張收良，毛靖德，文藝，董磊磊，劉友紅

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著全國城鎮(zhèn)化水平以及人民生活水平的快速提升，2017年我國城市垃圾清運量預計達到2.25億噸，10年來以年均 4.28%的速度不斷增加[1]，有力推動了傳統(tǒng)垃圾車市場的快速發(fā)展；另一方面，隨著社會老齡化的加劇，以及社會勞動力的減少，各城市管理部門或企業(yè)的用工成本逐年增加，智能化的垃圾車未來會有較大的市場潛力；因此在傳統(tǒng)后裝壓縮式垃圾車的基礎上研制了一種新型的掛桶上料機構，主要用于后裝壓縮式垃圾車沿街收集桶裝垃圾，可以實現(xiàn)自動上料，減少輔助工人及輔助工作時間，提高整車工作效率。

1 分體式掛桶機構組成及工作原理

如圖1所示，分體式掛桶機構由填裝器（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動機構。

當垃圾桶接觸傳感器組件（8），并使其產生信號時，經(jīng)控制器運算后掛桶油缸桿伸出，舉升臂繞安裝軸（填裝器（1）上）旋轉；同時，掛桶架（6）在小連桿（4）的作用下繞舉升臂懸臂軸旋轉。當掛桶架完全承受垃圾桶及垃圾的重量時，觸動傳感器組件（9），分體式掛桶機構繼續(xù)旋轉，否則停止。當掛桶架旋轉到一定角度時，固連在舉升臂懸臂軸上的凸輪管軸開始起作用，凸輪推動壓桶板（10）翻轉并壓桶，分體式掛桶機構進而完成傾倒垃圾并做回程旋轉運動。

圖1 分體式掛桶機構總成

2 建立模型

根據(jù)后裝壓縮式垃圾車實際使用情況，經(jīng)常出現(xiàn)掉桶等異常問題，因此采用Adams/View對該機構進行動力學分析。在三維CAD軟件中建立幾何模型后，導入Adams/View動力分析軟件，進行以下工作：

（1）用布爾運算合并零部件，簡化運動機構；

（2）建立零件之間的連接關系、驅動、力和接觸力；

（3）自由度計算，消減過約束方程；

（4）建立測量并仿真計算。

3 結果分析

在處理后的模型上加載油缸運動，運算后得到油缸的位移曲線和速度曲線（如圖2），其符合設計要求。進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地面的瞬間。提取油缸負載曲線（如圖4），最大負載為29.86KN，而油缸能夠提供56.08KN，安全系數(shù) 1.88，由于掛桶機構是頻繁動作的間歇運動機構，故安全系數(shù)1.88符合設計要求。

圖2 油缸的位移曲線和速度

圖3 掛桶齒接觸力和油缸負載力

為避免工程實踐中出現(xiàn)的掉桶現(xiàn)象，故提取垃圾桶的翻轉角度曲線，并和壓桶板接觸力進行對比。3.84 s時，壓桶板完成壓桶動作，此刻垃圾桶翻轉71°，垃圾桶在重力作用下尚未接觸壓桶板；4.43 s時，垃圾桶翻轉95°，并在重力作用下接觸壓桶板；4.99 s時，垃圾桶翻轉115°，壓桶板出現(xiàn)最大負載991 N，此刻垃圾開始卸除。返程至7.27s時，垃圾桶翻轉至 94.83°，垃圾桶在重力作用下與壓桶板產生間隙，壓桶板接觸力消失；7.7 s時，垃圾桶翻轉至60.68°，壓桶板開始打開。經(jīng)過上述分析，壓桶板關閉與打開的時間點，垃圾桶的翻轉角度分別為53.5°和60.68°，符合設計要求。

圖4 垃圾桶翻轉角度與壓桶接觸力

圖5 舉升臂橫向扭矩分析

由于該掛桶機構為左、右分體式，可以獨立工作，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時即垃圾桶卸載垃圾前，扭矩達到最大值3785Nm。同時提取小連桿連接處的扭矩（如圖6），發(fā)現(xiàn)4.99 s時即垃圾桶卸載垃圾前，彎矩達到最大值4009Nm，該結果為進一步做強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

由于該機構沿用傳統(tǒng)的“凸輪壓緊，彈簧打開”的設計思路，應對彈簧的拉力要求不高，但應克服壓桶板運動的內部阻力，同時有效降低裝配的難度，所以采用雙彈簧設計。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；結合剛度值0.8，預緊力10N，符合使用需要。

分體式上料機構上安裝了2組接近傳感器，其內部安裝有2個卷簧，以保證發(fā)送信號的及時性和準確性。為減小該裝置對掛桶裝置的影響，特別是扭轉彈簧的對垃圾桶的推力，提取扭轉彈簧的扭力曲線，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，扭力值也相對穩(wěn)定。通過以上分析，可以看出彈簧的彈力適中[2]，但仍需進一步實物驗證。

圖8 扭轉彈簧扭力曲線

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，符合實際情況；同時發(fā)現(xiàn)垃圾桶離開地面后，對橡膠緩沖器產生了瞬間的沖擊力，數(shù)值達到4642N，這為橡膠緩沖器設計及選材提供了依據(jù)。

4 結果應用

經(jīng)過虛擬樣機的仿真分析，優(yōu)化改進了舉升臂結構、傳感器組件結構、扭轉彈簧設計參數(shù)等，可以有效降低樣機試制風險及成本。