基于虛擬樣機的垃圾容器轉(zhuǎn)運車工作穩(wěn)定性分析

武 力，關(guān)天民，雷 蕾，劉 曉

(大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連 116028)

垃圾容器轉(zhuǎn)運車是用于城市生活垃圾中轉(zhuǎn)的專用車輛.對于垂直式垃圾壓縮中轉(zhuǎn)站，要求垃圾轉(zhuǎn)運車能將垂直放置的垃圾容器背起，水平放置在車上，并且能將水平放置在車上的容器垂直放回泊位.目前垂直式垃圾壓縮中轉(zhuǎn)站使用的容器專用轉(zhuǎn)運車架雖然能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，但是存在維護費用較高、操作過程復(fù)雜的弊端.通過查閱文獻，未見有關(guān)垂直式垃圾中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)運車自主設(shè)計和研發(fā)的研究報道.現(xiàn)有文獻大多關(guān)于普通垃圾收集車的車廂壓縮機構(gòu)設(shè)計［1］、拉臂車工作裝置設(shè)計［2］、自卸車作業(yè)穩(wěn)定性分析［3－4］和其他專用車輛的臂架系統(tǒng)設(shè)計和仿真［5］.本文提出了一種新型的垃圾容器轉(zhuǎn)運車架和工作流程，通過虛擬樣機仿真，驗證了該車架能夠完成垂直式垃圾壓縮中轉(zhuǎn)站容器的裝載和卸載任務(wù)，車架結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便可行.

1 轉(zhuǎn)運車總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)方案

垃圾容器轉(zhuǎn)運車是在二類汽車底盤基礎(chǔ)上增設(shè)轉(zhuǎn)運車架改裝而成，主要技術(shù)參數(shù)尺寸如表1所示，符合國標規(guī)定［6］.轉(zhuǎn)運車架由底架、翻轉(zhuǎn)架和若干液壓缸組成，底架與副車架焊接連接;底架和翻轉(zhuǎn)架在車架尾部鉸接連接，之間設(shè)有舉升和回拉液壓缸可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)架的翻轉(zhuǎn)運動;翻轉(zhuǎn)架上設(shè)有滑架，滑架通過滑動液壓缸可在翻轉(zhuǎn)架的滑道中上下滑動，輔助舉升和回拉液壓缸完成容器的卸載和裝載.整車的設(shè)計方案如圖1所示.

表1 轉(zhuǎn)運車主要尺寸參數(shù)Tab.1 Parameters of transferring vehicle

圖1 轉(zhuǎn)運車結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Structure scheme of transferring vehicle

1.2 工作流程

以裝載流程為例敘述其工作過程，卸載流程為裝載流程的逆過程.

(1)將翻轉(zhuǎn)架完全打開，翻轉(zhuǎn)至95°，當(dāng)車尾與容器距離為300 mm時停車，此時提升滑動液壓缸，可保證滑架上的吊鉤插入容器的吊耳中，如圖2a所示.

(2)回拉液壓缸拉動容器翻轉(zhuǎn)，滑動液壓缸同步回縮，直至容器底梁與汽車尾部鉸接軸接觸，此過程容器始終以地面為支點，如圖2b所示.

(3)回拉液壓缸進一步回縮，滑動液壓缸同步回縮，直至滑架觸碰翻轉(zhuǎn)架的限位塊時滑動液壓缸停止動作.回拉液壓缸繼續(xù)縮回，容器脫離地面，如圖2c所示.

(4)回拉液壓缸繼續(xù)拉回翻轉(zhuǎn)架，直至與副車架閉合，如圖2d所示.

(5)伸長滑動液壓缸，推動滑架及其上的容器至限位擋板，滑動液壓缸鎖定，容器裝車流程結(jié)束，如圖2e所示.

圖2 裝載工作流程Fig.2 Loading working process

2 虛擬樣機建立

利用Pro/E軟件建立垃圾轉(zhuǎn)運車的三維模型，通過Mech/Pro接口將轉(zhuǎn)運車模型導(dǎo)入ADAMS，定義材料屬性，添加約束、驅(qū)動和載荷，最后形成完整的虛擬樣機，如圖3所示.

圖3 虛擬樣機模型Fig.3 Virtual prototypemodel

2.1 添加運動副

設(shè)置底架與副車架為固定副連接，底架與翻轉(zhuǎn)架采用旋轉(zhuǎn)副連接，翻轉(zhuǎn)架與滑架采用移動副連接，滑架與容器采用旋轉(zhuǎn)副連接;滑動液壓缸活塞桿與滑架采用固定副連接，滑動液壓缸缸筒與翻轉(zhuǎn)架采用固定副連接，回拉液壓缸缸筒與底架采用旋轉(zhuǎn)副連接，回拉液壓缸活塞桿與翻轉(zhuǎn)架采用點線副連接，舉升液壓缸活塞桿與翻轉(zhuǎn)架采用旋轉(zhuǎn)副連接，舉升液壓缸與底架采用旋轉(zhuǎn)副連接.

