壓縮式垃圾車翻桶機(jī)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化*

□李 碩 □姜美蓮 □洪 燦 □林衛(wèi)國

1.武昌首義學(xué)院 機(jī)電與自動化學(xué)院 武漢 430064

2.江西新能源科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江西新余 338000

3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 武漢 430074

1 研究背景

城市現(xiàn)行清運(yùn)垃圾的主要工具是壓縮式垃圾車，它能收集大量生活垃圾，減輕環(huán)衛(wèi)工作者的勞動強(qiáng)度，并且能解決垃圾運(yùn)輸過程中的二次污染問題，避免對市容市貌造成不良影響。但是，目前壓縮式垃圾車翻桶裝置中的壓緊垃圾桶機(jī)構(gòu)多為隨動機(jī)構(gòu)，沒有專用機(jī)械結(jié)構(gòu)對垃圾桶受到的壓力和抬升運(yùn)動進(jìn)行控制，且不同型號的垃圾桶存放的垃圾量不同，在翻轉(zhuǎn)時受到的力也不同，會產(chǎn)生垃圾桶易損壞和效率低等問題[1]。為此，筆者設(shè)計并優(yōu)化了一種壓縮式垃圾車翻桶機(jī)構(gòu)，一方面使垃圾清運(yùn)車更加智能高效，另一方面也可避免垃圾清運(yùn)過程中可能產(chǎn)生的不必要生命財產(chǎn)損失[2]。

2 翻桶機(jī)構(gòu)簡介

壓縮式垃圾車已成為城市生活垃圾收集運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ撸捎谑芏喾矫嬖虻挠绊懀罾占问蕉喾N多樣，如何將各種不同規(guī)格的垃圾桶內(nèi)垃圾智能便捷地裝入壓縮式垃圾車，成為壓縮式垃圾車研發(fā)時必須解決的問題[3]。壓縮式垃圾車翻桶動作如圖1所示，其中翻桶機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵。要使垃圾倒入垃圾車內(nèi)的過程中避免損壞垃圾桶，且不對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，因此翻桶機(jī)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。

翻桶機(jī)構(gòu)是壓縮式垃圾車將垃圾桶內(nèi)生活垃圾傾倒入垃圾車內(nèi)壓縮儲存的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，合適的托架尺寸有助于減少和避免翻倒過程中垃圾的散落，改善垃圾桶的受力情況，使壓縮式垃圾車工作性能更好。

▲圖1 壓縮式垃圾車翻桶動作

3 翻桶機(jī)構(gòu)的設(shè)計

3.1 負(fù)載的確定

翻桶機(jī)構(gòu)運(yùn)行由內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)提供動力，然后由液壓缸活塞桿推動連桿，將垃圾桶抬升到合適高度后傾倒垃圾。翻桶機(jī)構(gòu)受力如圖2所示。翻桶機(jī)構(gòu)采用液壓系統(tǒng)，在工作過程中，可以通過調(diào)節(jié)溢流閥來改變液壓缸的輸出推力。

目前市面上垃圾桶的材料有塑料、不銹鋼、玻璃鋼等，垃圾桶容量為 50～1 200 L。垃圾桶裝滿垃圾后質(zhì)量為50 kg～1 t，因此，液壓缸在工作過程中需要輸出的推力為 0.5～10 kN。

3.2 垃圾桶夾緊裝置

夾緊裝置是壓縮式垃圾車翻桶機(jī)構(gòu)的重要組成部分，在整個翻桶機(jī)構(gòu)工作過程中用于控制力的變化。在垃圾桶抬升到最高點(diǎn)時，為了使垃圾桶中的垃圾傾倒干凈，此時會重復(fù)急速向上抬升，垃圾桶所受的壓力和扭力突然變化，可能會造成桶體破損或桶耳上的把手出現(xiàn)斷裂。為避免以上情況，筆者設(shè)計了一種彈性夾緊裝置，如圖3所示。

▲圖3 彈性夾緊裝置示意圖

彈性夾緊裝置利用連桿機(jī)構(gòu)對彈簧進(jìn)行控制，將彈簧力由滑柱傳遞至壓板，壓板壓緊垃圾桶，使垃圾桶在抬升過程中受力平穩(wěn)，且垃圾桶的受力作用點(diǎn)始終在桶耳正上方。將桶放上掛架，然后液壓缸工作，使垃圾桶向上抬升，這時壓板隨即壓緊垃圾桶。由于彈簧有伸縮力，因此無論垃圾桶自重如何，都能及時調(diào)整壓緊力，使桶固定在掛架上。當(dāng)抬升到極限位置時，旋轉(zhuǎn)鉤會隨掛架運(yùn)動而改變角度，使垃圾桶受到的力不發(fā)生改變。液壓缸往復(fù)推拉，垃圾完全傾倒，裝置上的彈簧隨之改變力的大小，使桶能平穩(wěn)地在掛架上。彈性夾緊裝置自動改變夾緊力的作用點(diǎn)，可以使垃圾桶在翻倒過程中受力更加均勻，避免垃圾桶損傷，不會出現(xiàn)垃圾桶脫落現(xiàn)象，保證了工作人員的安全。

