一種環(huán)衛(wèi)車提料裝置運動學仿真及優(yōu)化

韋夢圓，沈 輝，曾 勵，凌 曦

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

1 引言

城市垃圾造成的環(huán)境污染需引起重視[1]。垃圾收集過程要求無害、無泄漏、無二次污染，需要有性能完備的環(huán)衛(wèi)機械來提供保障。文獻[2-9]對提料裝置結(jié)構(gòu)、性能性進行了設(shè)計分析與性能仿真研究，取得一些研究成果，但在輕量化、系統(tǒng)運行可靠性等方面需要進一步優(yōu)化。這里設(shè)計的新型后裝式提料裝置，設(shè)有夾持、舉升、翻轉(zhuǎn)三組油缸，既可調(diào)整對垃圾桶的夾持力度，避免夾持損壞垃圾桶，又可減輕單個油缸工作負荷，延長系統(tǒng)使用壽命。

2 提料裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

后裝式提料裝置結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)由提料支架，提料臂，安裝架，掛桶架，掛桶架，夾持油缸，舉升油缸和翻轉(zhuǎn)油缸構(gòu)成。提料裝置機構(gòu)運動簡圖，如圖2所示。

圖2 提料裝置機構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic Diagram of Lifting Device

工作時夾持油缸1 推動掛桶架（HI）上行至頂端，固定垃圾桶；舉升油缸2推動提料臂（AC）繞軸（A點）轉(zhuǎn)動舉升垃圾桶，提料臂的最大和最小行程要避免沖頂、墜底等問題，當提料臂接觸到車廂進料口下端口時，達最大行程；翻轉(zhuǎn)油缸3推動安裝架及垃圾桶繞軸（C）轉(zhuǎn)動，完成翻轉(zhuǎn)傾倒過程。該提料裝置的自由度為3，可以完成確定的運動。

運動分析忽略各部件之間的摩擦以及彈性變形。已知各連桿和機架DF的長度，建立矢量方程式對連桿位置，速度，加速度進行分析。

位置分析：

速度分析：

加速度分析，對上式左右兩邊同時對時間t求導，得：

式中：lFD、lFB、lBC、lCE、lDE—桿FD、FB、BC、CE、DE的長度；θ1、θ2、θ3、θ4—桿FB、BC、CE、DE與水平面間的夾角；ω1、ω2、ω3、ω4—桿FB、BC、CE、DE的角速度；α1、α2、α3、α4—桿FB、BC、CE、DE的角加速度。

3 提料裝置仿真及優(yōu)化

3.1 提料裝置運動學仿真

提料系統(tǒng)在提升垃圾桶運動過程中應平順穩(wěn)定，避免因較大的速度突變造成垃圾灑落引起二次污染。選用機械仿真軟件ADAMS對其進行參數(shù)化建模，運動學仿真[10]。仿真結(jié)果，如圖3～圖5所示。

夾持油缸作用力持續(xù)減小，范圍為（0.021～10.4）kN，最大作用力出現(xiàn)在初始位置，舉升油缸作用力先增后減，范圍為（5.8～21）kN，最大作用力出現(xiàn)在13s處，翻轉(zhuǎn)油缸作用力范圍為（0.7～2.9）kN。最大作用力出現(xiàn)在初始位置，如圖3所示。

圖3 各油缸作用力曲線圖Fig.3 Force Diagram of Each Cylinder

垃圾桶質(zhì)心速度，加速度及角加速度曲線圖，如圖4所示。

圖4 垃圾桶質(zhì)心速度，加速度及角加速度曲線圖Fig.4 Diagram of Velocity，Acceleration and Angular Acceleration of Center of Mass of Waste Bin

加速度變化范圍為（0～129.7）mm·s-2，垃圾桶質(zhì)心角加速度變化范圍為（0～16.3）rad·s-2。三條曲線均存在起伏較大的問題，在實際工況中，易造成垃圾灑落，需進行優(yōu)化。

垃圾的組成成份復雜，相關(guān)物理系數(shù)無法精準的確定，因此，借鑒相關(guān)文獻確定幾種常見規(guī)格垃圾桶最大承重分別為50kg、100kg、300kg、500kg[11]。據(jù)此改變施加的載荷大小，不同載荷下夾持油缸受力，如圖5所示。

圖5 各載荷下夾持油缸受力曲線圖Fig.5 Force Diagram of Clamping Cylinder Under Various Loads

夾持油缸可以在夾持不同規(guī)格的垃圾桶時調(diào)節(jié)檔位以輸出適宜的力，同時夾持裝置設(shè)置有彈簧，彈簧安裝在提料面板下端的彈簧安裝柱間，可調(diào)整夾緊力，防止損壞垃圾桶。

3.2 優(yōu)化分析

滿載工況下加速度突變最為明顯，在各部件尺寸，垃圾桶尺寸已初步確定的情況下，根據(jù)連桿機構(gòu)本身特性，機構(gòu)優(yōu)化的實質(zhì)即確定鉸接點的最佳布置方案。

