后裝壓縮式垃圾車提筒機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

后裝壓縮式垃圾車主要由帶推鏟的車廂和尾部填塞器組成，是一種能將垃圾自行裝入、轉(zhuǎn)運(yùn)和推卸的專用汽車[1]，主要用于收集、轉(zhuǎn)運(yùn)可壓縮垃圾。本文所介紹的提筒機(jī)構(gòu)是在后裝壓縮式垃圾車尾部填料口處加裝的一種自動(dòng)提升和傾翻標(biāo)準(zhǔn)垃圾筒的機(jī)構(gòu)，為司機(jī)獨(dú)自完成垃圾的收運(yùn)工作提供了便利。本提筒機(jī)構(gòu)在BZ5150ZLJ和BZ5160ZYS型后裝壓縮式垃圾車中得到應(yīng)用，它是針對(duì)原提筒機(jī)構(gòu)（結(jié)構(gòu)形式類似于本機(jī)構(gòu)）在實(shí)際使用中，多處構(gòu)件不同程度與軸干涉的問(wèn)題而進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)。解決了原提筒機(jī)構(gòu)因無(wú)法正確描述垃圾筒的運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)鉸鏈點(diǎn)的錯(cuò)誤確定而造成的使用可靠性低的問(wèn)題。
1機(jī)構(gòu)分析
該提筒機(jī)構(gòu)裝在BZ5160ZYS（12m3）型后裝壓縮式垃圾車尾部填料口處，填料口尺寸寬1890mm、高1165mm，要完成圖1所示垃圾筒的提升和傾翻動(dòng)作。它適用于目前市場(chǎng)上銷售的標(biāo)準(zhǔn)垃圾筒：容積120L，自重110.4N，外形尺寸：480mm×555mm×930mm（長(zhǎng)×寬×高），裝載重量686N。

圖1標(biāo)準(zhǔn)垃圾筒起始與終點(diǎn)位置
1.1提筒機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
圖2是后裝壓縮式垃圾車的提筒機(jī)構(gòu)總成。

圖2提筒機(jī)構(gòu)
提筒機(jī)構(gòu)的工作原理如下：雙作用液壓缸的活塞桿伸出，推動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，直到掛架上的垃圾筒抵住鎖筒座，完成垃圾筒平穩(wěn)提升和鎖緊，如圖3（a）、（b）、（c）所示。液壓缸繼續(xù)施加作用力，整個(gè)提筒機(jī)構(gòu)（不包括支撐架，包括垃圾筒）以翻轉(zhuǎn)架和支撐架的鉸接軸旋轉(zhuǎn)，直至垃圾傾倒在導(dǎo)流板上，完成垃圾自動(dòng)傾卸，如圖3（d）、（e）所示。
支撐架焊接在填塞器后橫梁上，用作支承提筒機(jī)構(gòu)。雙作用液壓缸一端鉸接在支撐架上的支座上，一端鉸接在搖桿Ⅰ上。翻轉(zhuǎn)架通過(guò)銷軸鉸接在支撐架上的支座上，翻轉(zhuǎn)架為槽鋼型式，可將雙作用液壓缸臥在里面，使結(jié)構(gòu)緊湊，且強(qiáng)度較高。翻轉(zhuǎn)架、搖桿Ⅰ、掛架、搖桿Ⅱ構(gòu)成一個(gè)雙平行四邊形機(jī)構(gòu)，掛架具有平動(dòng)性，使垃圾筒平穩(wěn)提升。鎖筒座焊接在翻轉(zhuǎn)架上，用作鎖緊垃圾筒，使垃圾筒翻轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)從機(jī)構(gòu)上掉下來(lái)。導(dǎo)流板焊接在支撐架上，使垃圾傾倒時(shí)容易進(jìn)入填塞器的料斗中。
1.2提筒機(jī)構(gòu)掛架上任一點(diǎn)（垃圾筒）的運(yùn)動(dòng)軌跡
機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)W：要使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的確定運(yùn)動(dòng)，自由度數(shù)W必須滿足下列要求：1）W>0；2）W的數(shù)量等于主動(dòng)件的數(shù)量。

圖3提筒機(jī)構(gòu)提升傾倒過(guò)程
圖4為提筒機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖中A，B，C，D，E，F(xiàn)，G分別為鉸鏈的回轉(zhuǎn)中心,1，2，3，4為連桿，5是液壓缸活塞桿，6是液壓缸缸筒，7是鉸鏈與支撐架固連。其自由度數(shù):

式中：n——活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目；
PL——低副數(shù)目；
Ph——高副數(shù)目。
件5和6共同組成的液壓缸是主動(dòng)件。機(jī)構(gòu)只需操縱雙作用液壓缸，即可完成預(yù)定的動(dòng)作。
采用雙作用液壓缸驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)反向自鎖,使機(jī)構(gòu)在運(yùn)送垃圾筒的過(guò)程中不會(huì)由于自重而自行下落。對(duì)機(jī)構(gòu)建立如圖5所示的坐標(biāo)系。用解析法分析掛架HCD上任意一點(diǎn)H的運(yùn)動(dòng)軌跡。

