垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

1. 合加新能源汽車有限公司汽車技術(shù)中心 謝 勇

2. 神龍汽車有限公司技術(shù)中心 王亞蓮

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外垃圾成分以及收運(yùn)模式的差異以及抱桶手爪設(shè)計(jì)分析，說明了垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車機(jī)械臂設(shè)計(jì)中的需要滿足的條件和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。分析出抱桶手爪設(shè)計(jì)時(shí)需在不破壞垃圾桶的條件下完成重載垃圾桶的上料工作是機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

使用機(jī)械化作業(yè)的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車對(duì)塑料垃圾桶中的生活垃圾進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)主流模式。垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車需要一套上料機(jī)構(gòu)將塑料垃圾桶中的垃圾倒入垃圾箱中。各種后裝上料機(jī)構(gòu)、側(cè)裝上料機(jī)構(gòu)目前在國(guó)內(nèi)已有廣泛的運(yùn)用，但這些機(jī)構(gòu)都需要先將垃圾桶掛到機(jī)構(gòu)上，導(dǎo)致環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度較大。機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)在國(guó)外垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車中已有廣泛的應(yīng)用，其最大的特點(diǎn)就是無人化，大大減輕了環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大降低了垃圾收運(yùn)的成本，是未來垃圾收運(yùn)的發(fā)展方向，但國(guó)內(nèi)還沒有成熟可靠的運(yùn)用機(jī)械臂進(jìn)行垃圾收集的模式出現(xiàn)，本文將對(duì)機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出滿足國(guó)內(nèi)塑料桶垃圾收集的機(jī)械臂設(shè)計(jì)性能要求。

國(guó)外垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

國(guó)外機(jī)械臂種類很多，但是歸結(jié)起來，機(jī)械臂上料都要完成展開、夾桶、提桶、翻桶4個(gè)動(dòng)作。

1.Heil 公司

Heil公司的3種機(jī)械臂（ PYTHON? 型、RAPID RAIL?型、MULTIPACK?型）均采用折疊式，抓取范圍廣，占用空間小，但運(yùn)行控制困難，穩(wěn)定性較差。

2.Bridgeprot 公司

Bridgeprot公司的3種機(jī)械臂（Ranger 型、Ranger+Drop+Frame 型號(hào)、Ranger+SA-2型）均采用直角坐標(biāo)移動(dòng)式，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，控制簡(jiǎn)單，但抓取范圍小，占用空間較大。

3.Faun 公司

Fa u n公司的三種機(jī)械臂（S i d e p r e s s C1100型、Sidepress FC1100型、Sidepress F3000型）中，SidepressC1100型和 Sidepress FC1100型采用折疊式，具有折疊式機(jī)械臂的優(yōu)缺點(diǎn)，Sidepress F3000型采用直角坐標(biāo)移動(dòng)式，具有直角坐標(biāo)機(jī)械臂的優(yōu)缺點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)垃圾桶垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)分析

雖然國(guó)外機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)很多種，但并不適用于我國(guó)生活垃圾收運(yùn)的現(xiàn)狀。由于我國(guó)垃圾成分和收運(yùn)模式的特點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較國(guó)外更具難度。

1.國(guó)內(nèi)外垃圾成分的差異

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)垃圾分類收集，主要垃圾成分見表1[1]。

表 1 部分發(fā)達(dá)國(guó)家以及我國(guó)臺(tái)灣省垃圾成分比較 單位：（%）

我國(guó)的垃圾分類目前還處于起步階段，主要城市垃圾成分見表 2[1]。

從表1、2可以看出，國(guó)外城市生活垃圾以紙張等低密度的垃圾成分為主，而我國(guó)城市垃圾成分中以廚余垃圾等高密度垃圾為主。我國(guó)垃圾含水率很高，特別到了夏天，西瓜等水果進(jìn)一步增加垃圾桶的質(zhì)量。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)泥土、建筑垃圾等特別多，特別是北方地區(qū)，到了冬天，家家燒煤取暖，生活垃圾中混合了泥土、建筑垃圾、煤灰、雨雪等，如圖1所示。

由于國(guó)內(nèi)生活垃圾成分與國(guó)外生活垃圾成分的巨大差異，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)垃圾桶單桶垃圾的質(zhì)量變化很大，240L的垃圾桶單桶質(zhì)量可以達(dá)到 150～200kg，遠(yuǎn)超國(guó)外垃圾桶單桶垃圾質(zhì)量。比較大的單桶質(zhì)量，對(duì)機(jī)械臂負(fù)載能力提出更高的要求。