目標函數(shù)選定為垃圾桶質(zhì)心加速度。

圖1中的A、D、F、G、J為固定點，不設(shè)置為設(shè)計變量，創(chuàng)建設(shè)計變量來代替B點的X，Z坐標，C，E的Z坐標，H的Y，Z坐標，設(shè)置DV_1～DV_6，采用Percent Relative To Value 方式劃定取值范圍，根據(jù)實際情況初步選定上下偏移百分比為12%為約束條件，進行幾次實驗設(shè)計分析，縮小設(shè)計變量取值范圍，采用OPTDESSQP算法進行優(yōu)化設(shè)計。各設(shè)計變量對應設(shè)計點，初始值及優(yōu)化值，如表1所示。

表1 DV_1～DV_6優(yōu)化值Tab.1 The Optimal Value of DV_1～DV_6

滿載工況下，經(jīng)過6次迭代得到優(yōu)化分析結(jié)果，垃圾桶質(zhì)心加速度優(yōu)化曲線，如圖6所示。

垃圾桶質(zhì)心加速度，角加速度及三組油缸的作用力優(yōu)化前后對比，如圖7，圖8所示。

具體參數(shù)變化，如表2所示。

表2 各參數(shù)初始值及優(yōu)化值Tab.2 Initial Value and Optimization of Each Parameter

表3 各油缸作用力初始值及優(yōu)化值Tab.3 Initial and Optimal Values of Each Cylinder’s Force

由圖6可知，目標函數(shù)曲線相較于優(yōu)化前趨于平緩，最大值由129.7mm·s-2降低為60.4mm·s-2，下降53.4%。

圖6 目標函數(shù)優(yōu)化曲線Fig.6 Optimization Curve of Objective Function

由圖7可知，垃圾桶質(zhì)心角速度最大值由初始的16.3rad·s-2減小為11.3rad·s-2，下降30.7%。

圖7 角加速度優(yōu)化前后曲線圖Fig.7 Curve Before and After Optimization of Angular Acceleration

由圖8可知，夾持、舉升、翻轉(zhuǎn)三組油缸最大作用力分別下降18.4%、14.1%和21.1%，優(yōu)化結(jié)果比較明顯。

圖8 各油缸推力優(yōu)化前后曲線圖Fig.8 Curve Before and After Optimization of Force of Each Cylinder

結(jié)果表明提料系統(tǒng)可以在較小的系統(tǒng)壓力變化范圍下正常工作，這將影響液壓元件的選擇，有利于降低生產(chǎn)成本。

4 試驗研究

根據(jù)ADAMS 優(yōu)化后得出的數(shù)據(jù)進行樣機試制，物理樣機，如圖9所示，提料系統(tǒng)動作由控制面板控制。實驗器材如下：海沃RCM07環(huán)衛(wèi)車一輛、提料系統(tǒng)物理樣機、三組雙作用單桿型號分別為HSGK01-40/20E-3333-330、HSGK-40/25E-3412-391、HSGK01-50/30E-3412-293）、測速儀、加速度儀及三坐標測量儀。

圖9 提料系統(tǒng)樣機Fig.9 Physical Prototype of Lifting Device

首先進行空載試驗，確定其能順暢完成提料循環(huán)，再選用約500kg的沙袋代替垃圾進行實載試驗。

如表4所示，將測得的工作時間、載荷、速度及加速度與仿真值進行對比，對比結(jié)果表明，時間、載荷、速度和加速度的仿真值與試驗值相比，最大偏移百分比分別為22.9%、0.9%、1.2%和4.3%。其中實測時間較長的原因是測量精度的問題及仿真時忽略了提料系統(tǒng)摩擦力。

表4 實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比Tab.4 Comparison Between Experimental Data and Simulation Data

經(jīng)觀察，實驗過程中無撒漏現(xiàn)象；工作過程平穩(wěn)、無卡滯異響；卸料干凈徹底。試驗后觀察樣機部件，如產(chǎn)生變形，可用三坐標測量儀測量變形量。提料系統(tǒng)在回落過程中出現(xiàn)震動現(xiàn)象，可通過加裝緩沖墊片解決該問題。

5 結(jié)論

為提高提料系統(tǒng)運動平順性及經(jīng)濟性，在ADAMS中對提料系統(tǒng)進行仿真，確定其能夠完成既定工作，但垃圾桶質(zhì)心加速度波動較大，對其進行參數(shù)化建模并優(yōu)化，優(yōu)化后其加速度整體減小且曲線趨于平緩，最大值下降53.4%，角加速度下降30.7%，夾持、舉升、翻轉(zhuǎn)三組油缸最大作用力分別下降18.4%、14.1%和21.1%，均有顯著改善，根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進行樣機試制及試驗，各種運動參數(shù)仿真結(jié)果與樣機實測值誤差極小，驗證了仿真的正確性和實用性。

這種分析方式可以有效節(jié)省經(jīng)濟成本，使研發(fā)進程更為高效。