垃圾車翻桶機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王金剛，楊樂，趙東旭，吳迪

(1. 河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130;2. 北汽福田汽車股份有限公司，北京102206;3. 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063000)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得我國城市化進(jìn)程已進(jìn)入快速發(fā)展階段，不斷增加的城市人口在促進(jìn)城市繁榮的同時(shí)也產(chǎn)生了大量生活垃圾，導(dǎo)致城市垃圾總量急劇上升。由城市垃圾造成的環(huán)境污染已成為人類城市化進(jìn)程中一個(gè)不容忽視且亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題［1－3］。為解決這類城市環(huán)境污染問題，集垃圾收集和轉(zhuǎn)運(yùn)于一體的垃圾車受到城市環(huán)保部門的青睞而得到廣泛應(yīng)用［4］。

隨著城市現(xiàn)代化水平的提升，機(jī)械化水平大幅提高，垃圾的收集運(yùn)輸系統(tǒng)也在不斷升級。集自動(dòng)裝填與壓縮、密封運(yùn)輸和自卸功能于一體的后裝壓縮式垃圾車具有操作方便、機(jī)動(dòng)性能好、工作效率高、垃圾運(yùn)輸量大，車廂密封性好等特點(diǎn)，符合現(xiàn)代化城市建設(shè)的發(fā)展趨勢［5－6］。而且，后裝壓縮式垃圾車可以進(jìn)駐到小區(qū)中，代替垃圾桶直接收集住戶手中的袋裝垃圾，解決垃圾桶周圍的蚊蠅、臭氣和污水等擾民問題。另外，人工成本不斷上升和能與垃圾車配套的標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶大范圍的使用，使得自動(dòng)化程度高、填裝排卸作業(yè)只需司機(jī)一人操作的后裝壓縮式垃圾車的優(yōu)點(diǎn)更加凸顯。因此，在環(huán)衛(wèi)車輛升級換代過程中，后裝壓縮式垃圾車被廣泛推廣使用。

翻桶機(jī)構(gòu)是壓縮式垃圾車將垃圾桶內(nèi)的生活垃圾傾倒入填裝器料斗中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，合理的連桿尺寸有助于減少和避免上料過程中垃圾的散落，改善液壓缸的受力情況，使得產(chǎn)品在工作中有優(yōu)越的表現(xiàn)。因此，對翻桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)非常必要。

1 翻桶機(jī)構(gòu)組成及工作流程

翻桶機(jī)構(gòu)主要由翻桶液壓缸、擺臂、翻轉(zhuǎn)架、拉桿組成，通過銷軸與垃圾車的填裝器框架連接在一起，如圖1 所示。

圖1 翻桶機(jī)構(gòu)組成

翻桶機(jī)構(gòu)是由翻桶液壓缸的伸縮來完成將垃圾桶內(nèi)的生活垃圾傾倒入填裝器料斗的工作。通過獨(dú)特的多桿機(jī)構(gòu)，使垃圾箱提升和降落運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確平穩(wěn)。

從翻桶機(jī)構(gòu)的工作性質(zhì)來看，在提升和降落垃圾箱過程中，不允許有較大的速度突變，即加速度不能太大，以免造成垃圾的撒落，產(chǎn)生二次污染。為了研究翻桶機(jī)構(gòu)在工作過程中運(yùn)動(dòng)情況，采用ADAMS 軟件進(jìn)行仿真分析、參數(shù)化處理及優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析流程［7］如圖2 所示。

圖2 仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

2 虛擬樣機(jī)模型的建立

翻桶機(jī)構(gòu)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與四桿機(jī)構(gòu)組成的一個(gè)多桿機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖3 所示［8］，建立平面直角坐標(biāo)系，分別使點(diǎn)G 通過X 軸，點(diǎn)A 通過Y軸，兩軸交點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)O。根據(jù)翻桶機(jī)構(gòu)中各連桿鉸接點(diǎn)的相對位置，確定各點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)數(shù)值。

