垃圾轉運設備翻轉機構動力優化

蔣 錚，秦永法

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

隨著城市化進程的加快，垃圾的產量逐年增多，生活垃圾的處理地點距離市區越來越遠，由此引起垃圾收運距離增加，導致垃圾收運車數量及費用的增加，并加大城市交通擁擠程度。在城市附近適宜的位置建設垃圾轉運站，是一種有效的垃圾處理模式［1］。本文主要對垃圾轉運設備的翻轉機構進行了研究。

1 翻轉機構組成

本文以垃圾轉運設備的翻轉機構作為研究對象，通過參數化各鉸點坐標，對翻轉機構油缸的最大受力進行優化，進而達到優化翻轉機構動力的目的。在同類的翻轉機構中翻轉同等重量的垃圾所需的油缸舉升力越小，則這一翻轉機構的油壓穩定性越好，工作效率越高。翻轉機構主要由料斗總成、主動臂總成、連桿總成以及翻轉油缸組成，舉升支架和連接支架焊接在壓縮箱總成上，其上分別鉸接著主動臂總成和翻轉液壓缸總成，圖1為翻轉機構示意圖，可將其簡化為平面四連桿機構，在翻轉油缸的驅動下，實現舉升卸料的功用。

圖1 翻轉機構示意圖

2 翻轉機構參數化建模

2.1 翻轉機構模型的簡化

在ADAMS/View中，各剛體的建模可以根據仿真的需要與建模的難易程度作適當的簡化，其外形不必與實際構件完全一致，各剛體的屬性（重心、質量、慣性矩）可以人為設定，而不必依賴于外形的計算［2］。翻轉機構是對稱結構，可取其二分之一模型進行研究，以A點為坐標原點建立直角坐標系如圖2所示，A，B，C，D，E，F所處的位置為翻轉機構的初始位置。

圖2 翻轉機構簡化模型

2.2 翻轉機構鉸點參數化

參數化模型是在創建模型元素時，將模型元素的參數用設計變量來代替，設計變量的值就是模型元素參數的值，通過修改設計變量的值修改模型元素參數的值。A，B，C，D，E，F為翻轉機構的6個鉸點，參數化坐標如表1所示。

表1 鉸點參數化坐標

3 翻轉油缸受力分析

翻轉油缸的受力分析是翻轉機構的主要研究內容，由于翻轉油缸兩端鉸點處受力是一對大小相等、方向相反的力，所以只要測量主動臂液壓缸兩端任一個鉸點的受力即可［3］。油缸在鉸點A和B受到FA和FB兩個力的作用，這兩個力為相互作用力，所以只要能測量出其中一個力即可。圖3為翻轉油缸0s～16 s的受力曲線圖。

圖3 翻轉油缸的受力曲線圖

分別對鉸點F和C取力矩平衡，求得油缸推力公式為：

其中：W為料斗重量；xG為料斗質心橫坐標；d1，d2，d3分別為鉸點C到DE的距離、鉸點F到DE的距離、鉸點C到AB的距離。

翻轉機構處于初始位置時，料斗質心橫坐標為正值，此時油缸受拉。從圖3中可以看出，油缸的受力增大到一個最大值后開始減小，當料斗運動到質心橫坐標為零時，此時料斗受力平衡，即油缸不受力，料斗在油缸的驅動下繼續運動，料斗的質心變為負值，此時油缸開始受到推力作用，圖3中表現為油缸受力為負，且逐漸增大。

4 翻轉機構優化模型的建立［4］

4.1 設計變量

對于一個優化設計問題來說，應該恰當地確定設計變量的數目，減小優化設計的計算量。翻轉機構的二分之一模型共有6個鉸點，8個設計變量，通過設計分析找出對目標函數影響較大的設計變量，其靈敏度分析如表2所示。

表2為變量原尺寸的靈敏度值，從表中可以看出，DV＿1、DV＿2、DV＿5、DV＿6、DV＿7和 DV＿8的靈敏度值遠大于DV＿3、DV＿4的，因此可確定優化變量為：X＝［DV＿1 DV＿2 DV＿5 DV＿6 DV＿7 DV＿8］.

表2 設計變量靈敏度

4.2 目標函數和設計約束

在優化設計中正確建立目標函數是很重要的一步工作，它不僅直接影響優化設計的質量，而且對整個優化計算的繁簡難易也會有一定的影響。此次優化設計的目的是使油缸的最大受力值盡量減小，所以需要把油缸的最大受力作為目標函數，即F＝min（Ftmax）；設計約束即為翻轉機構的結構尺寸確定，使翻轉機構能夠達到預定目標且各構件間不發生干涉。

5 翻轉機構優化分析

圖4為優化前、后油缸受力曲線的對比，經過優化后油缸的最大受力從原來的30 652.1N降為24 645.6N，降幅為19.6%。圖5為優化前、后料斗翻轉加速度曲線對比，經過優化后，料斗的翻轉加速度減小并趨于平緩，使得料斗能夠平穩地運行，加強了翻轉機構的可靠性。

圖4 優化前、后翻轉油缸受力曲線對比

圖5 優化前、后料斗翻轉角加速度α對比

6 結束語

本文通過在ADAMS/View中建立翻轉機構的參數化模型，以翻轉的最大推力最小為目標函數進行分析，得出對其影響最大的翻轉機構的各鉸點坐標，并以這些坐標為設計變量對翻轉油缸的最大受力進行優化，從而得到了相應的優化結果，使整個機構具有良好的油壓特性，運行更趨平穩。

［1］鐘沅羱.城市生活垃圾中轉站評價及車輛收運路線優化研究 ［D］.南京：南京航空航天大學，2010：1－2.

［2］梁光明.拉臂式垃圾車拉臂機構動力學仿真分析與結構優化設計［D］.南寧：廣西大學，2007：14－15.

［3］楊世文.混凝土泵車臂架動力學仿真與優化設計［D］.揚州：揚州大學，2012：28－29，46.

［4］趙武云，劉艷妍，吳建明，等.ADAMS基礎與應用實例教程［M］.北京：清華大學出版社，2011.