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拉臂式
垃圾车
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拉臂式垃圾车工作装置优化设计同济大学机械工程学院 盛金良李刚p日S 摘要拉臂式垃圾车是一种自动装载垃圾集装箱和自动卸料时垃圾运输车，为改善这种车辆的性能，本文以S：整车工作平稳和减小液压系统压力波动为目标建立数学模型，编制计算程序，对拉臂式垃圾车的工作装置进行了：其性能得到了改善。 $“0关麓词：拉臂式垃圾车工作装置优化设计1前言拉臂式垃圾车是一种车箱可卸式垃圾车，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装置完成。由于它具备自动装卸箱体功能，装料时一般均将箱体卸下，降低装料高度，装满料后，则将箱体自动装车并运输。该车工作效率高，且一辆装有这种工作装置的车辆可服务于多个垃圾箱体。这种车于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装置的研究甚少，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，本文将对其工作装置进行优化设计，以求从根本上改善这种车辆的工作性能。2优化数学模型的建立图1为拉臂式垃圾车整车工况图，车箱实线部分表示垃圾车进行装卸车箱操作时的车箱状态，虚线部分表示垃圾车进行卸料操作时的车箱状态。图2为拉臂式垃圾车工作装置简图。该工作装置由拉臂1，翻转架2和液压缸3及可更换式垃圾装运车箱4(简称车箱)组成。圈1拉臂式垃圾车整车工况圈圈2拉臂式垃圾车工作装置筒图1拉臂2翻转架3液压缸4车箱装卸车箱作业时，翻转架2处于静止状态，液压缸3推动拉臂料作业时，翻转架2与车箱锁定，从而也与拉臂压缸3伸缩使拉臂l、翻转架2和箱体一起绕3、4分别表示在装卸车箱和卸料工况下工作装置的几何尺寸简图。变成数字量供44控制程序算法根据方向盘输出的脉冲数，按车辆转向时各轴车轮问和左右侧车轮之间应保持的关系计算各轮轴的理论转角，从旋转电位器反馈的信号计算车轮实际转角，由理论转角与实际转角的差计算伺服阀控一22一制信号的大小。为了快速、稳定、准确地使车轮转到理论转角位置，在伺服阀控制信号的计算中采用了讯地址：江苏理工大学汽车与交通工程学院(212收稿日期：2000程机械，2001(1)万方数据万方数据点为拉臂与液压缸的铰点；点为拉臂与翻转架的铰点；为滑轮尺寸与工作装置整体尺寸相比很小，计算时可简化为一个点)；料时整个工作装置以点为支点转动。，点为车箱后滚轮与车箱的铰点。为了简化结构，便于布置，在实际设计时通常将3中，作装置在有效运动范围内，要求其运动尽量平稳；液压系统的压力波动尽量小。臂绕0点作定点转动，其转速与液压缸伸缩速度的速比为：； I乍亏两面幸再可 (1)卸料时，拉臂与翻转架一起绕转速与液压缸伸缩速度的速比1产2一面)工程机械，21101(1)式中2工作装置受力分析22 1装箱作业时工作装置受力分析(1)箱体底梁未接触到导向褙轮(的情况(图5)图5箱体厩梁未接触到导向滑轮时的工作装置受力分析图中为箱体重力。时液压缸p。=了)1 ，+口，) V 7丽砑柄砑向“r哺体后滚轮与地面的摩擦系数(2)箱体底梁靠到导向滑轮而箱体后滚轮离开地面的情况(图6)图6箱体底粱与导向滑轮接触而箱体后滚轮离开地面时的p，=一了，(4)2 ，+1+，) 1 、式中 +)十+)一23万方数据万方数据+)_G+箱体底梁与导向滑轮的摩擦系数l、2导向滑轮若G，=6了忑了五液压缸的受力乃为占 乏(6) 圈7卸料时工作装置受力分析222卸料作业时工作装置受力分析(图7) ，54一2)一，c，Y(，542一伍4一班o”， ，m3 91EAE 1 、式中BE、该目标函数e3；n，见，A)，在、岛+)+有效范围内取50个点，即滓l，2，+瞄+蔓ls(+)6 25建立约束函数。f 7。 该工作装置设计约束有三类：限制设计变量取“ 2(t。+正册 “ 值范围的边界约束、结构约束和性能约束。f7、)、(6) 251边界约束23确定设计变量 各优化参数的边界约束要根据实际情况而定，通过上述分析可知。影响工作装置运动平稳性 设计时只能定出一些普遍的边界约束条件。得到结和液压系统压力的主要参数是： 果后还要根据实际情况取舍。本题目设13个边界岛，如，j，哟，妁，o，h。 约束。