拉桿結(jié)構(gòu)進行加強處理，保證整個機構(gòu)運行穩(wěn)定、可靠。

分析結(jié)果：對模擬對象為掛桶機構(gòu)進行Simulation有限元分析，在舉升小車掛齒架上負載5000 N的情況下，整套機構(gòu)安全系數(shù)大于1，滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

本文總結(jié)了傳統(tǒng)的鏈條式提桶機構(gòu)的主要問題：首先，其油缸由于受側(cè)向力的作用，缸體內(nèi)部密封件受到側(cè)向擠壓，影響了密封件的使用壽命;其次，單缸提桶穩(wěn)定性不足，易造成垃圾外泄。因此對鏈條式提桶機構(gòu)進行了改進，本文采用拉桿式提桶機構(gòu)，利用拉桿舉升聯(lián)動開蓋機構(gòu)，油缸動作使投料口蓋打開的同時，通過拉桿帶動舉升小車和垃圾沿導軌拉升至卸料位置，然后油缸繼續(xù)運動完成開蓋和投料兩項工作。

改進后的拉桿式提桶機構(gòu)具有一定優(yōu)勢：a.成本低，性能穩(wěn)定，故障率低;b.結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，易于保養(yǎng);c.舉升小車上升平穩(wěn)，垃圾不易外泄;d.實現(xiàn)提桶和舉升同步，簡化了液壓控制系統(tǒng)。由于餐廚垃圾車的市場潛力大，改進后的設(shè)計優(yōu)點突出，拉桿式提桶機構(gòu)可提升裝載的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品更具競爭力。

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