中國科技論文在線車廂可卸式垃圾車拉臂機構的分析與仿真 作者簡介：張連杰（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：機構設計與分析通信聯(lián)系人：劉善增（1977-），男，講師，碩士生導師。主要研究方向：機構學、機械動力學、虛擬樣機 仿真. E-mail: （中國礦業(yè)大學機電工程學院，徐州 221116） 摘要：本文介紹了車廂可卸式垃圾車的結構及工作原理，建立了其拉臂機構卸箱工況的數(shù)學模型，進行了受力分析，為拉臂機構的設計提供了依據(jù)。然后以徐州某公司自主設計的 20 噸車廂可卸式垃圾車為例，利用Pro/E 建立其三維模型，導入到ADAMS 中進行仿真分析， 考慮了重力，摩擦力和接觸力的影響，得到了拉臂機構關鍵點的作用力曲線，為拉臂機構的 有限元分析和優(yōu)化設計奠定了基礎。 10 關鍵詞：垃圾車；拉臂機構；分析與仿真 中圖分類號：TH122 Analysis pullarm detachablegarbage truck 15 ZHANG Lianjie, LIU Shanzeng (School ElectricalEngineering, China University Technology,Xuzhou, Jiangsu, 221116) Abstract: paperintroduces workingprinciple detachablegarbage truck. Establishes its mathematics model workingconditions pullarm, 20stress analysis pullarm which provides pullarm. 20tgarbage truck examplewhich Xuzhou,establishes its 3D model ADAMSplatform analyze,considering gravity,friction contactforce forcecurve resultcan finiteelement analysis optimizationdesign detachablegarbage 25 truck Key words: garbage truck; pull arm; analysis 引言車廂可卸式垃圾車 是一種非常高效的垃圾轉運工具，它是通過連桿機構（拉臂機構）30 實現(xiàn)垃圾傾倒和箱體自動裝卸的功能。
實現(xiàn)這兩種功能是靠同一個車載拉臂裝置實現(xiàn)的，同 時一輛垃圾車還可以配備多個箱體，所以這種車輛工作效率比較高，因此被廣泛用于垃圾和 多種箱體裝、運、卸服務。目前車廂可卸式垃圾車在歐美等發(fā)達國家已得到廣泛應用。自 20 世紀80 年代被引入我國，近幾年在我國也得到的普遍應用。目前，國內(nèi)市場上3 噸的車廂可卸式垃圾車比較普遍，但設計多是采用測繪或經(jīng)驗取值的方法,限制了產(chǎn)品性能 35 的進一步提高, 大噸位的由于受力比較復雜，國內(nèi)很少有17 噸以上的車廂可卸式垃圾車。 本文對車廂可卸式垃圾車進行了受力分析，并以徐州某公司自主設計的20 噸車廂可卸 式垃圾車為例，進行了仿真分析。 結構和工作原理車廂可卸式垃圾車如圖1 所示，結構簡圖如圖2 所示。 40 車廂可卸式垃圾車Fig. 車廂可卸式垃圾車（擺臂式）結構簡圖45 Fig. 點為副車架上導向輪與箱體的接50 觸點， H1 點為翻轉架與副車架的鉸點。 垃圾車作業(yè)時分為垃圾箱裝卸和垃圾傾倒兩個工況 。垃圾車卸箱作業(yè)時：翻轉架與車架固定。首先，擺臂油缸伸長，使擺臂以 點為中心轉動，推動箱體后移，然后舉升油缸伸長，推動舉升臂以 點為中心轉動，把箱體卸下。
