自裝卸式移動垃圾車?yán)垩b置動態(tài)特性研究

程 磊，朱真才，沈 剛，戴開宇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州徐工環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221116)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對垃圾處理的效率要求越來越高。自裝卸式移動垃圾車是垃圾處理的重要裝備之一，具有運(yùn)輸，箱體自裝卸和物料自卸等功能［1］。移動垃圾車主要由：拉臂裝置、車架、垃圾箱和液壓系統(tǒng)等組成。車架直接安裝在垃圾車底盤上，用于支撐箱體。拉臂裝置主要由舉升油缸驅(qū)動，可以實現(xiàn)垃圾箱的自裝卸。拉臂的工作過程是一種變負(fù)載、多工況的運(yùn)動，其動態(tài)特性將影響城市垃圾處理的效率［2］。文獻(xiàn)［3］基于靈敏度對拉臂裝置進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)［4］通過建立的自卸車數(shù)學(xué)模型對其運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)［5］等基于功率鍵合圖理論對自裝卸機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)［6］等對車廂可卸式垃圾車的拉臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化及軟件開發(fā)。目前對于該裝備的分析研究不能夠全面，將分別從運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和液壓系統(tǒng)動態(tài)特性等方面，進(jìn)行綜合分析，改善自裝卸式移動垃圾車?yán)垩b置的動態(tài)特性。

2 運(yùn)動學(xué)分析

圖1 自裝卸式移動垃圾車?yán)垩b置Fig.1 Folding Arm Device of Detachable Contanier Mobile Garbage Truck

拉臂式自裝卸裝置采用L型可滑移式機(jī)構(gòu)，主要由：拉臂、舉升臂、拉臂鉤、舉升油缸、副車架和滾輪組成，如圖1所示。箱體的裝卸是垃圾車作業(yè)時最復(fù)雜的工況，因此主要對拉臂裝置的自裝卸工況進(jìn)行分析。

箱體自裝和自卸的運(yùn)動學(xué)規(guī)律類似，因此，選擇箱體自卸的過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。將垃圾箱自卸的運(yùn)動過程分為以下幾個階段。第一階段：拉臂完全縮回，將箱體的重心后移；舉升油缸伸出，舉升臂的傾角增大，箱體沿副車架后部的滾輪下滑，直到箱體后的滾輪接觸地面為止；第二階段：舉升油缸繼續(xù)伸出，箱體后滾輪在地面上滾動，直到箱體完全放置到地面為止［6］。

通過對拉臂工作過程的各階段進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，避免作業(yè)過程中部件之間的碰撞，從而對拉臂式裝置進(jìn)行合理的布局和設(shè)計。

2.1 第一階段運(yùn)動學(xué)分析

以地面作為x軸，垂直于地面并經(jīng)過鉸接點(diǎn)F的直線為y軸，建立坐標(biāo)系，如圖2所示。A、B、F分別為固定在副車架上的鉸接點(diǎn)，D為舉升液壓缸的鉸接點(diǎn)，H為副車架尾部的滑輪。

圖2 第一階段的運(yùn)動坐標(biāo)圖Fig.2 Simplified Physical Model of the First Stage

設(shè)MN=PK=l；MP=NK=h；BD=b；FB=c；FD=d+s；BG=e；GP=m；各固定鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)為，A(xA，yA)、B(xB，yB)、D(xD，yD)、F(xF，yF)、H(xH，yH)。

其中，l—箱體的長度(mm)；h—箱體的高度(mm)；d—舉升液壓缸的初始長度(mm)；α—舉升臂的水平傾角(rad)；γ—箱體的水平傾角(rad)；θ—舉升液壓缸傾斜的角度(rad)；h0—副車架距離地面的高度(mm)；

由機(jī)構(gòu)簡圖得出自卸過程中鉸接點(diǎn)G的坐標(biāo)為：

式中：α0—α0=arccos［(e2+b2-g2)/2be］，BG較BD所在直線的傾角(rad)；

在三角形△GPH中，利用幾何關(guān)系求GH較PH的傾角為：

根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系，得箱體的水平傾角為：

根據(jù)G點(diǎn)的坐標(biāo)和箱體的傾角，可以得出箱體上各臨界點(diǎn)M、P、N、K的坐標(biāo)。假設(shè)箱體的質(zhì)量均勻分布，箱體的重心就是幾何中心，則箱體重心的坐標(biāo)為：

在舉升油缸的作用下，為使得箱體后部K點(diǎn)能夠平穩(wěn)的落地，需要保證箱體在下滑過程中始終沿著副車架尾部滑輪H點(diǎn)移動。即，當(dāng)yK=0時，PH＞0。

