后装压缩式垃圾车液压系统设计.pdf

■霉圜T E C H N I C F O R U M 后装压缩式垃圾车液压系统设计 Desi gn of Hydr aul i c Sys t em of Back1 0adi ng Com pr essi on Ref us e Col l ec t or 郝东岳 王新艳 HAO Don g - yu e e t a l 侯 涛 山东鲁蜂专用汽车有限责任公司 山东泰安2 7 1 0 0 0 摘要 综述了后装压缩 式垃圾车的液压系统方案设 计 ，分析其专 用装置的工作特点 ，提 出液压系 统 的设计要求 ，根据设计要求进行液压元件 的选择 ，并拟定出控制回路 的不 同方案 。通过分析 比较 选择 运动 平稳性、安全性更好 的方案 ，组成综合性 能优 异的整车回路 ，以求液压系统的设 计更合 理 、更经济。 关键词压缩式垃圾车 液压 设计 Ab s t r a c t Af t e r a l l o v e r v i e w o f t he d e s i g n o f b a c k l o a d i n g c o mp r e s s i o n r e f us e c o l l e c t o r h y d r a u l i c s y s t e m ， t h e wo r king c h a r a c t e r i s t i c s o f s p e c i a l d e v i c e wa s a n a l y z e d a n d d e s i g n r e q u i r e me n t s o f h y d r a u l i c s y s t e m wa s p u t f o r wa r d ． Ba s e d o n t h e r e q u i r e me n t s ．c h o o s i n g t h e h y d r a u l i c e l e me n t a n d Ⅶ o r k i n g o u t s e v e r a l s c h e m e s o f c o n t r o l c i r c u i t ； a ft e r a n a l y z i n g a nd c o mpa r i n g t h e s c h e me wi t h o t h e r s ，c h o os i n g t h e s c h e m e s wi t h be t t e r s t a b i l i i y a nd s a f t y,wo r k i n g o u t t h e wh o l e c i r c u i t s c h e me o f t h e v e h i c l e t h a t h a ve e x c e l l e n t c o mp r e h e n s i v e p r o p e r t i e s ； t h r o u g h p r e v i o u s p r o c e s s ， o b t a i n s t h e d e s i g n r e s u l t o f d y d r a ul i c s y s t e ／ q tha t h a v e b e tte r r a t i o n a l i t y a n d e c o n o my ． Ke y wo r d s c o mp r e s s i o n r e f u s e c o l l e c t o r ； h y d r a uli c ； d e s i g n 中图分类号 U4 6 9 ．