彭燕華 程小建 金先進(jìn)

摘要：上料機(jī)構(gòu)是后裝壓縮式垃圾車的核心部件之一，當(dāng)前業(yè)界對上料機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析與優(yōu)化是將上料過程作為一個整體進(jìn)行考慮的。本文考慮到生活垃圾的實際狀態(tài)和上料機(jī)構(gòu)現(xiàn)實使用場景，將上料過程的油缸行程細(xì)分為拍桶和非拍桶兩個階段進(jìn)行差別考慮，不同階段對機(jī)構(gòu)的性能要求不同，并以垃圾塊質(zhì)心速度、加速度與翻桶架角速度、角加速度四個核心技術(shù)指標(biāo)描述其上料平順性和拍桶能力。結(jié)合產(chǎn)品改進(jìn)項目，對某上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行了拍桶能力優(yōu)化，同時兼顧上料平順性，并對改進(jìn)效果進(jìn)行了實物驗證。

關(guān)鍵詞：壓縮式垃圾車；上料機(jī)構(gòu)；拍桶能力；優(yōu)化

中圖分類號：U469? 收稿日期：2023-11-30

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401006

1 前言

近年來隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)化的發(fā)展，環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展。后裝壓縮式垃圾車是集垃圾上料、壓縮、轉(zhuǎn)運、自卸等功能于一體的環(huán)衛(wèi)專用設(shè)備，因其具有壓縮比大、裝載效率高、密封性好等突出優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于生活垃圾的收集和轉(zhuǎn)運[1]。布置在車輛尾部的上料機(jī)構(gòu)是后裝壓縮式垃圾車的核心部件之一，通過上料機(jī)構(gòu)完成垃圾桶的定位、夾緊、提升、翻轉(zhuǎn)、降落和松開等步驟實現(xiàn)桶裝垃圾收集。其主流的結(jié)構(gòu)形式是四連桿曲柄連桿式掛桶上料機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單易行、成本低、運行可靠。

筆者在市場走訪中觀察到，垃圾桶內(nèi)的生活垃圾為多種廢棄物組成的混合物，由于含濕垃圾以及垃圾泌水，桶底垃圾孔隙中填充著粘性液體，可能單次傾倒不能將垃圾完全倒出，需要重復(fù)進(jìn)行“升-降-升-降”動作進(jìn)行拍桶，通過來回晃動將粘附的垃圾倒出。拍桶降低了上料效率，影響了操作體驗。本文采用多體動力學(xué)方法對我司5082ZYSE6的上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行拍桶能力優(yōu)化。

業(yè)界對掛桶上料機(jī)構(gòu)開展了動力學(xué)分析研究，文獻(xiàn)[2-3]通過動力學(xué)分析獲得了結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度分析的邊界條件，文獻(xiàn)[4]對橡膠墊和彈簧力進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[5]對機(jī)構(gòu)的部分鉸點坐標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，使上料過程更平穩(wěn)，并減小了所需油缸推力。上述文獻(xiàn)均將上料過程作為單一過程進(jìn)行整體考慮。

拍桶發(fā)生在上料油缸行程的最后階段，因此有必要將上料過程分為拍桶和非拍桶兩個階段，不同階段追求的性能有差異，這將更細(xì)致地考慮到生活垃圾的實際狀態(tài)和上料機(jī)構(gòu)現(xiàn)實使用場景。在非拍桶階段，要求上料機(jī)構(gòu)提供較平穩(wěn)的垃圾塊質(zhì)心速度和質(zhì)心角速度，不允許有較大的加速度和角加速度突變，使得上料過程平穩(wěn)，減少垃圾的撒落。拍桶階段，要求上料機(jī)構(gòu)提供較大的質(zhì)心角加速度，使得拍桶簡短有力，以便順利將粘附的垃圾倒出。

實測到的拍桶過程的油缸行程，大多數(shù)集中在后30 mm以內(nèi)，超出這個范圍的較少。上料油缸行程的前部分，本文定義為非拍桶階段；行程的后30 mm本文定義為拍桶階段。

2 掛桶上料機(jī)構(gòu)工作原理

掛桶上料機(jī)構(gòu)由上料油缸、搖臂、拉臂、翻桶架以及凸輪夾緊機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，以填裝器為安裝座，各件通過銷軸鉸接。其工作原理如圖1所示，當(dāng)上料機(jī)構(gòu)開始工作時，上料油缸伸出，驅(qū)動搖臂旋轉(zhuǎn)，帶動翻桶架舉升同時旋轉(zhuǎn)，翻桶架的掛齒掛住垃圾桶的邊緣，夾緊機(jī)構(gòu)在凸輪驅(qū)動下夾緊垃圾桶邊沿，使垃圾桶固定在翻桶架上，翻桶架在搖臂和拉臂的共同作用下帶垃圾桶沿復(fù)合軌跡進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。油缸完全伸出時垃圾桶翻轉(zhuǎn)到最大角度，從而將垃圾倒入填裝器。垃圾倒出后，油缸縮回，上料機(jī)構(gòu)沿相反的路徑回到起點，垃圾桶放回到地面，完成一次垃圾裝載。由動作過程可見，起掛高度和傾倒角度是掛桶上料機(jī)構(gòu)的重要設(shè)計參數(shù)。

3 動力學(xué)分析模型與優(yōu)化

3.1 分析與優(yōu)化流程

采用多體動力學(xué)分析軟件對掛桶上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析和優(yōu)化的流程[6]，如圖2所示。

