桶裝垃圾運(yùn)輸車升降尾板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

摘要：升降尾板機(jī)構(gòu)是桶裝垃圾運(yùn)輸車的核心裝置，直接關(guān)系到垃圾上料過程的安全性、穩(wěn)定性和效率，針對現(xiàn)有升降尾板機(jī)構(gòu)普遍存在上料效率低、結(jié)構(gòu)笨重、動(dòng)靜態(tài)性能差等缺陷，結(jié)合桶裝垃圾的上料過程及作業(yè)特點(diǎn)，運(yùn)用參數(shù)化建模的方法設(shè)計(jì)了一種新式升降尾板機(jī)構(gòu)，并利用ANSYS Workbench對其進(jìn)行有限元分析。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的新式升降尾板機(jī)構(gòu)不僅重量減輕了48 kg，而且具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸車；升降尾板；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元

中圖分類號：U462? 收稿日期：2024-03-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406014

1 前言

隨著城鎮(zhèn)化的不斷加快以及生活質(zhì)量的不斷提高，垃圾產(chǎn)生量呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，傳統(tǒng)的垃圾運(yùn)輸方式已難以滿足日益增加的需求。因此，桶裝垃圾運(yùn)輸車作為一種靈活、高效的垃圾收集和運(yùn)輸工具，得到了廣泛的應(yīng)用[1] ，升降尾板機(jī)構(gòu)作為桶裝垃圾運(yùn)輸車的關(guān)鍵裝置，不僅影響著垃圾車的上料效率，還關(guān)系到垃圾處理系統(tǒng)的整體效能，本文依托與福龍馬集團(tuán)開展的產(chǎn)教融合、校企合作優(yōu)勢，針對傳統(tǒng)升降尾板機(jī)構(gòu)存在的缺陷，設(shè)計(jì)一種新式的桶裝垃圾運(yùn)輸車升降機(jī)構(gòu)，這不管是對提升桶裝垃圾運(yùn)輸車的性能，亦或是促進(jìn)環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均具有重大積極意義。

2 升降尾板分類

桶裝垃圾運(yùn)輸車是垃圾運(yùn)輸設(shè)備的重要補(bǔ)充，具有上料方便、垃圾不灑落、制造成本低等優(yōu)勢，故在環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域的應(yīng)用極為普遍。升降尾板機(jī)構(gòu)是用于垃圾上料的重要裝置，其種類繁多，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和原理的不同，桶裝垃圾運(yùn)輸車的升降尾板機(jī)構(gòu)主要包括三類，分別是伸縮式升降尾板、垂直式升降尾板、懸臂式升降尾板，各類型分析如下[2] ：

a.伸縮式。

伸縮式升降尾板主要由伸縮機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)以及車載板所組成，通常采用多段式設(shè)計(jì)，其中包括多個(gè)可伸縮的段落，具有伸縮功能，可以根據(jù)需要調(diào)整裝卸的高度和長度[3]，因此靈活性很好，但其缺陷是負(fù)載升降的過程中晃動(dòng)性大，起重量有限，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

b.垂直式。

垂直式升降尾板的主要特點(diǎn)是其升降運(yùn)動(dòng)在垂直方向進(jìn)行，其主要由升降柱、升降平臺和升降機(jī)構(gòu)組成，由于是垂直升降，在升起時(shí)不會水平伸展，因此能夠有效地節(jié)省空間，適用于有高度限制或空間有限的場所，因其結(jié)構(gòu)相對簡單，因此垂直式升降尾板的可靠性和穩(wěn)定性較好[4]，但缺陷是靈活性差，升降效率低、承載能力有限，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

c.懸臂式。

懸臂式升降尾板主要由支撐結(jié)構(gòu)、懸挑平臺、升降機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)油缸組成，其最顯著特點(diǎn)就是其懸挑式平臺結(jié)構(gòu)，平臺部分懸掛在支架或臂上，使得升降平臺能夠覆蓋到難以直接到達(dá)的區(qū)域，具有很好的靈活性和適用性，且尾板的起重量很大，是目前桶裝垃圾運(yùn)輸車運(yùn)用最普遍的升降尾板，但目前的懸臂式升降尾板存在的弊端是結(jié)構(gòu)笨重、復(fù)雜，制造成本較高[5]。目前各環(huán)衛(wèi)設(shè)備制造企業(yè)均迫切希望在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升性能的同時(shí)降低成本，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于上述對不同類型升降尾板的分析，本文基于懸臂式結(jié)構(gòu)對升降尾板機(jī)構(gòu)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，旨在提高升降尾板的性能、降低制造成本。

