一種雙油缸同步壓縮刮板裝置的設計

秦付華，張 冰，許秀美

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

根據國家統計局對生活垃圾處理分析數據顯示，2011 年以來，中國（大陸地區）城鎮生活垃圾處理量逐年升高，2015 年后生活垃圾的產生量將以每年5%左右的速度增長，2019 年全國生活垃圾清運量已達到3.43 億噸，預測2020 年我國的城市垃圾產生量將達到3.6 億噸。隨著我國城鎮化率的提升以及人口結構的復雜度深化，可以遇見未來幾年城市的生活垃圾產生量還會出現較高的增長態勢[1]。面對數以億噸的生活垃圾，國家頒布了多項改善生態環境的法規、制度，扎實推進城鎮化的現代化治理能力，實現城鎮生活垃圾處理能力全面覆蓋[2]。然而，生活垃圾首先需從產生點轉移至城市的各個垃圾中轉站、收集點，再轉運至遠離城市的郊區焚燒場、填埋場進行處理，如何保證生活垃圾便捷、可靠、高效、環保的收集和轉運，垃圾清運的載體——城市垃圾運輸車在垃圾處理過程中起到非常重要的作用[3]。

總質量3.5 t 以下的小型垃圾收運車轉彎半徑小、車身窄，小巧靈活，廣泛應用于城市老舊小區、鄉鎮、農村等道路狹窄大型環衛車難以進入區域的垃圾收運。但是，從另一方面來看，由于底盤尺寸小，其配套的廂體容積偏小。為了增加廂體的空間利用率、提高垃圾裝載量，在廂體內配置液壓壓縮刮板裝置是一個較好的方法，液壓系統驅動油缸能產生較大的推力，從而對廂體內的垃圾進行有效的壓縮。由于垃圾收集區與處理站距離較遠，有的甚至達20 多公里，偏遠農村及鄉鎮的垃圾收集工作往往比較困難，在保證安全性及車輛不超載的情況下，適當增加單臺車輛的生活垃圾收集能力，能節約人力物力成本、提高工作效率。

1 主要組成部分及功能特點

1.1 廂體總成主要部分

帶壓縮刮板裝置的垃圾收運車，其廂體總成一般主要由副車架總成、車廂前板、左側護欄、右側護欄、車廂左側板、車廂右側板、左后輪輪罩、右后輪輪罩、車廂尾門、車廂頂蓋、污水收集箱、掛桶提升機、壓縮刮板裝置等組成，如圖1（a）（b）所示。

1.2 壓縮刮板裝置主要組成部分

壓縮刮板裝置主要由控制閥組、左側導軌、右側導軌、液壓鋼管、液壓軟管、調壓閥、壓縮刮板、兩路同步馬達、刮板油缸、油缸安裝座等組成，如圖2 所示。

1.3 各主要部件功能特點介紹

（1）副車架總成：副車架總成用于安裝液壓油箱、電機油泵、控制閥組、廂體、左右后輪輪罩、左右護欄等零部件，副車架總成通過螺栓與貨車底盤縱梁或橫梁連接在一起，方便拆裝。副車架的設計關鍵在于結構的合理性，需要通過應用專業的分析軟件進行受力分析、疲勞分析、應力分析等來確定所用材料的規格、材質、形狀；另外，還需要考慮制造、裝配、焊接的工藝性可行性及可維修性。

（2）掛桶提升機：常用的掛桶提升機有側掛和后掛兩種形式，側掛是指掛桶提升機安裝在廂體的側面，垃圾桶從廂體側面提升倒料，后掛是指掛桶提升機安裝在廂體的后部，垃圾桶從廂體后面提升倒料。側掛桶提升機一般適用于120 L、240 L 的標準垃圾桶，其提料機構的傳動形式有鏈條傳動和單液壓油缸傳動兩種；后掛桶提升機則適用于120 L、240 L、660 L 的標準垃圾桶，其提料機構的傳動形式通常是雙液壓油缸傳動，通過雙液壓油缸活塞桿的回縮將提料機構拉升至一定的傾斜角度，使垃圾桶完成卸料。

