壓縮式垃圾車掛桶上料機構拍桶能力優化

彭燕華 程小建 金先進

摘要：上料機構是后裝壓縮式垃圾車的核心部件之一，當前業界對上料機構的動力學分析與優化是將上料過程作為一個整體進行考慮的。本文考慮到生活垃圾的實際狀態和上料機構現實使用場景，將上料過程的油缸行程細分為拍桶和非拍桶兩個階段進行差別考慮，不同階段對機構的性能要求不同，并以垃圾塊質心速度、加速度與翻桶架角速度、角加速度四個核心技術指標描述其上料平順性和拍桶能力。結合產品改進項目，對某上料機構進行了拍桶能力優化，同時兼顧上料平順性，并對改進效果進行了實物驗證。

關鍵詞：壓縮式垃圾車；上料機構；拍桶能力；優化

中圖分類號：U469? 收稿日期：2023-11-30

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401006

1 前言

近年來隨著國內城鎮化的發展，環衛產業得到了高速的發展。后裝壓縮式垃圾車是集垃圾上料、壓縮、轉運、自卸等功能于一體的環衛專用設備，因其具有壓縮比大、裝載效率高、密封性好等突出優點，廣泛應用于生活垃圾的收集和轉運[1]。布置在車輛尾部的上料機構是后裝壓縮式垃圾車的核心部件之一，通過上料機構完成垃圾桶的定位、夾緊、提升、翻轉、降落和松開等步驟實現桶裝垃圾收集。其主流的結構形式是四連桿曲柄連桿式掛桶上料機構，該機構結構簡單易行、成本低、運行可靠。

筆者在市場走訪中觀察到，垃圾桶內的生活垃圾為多種廢棄物組成的混合物，由于含濕垃圾以及垃圾泌水，桶底垃圾孔隙中填充著粘性液體，可能單次傾倒不能將垃圾完全倒出，需要重復進行“升-降-升-降”動作進行拍桶，通過來回晃動將粘附的垃圾倒出。拍桶降低了上料效率，影響了操作體驗。本文采用多體動力學方法對我司5082ZYSE6的上料機構進行拍桶能力優化。

業界對掛桶上料機構開展了動力學分析研究，文獻[2-3]通過動力學分析獲得了結構件強度分析的邊界條件，文獻[4]對橡膠墊和彈簧力進行了分析，文獻[5]對機構的部分鉸點坐標進行了優化，使上料過程更平穩，并減小了所需油缸推力。上述文獻均將上料過程作為單一過程進行整體考慮。

拍桶發生在上料油缸行程的最后階段，因此有必要將上料過程分為拍桶和非拍桶兩個階段，不同階段追求的性能有差異，這將更細致地考慮到生活垃圾的實際狀態和上料機構現實使用場景。在非拍桶階段，要求上料機構提供較平穩的垃圾塊質心速度和質心角速度，不允許有較大的加速度和角加速度突變，使得上料過程平穩，減少垃圾的撒落。拍桶階段，要求上料機構提供較大的質心角加速度，使得拍桶簡短有力，以便順利將粘附的垃圾倒出。

實測到的拍桶過程的油缸行程，大多數集中在后30 mm以內，超出這個范圍的較少。上料油缸行程的前部分，本文定義為非拍桶階段；行程的后30 mm本文定義為拍桶階段。

2 掛桶上料機構工作原理

掛桶上料機構由上料油缸、搖臂、拉臂、翻桶架以及凸輪夾緊機構等構成，以填裝器為安裝座，各件通過銷軸鉸接。其工作原理如圖1所示，當上料機構開始工作時，上料油缸伸出，驅動搖臂旋轉，帶動翻桶架舉升同時旋轉，翻桶架的掛齒掛住垃圾桶的邊緣，夾緊機構在凸輪驅動下夾緊垃圾桶邊沿，使垃圾桶固定在翻桶架上，翻桶架在搖臂和拉臂的共同作用下帶垃圾桶沿復合軌跡進行翻轉。油缸完全伸出時垃圾桶翻轉到最大角度，從而將垃圾倒入填裝器。垃圾倒出后，油缸縮回，上料機構沿相反的路徑回到起點，垃圾桶放回到地面，完成一次垃圾裝載。由動作過程可見，起掛高度和傾倒角度是掛桶上料機構的重要設計參數。

3 動力學分析模型與優化

3.1 分析與優化流程

采用多體動力學分析軟件對掛桶上料機構進行動力學分析和優化的流程[6]，如圖2所示。

3.2 多體動力學分析模型

從側面看，掛桶上料機構可視為平面桿系。建立的5082ZYSE6上料機構多體動力學模型見圖3，以搖臂在填裝器上的安裝點為坐標系原點，X軸沿水平方向，指向車輛尾部，Y軸豎直向上。上料可兼容120 L、240 L、660 L垃圾桶，考慮到垃圾重量和重力臂長度，以最嚴苛的滿載660 L垃圾桶上料，優化前各鉸接點坐標見表1中第3列，其中點G為垃圾塊重心坐標（1071.7，-659.9），垃圾塊質量設為420 kg，上料油缸以恒定速度80 mm/s推出。

