壓縮式垃圾車鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張運(yùn)康，張新科，張 增

(鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 451482)

0 引言

壓縮式垃圾車是用于收集、壓縮和運(yùn)輸生活垃圾的專用汽車，隨著城鎮(zhèn)化的擴(kuò)大和人們生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的要求也越來(lái)越高，壓縮式垃圾車已成為城鎮(zhèn)環(huán)衛(wèi)垃圾收集運(yùn)輸?shù)闹饕囆汀＠囨i緊機(jī)構(gòu)在鎖緊油缸的作用下通過(guò)軸管的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖鉤的鎖緊與打開(kāi)，通過(guò)鎖鉤的鎖緊力實(shí)現(xiàn)對(duì)填裝器密封條的壓縮，進(jìn)而確保壓縮式垃圾車在轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾過(guò)程中污水無(wú)滴漏。

為防止其污水跑冒滴漏造成對(duì)環(huán)境的二次污染，本文對(duì)壓縮式垃圾車的鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力情況進(jìn)行分析計(jì)算，并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施。

1 鎖緊機(jī)構(gòu)的組成

壓縮式垃圾車鎖緊機(jī)構(gòu)主要由鎖緊油缸、軸管、扁頭螺栓、彈簧鉤U型環(huán)、銷軸、鎖鉤、填裝器U型螺栓等組成，如圖1所示。

1-鎖緊油缸；2-軸管；3-扁頭螺栓；4-彈簧鉤U型環(huán)5-銷軸；6-鎖鉤；7-填裝器U型螺栓

2 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)受力分析

2.1 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)填裝器U型螺栓所受的鎖緊力FA

如圖2所示，以填裝器整體為研究對(duì)象，在鎖緊狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行受力分析，對(duì)G點(diǎn)取力矩，則：

∑MG=aql1+2bql2-FAl3+Ffl4-Wl5=0.

(1)

且

Ff=μFA.

(2)

其中:a為填裝器密封條底邊長(zhǎng)度,為2 254 mm；b為填裝器密封條側(cè)邊長(zhǎng)度,為1 156 mm；q為單位長(zhǎng)度密封條所受的壓縮力系數(shù)(剛度系數(shù))；l1為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)填裝器底邊密封條與G點(diǎn)的距離，為1 852 mm；l2為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)填裝器側(cè)邊密封條的中點(diǎn)與G點(diǎn)的距離，為1 074 mm；l4為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖鉤受力點(diǎn)A與G點(diǎn)的水平距離，為1 868 mm；l3為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖鉤受力點(diǎn)A與G點(diǎn)的垂直距離，為645 mm；l5為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)填裝器重心與G點(diǎn)的水平距離，為1 025 mm；FA為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)填裝器U型螺栓在A點(diǎn)所受的緊鎖力，N；Ff為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)填裝器U型螺栓在A點(diǎn)所受的摩擦力,N；W為填裝器的重力,為19 600 N；μ為鋼對(duì)鋼的靜摩擦因數(shù)，為0.15。

將以上參數(shù)代入式(1)、式(2)得：FA=4 244q-11 342。

圖2 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)填裝器受力分析

2.2 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)扁頭螺栓的拉力FC

如圖3所示，以鎖鉤為研究對(duì)象，在鎖緊狀態(tài)下進(jìn)行受力分析，對(duì)B點(diǎn)取力矩，則：

(3)

其中：FC為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖鉤在C點(diǎn)所受的拉力，N；l6為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖鉤受力點(diǎn)C與B點(diǎn)的距離，為45.64 mm；l7為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖鉤受力點(diǎn)A與B點(diǎn)的水平距離，為0.2 mm；l8為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖鉤受力點(diǎn)A與B點(diǎn)的垂直距離，為0.26 mm；Ff′為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖鉤在A點(diǎn)所受的摩擦力，N，F(xiàn)f′=Ff；FA′為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖鉤在A點(diǎn)所受的鎖緊力，N，F(xiàn)A′=FA。

將以上參數(shù)代入式(3)得：FC=0.275FA。

2.3 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)時(shí)鎖緊油缸鎖緊力T

如圖4所示，以軸管為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，對(duì)D點(diǎn)取力矩，則：

(4)

