中国科技论文在线车厢可卸式垃圾车拉臂机构的分析与仿真 作者简介：张连杰（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：机构设计与分析通信联系人：刘善增（1977-），男，讲师，硕士生导师。主要研究方向：机构学、机械动力学、虚拟样机 仿真. E-mail: （中国矿业大学机电工程学院，徐州 221116） 摘要：本文介绍了车厢可卸式垃圾车的结构及工作原理，建立了其拉臂机构卸箱工况的数学模型，进行了受力分析，为拉臂机构的设计提供了依据。然后以徐州某公司自主设计的 20 吨车厢可卸式垃圾车为例，利用Pro/E 建立其三维模型，导入到ADAMS 中进行仿真分析， 考虑了重力，摩擦力和接触力的影响，得到了拉臂机构关键点的作用力曲线，为拉臂机构的 有限元分析和优化设计奠定了基础。 10 关键词：垃圾车；拉臂机构；分析与仿真 中图分类号：TH122 Analysis pullarm detachablegarbage truck 15 ZHANG Lianjie, LIU Shanzeng (School ElectricalEngineering, China University Technology,Xuzhou, Jiangsu, 221116) Abstract: paperintroduces workingprinciple detachablegarbage truck. Establishes its mathematics model workingconditions pullarm, 20stress analysis pullarm which provides pullarm. 20tgarbage truck examplewhich Xuzhou,establishes its 3D model ADAMSplatform analyze,considering gravity,friction contactforce forcecurve resultcan finiteelement analysis optimizationdesign detachablegarbage 25 truck Key words: garbage truck; pull arm; analysis 引言车厢可卸式垃圾车 是一种非常高效的垃圾转运工具，它是通过连杆机构（拉臂机构）30 实现垃圾倾倒和箱体自动装卸的功能。
实现这两种功能是靠同一个车载拉臂装置实现的，同 时一辆垃圾车还可以配备多个箱体，所以这种车辆工作效率比较高，因此被广泛用于垃圾和 多种箱体装、运、卸服务。目前车厢可卸式垃圾车在欧美等发达国家已得到广泛应用。自 20 世纪80 年代被引入我国，近几年在我国也得到的普遍应用。目前，国内市场上3 吨的车厢可卸式垃圾车比较普遍，但设计多是采用测绘或经验取值的方法,限制了产品性能 35 的进一步提高, 大吨位的由于受力比较复杂，国内很少有17 吨以上的车厢可卸式垃圾车。 本文对车厢可卸式垃圾车进行了受力分析，并以徐州某公司自主设计的20 吨车厢可卸 式垃圾车为例，进行了仿真分析。 结构和工作原理车厢可卸式垃圾车如图1 所示，结构简图如图2 所示。 40 车厢可卸式垃圾车Fig. 车厢可卸式垃圾车（摆臂式）结构简图45 Fig. 点为副车架上导向轮与箱体的接50 触点， H1 点为翻转架与副车架的铰点。 垃圾车作业时分为垃圾箱装卸和垃圾倾倒两个工况 。垃圾车卸箱作业时：翻转架与车架固定。首先，摆臂油缸伸长，使摆臂以 点为中心转动，推动箱体后移，然后举升油缸伸长，推动举升臂以 点为中心转动，把箱体卸下。
装箱作业时顺序正好相反。垃圾倾倒作业时：举升臂和翻转架耦合在一体（通过一锁紧机构实现），两者在起始位置都与车架平 55 行，通过举升油缸伸长，可以实现耦合在一体的举升臂和翻转架绕H1 点转动，随着转角的 增大，实现箱体被逐渐举升，从而完成垃圾的倾倒。 拉臂机构的受力分析车厢可卸式垃圾车按其结构形式可以分为固定式、伸缩式、摆臂式等类型。摆臂式与固 定式区别在于固定式的摆臂与举升臂固定在一起，没有摆臂油缸。两者实现功能完全相同， 60 只是摆臂式能减小工作过程中液压缸受到的最大作用力和垃圾箱的卸箱高度 。为了分析方便，对摆臂式车厢可卸式垃圾车拉臂机构进行受力分析时，本文先将摆臂旋转39.5，然后 将其固定在举升臂上。由于垃圾倾倒工况时运动和受力比较简单，本文不做分析，只对垃圾 箱装卸工况进行分析。这一工况又分为2 个运动阶段，第一阶段：箱体底面与导向轮接触时； 中国科技论文在线第二阶段：箱体底面与导向轮脱离，箱体滚轮与地面接触。 65 2.1 第一阶段受力分析 第一阶段受力分析图Fig. stageone 摆臂上A 点受力 sinsin (cossin AxAH sinsin (sincos AyAH 举升油缸F点受力为： cossin sinsin AxAF FC Ay AF FC 水平方向上垃圾箱对摆臂上A点的作用力； 75 竖直方向上垃圾箱对摆臂上A点的作用力； H1O—H1 点到垃圾箱几何中心之间的距离； 轴夹角；80 H1点处所受正压力与水平方向夹角； H1O与竖直方向的夹角； AH1与竖直方向的夹角； f1—垃圾箱底面与副车架上导向轮之间的滑动摩擦系数； G—垃圾箱体和满载垃圾的总重。