3 升降尾板研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

31 升級尾板研究現(xiàn)狀

a.國內(nèi)研究現(xiàn)狀。

升級尾板的應(yīng)用領(lǐng)域很多，除了用于桶裝垃圾運(yùn)輸車，在物流車、廂式貨車、半掛車等領(lǐng)域也有普遍的應(yīng)用。首先，升降尾板的技術(shù)水平在國內(nèi)顯著提升，隨著科技的不斷進(jìn)步，液壓和電動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用使得升降尾板具備了更高的穩(wěn)定性和操作便捷性；其次，市場需求是推動(dòng)升降尾板發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ?，市場對升降尾板的需求呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢；最后，政策支持對升降尾板的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用，政府對環(huán)衛(wèi)行業(yè)的支持以及相關(guān)政策的制定，促使企業(yè)更加注重提升裝備水平。

總體來看，升降尾板在國內(nèi)發(fā)展勢頭良好。技術(shù)水平的提升、市場需求的增加以及政策支持的積極作用共同推動(dòng)了這一行業(yè)的快速發(fā)展。

b.國外研究現(xiàn)狀。

升降尾板在國外一直是環(huán)衛(wèi)和貨運(yùn)領(lǐng)域中備受研究關(guān)注的重要裝備，國外對于升降尾板的研究涉及到技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用領(lǐng)域、性能優(yōu)化、安全性研究以及未來趨勢等多個(gè)方面。首先，國外對升降尾板的技術(shù)創(chuàng)新一直保持著高度的關(guān)注，眾多學(xué)者致力于改進(jìn)液壓系統(tǒng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和智能控制系統(tǒng)，以提高升降尾板的整體性能；其次，國外的研究還關(guān)注升降尾板在不同應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，除了傳統(tǒng)的環(huán)衛(wèi)和貨運(yùn)領(lǐng)域，研究人員開始研究升降尾板在特殊行業(yè)和環(huán)境中的應(yīng)用，如醫(yī)療物流、重型工業(yè)等；最后，升降尾板在物流操作中的安全性一直是研究的一個(gè)重要方向，研究人員關(guān)注降低升降尾板使用過程中的事故風(fēng)險(xiǎn)，通過引入先進(jìn)的安全傳感技術(shù)和智能控制系統(tǒng)，以提高升降尾板的可靠性和安全性。

總體而言，升降尾板在國外的研究處于不斷深化和拓展的階段，技術(shù)創(chuàng)新、安全性提升和多領(lǐng)域應(yīng)用的研究為升降尾板的發(fā)展提供了保障。

32 升降尾板發(fā)展趨勢

升降尾板作為環(huán)衛(wèi)設(shè)備領(lǐng)域的重要裝備，面臨著技術(shù)創(chuàng)新、市場需求變化、可持續(xù)發(fā)展等多方面的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，發(fā)展趨勢主要涉及三個(gè)方面，分別是技術(shù)創(chuàng)新和智能化、安全性提升、應(yīng)用領(lǐng)域多樣化。

a.技術(shù)創(chuàng)新和智能化。

未來升降尾板有望采用更先進(jìn)的輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更加注重提高液壓系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和可靠性，此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，升降尾板將更廣泛地采用智能控制系統(tǒng)，以提高其載荷能力、能源利用效率以及操作的精準(zhǔn)性。

b.安全性提升。

為提高升降尾板的安全性，未來會引入更先進(jìn)的傳感技術(shù)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍環(huán)境、檢測障礙物等手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并避免潛在的安全隱患。

c.應(yīng)用領(lǐng)域多樣化。

隨著全球環(huán)衛(wèi)行業(yè)的發(fā)展，市場對升降尾板的需求將不斷增長，未來升降尾板的應(yīng)用領(lǐng)域可能會更加廣泛，涵蓋醫(yī)療物流、冷鏈物流、制造業(yè)等領(lǐng)域，設(shè)備的多樣化應(yīng)用將推動(dòng)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

