自装卸式移动垃圾车拉臂装置动态特性研究

程 磊，朱真才，沈 刚，戴开宇

(1.中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221116；2.徐州徐工环境技术有限公司，江苏 徐州 221116)

1 引言

随着社会经济的发展，对垃圾处理的效率要求越来越高。自装卸式移动垃圾车是垃圾处理的重要装备之一，具有运输，箱体自装卸和物料自卸等功能［1］。移动垃圾车主要由：拉臂装置、车架、垃圾箱和液压系统等组成。车架直接安装在垃圾车底盘上，用于支撑箱体。拉臂装置主要由举升油缸驱动，可以实现垃圾箱的自装卸。拉臂的工作过程是一种变负载、多工况的运动，其动态特性将影响城市垃圾处理的效率［2］。文献［3］基于灵敏度对拉臂装置进行了优化。文献［4］通过建立的自卸车数学模型对其运动学进行分析。文献［5］等基于功率键合图理论对自装卸机构的液压系统进行分析。文献［6］等对车厢可卸式垃圾车的拉臂机构进行多目标优化及软件开发。目前对于该装备的分析研究不能够全面，将分别从运动学、动力学和液压系统动态特性等方面，进行综合分析，改善自装卸式移动垃圾车拉臂装置的动态特性。

2 运动学分析

图1 自装卸式移动垃圾车拉臂装置Fig.1 Folding Arm Device of Detachable Contanier Mobile Garbage Truck

拉臂式自装卸装置采用L型可滑移式机构，主要由：拉臂、举升臂、拉臂钩、举升油缸、副车架和滚轮组成，如图1所示。箱体的装卸是垃圾车作业时最复杂的工况，因此主要对拉臂装置的自装卸工况进行分析。

箱体自装和自卸的运动学规律类似，因此，选择箱体自卸的过程进行运动学分析。将垃圾箱自卸的运动过程分为以下几个阶段。第一阶段：拉臂完全缩回，将箱体的重心后移；举升油缸伸出，举升臂的倾角增大，箱体沿副车架后部的滚轮下滑，直到箱体后的滚轮接触地面为止；第二阶段：举升油缸继续伸出，箱体后滚轮在地面上滚动，直到箱体完全放置到地面为止［6］。

通过对拉臂工作过程的各阶段进行运动学分析，避免作业过程中部件之间的碰撞，从而对拉臂式装置进行合理的布局和设计。

2.1 第一阶段运动学分析

以地面作为x轴，垂直于地面并经过铰接点F的直线为y轴，建立坐标系，如图2所示。A、B、F分别为固定在副车架上的铰接点，D为举升液压缸的铰接点，H为副车架尾部的滑轮。

图2 第一阶段的运动坐标图Fig.2 Simplified Physical Model of the First Stage

设MN=PK=l；MP=NK=h；BD=b；FB=c；FD=d+s；BG=e；GP=m；各固定铰接点的坐标为，A(xA，yA)、B(xB，yB)、D(xD，yD)、F(xF，yF)、H(xH，yH)。

其中，l—箱体的长度(mm)；h—箱体的高度(mm)；d—举升液压缸的初始长度(mm)；α—举升臂的水平倾角(rad)；γ—箱体的水平倾角(rad)；θ—举升液压缸倾斜的角度(rad)；h0—副车架距离地面的高度(mm)；

由机构简图得出自卸过程中铰接点G的坐标为：

式中：α0—α0=arccos［(e2+b2-g2)/2be］，BG较BD所在直线的倾角(rad)；

在三角形△GPH中，利用几何关系求GH较PH的倾角为：

根据坐标关系，得箱体的水平倾角为：

根据G点的坐标和箱体的倾角，可以得出箱体上各临界点M、P、N、K的坐标。假设箱体的质量均匀分布，箱体的重心就是几何中心，则箱体重心的坐标为：

在举升油缸的作用下，为使得箱体后部K点能够平稳的落地，需要保证箱体在下滑过程中始终沿着副车架尾部滑轮H点移动。即，当yK=0时，PH＞0。

满足上述条件，可以避免箱体在下滑过程中箱体前边缘对车架尾部的撞击。在设计过程中，不仅要避免箱体运动过程的干涉，还需要保证箱体运动的平稳性。大多少企业在自装卸设计过程中，通常采用“类比作图试凑法”，需要多次试凑与调整，效率较低［7］。采用解析法，研究自装卸装置在举升过程中，各部件运动参数的变化情况。提高自装卸装置的作业效率和运动的平稳性。

