抓桶機構幾種問題的分析與改進

張收良，任國濤，黃振峰，薛亞剛，付偉龍

?

抓桶機構幾種問題的分析與改進

張收良，任國濤，黃振峰，薛亞剛，付偉龍

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

抓桶機構是壓縮式垃圾車的重要組成部件，由伸縮臂、舉升臂、掛桶架、壓桶板等零件組成的運動機構，實際使用過程中容易出現掛不住桶、掉桶、拋灑垃圾等問題，因此有必要進行動力學分析，獲得影響因素，進而優化改進設計工作。

抓桶機構；動力學；壓縮式垃圾車

前言

隨著全國城鎮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]，有力推動了傳統垃圾車市場的快速發展；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；因此有必要研制一款智能化、自動化程度更高的壓縮式垃圾車，而研制過程中需要更好地解決傳統壓縮式垃圾車使用過程中出現的典型問題。

抓桶機構是壓縮式垃圾車的重要組成部件，主要功能是車輛駕駛員的操作下，抓舉車輛右側一定距離外的垃圾桶，并完成對垃圾桶的移動、舉升、傾倒，因此不需要操作工人下車挪桶和掛桶，能大幅提高工作效率，降低使用成本。

1 抓桶機構組成及工作原理

圖1 抓桶機構簡圖

1.舉升臂 2.壓桶板 3.掛桶架 4.減震塊 5.壓桶油缸 6.翻桶油缸 7.舉升油缸 8.伸縮臂

駕駛員停車后，操作工作裝置手柄，舉升臂4、掛桶架3和壓桶板2在油缸3和5的作用下繞伸縮臂6上部絞軸旋轉一定角度，伸縮臂在油缸作用下伸長至合適位置，舉升臂繼續旋轉完成抓桶，壓桶板2壓桶；伸縮臂在油缸作用下回位，舉升臂1繼續旋轉，掛桶架2在油缸6的作用下旋轉，即完成垃圾桶傾倒功能；駕駛員操縱手柄完成垃圾傾倒后，做以上運動的逆向操縱，可以將垃圾桶放回原位。

2 抓桶機構幾種問題的分析

根據壓縮式垃圾車實際使用情況，著重解決上料過程中抓不住桶、掉桶、拋灑垃圾、倒不干凈等問題。為分析以上現象的形成原因，需要確定掛桶架運動過程中的瞬間位置、速度等參數，故進行動力學仿真。首先建立仿真模型，添加約束及力場，設置仿真參數后計算，進而優化設計參數。

圖2 掛桶架受力曲線

（1）針對壓縮式垃圾車自動化程度較高，但可能會出現抓不住桶的問題，輸出掛桶架的受力曲線，如圖2洋紅色曲線，抓桶機構5 s時接觸垃圾桶，5.5 s后掛桶架穩定負載1637 N，可以判斷為掛住垃圾桶；而23 s后卸載垃圾桶后穩定載荷為0 N。經過多次仿真發現，掛桶齒水平伸縮過程中有向下的位移量（以下稱：下沉量），其對“掛不住桶”影響最大，進而提取掛桶齒的下沉量，由初次分析得知4.68 s時掛桶齒沉降量為30mm，而0 s~4.68 s之間的下沉量嚴重影響司機操作抓桶的準確性。同時分析得知，伸縮臂剛度及其與機架之間的間隙是形成下沉量的主要原因之一，因此前后兩次調整間隙值，提取伸縮臂水平移動過程中的垂直位移量，對比分析結果（圖3），發現優化結構后，伸縮臂下沉量有較大的改善。也就是說，自動抓桶的瞬間，由于下沉量的存在，軟件程序中伸縮油缸、舉升油缸的伸出行程不足導致掛桶齒不能掛住垃圾桶，因此編寫程序時需要進行數據的補償。

圖3 調整前后伸縮臂下沉量曲線

（2）根據對壓縮式垃圾車抓桶上料過程的調研分析，掉桶現象主要出現在舉升臂上止點附近，有時是傾倒垃圾前掉桶，有時是傾倒垃圾后掉桶，因此決定通過多次仿真分析，獲得其影響因素，以便于更好的指導相關部門調整生產條件，提高抓桶機構的可靠性和生產一致性。

