鄭金明

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司 364028

1 前言

后裝壓縮式垃圾車主要用于城市生活垃圾，商業(yè)垃圾，無毒、無腐蝕性和無放射性垃圾的收集與運輸。后裝壓縮式垃圾車在收運模式上無需建站，中間環(huán)節(jié)小、設(shè)備利用率較高，因而在眾多城市垃圾收運處理上得到了廣泛應(yīng)用。然而，后裝壓縮式垃圾車普遍存在著垃圾上料通用性較差，導(dǎo)致各地收集垃圾的模式大不相同，如有規(guī)格不一的垃圾桶收集、板車收集以及人力三輪車收集等。故此，須對不同的垃圾收集模式，有針對性地設(shè)計垃圾車的上料機構(gòu)。目前，在后裝壓縮式垃圾車上應(yīng)用較多的垃圾斗容積為0.9～1.2 m3，由于垃圾斗上料機構(gòu)的設(shè)計并非相同，因此對不同的垃圾斗上料機構(gòu)進行分析和比較很有必要。

2 垃圾斗上料機構(gòu)的驅(qū)動形式

后裝壓縮式垃圾車?yán)飞狭蠙C構(gòu)主要有以下3種驅(qū)動形式：

a. 固定回轉(zhuǎn)支點(在同一平面轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中固定支點不變)設(shè)置在垃圾斗上，由油缸直接驅(qū)動固接在垃圾斗上的擺臂，從而帶動垃圾斗回轉(zhuǎn)。這種機構(gòu)稱為液動連桿式垃圾斗上料機構(gòu)[1]，如圖1所示。

b. 垃圾斗固結(jié)在連桿上，由油缸驅(qū)動搖桿，雙搖桿帶動連桿亦即帶動垃圾斗回轉(zhuǎn)。這種機構(gòu)稱為雙搖桿式垃圾斗上料機構(gòu)，如圖2所示。

c. 固定回轉(zhuǎn)支點設(shè)置在垃圾斗上，通過油缸驅(qū)動擺臂、擺臂帶動拉桿，拉桿帶動垃圾斗回轉(zhuǎn)。這種機構(gòu)稱為雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)，如圖3所示。

3 垃圾斗上料機構(gòu)的工作原理

3.1 液動連桿式垃圾斗上料機構(gòu)

液動連桿式垃圾斗上料機構(gòu)由油缸支座、油缸、翻轉(zhuǎn)支座、翻轉(zhuǎn)軸、擺臂、垃圾斗、防風(fēng)罩等組成。主要應(yīng)用于大型的后裝壓縮式垃圾車上。它采用雙作用單級油缸直接驅(qū)動固接在垃圾斗上的擺臂，以帶動垃圾斗回轉(zhuǎn)。垃圾斗的容積在1.6～2 m3范圍，垃圾上料時通常隨板車一起進入垃圾斗中，通過垃圾斗內(nèi)設(shè)置的固定裝置固定住板車，隨著垃圾斗的翻轉(zhuǎn)，板車內(nèi)的垃圾滑落到垃圾斗中，再通過垃圾斗直接溜滑到填料器中。由于垃圾斗合蓋后高出填料器頂部，為減小行車阻力，通常須設(shè)置防風(fēng)罩(如圖4)。由于整套機構(gòu)采用液動連桿機構(gòu)，擺臂起始位置的翻轉(zhuǎn)力臂較??；為了獲得較大的翻轉(zhuǎn)力矩，在系統(tǒng)工作壓力一定時，油缸的缸徑要大。由于起始位置垃圾斗的質(zhì)心距離翻轉(zhuǎn)軸中心較遠(yuǎn)，使得垃圾斗(含垃圾)自身抗翻轉(zhuǎn)力矩最大。因而，整套上料機構(gòu)需要采用較大缸徑和行程較長的油缸，以及加固的擺臂和厚實的垃圾斗結(jié)構(gòu)。這就導(dǎo)致這種機構(gòu)自重很大，約為600～700 kg。當(dāng)垃圾上料機構(gòu)翻轉(zhuǎn)到垃圾斗合蓋位置時，由于垃圾斗的質(zhì)心位置處于填料器的上方，即質(zhì)心的力矩不再作為傾翻力矩，因此液動連桿式垃圾斗上料機構(gòu)可以不必設(shè)置垃圾斗固定裝置。

