基于虛擬樣機技術(shù)的垃圾車拉臂裝置的動力分析

趙璟

摘 要：隨著城市規(guī)模的擴大，環(huán)衛(wèi)車輛的技術(shù)升級迫在眉睫。本文選取某企業(yè)主打產(chǎn)品可卸式垃圾車為研究對象，運用虛擬樣機技術(shù)的ProE三維建模軟件對主要工作部件拉臂機構(gòu)進行建模，然后在動力仿真模塊中通過各種連接得到不同工況的運動和動力學曲線，為優(yōu)化模型、進行ANSYS有限元分析軟件做好技術(shù)準備。

關(guān)鍵詞：技工院校 學生技師 核心技能 培養(yǎng)

據(jù)統(tǒng)計，城市化進程的不斷擴大和城市半徑的不斷擴大，城市垃圾總量以每年5%的速度遞增，大量的城市垃圾嚴重地影響著市容并威脅著人們賴以生存的環(huán)境。這直接拉動了環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品尤其是垃圾收集轉(zhuǎn)運設備的市場需求，促進了環(huán)衛(wèi)車輛的技術(shù)升級，最近十幾年國內(nèi)外環(huán)衛(wèi)機械工業(yè)的飛躍發(fā)展，各種新型機械產(chǎn)品及技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

可卸式垃圾車是一種箱體可卸式的垃圾轉(zhuǎn)運車輛，其車載工作裝置通過連桿機構(gòu)實現(xiàn)箱體自動裝卸和垃圾傾卸的功能。由于這種車輛工作效率比較高，因此被廣泛用于多種貨物的箱體裝、運、卸服務。其特點是操作簡便、工作效率高、機動性能好、車廂密封性好、運輸垃圾量大、不易污染環(huán)境、適用于垃圾集中收集的垃圾處理系統(tǒng)中。

近年來，虛擬樣機技術(shù)作為一種新興的設計手段，被越來越多地應用于機械產(chǎn)品系統(tǒng)設計與性能研究。虛擬樣機技術(shù)又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是國際上20世紀80年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程（CAE）技術(shù)。在產(chǎn)品設計階段，工程師在計算機里建立虛擬樣機模型，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機，并在實際工況下，對模型進行動態(tài)仿真和功能分析，進而改進樣機的設計方案。利用虛擬樣機技術(shù)，不僅大大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了工程測試和制造費用，更簡化了機械產(chǎn)品的設計、開發(fā)過程，明顯提高了產(chǎn)品的質(zhì)量以及系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設計產(chǎn)品。

一、垃圾車拉臂裝置三維模型的建立

選取某企業(yè)可卸式垃圾車的拉臂裝置作為研究模型，其垃圾箱的質(zhì)量m=7700kg，垃圾箱與地面和垃圾箱與附車架的導輪的靜摩擦系數(shù)均為0.15，動摩擦系數(shù)為0.05。

垃圾車拉臂裝置的工作流程可以細分為6個過程，即滿負重裝箱兩個過程，滿負重卸料一個過程，滿負重卸下垃圾集裝箱兩個過程，滿負重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個過程。

1.構(gòu)建拉臂三維模型

拉臂總長為1801mm，總高為1202mm，寬度為360mm，活塞桿與拉臂交接點和翻轉(zhuǎn)架與拉臂的交接點的距離為517.23mm.

2.附車架三維模型的建立

附車架的總長為3067mm，總寬度為850mm，活塞缸與附車架交接點位置為85mm。

3.翻轉(zhuǎn)架三維模型的建立

附車架的總長為1485mm，總寬度為482mm，翻轉(zhuǎn)架與附車架交接點位置和鎖緊架與翻轉(zhuǎn)架的交接點的距離為515.8mm

4.垃圾箱三維模型的建立

垃圾箱總高為1210mm，總寬為1252mm，總長為2650mm。

5.垃圾車拉臂裝置零部件模型的裝配

垃圾車拉臂裝置的工作流程可以細分為滿負重裝箱兩個過程，滿負重卸料一個過程，滿負重卸下垃圾集裝箱兩個過程，滿負重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個過程。而滿負重卸下垃圾集裝箱兩個過程，滿負重從卸料位置返回到正常的裝載位置一個過程這幾個過程是出于安全作業(yè)的考慮而產(chǎn)生的，因此我們在裝配和做動力分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化指需要考慮滿負重裝箱兩個過程和滿負重卸料一個過程總共三個過程。

二、拉臂裝置的動力學分析

Pro/e5.0中機構(gòu)分析模塊可以進行裝配的動力學分析和優(yōu)化設計，在二維上一些難以表達和設計的運動，在Pro/e5.0中表達起這些運動卻是非常形象直觀和易于修改的，相比于以前的開發(fā)過程，利用計算機輔助工具來進行機構(gòu)協(xié)同設計其開發(fā)過程和開發(fā)周期被簡化和縮短了許多，以最少的費用獲得最好的產(chǎn)品質(zhì)量，這是相當經(jīng)濟的。仿真結(jié)果輸出形式是多樣的，既可以以動畫的形式也可以以參數(shù)的形式，這樣是很形象直觀的，用戶看起來一目了然，因此可以檢查出零部件之間是否有干涉以及干涉的范圍有多大。根據(jù)動畫仿真結(jié)果我們可以對設計的零件進行修改一直到不產(chǎn)生干涉為止。運動學和動力學分析包括觀察并記錄分析和測量位置、速度、加速度、力等運動參數(shù)，并且可以圖形的方式進行輸出。

