一种垃圾桶清洗车液压系统设计计算

陶湘厅，罗丽芳

（1.长沙普罗科环境装备有限公司，长沙 410128；2.中航工业长沙中传机械有限公司，长沙 410200）

0 引言

随着人民生活水平的不断提高，中国城市垃圾桶数量不断增长。据统计，未实施垃圾分类收集前，一个城市垃圾桶的数量平均达到2万个。随着垃圾分类政策的落地及垃圾分类处理系统的建设，垃圾桶数量将成倍增长[1]。垃圾桶作为一种垃圾收集装置，必须定时定点对其进行清洗和消毒，以免滋生大量细菌病毒和虫蝇，影响人们的日常生活和身体健康。目前，垃圾桶清洗大多采用人工的方法，即一边用水冲洗，一边用抹布擦洗，容易造成二次污染。环卫工人手持水枪冲洗是较为先进的方式，但没有适当的场地和设备，清洗完后污水横流，反而扩大了污染面积[2]。

垃圾桶清洗专用车具有垃圾桶清洗和污水回收双重功能，能自动对垃圾桶内壁和桶盖进行冲洗，对垃圾桶外壁进行刷洗，也可根据需求添加洗涤剂和消毒剂；同时水箱的水可以循环使用，作业效率高。通过清洗，从根本上消除垃圾桶细菌病毒滋生的隐患，解决城市垃圾桶的清洁问题[3]。目前国外已设计出垃圾桶清洗车，而国内只有几家公司。垃圾桶清洗车的心脏是液压系统，根据以往的经验设计此款垃圾桶清洗专用车的液压系统，期望运用此液压系统的垃圾桶清洗车可以提高清洗效果，为垃圾桶清洗专用车的设计奠定基础。

1 垃圾桶清洗车

垃圾桶清洗车因要同时能对2个120 L、2个240 L或者1个120 L与1个240 L的标准垃圾桶的筒体外部进行刷洗、内部和桶盖内外进行冲洗，且又要在多个部位进行高压水喷洒，所以执行机构比较多。垃圾桶清洗车结构简图如图1所示；垃圾桶清洗机构结构简图如图2所示。

图1 垃圾桶清洗车结构简图

图2 垃圾桶清洗机构结构简图

该垃圾桶专用车选用福田国六底盘5186HJEFA-1AD001，对应的变速箱为DC6J95TA，输入最大扭矩为830 N·m，最大输入转速为2 600 r/min。根据护栏清洗车清洗护栏和洗扫车清扫地面的转速经验，选取垃圾桶筒体立刷自转转速350～400 r/min；公转转速根据垃圾桶清洗效率，选择0.5～1 r/min。

2 液压系统设计

2.1 取力器选取

目前市面上专用车上装动力除采用副发动机或外部动力单元外，基本都是采用取力器从底盘直接取力。取力器从底盘上取力的方式主要有飞轮取力(即直接从发动机取力)、离合器取力、一轴取力及变速器取力。其中变速器取力又包括变速器前置取力、后置取力、顶取力、侧置取力等。取力器输出方式也多种多样，有单输出、双输出、带法兰输出、内外花键输出、直接连泵等[4]。

综合考虑整车性价比和同时又要给水泵动力的情况，该车取力器采用变速器侧置取力、带法兰双输出取力，选取某公司4205ZLHO4-010AAS的取力器。确定取力器具体参数为：速比为1.08，输出轴1与发动机旋向相反，输出轴2与发动机旋向相同，输出方式为BJ212法兰，最大输出扭矩为450 N·m，最大输出功率为40 kW，操纵方式为远距离电控气操作[5-6]。

2.2 高压水泵选取

根据前期用手持喷枪对垃圾桶清洗流量和压力的经验，选取UDER高压水泵，具体型号为NX-C85/120。高压水泵具体参数为：额定转速为1 450 r/min；额定流量为85 L/min；额定压力为12 MPa。经计算，水泵的输入功率P水=20 kW，水泵的输入扭矩M水=135 N·m。

2.3 液压油泵和马达选取

该垃圾桶清洗车液压系统原理图如图3所示。该系统中要求内喷头上下油缸、内喷头旋转马达、桶盖清洗油缸与立刷公转和自转马达都能同时动作，考虑到同时动作的机构比较多，一个油泵难以实现，初步选定双联泵[7]。因立刷公转和自转要同时动作，油路是串联，但转速相差比较悬殊，因此公转转速需要采用马达加减速机降速处理。