表 2 我國(guó)主要城市垃圾成分比較 單位：（%）

2.國(guó)內(nèi)外垃圾收運(yùn)模式的差異

國(guó)外生活垃圾基本上已實(shí)現(xiàn)分類收集，垃圾桶質(zhì)量輕，含水率低。垃圾桶整齊地?cái)[放在馬路邊上，這些條件都很有利于機(jī)械臂抓取垃圾桶。國(guó)外垃圾桶基本不會(huì)裝滿，機(jī)械臂上料時(shí)就算發(fā)生傾斜也不會(huì)出現(xiàn)垃圾灑落現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)還沒有實(shí)現(xiàn)生活垃圾分類，垃圾桶內(nèi)垃圾成分復(fù)雜，含水率高，垃圾桶重。垃圾桶往往擺放在小區(qū)里面，小區(qū)里道路情況復(fù)雜，同時(shí)垃圾桶常常好幾個(gè)堆放在一起，擺放無規(guī)律。生活垃圾收集時(shí)常常在夜間進(jìn)行，如果收集農(nóng)村生活垃圾，其路面條件可能更為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)垃圾桶常常裝滿了垃圾，甚至已經(jīng)溢出垃圾桶（如圖2所示）。機(jī)械臂上料的過程中如果不能保持垃圾桶垂直于地面，垃圾很容易灑落地面。國(guó)內(nèi)生活垃圾收運(yùn)條件的復(fù)雜性導(dǎo)致機(jī)械臂抓取垃圾桶的工況也更為復(fù)雜，且對(duì)機(jī)械臂的靈活性、運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)性、負(fù)載能力等都提出了更高的要求。

圖 1 中國(guó)北方冬季垃圾成分

圖 2 生活小區(qū)堆放的垃圾桶

抱桶手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

1.國(guó)外典型抱桶手爪結(jié)構(gòu)

國(guó)外典型的抱桶手爪結(jié)構(gòu)主要由抱桶油缸、傳動(dòng)齒輪、抱桶機(jī)械臂、抱桶帶、抱桶帶張緊裝置等幾大部分組成，如圖3 所示。

圖 3 國(guó)外典型抱桶手爪結(jié)構(gòu)

由于國(guó)內(nèi)垃圾桶質(zhì)量大，擺放不整齊，垃圾桶容易滿溢、作業(yè)道路情況復(fù)雜等情況，國(guó)內(nèi)機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)需要具有更好的靈活性和負(fù)載能力。不過，真正導(dǎo)致國(guó)內(nèi)機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)不能像國(guó)外機(jī)械臂那樣廣泛使用的原因是國(guó)外的抱桶手爪基本無法滿足國(guó)內(nèi)垃圾桶實(shí)際收運(yùn)情況。為了有效地完成垃圾桶上料工作，抱桶手爪必須能緊緊地抓住垃圾桶，但是國(guó)內(nèi)垃圾桶由于結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量、材料、強(qiáng)度等因素，抱桶手爪很難有效抓住垃圾桶。國(guó)外塑料垃圾桶結(jié)構(gòu)形式多樣，如圖 4 所示。

圖 4 國(guó)外典型垃圾桶結(jié)構(gòu)

從圖4中可以看出A型垃圾桶為上寬下窄方形結(jié)構(gòu)、B型垃圾桶為上下同寬的方形結(jié)構(gòu)、C型垃圾桶為上下同寬前圓后方的結(jié)構(gòu)，只有D型垃圾桶是專門用于機(jī)械手抱桶裝置的塑料垃圾桶，該垃圾桶下半部是一個(gè)圓筒形的結(jié)構(gòu)，非常有利于機(jī)械手抱桶，而且不管垃圾桶放正還是放歪了，機(jī)械臂都可以有效地抱起垃圾桶，同時(shí)垃圾桶的上半部形成一個(gè)方形的臺(tái)階，這樣垃圾桶就算很重也不容易掉落。

我國(guó)建設(shè)部發(fā)布的CJ/T 280《塑料垃圾桶通用技術(shù)條件》對(duì)120L、240L塑料垃圾桶的結(jié)構(gòu)、尺寸、壁厚要求、材料、機(jī)械性能等進(jìn)行了規(guī)定。從該通用技術(shù)條件可以看出，我國(guó)規(guī)定的塑料垃圾桶主要是針對(duì)側(cè)掛、后掛上料的方式設(shè)計(jì)制造的，塑料垃圾桶上有專門用于掛桶的吊掛尺寸說明，如圖 5 所示。

圖 5 我國(guó)垃圾桶尺寸

我國(guó)的塑料垃圾桶為方形結(jié)構(gòu)，如果垃圾桶放歪了，非常不利于手爪抱桶，垃圾桶桶身的材料采用高密度聚乙烯，而且為了使得垃圾桶更加美觀，垃圾桶表面非常光滑，垃圾一旦重了，抱桶手爪抱桶時(shí)會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

2. 垃圾桶受力變形分析

2.1 垃圾桶質(zhì)量與材質(zhì)分析

我國(guó)垃圾桶成分復(fù)雜，如果只裝生活垃圾桶，240L垃圾桶的質(zhì)量約為110kg。如果出現(xiàn)下雨等情況，240L垃圾桶的質(zhì)量約為200kg。如果垃圾桶內(nèi)裝滿了粉煤灰、泥土、建筑垃圾等情況，240L 垃圾桶的質(zhì)量可以達(dá)到500kg。

