机械毕业设计（论文）-后装压缩式垃圾车装填机构优化设计【全套图纸】

徐州师范大学 毕 业 论 文 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车装填机构优化设计 系（部）： 机 械 工 程 系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 00 机制 41 学 生： 2004 年 4 月 5 日至 5 月 25 日 工 学 院 技术教育学院 目 录 第一章 前言 1 第二章 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车专用装置工作原理 4 2.1 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车专用装置工作原理 4 2.2 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车专用装置液压原理分析 8 第三章 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车装填机构分析及优化设计 13 3.1 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车推卸料机构受力分析13 3.2 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车装填机构运动学分析与优化设计 17 第四章 结论 25 后 记 26 参考文献 27 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 摘 要 随着社会的进步，生活水平的提高，城市的垃圾也发生了巨大的变化。因此，城市垃圾 的收运问题越显突出。以前垃圾车自身所存在的飘、洒、撒、漏等二次污染，容量小，可压 缩性差等性能缺点，已经不能满足环保发展的需求。因此，后装压缩式垃圾车孕育而生，且 优势日益明显。 后装压缩式垃圾车是一种集自动装载垃圾和自动卸料为一体的新型垃圾运输车。它的 专用装置包括车厢、装填机构、举升机构及液压系统等几个部分。本文对 XZ5110ZYS 后装 压缩式垃圾车装填机构的结构、原理进行了深入地分析；对装填机构、推卸料机构进行了力 学分析，在此基础上，对装填机构进行运动分析，建立了装填机构的数学模型并进行优化 设计，最终确定了装填机构的有关参数。优化设计结果表明，优化后的装填机构参数能改 善装填机构的性能，提高垃圾车的装载功能和收运容量。 关键词： 后装、压缩、垃圾车、装填机构、优化设计 ABSTRACT Rubbish in cities has greatly changed with the progress of the society and the improvement of the living standard. As a result, the problem of collecting and delivering garbage is getting more and more serious. The previous garbage truck has not met the requirements of the development of environment for its disadvantage, such as the second pollution owing to spreading and leaking, small capacity, the low compressive rate. The back-up rubbish truck has been invented in such a situation, and its advantages are getting more and more evident. The back-up compression rubbish truck is a new kind of rubbish truck which loads and throws rubbish totally automatically. Its exclusive devices consist