1要求装卸车箱时运动平稳的目标函数运动平稳程度可以用速比函数表示，因此对车箱运动的平稳性要求可转化为在有效运动范围内，使装卸车箱的最大速比与最小速比的比值尽可能小，该目标函数E=，)，在口有效范围内取50个点，即卢12，“42要求卸料时运动平稳的目标函数同上，可将卸料时运动平稳性的要求转化为有效运动范围内卸料的最大速比与最小速比的比值尽可能小，该目标函数，2=)，在有效范围内取50个点，即i=l，2，”50。243要求液压系统压力波动尽量小的目标函数工作装置有装箱、卸箱，卸料、从卸料位置收回车箱四种工况。显然液压系统最大压力只能出现在车箱满载的情况下，而一般情况下垃圾车不会进行卸下满载车箱和从卸料位置收回满载车箱的工况，所以设计时只需考虑满载装箱和卸料的工况即可，另外两种满载工况可作为检验-【况。一24一)=92(z)=如0岛(Z)=O幽(z)=0gs(z)=，6)=l一297(=r)=嘞0岛(Z)=一2911(X)=吻2913(X J=鸭)=“I+“2+口0917(X)=么4点D+。z)21792I(z)2，I。1922(x)2，l。，l。173优化计算过程受力计算可分为六个过程，即满载装箱两过程，满载卸料一过程，满载卸下垃圾集装箱两过程，满载从卸料位置回复到正常装载位置一过程。后三个过程主要是保证作业安全性而考虑的特殊工况，一般情况下垃圾车不会有此工况，因此作受力优化计算时只需考虑前三个工作过程，计算出的结果只要符合后三个工作过程要求即可。本设计问题属多维约束优化问题，由于计算公式较复杂且有10个优化参数，不适合采用那些需要计算函数梯度的优化算法。所以采用不需计算梯度的修正正算时先采用内点惩罚函数法对函数进行无约束处理，然后对其求最优解。用修正求目标函数权值，分别对各目标函数进行优化计算，求出其各自作为单目标函数时的最优值，作为此目标函数在整个目标函数中的加权因子。4计算实例作者应用编制的优化程序对上海同济远征环卫机械有限公司生产的1为有关该车的一些技术数据。表2及表3分别为计算结果及优化前后系统压力的对比5结论通过对001(1)置的优化计算，找到了一组优化的机构参数，按该组参数设计的机构其工作压力比原工作装置降低了约7，而且工作平稳性也得到一定的改善。表1 数值垃圾集装箱长度 (3396垃圾集装箱高度 (1293100满载垃圾集装箱重量(无量纲相对值)垃圾集装箱与地面摩擦系数 01表2计算结果举升卸料过 装箱过程 液压系统总体优优化 初始值程运动平稳 运动平稳 作用力最参数 化值最优化值最优化值 优化值f2(18755 1887 33 1600 189115 190133(517 9 442 9 600 54746 4985“m) 20805 1800 1632 190713 18891() 11811 1181 l 1000 102539 1005 9“11811 12300 1300 117913 1248 8铂 】。 O。 O。 l。 21。吃 33。 2629。 15。 32 79。 225。屯 5。 9。 一l 8。吒 l。 536。 15。 1 19。 215。1000 867 1000 87512 890表3优化前后系统压力的对比(无量纲相对值)对比项目 优化前 优化后装箱时的系统最高压力 380 352卸料时的系统最高压力 2】0 195参考文献1杨荣柏主编机械优化设计北京：机械工程师进修大学，19902曾昭华，傅详志主编优化设计北京：机械工业出版社，19923王德人主编非线性方程组解法与最优化方法北京：人民教育出版礼19794沈剑华主编计算数学基础上晦：同济大学出版社，199济大学机械工程学院上海四平路1239号(加0眇2) (收稿日期：20001010)一25万方数据万方数据2 of in of of on in is g 8_of in of a 0ng to of at of s of 30t of in of of is e”8和a of a i by as of of oHbe 001(1)ut of of of in lof of of in in of in of he of to it of of he to ofon is aJm to is 盛金良， 李刚作者单位： 同济大学机械工程学院刊名： 工程机械英文刊名： (期)： 2001，32(1)被引用次数： 8次参考文献(4条)械优化设计 化设计 线性方程组解法与最优化方法 算数学基础 1991引证文献(8条)拟
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