張收良,毛靖德,文藝,董磊磊,劉友紅
(陜西汽車(chē)控股集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710200)
隨著全國(guó)城鎮(zhèn)化水平以及人民生活水平的快速提升,2017年我國(guó)城市垃圾清運(yùn)量預(yù)計(jì)達(dá)到2.25億噸,10年來(lái)以年均 4.28%的速度不斷增加[1],有力推動(dòng)了傳統(tǒng)垃圾車(chē)市場(chǎng)的快速發(fā)展;另一方面,隨著社會(huì)老齡化的加劇,以及社會(huì)勞動(dòng)力的減少,各城市管理部門(mén)或企業(yè)的用工成本逐年增加,智能化的垃圾車(chē)未來(lái)會(huì)有較大的市場(chǎng)潛力;因此在傳統(tǒng)后裝壓縮式垃圾車(chē)的基礎(chǔ)上研制了一種新型的掛桶上料機(jī)構(gòu),主要用于后裝壓縮式垃圾車(chē)沿街收集桶裝垃圾,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料,減少輔助工人及輔助工作時(shí)間,提高整車(chē)工作效率。
如圖1所示,分體式掛桶機(jī)構(gòu)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
當(dāng)垃圾桶接觸傳感器組件(8),并使其產(chǎn)生信號(hào)時(shí),經(jīng)控制器運(yùn)算后掛桶油缸桿伸出,舉升臂繞安裝軸(填裝器(1)上)旋轉(zhuǎn);同時(shí),掛桶架(6)在小連桿(4)的作用下繞舉升臂懸臂軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)掛桶架完全承受垃圾桶及垃圾的重量時(shí),觸動(dòng)傳感器組件(9),分體式掛桶機(jī)構(gòu)繼續(xù)旋轉(zhuǎn),否則停止。當(dāng)掛桶架旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí),固連在舉升臂懸臂軸上的凸輪管軸開(kāi)始起作用,凸輪推動(dòng)壓桶板(10)翻轉(zhuǎn)并壓桶,分體式掛桶機(jī)構(gòu)進(jìn)而完成傾倒垃圾并做回程旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖1 分體式掛桶機(jī)構(gòu)總成
根據(jù)后裝壓縮式垃圾車(chē)實(shí)際使用情況,經(jīng)常出現(xiàn)掉桶等異常問(wèn)題,因此采用Adams/View對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。在三維CAD軟件中建立幾何模型后,導(dǎo)入Adams/View動(dòng)力分析軟件,進(jìn)行以下工作:
(1)用布爾運(yùn)算合并零部件,簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu);
(2)建立零件之間的連接關(guān)系、驅(qū)動(dòng)、力和接觸力;
(3)自由度計(jì)算,消減過(guò)約束方程;
(4)建立測(cè)量并仿真計(jì)算。
在處理后的模型上加載油缸運(yùn)動(dòng),運(yùn)算后得到油缸的位移曲線和速度曲線(如圖2),其符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)而提取掛桶齒的受力曲線(如圖3),最大接觸力3.7KN出現(xiàn)在2.26 s,即掛桶齒提起垃圾桶并使垃圾桶離開(kāi)地面的瞬間。提取油缸負(fù)載曲線(如圖4),最大負(fù)載為29.86KN,而油缸能夠提供56.08KN,安全系數(shù) 1.88,由于掛桶機(jī)構(gòu)是頻繁動(dòng)作的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),故安全系數(shù)1.88符合設(shè)計(jì)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(fù)載力
為避免工程實(shí)踐中出現(xiàn)的掉桶現(xiàn)象,故提取垃圾桶的翻轉(zhuǎn)角度曲線,并和壓桶板接觸力進(jìn)行對(duì)比。3.84 s時(shí),壓桶板完成壓桶動(dòng)作,此刻垃圾桶翻轉(zhuǎn)71°,垃圾桶在重力作用下尚未接觸壓桶板;4.43 s時(shí),垃圾桶翻轉(zhuǎn)95°,并在重力作用下接觸壓桶板;4.99 s時(shí),垃圾桶翻轉(zhuǎn)115°,壓桶板出現(xiàn)最大負(fù)載991 N,此刻垃圾開(kāi)始卸除。返程至7.27s時(shí),垃圾桶翻轉(zhuǎn)至 94.83°,垃圾桶在重力作用下與壓桶板產(chǎn)生間隙,壓桶板接觸力消失;7.7 s時(shí),垃圾桶翻轉(zhuǎn)至60.68°,壓桶板開(kāi)始打開(kāi)。經(jīng)過(guò)上述分析,壓桶板關(guān)閉與打開(kāi)的時(shí)間點(diǎn),垃圾桶的翻轉(zhuǎn)角度分別為53.5°和60.68°,符合設(shè)計(jì)要求。
圖4 垃圾桶翻轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)為左、右分體式,可以獨(dú)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(fā)現(xiàn) 3.79 s時(shí)即垃圾桶卸載垃圾前,扭矩達(dá)到最大值3785Nm。同時(shí)提取小連桿連接處的扭矩(如圖6),發(fā)現(xiàn)4.99 s時(shí)即垃圾桶卸載垃圾前,彎矩達(dá)到最大值4009Nm,該結(jié)果為進(jìn)一步做強(qiáng)度分析提供了理論依據(jù)。
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(jī)構(gòu)沿用傳統(tǒng)的“凸輪壓緊,彈簧打開(kāi)”的設(shè)計(jì)思路,應(yīng)對(duì)彈簧的拉力要求不高,但應(yīng)克服壓桶板運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部阻力,同時(shí)有效降低裝配的難度,所以采用雙彈簧設(shè)計(jì)。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(jié)合剛度值0.8,預(yù)緊力10N,符合使用需要。
分體式上料機(jī)構(gòu)上安裝了2組接近傳感器,其內(nèi)部安裝有2個(gè)卷簧,以保證發(fā)送信號(hào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。為減小該裝置對(duì)掛桶裝置的影響,特別是扭轉(zhuǎn)彈簧的對(duì)垃圾桶的推力,提取扭轉(zhuǎn)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(xiàn)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(duì)穩(wěn)定。傳感器組件8的扭力彈簧,扭力最大值為351Nmm,出現(xiàn)在垃圾桶離開(kāi)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(duì)穩(wěn)定。通過(guò)以上分析,可以看出彈簧的彈力適中[2],但仍需進(jìn)一步實(shí)物驗(yàn)證。
圖8 扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度變化的受力曲線,發(fā)現(xiàn)隨垃圾桶的上升,緩沖器先增大后減小,符合實(shí)際情況;同時(shí)發(fā)現(xiàn)垃圾桶離開(kāi)地面后,對(duì)橡膠緩沖器產(chǎn)生了瞬間的沖擊力,數(shù)值達(dá)到4642N,這為橡膠緩沖器設(shè)計(jì)及選材提供了依據(jù)。
經(jīng)過(guò)虛擬樣機(jī)的仿真分析,優(yōu)化改進(jìn)了舉升臂結(jié)構(gòu)、傳感器組件結(jié)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)等,可以有效降低樣機(jī)試制風(fēng)險(xiǎn)及成本。