of compartment; shove organization, put-up mechanism and hydraulic system, etc. The mechanism and principle as well as exclusive devices of the truck was carried out and its performance was improved fundamentally in order to improve its capacity and loading performance. In order to fulfill this purposes, the moving analysis of the shove organization is carried out based on the mechanical analysis of the equip-pack fill organization, and then the mathematical model is established, finally, the parameters concerned of the shove organization are determined. The result of the optimize design proves that the parameters can greatly improve the functions of loading mechanism ,such as loading and carrying . KEY WORDS: Back-up； Compression； Dust cast；Loading mechanism；Optimize design 第一章 前 言 随着社会的进步，人民生活水平的不断提高，高层建筑和住宅小区不断增多，城市 垃圾的成份发生了很大的变化，其变化特点是：垃圾密度不断下降，可压缩性增强，压 缩后的垃圾为原来体积的 1/31/5。因此，作为城市环保课题之一的垃圾收运问题就越 显突出。据报道，城市中每年每人制造约 1.20 吨的生活垃圾。这些生活垃圾现大部分用 城市垃圾车运走。而近年来垃圾的收集运输以摆臂式自装卸车，侧装式垃圾车为主，由 于自身存在的飘、洒、撒、漏等二次污染，容量小，可压缩性差等性能缺点，已不能适 应环保发展的需求，为了便于更有效的提高垃圾车的运载效率，减少垃圾车在工作过程 中的二次污染，后装式垃圾车的优势日益明显。为了提高垃圾车的装载功能和收运容量， 因此对压缩车的需求越来越多，加强对城市垃圾收运车的研制和推广，对实现环卫放射 线学作机械化、现代化，减轻工人劳动强度，保持城市洁净美观将起到极为重要的作用。 近几年来，压缩式垃圾车的市场迅速扩大，但仍在幼稚期，亟待发展成熟化。 根据国家权威部门预计， “九五”期间“自动装卸压缩式垃圾车需求量约为 60007000 辆，并且向密封化、自动化、大型化发展，需要引进国外先进技术和样车” ， 根据我国城市车辆过多，交通不畅的状况，发展压缩效率高，大吨位垃圾收集的成熟经 验，也是以大型垃圾车为主。特别是垃圾处理场，离城市市区较远，平均约为 3050km，因此市区往垃圾场送垃圾使用大吨位垃圾车相对来说是经济的，并且有较好 的社会效益，适合当前市场需求和今后发展方向，市场前景是相当广阔的。自 20 世纪 90 年代初期以来，或更早为 1986 年，我国环卫车辆开始发生质的变化。我国许多企业经过 自主开发，引进和消化国外先进技术，生产的快速高效，全封闭，可防止二次污染，符 合现代城市建设环保要求的各种环卫车辆正得到越来越广泛的应用，近几年，其市场迅 速扩大，在不断的探索中，这些环卫车辆正逐渐成熟化并取得很好的社会效益,适应当前 市场需求和今后发展方向，得到迅速普及和推广使用，并逐步代替了带侧面液压提升机 构而无压缩机构，不能到门到户的厢式垃圾集运车。 目前，国内垃圾车制造行业的主要有： 中韩合资北京市华材特装车有限公司； 山西长治清华机械厂； 辽宁抚顺起重机总厂； 武汉九通汽车厂； 南宁专用汽车厂； 上海市环境工程设计科学研究所； 徐州特种汽车厂。 