圖5為液動連桿式垃圾斗上料機構(gòu)原理圖。油缸支座與油缸聯(lián)接軸簡化為C點，油缸與擺臂的聯(lián)接軸簡化為B點，擺臂與翻轉(zhuǎn)支座的聯(lián)接軸(翻轉(zhuǎn)軸)簡化為A點，A、B、C三點均為鉸接點，擺臂簡化為AB，垃圾斗簡化為輪廓線示意。

從圖5可以看出，上料在起始位置時，油缸推力相對于A點的力臂最短，垃圾斗質(zhì)心相對于A點的力臂最長，因此起始位置油缸推力最大。

3.2 雙搖桿式垃圾斗上料機構(gòu)

雙搖桿式垃圾斗上料機構(gòu)在中小型后裝壓縮式垃圾車上應(yīng)用較多。它主要由固定支座、擺臂、搖桿、油缸、翻轉(zhuǎn)架、垃圾斗、垃圾斗固定裝置等組成，如圖6所示。垃圾斗固定在翻轉(zhuǎn)架上，翻轉(zhuǎn)架相當(dāng)于雙搖桿機構(gòu)中的連桿，油缸驅(qū)動擺臂(即機構(gòu)中另一個搖桿)，通過翻轉(zhuǎn)架和搖桿帶動垃圾斗回轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)架在回轉(zhuǎn)中會根據(jù)與地面的角度不斷變化方位，亦即垃圾斗在回轉(zhuǎn)中傾角不斷改變；考慮到垃圾的安息角，為了使垃圾斗中無殘留垃圾，上料機構(gòu)閉合位置的垃圾斗傾角須大于50°。只要合理設(shè)置雙搖桿機構(gòu)的桿件長度參數(shù)，即可以滿足垃圾斗最終傾角的要求。垃圾斗在上料時，為防止垃圾傾倒時滑落出填料器，通常在填料器上還加設(shè)引料槽，接住滑出垃圾斗的垃圾。垃圾斗合蓋后，由于垃圾斗質(zhì)心偏離至填料器一側(cè)，為防止垃圾斗傾倒，還需配有垃圾斗固定裝置。

圖7為雙搖桿式垃圾斗上料機構(gòu)原理圖。固定座與油缸的聯(lián)接軸簡化為F點，固定座與擺臂的聯(lián)接軸簡化為D點，固定座與搖桿的聯(lián)接軸簡化為A點，油缸與擺臂的聯(lián)接軸簡化為E點，擺臂與翻轉(zhuǎn)架的聯(lián)接軸簡化為C點，搖桿與翻轉(zhuǎn)架的聯(lián)接軸簡化為B點，翻轉(zhuǎn)架與垃圾斗為固定聯(lián)接，聯(lián)接點簡化為C、H點；擺臂簡化為DEC，翻轉(zhuǎn)架相當(dāng)于四桿機構(gòu)中的連桿，翻轉(zhuǎn)架簡化為BCH；A、B、C、D、E、F均為鉸接點。

雙搖桿式垃圾斗提升機構(gòu)的垃圾斗容積較小，通常在0.9～1 m3；如果變換翻轉(zhuǎn)架，就可以很容易地轉(zhuǎn)化為提升桶機構(gòu)，因而它在中小型后裝壓縮式垃圾車上得到了廣泛應(yīng)用。

3.3 雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)

3.3.1 雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)結(jié)構(gòu)

上述2種垃圾斗上料裝置，垃圾斗在合蓋狀態(tài)下，整車外觀不夠完美，而雙曲柄式垃圾斗上料機構(gòu)的設(shè)計可以有效地解決這一問題。

圖8、9為雙曲柄式垃圾斗上料機構(gòu)示意圖。垃圾斗處在合蓋狀態(tài)時，可以嚴(yán)實地合蓋在填料器上，這樣腐爛的垃圾氣味不易飄出，同時，整車的外觀得到了顯著的改善。