4 升降尾板參數(shù)化設(shè)計(jì)

41 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

基于懸臂式結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的升降尾板機(jī)構(gòu)主要由懸挑臂、車載板、驅(qū)動(dòng)油缸、支撐座、液壓油箱、液壓管理、限位桿及控制系統(tǒng)所組成，車載板是尾板的工作區(qū)域，用于放置垃圾桶，在桶裝垃圾初始上料狀態(tài)下，懸臂式升降尾板處于底部位置，車載板與地面平齊，當(dāng)桶裝垃圾推至車載板后，驅(qū)動(dòng)油缸伸出，促使車載板垂直升起，油缸伸出到位后，車板板與車廂底板平齊，桶裝垃圾可順利推至車廂內(nèi)，從而完成桶裝垃圾的上料，當(dāng)驅(qū)動(dòng)油縮回，車載板向下運(yùn)動(dòng)，等待下一個(gè)桶裝垃圾上料，懸臂式升降尾板原理如圖4所示。

42 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

本文設(shè)計(jì)的升降尾板機(jī)構(gòu)是基于FLM5080XTYQL6桶裝垃圾運(yùn)輸車，該運(yùn)輸車屬于大噸位環(huán)衛(wèi)垃圾運(yùn)輸車，上料高度要求是1 140 mm，為確保桶裝垃圾在上料過程中具有足夠的舉升力，對升降尾板機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析是重要手段[6]。經(jīng)簡化，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖見圖5，利用CAD作圖法和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，初步設(shè)計(jì)車載板厚度H0=100 mm，A、E兩鉸接點(diǎn)間距H3=150 mm，L1=400 mm，L2=200 mm。

懸臂式升降尾板機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角是體現(xiàn)傳動(dòng)性能的重要參數(shù)，為確保升降尾板在整個(gè)上料過程中順暢，最小傳動(dòng)角必須大于40°，即γmin≥40°，通過對運(yùn)動(dòng)簡圖進(jìn)行分析可知，升降尾板機(jī)構(gòu)在上料過程中，其傳動(dòng)角是實(shí)時(shí)變化的，總體趨勢是先增大后減小，故升降尾板機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角處于起始或終了狀態(tài)之一，基于上述分析，對最小傳動(dòng)角進(jìn)行計(jì)算。

機(jī)構(gòu)起始狀態(tài)：

[H2≤（L1+L2）cotγmin]????????????????????????? （1）

[γmin=arctanH22+L21-（H1-H0）2H1-H0]?????????????? （2）

把設(shè)計(jì)參數(shù)分別代入式（1）、式（2），求出初始狀態(tài)最小傳動(dòng)角γmin=45°。

機(jī)構(gòu)終了狀態(tài)：

[H2≤（L1+L2）cotγmin]? ??????????????????????????（3）

[γmin=arctanH22+L22-（H1-H2）2H1-H2]?????????????? （4）

把設(shè)計(jì)參數(shù)分別代入式（3）、式（4），求出終了狀態(tài)最小傳動(dòng)角γmin=42°。

通過計(jì)算分析可知，升降尾板機(jī)構(gòu)在垃圾上料的初始狀態(tài)和終了狀態(tài)均滿足傳動(dòng)角大于40°的設(shè)計(jì)要求，故新設(shè)計(jì)的升降尾板機(jī)構(gòu)在原理上是可行的。

