帶密封和鎖緊裝置的垃圾車廂體后門設計

劉同舉　耿其東

摘要：針對傳統的垃圾車廂體后門機構存在著鎖緊和密封工作不可靠，鎖軸和鎖鉤配合不到位等問題，設計了一種帶密封和鎖緊裝置的新型機構（包括后門和廂體框架兩部分）。利用雙出桿定位油缸帶動頂部的楔形塊運動，保證后門旋轉中心的位置；利用腰形孔、鎖緊油缸、鎖鉤三平行線結構保證配合可靠，密封條開關牢靠；利用NX三維設計軟件，對產品進行設計和驗證，以降低手工計算的難度，提高其準確性。通過試驗，該裝置使用效果良好，易于推廣。

關鍵詞：垃圾車廂體后門 密封鎖緊裝置 NX分析

1.前言

垃圾車用于收集、裝載和運輸生活垃圾，并可將裝入的垃圾壓碎、壓縮，使其密度增大，體積縮小，由此極大地提高了垃圾收集和運輸的效率。運輸過程中需保持后門關閉，防止垃圾泄漏，在車輛到達垃圾處理場后，將后門打開，使垃圾卸下。因此，后門既要能夠打開足夠角度，又要保證關閉時的密封性。

2.現有的后門機構

現有的后門設計通常包括手動方式和自動方式兩種，自動方式中大多采用開門油缸、導向孔、鎖鉤等，鎖緊裝置多是對鎖鉤處的改進，對后門下滑的問題沒有解決。

2.1手動方式

較為成熟的手動后門鎖緊機構為棘輪機構，廣泛運用于移動垃圾箱后門鎖緊，如圖1所示。轉動棘輪機構，正反向螺紋桿將鎖鉤與車廂之間的聯接拉桿伸長，使鎖鉤順時針旋轉，后門按導向條孔向下滑行，鎖鉤與鎖軸松開，傾翻車廂，后門將自動打開。該方式可將污水完全密封在車廂內，密封效果好，但操作麻煩。

另一種手動方式為門閂式，其操作不便、密封性差，已逐步被市場淘汰。

2.2自動方式

自動后門鎖緊機構因車型不同，其外觀也不大一樣，但其原理是大致相同的。以后裝壓縮式垃圾車為例（如圖2），開門油缸伸出將后門（填塞器）先按導向條孔向上滑行，使鎖鉤與鎖軸脫開，開門油缸繼續伸出，后門將隨之打開。

此方式對車廂與后門之間密封膠條的壓緊力是靠鎖鉤自身的圓面或斜面來實現的，因此壓縮進給量有限，不能將污水密封在車廂內，通常在后門（填塞器）下端安裝接水槽來避免運輸過程中污水溢灑問題。然而，在路面顛簸時依然存在二次污染隱患。

2.3已有改進方案及存在問題

目前市場上有以下幾種改進方案：a.在廂體底部安裝鎖鉤和推桿支座對后門鎖緊；b.利用L形連桿與七根銷軸配合實現后門鎖緊；c.在后門頂部安裝啟閉機構，后門正下方結合處兩側的活動孔板間安裝鎖緊機構，實現后門鎖緊；d.利用連桿和轉動塊實現后門鎖緊。這幾種方案仍不能完全實現后門鎖緊和密封可靠。

傳統后門關閉時，后門沿導向孔下移，導致鎖銷落在鎖鉤外部，不能密封。油缸與后門為鉸接，不能完全起到支撐后門的作用，后門在自身重力和油缸拉力的作用下向下位移，后門先到導向孔的下方，然后旋轉，關閉。這樣一來，后門上的輔助擋板碰到廂體上的限位軸，后門無法關閉，長期使用導致后門變形。

因此后門裝置的設計需解決以下三個問題：a.后門打開或關閉時，鎖緊機構工作的可靠性；b.后門關閉時，鎖軸和鎖鉤配合的準確性；c.后門和廂體框架連接處的密封性。

3.帶密封的后門鎖緊機構

為了解決上述三個問題，設計了一種帶密封和鎖緊裝置的垃圾車車廂后門（如圖3），包括后門、廂體框架；廂體框架上部具有腰形孔，通過銷軸和旋轉耳相連，從而作為后門的旋轉中心；鎖緊油缸缸筒下端與廂體框架鉸接，活塞桿頂部和后門鉸接；廂體框架下部裝有鎖銷，與后門上的鎖鉤配合保證鎖緊到位；廂體框架上裝有密封條，保證密封可靠。其中定位油缸采用雙出桿型，兩個桿頂部裝有楔形塊與廂體上的腰形孔配合，保證后門關閉時不會下移；利用鎖銷、鎖鉤和腰形孔尺寸的合理設計，保證后門關閉時正常落鎖；密封條保證后門關閉后能夠密封牢靠，不漏污水。

