王言平
四川省润宜环境科技有限公司,四川 资阳641300)
摘要：随着垃圾分类收集、分类处理的不断推行,前端收集容器逐步由原来的混装式垃圾箱更换成了120L和240L塑料桶。前端收集容器发生改变，势必影响到中端的转运车辆类型。为了提高收集效率，各专用汽车厂家都在车辆或设备上加装了适用于塑料桶倒料的提桶架。提桶架作为提升和翻转塑料桶的频繁工作机构，成为了车辆或设备的核心机构，各厂家设计的提桶架结构形式也有所不同。文章介绍了一种将投料口顶盖与拉杆式提桶机构结合在一起的提桶架，并对其各个环节机构的受力情况做了分析。对提桶架的设计和液压系统的配置具有一定的参考价值。
关键词：拉杆式提桶架；举升卸料角度；提升能力；受力情况分析
中图分类号：U469.6 文献标识码： 文章编号：
拉杆式提桶架[1]作为环卫专用汽车或设备的关键部件，其工作效率以及提升能力将成为车辆的关键指标，因此,其设计的合理性以及液压系统的匹配性至关重要。设计时，必须对提桶架的各个工作环节及节点做科学地分析和详细地计算，才能使提桶架的性能达到实际的使用需求。
1 拉杆式提桶架的结构形式及工作原理
拉杆式提桶机构主要由双作用液压油缸、连接杆、提升臂、挂桶机构、翻转架、导向轮、导轨、投料口顶盖等零部件组成。结构形式如下图：
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1.铰支座 2.液压油缸 3.提升臂 4.连接杆 5.导轨 6.顶盖连杆 7.投料口顶盖 8.翻转架 9.挂桶机构
提升臂分别与铰支座、连接杆和液压油缸连接；液压油缸通过另一铰支座固定在车辆或设备顶部；连接杆分别与挂桶机构和提升臂连接；导轨通过焊接方式固定在车辆或设备的侧部；翻转架侧面上部设置有导向轮，使其在导轨内上下滑动及翻转；挂桶机构侧面上下部均装有导向轮，使其在翻转架的滑槽内上下滑动；投料口顶盖通过顶盖连杆与提升臂中部横杆连接。
拉杆式提桶架的工作原理如下：
液压系统给液压油缸提供动力,液压油缸活塞杆伸出带动提升臂向上翻转，连接杆带动挂桶机构沿着翻转架的滑槽上移，挂桶机构挂住塑料桶上移至翻转架下挡板时，翻转架和挂桶机构共同作用夹住塑料桶。油缸继续伸出，拉杆带动挂桶机构提升塑料桶至导轨拐点处时，翻转架因只有上部有导向轮限位，下部悬空，故翻转架连同挂桶机构在拐点圆弧段边上升边开始进行翻转动作直至油缸伸出完全，翻转动作到位。
液压油缸活塞杆伸出带动提升臂向上翻转时，投料口顶门在顶盖连杆的带动下随着提升臂一同向上翻转起到打开投料门的作用。
液压阀组换向将液压油缸活塞杆收回，各机构的动作顺序相反，完成降桶和关闭投料门的动作。
2 提桶架运动过程的力学计算说明
拉杆式提桶架的运动分两个过程，分别是挂桶机构挂住塑料桶垂直提升的过程以及翻转架翻转塑料桶的过程[2]。如下图2、3所示：
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2.1提桶架提升过程的受力情况分析
此过程是计算提桶架提升能力、液压系统压力和油缸无杆腔面积的一个主要过程，在计算过程中，可将提升臂以及连接杆视为一个整体，连接杆重量较轻，可忽略不计。根据此节点各机构的位置和作用力情况，作出力学矢量简图[3]图4。
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提升臂与挂桶机构以及翻转架视为一个整体绕着铰支座O点旋转，挂桶机构、翻转架以及塑料桶装满垃圾的重量合在一起视为重量G。根据转矩平衡列出下列公式。
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式中，F为液压油缸伸出时的推力；L1为液压油缸铰支座中心点距O点之间的距离，α为油缸推力方向与水平方向之间的夹角；L2为挂桶点位距铰支座O点之间的距离；F1为重力G分解到切线方向的分力；β角为重力与提升力在旋转圆切线方向的夹角。
根据上式分析，在OP点距离L1和OB点距离L2确定的情况下，为了使提升能力G得到最大限度的提高，我们可以将OPA之间的夹角α尽量设计得大一些，从而增大举升力与铰点O之间的力臂。
2.2 提桶架翻桶过程的受力情况分析
在提桶架翻转塑料桶的过程中，塑料桶翻到最大翻转角时的临界状态是油缸举升力最大的时候，我们以此临界点作出力学矢量简图5。
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根据转矩平衡列出下列公式:
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此过程，假设垃圾仍在塑料桶内还未倾倒出。G值仍为挂桶机构、翻转架以及垃圾的合计重量。根据上式分析， L1和L2与提升过程一致。翻转到位时OPA之间的夹角α1为最小值，此阶段的油缸推力最大，若油缸无杆腔直径已确定，结合油缸推力计算公式，可计算出液压系统的最大压力值，以指导厂家设定液压系统的工作压力。