6 9 1 ．0 2 文献标识码 A 文章编号t 0 0 4 0 2 2 6 2 0 1 O O 6 ． 0 0 4 8 0 4 1 前言 随着经济的发展 ，城市规模扩大和人口密度的 日益增大 ，生 活垃圾的处理问题被凸显出来。压缩 式垃圾车作 为一种高效处理 生活垃圾的收集运输车辆 ，其社会需求也将 日益增大。压缩式垃 圾车一般 由液压系统驱动 ，液压系统性能的优劣直接影响着整车 性能，近年来国外一些性能良好的专用液压元件不断引入国内， 为提高压缩式垃圾车的性能打下了基础。为了获得更高性能的压 缩式垃圾车，下面以某后装压缩式垃圾车为例 ，对其液压系统进 行设计。 2后装压缩式垃圾车专用装置的主要部件 现以一种挂桶式 自装卸型的后装压缩式垃圾车为对象，分析 其专用结构 ，据此提出液压系统的要求 。该车的主要部件有底 盘、副车架、车厢及填装器 ，其中车厢包括推板和箱体 ，填装器 配有机械手、刮板、滑板 、锁紧机构 ，另配有污水箱。具有垃圾 压缩功能的主要部件是厢内的推板和填装器 ，由液压元件驱动 ， 完成预定的动作 ，实现垃圾的装卸和压缩 ，下面进行具体的分 析 。 2 ． 1 机械手 机械手完成将桶装垃圾倒人填装器料斗的动作。该类大 中型 车的料斗 口位置略高，一般可达l m以上，需要将垃圾桶从地面提 第 一 作 者 郝 东 岳 ， 男 ， 1 9 7 8 年生，工程师，现从事专 用车设计工作。 升到一定的高度再倾倒垃圾 ，具体动作为 a ． 将装满的垃圾桶扣 紧并向上提升到预定高度 b ． 机械手的四连杆机构带动垃圾桶向 前翻转，将垃圾倒入料斗 ；c ． 四连杆机构带动空桶 向后翻转 d ． 机械手将空桶降下放回地面。此作业要求按顺序动作 见图1 ， 否则会造成垃圾桶掉落或垃圾洒出等意外现象发生。 圈1 机械手 动作示 意图 2 ． 2 刮板、滑板 刮板和滑板两个部件配合动作可完成一次循环 ，即把装入料 斗 的垃圾推 入厢内 ，同时配合推板完成垃圾的压缩 。具体 动作 为a ． 刮板 上翻至水平 ；b ． 滑板带着刮板 下降到料斗后端 ；c ． 刮 板绕回转轴并沿圆弧形轮廓的料斗顺时针翻转约1 8 0 。将料斗 内的 垃圾挖起 ；d ． 滑板带 着刮板 上升将垃圾送入厢 内，同时进行 压 缩。此部分也要求按顺序动作 ，避免垃圾被推出车外等意外现象 发 生 见 图2 。 油缸 图2 刮板 、滑板 动作示 意 图 2 ． 3 推 板 推板有两个功 能一是将箱内的垃圾推卸出车外 ；二是作为 垃圾压缩的砧板 ，当填装器 内垃圾装载到厢内时 ，推板要能在一 定阻力下后退 ，使垃圾被压缩 ，便于进一步装载 见图3 。 2 ． 4 填装器 填装器整体作 为箱体 的后盖 ，在推卸垃圾 时可向上翻转打 开 ，并可人为操作使其在任意位置停 留；此外 ，垃圾装卸时会有 工人在车尾作业 ，填装器应具有防止意外及加速下落的功能 ，以 确保作业安全 见图3 。 、 ～一 ／ 图3 推板 、填装 器动作 示意 图 T E C H N I C F O R U M ■囤圜 3 液压 系统 方案 的拟定 3 ． 1 主要液压元件及辅件的选 择 3 ． 1 ． 1 油箱过滤元件 垃圾车工作环境恶劣 ，粉尘污染多 ，油箱应具有 良好的过滤 功能以保护元件 ，油箱应在油箱盖、回油口、吸油口分别设置空 气滤清器、回油滤清器 、吸油滤清器“ ；因污染多，滤芯更换周期 会缩短 ，针对吸油滤清器 ，为方便更换滤芯，拟采用 自封式 ，可 以在不放油的情况下更换滤芯。 3 ． 1 ． 2 执行元件 从上述结构件的动作分析可知 ，执行元件 只需往复运动就可 满足要求，因此执行元件拟定为双作用油缸 ，其 中由于推板油缸 安装 尺寸和 工作行程 差别较大 ，需采用多级油缸 ，其 它为单级 缸。