一種分體式掛桶機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析與改進(jìn)

張收良，毛靖德，文藝，董磊磊，劉友紅

（陜西汽車(chē)控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著全國(guó)城鎮(zhèn)化水平以及人民生活水平的快速提升，2017年我國(guó)城市垃圾清運(yùn)量預(yù)計(jì)達(dá)到2.25億噸，10年來(lái)以年均 4.28%的速度不斷增加[1]，有力推動(dòng)了傳統(tǒng)垃圾車(chē)市場(chǎng)的快速發(fā)展；另一方面，隨著社會(huì)老齡化的加劇，以及社會(huì)勞動(dòng)力的減少，各城市管理部門(mén)或企業(yè)的用工成本逐年增加，智能化的垃圾車(chē)未來(lái)會(huì)有較大的市場(chǎng)潛力；因此在傳統(tǒng)后裝壓縮式垃圾車(chē)的基礎(chǔ)上研制了一種新型的掛桶上料機(jī)構(gòu)，主要用于后裝壓縮式垃圾車(chē)沿街收集桶裝垃圾，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料，減少輔助工人及輔助工作時(shí)間，提高整車(chē)工作效率。

1 分體式掛桶機(jī)構(gòu)組成及工作原理

如圖1所示，分體式掛桶機(jī)構(gòu)由填裝器（1）、掛桶油缸（2）、舉升臂（3）、小連桿（4）、凸輪管軸（5）、掛桶架（6）、橡膠塊（7）、傳感器組件（8）、傳感器組件（9）、壓桶板（10）等零件組成的間歇式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

當(dāng)垃圾桶接觸傳感器組件（8），并使其產(chǎn)生信號(hào)時(shí)，經(jīng)控制器運(yùn)算后掛桶油缸桿伸出，舉升臂繞安裝軸（填裝器（1）上）旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，掛桶架（6）在小連桿（4）的作用下繞舉升臂懸臂軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)掛桶架完全承受垃圾桶及垃圾的重量時(shí)，觸動(dòng)傳感器組件（9），分體式掛桶機(jī)構(gòu)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，否則停止。當(dāng)掛桶架旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，固連在舉升臂懸臂軸上的凸輪管軸開(kāi)始起作用，凸輪推動(dòng)壓桶板（10）翻轉(zhuǎn)并壓桶，分體式掛桶機(jī)構(gòu)進(jìn)而完成傾倒垃圾并做回程旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 分體式掛桶機(jī)構(gòu)總成

2 建立模型

根據(jù)后裝壓縮式垃圾車(chē)實(shí)際使用情況，經(jīng)常出現(xiàn)掉桶等異常問(wèn)題，因此采用Adams/View對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。在三維CAD軟件中建立幾何模型后，導(dǎo)入Adams/View動(dòng)力分析軟件，進(jìn)行以下工作：

（1）用布爾運(yùn)算合并零部件，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

（2）建立零件之間的連接關(guān)系、驅(qū)動(dòng)、力和接觸力；

（3）自由度計(jì)算，消減過(guò)約束方程；

（4）建立測(cè)量并仿真計(jì)算。

3 結(jié)果分析

在處理后的模型上加載油缸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)算后得到油缸的位移曲線和速度曲線（如圖2），其符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)而提取掛桶齒的受力曲線（如圖3），最大接觸力3.7KN出現(xiàn)在2.26 s，即掛桶齒提起垃圾桶并使垃圾桶離開(kāi)地面的瞬間。提取油缸負(fù)載曲線（如圖4），最大負(fù)載為29.86KN，而油缸能夠提供56.08KN，安全系數(shù) 1.88，由于掛桶機(jī)構(gòu)是頻繁動(dòng)作的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故安全系數(shù)1.88符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 油缸的位移曲線和速度