XZ5110ZYS 后装压缩式垃圾车在装载过程中具有对垃圾的压缩能力，使用推板卸载， 具有卸载过程平稳，安全，机械化作业程度高，装载量大，操作方便，外形美观大方等 优点，是一种较理想的城市生活垃圾运载工具（图 1-1 所示） 。 本车型不仅能大大减轻工人的劳动强度，而且能防止装载过程中的垃圾飞扬及污水 滴漏，对保障市容环境卫生也具有积极作用。 图 1-1 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车总图 本课题的题目是XZ5110ZYS 后装压缩式垃圾车装填机构优化设计 ，即对推卸料机 构进行力学分析，在此基础上，对装填机构进行运动分析，建立其数学模型，对其进行 优化设计，最终确定装填机构的有关参数，力求根本上改善装填机构的性能。 文中运用的机械优化设计是 60 年代迅速发展起来的一种新的设计方法。它应用近代 数学规划论和电子计算机，能使一项设计在一定的技术和物质条件下寻求一个技术经济 指标最佳的设计方案。它使传统的机械设计方法产生重大的变革，促进现代机械设计理 论和方法的发展，获得日益显著的技术和经济效益。 本文分析了后装压缩式垃圾车的工作原理及各工作装置，对其各部分进行分析并在 此基础上对装填机构进行优化设计，共分为三个部分： 第一章：前言。阐述垃圾车历史发展及现状； 第二章：XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车的工作原理及工作装置分析。阐述了后装 压缩式垃圾车专用装置的工作原理； 第三章：XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车机构分析及优化设计。介绍了后装压缩式 垃圾车的各个机构，对装填机构进行了分析，根据分析结果，对装填机构进行了优化设 计。 第四章：结论。阐述了本课题对垃圾车设计以及环保的意义。 第二章 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车专用装置工作原理 XZ5110ZYS 后装压缩式垃圾车是采用“东风”EQ1108G6D15 型底盘15，经加装封闭式 车厢、填塞装置、推卸料机构、举升油缸等专用工作装置而组成的新型城市生活垃圾收 集运输车。其在装载过程中具有对垃圾的压缩能力，使用推板卸载，卸载过程平稳、安 全，机械化作业程度高、装载量大、操作方便、外形美观大方等优点，是一种较理想的 城市生活垃圾运载工具。 2.1 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车专用装置工作原理 1.车厢 后装压缩式垃圾车的车厢大多采用骨架式结构。车厢的纵截面一般为直角梯形。车 厢后端的斜角 有利于装载厢以一定角度把垃圾送入车厢。车厢安装在车架上时，应与 车架上平面保持 1 左右向后的倾角，以便车厢内的污水能从后端排除。 车厢的横截面一般有矩形（图 2-1a）和鼓形（图 2-1b）两种。 (a) 矩形 (b) 鼓形 图 2-1 车厢的横截面 从受力角度分析，鼓形截面不仅能承受较大的垃圾横向膨胀力，而且由于形成了顶 面、左侧面和右侧面 3 个纵向柱面，使得车厢的纵向刚度和扭转刚度得到明显的增强。 因此在中小型垃圾车上多采用这种截面，除车厢前后两端外，中部几乎不再需要布置加 强梁。但由于鼓形横截面的厢壁成形工艺性较差，因此大多后装压缩式垃圾车仍然采用 矩形横截面的型式11。 车厢的高度和宽度应使整个外廓尺寸符合法则要求。 后装压缩式垃圾车的系列化一般是按车厢横截面大小分档。即某一规格的横截面适 应一定车厢装载容积范围。在同一容积范围内采用同一规格的推板和装载厢。 2. 推板 由于车厢内的垃圾车受到强烈的挤压，垃圾的反弹膨胀力作用于厢壁而形成了阻碍 厢内垃圾移动的摩擦力，故垃圾不易以车厢倾斜的方式自动卸出，而必须采用强力推卸 的方法使垃圾推出厢外。推板的驱动方式一般有两种17， (a) 油缸水平布置 (b) 油缸斜向布置 图 2-2 油缸直接驱动方式 一种是多级油缸直接驱动方式。油缸为一般水平布置，以获得较高的驱动效率并简化结 构,如图 2-2a。如果油缸水平布置受到纵向尺寸的限制，则可斜向布置如图 2-2b。但这 样布置不但增加了构件受力，而且驱动力的垂直分力作用在导轨上，从而降低了驱动效 率。另一种推板驱动方式是通过连杆机构放大驱动行程来驱动推板6。