裝箱作業(yè)時順序正好相反。垃圾傾倒作業(yè)時：舉升臂和翻轉架耦合在一體（通過一鎖緊機構實現(xiàn)），兩者在起始位置都與車架平 55 行，通過舉升油缸伸長，可以實現(xiàn)耦合在一體的舉升臂和翻轉架繞H1 點轉動，隨著轉角的 增大，實現(xiàn)箱體被逐漸舉升，從而完成垃圾的傾倒。 拉臂機構的受力分析車廂可卸式垃圾車按其結構形式可以分為固定式、伸縮式、擺臂式等類型。擺臂式與固 定式區(qū)別在于固定式的擺臂與舉升臂固定在一起，沒有擺臂油缸。兩者實現(xiàn)功能完全相同， 60 只是擺臂式能減小工作過程中液壓缸受到的最大作用力和垃圾箱的卸箱高度 。為了分析方便，對擺臂式車廂可卸式垃圾車拉臂機構進行受力分析時，本文先將擺臂旋轉39.5，然后 將其固定在舉升臂上。由于垃圾傾倒工況時運動和受力比較簡單，本文不做分析，只對垃圾 箱裝卸工況進行分析。這一工況又分為2 個運動階段，第一階段：箱體底面與導向輪接觸時； 中國科技論文在線第二階段：箱體底面與導向輪脫離，箱體滾輪與地面接觸。 65 2.1 第一階段受力分析 第一階段受力分析圖Fig. stageone 擺臂上A 點受力 sinsin (cossin AxAH sinsin (sincos AyAH 舉升油缸F點受力為： cossin sinsin AxAF FC Ay AF FC 水平方向上垃圾箱對擺臂上A點的作用力； 75 豎直方向上垃圾箱對擺臂上A點的作用力； H1O—H1 點到垃圾箱幾何中心之間的距離； 軸夾角；80 H1點處所受正壓力與水平方向夾角； H1O與豎直方向的夾角； AH1與豎直方向的夾角； f1—垃圾箱底面與副車架上導向輪之間的滑動摩擦系數(shù)； G—垃圾箱體和滿載垃圾的總重。
85 中國科技論文在線2.2 第二階段受力分析 第二階段受力分析圖Fig. stagetwo 擺臂上A 點受力為： 90 sin2(sin cos AxGf sin2(sin cos 舉升油缸F點受力為： cossin sinsin AxAF FC Ay AF FC 軸夾角；95 f2—垃圾箱后滾輪與地面間的滑動摩擦系數(shù)； 其它參數(shù)同第一階段。 工作裝置的建模和仿真3.1 三維模型的建立 因為拉臂裝置是由很多沖壓鋼板焊接而成，較為復雜。采用 ADAMS 建模非常復雜且 100 不能保證建模的精確性，本文采用Pro/E 三維設計軟件，建立車廂可卸式垃圾車拉臂裝置的 三維實體模型，然后通過Parasolid 文件格式導入到ADAMS/View 環(huán)境中。 3.2 約束和參數(shù)設置 ADAMS/View環(huán)境下給拉臂機構添加約束和載荷 105上吊鉤與箱體之間相互約束關系定義為平面轉動副；油缸和活塞桿之間約束為定義平面移動 副。箱體與導向輪之間的約束非常特殊，箱體相對與導向輪滑動，同時導向輪繞自己的軸線 轉動，設置為基于碰撞的接觸力進行約束。當箱體運動到底部滾輪與地面接觸時，箱體底面 與地面之間的約束也是靠基于碰撞的接觸力來實現(xiàn)的。