圖3 翻桶機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

輸入構(gòu)件是桿AB，即翻桶液壓缸的活塞桿。輸出構(gòu)件為點(diǎn)G，即垃圾箱的質(zhì)心。桿AB 與點(diǎn)A 之間為移動(dòng)副，其他各連桿之間為旋轉(zhuǎn)副約束。為了研究輸出構(gòu)件點(diǎn)G 即垃圾箱質(zhì)心位置的運(yùn)動(dòng)特征和液壓缸推力大小，首先在ADAMS/View 中建立翻桶機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型。

依據(jù)圖3 所示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，在ADAMS 軟件中創(chuàng)建可以參數(shù)化的翻桶機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型。將填裝器框架等效為軟件中的大地，參照翻桶機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖中各點(diǎn)的坐標(biāo)值，在地面上創(chuàng)建9 個(gè)Point 點(diǎn)。依附于已創(chuàng)建的9 個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，創(chuàng)建桿、球體、和平板等組件。然后在A ～F 處添加旋轉(zhuǎn)副約束，在點(diǎn)A 處創(chuàng)建點(diǎn)A 與桿AB 之間的移動(dòng)副約束。最后滑動(dòng)副A 處創(chuàng)建移動(dòng)驅(qū)動(dòng)。這樣就建立了翻桶機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，如圖4 所示。

圖4 翻桶機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

3 虛擬樣機(jī)的仿真分析

根據(jù)翻桶機(jī)構(gòu)各組件的實(shí)際質(zhì)量對樣機(jī)中各組件的質(zhì)量屬性進(jìn)行更改，然后對樣機(jī)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖5 所示。可知:翻桶液壓缸推力最大值為28 kN，垃圾箱質(zhì)心最大加速度80 mm/s2，質(zhì)心最大角加速度6.7 (°)/s2。

雖然現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)翻扣垃圾箱的要求，但由于連桿機(jī)構(gòu)本身的特性，改變桿機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)的位置可以改變所需的液壓缸推力和垃圾箱的運(yùn)動(dòng)情況。因此，對翻桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，使其結(jié)構(gòu)更加合理。

圖5 液壓缸推力及垃圾箱質(zhì)心加速度、角加速度隨時(shí)間變化曲線

4 設(shè)計(jì)研究和優(yōu)化分析

為了對模型進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析，首先需要完成的前提條件就是將模型進(jìn)行參數(shù)化。ADAMS/View中參數(shù)化的方法是依據(jù)實(shí)際問題分析的需要，將模型中具體的數(shù)值用設(shè)計(jì)變量代替，通過修改設(shè)計(jì)變量的值，改變模型中對應(yīng)的數(shù)值量，從而自動(dòng)生成新的對應(yīng)的樣機(jī)模型。由于翻桶機(jī)構(gòu)的樣機(jī)模型是依附于設(shè)計(jì)點(diǎn)建立的，因此將設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)化就可以實(shí)現(xiàn)翻桶機(jī)構(gòu)模型的參數(shù)化。

由于點(diǎn)A、C、F 為填裝器框架與翻桶機(jī)構(gòu)連接的點(diǎn)，因此不設(shè)為設(shè)計(jì)變量;點(diǎn)G 為垃圾桶質(zhì)心位置，與點(diǎn)E 在X 方向的相對位置由垃圾桶自身尺寸決定，因此將其與DV_5 相關(guān)聯(lián);點(diǎn)G 的Y 方向坐標(biāo)作為整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的參考坐標(biāo)，坐標(biāo)系X 軸穿過點(diǎn)G，因此點(diǎn)G 的Y 坐標(biāo)值不設(shè)為設(shè)計(jì)變量。

設(shè)定完設(shè)計(jì)變量和其類型后，需確定設(shè)計(jì)變量的取值范圍。ADAMS 中對設(shè)計(jì)變量范圍的定義有3 種方式:最大最小值定義Absolute Min and Max Values，相對于標(biāo)準(zhǔn)值的上下偏移量定義Delta Relative To Value，相對于標(biāo)準(zhǔn)值的上下偏移百分比定義Percent Relative To Value。在設(shè)計(jì)研究過程中，對6 個(gè)設(shè)計(jì)變量采用相對于標(biāo)準(zhǔn)值的上下偏移百分比的方法設(shè)定取值范圍，初步選取上下偏移百分比為10%。將垃圾桶質(zhì)心角加速度平均值設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，在其他設(shè)計(jì)變量不變的情況下，分別單獨(dú)對DV_1 ～DV_6 進(jìn)行研究，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 研究結(jié)果