我國(guó)垃圾桶使用的材料五花八門，有鐵皮垃圾桶、玻璃鋼垃圾桶、塑料垃圾桶等等。根據(jù)CJ/T 280《塑料垃圾桶通用技術(shù)條件》垃圾桶桶身與桶蓋的材料應(yīng)該采用高密度聚乙烯，桶壁和桶底的厚度不低于4mm。同時(shí)外觀要求表面光滑平整，不允許有波紋、劃痕、黑點(diǎn)、雜質(zhì)、氣泡、裂紋等。高密度聚乙烯機(jī)械性能差、透氣差、易變形、易老化、易發(fā)脆、易應(yīng)力開裂。

2.2 抱桶手爪抱桶狀態(tài)

抱桶手爪抱桶狀態(tài)圖6所示。當(dāng)抱桶手爪抱住垃圾桶時(shí)，抱桶帶緊緊地包絡(luò)住桶的兩邊，垃圾桶兩邊受力變形，在摩擦力的作用下，抱桶手爪提起垃圾桶向上運(yùn)動(dòng)。抱桶帶夾緊力越大，摩擦力越大。根據(jù)摩擦力的計(jì)算公式：f =μN(yùn)，得到N=f/μ。

垃圾桶身的材料采用高密度聚乙烯，同時(shí)外觀要求表面光滑平整，垃圾桶身的摩擦系數(shù)為 0.12。抱起裝滿生活垃圾的垃圾桶需要的正壓力約為8900N，抱起裝滿水的垃圾桶需要的正壓力約為16300N，抱起裝滿了粉煤灰、泥土、建筑垃圾等物的垃圾桶需要的正壓力至少需要 40800N。為了減少單位面積壓強(qiáng)，盡量設(shè)計(jì)大面積的受力面積約為 0.3m2。

有限元分析參數(shù)設(shè)定如表3所示。

圖 6 抱桶手爪抱桶狀態(tài)圖

2.3 分析結(jié)果

軟件對(duì)垃圾桶所受壓力和變形進(jìn)行材料應(yīng)力分析得到結(jié)果如圖7～9所示。抱起裝滿生活垃圾的垃圾桶需要的正壓力約為8900N時(shí)，垃圾桶受到的最大正壓力為25MPa，垃圾桶最大變形量為71mm。抱起裝滿水的垃圾桶需要的正壓力約為1 6 3 0 0 N時(shí)，圾桶受到的最大正壓力為44MPa，垃圾桶最大變形量為90mm；抱起裝滿了粉煤灰、泥土、建筑垃圾等物的垃圾桶需要的正壓力至少需要40800N時(shí)，垃圾桶受到的最大正壓力為6 2 M P a，垃圾桶最大變形量為 126mm。

表 3 有限元分析參數(shù)表

圖7 裝滿生活垃圾垃圾桶夾緊時(shí)變形量

圖8 裝滿水垃圾桶夾緊時(shí)變形量圖

圖 9 裝滿泥土垃圾桶夾緊時(shí)變形量

從受力分析結(jié)果可以看出，垃圾桶在機(jī)械抱爪夾緊的情況下，并不是均勻受力，垃圾桶的四邊因?yàn)閺?qiáng)度高，變形量小，故也是應(yīng)力集中處。參考高密度聚乙烯抗壓強(qiáng)度約為22.5MPa，同時(shí)結(jié)合高密度聚乙烯易變形、易老化、易發(fā)脆、易應(yīng)力開裂的特點(diǎn)，可以很容易地得出結(jié)論：在我國(guó)垃圾桶質(zhì)量以及垃圾桶現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不變的條件下，使用機(jī)械手爪反復(fù)抓取垃圾桶，很容易造成垃圾桶受損。因此設(shè)計(jì)出在不破壞垃圾桶的前提下完成重載垃圾桶的上料工作將是機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)。

結(jié)語

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外垃圾成分以及收運(yùn)模式的差異以及抱桶手爪設(shè)計(jì)分析，說明了垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車機(jī)械臂設(shè)計(jì)中需要滿足的條件和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。首先機(jī)械臂要具有足夠的自由度和靈活性，這樣才能在垃圾桶擺放不正或擺放位置偏遠(yuǎn)的條件下仍可以抓住垃圾桶；其次機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程在一定速度條件下必須保證平穩(wěn)性，這樣才能在保持高效裝載的條件下垃圾不灑落地面；然后機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)負(fù)載能力要強(qiáng)，這樣才能適應(yīng)垃圾成分復(fù)雜，垃圾桶偏重的情況；最后總結(jié)出，抱桶手爪設(shè)計(jì)時(shí)需保證不破壞垃圾桶的條件下完成重載垃圾桶的上料工作是機(jī)械臂上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。