1.工況一分析

（1）點擊應用程序的機構(gòu)按鈕，進入到機構(gòu)環(huán)節(jié)。接下來就是檢查裝配的連接情況，點擊連接組件對話框的運行按鈕，出現(xiàn)確認對話框說明連接成功。

（2）創(chuàng)建伺服電動機

點擊工具欄的伺服電動機按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動機的運動軸，在輪廓面板，選用位置，在模選項下選擇表，如圖所示。

（3）拍攝快照

打開視圖中的拖動元件按鈕，然后適當移動拉臂的位置，拍下當前位置的快照。

（4）進行機構(gòu)分析和捕獲視頻，并保存在硬盤上，以便以后觀察分析。

（5）要進行動力學分析，首先定義重力，在質(zhì)量屬性中參照類型選擇組件，定義屬性為密度，輸入7.85e-6，再添加阻尼器。

（6）結(jié)果分析

在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2

測量拉臂對附車架的作用力，結(jié)果如圖

2.工況二分析步驟

工況二是車箱從接觸車架導輪開始直到車箱放平在車上的過程，裝配模型和工況一情況差不多，所以裝配過程不再贅述，唯一不同的就是導輪與車箱底部相切，裝配模型如圖所示：

（1）檢查機構(gòu)連接，單擊對話框中的運行按鈕，檢查裝配的連接情況，出現(xiàn)確定對話框，說明連接成功。

（2）創(chuàng)建伺服電動機

點擊工具欄的伺服電動機按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動機的運動軸，在輪廓面板，選用位置，在模選項下選擇表，如圖所示。

（3）定義組件的密度，在參照類型下選擇組件選項，然后在定義屬性選擇密度選項，輸入7.85e-6。

（4）定義重力，更改模的方向，大小為默認設置。

（5）創(chuàng)建并運行動態(tài)分析，在外部負荷中勾選啟用重力。測量結(jié)果如下：

3.工況三分析步驟

工況三是垃圾車卸料的過程，翻轉(zhuǎn)架被固定在車箱上，在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2 ，從測量結(jié)果中，看出翻轉(zhuǎn)架對車架的軸向力幾乎為0，可以忽略不計。

（1）創(chuàng)建伺服電動機

點擊工具欄的伺服電動機按鈕，選擇活塞缸與附車架的銷釘連接為伺服電動機的運動軸，在輪廓面板，選用位置。

（2）定義重力，更改模的方向，大小為默認設置。

（3）創(chuàng)建并運行動態(tài)分析，在外部負荷中勾選啟用重力。

（4）測量結(jié)果

在Pro/E中，力的單位為mmkg/sec2 ，從測量結(jié)果中，看出翻轉(zhuǎn)架對車架的軸向力幾乎為0，可以忽略不計。（圖5）

從以上可以看出，建立了拉臂車工作裝置的虛擬樣機模型，對工作裝置進行了動力學分析，結(jié)果表明：

對拉臂車工作裝置在三個工況下分別建立了虛擬樣機模型，有效地反映了活塞缸與車架、活塞桿與活塞缸、活塞桿與拉臂、拉臂與翻轉(zhuǎn)架、翻轉(zhuǎn)架與車架、車輪與車箱、車輪與地面、導輪與車箱的連接和接觸特點；

從以上分析結(jié)果圖里面看出，拉臂與吊鉤和拉臂與翻轉(zhuǎn)架的連接作用力最大會出現(xiàn)在剛裝箱的瞬間或者車箱接觸車架導輪的瞬間。

結(jié)語

由此動力分析結(jié)果，接下來以拉臂對翻轉(zhuǎn)架的最大作用力最小化為優(yōu)化目標，車廂移動距離和轉(zhuǎn)過的角度為設計約束，拉臂的長度和高度、吊鉤的高度、活塞缸與車架的交接點的位置、活塞桿與拉臂交接點的位置作為設計變量，得出優(yōu)化的模型；最后再利用ANSYS的workbench界面對優(yōu)化后的模型在兩種極限情況下做了有限元分析和驗證，證明此優(yōu)化后的模型較為合理，可以實際應用到生產(chǎn)中去。運用虛擬樣機技術(shù)進行垃圾車拉臂裝置的功力分析及優(yōu)化設計，這樣不但可以為拉臂車的研制與開發(fā)提供參考依據(jù)，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，實現(xiàn)用戶產(chǎn)品的定制，還可以提高拉臂車的產(chǎn)品質(zhì)量，對提高垃圾車的技術(shù)水平及在國內(nèi)外市場的競爭能力等方面，具有重要的社會意義和巨大的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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