钩臂垃圾车工作机构的优化设计

罗中华 魏佳宏

上海建桥学院机电学院，上海 201306

摘要：本文对钩臂垃圾车工作机构优化设计进行了深入的研究。首先，推导出了钩臂垃圾车工作机构运动分析和力分析的计算公式。其次，根据工作机构的特点、以液压缸最大的工作力为最小和减少机构尺寸参数为目标，建立了钩臂垃圾车工作机构优化设计的数学模型。选用半罚函数法作为优化方法，用C++语言编写了钩臂垃圾车工作机构优化设计程序。用编写的优化设计程序对钩臂垃圾车工作机构数例进行了优化设计。最后，对优化的钩臂垃圾车工作机构进行了运动仿真，仿真结果表明优化结果是十分理想的。

关键词：工作机构；钩臂垃圾车；数学模型；优化设计

Optimization Design for Working Mechanism of Hook Arm Garbage Truck

Luo Zhonghua  Wei Jiahong

College of Mechanical and Electronic Engineering, Shanghai Jianqiao University, Shanghai 201306, China

Abstract: In this paper, optimization design is carried out comprehensively for working mechanism of hook arm garbage truck. Firstly, formulae are derived for kinematics analysis and force analysis of the working mechanism. Secondly, a mathematical model is established for optimization design of the working mechanism, according to the working mechanism characteristics, and, with an aim of minimizing the maximum working force of the hydraulic cylinder, and of reducing the size of the working mechanism. Thirdly, half-penalty function method is selected as optimization method. A C++ program is compiled of optimization design of the working mechanism. Finally, an example of the working mechanism is optimized by the compiled C++ program. Motion simulation of the optimized working mechanism is carried out. The simulation result shows that the optimization result is satisfactory.

Keywords: Working mechanism; Hook arm garbage truck; Mathematical model; Optimization design.

1 引言

随着经济的发展，人民生活水平的逐步提高，城乡垃圾污染已经受到了广泛的关注，对垃圾的收集、转运和处理也得到了高度重视^[1]。钩臂垃圾车是一种车厢可卸式垃圾车,它同时具有垃圾自卸和箱体自动装卸的功能,而且两种功能由同一个车载工作机构完成。这种车于上世纪80年代引人国内,目前使用广泛。但我国对这种车辆特别是工作机构的研究甚少，产品设计主要是采用测绘或经验取值的方法，限制了产品性能的进一步提高^[2]。

钩臂垃圾车工作机构是钩臂垃圾车的关键和核心组成部分，决定钩臂垃圾车产品的性能，因此，较多的学者对钩臂垃圾车工作机构进行了优化设计研究^[2-5]。这些研究工作对钩臂垃圾车工作机构设计起到了一定的促进作用，但这些优化设计研究没有考虑或没有全部考虑相关的车厢和车架尺寸参数，而这些参数对钩臂垃圾车工作机构优化设计起着决定性作用。另外，文献[6-7]对只有箱体装卸功能可卸式车厢工作机构进行了优化设计，文献[8]对旋转式拉臂车工作机构进行过优化设计。

２相关尺寸参数

钩臂垃圾车工作机构示意图如图1所示。图中轴设置在地面上，轴设置在车架的左端滚轮的中心处。与钩臂垃圾车工作机构优化设计相关的尺寸参数包含工作机构本身的尺寸参数、相关的车架尺寸参数和车厢尺寸参数。①工作机构尺寸参数：机构铰链点A、B和C的坐标、、、长度尺寸、和，液压缸的最短长度和伸缩比，以及角度和；②车架尺寸参数：高度、轮子半径；③车厢尺寸参数：长度 、和，高度、、轮子半径、车厢与货物重心相关尺寸和。

     

             (a)车厢与地面接触装卸运动状态           (b) 车厢离开地面装卸运动状态

      

              (c) 车厢倾倒运动状态                   (d) 车厢与车架运输状态

图1 钩臂垃圾车工作机构各种运动状态

3运动分析

钩臂垃圾车工作机构的运动分析分为装卸和倾倒运动分析，装卸运动分析又可分为车厢与地面接触和车厢离开地面的运动分析。

车厢与地面接触装卸运动送分析：设线段BD与轴的夹角为，由图1(a)的几何关系(下同)可得

            (1)

式中，。

点D的坐标为

                             　                          (2)

点E的坐标为

                              　                    (3)

设线段EF与轴的夹角为，则

                                            　             (4)

点F的坐标为

                                      　                 (5)

点K的坐标为

                                                 (6)

式中，。

设为线段KH与x轴的夹角，则

                   (7)

点G的坐标为

                             　                     (8)

点I和J的坐标和为

，                                     (9)

为了节省篇幅，不列出其余情况的运动分析计算公式。

4受力分析

由于车厢和车架都配有轮子，摩擦属于滚动摩擦，滚动摩擦系数较小，受力分析忽略摩擦力。车厢的受力分析分为车厢与地面接触和离开地面两种情况，如图2所示。图中为车厢和货物的总重量，为重心所在位置。钩臂的受力分析分为装卸和倾倒两种情况，如图3所示。装卸和倾倒两种受力分析又分为(或)和(或)情况的受力分析。图３(d)受力状况一般实际情况中不可能发生。