滿足上述條件，可以避免箱體在下滑過程中箱體前邊緣對車架尾部的撞擊。在設(shè)計過程中，不僅要避免箱體運(yùn)動過程的干涉，還需要保證箱體運(yùn)動的平穩(wěn)性。大多少企業(yè)在自裝卸設(shè)計過程中，通常采用“類比作圖試湊法”，需要多次試湊與調(diào)整，效率較低［7］。采用解析法，研究自裝卸裝置在舉升過程中，各部件運(yùn)動參數(shù)的變化情況。提高自裝卸裝置的作業(yè)效率和運(yùn)動的平穩(wěn)性。

將拉臂裝置簡化為封閉矢量多邊形，如圖3所示。對封閉矢量多邊形BFD和BPGH列出矢量方程為：

圖3 第一階段運(yùn)動矢量圖Fig.3 Motion Vector Graph of the First Stage

將矢量方程投影在xoy中，得：

根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得知lFB和lBH為車架鉸接點(diǎn)之間的固定長度；lBD，lBP，lPG為“L”型舉升臂各鉸接點(diǎn)之間的固定長度；θ4為BH的水平傾角。求解該方程可以得出θ1，θ2，θ3，lGH。將上述方程進(jìn)行求導(dǎo)，并且列為線性方程組的形式為：

根據(jù)上述矩陣方程可以得出ω1，ω2，ω3，vGH。通過分析垃圾壓縮箱體的運(yùn)動速度與舉升油缸伸出速度的關(guān)系，可以提高箱體卸載或安裝過程中的穩(wěn)定性與效率。

根據(jù)拉臂裝置尺寸，分析各運(yùn)動階段箱體運(yùn)動規(guī)律，如表1所示。

表1 拉臂裝置尺寸Tab.1 Dimension of Hooklift Arm Device

舉升油缸在不同的線速度下，在(0～4)s處箱體下滑速度較快，4s后近似為勻速下滑，如圖4所示。為了提高卸載的穩(wěn)定性和速度，應(yīng)在開始階段設(shè)置較小的油缸伸出速度，并逐漸增加油缸伸出速度，并在4s后達(dá)到最大速度。

圖4 第一階段箱體運(yùn)動規(guī)律分析Fig.4 Analysis of Movement Regular of Container in the First Stage

2.2 第二階段運(yùn)動學(xué)分析

當(dāng)箱體后部滾輪K點(diǎn)與地面接觸時，副車架尾部H點(diǎn)不與箱體下邊緣接觸，如圖5所示。在箱體自裝卸的過程中，應(yīng)避免P點(diǎn)與副車架發(fā)生碰撞。在該運(yùn)動階段過程中，各較點(diǎn)與箱體的坐標(biāo)表達(dá)式與第一階段相同，只有箱體傾角表達(dá)式不同。箱體的水平傾角為：

圖5 第二階段的物理簡化模型Fig.5 Simplified Physical Model of the Second Stage

為了避免P點(diǎn)與副車架尾部碰撞，應(yīng)滿足以下條件為：

根據(jù)第二階段運(yùn)動矢量圖，如圖6所示。建立運(yùn)動學(xué)矢量方程為：

圖6 第二階段機(jī)構(gòu)運(yùn)動矢量圖Fig.6 Motion Vector Graph of the Second Stage

將矢量方程投影到xoy的坐標(biāo)系上為：

根據(jù)所列方程可以得出θ1，θ2，θ3，lBKx。將上述方程對時間t進(jìn)行求導(dǎo)，并轉(zhuǎn)換為矩陣形式為：

對舉升機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程的各點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖7 第二階段箱體運(yùn)動規(guī)律分析Fig.7 Analysis of Movement Regular of Container in the Second Stage

當(dāng)舉升油缸以勻速伸出時，在第二階段中，箱體落地后運(yùn)動速度先逐漸增大，后逐漸減少，如圖7所示。舉升油缸速度越大，箱體運(yùn)動速度越大。當(dāng)速度vcl=50mm/s時，t=(35～37)s箱體突然減速，拉臂容易出現(xiàn)脫鉤和箱體碰撞地面的現(xiàn)象，因此在此處應(yīng)減小比例換向閥的開口面積，減小舉升油缸的伸出速度，提高箱體運(yùn)動的穩(wěn)定性。

3 拉臂裝置的動力學(xué)分析

由于自裝卸運(yùn)動較緩慢，各部件的慣性力和慣性力矩相對較小，因此忽略其對動力學(xué)分析的影響。設(shè)各結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量均勻分布，幾何中心就是各機(jī)構(gòu)部件的質(zhì)心［8］。

3.1 第一階段動力學(xué)分析

各鉸點(diǎn)受力如上圖所示，如圖8所示。根據(jù)受力分析對各鉸點(diǎn)力進(jìn)行求解，建立力和力矩平衡方程。在鉸接點(diǎn)G建立箱體的動力學(xué)方程為：