4 翻桶機(jī)構(gòu)建模與仿真

在SolidWorks軟件中對翻桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模[4-5]，如圖4所示。在建模的基礎(chǔ)上對翻桶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動仿真，顯示可以較好地完成翻桶動作，且對垃圾桶的損壞程度較小[6]。

▲圖4 翻桶機(jī)構(gòu)模型圖

5 旋轉(zhuǎn)鉤有限元分析

在彈性夾緊裝置中，旋轉(zhuǎn)鉤在翻倒垃圾桶時傳導(dǎo)夾緊力，確保夾緊力方向不變，所以旋轉(zhuǎn)鉤是一個受力危險部件。旋轉(zhuǎn)鉤的有限元分析對翻桶機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)可行性、材料選擇及生產(chǎn)制造方面顯得尤為重要。圖5所示為旋轉(zhuǎn)鉤網(wǎng)格劃分圖[7-10]。

在ANSYS軟件中對旋轉(zhuǎn)鉤壓力面施加壓力，在參數(shù)設(shè)置欄Magnitude項目中輸入10 kN，然后選定力的方向，變形與應(yīng)力云圖分別如圖6、圖7所示。

6 旋轉(zhuǎn)鉤優(yōu)化設(shè)計

由圖6和圖7可以看出，旋轉(zhuǎn)鉤的最大變形和應(yīng)力集中位置在圓形孔處。旋轉(zhuǎn)鉤所受的扭轉(zhuǎn)力較大，超出材料承受范圍。所以，要增大旋轉(zhuǎn)鉤一端的寬度，這樣可以增大受力面積，同時提高整體的剛度，使旋轉(zhuǎn)鉤不易斷裂。

在翻桶機(jī)構(gòu)翻倒垃圾時，旋轉(zhuǎn)鉤應(yīng)盡量與掛架的運(yùn)動保持平行，此時旋轉(zhuǎn)鉤所受的扭轉(zhuǎn)力較小，所受的拉力也會隨之變小。可見，選取好的旋轉(zhuǎn)鉤角度可以從源頭上解決旋轉(zhuǎn)鉤受力過大及不均勻的問題。對旋轉(zhuǎn)鉤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)鉤角度為120°，如圖8所示。

優(yōu)化后旋轉(zhuǎn)鉤變形和應(yīng)力云圖分別如圖9、圖10所示，與優(yōu)化前作對比，確認(rèn)旋轉(zhuǎn)鉤的應(yīng)力和變形都有明顯減小，并且分布比較均勻，最大承重載荷可以達(dá)到18 kN，優(yōu)化設(shè)計有效。

在最大載荷達(dá)到18 kN時，優(yōu)化前的旋轉(zhuǎn)鉤變形已經(jīng)處于失效狀態(tài)。對旋轉(zhuǎn)鉤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，對應(yīng)的變形僅為0.05 mm，可以正常使用。旋轉(zhuǎn)鉤優(yōu)化前后受力變形對比如圖11所示。

▲圖5 旋轉(zhuǎn)鉤網(wǎng)格劃分

▲圖6 優(yōu)化前旋轉(zhuǎn)鉤變形云圖

▲圖7 優(yōu)化前旋轉(zhuǎn)鉤應(yīng)力云圖

7 結(jié)束語

筆者在壓縮式垃圾車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，完成了翻桶機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計，并完成關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)鉤的有限元分析與優(yōu)化。這一翻桶機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）使垃圾桶在翻倒過程中受力均勻，避免損傷垃圾桶；

▲圖8 優(yōu)化后旋轉(zhuǎn)鉤示意圖

▲圖9 優(yōu)化后旋轉(zhuǎn)鉤變形云圖

▲圖10 優(yōu)化后旋轉(zhuǎn)鉤應(yīng)力云圖

▲圖11 旋轉(zhuǎn)鉤受力變形對比圖

（2）自動改變夾緊力作用點(diǎn)，使垃圾桶在翻倒過程中平穩(wěn)，不會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，保證工作人員的安全；

（3）翻桶機(jī)構(gòu)對垃圾桶的夾緊力隨垃圾桶重力的大小而變化，較好地保護(hù)了設(shè)備。

翻桶機(jī)構(gòu)的設(shè)計采用了現(xiàn)代工業(yè)廣泛應(yīng)用的計算機(jī)輔助設(shè)計、制造、工程技術(shù)，充分考慮設(shè)備的性能、成本及市場，并對設(shè)備進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化分析，具有一定的應(yīng)用價值。