其中：T為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖緊油缸鎖緊力，N；l9為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)扁頭螺栓受力點(diǎn)H與D點(diǎn)的距離，為42.29 mm；l10為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)鎖緊油缸受力點(diǎn)E與D點(diǎn)的距離，為60.03 mm；FC′為鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)扁頭螺栓對(duì)轉(zhuǎn)軸H點(diǎn)的拉力，F(xiàn)C′=FC。

將以上參數(shù)代入式(4)得：T=0.699FC′=816q-2 180。

圖3 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)鎖鉤受力分析 圖4 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)軸管受力分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同材質(zhì)的密封條單位壓縮量與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 密封條壓縮量與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

密封條材質(zhì)為硅膠，得出密封條壓縮量與鎖緊油缸鎖緊力T的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表2。

表2 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)時(shí)密封條壓縮量與鎖緊油缸鎖緊力T的對(duì)應(yīng)關(guān)系

鎖緊油缸為50/25缸，在液態(tài)系統(tǒng)壓力p=16 MPa時(shí)小腔所能提供的縮回力為：

(5)

其中：D為鎖緊油缸缸筒直徑，為50 mm；d為鎖緊油缸活塞桿直徑，為25 mm。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)計(jì)算得縮回力為23 550 N。

因此，鎖緊油缸能提供的鎖緊力(縮回力)可以基本滿足的密封條壓縮量為10 mm。

3 鎖鉤開(kāi)始切入填裝器U型螺栓狀態(tài)受力分析

(1) 鎖鉤開(kāi)始切入填裝器U型螺栓時(shí)，填裝器U型螺栓所受的鎖緊力為FAQ。根據(jù)∑MG=0，得FAQ=6 775q-18 107.

(2) 鎖鉤開(kāi)始切入填裝器U型螺栓時(shí)，扁頭螺栓的拉力為FCQ。根據(jù)∑MB=0，得FCQ=0.839FAQ.

(3) 鎖鉤開(kāi)始切入填裝器U型螺栓時(shí)，鎖緊油缸鎖緊力為T(mén)Q。根據(jù)∑MD=0，得TQ=6 662q-17 805.

得出鎖鉤開(kāi)始切入填裝器U型螺栓時(shí)密封條壓縮量與鎖緊油缸鎖緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

表3 鎖鉤開(kāi)始切入填裝器U型螺栓時(shí)密封條壓縮量與鎖緊油缸鎖緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

鎖緊油缸為50/25缸，在16 MPa壓力下所能提供的鎖緊力為23 550 N，在鎖鉤開(kāi)始切入填裝器U型螺栓時(shí)密封條的壓縮量將近2 mm，壓縮量再增大時(shí)，鎖緊油缸所能提供的鎖緊力(縮回力)太小而使鎖鉤無(wú)法鉤緊填裝器U型螺栓，即出現(xiàn)鉤不動(dòng)情況，也就是此結(jié)構(gòu)只能使密封條壓縮量達(dá)到2 mm。

4 鎖鉤的打開(kāi)力矩計(jì)算

如圖5所示，鎖緊油缸為50/25缸，在16 MPa壓力下大腔所能提供的推力為：

鎖鉤打開(kāi)力矩為：

其中：l16為鎖緊油缸鉸點(diǎn)E與轉(zhuǎn)軸鉸點(diǎn)D的距離，為60.03 mm；l17為扁頭螺栓鉸點(diǎn)H與轉(zhuǎn)軸鉸點(diǎn)D的距離，為42.29 mm；l18為扁頭螺栓鉸點(diǎn)C與鎖鉤鉸點(diǎn)B的距離，為45.64 mm。經(jīng)計(jì)算得M=2 034 N·m。

圖5 鎖鉤打開(kāi)受力分析圖

5 改進(jìn)后鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊狀態(tài)受力分析

從以上計(jì)算可以看出，密封條壓縮量?jī)H2 mm，若箱體后框平面度超過(guò)2 mm時(shí)就會(huì)有漏水風(fēng)險(xiǎn)，亟需改進(jìn)。通過(guò)調(diào)整鎖緊機(jī)構(gòu)點(diǎn)位、鎖緊油缸的最小安裝距與行程、鎖鉤鎖緊端圓弧形狀等使密封條壓縮量增大，鎖鉤改進(jìn)前與改進(jìn)后對(duì)比如圖6所示。

圖6 鎖鉤改前與改后對(duì)比圖

5.1 改進(jìn)后填裝器U型螺栓所受的鎖緊力FSA

改進(jìn)后填裝器U型螺栓所受的鎖緊力FSA見(jiàn)圖7。對(duì)G點(diǎn)取力矩，則：

∑MG=aql1+2bql2-FSAlS3+FSflS4-Wl5.