圖8 第一階段各鉸點(diǎn)受力示意圖Fig.8 Force Diagram of Hinge Points in the First Stage

求解可得FGy、FGx、Fn。由圖8，可列出拉臂鉤機(jī)構(gòu)的受力分析等式為：

以上兩個方程組聯(lián)立即可求得FDx、FDy。

3.2 第二階段動力學(xué)分析

第二階段，即箱子后滾輪開始接觸地面，到箱體完全落地過程，各鉸點(diǎn)受力，如圖9所示。

圖9 第二階段各較點(diǎn)受力示意圖Fig.9 Force Diagram of Hinge Points in the Second Stage

根據(jù)受力分析對各鉸點(diǎn)力進(jìn)行求解，求解過程如下：

求解可得：FGx、FGy、FHx、FHy。

以上兩個方程組聯(lián)立即可求得FDx、FDy。

根據(jù)上述式子，可以得出液壓缸在不同運(yùn)動階段的驅(qū)動力為：

設(shè)Gp=478kg，Gs=200kg，GY=500kg。根據(jù)上述表達(dá)式與尺寸，如圖10、圖11所示。可以得出舉升油缸鉸接處的受力隨舉升臂傾斜角度的變化規(guī)律。

圖10 舉升液壓缸的鉸接處的受力Fig.10 Force on the Hinge of Lifting Cylinder

圖11 舉升油缸的驅(qū)動力Fig.11 Driving Force of Lifting Oil Cylinder

4 液壓系統(tǒng)分析

為建立的液壓舉升系統(tǒng)AMEsim仿真模型［10］，如圖12所示。根據(jù)折臂裝置動力學(xué)的分析結(jié)果，分析舉升油缸在變負(fù)載的工作過程中，液壓系統(tǒng)的瞬間壓力變化。

圖12 液壓舉升系統(tǒng)的AMEsim仿真模型Fig.12 AMEsim Simulation Model of Hydraulic Lifting System

設(shè)舉升油缸勻速運(yùn)動，液壓系統(tǒng)的輸出流量為：

式中：Q—舉升油缸的進(jìn)油量，L/min；D—液壓缸無桿腔的直徑，mm；設(shè)舉升油缸的運(yùn)動速度為Vcl=33.17mm/s，行程為L=1882mm，溢流閥的壓力為26MPa，定量泵的輸出流量為80L/min。

圖13 舉升油缸進(jìn)油口壓力Fig.13 Inlet Pressure of Lifting Oil Cylinder

圖14 舉升油缸出油口壓力Fig.14 Outlet Pressure of Lifting Oil Cylinder

由于液壓系統(tǒng)采用定量泵對舉升油缸進(jìn)行供油，進(jìn)油腔的壓力隨著負(fù)載力的變化而變化，如圖13、圖14所示。在液壓系統(tǒng)啟動瞬間，舉升油缸的無桿腔瞬間壓力增大，達(dá)到28MPa并出現(xiàn)震蕩。溢流閥打開出現(xiàn)溢流，最高壓力穩(wěn)定在26MPa。在(0～14.3)s之間，瞬間壓力變化最大，應(yīng)減小比例閥的開口面積，緩慢減低系統(tǒng)壓力。在(14.3s～26.4)s之間有桿腔的壓力大于無桿腔的壓力，液壓缸的推力變成拉力，箱體主要依靠自重沿著尾部滑輪緩慢下落。在18.9s處箱體落地，液壓系統(tǒng)壓力出現(xiàn)震蕩。在26.4s后舉升油缸壓力逐漸升高，主要克服箱體的重力和地面對箱體的摩擦力。結(jié)合拉臂裝置的液壓系統(tǒng)仿真，運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，可以總結(jié)出：舉升臂在不同傾斜角度下，換向閥的最佳工作狀態(tài)；α=12°為舉升臂的初始傾斜角度；12°＜α≤13°之間，換向閥流量逐漸增加到最大，以減少開始階段壓力波動；13°＜α≤47°之間，換向閥保持最大流量輸出；47°＜α≤48°之間，流量逐漸減小，降低箱體在落地時，系統(tǒng)的壓力波動；48°＜α≤49°之間，流量逐漸增加到最大；49°＜α≤109°之間，換向閥保持最大流量輸出；α＞109°，換向閥流量逐漸減小至箱體完全落地。

5 總結(jié)

根據(jù)移動垃圾車?yán)垩b置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，分析其主要運(yùn)動部件幾何關(guān)系，得出拉臂裝置避免碰撞的幾何條件。利用解析法，研究拉臂裝置上箱體的運(yùn)動規(guī)律，得出箱體運(yùn)動速度隨液壓缸位移的表達(dá)式。根據(jù)拉臂裝置的工作特點(diǎn)，對其動力學(xué)進(jìn)行分析，并得出液壓缸驅(qū)動力與舉升臂傾斜角度的變化規(guī)律。根據(jù)對舉升油缸液壓系統(tǒng)的AMEsim仿真分析，獲得了液壓系統(tǒng)瞬間壓力的變化規(guī)律。結(jié)合液壓系統(tǒng)仿真，運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的分析，得出了換向閥在舉升臂不同傾斜角度下的最佳工作狀態(tài)。