2.2 添加驅(qū)動

視液壓缸活塞桿相對于液壓缸缸體勻速運動，利用STEP驅(qū)動函數(shù)，在活塞缸與活塞桿的移動副上添加直線驅(qū)動Motion，驅(qū)動機構(gòu)進行動作，模擬液壓油對活塞的推動作用.

2.3 施加載荷

在系統(tǒng)中施加重力.在輪胎與路面之間定義接觸，當(dāng)兩者接觸時會產(chǎn)生接觸力.測量裝載與卸載工況下，車輪所受到的地面反力.

3 穩(wěn)定性分析

在虛擬樣機模型基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)運車的裝載和卸載工況進行仿真分析，測量地面對輪胎的支反力，研究轉(zhuǎn)運車工作過程中的穩(wěn)定性.

3.1 直接背起方式的穩(wěn)定性分析

所謂直接背起方式是在裝載容器時，滑動液壓缸自鎖，由回拉液壓缸直接將容器拽離地面并翻轉(zhuǎn)上車.對此過程進行仿真，地面對前軸輪胎的法向反作用力如圖4所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，直接裝載時，翻轉(zhuǎn)架負載極大，車體無法克服容器重力所形成的阻力矩，導(dǎo)致前軸輪胎脫離地面，接觸力從35 kN直線下降為0 N，發(fā)生了傾翻事故.因此，必須考慮采用合理的工作流程來避免事故的發(fā)生.

圖4 直接背起時地面對前軸1的法向作用力Fig.4 Vertical force of front axis 1 on ground when loading directly

3.2 裝載流程的穩(wěn)定性分析

根據(jù)第1.2節(jié)的工作流程對裝載工況進行仿真分析，即在裝載容器時，由回拉液壓缸與滑動液壓缸同步作用，在翻轉(zhuǎn)初期保持容器支點作用在地面，直至容器重心偏移后再將容器拽離地面，然后翻轉(zhuǎn)上車.地面對前軸輪胎的法向反作用力如圖5所示.

圖5 裝載時地面對前軸1和2輪胎的法向作用力Fig.5 Vertical force of front axis 1 and 2 on ground in loading condition

在液壓缸啟動瞬間，容器對車架的阻力矩最大.由于容器質(zhì)心突然靠向車架，在剛度和阻尼影響下車架在舉升過程中會產(chǎn)生振動.此時，測得的輪胎所受反力亦發(fā)生波動.隨后在阻尼作用下，波動逐漸衰減趨于穩(wěn)定.隨著車架不斷回落，17 s時容器與滑架接觸，此時有較大沖擊，地面支反力迅速減小后穩(wěn)定;21 s左右容器脫離地面，前軸1輪胎的地面支反力迅速減小后逐漸增加，前軸2輪胎的地面支反力小幅減小后逐漸增加.在整個裝載過程中，地面對前軸輪胎的支反力均大于10 kN并且不會超出其70 kN的額定載荷，說明改進裝載方式后，容器負載并未對車體穩(wěn)定性造成太大影響，前軸輪胎未發(fā)生離地翹頭事故.

3.3 卸載流程的穩(wěn)定性分析

根據(jù)第1.2節(jié)工作流程的逆過程對卸載工況進行仿真分析，得到地面對前軸輪胎的法向作用力曲線，如圖6所示.

圖6 卸載時地面對前軸1和2輪胎的法向作用力Fig.6 Vertical force of front axis 1 and 2 on ground in unloading condition

在舉升液壓缸啟動瞬間，轉(zhuǎn)運車在剛度和阻尼影響下產(chǎn)生振動，從而使輪胎所受反力發(fā)生輕微波動.1 s后在阻尼作用下，波動逐漸衰減趨于穩(wěn)定.隨著容器的起升，地面對前軸輪胎的作用力越來越小，在43 s左右容器接觸地面，車架產(chǎn)生振動，地面對輪胎作用力突然增加，隨著容器重心偏移回落到地面，地面對前軸輪胎作用力也趨于穩(wěn)定.由分析可知，在卸載過程中容器負載并未對車體穩(wěn)定性造成影響，地面對前軸輪胎的作用力始終在5 kN以上，前軸輪胎未發(fā)生離地翹頭事故，驗證了垂直式垃圾轉(zhuǎn)運車卸載流程的穩(wěn)定性.

4 結(jié)論

(1)采用提出的裝載和卸載工作流程，地面對轉(zhuǎn)運車前軸輪胎的作用力分別在10 kN和5 kN以上，車體不會發(fā)生翹頭事故.采用直接裝載作業(yè)方式，地面對轉(zhuǎn)運車前軸輪胎短暫沖擊后，作用力迅速為0 N，會發(fā)生翹頭傾翻事故.因此，轉(zhuǎn)運車架應(yīng)按照規(guī)定操作流程使用.

(2)在容器與地面、容器與翻轉(zhuǎn)架接觸瞬間，前軸輪胎對地面會產(chǎn)生沖擊，說明容器對車體各部件也會產(chǎn)生一定沖擊，在車架結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)設(shè)計時需考慮該沖擊作用.

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