一種分體式掛桶機構的動力學分析與改進

張收良，毛靖德，文藝，董磊磊，劉友紅

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著全國城鎮化水平以及人民生活水平的快速提升，2017年我國城市垃圾清運量預計達到2.25億噸，10年來以年均 4.28%的速度不斷增加[1]，有力推動了傳統垃圾車市場的快速發展；另一方面，隨著社會老齡化的加劇，以及社會勞動力的減少，各城市管理部門或企業的用工成本逐年增加，智能化的垃圾車未來會有較大的市場潛力；因此在傳統后裝壓縮式垃圾車的基礎上研制了一種新型的掛桶上料機構，主要用于后裝壓縮式垃圾車沿街收集桶裝垃圾，可以實現自動上料，減少輔助工人及輔助工作時間，提高整車工作效率。

1 分體式掛桶機構組成及工作原理

如圖1所示，分體式掛桶機構由填裝器（1）、掛桶油缸（2）、舉升臂（3）、小連桿（4）、凸輪管軸（5）、掛桶架（6）、橡膠塊（7）、傳感器組件（8）、傳感器組件（9）、壓桶板（10）等零件組成的間歇式運動機構。

當垃圾桶接觸傳感器組件（8），并使其產生信號時，經控制器運算后掛桶油缸桿伸出，舉升臂繞安裝軸（填裝器（1）上）旋轉；同時，掛桶架（6）在小連桿（4）的作用下繞舉升臂懸臂軸旋轉。當掛桶架完全承受垃圾桶及垃圾的重量時，觸動傳感器組件（9），分體式掛桶機構繼續旋轉，否則停止。當掛桶架旋轉到一定角度時，固連在舉升臂懸臂軸上的凸輪管軸開始起作用，凸輪推動壓桶板（10）翻轉并壓桶，分體式掛桶機構進而完成傾倒垃圾并做回程旋轉運動。

圖1 分體式掛桶機構總成

2 建立模型

根據后裝壓縮式垃圾車實際使用情況，經常出現掉桶等異常問題，因此采用Adams/View對該機構進行動力學分析。在三維CAD軟件中建立幾何模型后，導入Adams/View動力分析軟件，進行以下工作：

（1）用布爾運算合并零部件，簡化運動機構；

（2）建立零件之間的連接關系、驅動、力和接觸力；

（3）自由度計算，消減過約束方程；

（4）建立測量并仿真計算。

3 結果分析

在處理后的模型上加載油缸運動，運算后得到油缸的位移曲線和速度曲線（如圖2），其符合設計要求。進而提取掛桶齒的受力曲線（如圖3），最大接觸力3.7KN出現在2.26 s，即掛桶齒提起垃圾桶并使垃圾桶離開地面的瞬間。提取油缸負載曲線（如圖4），最大負載為29.86KN，而油缸能夠提供56.08KN，安全系數 1.88，由于掛桶機構是頻繁動作的間歇運動機構，故安全系數1.88符合設計要求。

圖2 油缸的位移曲線和速度

圖3 掛桶齒接觸力和油缸負載力

為避免工程實踐中出現的掉桶現象，故提取垃圾桶的翻轉角度曲線，并和壓桶板接觸力進行對比。3.84 s時，壓桶板完成壓桶動作，此刻垃圾桶翻轉71°，垃圾桶在重力作用下尚未接觸壓桶板；4.43 s時，垃圾桶翻轉95°，并在重力作用下接觸壓桶板；4.99 s時，垃圾桶翻轉115°，壓桶板出現最大負載991 N，此刻垃圾開始卸除。返程至7.27s時，垃圾桶翻轉至 94.83°，垃圾桶在重力作用下與壓桶板產生間隙，壓桶板接觸力消失；7.7 s時，垃圾桶翻轉至60.68°，壓桶板開始打開。經過上述分析，壓桶板關閉與打開的時間點，垃圾桶的翻轉角度分別為53.5°和60.68°，符合設計要求。

圖4 垃圾桶翻轉角度與壓桶接觸力

圖5 舉升臂橫向扭矩分析

由于該掛桶機構為左、右分體式，可以獨立工作，因此舉升臂承受了較大的扭矩。提取舉升臂連接處的扭矩（如圖5），發現 3.79 s時即垃圾桶卸載垃圾前，扭矩達到最大值3785Nm。同時提取小連桿連接處的扭矩（如圖6），發現4.99 s時即垃圾桶卸載垃圾前，彎矩達到最大值4009Nm，該結果為進一步做強度分析提供了理論依據。

圖6 小連桿橫向扭矩分析

圖7 壓緊板彈簧受力曲線

由于該機構沿用傳統的“凸輪壓緊，彈簧打開”的設計思路，應對彈簧的拉力要求不高，但應克服壓桶板運動的內部阻力，同時有效降低裝配的難度，所以采用雙彈簧設計。提取單根彈簧的受力曲線，如圖7可知，最大拉力為138N，最小拉力102N；結合剛度值0.8，預緊力10N，符合使用需要。

分體式上料機構上安裝了2組接近傳感器，其內部安裝有2個卷簧，以保證發送信號的及時性和準確性。為減小該裝置對掛桶裝置的影響，特別是扭轉彈簧的對垃圾桶的推力，提取扭轉彈簧的扭力曲線，如圖8。傳感器組件8的扭力彈簧，扭力最大值為255Nmm，出現在垃圾桶回落至地面的瞬間（8.69s），而 4.41s-7.54s垃圾桶處于高位卸料，扭力值相對穩定。傳感器組件8的扭力彈簧，扭力最大值為351Nmm，出現在垃圾桶離開地面的上升階段（2.26s），而 4.41s-7.54s垃圾桶處于高位卸料，扭力值也相對穩定。通過以上分析，可以看出彈簧的彈力適中[2]，但仍需進一步實物驗證。

圖8 扭轉彈簧扭力曲線

圖9 橡膠緩沖塊受力曲線

提取橡膠緩沖器隨垃圾桶翻轉角度變化的受力曲線，發現隨垃圾桶的上升，緩沖器先增大后減小，符合實際情況；同時發現垃圾桶離開地面后，對橡膠緩沖器產生了瞬間的沖擊力，數值達到4642N，這為橡膠緩沖器設計及選材提供了依據。

4 結果應用

經過虛擬樣機的仿真分析，優化改進了舉升臂結構、傳感器組件結構、扭轉彈簧設計參數等，可以有效降低樣機試制風險及成本。