43 建立參數(shù)化模型

三維參數(shù)化模型不僅能夠直觀地分析升降尾板的運(yùn)動(dòng)過程，同時(shí)也是后續(xù)對升降尾板進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)性能分析的基礎(chǔ)[7]。基于上述對桶裝垃圾運(yùn)輸車升降尾板機(jī)構(gòu)的分析和計(jì)算，運(yùn)用Pro/E軟件對升降尾板進(jìn)行參數(shù)化建模設(shè)計(jì)。建模過程中，綜合考慮制造成本、機(jī)構(gòu)強(qiáng)度以及車載板耐磨性要求，設(shè)置驅(qū)動(dòng)油缸和車載板的材質(zhì)為45鋼，其余零部件的材質(zhì)為Q235B，經(jīng)構(gòu)建，桶裝垃圾運(yùn)輸車升降尾板機(jī)構(gòu)的參數(shù)化三維模型如圖6所示。通過軟件測算，新設(shè)計(jì)的升降尾板比現(xiàn)有的升降尾板在重量上減輕了48 kg，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的要求。

5 升降尾板動(dòng)靜態(tài)性能分析

51 構(gòu)建有限元網(wǎng)格模型

網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ)，將桶裝垃圾運(yùn)輸車升降尾板機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中，設(shè)置彈性模量E=216 GPa，泊松比[μ]=025，為防止畸形網(wǎng)格的生產(chǎn)，去除細(xì)小的倒角和倒圓[8]，網(wǎng)格劃分過程中，為提高求解精度和速度，采用Hex Dominant六面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格單元大小設(shè)置成5 mm，經(jīng)自動(dòng)劃分，建立的有限元網(wǎng)格模型如圖7所示。

52 升降尾板靜態(tài)分析

對升降尾板進(jìn)行有限元靜態(tài)分析在工程設(shè)計(jì)和制造中具有不可替代的重要性，其可以評估升降尾板在靜態(tài)載荷作用下的應(yīng)力和變形情況，識別結(jié)構(gòu)的潛在弱點(diǎn)，避免過度設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)不足，從而提高升降尾板的安全性[9]，假定滿負(fù)荷雙桶上料，垃圾重力約為G=9 475 N，將載荷加載到車載板上，經(jīng)仿真計(jì)算，升降尾板的應(yīng)力和位移云圖見圖8。

從靜力學(xué)分析結(jié)果可知，桶裝垃圾運(yùn)輸車的升降尾板在滿負(fù)荷雙桶上料狀態(tài)下，最大應(yīng)力為1367 MPa，小于Q235B材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，最大位移為0527 mm，變形極小，說明新設(shè)計(jì)的升降尾板機(jī)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度和剛度性能。

53 升降尾板模態(tài)分析

模態(tài)分析是確保結(jié)構(gòu)在使用過程中穩(wěn)定、可靠且滿足設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵步驟，其能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)在外部激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過分析升降尾板的振動(dòng)模態(tài)，了解其固有頻率可以避免共振現(xiàn)象，提高升降尾板的穩(wěn)定性，通過仿真計(jì)算，桶裝垃圾運(yùn)輸車升降尾板的前兩階模態(tài)如圖9所示。

對于FLM5080XTYQL6桶裝垃圾運(yùn)輸車，垃圾上料過程中的加大油門轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，由此可知外界的最大激勵(lì)頻率為233 Hz，而新設(shè)計(jì)的升降尾板機(jī)構(gòu)，其一階模態(tài)頻率為61952 Hz，二階模態(tài)頻率為94532 Hz，遠(yuǎn)大于外界激勵(lì)頻率，因此升降尾板機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

6 結(jié)語

升降尾板是桶裝垃圾運(yùn)輸車的上料機(jī)構(gòu)，其性能直接關(guān)系到整車可靠性和垃圾上料效率，針對現(xiàn)有升降尾板的缺陷，本文運(yùn)用參數(shù)化建模和有限元仿真分析的方法設(shè)計(jì)了一種新型的升降尾板機(jī)構(gòu)，經(jīng)分析，新設(shè)計(jì)的升降尾板在重量上比現(xiàn)有的升降尾板減輕了48 kg，而且其強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)參數(shù)指標(biāo)表現(xiàn)出色，即在確保升降尾板動(dòng)靜態(tài)性能同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，縮短了研發(fā)周期和制造成本，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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作者簡介：

曾艷，女，1983年生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械加工、環(huán)衛(wèi)設(shè)備數(shù)字化設(shè)計(jì)。