基于響應(yīng)曲面法后裝壓縮式垃圾車的試驗(yàn)研究①

苗淑杰，趙 桐，馬慧良，苗志濱，劉亞娟

(黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050)

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高和城市規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，城市生活垃圾不僅數(shù)量越來(lái)越多，而且其成分也在發(fā)生變化，密度下降，可壓縮性增強(qiáng)［1～3］.為了高效地對(duì)生活垃圾進(jìn)行運(yùn)輸，本文設(shè)計(jì)了后裝壓縮式垃圾車的關(guān)鍵部門，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了工作時(shí)的最佳參數(shù)組合，為整車的研制提供了理論基礎(chǔ).

1 裝置結(jié)構(gòu)

后裝壓縮式垃圾車主要工作部件由車廂、調(diào)料器、壓縮裝置、舉升裝置及油缸等組成，如圖1 所示.車輛行走時(shí)，舉升機(jī)構(gòu)將壓縮機(jī)構(gòu)推舉到如圖綠色部分所示位置;工作時(shí)，液壓系統(tǒng)通過(guò)一定順序控制刮板油缸、滑板油缸的伸張和縮短將垃圾進(jìn)行壓縮.

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 壓縮機(jī)構(gòu)

垃圾車壓縮機(jī)構(gòu)的形式主要有滑動(dòng)刮板式壓縮機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)刮板式機(jī)構(gòu)和連桿刮板式壓縮機(jī)構(gòu)等［4，5］.由于滑動(dòng)刮板式壓縮機(jī)構(gòu)具有優(yōu)良的裝載性能、簡(jiǎn)單可靠的結(jié)構(gòu)及單次裝載量大等優(yōu)點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)選用滑動(dòng)刮板式壓縮機(jī)構(gòu).

2.2 推卸油缸推力

推卸油缸的受力分析圖如圖2 所示.

移動(dòng)前，油缸處于平衡狀體，有

其中，F(xiàn)t為推卸油缸的推力，N;θ 為推卸油缸的安裝角度，°;T 為垃圾與車廂的摩擦力，N;T’為垃圾對(duì)排出板的作用力，N;α 為T’的傾斜角度，°;W 為推卸機(jī)構(gòu)自重，N;Tf為垃圾和推卸機(jī)構(gòu)與地板的摩擦力，N;N1，N2為導(dǎo)軌對(duì)機(jī)構(gòu)的法向作用力，N.

由式(1)可知，

由式(2)可知，

其中，Tf′為排出機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌的阻力，N;f′為滑動(dòng)摩擦系數(shù).

由式(3)和式(4)式知，排出油缸的推力主要用于推卸垃圾的摩擦阻力.據(jù)分析，油缸安裝角θ應(yīng)盡量大寫，但θ 越大，推卸垃圾所需最小力越大，所需油缸直徑也越大，一般取θ 為62°;α 過(guò)小，垃圾排除不干凈，應(yīng)在38°～45°之間，本設(shè)計(jì)取45°［6］.

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 受力分析示意圖

3 試驗(yàn)條件與方法

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為哈爾濱市向陽(yáng)生活垃圾處理場(chǎng).試驗(yàn)區(qū)的垃圾主要為生活垃圾，試驗(yàn)前，將垃圾場(chǎng)分塊并標(biāo)記，試驗(yàn)時(shí)隨機(jī)抽取標(biāo)記進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)儀器主要為東風(fēng)牌EQ3081TJA 自卸汽車底盤、地秤等.

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)Box－Behnken 設(shè)計(jì)原理，以裝載質(zhì)量為響應(yīng)指標(biāo)，以填裝口距地面高度、壓實(shí)板與豎直面最大角度及裝載角為因素，利用Design－ExpertV8.0.6 軟件設(shè)計(jì)了三因素三水平響應(yīng)曲面試驗(yàn)［7］.其因素編碼表如表1 所示.

表1 因素編碼表

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

以裝載質(zhì)量為因變量，以各試驗(yàn)因素水平編碼為自變量，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示.