雙曲柄式垃圾斗上料機構(gòu)，主要由油缸支座、油缸、擺臂、擺臂支座、可調(diào)節(jié)拉桿、垃圾斗、翻轉(zhuǎn)軸等組成。機構(gòu)工作時，油缸驅(qū)動擺臂，擺臂帶動拉桿，拉桿又帶動垃圾斗繞固定的支點轉(zhuǎn)動。

3.3.2 雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)工作原理

圖9為雙曲柄式垃圾斗上料機構(gòu)原理圖。油缸支座與油缸的聯(lián)接軸簡化為F點，油缸與擺臂的聯(lián)接軸簡化為E點，擺臂與擺臂支座的聯(lián)接軸簡化為D點，擺臂與拉桿的聯(lián)接軸簡化為C點，拉桿與垃圾斗的聯(lián)接軸簡化為B點，垃圾斗與擺臂支座的聯(lián)接軸(翻轉(zhuǎn)軸)簡化為A點，A、B、C、D、E、F均為鉸接點。擺臂簡化為EDC(機構(gòu)中的曲柄)，拉桿簡化為BC，垃圾斗簡化為輪廓線，垃圾斗自身作為機構(gòu)中的曲柄AB。

設(shè)定AD為最短件，DC為最長件，將AD桿件固定，同時滿足線段長度之和AD+DC

油缸為雙作用油缸，無桿腔進油時，推動油缸活塞桿伸出，活塞桿推動擺臂DC繞固定支點D點轉(zhuǎn)動，C點以D點為圓心作逆時針圓周運動；同時擺臂DC帶動拉桿BC，拉桿BC帶動垃圾斗AB繞固定支點A點轉(zhuǎn)動，B點以A點為圓心作逆時針圓周運動；垃圾斗上設(shè)置緩沖橡膠塊，當(dāng)垃圾斗快合蓋時，油缸運動亦接近最大行程，通過緩沖橡膠塊與填料器斜面的接觸，避免垃圾斗直接碰撞填料器。

油缸有桿腔進油時，活塞桿收縮，擺臂順勢針繞D點轉(zhuǎn)動，推動拉桿即推動垃圾斗繞A點轉(zhuǎn)動；當(dāng)垃圾斗快接近地面時，油缸運動正好接近初始行程。

3.3.3 雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)受力分析

3.3.3.1 擺臂受力分析

以D鉸點為例分析(如圖10)，上料時，擺臂受到的外力為油缸的推力F1，其方向沿著油缸軸線方向；并受到拉桿的拉力F2，其方向沿著拉桿方向。假定F1、F2的力臂分別為L1、L2，并忽略擺臂的慣性力，則擺臂轉(zhuǎn)動時的力矩平衡方程為：

用CAD作圖方法，容易得到不同位置狀態(tài)下L1、L2的具體數(shù)值(如圖11)。

3.3.3.2 垃圾斗受力分析

以A鉸點為例分析(如圖10)，上料時，垃圾斗受到的外力為垃圾斗自身重力G1，垃圾重力G2，拉桿的拉力F2′，假定G1、G2、F2′的力臂分別為L4、L5、L3，并忽略垃圾斗的慣性力，則垃圾斗在轉(zhuǎn)動時的力矩平衡方程為：

用CAD作圖方法，可容易得到不同位置狀態(tài)下L3、L4、L5的具體數(shù)值(如圖11)。

3.3.4 油缸行程的確定

根據(jù)填料器離地高度、填料器進料口的縱向長度、填料器外廓斜面，以及填料器刮板的運動軌跡，可以采用以下4點確定垃圾斗的形狀及翻轉(zhuǎn)軸A點的位置。

a. 作圖確定A點，使垃圾斗內(nèi)垃圾在合蓋過程中能順利滑落到填料器中；

b. 確定垃圾斗合蓋狀態(tài)下垃圾斗底板的傾斜姿態(tài)，傾角>50°，通常取傾角60°～80°；

c. 確定垃圾斗合蓋狀態(tài)下垃圾斗側(cè)面的形狀，以此確定垃圾斗的容積；通常垃圾斗的容積取1.2 m3。

d. 確定垃圾斗開蓋狀態(tài)的姿態(tài)，以確定垃圾斗的翻轉(zhuǎn)角度：初步假定B點位置，由上述受力分析得知，B點的位置關(guān)系到油缸的推力大小，因而B點位置要調(diào)整適當(dāng)；初步確定C點位置，BC連線位置直接關(guān)系拉桿、擺臂力臂的大??；初步確定D點位置，須滿足AD+DC