這樣仿真模型將與實際情況比較接 近。碰撞接觸力的處理采用基于非線性彈簧—阻尼模型。在等效彈簧—阻尼模型中接觸點處 110 法向接觸力 —阻尼力；K—接觸剛度，設為 2.0E+005N/mm； 115 δ—接觸點處法向穿透深度，設為0.1mm； V—接觸點處法向相對速度，設為50mm/s； e—冪指數(shù)，設為1.5； 有關的阻尼因子,設為10.0。滾輪處有兩種摩擦，一種為滾輪繞軸的轉動產(chǎn)生的摩擦，另一種是滾輪與箱體底面和地 120 面產(chǎn)生的摩擦，摩擦系數(shù)設定如表1 所示 接觸摩擦系數(shù)的設定Tab. frictioncoefficient 接觸 靜摩擦系數(shù) 動摩擦系數(shù) Contact 0E-002Contact 0E-002本文仿真的思路是對拉臂機構進行逆向運動分析，即通過確定兩液壓油缸的運動規(guī)律 125 (關于時間的函數(shù))來求得整個拉臂機構的運動規(guī)律，然后進行仿真運算，求出各鉸接點的作 用力。垃圾箱從垃圾車上卸下時，起始位置是拉臂在車架上水平放置，最后水平放置在地面 上。整個過程在55s 內(nèi)完成，舉升油缸行程為1700mm。油缸活塞桿的伸出長度是時間的函 數(shù)，為勻速運動，運動速度設為30.91mm/s。
整個過程分2 個階段，對2 個階段進行聯(lián)合仿 真。設置仿真時間55s，200 個子步。 130 3.3 仿真結果分析 垃圾箱重心豎直坐標的變化如圖5 所示，在24s 處有突變，是因為此處為垃圾箱卸箱過 個運動階段的分界點。此處為垃圾箱底面剛好與副車架上滾輪脫離接觸，垃圾箱右下角滾輪即將與地面接觸的瞬間。 135 垃圾箱重心位置曲線Fig. center 中國科技論文在線舉升油缸上點 所示，在開始時液壓缸受到箱體自重原因受到向下的作用力，在運動開始時受到?jīng)_擊力的作用瞬間增大，然后逐漸減小，當 7.5s 時，由于箱體重心運動到起支撐作用的導向輪的右側，對拉臂機構產(chǎn)生的力將有向下變?yōu)橄?140 上，當此力與拉臂自重相平衡的瞬間，液壓缸受到的作用力為零。24s 個運動階段分界點，速度有突變。在第二運動階段速度繼續(xù)上升，最后垃圾箱前輪即將與地面接觸時，力 達到最大值。 方向受力曲線145 Fig.6 方向受力曲線Fig. 150 點受力曲線Fig.8 方向受力作用曲線如圖7所示，拉臂與垃圾箱接觸點A 受力如圖 方向受力）。在起始位置和24s 155力的大小有突變，原因如前面所述。 結束語本文建立了車廂可卸式垃圾車卸箱工況時的2 個運動狀態(tài)的數(shù)學模型，建立了通用的受 力分析公式，為設計各種噸位的車廂可卸式垃圾車拉臂機構提供了理論依據(jù)。
又以徐州某公 司自主設計的 20 噸車廂可卸式垃圾車為例，利用 Pro/E 建立其三維模型，導入到 ADAMS 160 中，通過合理設置參數(shù)進行仿真分析，得到了拉臂機構關鍵點的作用力曲線，由受力曲線可 知卸箱過程中舉升油缸最大作用力出現(xiàn)在運動末尾，垃圾箱前輪即將與地面接觸的時候；在 舉升瞬間，油缸的作用力也較大；在第一階段和第二階段過渡過程中，液壓缸的受力波動較 大。對拉臂機構進行有限元分析時，這幾個階段要分別進行分析。 165 [參考文獻] (References) 傅玉平車廂可卸式垃圾車哪里有賣，車廂可卸式垃圾車的功能與結構[J].專用汽車，2001，（1）：29-30. 拉臂式垃圾車拉臂架裝置結構設計要點[J].專用汽車，2007，（12）：40-42. 170 集裝箱運輸車自卸機構的運動學和動力學分析[J].專用汽車，2001，（2）：24-27. Structureoptimization hook-liftarm device garbagetruck based finiteelement analysis 貴州大學學報(自然科學版)，2009，26(4):24-28. 虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社車廂可卸式垃圾車哪里有賣，2008. 含間隙鉸的機械多體系統(tǒng)動力學模型[J].振動工程學報，2003，16（3）： 175 290-294.