将拉臂装置简化为封闭矢量多边形，如图3所示。对封闭矢量多边形BFD和BPGH列出矢量方程为：

图3 第一阶段运动矢量图Fig.3 Motion Vector Graph of the First Stage

将矢量方程投影在xoy中，得：

根据机构的结构特点，得知lFB和lBH为车架铰接点之间的固定长度；lBD，lBP，lPG为“L”型举升臂各铰接点之间的固定长度；θ4为BH的水平倾角。求解该方程可以得出θ1，θ2，θ3，lGH。将上述方程进行求导，并且列为线性方程组的形式为：

根据上述矩阵方程可以得出ω1，ω2，ω3，vGH。通过分析垃圾压缩箱体的运动速度与举升油缸伸出速度的关系，可以提高箱体卸载或安装过程中的稳定性与效率。

根据拉臂装置尺寸，分析各运动阶段箱体运动规律，如表1所示。

表1 拉臂装置尺寸Tab.1 Dimension of Hooklift Arm Device

举升油缸在不同的线速度下，在(0～4)s处箱体下滑速度较快，4s后近似为匀速下滑，如图4所示。为了提高卸载的稳定性和速度，应在开始阶段设置较小的油缸伸出速度，并逐渐增加油缸伸出速度，并在4s后达到最大速度。

图4 第一阶段箱体运动规律分析Fig.4 Analysis of Movement Regular of Container in the First Stage

2.2 第二阶段运动学分析

当箱体后部滚轮K点与地面接触时，副车架尾部H点不与箱体下边缘接触，如图5所示。在箱体自装卸的过程中，应避免P点与副车架发生碰撞。在该运动阶段过程中，各较点与箱体的坐标表达式与第一阶段相同，只有箱体倾角表达式不同。箱体的水平倾角为：

图5 第二阶段的物理简化模型Fig.5 Simplified Physical Model of the Second Stage

为了避免P点与副车架尾部碰撞，应满足以下条件为：

根据第二阶段运动矢量图，如图6所示。建立运动学矢量方程为：

图6 第二阶段机构运动矢量图Fig.6 Motion Vector Graph of the Second Stage

将矢量方程投影到xoy的坐标系上为：

根据所列方程可以得出θ1，θ2，θ3，lBKx。将上述方程对时间t进行求导，并转换为矩阵形式为：

对举升机构运动过程的各点进行分析。

图7 第二阶段箱体运动规律分析Fig.7 Analysis of Movement Regular of Container in the Second Stage

当举升油缸以匀速伸出时，在第二阶段中，箱体落地后运动速度先逐渐增大，后逐渐减少，如图7所示。举升油缸速度越大，箱体运动速度越大。当速度vcl=50mm/s时，t=(35～37)s箱体突然减速，拉臂容易出现脱钩和箱体碰撞地面的现象，因此在此处应减小比例换向阀的开口面积，减小举升油缸的伸出速度，提高箱体运动的稳定性。

