基于虛擬樣機技術的垃圾車拉臂裝置的動力分析

趙 璟

（江蘇省徐州技師學院 江蘇徐州 221151）

基于虛擬樣機技術的垃圾車拉臂裝置的動力分析

趙 璟

（江蘇省徐州技師學院 江蘇徐州 221151）

隨著城市規模的擴大，環衛車輛的技術升級迫在眉睫。本文選取某企業主打產品可卸式垃圾車為研究對象，運用虛擬樣機技術的ProE三維建模軟件對主要工作部件拉臂機構進行建模，然后在動力仿真模塊中通過各種連接得到不同工況的運動和動力學曲線，為優化模型、進行ANSYS有限元分析軟件做好技術準備。

技工院校 學生技師 核心技能 培養

據統計，城市化進程的不斷擴大和城市半徑的不斷擴大，城市垃圾總量以每年5%的速度遞增，大量的城市垃圾嚴重地影響著市容并威脅著人們賴以生存的環境。這直接拉動了環衛產品尤其是垃圾收集轉運設備的市場需求，促進了環衛車輛的技術升級，最近十幾年國內外環衛機械工業的飛躍發展，各種新型機械產品及技術不斷涌現。

可卸式垃圾車是一種箱體可卸式的垃圾轉運車輛，其車載工作裝置通過連桿機構實現箱體自動裝卸和垃圾傾卸的功能。由于這種車輛工作效率比較高，因此被廣泛用于多種貨物的箱體裝、運、卸服務。其特點是操作簡便、工作效率高、機動性能好、車廂密封性好、運輸垃圾量大、不易污染環境、適用于垃圾集中收集的垃圾處理系統中。

近年來，虛擬樣機技術作為一種新興的設計手段，被越來越多地應用于機械產品系統設計與性能研究。虛擬樣機技術又稱為機械系統動態仿真技術，是國際上20世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項計算機輔助工程（CAE）技術。在產品設計階段，工程師在計算機里建立虛擬樣機模型，用數字化形式代替傳統的物理樣機，并在實際工況下，對模型進行動態仿真和功能分析，進而改進樣機的設計方案。利用虛擬樣機技術，不僅大大地縮短了產品的開發周期，降低了工程測試和制造費用，更簡化了機械產品的設計、開發過程，明顯提高了產品的質量以及系統性能，獲得最優化和創新的設計產品。

一、垃圾車拉臂裝置三維模型的建立

選取某企業可卸式垃圾車的拉臂裝置作為研究模型，其垃圾箱的質量m=7700kg，垃圾箱與地面和垃圾箱與附車架的導輪的靜摩擦系數均為0.15，動摩擦系數為0.05。

垃圾車拉臂裝置的工作流程可以細分為6個過程，即滿負重裝箱兩個過程，滿負重卸料一個過程，滿負重卸下垃圾集裝箱兩個過程，滿負重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個過程。

1．構建拉臂三維模型

拉臂總長為1801mm，總高為1202mm，寬度為360mm，活塞桿與拉臂交接點和翻轉架與拉臂的交接點的距離為517.23mm.

2．附車架三維模型的建立

附車架的總長為3067mm，總寬度為850mm，活塞缸與附車架交接點位置為85mm。

3．翻轉架三維模型的建立

附車架的總長為1485mm，總寬度為482mm，翻轉架與附車架交接點位置和鎖緊架與翻轉架的交接點的距離為515.8mm

4．垃圾箱三維模型的建立

垃圾箱總高為1210mm，總寬為1252mm，總長為2650mm。

5．垃圾車拉臂裝置零部件模型的裝配

垃圾車拉臂裝置的工作流程可以細分為滿負重裝箱兩個過程，滿負重卸料一個過程，滿負重卸下垃圾集裝箱兩個過程，滿負重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個過程。而滿負重卸下垃圾集裝箱兩個過程，滿負重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個過程這幾個過程是出于安全作業的考慮而產生的，因此我們在裝配和做動力分析以及結構優化指需要考慮滿負重裝箱兩個過程和滿負重卸料一個過程總共三個過程。

二、拉臂裝置的動力學分析

Pro/e5.0中機構分析模塊可以進行裝配的動力學分析和優化設計，在二維上一些難以表達和設計的運動，在Pro/e5.0中表達起這些運動卻是非常形象直觀和易于修改的，相比于以前的開發過程，利用計算機輔助工具來進行機構協同設計其開發過程和開發周期被簡化和縮短了許多，以最少的費用獲得最好的產品質量，這是相當經濟的。仿真結果輸出形式是多樣的，既可以以動畫的形式也可以以參數的形式，這樣是很形象直觀的，用戶看起來一目了然，因此可以檢查出零部件之間是否有干涉以及干涉的范圍有多大。根據動畫仿真結果我們可以對設計的零件進行修改一直到不產生干涉為止。運動學和動力學分析包括觀察并記錄分析和測量位置、速度、加速度、力等運動參數，并且可以圖形的方式進行輸出。

