餐厨垃圾车提桶机构的改进设计应用研究

陈曦

摘要：为了提高车辆装载的可靠性和稳定性，减少提桶油缸的侧向力，降低机构故障率，提高整车的使用寿命，根据餐厨垃圾车提桶机构的工作原理，对现有的链条式提桶机构进行了改进设计。通过结构上的改变解决液压油缸内泄的根本问题，并对改进的提桶机构进行了理论上的受力分析和实际应用研究。

关键词：餐厨垃圾车;提桶机构;改进设计;应用

中图分类号：U469.6 收稿日期：2022—03—10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.014

1餐厨垃圾车介绍

1.1餐厨垃圾车的作用

随着国内城市化进程的加快，越来越多的生活垃圾随之产生，其中餐厨垃圾占有相当高的比例。与其他垃圾相比，由于其具有含水量、油脂含量及有机物含量高、元素丰富等特点，因此具有很大的回收再利用价值。但是伴随着一些不法商家对其进行收集，继而引发了关乎民生食品安全问题，政府部门对地沟油等城市餐厨废弃物的严格把控加大了力度，并对餐厨垃圾的收集进行了规范要求"。

1.2餐厨垃圾车的构成

餐厨垃圾车主要是用于装运食堂、宾馆、饭店、餐饮业等产生的厨余垃圾（也称泔水），并对收集的垃圾进行初步固—液分离，然后将它们分别运输到废水处理站和有机垃圾加工利用厂进行集中处理。

餐厨垃圾车主要由底盘、箱体、提桶机构、推板、污水箱、液压系统、电控系统等构成（图1），完整的垃圾装卸料过程包括垃圾桶的提升、翻转及倒料的复位，因此提桶机构是餐厨垃圾车装卸垃圾的关键，操作人员通过操作提桶机构将垃圾桶收集到的垃圾倒入垃圾车密封箱体内。不断优化提桶机构的设计，是改善餐厨垃圾车装载能力和工作效率的关键。

2 链条式提桶机构

链条式提桶机构位于整车的右侧中部，用于提升垃圾桶并将垃圾倒入箱体的装载机构。该装置通过提升油缸带动双排链条，其中链条的一端固定在箱体上，另一端固定在挂垃圾桶的小车上，提升油缸通过举升用链条带动小车在导轨中运动。

2.1 工作原理

提桶机构的工作采用液压驱动，其主要工作原理如下：a.取力器从车辆底盘发动机获取动力，带动油泵旋转;b.操纵多路阀可控制提桶油缸。提桶机构与推板设有互锁装置，若推板未复位，提桶机构将无法动作，以免垃圾倒入推板前部而无法清理;c.提桶机构及其操作位置设于车辆右侧前部，将垃圾桶挂靠在提桶机构上，通过油缸带动提桶架进行提升和翻转动作。当翻转到设定角度50°时，垃圾提桶自动将垃圾倒入车箱，倾倒完毕，提桶机构翻转下降复位，完成一次装料工作。

2.2 机构组成及工作流程

链条式提桶机构设在箱体的前部右侧，由提桶油缸、链条机构、导轨、举升小车等组成。两根链条分置于提桶油缸左右两侧，由油缸伸出端链轮杆带动链条实现举升。

如图2所示，提桶油缸与上开盖油缸做顺序动作：提桶油缸做上升动作，投料口门自动开启;当垃圾桶挂入挂齿内，举升小车在预定的轨道内上行至压架，垃圾桶由挂齿和压架夹紧合为一体，带动继续上行至导轨终点;举升小车不再上升，而是在油缸作用下绕转轴做翻转动作，将垃圾自动翻入投料口，垃圾倾倒完毕后復位。

3 链条式提桶机构存在的问题分析

对于餐厨垃圾车，大部分改装厂采用的都是链条式提桶机构，但是该类机构在使用过程中存在一定的不稳定性，其整套动作由油缸带动举升小车及一桶垃圾（约240kg），举升至车辆顶部高度2000mm位置翻转完成。需要说明的是，餐厨垃圾是含水率高、含油率高的湿垃圾，装载在240 L垃圾桶内，普通生活垃圾的密度为0.5t/m3，餐厨垃圾的含水量通常高达90%左右，重量约为普通生活垃圾的两倍。链条式提桶机构的不稳定性因素主要有如下两个方面：

a.在举升过程中，由于活塞杆受侧向力较大，长期使用的情况下密封件易损耗，由此易造成油缸体内液压油内泄，从而降低了运行速度，并影响了工作效率;b.车辆使用的联动链条为等距滚子链，只能按节数调整，无法做到微调，影响了举升小车的翻转角度，且由于链条长期暴露在外，容易受到外溢湿垃圾的腐蚀，长时间不及时清理会影响链条运行的流畅性。因此，链条作为活动部件，需要频繁加注黄油进行保养。

本文设计了一款拉杆举升联动开盖机构，利用拉杆连接举升小车和投料口门，在油缸旋转开启投料口门的同时，带动举升小车沿导轨上升运动至导轨上止点，通过油缸运动同时实现了投料口门的开启和倾倒垃圾两项工作。