（3）控制閥組：控制閥組通過閥芯位置的切換來控制液壓系統油路通斷、變向，通過安裝其上的主溢流閥來實現對主油路壓力進行調節，從而控制油泵的輸出壓力。常用的控制閥組分為手動控制閥組、電磁鐵控制閥組和電比例控制閥組3 種；其閥芯位置的切換可以通過手柄、電磁鐵、電比例元件進行控制。手柄控制閥組的優點是成本低、結構簡單、維修方便，可靠性高，缺點是必須人為進行操作，無法實現遠程控制；電磁控制閥組的優點是可靠性較好，能通過電氣控制能實現遠程操作及自動化，缺點是成本相對于手柄控制閥組要高；電比例控制閥組既有電磁控制閥組的優點，又能夠通過輸入電流的大小來控制閥芯的開度，精準控制通過閥芯的油液流量，從而對執行機構的運動或旋轉速度進行無極調節。電比例控制閥組的缺點是成本高，結構相對復雜，維修難度較大。

（4）調壓閥：安裝于液壓系統控制壓縮刮板的油路分支上，是一種帶溢流功能的壓力調節閥，通過調節調壓閥的溢流壓力，壓縮刮板可以輸出不同的推力，以滿足對不同垃圾的壓縮需求。

（5）導軌：金屬或其他材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導移動裝置或設備并減少其摩擦的一種裝置。導軌的作用是承載壓縮刮板的重量及對壓縮刮板的運行進行導向。導軌的選型需要充分考慮其承載能力及防扭變形能力。

（6）雙作用油缸：通過液壓控制，活塞桿能夠推出或縮回的液壓油缸。油缸沒有活塞桿的腔體稱為無桿腔，有活塞桿的腔體稱為有桿腔。

（7）兩路同步馬達：由加工精度較高的兩個排量相同的馬達通過一根軸剛性連接組成，由于排量相同轉速相同，兩個馬達輸出的流量也相同，則執行機構能夠實現同步動作。同步馬達一般采用鋁合金殼體和鑄鐵殼體，鋁合金殼體的同步馬達質量輕、體積小、拆裝方便，鑄鐵殼體的同步馬達能承受較高的工作壓力及適應較大的工作流量。有的同步馬達還設計有溢流微調功能，同步精度可達98%以上。

（8）壓縮刮板：屬于執行機構，通過壓縮刮板的運動對廂體內垃圾進行壓縮。液壓油缸活塞桿與壓縮刮板相連，液壓系統提供的壓力油驅動油缸的活塞桿回縮時，活塞桿拉動壓縮刮板往廂體尾門方向運動，對廂體內物料進行壓縮；當壓力油驅動油缸的活塞桿伸出時，活塞桿將壓縮刮板往車頭方向推回復位，完成一個工作循環。需要注意的是，壓縮刮板的運動距離（即油缸活塞桿行程）的確定，需要考慮掛桶提升機所適用的垃圾桶容積；比如掛桶提升機適用的是120 L、240 L 的標準垃圾桶，則刮板運動一次的壓縮容積應該大于240 L，使進料口有足夠的空間進行下一次垃圾傾倒。

2 壓縮刮板液壓系統的設計

2.1 液壓傳動系統基本構成及應用

液壓傳動系統作為液壓機械的重要組成部分之一，當進行主機整體設計時，液壓傳動系統需要匹配同時進行設計。傳統的液壓系統由五大部分組成，即動力原部分、執行機構部分、控制元件部分、輔助元件部分和液壓介質[4]。液壓傳動系統的基本回路一般包括方向控制回路、速度控制回路、壓力控制回路、同步控制回路等4 種。

液壓傳動系統廣泛應用于各類機械設備，它是各類成套設備的重要組成部分，眾多領域都有應用。制造業工廠中液壓系統幾乎無處不在，如汽車行業的壓力機、塑料行業的注塑機，鋼鐵行業的輥扎機械、機加工行業的各類機加工機床等；還有各種自動生產線中的升降設備、增壓設備、潤滑設備等；日常生產生活中常見的各種行走機械，也普遍應用到液壓系統。工程機械中的挖掘機、鉤機，汽車吊，農業機械中的聯合收割機，汽車上的液壓轉向器、減振器等，建筑業、土木工程也常用液壓系統，塔吊的提升機構、礦山鑿巖機、建筑工地的打樁機等[5]。

