基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的垃圾車?yán)垩b置的動(dòng)力分析

趙 璟

（江蘇省徐州技師學(xué)院 江蘇徐州 221151）

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的垃圾車?yán)垩b置的動(dòng)力分析

趙 璟

（江蘇省徐州技師學(xué)院 江蘇徐州 221151）

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，環(huán)衛(wèi)車輛的技術(shù)升級迫在眉睫。本文選取某企業(yè)主打產(chǎn)品可卸式垃圾車為研究對象，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的ProE三維建模軟件對主要工作部件拉臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，然后在動(dòng)力仿真模塊中通過各種連接得到不同工況的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)曲線，為優(yōu)化模型、進(jìn)行ANSYS有限元分析軟件做好技術(shù)準(zhǔn)備。

技工院校 學(xué)生技師 核心技能 培養(yǎng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市化進(jìn)程的不斷擴(kuò)大和城市半徑的不斷擴(kuò)大，城市垃圾總量以每年5%的速度遞增，大量的城市垃圾嚴(yán)重地影響著市容并威脅著人們賴以生存的環(huán)境。這直接拉動(dòng)了環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品尤其是垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的市場需求，促進(jìn)了環(huán)衛(wèi)車輛的技術(shù)升級，最近十幾年國內(nèi)外環(huán)衛(wèi)機(jī)械工業(yè)的飛躍發(fā)展，各種新型機(jī)械產(chǎn)品及技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

可卸式垃圾車是一種箱體可卸式的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車輛，其車載工作裝置通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)箱體自動(dòng)裝卸和垃圾傾卸的功能。由于這種車輛工作效率比較高，因此被廣泛用于多種貨物的箱體裝、運(yùn)、卸服務(wù)。其特點(diǎn)是操作簡便、工作效率高、機(jī)動(dòng)性能好、車廂密封性好、運(yùn)輸垃圾量大、不易污染環(huán)境、適用于垃圾集中收集的垃圾處理系統(tǒng)中。

近年來，虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種新興的設(shè)計(jì)手段，被越來越多地應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能研究。虛擬樣機(jī)技術(shù)又稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是國際上20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，工程師在計(jì)算機(jī)里建立虛擬樣機(jī)模型，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機(jī)，并在實(shí)際工況下，對模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和功能分析，進(jìn)而改進(jìn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，不僅大大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了工程測試和制造費(fèi)用，更簡化了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)過程，明顯提高了產(chǎn)品的質(zhì)量以及系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

一、垃圾車?yán)垩b置三維模型的建立

選取某企業(yè)可卸式垃圾車的拉臂裝置作為研究模型，其垃圾箱的質(zhì)量m=7700kg，垃圾箱與地面和垃圾箱與附車架的導(dǎo)輪的靜摩擦系數(shù)均為0.15，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05。

垃圾車?yán)垩b置的工作流程可以細(xì)分為6個(gè)過程，即滿負(fù)重裝箱兩個(gè)過程，滿負(fù)重卸料一個(gè)過程，滿負(fù)重卸下垃圾集裝箱兩個(gè)過程，滿負(fù)重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個(gè)過程。

1．構(gòu)建拉臂三維模型

拉臂總長為1801mm，總高為1202mm，寬度為360mm，活塞桿與拉臂交接點(diǎn)和翻轉(zhuǎn)架與拉臂的交接點(diǎn)的距離為517.23mm.