图3 垃圾桶清洗车液压系统原理图

根据水泵确定发动机工作转速为：

式中：N为发动机工作转速，r/min；i为取力器速比；n为水泵额定转速，r/min。

将i=1.08，n=1 450代入式（1）得N=1 566 r/min。

因发动机的转速为1 566 r/min，而垃圾桶筒体立刷自转转速为350～400 r/min，故要采用小排量的双联泵和大排量的马达才能协调发动机转速与立刷自转转速之间的差值。选取某公司CBTLB-F310/F308系列的双联泵，小泵给立刷自转马达和立刷公转马达供油，大泵给其他执行元件供油；立刷自转马达选取某公司BMS-25系列马达，立刷公转马达选取某公司BMS-250系列马达，减速机选用某公司的马达驱动涡轮蜗杆减速机，减速比为50。

大泵输出流量按下式计算[8]：

式中：Q大为大泵输出流量，L/min；V大为大泵排量，cm3；n为取力器输出转速，r/min；ηv为泵的容积效率，一般取0.85～0.95，本设计取0.9。

将V大=10，n=1 450， ηv=0.9代入式（2）得Q大=13.05 L/min。同理得出小泵输出流量Q小=10.44 L/min。

大泵输入扭矩按下式计算：

式中：M大为大泵输入扭矩，N·m；V大为大泵排量，cm3；ΔP为进出油口压差，MPa；ηm为机械效率，一般取0.88～0.92，本文取0.9。

将 V大=10， ΔP=160， ηm=0.9代入式 （3） 得 M大=28.3 N·m。同理得出小泵输入扭矩M小=22.6 N·m。

大泵输入功率按下式计算：

式中：P大为大泵输入功率，kW；Q大为大泵输出流量，L/min；ΔP为进出油口压差，MPa；ηt为总效率，一般取0.75～0.88，本文取0.8。

将 Q大=13.05， ΔP=160， ηt=0.8代入式 （4） 得 P大=4.26 kW。同理得出小泵输入功率P小=3.4 kW。

如立刷自转马达和公转马达按液压油流动方向为第一个自转马达—公转马达—第二个自转马达，同时考虑各马达的容积效率。第一立刷马达的理论自转转速为376 r/min，公转马达理论转速为41.8 r/min，通过减速机以后变为0.84 r/min；第二立刷马达的理论自转转速为304.56 r/min，不满足立刷自转转速在350～400 r/min的要求。重选第二立刷自转马达为某公司的BMS-20系列马达，调整后，第二立刷马达的理论自转转速为380.7 r/min，满足要求。

垃圾桶清洗车上装输入总功率可按下式计算：

将 P水=20， P大=4.26， P小=3.4代入式 （5） 得 P总=27.66 kW。

垃圾桶清洗车上装输入总扭矩可按下式计算：

将 M水=135， M大=28.3， M小=22.6代入式（6）得 M总=185.9 N·m。

水泵输入功率、大泵输入功率与小泵输入功率三者之和为27.66 kW，小于取力器的最大输出功率40 kW；同时水泵输入扭矩、大泵输入扭矩与小泵输入扭矩之和为185.9 N·m，小于取力器的最大输出扭矩450 N·m；故取力器选取满足要求。双联泵转速和流量满足各执行元件的转速和流量要求，各马达转速和流量的选择满足垃圾桶清洗车清洗机构自转和公转转速的要求，故双联泵和各马达的选取满足垃圾桶清洗车整体性能要求。

3 验证

通过转速测量仪测量水泵和各马达的转速在设计值的3%以内波动，满足设计要求。清水箱装满3 000 L清水，循环利用时可连续清洗300个标准垃圾桶，单个垃圾桶平均用水量仅为10 L。垃圾桶连续清洗2 min后，外壁和内壁清洗效果分别如图4～5所示。

图4 垃圾桶外部刷洗效果图

图5 垃圾桶内部冲洗效果图

4 结束语

本文针对传统垃圾桶清洗模式的不足，设计了一种新型的垃圾桶清洗专用车的液压系统。该系统的垃圾桶清洗车能同时自动清洗两个垃圾桶的内壁、桶盖和外壁，清洗效率高，1 min可以清洗1个垃圾桶，且清洗后的废水能回收循环利用，采用刷洗加高压射流技术大大提高了清洗效果，达到水资源的最大化利用，单个垃圾桶平均用水量仅为10 L。该系统适用于流动清洗作业或远距离清洗作业，相比目前手持高压喷枪清洗垃圾桶具有更好的清洗效果，减轻了环卫工人的劳动强度，改善了作业环境，同时提高水资源的利用率，为城市垃圾桶清洗专用车的设计提供了理论与实物基础。