2.2 壓縮刮板液壓系統原理設計

壓縮刮板液壓系統主要由液壓油箱、回油過濾器、空氣濾清器、液位液溫計、冷卻器、電機液壓泵、主油路調壓閥、三位四通電磁換向閥（中位回油）、刮板油路調壓閥、兩路同步馬達、刮板油缸（雙作用油缸）、管路接頭等組成，如圖3 所示。其中，電機液壓泵為系統提供壓力油；主油路調壓閥用于控制調節油泵的輸出壓力；刮板油路調壓閥用于控制調節壓縮刮板的壓縮力；兩路同步馬達用于控制刮板油缸活塞桿伸縮動作的同步性，保證刮板運行平穩；冷卻器安裝在主回油路上，用來對液壓系統的液壓油進行冷卻，防止油溫過高；三位四通電磁換向閥（中位回油）用于控制刮板油缸活塞桿的伸縮；回油過濾器對液壓系統的液壓油進行過濾，保證油液的清潔度，有的回油過濾器上安裝有堵塞發訊器，當濾芯較臟發生堵塞時，發訊器發出報警信號提示需更換濾芯。

圖3 壓縮刮板液壓系統原理圖

根據壓縮刮板的作業情況，包括刮板壓縮和刮板復位兩組動作，液壓控制原理如下：

（1）刮板壓縮：啟動電機液壓泵，三位四通電磁換向閥8 的電磁鐵Y2 通電（P 與B 接通、A 與T 接通），油泵輸出的壓力油經三位四通電磁換向閥8 的P 至B 油口進入兩路同步馬達的P 口，經過同步分流后分別由兩路同步馬達的A 口、B 口進入刮板油缸的有桿腔，推動刮板油缸的活塞桿回縮，由于刮板油缸活塞桿與壓縮刮板相連，活塞桿回縮拉動壓縮刮板往廂體尾門方向運動，對廂體內物料進行壓縮；刮板油缸無桿腔的液壓油，則通過三位四通電磁換向閥8 的A至T 油口，經冷卻器5 回到油箱。通過刮板油路調壓閥9 的溢流壓力調節，可以得到不同的刮板壓縮力。

（2）刮板復位：啟動電機液壓泵，三位四通電磁換向閥8 的電磁鐵Y1 通電（P 與A 接通、B 與T 接通），油泵輸出的壓力油經三位四通電磁換向閥8 的P 至A 油口進入刮板油缸的無桿腔，推動刮板油缸的活塞桿伸出，活塞桿伸出推動壓縮刮板往車頭方向運動復位；刮板油缸有桿腔的液壓油，則通過兩路同步馬達的A 口、B 口合流后由其P 口流出，經三位四通電磁換向閥8 的B 至T 油口，再經冷卻器5 回到油箱。

2.3 壓縮刮板液壓系統主要元件的選型設計

2.3.1 刮板油缸的選型設計

根據實際作業要求，確定壓縮刮板裝置需要提供的理論最大壓縮力應不小于17000 N，由于壓縮刮板在導軌上運動存在一定的摩擦阻力以及液壓系統的回油管路存在背壓，為了滿足使用要求，根據經驗，在計算油缸的作用力時應乘以1.15 的系數，即最大壓縮力按17000 × 1.15 = 19550 N，分攤到單個刮板油缸提供的壓縮力為19550/2 = 9775 N。環衛車液壓系統工作壓力一般在14 ～18 MPa，工作壓力越低，則對管路接頭的密封性要求就越低（不容易發生液壓油泄漏），各液壓元件的可靠性及使用壽命也更高，因此，選擇油液系統的工作壓力為14 MPa 較合理；油缸活塞桿往復運動的速度比ψ，常用的一般有1.33、1.46、2 等幾種，選擇為ψ= 1.46 較合理。從液壓系統的原理看，刮板油缸有桿腔進油時，活塞桿回縮，刮板壓縮垃圾。

（1）液壓油缸的拉力F2計算如下：

式中：F2為液壓油缸拉力，kN；P2為工作壓力，MPa；A2為液壓油缸有桿腔作用面積，m2；ψ為油缸活塞桿往復運動的速度比；D為液壓缸直徑，m；d為活塞桿直徑，m。