圖1 拉臂裝置裝配圖

1．工況一分析

（1）點擊應用程序的機構按鈕，進入到機構環節。接下來就是檢查裝配的連接情況，點擊連接組件對話框的運行按鈕，出現確認對話框說明連接成功。

（2）創建伺服電動機

點擊工具欄的伺服電動機按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動機的運動軸，在輪廓面板，選用位置，在模選項下選擇表，如圖所示。

（3）拍攝快照

打開視圖中的拖動元件按鈕，然后適當移動拉臂的位置，拍下當前位置的快照。

（4）進行機構分析和捕獲視頻，并保存在硬盤上，以便以后觀察分析。

（5）要進行動力學分析，首先定義重力，在質量屬性中參照類型選擇組件，定義屬性為密度，輸入7.85e-6，再添加阻尼器。

（6）結果分析

在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2

測量拉臂對附車架的作用力，結果如圖

圖2 工況一測量結果

2．工況二 分析步驟

工況二是車箱從接觸車架導輪開始直到車箱放平在車上的過程，裝配模型和工況一情況差不多，所以裝配過程不再贅述，唯一不同的就是導輪與車箱底部相切，裝配模型如圖所示:

圖3 裝配模型

（1）檢查機構連接，單擊對話框中的運行按鈕，檢查裝配的連接情況，出現確定對話框，說明連接成功。

（2）創建伺服電動機

點擊工具欄的伺服電動機按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動機的運動軸，在輪廓面板，選用位置，在模選項下選擇表，如圖所示。

（3）定義組件的密度，在參照類型下選擇組件選項，然后在定義屬性選擇密度選項，輸入7.85e-6。

（4）定義重力，更改模的方向，大小為默認設置。

（5）創建并運行動態分析，在外部負荷中勾選啟用重力。測量結果如下：

圖4 拉臂對車架的作用力

3．工況三分析步驟

工況三是垃圾車卸料的過程，翻轉架被固定在車箱上，在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2 ，從測量結果中，看出翻轉架對車架的軸向力幾乎為0，可以忽略不計。

（1）創建伺服電動機

點擊工具欄的伺服電動機按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動機的運動軸，在輪廓面板，選用位置。

（2）定義重力，更改模的方向，大小為默認設置。

（3）創建并運行動態分析，在外部負荷中勾選啟用重力。

（4）測量結果

在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2 ，從測量結果中，看出翻轉架對車架的軸向力幾乎為0，可以忽略不計。（圖5）

從以上可以看出，建立了拉臂車工作裝置的虛擬樣機模型，對工作裝置進行了動力學分析，結果表明：

對拉臂車工作裝置在三個工況下分別建立了虛擬樣機模型，有效地反映了活塞缸與車架、活塞桿與活塞缸、活塞桿與拉臂、拉臂與翻轉架、翻轉架與車架、車輪與車箱、車輪與地面、導輪與車箱的連接和接觸特點;

從以上分析結果圖里面看出，拉臂與吊鉤和拉臂與翻轉架的連接作用力最大會出現在剛裝箱的瞬間或者車箱接觸車架導輪的瞬間。

圖5 工況三測量結果

結語

由此動力分析結果，接下來以拉臂對翻轉架的最大作用力最小化為優化目標，車廂移動距離和轉過的角度為設計約束，拉臂的長度和高度、吊鉤的高度、活塞缸與車架的交接點的位置、活塞桿與拉臂交接點的位置作為設計變量，得出優化的模型；最后再利用ANSYS的workbench界面對優化后的模型在兩種極限情況下做了有限元分析和驗證，證明此優化后的模型較為合理，可以實際應用到生產中去。運用虛擬樣機技術進行垃圾車拉臂裝置的功力分析及優化設計，這樣不但可以為拉臂車的研制與開發提供參考依據，加快產品的開發速度，實現用戶產品的定制，還可以提高拉臂車的產品質量，對提高垃圾車的技術水平及在國內外市場的競爭能力等方面，具有重要的社會意義和巨大的經濟效益。

[1] 盛金良，李剛．拉臂式垃圾車工作裝置優化設計[J]．工程機械，2001，(1)：22．25．

[2] 高君．車廂可卸式垃圾車工作裝置的現代設計研究[D]．上海：同濟大學，2004．

[3] 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]．廣西大學，2007．

[4] 王承，吳森，汪新云等．基于虛擬樣機技術的自卸車舉升機構仿真與優化[J]．武漢理工大學學報(信息與管理工程版)，2003，25(3)：78．80．

[5] 陳煥明，劉大維，刁兵等．基于虛擬樣機的拉臂車工作裝置動力學分析[J]．河南科技大學學報：自然科學版，2009，30(1)：10．13．

趙 璟（1982年12月）、女、漢、江蘇省徐州市、江蘇省徐州技師學院數控工程系、教師、講師、工學碩士，研究方向：數控專業課程教學、人才培養、實習教學管理。