如果设计合适， 在车厢垃圾排空时，推板停留在车厢后部，而且在填装力达到一定值时，推板方可被推 动向车厢前部退缩，这样可使车厢内的垃圾受压均匀，同时也避免了车厢“填不满”的 情况发生。 3装载厢和压缩机构 装载厢总成是由装载厢体和内部的压缩机构组成。其作用是把垃圾填装到装载厢内 进行压碎压实处理，然后再向车厢内挤压。 a. 压缩机构 一般的压缩机构有复合连杆式压缩机构、带弧形板复合式压缩机构和滑板式压缩机 构三种，而我们所用的是滑板式压缩机构。 滑板式压缩机构的工作原理如图 2-3 所示 3。 滑板 1 由油缸驱动，并沿装载厢侧壁上的导轨作斜向直线往复移动。刮板 2 及与它 铰接的刮板驱动油缸均铰接在滑板上，因此刮板既可随滑板一起作往复移动又可绕固定 在滑板上的铰接中心转动，它与上述的两种压缩机构比较。由于装载厢底部靠车厢的下 半段为一与滑板运动方向平行的平面,因而在由状态 e 转变为状态 g 时，驱动油缸的全部 有效功率将垃圾向车厢内压实，在这个过程中刮板施力方向始终保持不变。 ( a ) ( b ) ( c ) 1 2 3 4 ( d ) ( e ) ( f ) ( g ) 1.滑板（压实板） 2.刮板（清扫板） 3.刮板油缸（清扫油缸） 4.滑板油缸 （压实油缸） 图 2-3 滑板式压缩机构 b. 填装角8 滑板式压缩机构是以一个固定的角度来施加斜向挤压力的。如图 2-4 所示。称为 垃圾填装角。是前述的车厢后端的安装斜角。而则是滑板导轨轴线与装配结合面的 1 2 夹角。因此=-。填装角一般选取 45 左右。 1 2 图 2-4 垃圾车的装填角 c. 填装斗容积 垃圾由装载厢入口倒入其下腔的填装斗后，呈自然堆积状态。其截面如图 2-5 所示。 图中 为垃圾的安息角。 因此填装斗容积大小的确定应考虑以下几方面因素：使用条件（即斗内倾倒垃圾的方式） 。 如果垃圾车主要用来收集分散垃圾或袋装垃圾，则填装斗容积可以小些。若主要用来收 集桶装垃圾、斗装垃圾或手推车装垃圾、就要考虑一次装一桶还是两桶（或斗、车）等 等，总之填装容积应与此相适应。填装斗容积还应与车厢总容积相协调，大厢小斗会降 低装载效率；小厢大斗则造成材料和动力的浪费。此外还应能满足整车总布置和道路条 件的要求。 图 2-5 填装斗容积 d.装载厢在车厢上的锁紧 装填垃圾时，垃圾对装载厢的反作用力将使装载厢向后顶起而与车厢分离，导致填 装作业无法进行。所以当垃圾卸毕装载厢落座后必须将其下部锁紧在车厢上，这是填装 作业的需要 ，也是汽车行驶时防止装载厢跳动的需要。 最简单的锁紧方法是采用螺栓锁紧。即在车厢后端下部装一活节螺栓螺母机构。装 载用落座后 ，把活节螺栓插入装载厢的相应的槽口内，拧紧螺母即可锁紧装载厢。在需 要举升装载厢时，则先松开螺母，并把活节螺栓抽出槽口即可。这种机构虽然简单，但 操作并不便，并与整个专用装置的自动化操作脱节，同时也容易产生误操作。 第二种锁紧方法是采用销、契或钩子进行锁紧。活动紧固件的动作可由单独油缸或 气缸驱动。该油缸必须与举升油缸联锁，即开锁举升，以及落下锁紧，避免产生误 操作。如果把举升油缸行程设计得稍微靠前一些，利用这一超前的行程来驱动活动紧固 件，也可以获得同样的效果。 第三种锁紧方法：把装载厢和车厢的铰接设计成销子和长槽连接。举升油缸的下支 座焊接在车厢上，上支座焊接在装载厢侧壁上，当举升油缸刚伸出时，由于焊接在装载 厢侧壁下端的销子卡在焊接在车厢上的槽口内，因此装载厢不能转动。结果，举升油缸 顶起整个装载厢，使其沿斜向贴合面向上平移一段距离。与此同时铰接处的销子（固定 在装载厢上）从长槽（固定在车厢上）下端逐渐移动到上端。一旦销子从槽口内脱出 （即表示装载厢下部与车厢脱离约束，装载厢即可在举升油缸继续作用下，绕上铰接销 转动。当油缸回缩时，因装载厢质心在油缸支座的后侧（右侧） ，因此销子与长槽仍继 续保持原 来接触位置，装载厢绕销子转动，落下并与车厢结合面相贴合，油缸继续回缩，装载厢 即沿贴合面下移，上铰接处销子回到起始位置，同时下部销子又进入槽口内，并将装载 厢锁住在车厢上。 2.2 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车专用装置液压原理 图 2-3 为装填机构的一个工作循环示意图，其中循环动作顺序为：a-b-c-d-e-f-g- a。液压原理图如下 2-6。