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2 試驗(yàn)分析

運(yùn)用Design－Expert.V8.0.6 軟件對(duì)表2 的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，在置信水平為0.05 的情況下，模型項(xiàng)的P 值＜0.0001，說(shuō)明模型顯著;失擬項(xiàng)的P 值為0.0943，說(shuō)明裝載質(zhì)量與各影響因素的關(guān)系方程失擬不顯著，方程可用;因素x1，x2，x3，顯著，其他因素不顯著.裝載質(zhì)量與各影響因素的回歸方程為

4.3 各因素對(duì)裝載質(zhì)量的響應(yīng)曲面分析

應(yīng)用響應(yīng)曲面法，將其中一因素固定，分析其它兩因素對(duì)裝載質(zhì)量的影響.

(1)填裝口距地面高度和壓實(shí)板與豎直面最大角度對(duì)裝載質(zhì)量的影響

將裝載角固定在55°時(shí)，得到裝載質(zhì)量與距地面高度和與豎直面的最大角度的影響如圖3 所示，其關(guān)系式為

圖3 裝載質(zhì)量與距地面高度對(duì)裝載質(zhì)量的影響

由圖3 可知，填裝口距地面高度對(duì)裝載質(zhì)量的影響較壓實(shí)板與豎直面最大角度顯著.

(2)壓實(shí)板與豎直面最大角度和填裝角對(duì)裝載質(zhì)量的影響

將填裝口距地面高度固定在800mm 時(shí)，得到裝載質(zhì)量與壓實(shí)板與豎直面最大角度和填裝角的影響如圖4 所示，其關(guān)系式為

圖4 壓實(shí)板與豎直面最大角度和填裝角對(duì)裝載質(zhì)量的影響

由圖4 可知，填裝角對(duì)裝載質(zhì)量的影響較壓實(shí)板與豎直面最大角度顯著.

(3)裝填角和填裝口距地面高度對(duì)裝載質(zhì)量的影響

將壓實(shí)板與豎直面最大角度固定在60°時(shí)，得到裝載質(zhì)量與裝填角和填裝口距地面高度的影響如圖5 所示，其關(guān)系式為

圖5 裝填角和填裝口距地面高度對(duì)裝載質(zhì)量的影響

由圖5 可知，裝填角對(duì)裝載質(zhì)量的影響較填裝口距地面高度顯著.

4.4 試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證

應(yīng)用軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，得到滿足響應(yīng)變量范圍比較好的參數(shù)組合方案，如表4 所示.

表3 較佳參數(shù)組合表

由表3 可知，第3 號(hào)方案為最佳組合，即填裝口距地面高度為868.94mm、壓實(shí)板與豎直面最大角度為50°及裝載角為66.97°.將各影響因素調(diào)至最佳組合，在同一試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到裝載質(zhì)量的平均結(jié)果為7.702 噸，與軟件優(yōu)化結(jié)果基本一致.

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)Box－Behnken 設(shè)計(jì)原理，采用響應(yīng)曲面法分析了填裝口距地面高度、壓實(shí)板與豎直面最大角度及裝載角對(duì)裝載質(zhì)量的影響.

(2)各因素對(duì)裝載質(zhì)量的顯著性影響依次為裝載角、填裝口距地面高度和壓實(shí)板與豎直面最大角度.

(3)分析得到最優(yōu)參數(shù)組合為:填裝口距地面高度為868.94mm、壓實(shí)板與豎直面最大角度為50°及裝載角為66.97°，此時(shí)裝載質(zhì)量為7.697 噸.

［1］ 蒲明輝，蘇飛，李凱，等.基于ADAMS 的后裝式壓縮垃圾車卸料機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(7):218－220.

［2］ 曹建國(guó).后裝壓縮式垃圾車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］.重慶工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(4):15－18.

［3］ 顏家學(xué)，張?zhí)栍?，董其?后裝壓縮推卸式垃圾車的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)及仿真研究［J］.科協(xié)論壇，2010(11):70－71.

［4］ 黃有林.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的垃圾車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究［D］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

［5］ 左朝永.后裝壓縮式垃圾車壓縮裝置設(shè)計(jì)研究與仿真分析［D］.南寧:廣西大學(xué)，2008.

［6］ 章正剛.后裝式垃圾車的設(shè)計(jì)與分析研究［D］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

［7］ 王金武，張成亮，許春林.聯(lián)合整地機(jī)平整部件參數(shù)優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013(2):34－37.