表1 中的敏感度是指垃圾桶質(zhì)心的角加速度相對于設(shè)計(jì)變量的斜率，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，敏感度對設(shè)計(jì)變量的選擇具有很大的幫助。

根據(jù)表1 中各設(shè)計(jì)變量的敏感度可知，翻桶機(jī)構(gòu)中點(diǎn)D 的X 坐標(biāo)值和點(diǎn)E 的Y 坐標(biāo)值對垃圾桶質(zhì)心加速度影響最大，其次是點(diǎn)E 的Y 坐標(biāo)值，其他4 個(gè)設(shè)計(jì)變量在初始值處的敏感度相對較小。根據(jù)分析結(jié)果，并充分考慮翻桶機(jī)構(gòu)的空間布置，對各設(shè)計(jì)變量的取值范圍做調(diào)整后進(jìn)行優(yōu)化分析。通過將不同性能參數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終確定將垃圾桶質(zhì)心角加速度平均值作為優(yōu)化對象，將優(yōu)化對象的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過5 次迭代得到優(yōu)化分析結(jié)果，設(shè)計(jì)變量優(yōu)化結(jié)果見表2，目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化分析結(jié)果如圖6 所示。

表2 優(yōu)化前后變量數(shù)據(jù)表

圖6 目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化分析結(jié)果

圖7 優(yōu)化前后結(jié)果對比

優(yōu)化前后的結(jié)果對比如圖7 所示。通過對比分析圖7 (a)中兩曲線可知:優(yōu)化后角加速度整體減小，其中最大值減小明顯，約減小了一半;角加速度平均值從初始時(shí)2.97 (°)/s2優(yōu)化為2.10 (°)/s2，減小幅度達(dá)到29.1%。通過對比圖7 (b)兩曲線可知:在整個(gè)工作過程中，優(yōu)化后加速度整體減小;特別是在t=5 ～12 s 區(qū)間內(nèi)，優(yōu)化前不僅加速度值較大，而且加速度值在較大范圍內(nèi)不斷變化;優(yōu)化后加速度值明顯降低，且保持在較小的范圍內(nèi)變化。經(jīng)過優(yōu)化，翻桶機(jī)構(gòu)的工作情況得到改善。通過對比圖7 (c)兩曲線可知:優(yōu)化后翻桶液壓缸推力最大值減小，由約28 kN 減小為22 kN 左右，減幅較大。翻桶液壓缸推力范圍由2 ～30 kN 變?yōu)?.5 ～22 kN，推力范圍大幅減小，這樣液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力可以在較小的變化范圍內(nèi)保證翻桶機(jī)構(gòu)正常工作。液壓缸推力最大值的減小使得液壓系統(tǒng)所需的工作壓力減小，這可以影響液壓元件的選取，在保證工作性能的基礎(chǔ)上降低液壓系統(tǒng)的成本，提高產(chǎn)品利潤，增強(qiáng)產(chǎn)品市場競爭力。

通過對比圖7 中翻桶機(jī)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化前后值可知:翻桶機(jī)構(gòu)性能得到優(yōu)化，變得更加平穩(wěn)，減少了垃圾的散落。同時(shí)減小了液壓缸所需提供的推力。

5 結(jié)束語

運(yùn)用ADAMS 軟件建立了壓縮式垃圾車填裝器的翻桶機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析的功能，在對其進(jìn)行參數(shù)化處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過分析每個(gè)參數(shù)的敏感度，合理地選取參數(shù)的變化范圍，在設(shè)定的取值范圍內(nèi)經(jīng)過多次迭代運(yùn)算，最終得到優(yōu)化后的翻桶機(jī)構(gòu)模型，使得填裝器上料過程更加平穩(wěn)，液壓系統(tǒng)工作環(huán)境得到改善，并為降低液壓系統(tǒng)生產(chǎn)成本提供了依據(jù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用提高了分析效率和質(zhì)量，簡化了設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)周期，也從而降低了設(shè)計(jì)的成本。

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