4 提升方式的改进设计

4.1 拉杆式提桶机构的构成

拉杆式提桶机构由拉杆、导轨、举升小车、投料口盖总成、液压缸活动端支点、液压缸及其管路组成（图3）。

4.2 拉杆式提桶机构工作流程

与链条式提桶机构相比，用于提升垃圾桶的举升小车结构基本相同，提桶液压油缸为双作用液压缸。当液压泵开始工作，液压油推动提桶液压油缸伸出，液压缸推动投料口盖总成绕着固定端支点旋转动作，拉杆在投料口盖总成的作用下向上沿导轨提升举升小车，直到滑轮运行到导轨上止点停止，举升小车将继续在拉杆总成的带动下绕投料口盖的铰接点做转动倾倒垃圾动作。

4.3 拉杆式提桶机构优势

拉杆式提桶机构具有如下优势：

a.由拉杆代替链条并顶置左右双油缸，则双缸提桶稳定性高于链条带动的单油缸提桶，提桶和投料口开盖动作合二为一;b.综合考虑液压阀因素，拉杆提桶机构联动开启投料口盖相比成本更低;c.从结构上彻底解决了液压油缸因倾倒产生侧向力造成的车内泄的根本问题，且避免了不能微调的翻转角度。

5 拉杆式提桶机构分析与计算

5.1 油缸定位要点

油缸定位点位置的选取对提桶机构的工作稳定性起着主导作用。油缸固定端支点的位置定位的原则是尽量使支点位置靠近提桶拉杆一侧，在运动不干涉的情况下，支点位置离拉杆越近越有利。

5.2 提桶油缸计算

5.2.1 作用于活塞杆上的推力

当整个机构处于初始位置准备提升时，单根油缸受到的推力最大（图5），单油缸所受推力计算公式如下：

式中，G为提升装置加上满载湿垃圾所承受的重力，取2倍载荷500 kg;L为转动支点到油缸旋转中心的力臂长度，取L=187 mm;S为转动支点到提升装置和垃圾桶重力中心的力臂长度，mm;S，为转动支点到重心的距离，mm。其中，在提桶机构运动过程中，初始阶段S，=1358mm最大，L最小。

5.2.2 油缸内径计算

式中，P为系统额定压力，取10 MPa;n为油缸机械效率，取0.97。

由式（2）计算可得，D=48 mm，根据《液压缸内径尺寸系列》《液压缸活塞杆外径尺寸系列》，参考缸径、杆径取值如表所示。

32 5.2.3 油缸行程

根据上海市地方标准DB31/T 681《环卫车技术与配置要求》，提升装置倾翻角度翻转到大于50°时为倾倒垃圾最佳位置，确定联动时投料口盖最大翻转角度。

根据投料口盖的翻转角度要求，通过轨迹模拟和计算，初步设定油缸初始位置l，确定油缸的最大行程1，尺寸，从而计算出油缸的有效行程。经计算，1，油缸安装距为556mm;/油缸有效行程为298mm。

5.2.4 油缸速度和流量计算

提桶机构上升动作时，单根油缸流量计算公式如下：

式中，T为设计提桶机构上升动作所需时间，根据地方标准要求取10s。

提桶机构下降动作时，单根油缸流量计算公式如下：V

式中，T为设计提桶机构下降动作所需时间，取15s。

提桶机构上升速度计算公式如下：

式中，L为提桶机构运行导轨设计长度，取2030mm。

提桶机构下降速度计算公式如下：

由于整车其他机构需要的流量较大，目前车辆选用泵排量40 mL/r，发动机怠速800 r/min;泵的理论流量（不计算容积效率与机械效率）Q=40—800=32 L/min。

对提桶机构的运行速度也有一定要求：当提桶机构上升运行时间小于7 s时，因为在翻转过程中速度过快再加上惯性作用，垃圾桶较容易损坏;当提桶机构上升运行时间大于15 s，容易在翻转的过程中发生湿垃圾外溢。因此，对提桶机构液压部分加装截流阀很有必要，以保证提桶机构运行速度为理论设计值。

5.3 模拟对象为吊桶机构的Simulation有限元分析

現模拟举升小车拉杆处负载5 000 N，拉杆机构材料包括Q345和45钢两种，其中销轴为45钢，其余零部件均为Q345。选用材料参数见表2。

为了确保举升小车的可靠性，运用Simulation模拟举升小车拉杆末端负载5 000 N，对举升小车从应力、位移、应变三个方面进行静应力分析，得出结论如表3、图6、图7所示。

如图6所示，最大位移产生在拉杆末端，施加5 000N的位置，需要对拉杆结构进行加强处理，保证整个机构运行稳定、可靠。

分析结果：对模拟对象为挂桶机构进行Simulation有限元分析，在举升小车挂齿架上负载5000 N的情况下，整套机构安全系数大于1，满足设计要求。

6 结语

本文总结了传统的链条式提桶机构的主要问题：首先，其油缸由于受侧向力的作用，缸体内部密封件受到侧向挤压，影响了密封件的使用寿命;其次，单缸提桶稳定性不足，易造成垃圾外泄。因此对链条式提桶机构进行了改进，本文采用拉杆式提桶机构，利用拉杆举升联动开盖机构，油缸动作使投料口盖打开的同时，通过拉杆带动举升小车和垃圾沿导轨拉升至卸料位置，然后油缸继续运动完成开盖和投料两项工作。

改进后的拉杆式提桶机构具有一定优势：a.成本低，性能稳定，故障率低;b.结构简单，维护方便，易于保养;c.举升小车上升平稳，垃圾不易外泄;d.实现提桶和举升同步，简化了液压控制系统。由于餐厨垃圾车的市场潜力大，改进后的设计优点突出，拉杆式提桶机构可提升装载的稳定性，使产品更具竞争力。

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