基于以上思想，在分析結果中提取掛桶齒與垃圾桶的接觸力，如圖4，圖中藍色曲線為掛桶齒后邊緣線載荷，紅色曲線為前邊緣線載荷。從圖中可以發現，掛桶齒與垃圾桶的接觸近似線載荷。當舉升臂舉升至最大值16.5 s時，垃圾桶在翻桶油缸作用下快速旋轉，垃圾桶與掛桶齒之間的接觸力劇烈波動，是造成掉桶的主要原因之一。因此，提取壓桶板對垃圾桶的壓力變化曲線如圖5。分析得知，在保證壓桶板主動力大于4000N的情況下，垃圾桶不發生角度位移，即垃圾桶不會掉落。為驗證分析結果，提取垃圾桶與掛桶架橡膠減震塊的接觸力，如圖6，可知在抓桶機構掛上桶（5.5 s）至完成卸桶（24.5 s）之間，垃圾桶下端桶壁與橡膠減震器接觸力始終存在，因此判斷不掉桶。

圖4 掛桶齒線載荷曲線

圖6 桶壁與減震器的接觸力曲線

圖7 垃圾桶坐標旋轉角度曲線

（3）根據對壓縮式垃圾車上料過程中的掉垃圾問題，經多次的調研與分析，一方面因為使用者裝載過滿，即所謂“冒頂”；另一方面，傳統垃圾車的抓桶機構是四連桿機構，由于剛性從動桿的作用，垃圾桶運動過程中的傾角不能瞬時調整，同時垃圾桶蓋處于打開狀態，部分瞬時超過了垃圾的安息角，即造成撒垃圾現象。

（4）基于以上思路，在動力學仿真中提取垃圾桶的坐標旋轉角度，如圖8。在翻轉油缸的作用下，垃圾桶的傾角在運動過程中自動調整，從曲線可知，在13.1 s時舉升臂運動至上止點，垃圾桶上沿進入箱體接料板，垃圾桶坐標旋轉55°，其Y軸與地面夾角在第一象限35°，也就是說垃圾桶還未水平橫置，同時垃圾桶蓋處于關閉狀態。很明顯，垃圾不會從桶里掉落出來。

（5）關于倒不干凈的問題，如圖7所示，從13.1 s~16 s，垃圾桶旋轉138°，垃圾桶Y軸與地面夾角處于第二象限，大于設計標準45°[2]，同時停止運動0.3 s，以確保將垃圾傾倒干凈，該仿真階段符合實際使用情況。

3 結論

目前，環衛車輛的國內市場仍處于高速增長期，但細分市場的傳統垃圾車已逐漸開始由增量市場進入存量市場，需要提升壓縮式垃圾車的智能化、自動化程度。而本文通過實地調研，篩選出壓縮式垃圾車抓桶機構出現的幾個典型問題，并通過動力學分析手段，提煉出明確的參數指標，并對抓桶機構進行了多次改進，研制出自動化的掛桶機構，可以明顯提高生產效率，降低企業的使用成本。

[1] 環衛科技網.2018年中國環衛裝備行業發展前景及市場規模預測.

[2] 根據汽車行業標準.QC/T 52-2015垃圾車.

Analysis and improvement of several problems of bucket catching mechanism

Zhang Shouliang, Ren Guotao, Huang Zhenfeng, Xue Yagang, Fu Weilong

( Shaanxi Automobile Holding Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Bucket grab mechanism is an important component of compressed garbage truck, a movement mechanism com -posed of telescopic arm, lifting arm, bucket rack, bucket plate and other parts, in actual use, it is easy to fail to hang the bucket, drop the bucket, throw garbage and other problems, therefore, dynamic analysis is necessary, acquiring influencing factors, then optimize and improve the design work.

Grab bucket mechanism;dynamics;Compact garbage truck

U467

B

1671-7988(2019)07-82-03

張收良，就職于陜西汽車控股集團有限公司。

U467

B

1671-7988(2019)07-82-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.028