根據式（2）計算得A2的值及已知ψ= 1.46，帶入式（3）（4），可得：

根據液壓缸內徑尺寸系列，取D的值為0.040 m，代入式（4），可得：

即計算的刮板油缸的內缸徑為40 mm，活塞桿直徑為22 mm。

（3）刮板油缸行程的確定：由掛桶提升機適用的標準垃圾桶最大容積來確定，刮板運動一次的壓縮容積應該大于標準垃圾桶的最大容積，以方便進料口倒料。從壓縮刮板設計尺寸（長×寬）計算得到壓縮刮板的作業面積為0.64 m2，要求刮板單次壓縮的容積為0.4 m3，則刮板油缸行程L為：

式中：L為油缸行程（m），即刮板油缸行程為625 mm。

2.3.2 液壓油泵的選型設計

根據實際作業需求，確定壓縮刮板壓縮作業時間t約為6 s，則刮板油缸活塞桿回縮速度計算得：

式中：v為刮板油缸活塞桿回縮速度，mm/s。

兩個刮板油缸有桿腔需要液壓系統提供的油液體積V為：

則需要液壓系統提供的流量Q為：

根據流量計算公式：

式中，Vp為液壓泵的排量，mL/r；n為液壓泵的轉速，r/min，取500 r/min；v為液壓泵的容積效率，取0.85。

代入式（11）計算，得到液壓泵的排量Vp= 20 mL/r，根據液壓油泵的排量系列，選取油泵的排量為20 mL/r；油泵的額定工作壓力應大于等于14 MPa。

2.3.3 驅動電機的選型

已知液壓系統的額定工作壓力為14 MPa，流量為8.7 L/min，傳動效率取0.85，則輸入功率P為：

為了預留一定的動力余量，選擇額定功率為3 kW 的驅動電機較為合適。

2.3.4 控制閥組的選型

控制閥組的選型，不僅需要考慮其工作壓力、額定通過流量是否滿足要求，還需要考慮工作可靠性及成本是否合理。控制閥組的允許最大工作壓力應大于等于液壓系統的輸出壓力，閥組內部的油路通徑大小應能滿足過流需求。如果不考慮遠程操作及智能控制方面的因素，應優先選用手柄控制閥組，既能保證使用可靠性，又可以降低整車制造成本；如果需要在駕駛室內進行作業操作，則應該選擇電磁控制閥組，通過駕駛室內的電氣控制按鈕，即可對電磁控制閥組的閥芯進行位置切換，從而控制掛桶提升機提桶落桶、壓縮刮板往復運動及廂體舉升回落等動作。由于液壓系統執行機構存在兩組以上的動作，控制閥組選用多路閥組合。多路閥一般由進油閥片、換向閥片及回油閥片三部分組成，共用進油回油通道，具有體積小、結構緊湊、重量輕、集成度高、功能齊全、工藝成熟、性能可靠等特點，在液壓系統中得到廣泛應用。

3 結語

隨著經濟的發展以及改革的深化，中國城市化水平從高速發展向高質量發展轉變。從人口的增長率、城市的發展速度以及民眾的物質消費水平的大幅度提高等各方面因素來看，城鎮人口數量逐年倍增且聚集度高，根據相關機構數據統計，2019 年，我國城鎮化率已達到60.6%。各方人源涌入城鎮，人數劇增的同時，人員的構成也越來越復雜，面對人口膨脹的壓力及人們的生活習慣的多樣性已對城鎮環境產生了重大的影響，而伴隨而來的就是生活垃圾產生量的迅速增長，如今環境隱患問題日益突出，城鎮的生活環境壓力越來越大，生活垃圾污染已成為城鎮化可持續發展的突出矛盾，生活垃圾的處理已成為國家、社會層面高度重視的民生問題[6]。 從生活垃圾的產生源頭到最終處置，經歷收集、運輸及處置3 個環節[7]。壓縮式垃圾車具備簡便、高效、壓縮比高、裝載垃圾質量大、環保性好等優點[8]。在設計液壓系統時，油泵、控制閥組、油缸、連接管路等關鍵件，應優先選用性能可靠的常規產品，以達到操作簡單、維修方便的目的。與機械或其他的傳動方式比較，液壓傳動系統具有布置靈活、運行平穩、能提供強大的推力拉力、安全性高、使用壽命長等優點。相對于單油缸壓縮刮板裝置，雙油缸同步壓縮刮板裝置，能提供更大的壓縮力、刮板運行更平穩，結構更合理，將更受客戶的青睞，越來越廣泛地使用在垃圾收運車上。