作圖法：過(guò)H點(diǎn)做BC的平行線，過(guò)B點(diǎn)做CH的平行線交于K點(diǎn)，以K點(diǎn)為圓心、BC（等于L）為半徑做出的圓形就是掛架HCD上點(diǎn)H的軌跡。
從而得出結(jié)論：任何一平行四邊形鉸鏈機(jī)構(gòu)都可以用上述的作圖法很容易在計(jì)算機(jī)的二維平面圖中求出掛架HCD上任意點(diǎn)的軌跡，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。
因此提筒機(jī)構(gòu)上垃圾筒軌跡（以點(diǎn)H軌跡代表垃圾筒的軌跡）是圖5所示的R1和R2。R2是垃圾筒上點(diǎn)H由初始位置到抵住鎖筒座N點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；R1是垃圾筒上點(diǎn)H抵住鎖筒座N點(diǎn)后，以點(diǎn)A為圓心AH為半徑旋轉(zhuǎn)到導(dǎo)流板上（即將垃圾傾倒進(jìn)垃圾車）的運(yùn)動(dòng)軌跡。
1.3提筒機(jī)構(gòu)的受力分析
以提筒機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，如圖6所示。

圖6提筒機(jī)構(gòu)受力分析
已知提筒機(jī)構(gòu)自身重力G0=1097.6N，因一次可掛兩個(gè)垃圾筒，故兩個(gè)垃圾筒的自重與所裝垃圾重力之和F2=（110.4+686）×2=1592.8N，液壓系統(tǒng)的工作壓力p=16MPa，動(dòng)力液壓缸缸徑DY=63mm。對(duì)鉸鏈A中心取矩則有：

所以滿足使用要求。
F1的大小是設(shè)計(jì)液壓缸和選擇液壓缸的依據(jù)和參考。由受力分析可得鉸鏈A點(diǎn)所受到的總作用力：

F3是設(shè)計(jì)銷軸A和校核結(jié)構(gòu)件的主要參數(shù)。
1.4機(jī)構(gòu)中各鉸鏈位置的確定
提筒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循下列步驟：
1）根據(jù)翻轉(zhuǎn)架離地最低點(diǎn)應(yīng)大于壓縮垃圾車最小離地間隙，確定鉸鏈E的位置；
2）鉸鏈A點(diǎn)需高于填塞器的后橫梁，使機(jī)構(gòu)繞此點(diǎn)翻轉(zhuǎn)能完成向填塞器中傾倒垃圾的動(dòng)作，即垃圾筒與水平線的夾角應(yīng)大于垃圾的安息角35°；
3）鉸鏈B點(diǎn)設(shè)在AE的中點(diǎn)處，使結(jié)構(gòu)緊湊；
4）根據(jù)垃圾筒掛口高度應(yīng)大于掛架H點(diǎn)高度，確定鉸鏈C點(diǎn)位置。從受力、強(qiáng)度、穩(wěn)定性考慮，搖桿BC不易太長(zhǎng)，由平行四邊形確定鉸鏈D和鉸鏈F的位置；
5）用作圖法（R1，R2軌跡，如圖5所示）確定鎖筒座N點(diǎn)的位置和導(dǎo)流板位置；
6）根據(jù)圖7、圖8提筒機(jī)構(gòu)初始和終了位置，計(jì)算出液壓缸行程，再根據(jù)液壓缸的可制造性（包括活塞高度、油封、防塵罩、缸底厚、缸耳到缸筒的距離、行程等）確定液壓缸的原始安裝中心距，從而確定了液壓缸鉸鏈G點(diǎn)位置；
7）在以上鉸鏈粗定后，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（用作圖法做出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)全過(guò)程不同位置的圖）和鉸鏈A、鉸鏈B不得與圖7、圖8所示的4個(gè)位置的液壓缸外徑干涉，液壓缸外徑不得與圖7所示的支撐架上M點(diǎn)干涉，從而最終確定各鉸鏈位置。

圖7提筒初位置和水平位置圖

圖8提筒鎖緊位置和終了位置圖
注意：如若步驟7）中所述位置發(fā)生干涉，則調(diào)整鉸鏈A和鉸鏈G的位置，因鉸鏈A和鉸鏈G的位置直接影響動(dòng)力液壓缸的安裝空間，是調(diào)整鉸鏈與液壓缸外徑、液壓缸外徑與支撐架上M點(diǎn)干涉的最快方法。鉸鏈位置的變化，導(dǎo)致垃圾筒的軌跡、液壓缸的行程發(fā)生變化，需重新檢驗(yàn)步驟7）中各干涉條件，反復(fù)調(diào)整鉸鏈，直到解決干涉現(xiàn)象。
2結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)對(duì)原提筒機(jī)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，修改了原機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)和結(jié)構(gòu)件，解決了原機(jī)構(gòu)構(gòu)件與銷軸干涉問(wèn)題，滿足了使用要求。
提筒機(jī)構(gòu)軌跡作圖法的總結(jié)，為其它類含有平行四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)校核提供了直觀、精確、簡(jiǎn)易的作圖方法，并且在機(jī)構(gòu)各鉸鏈位置的確定過(guò)程中，起到了加快設(shè)計(jì)速度，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間的作用。
依據(jù)受力分析，得到動(dòng)力液壓缸和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件的選擇和設(shè)計(jì)的理論數(shù)據(jù)。
提筒機(jī)構(gòu)各鉸鏈位置確定的方法，為大小不同、噸位不同的系列后裝壓縮垃圾車的提筒機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了可行的方法。因此，本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)含有平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的探索提高具有一定的借鑒作用。
參考文獻(xiàn)
[1]蔣崇賢，何明輝.專用汽車設(shè)計(jì)[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社出版，1994.