圖12為依據(jù)上述方法制作的垃圾斗在不同狀態(tài)下機構(gòu)運動軌跡的平面圖，通常取0°、45°、90°、135°、150°幾種狀態(tài)下垃圾斗上料機構(gòu)的軌跡即可，檢查傳動角∠BCD是否合適。

當(dāng)ABCD雙曲柄機構(gòu)基本確定后，再確定油缸的安裝位置，方法如下：

a. 按照如圖10所示，初步擬定E1、E2點；

b. 根據(jù)油缸制作的要求，即(初始長度－行程)>(230～235)mm的原則，亦即2E1F－E2F>(230～235) mm，且油缸支座F點最好布置在填料器加強筋上，故采用CAD作圖法可以初步確定F點。

c. 油缸的行程是線段E2F與線段E1F的長度之差。

當(dāng)油缸行程和油缸的安裝都能滿足油缸的結(jié)構(gòu)尺寸及設(shè)計要求時，說明E、F點的選擇可行，否則應(yīng)反復(fù)調(diào)整E、F位置，直到找到最佳位置。

4 雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)實踐驗證

對FLM5161ZYS后裝壓縮式垃圾車進行測試，配裝的是雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)；底盤采用東風(fēng)天錦，型號為DFL1160BX4，軸距為4 500 mm。

根據(jù)底盤空間和填料器空間布置確定垃圾斗參數(shù)：外寬1 950 mm，內(nèi)寬1 842 mm，高1 108 mm，長度1 617 mm，容積1.2 m3，自重300 kg，機構(gòu)參數(shù)為AD=300 mm，AB=796 mm，BC=395 mm，DC=808 mm，DE=300 mm。

油缸參數(shù)：外徑76 mm、缸徑63 mm、桿徑35 mm，初始距離710 mm，行程455 mm。

設(shè)定液壓系統(tǒng)最大工作壓力P=16 MPa，則可以核算機構(gòu)的受力狀態(tài)F=2S·P=πD2/2P，P=16 MPa，則油缸最大推力為9.96 t。

按垃圾斗自重0.3 t，裝載垃圾0.4 t，可以計算出垃圾斗不同位置狀態(tài)下拉桿及油缸受力，如表1所示。由表1可以判定，垃圾斗在90°左右狀態(tài)位置，油缸推力、拉桿受力達到最大，由此可計算得出此時油缸所需的壓力為6.2 MPa。

表1 垃圾斗4種狀態(tài)下拉桿受力及油缸推力理論值

垃圾斗內(nèi)裝載沙包，以測試油缸壓力，結(jié)果如表2所示。

表2 垃圾斗裝載測試油缸最大壓力

表2實測油缸壓力大于油缸理論計算壓力，誤差在于未考慮到機構(gòu)運動的摩擦力及慣性力。

雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)從開發(fā)研制成功到投入市場使用兩年以來，尚未因質(zhì)量問題而進行維修；它的使用性能可靠，成本較低，改善了整車外觀，性價比較高。

5 總結(jié)

上述三種垃圾斗上料機構(gòu)各有利弊。液動連桿式垃圾斗上料機構(gòu)適合于中大型后裝式垃圾車，垃圾斗容積大，雖然垃圾上料方便，但上料機構(gòu)自重大，整車外觀不美；雙搖桿式垃圾斗上料機構(gòu)適合中小型后裝式垃圾車，垃圾斗容積小，機構(gòu)自重較輕，上料機構(gòu)通用性好，但垃圾上料稍顯不便，整車外觀不美；雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)適合中大型后裝壓縮式垃圾車，垃圾斗容積適中，機構(gòu)自重較輕，整車外觀較美，如果再配合填料器外觀設(shè)計，垃圾斗可以方便上料。因此，雙曲柄式自遮蓋垃圾斗上料機構(gòu)應(yīng)該是后裝壓縮式垃圾車的發(fā)展方向。

[1] 王文斌.機械設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社.2004.