2．附車架三維模型的建立

附車架的總長為3067mm，總寬度為850mm，活塞缸與附車架交接點(diǎn)位置為85mm。

3．翻轉(zhuǎn)架三維模型的建立

附車架的總長為1485mm，總寬度為482mm，翻轉(zhuǎn)架與附車架交接點(diǎn)位置和鎖緊架與翻轉(zhuǎn)架的交接點(diǎn)的距離為515.8mm

4．垃圾箱三維模型的建立

垃圾箱總高為1210mm，總寬為1252mm，總長為2650mm。

5．垃圾車?yán)垩b置零部件模型的裝配

垃圾車?yán)垩b置的工作流程可以細(xì)分為滿負(fù)重裝箱兩個(gè)過程，滿負(fù)重卸料一個(gè)過程，滿負(fù)重卸下垃圾集裝箱兩個(gè)過程，滿負(fù)重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個(gè)過程。而滿負(fù)重卸下垃圾集裝箱兩個(gè)過程，滿負(fù)重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個(gè)過程這幾個(gè)過程是出于安全作業(yè)的考慮而產(chǎn)生的，因此我們在裝配和做動(dòng)力分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化指需要考慮滿負(fù)重裝箱兩個(gè)過程和滿負(fù)重卸料一個(gè)過程總共三個(gè)過程。

二、拉臂裝置的動(dòng)力學(xué)分析

Pro/e5.0中機(jī)構(gòu)分析模塊可以進(jìn)行裝配的動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在二維上一些難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)，在Pro/e5.0中表達(dá)起這些運(yùn)動(dòng)卻是非常形象直觀和易于修改的，相比于以前的開發(fā)過程，利用計(jì)算機(jī)輔助工具來進(jìn)行機(jī)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)其開發(fā)過程和開發(fā)周期被簡化和縮短了許多，以最少的費(fèi)用獲得最好的產(chǎn)品質(zhì)量，這是相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的。仿真結(jié)果輸出形式是多樣的，既可以以動(dòng)畫的形式也可以以參數(shù)的形式，這樣是很形象直觀的，用戶看起來一目了然，因此可以檢查出零部件之間是否有干涉以及干涉的范圍有多大。根據(jù)動(dòng)畫仿真結(jié)果我們可以對設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行修改一直到不產(chǎn)生干涉為止。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析包括觀察并記錄分析和測量位置、速度、加速度、力等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并且可以圖形的方式進(jìn)行輸出。

圖1 拉臂裝置裝配圖

1．工況一分析

（1）點(diǎn)擊應(yīng)用程序的機(jī)構(gòu)按鈕，進(jìn)入到機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)。接下來就是檢查裝配的連接情況，點(diǎn)擊連接組件對話框的運(yùn)行按鈕，出現(xiàn)確認(rèn)對話框說明連接成功。

（2）創(chuàng)建伺服電動(dòng)機(jī)

點(diǎn)擊工具欄的伺服電動(dòng)機(jī)按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸，在輪廓面板，選用位置，在模選項(xiàng)下選擇表，如圖所示。

（3）拍攝快照

打開視圖中的拖動(dòng)元件按鈕，然后適當(dāng)移動(dòng)拉臂的位置，拍下當(dāng)前位置的快照。

（4）進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和捕獲視頻，并保存在硬盤上，以便以后觀察分析。

（5）要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，首先定義重力，在質(zhì)量屬性中參照類型選擇組件，定義屬性為密度，輸入7.85e-6，再添加阻尼器。

（6）結(jié)果分析

在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2

測量拉臂對附車架的作用力，結(jié)果如圖

圖2 工況一測量結(jié)果

2．工況二 分析步驟

工況二是車箱從接觸車架導(dǎo)輪開始直到車箱放平在車上的過程，裝配模型和工況一情況差不多，所以裝配過程不再贅述，唯一不同的就是導(dǎo)輪與車箱底部相切，裝配模型如圖所示:

圖3 裝配模型

（1）檢查機(jī)構(gòu)連接，單擊對話框中的運(yùn)行按鈕，檢查裝配的連接情況，出現(xiàn)確定對話框，說明連接成功。

（2）創(chuàng)建伺服電動(dòng)機(jī)

點(diǎn)擊工具欄的伺服電動(dòng)機(jī)按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸，在輪廓面板，選用位置，在模選項(xiàng)下選擇表，如圖所示。