此类型垃圾车受整车外形及结构布局的制约 ，其油缸主尺寸 的计算选择 受到一定 限制 ，初选系统压力低 ，会令油缸尺寸过 大 ，给结构设计带 来障碍 ，如压力太高 ，对元件的材质 、密封 性、精度等要求均高 ，势必增加成本 ，因此可初选 l 6 N2 0 MP a 的 压力作为计算参数⋯ ，根据不同车型的实际负载计算选择缸径等主 参数 ，可得到较理想的执行元件的尺寸。 3 ． 1 ． 3液压换 向阀 为减轻作业人员劳动强度并保持控制系统的可靠性 ，方向控 制拟定为电动和手动控制两种 方式。底盘 电源为2 4 V 直流电，由 于直流 电磁换 向阀具有启动力小、电能能耗略高的缺点 ，不适合 直接使用。通过市场调研 ，选择了一种组合换向阀，阀芯一端设 手动控制手柄 ，另一端集成了小气缸和电磁阀 ，通过电磁 阀控制 气缸 ，再由气缸推动换向阀芯 。气路 电磁阀具有能耗低、寿命长 的优点 ，而气缸可获得较大的操纵力，以上优点弥补了直流电磁 阀的缺点 ，而且 目前的中、重型二类底盘主要使用气制动 ，可方 便获得气源 。这种组合换向阀一阀两控 ，在很大程度上简化了液 压及 电气回路 ，更好地适应 了垃圾车的需求。这种电一 气控加手控 换向阀的缺点主要是对气源的依赖，而使其使用局限于中、重型 垃圾车。当将轻型底盘改装为垃圾车时 ，因底盘动力系统无空压 机，若要实现多种操纵方式 ，就要用另一种 电一 液控加手控 的组合 换 向阀来实现。 3． 1 ． 4 液 压源 因液压系统工作负载差异大，例如在 中大型车型上机械手举 升缸的负载有6 k N左右 ，而推板油缸的负载约2 0 6 k N，选择缸径 差异较大 ，对流量的需求也不同 ，所以液压源拟定为双联泵 ，结 合 底 盘 取力 器输 出转速 范 围 ，双泵 的大／ 小排 量 可选 在6 3 ／ 3 2 ml ／ r a d 的水平上 ，就能满足不同流量 回路的供油要求。 3 ． 2控制回路的方案拟定 3 ．2 ． 1机械手回路 通过上述分析 ，机械手需要按一定的顺序动作 ，此顺序动作 是在机械手的结构设计较简单的前提下拟定的 ，如设计为联动机 构的机械手 ，可由一组油缸驱动机构运动 完成垃圾装填 ，则无须 顺序控制。这需要在液压设计与结构设计的复杂性之间达到一种 曩蜜圜T E C H N I C F O R U M 平衡 。为此 ，可从液压设计人手 ，选择使用顺序阀的顺序控制回 路 ，如图4 所示 。通过两个顺序阀的组合即可满足要求。装载动 作当A口进油时阀1 关闭，升降缸先动作 上升 ，上升到位后 油路达到阀1 设定压力，阀1 接通则翻转缸动作 内翻；还原动 作 当B 口进油时阀2 关闭，翻转缸先动作 外翻，翻转到位后 油路达到阀2 设定压力，阀2 接通则升降缸动作 下降。 机械手升 降油 缸 机械手翻转 油缸 图4 机械 手 回蹯 图 3 ． 2 ， 2刮板、滑板回路 刮板缸、滑板缸也要求顺序动作，特点是垃圾在压缩过程中 由松到紧、由少到多 ，负载波动较大。先期拟定 的回路方案是组 合使用两个顺序 阀，另在刮板缸油路上配合使用单向液压锁 ，即 可满足要求 ，见图5 a 。无负载时 ，A口进油时阀l 关闭 ，刮板缸 先动作 上抬，上抬到位后油路达到阀l 设定压力 ，阀1 接通则 滑板缸动作 下降 ；有压缩负载时，B口进油时阀2 关闭，刮板 缸先动作 下挖，下挖到位后油路达到阀2 设定压力，阀2 接通 则升降缸动作 上升 ，此时刮板缸无杆腔被液压锁锁止 ，防止 压缩垃圾时刮板会意外打开。