      

(a) 与地面接触情况                (b) 离开地面情况

图2 车厢受力图

            

        (a)               (b)              (c)           (d)

图３钩臂受力图

(1) 车厢与地面接触受力分析

车厢与地面接触时，车厢的受力分析如图2(a)，由平衡方程可得

，          　                           (10)

 (2) 车厢离开地面受力分析

由图2(b)离开地面受力分析图和图1(b)线段LG与x轴的夹角为，可得

                                            　              (11)

由平衡方程可得，L点的支撑力和挂钩F点的作用力和为

     ，      　             (12)

同样，为了节省篇幅，不列出其余受力分析计算公式。

5数学模型

设计变数：优化设计变数为机构铰链点坐标、和，尺寸参数、、、、和，油缸的伸缩比和车厢尺寸参数。即优化设计变数为：

   (13)

目标函数：第一个目标函数是使液压缸作用力最大的为最小，即

                                           (14)

第二个目标函数是减少工作机构的尺寸参数，即

                                    (15)

钩臂垃圾车工作机构优化设计的目标函数为：

                                          (16)

式中，和为加权因子。

约束条件：约束条件主要包括设计变量取值约束、工作机构的几何约束和性能约束。

取值约束：设和为变量取值的下限和上限，可建立设计变量取值约束条件：

                     　 　               (17)

几何约束：整个工作机构机构中存在多个三角形，必须保证三角形的合理性。例如，图1(a)中三角形ABD的几何约束条件：

，，                     (18)

性能约束：性能约束主要包括液压缸伸缩比约束和机构的最小传动角的约束。为了保证整个工作机构运动过程中的合理性，优化时限定油缸伸缩比最大不得大于1.75，传动角不得小于最小传动角。例如，装卸车厢时液压缸所在的机构应满足最小传动角的要求，即

                                  (19)

                                   (20)

同样，为了节省篇幅，不列出其余约束条件。

综上所述，钩臂垃圾车工作机构优化设计的标准形式为

               　    　        　           (21)

6数例

设车厢尺寸：、、、、、、；车架尺寸：和；机构的最小传动角，最大倾倒角不小于；车厢与货物的重量,钩臂垃圾车工作机构各变量的上、下限列在表1中。初始点，用文献[9]提供的求解可行点的快速有效方法求可行点，选用半惩罚函数法^[10-11]作为优化方法，用C++语言和编写了钩臂垃圾车工作机构优化设计程序，求得的该机构最优解列在表1中。优化的工作机构各铰链点的最大受力、、液压缸的最大受力、挂钩最大受力、车架滚轮轴的最大受力、最小传动角和最大的倾倒角列在表1中。发生在装卸时车厢前轮即将接触车架的位置，和发生在装卸时车厢前轮刚离开或即将接触地面的位置，发生在倾倒时车厢前轮刚离开车架的位置，挂钩最大受力发生在装卸车厢时液压缸活塞杆回缩到最大伸长量的37.3%的位置处，如图4(d)所示的位置。

优化的钩臂垃圾车工作机构装卸运动仿真如图4。从图4(a)和(b)可以看出，开始装卸和装卸结束车厢

表1  钩臂垃圾车工作机构各变量的上下限和最优解

     

 (a) 车厢开始装箱状态                             (b) 车厢结束装箱状态

   

           (c)  车厢与地面接触状态                         (d) 车厢与地面离开状态

图4 优化的钩臂垃圾车工作机构装卸运动仿真

 

前后轮不在一条水平线上，是由于挂钩简化为铰链所致，这正是装卸车厢时钩臂脱钩和运输过程中让轮子受力所需要的高度空间。优化的工作机构极限倾倒运动仿真如图5所示。从表1和图4至图5可以看出，钩臂垃圾车工作机构优化的效果是十分理想的，完全满足实际的装卸和倾倒工作条件。

7 结论

(1) 本文对钩臂垃圾车工作机构优化设计进行了全面的研究，建立的该机构优化设计数学模优化，设计变量不但包含全部工作机构尺寸参数，同时包含车厢挂钩的高度尺寸参数。

(2) 除钩臂挂钩的铰链处的最大受力以外，其余受力的最大值都在车厢前轮刚离开或即将接触地面或车架的位置发生。

(3) 本文钩臂垃圾车工作机构优化设计，不但求得了机构的尺寸参数，而且求出了各铰链点和液压缸的最大受力，因此，本文为钩臂垃圾车工作机构结构设计提供了理论依据。

参考文献

[1] 胡志国.一款小型车厢可卸式垃圾车结构与设计[J].专用汽车,2016,(6)：95-98.

[2] 盛金良,李刚.拉臂式垃圾车工作装置优化设计[J].工程机械,2001,(1)：22-25

[3] 毕文斌. 伸缩式拉臂机构的结构参数优化设计[J].机械工程与自动化,2009,(2)：191-192 

[4] 刘大维,刁兵，陈焕明等.虚拟样机的拉臂车工作装置优化设计[J].现代制造工程，2009,(8)：135-138+129

[5] 王桂梅,李江波,李玉文等.基于ADAMS的垃圾运送车拉臂系统优化设计[J].机械设计,2007,24(3)