優化前機構分析結果見圖4，其中翻桶架的角速度及角加速度指翻桶架上鉸接點D在全局坐標系中的角速度和角加速度，分別等同于垃圾塊的旋轉角速度和角加速度。垃圾塊質心速度、加速度與翻桶架角速度、角加速度共同表征了翻桶架的上料平順性和拍桶能力。

3.3 設計研究和優化分析

將機構各鉸點坐標進行參數化，除原點A外，其余各鉸點的X、Y坐標均作為設計變量，將翻桶架角加速度作為目標函數，在其它設計變量不變的情況下，對各變量作變化為±30mm區間的5水平的敏感度分析，結果見表1。由各設計變量的敏感度可知，變量B_Y、C_X、E_Y對目標函數的影響敏感度比其它變量高出一個數量級。將B點沿[Y-]移動，C沿[X-]移動，或E點沿[X+]移動，都有助于獲得更大的翻桶架角加速度。

為減小機構點位調整對結構件生產的影響，經迭代最終只將B點沿[-Y]移動7 mm。對結構件影響如下：填裝器上拉臂孔位向[-Y]移動7 mm，拉臂縮短6 mm。搖臂、翻桶架、上料油缸不受影響，不影響起掛高度。由于拉臂縮短，垃圾桶傾倒角度由44.6°增加到48.4°，翻桶角度的增加也有利于垃圾的倒出。

優化前后的機構性能對比曲線如圖5所示，各技術指標的平均值對比結果整理見表2。a.優化后所需雙油缸最大推力49 032 N，降低4.27%；b.在非拍桶階段，優化后的垃圾塊質心速度增加3.35%，優化后的垃圾塊質心加速度降低1.00%，翻桶架角速度增加5.84%，翻桶架角加速度降低4.63%；c.而在拍桶階段，優化后的垃圾塊質心速度降低0.16%，質心加速度增加16.16%，翻桶架角速度增加2.74%，翻桶架角加速度增加36.15%。可見優化措施輕微地改善了非拍桶階段的平順性，但極大地改善了拍桶階段的拍桶能力，達到預期目的。

4 整車試驗驗證

生產了兩臺樣車搭載了優化后的上料機構。廠內對上料平順性進行了對比試驗，如圖6所示。使用240 L垃圾桶裝滿模擬垃圾（木屑與沙子混合物，密度約600 kg/m3）上料，各上料30桶，稱重灑落的垃圾重量，優化前的機構灑落垃圾18.5 kg，優化后灑落17.2 kg，減少7.0%，平順性略有改善。

廠外跟蹤了用戶試用情況，表3記錄了拍桶情況，與優化前相比，拍桶重復率由19.4%下降到6.0%。表3中，拍桶重復率的計算方法為：

[η=n1+2n2+3n3+4n4n-1×100%]

用戶使用2個月后反饋改善明顯，圖7為一次倒凈的桶內實物照片。

5 結語

本文考慮到生活垃圾的實際狀態和上料機構現實使用場景，將上料過程細分為拍桶和非拍桶兩個階段，基于兩個階段所追求的性能差異進行區別對待，并以垃圾塊質心速度、加速度與翻桶架角速度、角加速度四個技術指標描述其上料平順性和拍桶能力。結合公司產品改進項目，建立上料機構多體動力學分析模型，通過分析各鉸接點坐標對翻桶角加速度的敏感度，在兼顧上料平順性的同時對拍桶能力進行了優化，以較小的改變實現了機構的優化設計。試驗表明，降低了液壓油缸工作推力，上料平順性略有改善，拍桶能力較大改善，達到優化目的。

參考文獻：

［1］鄒震后裝壓縮車提升機構的參數化設計研究[J]機電技術，2021（3）：70-72.

［2］何寄平，馬迎坤，關晉凱，等掛桶上料機構有限元分析與優化設計[J]機電產品開發與創新，2019，32（4）：4-6.

［3］秦東晨，胡朋磊，王婷婷，等后裝式壓縮垃圾車翻轉機構轉臂輕量化[J]機械設計與制造，2021，366（8）：66-6974.

［4］張收良，毛靖德，文藝，等一種分體式掛桶機構的動力學分析與改進[J]汽車實用技術，2019（6）：136-138.

［5］王金剛，楊樂，趙東旭，等垃圾車翻桶機構的優化設計[J]機床與液壓，2015（10）：21-23+26.

［6］曹必德，秦東晨，倪和平，等液壓支架四連桿機構仿真優化[J]煤礦機電，2006（5）：24-25+28.

作者簡介：

彭燕華，男，1981年生，工程師，研究方向為環衛汽車設計與優化。