（3）定義組件的密度，在參照類型下選擇組件選項(xiàng)，然后在定義屬性選擇密度選項(xiàng)，輸入7.85e-6。

（4）定義重力，更改模的方向，大小為默認(rèn)設(shè)置。

（5）創(chuàng)建并運(yùn)行動(dòng)態(tài)分析，在外部負(fù)荷中勾選啟用重力。測量結(jié)果如下：

圖4 拉臂對車架的作用力

3．工況三分析步驟

工況三是垃圾車卸料的過程，翻轉(zhuǎn)架被固定在車箱上，在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2 ，從測量結(jié)果中，看出翻轉(zhuǎn)架對車架的軸向力幾乎為0，可以忽略不計(jì)。

（1）創(chuàng)建伺服電動(dòng)機(jī)

點(diǎn)擊工具欄的伺服電動(dòng)機(jī)按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸，在輪廓面板，選用位置。

（2）定義重力，更改模的方向，大小為默認(rèn)設(shè)置。

（3）創(chuàng)建并運(yùn)行動(dòng)態(tài)分析，在外部負(fù)荷中勾選啟用重力。

（4）測量結(jié)果

在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2 ，從測量結(jié)果中，看出翻轉(zhuǎn)架對車架的軸向力幾乎為0，可以忽略不計(jì)。（圖5）

從以上可以看出，建立了拉臂車工作裝置的虛擬樣機(jī)模型，對工作裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明：

對拉臂車工作裝置在三個(gè)工況下分別建立了虛擬樣機(jī)模型，有效地反映了活塞缸與車架、活塞桿與活塞缸、活塞桿與拉臂、拉臂與翻轉(zhuǎn)架、翻轉(zhuǎn)架與車架、車輪與車箱、車輪與地面、導(dǎo)輪與車箱的連接和接觸特點(diǎn);

從以上分析結(jié)果圖里面看出，拉臂與吊鉤和拉臂與翻轉(zhuǎn)架的連接作用力最大會出現(xiàn)在剛裝箱的瞬間或者車箱接觸車架導(dǎo)輪的瞬間。

圖5 工況三測量結(jié)果

結(jié)語

由此動(dòng)力分析結(jié)果，接下來以拉臂對翻轉(zhuǎn)架的最大作用力最小化為優(yōu)化目標(biāo)，車廂移動(dòng)距離和轉(zhuǎn)過的角度為設(shè)計(jì)約束，拉臂的長度和高度、吊鉤的高度、活塞缸與車架的交接點(diǎn)的位置、活塞桿與拉臂交接點(diǎn)的位置作為設(shè)計(jì)變量，得出優(yōu)化的模型；最后再利用ANSYS的workbench界面對優(yōu)化后的模型在兩種極限情況下做了有限元分析和驗(yàn)證，證明此優(yōu)化后的模型較為合理，可以實(shí)際應(yīng)用到生產(chǎn)中去。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行垃圾車?yán)垩b置的功力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣不但可以為拉臂車的研制與開發(fā)提供參考依據(jù)，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，實(shí)現(xiàn)用戶產(chǎn)品的定制，還可以提高拉臂車的產(chǎn)品質(zhì)量，對提高垃圾車的技術(shù)水平及在國內(nèi)外市場的競爭能力等方面，具有重要的社會意義和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 盛金良，李剛．拉臂式垃圾車工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．工程機(jī)械，2001，(1)：22．25．

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[3] 梁光明．拉臂式垃圾車?yán)蹤C(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]．廣西大學(xué)，2007．

[4] 王承，吳森，汪新云等．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的自卸車舉升機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版)，2003，25(3)：78．80．

[5] 陳煥明，劉大維，刁兵等．基于虛擬樣機(jī)的拉臂車工作裝置動(dòng)力學(xué)分析[J]．河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，30(1)：10．13．

趙 璟（1982年12月）、女、漢、江蘇省徐州市、江蘇省徐州技師學(xué)院數(shù)控工程系、教師、講師、工學(xué)碩士，研究方向：數(shù)控專業(yè)課程教學(xué)、人才培養(yǎng)、實(shí)習(xí)教學(xué)管理。