后門打開過程：鎖緊油缸伸長，先將旋轉耳頂到腰形孔的上方，定位油缸伸長，將楔形塊頂入腰形孔下方，隨著鎖緊油缸繼續伸長，后門繞著腰形孔的上方旋轉，直至水平位置（如圖4）。后門關閉過程：鎖緊油缸開始縮回，后門繞著腰形孔的上方旋轉，后門逐漸關閉，至后門與框架平行時，定位油缸縮回，楔形塊撤出腰形孔下方，后門在重力和油缸拉力作用下沿腰形孔斜面下滑，鎖鉤和鎖銷配合到位，密封條起作用，后門關閉且密封。

4.關鍵技術分析

4.1后門質量分析

在NX軟件平臺對零部件進行分析。首先打開后門裝配組件，連接兩側旋轉耳的圓孔中心，取該線段的中點作為坐標原點，將工作坐標系的原點移至該點，X由、Y軸方向參照三維模型坐標系，如圖5所示。然后，單擊【菜單】→【分析】→【高級質量屬性】→【高級質量管理】，在質量管理對話框中選擇“工作部件”，彈出“信息”窗口，可以找到后門的質量、質心、面積、體積、慣性矩、回轉半徑等信息，如圖6所示。利用【測量體】命令，在圖形窗口顯示質心坐標系，如圖5所示。

4.2后門打開過程分析

鎖緊油缸的活塞桿伸出頂起后門，打開過程分為兩個階段：一是沿腰形孔的方向伸出，后門平移，二是頂部繞腰形孔的上方旋轉，直至后門到達水平位置。

第一階段，為保證后門先脫離密封條的作用，需要后門整體平移，因此活塞桿伸出的方向與密封狀態時油缸的方向基本一致，且與腰形孔斜線、鎖鉤斜線平行，簡稱三平行線結構。

在第一和第二階段之間，定位油缸伸出，將安裝在兩端頂部的楔形塊插入腰形孔的下方，保證第二階段后門旋轉打開時不會下移。

在后門打開過程中，后門質心角B從起始角度逐漸增大到90°，即后門打開至水平狀態；油缸推力角a隨著B的變化而變化，油缸推力角a與后門質心角B的關系如圖8所示。

利用NX運動仿真功能，創建后門鎖緊機構的運動學仿真原型，添加連桿和運動副，經分析處理后，得到油缸推力F與后門質心角B的關系圖，如圖9所示。

由圖9可得，推力腥上升趨勢，變化規律接近線性，推力F最大值出現在后門水平位置（B=90°，a=121°）。根據三維模型分析得知，r1=586 mm，r2=1159.5 mm，帶入式（2）后可得：F=8.302kN。

為方便垃圾倒出，后門打開的極限位置為水平位置，此時，鎖緊油缸活塞桿伸出的有效長度最長，經三維模型分析得到，L=885 mm。

綜上所述，考慮密封條、腰形槽、鎖銷處摩擦阻力等因素，根據經驗取鎖緊油缸的推力為計算值的3倍，且由后門兩側的兩個鎖緊油缸提供，每個鎖緊油缸的推力約為12.454 kN。選擇鎖緊油缸的壓力P=-10 MPa，計算得到缸徑為39.8 mm，圓整后可得缸徑D=40 mm，取有效行程L=900 mm，計算出油缸的推力為：F=12.560kN。

鎖緊油缸滿足使用要求。

4.3后門關閉過程分析

與后門打開過程相對應，鎖緊油缸活塞桿縮回帶動后門關閉，其過程也分為兩個階段：第一階段是活塞桿縮回，后門在油缸拉力作用下繞腰形孔的上方順時針旋轉，控制好油缸動作速度，保證后門關閉過程工作平穩。在后門呈豎直狀態時，進入第二階段，即定位油缸的雙桿縮回，撤出楔形塊，活塞桿進一步縮回，后門在重力和油缸拉力的作用下沿腰形孔的斜面下滑，利用三平行線結構，保證鎖鉤和鎖軸配合到位，密封條受壓，鎖緊后門，垃圾不泄漏。

經過實際試用表明，其關閉后門的成功率為100%，具有優良的可靠性。

5.結論

經理論分析，采用雙油缸設計，帶鎖鉤和密封條雙重密封的后門緊鎖機構方案可行，在試用中滿足使用要求，后門關閉成功率100%，可靠性高，結構簡單，易于實現和推廣。