在液压系统13的作用下，通过三位四通换向阀的换向，使得压 实油缸与清扫油缸伸缩，来实现滑板（压实板）的升、降和刮板（清扫板）的旋转，控 制滑板和刮板的各个动作，对已倒入装载厢装填斗的垃圾，通过装填机构的扫刮、挤碎、 压实，被压入车厢。当压向推板上的垃圾压力到达一定程度时，由于推板油缸存在有背 压，液压系统会使推板自动向车厢前部逐渐移动，使垃圾被均匀地压缩，工作过程如下 10： a.初始位置：将垃圾倒入装填器，启动油泵电机，液压油经过粗滤器、开关和油泵进 入液压回路； b.当装填斗装入垃圾后，操纵三位四通换向阀，将换向阀打至右位，使液压油进 入清扫（刮板）油缸的下腔，推动其活塞向上运动，从而使清扫板（刮板）逆时针转动。 此时，滑板（压实板）不动； c.清扫油缸缩至最短，清扫板（刮板）油缸活塞运动到最高点，即刮板（清扫板）逆 时针转动到上止点，回转到位； d. 清扫板不动、压实板下落：操纵三位四通换向阀，将换向阀打至左位，使液 压油进入压实（滑板）油缸的上腔，推动其活塞向下运动，从而使压实板（滑板）向下运 动。当压实板（滑板）运动到下止点时即压实油缸缩至最短时运动停止。此时装填机构完 成工作准备阶段； e. 压实板（滑板）油缸向下运动到下止点时停止运动，滑板（压实板）下落到位， 停止不动；反向操纵三位四通换向阀，即把换向阀打至左位，使液压油进入清扫（刮 板）油缸的上腔，推动其活塞向下运动，使清扫板（刮板）顺时针转动，刮板（清扫板） 开始清扫动作，扒入垃圾，将垃圾进行初步的压缩； f. 清扫（刮板）油缸顺时针运动到下止点时停止运动，刮板（清扫板）顺时针旋转 到位，停止不动，此时，操纵三位四通换向阀，将换向阀打至右位，使液压油进入压 实（滑板）油缸的下腔，推动其活塞向上运动，从而使压实板（滑板）向上运动；滑板 （压实板）上升，碾碎垃圾，对垃圾进行再次压缩；由于卸垃圾时，推板在推卸料油缸的 作用下，将垃圾推出车厢并由于顺序阀的压力而停留在车厢后部，当垃圾被推入车厢后， 推板受到来自压实油缸施加给垃圾、并经垃圾传递过来的压力，此压力克服平衡阀的背压， 在此过程中，垃圾被三次压缩并逐步将推板推向车厢前部； g. 压实油缸运动到上止点时停止运动，滑板（压实板）上升到上止点，即回到初始 位置，完成一次工作循环。 (a) (b)(c) (d) (a) 举升油缸（b）推板油缸 （c）清扫油缸（d）压实油缸 图 2-6 XZ5110ZYS 后装压缩式垃圾车液压原理图 溢流阀14 1）溢流阀的作用是：调节泵的出口压力，把多余的液压油引入油箱。使液压系统液 压输出压力保持恒定的压力值。一般用于有定量泵的液压系统，阀口常开。 2）溢流阀一般用作溢流阀、安全阀、背压阀和远程调压、系统卸荷使用。 与安全阀的相同点：符号与安全阀相同。 与安全阀的区别： 安全阀的作用是当系统压力超过规定值时，进行卸载，阀口常闭。 溢流阀一般用于定量泵，安全阀一般用于变量泵。 如图 2-7 所示，溢流阀使液压系统液压输出压力保持恒定的压力值，图 2-8 所示为 推板油缸部分的可调溢流阀。 (a) (b)(c) (d) (a) (b)(c)(d) 图 2-7 系统溢流阀 图 2-8 推板油缸溢流阀 举升油缸 (a) (b)(c) (d) 图 2-9 液压系统举升部分 三位四通电磁阀的弹簧采用自动复位，目的是使在扳动操纵手柄后，当操作人员松 开手柄后，举升油缸能使得装填厢停止在任意位置。 工作过程： 手柄向左扳动，控制阀在的位置，液压油进入举升油缸下腔，活塞伸出，使装 (a) (b)(c) (d) 填厢举起。 手柄向右扳动，控制阀在的位置，液压油进入举升油缸上腔，活塞回缩，使装填 (a) (b)(c) (d) 厢下落。 单向节流阀的作用是控制举升油缸的下降速度，使装填厢恒速下降，以防止装填厢 下降速度太快，增强安全性。 使用液控单向阀的目的是能通过液控单向阀回油。 推板油缸 (a) (b)(c) (d) 图 2-10 液压系统推卸料部分 工作过程： 手柄向右扳动，控制阀在的位置，进油口进油。液压油进入举升油缸下腔，活塞 (a) (b)(c) (d) 伸出，使推卸料油缸活塞前伸，推动推板，将垃圾推出车厢。 手柄向左扳动，控制阀在的位置，推板油缸停留在车厢的最后端，当装填机构 (a) (b)(c) (d) 的压实油缸将垃圾压入车厢时，由于有背压的作用，活塞逐渐回缩，直至推板回到车厢 的最前端。 