该方案对 阀的使用相对简单 ，成本 低廉 ，但仔细分析 ，其性能仍有很大不足 一是负载波动太大 ， 油路压力变化大 ，系统冲击较大 ，滑板缸上 升的压缩动作不平 稳 ；二是液压锁在正常压缩垃圾时可防止刮板打开 ，但在压缩过 程 中如出现石块、金属等硬物使刮板卡滞而滑板继续上升时 系 统溢流阀尚未起作用 ，刮板油缸无杆腔被液压锁封 闭而容易出 现超 载 ，易引起元 件损坏 ，使 得该部 分可 靠性降低 。 刮板油缸滑板油缸 滑板油缸 刮板油缸 滑饭油缸 a 国产顺序阉方案 } b 进口专用阀方案 囤5 刮板 、滑板 回路比较 5 0薰 2 0 1 0 0 6 各类国产阀中尚无更好的方案解决以上 问题 ，通过调研 ，选 择 了进 口某型垃圾车专用阀 ，该阀为集成型组合阀 ，原理 见图 5 b 。该阀在无负载和有压缩负载时采取了不同的顺序动作回路。 无负载时 ，A口进油 ，顺序阀元件关闭，阻尼元件1 不起作用 ，开 关 阀两端油压相 等并在弹 簧力作用 下处于断开位置 ，液压油经 A1 口先使刮板缸动作 上抬，上抬到位后油路压力达到顺序阀 元件设定压力 ，顺序阀元件接通T H ，伺服油路接通，阻尼元件 1 起作用 ，开关阀两端在不同压力下处于接通位置 ，液压油通过开 关阀经A 2 口使滑板缸动作 下降；开关阀的动作是在阻尼元件 1 的作用下液动的，换向动作平稳，液压； 中 击小 特别是在液压油 低温粘度较大的情况下。而有压缩负载时 ，该型进 口阀采用另 一 种顺序动作方式 ，当B口进油时 ，液压油通过B 1 、B 2 分别向刮 板缸、滑板缸无杆腔供油 ，而AI 、A 2 的回油路上分别设有背压元 件l 和背压元件2 ，这两个背压元件为先导型溢流阀，元件1 的先导 比是元件2 的两倍 ，元件 l 的先导 比大 ，阀开启的先导压力小 ，加 上阻尼元件2 的压降，进～步提高了元件2 开启的先导压力；当B 口 进油油压达到背压元件l 的先导压力时，A1 口的回油路先接通， 刮板缸先动作 下挖，下挖到位后，B口进, C a l E b 压继续升高，达 到背压元件2 的先导压力时 ，A 2 口的回油路接通 ，滑板动作 上 抬 ，进行垃圾的压缩。因背压元件2 的先导压力和阻尼元件2 先 导压力的综合作用，此时的系统压 力已上升到较高的水平 ，再进 行压缩垃圾 作业时 ，负载 的波动不会再引起太大的系统压力变 化 ，这使得垃圾压缩行程更精确平稳。同时 ，刮板缸和滑板缸的 无杆腔一直通过B口与主油路连通 ，当上述坚硬物体卡滞刮板的情 况出现时，无杆腔超载的压力可以立即反应到系统溢流阀 ，进行 泄荷。 通过上述比较 ，可以看出虽然进口专用阀价格较高 ，但它具 有针对垃圾压缩专门设计的功能 ，其对负载波动及液压油粘度的 适应、对执行元件动作平稳性的影响及回路超载时的保护性能远 超顺序阀加单向液压锁的回路方案。 3 _ 2 _ 3推板回路 推板推卸垃圾对 回路无特别要求 ，主要功能是作为垃圾压缩 的砧板。～是要求推板在压缩方向上可后退 ，这需要推板油缸的 无杆腔设有卸荷回路、有杆腔可单 向接通油箱 ，当油缸在外载下 回缩时 ，无杆腔液压油可卸荷 ，有杆腔可通过单向元件补油；二 是推板缸在后退时需要有背压才能实现垃圾压缩，这就需要在卸 荷回路上增加背压元件 ，而背压元件设定为压力可调，即可实现 垃圾的不同压缩比，最后拟定在无杆腔上设置带可调溢流阀的卸 荷阀既可满足要求 ，拟定回路方案见图6 。图6 a 为国产某型卸荷 阀原理图 ，图6 b 为进口某型卸荷阀原理图，两种阀的基本功能 及价格均差别不太大。国产卸荷阀中，远程控制口的液压油直接 推动开关阀换向，液压； 中 击较大 ；进 口卸荷阀中，远程控制口的 液压油推动先导阀的切换 ，伺服油路接通后，阻尼元件起作用 ， 开关阀在两端压差下换向，动作平稳 ，避免了推板压缩后退时出 现爬行现象 特别是在液压油粘度较大的情况下。 