85 中国科技论文在线2.2 第二阶段受力分析 第二阶段受力分析图Fig. stagetwo 摆臂上A 点受力为： 90 sin2(sin cos AxGf sin2(sin cos 举升油缸F点受力为： cossin sinsin AxAF FC Ay AF FC 轴夹角；95 f2—垃圾箱后滚轮与地面间的滑动摩擦系数； 其它参数同第一阶段。 工作装置的建模和仿真3.1 三维模型的建立 因为拉臂装置是由很多冲压钢板焊接而成，较为复杂。采用 ADAMS 建模非常复杂且 100 不能保证建模的精确性，本文采用Pro/E 三维设计软件，建立车厢可卸式垃圾车拉臂装置的 三维实体模型，然后通过Parasolid 文件格式导入到ADAMS/View 环境中。 3.2 约束和参数设置 ADAMS/View环境下给拉臂机构添加约束和载荷 105上吊钩与箱体之间相互约束关系定义为平面转动副；油缸和活塞杆之间约束为定义平面移动 副。箱体与导向轮之间的约束非常特殊，箱体相对与导向轮滑动，同时导向轮绕自己的轴线 转动，设置为基于碰撞的接触力进行约束。当箱体运动到底部滚轮与地面接触时，箱体底面 与地面之间的约束也是靠基于碰撞的接触力来实现的。
这样仿真模型将与实际情况比较接 近。碰撞接触力的处理采用基于非线性弹簧—阻尼模型。在等效弹簧—阻尼模型中接触点处 110 法向接触力 —阻尼力；K—接触刚度，设为 2.0E+005N/mm； 115 δ—接触点处法向穿透深度，设为0.1mm； V—接触点处法向相对速度，设为50mm/s； e—幂指数，设为1.5； 有关的阻尼因子,设为10.0。滚轮处有两种摩擦，一种为滚轮绕轴的转动产生的摩擦，另一种是滚轮与箱体底面和地 120 面产生的摩擦，摩擦系数设定如表1 所示 接触摩擦系数的设定Tab. frictioncoefficient 接触 静摩擦系数 动摩擦系数 Contact 0E-002Contact 0E-002本文仿真的思路是对拉臂机构进行逆向运动分析，即通过确定两液压油缸的运动规律 125 (关于时间的函数)来求得整个拉臂机构的运动规律，然后进行仿真运算，求出各铰接点的作 用力。垃圾箱从垃圾车上卸下时，起始位置是拉臂在车架上水平放置，最后水平放置在地面 上。整个过程在55s 内完成，举升油缸行程为1700mm。油缸活塞杆的伸出长度是时间的函 数，为匀速运动，运动速度设为30.91mm/s。
整个过程分2 个阶段，对2 个阶段进行联合仿 真。设置仿真时间55s，200 个子步。 130 3.3 仿真结果分析 垃圾箱重心竖直坐标的变化如图5 所示，在24s 处有突变，是因为此处为垃圾箱卸箱过 个运动阶段的分界点。此处为垃圾箱底面刚好与副车架上滚轮脱离接触，垃圾箱右下角滚轮即将与地面接触的瞬间。 135 垃圾箱重心位置曲线Fig. center 中国科技论文在线举升油缸上点 所示，在开始时液压缸受到箱体自重原因受到向下的作用力，在运动开始时受到冲击力的作用瞬间增大，然后逐渐减小，当 7.5s 时，由于箱体重心运动到起支撑作用的导向轮的右侧，对拉臂机构产生的力将有向下变为向 140 上，当此力与拉臂自重相平衡的瞬间，液压缸受到的作用力为零。24s 个运动阶段分界点，速度有突变。在第二运动阶段速度继续上升，最后垃圾箱前轮即将与地面接触时，力 达到最大值。 方向受力曲线145 Fig.6 方向受力曲线Fig. 150 点受力曲线Fig.8 方向受力作用曲线如图7所示，拉臂与垃圾箱接触点A 受力如图 方向受力）。在起始位置和24s 155力的大小有突变，原因如前面所述。 结束语本文建立了车厢可卸式垃圾车卸箱工况时的2 个运动状态的数学模型，建立了通用的受 力分析公式，为设计各种吨位的车厢可卸式垃圾车拉臂机构提供了理论依据。
又以徐州某公 司自主设计的 20 吨车厢可卸式垃圾车为例，利用 Pro/E 建立其三维模型，导入到 ADAMS 160 中，通过合理设置参数进行仿真分析，得到了拉臂机构关键点的作用力曲线，由受力曲线可 知卸箱过程中举升油缸最大作用力出现在运动末尾，垃圾箱前轮即将与地面接触的时候；在 举升瞬间，油缸的作用力也较大；在第一阶段和第二阶段过渡过程中，液压缸的受力波动较 大。对拉臂机构进行有限元分析时，这几个阶段要分别进行分析。 165 [参考文献] (References) 傅玉平车厢可卸式垃圾车哪里有卖，车厢可卸式垃圾车的功能与结构[J].专用汽车，2001，（1）：29-30. 拉臂式垃圾车拉臂架装置结构设计要点[J].专用汽车，2007，（12）：40-42. 170 集装箱运输车自卸机构的运动学和动力学分析[J].专用汽车，2001，（2）：24-27. Structureoptimization hook-liftarm device garbagetruck based finiteelement analysis 贵州大学学报(自然科学版)，2009，26(4):24-28. 虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社车厢可卸式垃圾车哪里有卖，2008. 含间隙铰的机械多体系统动力学模型[J].振动工程学报，2003，16（3）： 175 290-294.