圖3 掛桶齒接觸力和油缸負(fù)載力

為避免工程實(shí)踐中出現(xiàn)的掉桶現(xiàn)象，故提取垃圾桶的翻轉(zhuǎn)角度曲線，并和壓桶板接觸力進(jìn)行對(duì)比。3.84 s時(shí)，壓桶板完成壓桶動(dòng)作，此刻垃圾桶翻轉(zhuǎn)71°，垃圾桶在重力作用下尚未接觸壓桶板；4.43 s時(shí)，垃圾桶翻轉(zhuǎn)95°，并在重力作用下接觸壓桶板；4.99 s時(shí)，垃圾桶翻轉(zhuǎn)115°，壓桶板出現(xiàn)最大負(fù)載991 N，此刻垃圾開(kāi)始卸除。返程至7.27s時(shí)，垃圾桶翻轉(zhuǎn)至 94.83°，垃圾桶在重力作用下與壓桶板產(chǎn)生間隙，壓桶板接觸力消失；7.7 s時(shí)，垃圾桶翻轉(zhuǎn)至60.68°，壓桶板開(kāi)始打開(kāi)。經(jīng)過(guò)上述分析，壓桶板關(guān)閉與打開(kāi)的時(shí)間點(diǎn)，垃圾桶的翻轉(zhuǎn)角度分別為53.5°和60.68°，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 垃圾桶翻轉(zhuǎn)角度與壓桶接觸力

圖5 舉升臂橫向扭矩分析

由于該掛桶機(jī)構(gòu)為左、右分體式，可以獨(dú)立工作，因此舉升臂承受了較大的扭矩。提取舉升臂連接處的扭矩（如圖5），發(fā)現(xiàn) 3.79 s時(shí)即垃圾桶卸載垃圾前，扭矩達(dá)到最大值3785Nm。同時(shí)提取小連桿連接處的扭矩（如圖6），發(fā)現(xiàn)4.99 s時(shí)即垃圾桶卸載垃圾前，彎矩達(dá)到最大值4009Nm，該結(jié)果為進(jìn)一步做強(qiáng)度分析提供了理論依據(jù)。

圖6 小連桿橫向扭矩分析

圖7 壓緊板彈簧受力曲線

由于該機(jī)構(gòu)沿用傳統(tǒng)的“凸輪壓緊，彈簧打開(kāi)”的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)對(duì)彈簧的拉力要求不高，但應(yīng)克服壓桶板運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部阻力，同時(shí)有效降低裝配的難度，所以采用雙彈簧設(shè)計(jì)。提取單根彈簧的受力曲線，如圖7可知，最大拉力為138N，最小拉力102N；結(jié)合剛度值0.8，預(yù)緊力10N，符合使用需要。

分體式上料機(jī)構(gòu)上安裝了2組接近傳感器，其內(nèi)部安裝有2個(gè)卷簧，以保證發(fā)送信號(hào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。為減小該裝置對(duì)掛桶裝置的影響，特別是扭轉(zhuǎn)彈簧的對(duì)垃圾桶的推力，提取扭轉(zhuǎn)彈簧的扭力曲線，如圖8。傳感器組件8的扭力彈簧，扭力最大值為255Nmm，出現(xiàn)在垃圾桶回落至地面的瞬間（8.69s），而 4.41s-7.54s垃圾桶處于高位卸料，扭力值相對(duì)穩(wěn)定。傳感器組件8的扭力彈簧，扭力最大值為351Nmm，出現(xiàn)在垃圾桶離開(kāi)地面的上升階段（2.26s），而 4.41s-7.54s垃圾桶處于高位卸料，扭力值也相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)以上分析，可以看出彈簧的彈力適中[2]，但仍需進(jìn)一步實(shí)物驗(yàn)證。

圖8 扭轉(zhuǎn)彈簧扭力曲線

圖9 橡膠緩沖塊受力曲線

提取橡膠緩沖器隨垃圾桶翻轉(zhuǎn)角度變化的受力曲線，發(fā)現(xiàn)隨垃圾桶的上升，緩沖器先增大后減小，符合實(shí)際情況；同時(shí)發(fā)現(xiàn)垃圾桶離開(kāi)地面后，對(duì)橡膠緩沖器產(chǎn)生了瞬間的沖擊力，數(shù)值達(dá)到4642N，這為橡膠緩沖器設(shè)計(jì)及選材提供了依據(jù)。

4 結(jié)果應(yīng)用

經(jīng)過(guò)虛擬樣機(jī)的仿真分析，優(yōu)化改進(jìn)了舉升臂結(jié)構(gòu)、傳感器組件結(jié)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)等，可以有效降低樣機(jī)試制風(fēng)險(xiǎn)及成本。