3 拉杆式提桶机构设计要点
（1）拉杆式提桶机构的翻转角度设计要点
散装垃圾在无外力作用下，垃圾的安息角一般为42°至45°，在设计拉杆式提桶机构时，可以将翻转角度稍微放大一点，但也不宜将翻转角度设置过大，以免引起塑料桶翻转过头掉入厢体内。一般情况下，将翻转角度设置为46°即可。
（2）挂桶机构离地高度尺寸的设计要点
当塑料桶放于地面时，为便于挂桶，应将挂桶机构的挂齿离地高度低于标准塑料桶的下檐口高度100mm为宜。根据《塑料垃圾桶通用技术条件》[4]中对塑料桶的尺寸限值可以查得120L塑料桶桶体下檐口高度为820mm至930mm，按照最低标准820mm取值，可得出挂齿机构的离地高度应控制在720mm左右为宜。
（3）挂桶机构与翻转架工作可靠性的设计要点
为了既保障在塑料桶提升和翻转过程中，挂桶机构与翻转架协作将塑料桶檐口夹紧。又要保障在降落时，翻转架不会过早松开导致塑料桶掉落，可在挂桶机构与翻转架之间设置一个旋转锁止机构。该锁止机构保障提桶架在不同的工作过程使挂桶机构和翻转架有效地结合和及时地分离。下面介绍一种适合于本机构的旋转锁止机构，结构形式如下图。
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扁键销轴加装在挂桶机构两侧，扁键的扁宽尺寸小于锁耳开口槽的宽度，当提桶架沿轨道在竖直方向提升和降落塑料桶时，连接销轴的扁键平行于开口槽，使挂桶机构与翻转架顺利结合和脱离。当提桶架翻转塑料桶时，固定在挂桶机构上的扁键销轴随之旋转，使扁键垂直于开口槽，此时扁键长度尺寸大于开口槽尺寸，使挂桶机构不会脱离翻转架，将两者有效锁死。
（4）各转动副的细节设计要点
由于提桶架工作频次较高，为保障各转动副之间运行顺畅，我们应充分考虑其润滑性。但提桶架转动副较多，且加注润滑油空间较小。设计时，可选用自润滑轴承，推荐使用铜基石墨复合衬套，该类型衬套结合了铜合金的耐磨性及石墨的自润滑性能，使提桶架在使用过程中无需加润滑油维护。
（5）提桶架运行速度及稳定性的设计要点
拉杆式提桶架在运行时，应该控制其速度不宜过快或过慢。运行速度过快，会影响塑料桶的使用寿命。当桶内存放的是餐厨垃圾时，泔水较多，运行速度过快，会导致桶内泔水四溢，对环境产生二次污染。运行速度太慢又会降低工作效率。通常，一桶垃圾从地面提升并翻倒进厢体内，时间应控制在15秒以内较合适。
当液压油缸行程和缸径确定后，可以按照2根油缸无杆腔的体积除以液压系统的流量计算出实际运行时间，具体如下：
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式中，t代表时间，单位：s
Q代表液压泵的流量，单位：L/min
V代表2根油缸无杆腔总体积，单位：L
V'代表液压泵的排量，单位：ml/r
n代表液压泵的工作转速，单位：r/min
η代表液压泵的容积效率，齿轮泵一般取值0.8，柱塞泵取值可为0.85
若提桶架的运行时间已确定，通过此计算过程，还可以验算选用的液压泵的排量是否符合设计要求。
若拉杆式提桶机构不是安装在二类底盘上，而是安装在无动力源的环卫设备上时，可选用电机驱动液压泵，通过此计算公式可计算出所需电机的功率值，公式如下：
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式中，N代表电机功率，单位：KW
P代表液压系统的压力，单位：MPa
Q代表液压泵的流量，单位：L/min
λ代表功率系数，一般取值1.2～1.5
为了避免提升和降落起始阶段的动作速度过快，可以选用带有缓冲结构的液压油缸，该类型油缸在活塞腔两个端部设置了一小段距离的缓冲区，使伸出和收回的起始阶段液压油进回油速度降低，从而使活塞杆伸出和收回动作减慢，保障机构运行的平稳性，同时降低机构因速度冲击产生的噪声。
4 结论
通过以上一系列分析，可以了解拉杆式提桶机构的结构组成形式和工作原理，本文分析了其受力情况，并对各部件的设计和选型提供了计算方法，对拉杆式提桶机构的设计和优化具有一定的参考意义。
[参考文献]
[1]王言平. 一种连杆式提桶装置: 中国, ZL 2019 2 1377533.6 [P]. 2019.
[2]简溪金.自装卸式垃圾车拉杆式提升机构的理论分析[J].专用车, 2017(08):104-105.
[3]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理(第8版)[M].北京:高等教育出版社2013:123-157.
[4]CJ/T208-2020. 塑料垃圾桶通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2020.