3.2 多體動力學(xué)分析模型

從側(cè)面看，掛桶上料機(jī)構(gòu)可視為平面桿系。建立的5082ZYSE6上料機(jī)構(gòu)多體動力學(xué)模型見圖3，以搖臂在填裝器上的安裝點為坐標(biāo)系原點，X軸沿水平方向，指向車輛尾部，Y軸豎直向上。上料可兼容120 L、240 L、660 L垃圾桶，考慮到垃圾重量和重力臂長度，以最嚴(yán)苛的滿載660 L垃圾桶上料，優(yōu)化前各鉸接點坐標(biāo)見表1中第3列，其中點G為垃圾塊重心坐標(biāo)（1071.7，-659.9），垃圾塊質(zhì)量設(shè)為420 kg，上料油缸以恒定速度80 mm/s推出。

優(yōu)化前機(jī)構(gòu)分析結(jié)果見圖4，其中翻桶架的角速度及角加速度指翻桶架上鉸接點D在全局坐標(biāo)系中的角速度和角加速度，分別等同于垃圾塊的旋轉(zhuǎn)角速度和角加速度。垃圾塊質(zhì)心速度、加速度與翻桶架角速度、角加速度共同表征了翻桶架的上料平順性和拍桶能力。

3.3 設(shè)計研究和優(yōu)化分析

將機(jī)構(gòu)各鉸點坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化，除原點A外，其余各鉸點的X、Y坐標(biāo)均作為設(shè)計變量，將翻桶架角加速度作為目標(biāo)函數(shù)，在其它設(shè)計變量不變的情況下，對各變量作變化為±30mm區(qū)間的5水平的敏感度分析，結(jié)果見表1。由各設(shè)計變量的敏感度可知，變量B_Y、C_X、E_Y對目標(biāo)函數(shù)的影響敏感度比其它變量高出一個數(shù)量級。將B點沿[Y-]移動，C沿[X-]移動，或E點沿[X+]移動，都有助于獲得更大的翻桶架角加速度。

為減小機(jī)構(gòu)點位調(diào)整對結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的影響，經(jīng)迭代最終只將B點沿[-Y]移動7 mm。對結(jié)構(gòu)件影響如下：填裝器上拉臂孔位向[-Y]移動7 mm，拉臂縮短6 mm。搖臂、翻桶架、上料油缸不受影響，不影響起掛高度。由于拉臂縮短，垃圾桶傾倒角度由44.6°增加到48.4°，翻桶角度的增加也有利于垃圾的倒出。

優(yōu)化前后的機(jī)構(gòu)性能對比曲線如圖5所示，各技術(shù)指標(biāo)的平均值對比結(jié)果整理見表2。a.優(yōu)化后所需雙油缸最大推力49 032 N，降低4.27%；b.在非拍桶階段，優(yōu)化后的垃圾塊質(zhì)心速度增加3.35%，優(yōu)化后的垃圾塊質(zhì)心加速度降低1.00%，翻桶架角速度增加5.84%，翻桶架角加速度降低4.63%；c.而在拍桶階段，優(yōu)化后的垃圾塊質(zhì)心速度降低0.16%，質(zhì)心加速度增加16.16%，翻桶架角速度增加2.74%，翻桶架角加速度增加36.15%?？梢妰?yōu)化措施輕微地改善了非拍桶階段的平順性，但極大地改善了拍桶階段的拍桶能力，達(dá)到預(yù)期目的。

4 整車試驗驗證

生產(chǎn)了兩臺樣車搭載了優(yōu)化后的上料機(jī)構(gòu)。廠內(nèi)對上料平順性進(jìn)行了對比試驗，如圖6所示。使用240 L垃圾桶裝滿模擬垃圾（木屑與沙子混合物，密度約600 kg/m3）上料，各上料30桶，稱重灑落的垃圾重量，優(yōu)化前的機(jī)構(gòu)灑落垃圾18.5 kg，優(yōu)化后灑落17.2 kg，減少7.0%，平順性略有改善。

廠外跟蹤了用戶試用情況，表3記錄了拍桶情況，與優(yōu)化前相比，拍桶重復(fù)率由19.4%下降到6.0%。表3中，拍桶重復(fù)率的計算方法為：

[η=n1+2n2+3n3+4n4n-1×100%]

用戶使用2個月后反饋改善明顯，圖7為一次倒凈的桶內(nèi)實物照片。

5 結(jié)語

本文考慮到生活垃圾的實際狀態(tài)和上料機(jī)構(gòu)現(xiàn)實使用場景，將上料過程細(xì)分為拍桶和非拍桶兩個階段，基于兩個階段所追求的性能差異進(jìn)行區(qū)別對待，并以垃圾塊質(zhì)心速度、加速度與翻桶架角速度、角加速度四個技術(shù)指標(biāo)描述其上料平順性和拍桶能力。結(jié)合公司產(chǎn)品改進(jìn)項目，建立上料機(jī)構(gòu)多體動力學(xué)分析模型，通過分析各鉸接點坐標(biāo)對翻桶角加速度的敏感度，在兼顧上料平順性的同時對拍桶能力進(jìn)行了優(yōu)化，以較小的改變實現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。試驗表明，降低了液壓油缸工作推力，上料平順性略有改善，拍桶能力較大改善，達(dá)到優(yōu)化目的。

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作者簡介：

彭燕華，男，1981年生，工程師，研究方向為環(huán)衛(wèi)汽車設(shè)計與優(yōu)化。