推板油缸 阻 推板油缸 l a 国产卸辑阀方案 b 1进 口卸荷阀方寨 图6 推 板回路 比较 3 ． 2 ． 4填装器举升回路 填装器举升油缸 的要求是能在任意位置 停留、防止加速 下 落 ，这就需要平衡回路 ，先期拟定了使用双向平衡阀的回路方 案 ，如图7 b 所示。经过试验 ，下落速度较快 ，分析原因 ，一是 平衡阀本身的 问题 ，平衡阀的背压可使油缸在负载方向上的运动 平稳 ，但对运动速度的控制却不理想 ；二是填装器油缸的工作位 置处于一个费力杠杆的状态 ，油缸支点靠填装器的铰支点很近 ， 而填装器重心距铰支点较远 ，当填装器翻转时 ，重心运动的线速 度相对油缸的运动速度被放大。为解决这一不足 ，重新拟定 了使 用双向液压锁加回油节流调速的平衡 回路方案 ，如图7 b 所示。 油缸位置由双向液压锁锁定 ，在油缸下落方 向的回油路上串接单 向可调节流阀作为背压 元件 ，以解决单纯液压锁控制时油缸下落 出现； 中击振荡的缺陷 ，并可较为精确地控制下落速度 ，经试验证 实该方案工作效果 良好 ，取得了理想的下落速度。不过 ，在液压 锁和油缸 间串接节流 阀增 加了管路的连接环节 ，为了提 高安全 性 ，在油缸油口还增加了防管道破裂阀。 填装器油缸 _ 甲 ‘ 0 o 4 双向平 ， 二 』 衡阀 一 I a 1 f b 图7 填装 器举 升回路 比较 3 ． 3 整车 回路方案 综合上述的分析比较，整个液压系统采用成熟的开环系统 ， 液压源使用差量双联 泵，换 向阀采用电一 气控加手控组合换 向阀； 机械手 回路采用了使用顺序阀控制的顺序回路 i刮板、滑板回路 使用进 口专用集成阀块 ；推板 回路采用 了使 用带先导型背压阀的 卸荷阀的卸荷 回路 i填装器举升回路采用了使用回油节流调速加 双向液压锁的平衡 回路 ，另增加了防管道破裂阀 据此拟定出压 缩 式垃圾 车液 压 系统原理 图 见 图8 。 T E C H N I C F O R U M ■密圜 囤 8 臻 车 液 压 原 理 图 4 结束语 液压系统作为一个开放 的系统 ，针对运动平稳性 、动作速 度、效率、安全等不 同的要求会有不同的回路方案 。本文最终拟 定的方案有其专门的针对性 ，主要优点在 系统动作的平稳性和 安 全性较好 、对负载波动的适应范围大。不过填装器回路部分仍有 不足 ，虽然该部分回路获得了较好的下落速度 ，但实际接管时油 缸和液压锁 间会有 两段高压软管 ，其中一根要绕过填装器回转 轴 ，处于应力状态 ，疲劳损坏的几率较高 ，防管道破裂阀作为一 种补救措施 ，增加了回路的成本和复杂性 ，如用调速及锁止性能 更好的板式阀或插装阀来组成回路 ，回路控制阀与油缸则直接连 为一体 而无须管路连接 。这不仅简化了管路连接 ，而且阀后的管 路损坏也不会对油缸动作造成不 良影响，回路 安全性 能还会有进 一 步的提 高 。 参考文献 [ 1 ]徐灏． 机械设计手册[ M] ． 北京 机械工业出版社． 1 9 9 8 [ 2 ] 官忠范． 液压传动系统[ M] ． 北京 机械工业出版社 1 9 8 1 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 4 2 3 河南松川公司首台专用车下线 日前 ，河 南松 川专 用汽车有 限公 司生 产的第一 台冷 藏 专用汽车在 民权 县产业集 聚区正 式 下线并交付用户。 松 川专用 车制 造项 目是2 0 0 9 年河南省政府确定 的“ 双 百计划 ”工程 之 一 ，它是上海伊得利制冷设备有限公司与河南兆邦电器有 限公司、 日本松川重工株式会社专利技术合作项 目。该项 目总投资5 ． 3 亿元 ，将利用日本先进技术平台打造成全 国著 名的专用车生产基地。