3 拉臂装置的动力学分析

由于自装卸运动较缓慢，各部件的惯性力和惯性力矩相对较小，因此忽略其对动力学分析的影响。设各结构部分质量均匀分布，几何中心就是各机构部件的质心［8］。

3.1 第一阶段动力学分析

各铰点受力如上图所示，如图8所示。根据受力分析对各铰点力进行求解，建立力和力矩平衡方程。在铰接点G建立箱体的动力学方程为：

图8 第一阶段各铰点受力示意图Fig.8 Force Diagram of Hinge Points in the First Stage

求解可得FGy、FGx、Fn。由图8，可列出拉臂钩机构的受力分析等式为：

以上两个方程组联立即可求得FDx、FDy。

3.2 第二阶段动力学分析

第二阶段，即箱子后滚轮开始接触地面，到箱体完全落地过程，各铰点受力，如图9所示。

图9 第二阶段各较点受力示意图Fig.9 Force Diagram of Hinge Points in the Second Stage

根据受力分析对各铰点力进行求解，求解过程如下：

求解可得：FGx、FGy、FHx、FHy。

以上两个方程组联立即可求得FDx、FDy。

根据上述式子，可以得出液压缸在不同运动阶段的驱动力为：

设Gp=478kg，Gs=200kg，GY=500kg。根据上述表达式与尺寸，如图10、图11所示。可以得出举升油缸铰接处的受力随举升臂倾斜角度的变化规律。

图10 举升液压缸的铰接处的受力Fig.10 Force on the Hinge of Lifting Cylinder

图11 举升油缸的驱动力Fig.11 Driving Force of Lifting Oil Cylinder

4 液压系统分析

为建立的液压举升系统AMEsim仿真模型［10］，如图12所示。根据折臂装置动力学的分析结果，分析举升油缸在变负载的工作过程中，液压系统的瞬间压力变化。

图12 液压举升系统的AMEsim仿真模型Fig.12 AMEsim Simulation Model of Hydraulic Lifting System

设举升油缸匀速运动，液压系统的输出流量为：

式中：Q—举升油缸的进油量，L/min；D—液压缸无杆腔的直径，mm；设举升油缸的运动速度为Vcl=33.17mm/s，行程为L=1882mm，溢流阀的压力为26MPa，定量泵的输出流量为80L/min。

图13 举升油缸进油口压力Fig.13 Inlet Pressure of Lifting Oil Cylinder

图14 举升油缸出油口压力Fig.14 Outlet Pressure of Lifting Oil Cylinder

由于液压系统采用定量泵对举升油缸进行供油，进油腔的压力随着负载力的变化而变化，如图13、图14所示。在液压系统启动瞬间，举升油缸的无杆腔瞬间压力增大，达到28MPa并出现震荡。溢流阀打开出现溢流，最高压力稳定在26MPa。在(0～14.3)s之间，瞬间压力变化最大，应减小比例阀的开口面积，缓慢减低系统压力。在(14.3s～26.4)s之间有杆腔的压力大于无杆腔的压力，液压缸的推力变成拉力，箱体主要依靠自重沿着尾部滑轮缓慢下落。在18.9s处箱体落地，液压系统压力出现震荡。在26.4s后举升油缸压力逐渐升高，主要克服箱体的重力和地面对箱体的摩擦力。结合拉臂装置的液压系统仿真，运动学和动力学分析，可以总结出：举升臂在不同倾斜角度下，换向阀的最佳工作状态；α=12°为举升臂的初始倾斜角度；12°＜α≤13°之间，换向阀流量逐渐增加到最大，以减少开始阶段压力波动；13°＜α≤47°之间，换向阀保持最大流量输出；47°＜α≤48°之间，流量逐渐减小，降低箱体在落地时，系统的压力波动；48°＜α≤49°之间，流量逐渐增加到最大；49°＜α≤109°之间，换向阀保持最大流量输出；α＞109°，换向阀流量逐渐减小至箱体完全落地。

5 总结

根据移动垃圾车拉臂装置的结构特点，建立坐标系，分析其主要运动部件几何关系，得出拉臂装置避免碰撞的几何条件。利用解析法，研究拉臂装置上箱体的运动规律，得出箱体运动速度随液压缸位移的表达式。根据拉臂装置的工作特点，对其动力学进行分析，并得出液压缸驱动力与举升臂倾斜角度的变化规律。根据对举升油缸液压系统的AMEsim仿真分析，获得了液压系统瞬间压力的变化规律。结合液压系统仿真，运动学和动力学的分析，得出了换向阀在举升臂不同倾斜角度下的最佳工作状态。