XZ5110ZYS后装压缩式垃圾车装填机构优化设计丁继斌(徐州师范大学工学院机械工程系,江苏徐州221011)摘　要:应用优化设计理论,建立了XZ5110ZYS后装压缩式垃圾车装填机构的数学模型并对其进行了优化设计,结果表明,优化设计数学模型的正确建立,对于改进产品设计方法、提高产品制造品质有着重要意义。

关键词:垃圾车;装填机构;优化设计中图分类号:U46916+91 文献标识码:B 文章编号:167125276(2003)0620028204Optimize Design on the Loading Mechanism of XZ5110Z YSB ack2loaded and Compressed Rubbish V ehicleDIN G Ji2bin(Mechanical Engineering Department of Technology Institute,Xuzhou Normal University,J S Xuzhou221011,China)Abstract:This paper applies the theory of optimize design and established the mathematics model for the load2 ing mechanism of XZ5110ZYS rubbish vehicle with back2loaded and compressed constructrion.The results in2 dicate that the mathematics model is correct.It has significantly improved the design and quality of products. K ey w ords:rubbish vehicle;loading mechanism;optimize design 后装压缩式垃圾车集自动装填与压缩、密封运输和自卸为一体,自动化程度高,提高了垃圾运载能力,降低了运输成本,避免了二次污染,是收集、运输城市生活垃圾的理想工具,克服了摆臂式、侧装式等型式的垃圾车容量小、可压缩性差和容易产生飘、洒、撒、漏二次污染的缺点,是垃圾车的发展趋势。

然而过去产品设计主要是采取经验取值或测绘的方法,限制了产品整体设计水平的提高。

通过优化设计,力求从根本上改善后装压缩式垃圾车装填机构的性能,提高产品制造品质。

1　工作原理XZ5110ZYS后装压缩式垃圾车的装填机构工作原理如图1,液压系统如图2,在液压系统的作用下,通过换向阀的换向,实现滑板的升、降和刮板的旋转,控制滑板和刮板的各种动作,将倒入装载厢装填斗的垃圾通过装填机构的扫刮、压实并压入车厢;当压向推板上的垃圾负荷达到预定压力时,由于推板油缸存在有背压,液压系统会使推板自动向车厢前部逐渐移动,使垃圾被均匀地压缩,工作过程如下:1—滑板;2—刮板;3—刮板油缸;4—滑板油缸图1　XZ5110ZY S型后装压缩式垃圾车装填机构工作原理将垃圾倒入装填器,启动油泵电机,液压油经过粗滤器、开关和油泵进入液压回路,操纵换向阀3,液压油进入刮板油缸的上腔,推动油缸向上运动,从而使刮板逆时针转动。

当刮板油缸运动到上止点时回转到位;操纵换向阀4,使液压油进入滑板油缸的上腔,推动其活塞向下运动,从而使滑板向下运动;到下止点时停止。

至此装填机构完成工作准备阶段;反向操纵换向阀3,液压油进入刮板油缸的下腔,推动其油缸向下运动,使刮板顺时针收稿日期:2003208229・28　・　E2mail:ZZHD@　《机械制造与自动化》图2　XZ5110ZYS型后装压缩式垃圾车液压原理图转动,此时刮板开始清扫动作,扒入垃圾,进行初步地压缩;当刮板顺时针运动到下止点时,停止运动,此时,操纵换向阀4,使液压油进入滑板油缸的下腔,推动其活塞向上运动,从而使滑板向上运动;滑板上升,研碎垃圾,对垃圾进行再次压缩;由于卸垃圾时,推板在推卸料油缸的作用下,将垃圾推出车厢并由于顺序阀的压力而停留在车厢后部,当垃圾被推入车厢后,推板受到来自滑板油缸施加给垃圾、并经垃圾传递过来的压力,此压力克服平衡阀的背压,在此过程中,垃圾被又一次压缩并逐步将推板推向前部;滑板油缸运动到上止点时停止运动,滑板上升到上止点,即回到初始位置,这样,装填机构完成一次工作循环。

卸料时,操纵换向阀1,使举升油缸将装填厢升起,接着操纵换向阀2,使得推板油缸推挤垃圾,将车厢内的垃圾推出;垃圾推出车厢后,反向操纵换向阀1,举升油缸将装填厢回位。

由于背压的作用,推板停留在车厢后部。

反向操纵换向阀1时,举升油缸回位,使得装填厢复位并锁紧。

2　装填机构的优化模型在垃圾车的容积、设计装载质量、卸料推板的最大推力和车厢后倾角已经确定的情况下,对垃圾的压缩程度有着决定性影响的因素有:装填角α的大小、滑板油缸推力的水平分量、滑板油缸在装填机构上的铰接点位置、刮板油缸的下止点位置和清扫板对垃圾的预压缩程度。

装填机构工作时,刮板油缸首先回缩使刮板动作,将垃圾进行预压缩,对其要求为,刮板油缸和刮板在工作周期内应平稳,以防产生冲击,造成清扫垃圾时产生不能正常工作、降低清扫油缸销的使用寿命。

因此,刮板油缸运动的平稳性就成为设计时应首先考虑的因素。

由图1可以看出,在装填机构的一个工作循环中,在刮板油缸动作时,滑板油缸保持不动,即滑板油缸此时应有足够的压力来保证刮板油缸动作的稳定性和平顺性,当刮板油缸完成预压缩以后,滑板油缸动作,将垃圾压缩、挤压,最终推进车厢。