(5)

且

FSf=μFSA.

(6)

其中：lS3為改進(jìn)后鎖鉤受力點(diǎn)A與G點(diǎn)的垂直距離，為1 891 mm；lS4為改進(jìn)后鎖鉤受力點(diǎn)A與G點(diǎn)的水平距離，為538 mm；FSA為改進(jìn)后填裝器U型螺栓在A點(diǎn)所受的鎖緊力，N；FSf為改進(jìn)后填裝器U型螺栓在A點(diǎn)所受的摩擦力,N。

將以上參數(shù)代入式(5)、式(6)得：FSA=4 153×q-11 099。

圖7 改進(jìn)后填裝器受力分析

5.2 改進(jìn)后扁頭螺栓的拉力FSC

改進(jìn)后扁頭螺栓的拉力FSC見(jiàn)圖8。對(duì)B點(diǎn)取力矩，則：

(7)

其中：FSC為改進(jìn)后鎖鉤在C點(diǎn)所受的拉力，N；lS6為改進(jìn)后B點(diǎn)到FSC作用線的垂直距離，為38.02 mm；lS7為改進(jìn)后鎖鉤受力點(diǎn)A與B點(diǎn)的水平距離，為80.66 mm；lS8為改進(jìn)后鎖鉤受力點(diǎn)A與B點(diǎn)的垂直距離，為11.76 mm；FSf′為改進(jìn)后鎖鉤在A點(diǎn)所受的摩擦力，N，F(xiàn)Sf′=FSf；FSA′為改進(jìn)后鎖鉤在A點(diǎn)所受的鎖緊力，N,FSA′=FSA。

將以上參數(shù)代入式(7)得：FSC=0.628FSA。

圖8 改進(jìn)后鎖鉤鎖緊受力分析

5.3 改進(jìn)后鎖緊油缸鎖緊力TS

對(duì)D點(diǎn)取力距，則：

(8)

其中：TS為改進(jìn)后鎖緊油缸鎖緊力，N；lS9為改進(jìn)后扁頭螺栓受力點(diǎn)H與D點(diǎn)的距離，為52.53 mm；lS10為改進(jìn)后扁頭螺栓受力點(diǎn)E與D點(diǎn)的距離，為103.88 mm；FSC′為改進(jìn)后扁頭螺栓對(duì)轉(zhuǎn)軸H點(diǎn)的拉力，N。

得出密封條壓縮量與鎖緊油缸鎖緊力TS的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見(jiàn)表4。

表4 密封條壓縮量與緊油缸鎖緊力TS的對(duì)應(yīng)關(guān)系

6 鎖緊機(jī)構(gòu)鎖鉤鎖緊5 mm切入狀態(tài)時(shí)受力分析

(1) 鎖緊5 mm切入狀態(tài)時(shí)，填裝器U型螺栓所受的鎖緊力為FQ5A。根據(jù)∑MG=0，得FQ5A=5 369×q-14 350。

(2) 扁頭螺栓的拉力為FQ5C。根據(jù)∑MB=0，得FQ5C=0.96×FQ5A。

(3) 鎖緊油缸鎖緊力為T(mén)Q5。根據(jù)∑MD=0，得TQ5=2 577×q-6 888。

得出鎖緊5 mm切入狀態(tài)時(shí)密封條壓縮量與鎖緊油缸鎖緊力TQ5的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表5。

表5 鎖緊5 mm切入狀態(tài)時(shí)密封條壓縮量與鎖緊油缸鎖緊力TQ5的對(duì)應(yīng)關(guān)系

鎖緊油缸所能提供的縮回力為23 550 N，因此改進(jìn)后鎖緊機(jī)構(gòu)可以使密封條壓縮量達(dá)到將近5 mm。

7 結(jié)論

通過(guò)調(diào)整鎖緊機(jī)構(gòu)點(diǎn)位、鎖緊油缸長(zhǎng)度、鎖鉤形狀等使密封條壓縮量達(dá)到將近5 mm，解決了垃圾運(yùn)輸過(guò)程中污水跑冒滴漏現(xiàn)象的發(fā)生，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用，實(shí)踐證明效果良好。