由图1建立如图3所示的装填机构受力分析图3　装填机构受力分析图图,图1中滑板油缸L1、刮板油缸L3为主动件,刮板油缸产生的力F A推动刮板B E(从动件)旋转,受力点为A,方向沿CA;滑板油缸产生力F c,受力点为C,方向沿OC,使滑板B D(从动件)带动刮板M achi ne B uil di ng&A utomation,Dec2003,(6):28231,35・29　・机构一起产生平移运动,F c产生的水平分力将垃圾推进车厢,产生的垂直分力使整个装填机构沿滑板轨道上下运动;图3中,XO Y为固定坐标系, X′O′Y′为活动坐标系;显然,希望L5和ΔL1尽量大,L1尽量小;L1越小,整个装填机构占用空间就越小,就能将空间节省下来,最大限度地使ΔL1大,能最大限度地增加滑板油缸伸长量;在车厢后倾角已确定的情况下,装填角α越小,滑板油缸L1推力的水平分量越大,压实效果越好,但是水平分量增大时,其垂直分量变小,使向上的分力减小,也会降低压缩效果。

因此,应综合考虑滑板油缸推力的水平和垂直分量,使之达到最佳压实效果。

应合理设计装填角α,使滑板油缸的水平和垂直推力满足使用要求。

根据上述分析,确定装填机构的优化目标为[1]:a)工作平稳,在刮板油缸、滑板油缸的有效动作范围内运动平稳,使液压系统的压力波动尽可能小;b)满足使用要求使机构尺寸合理,最大限度利用空间。

避免“大马拉小车”和“小马拉大车”现象。

211　装填机构运动学分析如图3所示,在ΔA B C中,由余弦定理得:L23=L24+L25-2L4L5・cosβ(1) 由于L4、L5长度不变,故对(1)求导得:2L′3=2β′L4L5sinβ 令ωL5=β′,υL3=L′3,则由式(1)得刮板L5转速ωL5与刮板油缸L3伸缩速度υL3之比H1为: H1=ωL5υL3=β′L′3=L′3L4L5・sinβ(2) 在ΔA OC中:L23=L21+L22-2L1L2・cosγ(3) 由于在滑板油缸动作时,L3已经为一固定值,可以作为常量处理,故同理可求得滑板油缸转速ωL1与其伸缩速度υL1之比H2为:H2=ωL1υL1=γ′L′1=(L2cosγ-L1)+L′2L′1(L1cosγ-L2)L1L2sinγ(4) 现求L′2L′1的表达式,由于在滑板油缸向上运动的过程中,δ为一定值,则在ΔA OC中,由正弦定理得:L2sinδ=L1sin(180°-γ-δ) 由式(4)得:γ′L′1=sinγ-L′2L′1sin(γ+δ)L2cos(γ+δ)(5) 由式(4)、(5)得:L′2 L′1=L1sinδsinγ-(L2cosγ-L1)cos(γ+δ) L1sin(γ+δ)sinγ+(L1cosγ-L2)cos(γ+δ) 于是:H2=(L2cosγ-L1)+L1sinδsinγ-(L2cosγ-L1)cos(γ+δ)L1sin(γ+δ)sinγ+(L1cosγ-L2)cos(γ+δ)(L1cosγ-L2)L1L2sinγ(6)2.2　设计变量的确定由上述分析可知,影响装填机构工作的主要参数为:L1、L2、L3、L4、L5、γ、β等七个参数。

如果要使装填机构平稳工作,应使这些参数的取值趋于最合理,由于L3和β是参变量,在优化前其值给定,因此,优化设计变量为:L1、L2、L4、L5、α、γ。

2.3　分目标函数的建立油缸运动的平稳性可以用速比函数来表示。

即对于刮板油缸运动的平稳性要求可以转化为在刮板油缸有效运动范围内,使得最大速比H1max与最小速比H1min的比值尽可能地小。

因此,刮板机构的目标函数为:f(H1)=H1maxH1min(7) 对于滑板油缸运动的平稳性要求可以转化为在滑板油缸有效运动范围内,使得最大速比H2max 与最小速比H2min的比值尽可能地小。

因此,压实机构的目标函数为:f(H2)=H2maxH2min(8) 2.4　约束函数的建立装填机构的约束有三类[2]:结构约束、性能约・30　・　E2mail:ZZHD@　《机械制造与自动化》束和边界约束。

据此建立约束函数式(9)～(27):a)结构约束:工作周期内,先使刮板逆时针旋转,完成准备工作,当滑板油缸动作,使得刮板油缸下降到清扫位置以后,再使之顺时针旋转,进行对垃圾的清扫,即预压缩。

设计时,应保证刮板油缸的伸缩使得刮板的旋转平稳、且应在规定的角度范围内转动,于是有:g1(X)=β>0(9)g2(X)=β<π(10) 工作周期内,先使压实板下降,在刮板完成预压缩以后,再使滑板上升,对垃圾进行压缩,最终推进车厢,滑板油缸的升、降使角γ发生变化,于是有: g3(X)=γ>0(11)g4(X)=γ<73°(车厢后倾角)(12)b)性能约束:要求刮板油缸伸出的长度合理,且应保证油缸的伸出长度使得刮板不能发生自锁。

g5(X)=L3maxL3min>1(13)g6(X)=L3maxL3min<117(14) 要求滑板油缸伸出的长度要合理,有:g7(X)=L1maxL1min>1(15)g8(X)=L1maxL1min<117(16) c)边界约束:优化参数的边界约束要根据实际情况确定,在设计时,应根据实际情况给出一些普遍的边界约束条件,在得到结果以后再根据情况进行取舍。