清扫油缸 (a) (b)(c) (d) 图 2-11 液压系统清扫部分 三位四通电磁阀的弹簧采用手动复位，目的是使在扳动操纵手柄后，当操作人员松 开手柄后，清扫油缸能继续工作，直到相应的止点为止。 工作过程： 手柄向右扳动，控制阀在的位置，液压油进入清扫油缸上腔，活塞回缩，使清扫 (a) (b)(c) (d) 油缸逆时针旋转，准备进行清扫垃圾。 手柄向左扳动，控制阀在的位置，液压油进入清扫油缸下腔，活塞伸出，使清 (a) (b)(c) (d) 扫油缸顺时针旋转，清扫垃圾（对垃圾进行第一次压缩） 。旋转到位后，保持在终点状态。 压实油缸 (a) (b)(c) (d) 图 2-12 液压系统压实部分 三位四通电磁阀的弹簧采用手动复位，目的是使在扳动操纵手柄后，当操作人员松 开手柄后，压实油缸能继续工作，直到相应的止点为止。 工作过程： 手柄向右扳动，控制阀在的位置，液压油进入压实油缸上腔，活塞回缩，使压实 (a) (b)(c) (d) 油缸下降（同时带动清扫油缸下降） ，准备在清扫油缸工作完毕之后，对垃圾进行二次压 缩。 手柄向左扳动，控制阀在的位置，液压油进入压实油缸下腔，活塞伸出，使压 (a) (b)(c) (d) 实油缸上升（同时带动清扫油缸上升） ，压实垃圾（对垃圾进行二次压缩） ，并最终将垃 圾推入车厢。当垃圾被压入车厢后，由于推板液压油路的背压阀有背压作用，将推板厢 前推动一段距离。 第三章第三章 XZ5110ZYSXZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车装填机构分析及优化设计型后装压缩式垃圾车装填机构分析及优化设计 后装压缩式垃圾车的装载容积和装载质量，取决于两个方面的因素：一、车厢的容 积；二、垃圾被压缩的程度。 车厢容积和装载质量的大小是由垃圾车底盘决定，在车厢容积确定以后，能否达到 设计的装载质量，则取决于装填机构的压缩能力和卸料机构的推力，其中装填机构的压 缩效果，最终决定了后装压缩式垃圾车装载质量和整车的制造质量。 如果希望在后装压缩式垃圾车的整车基本参数16给定的情况下，即在车厢容积、装 载质量和整车总质量确定的情况下，装填机构能最大限度地将垃圾压缩，并且压缩平稳、 能获取最大的压缩力，达到预期的设计目标，就必须考虑以下几个问题： 1、尽可能地使装填机构的压缩力的水平分力最大； 2、使卸料机构的推力最小； 3、如果装填机构的压实力满足在即将装满时能将垃圾压缩进车厢，则可以认为装填 机构满足设计要求。需要卸料油缸的最大推力发生在满载卸料开始时刻，需要装填机构 的最大压缩力发生在即将装满车厢的时候；可以认为，满载卸料开始时刻的推板推力的 水平分力与即将装满车厢的时压实力的水平分力相等，因此，在计算最大压实力时，应 先分析推卸料机构的受力情况，计算出推板最大推力，此力即为最大压实力； 4、装填机构在工作周期内运动平稳。 本章首先对推卸料机构进行力学分析，在此基础上，对装填机构进行运动分析，建 立其数学模型，对其进行优化设计，最终确定装填机构的有关参数。 3.1 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车推卸料机构受力分析4 XZ5110ZYS 型压缩式垃圾车根据我国国情的实际情况，采用推挤卸料结构，这种结 构的优点是： 1. 对整车质心位置、稳定性、驻坡度等总体性能均有利，有效地避免了由倾翻卸料 带来的质心后移的危险； 2. 简化了车厢和车架结合处的结构。 由于在推卸料时，推卸料油缸主要克服垃圾与底板和内壁产生的摩擦力，因此，计 算推力时，应考虑的垃圾与底板的摩擦力、垃圾内壁的摩擦力等因素。由于在卸料开始 时刻所需卸料油缸液压推杆推力最大，而此时卸料油缸推杆又处于最不发力位置，因此， 在分析推料油缸和推板的受力时，应求出其在卸料开始时刻时的受力情况，并以此为依 据，进行相关的计算，选择或定制推卸料油缸、压实油缸、确定装填机构的初始尺寸， 为优化设计提供原始参数。 3.1.1 垃圾与底板的摩擦力 根据有关材料，非金属的静摩擦系数大致如表 3-1： 表 3-1 非金属的静摩檫系数 垃圾车推卸料机构及其受力情况如图 3-1、图 3-2 所示，取垃圾与钢板的静摩擦系数 00.4。现求最佳 角和最小 F 值。 图 3-1 推卸料机构示意图 图 3-2 推卸料受力分析图 摩擦副材料 静摩擦系数（0） 石金属0.30.4 木金属0.6（干） ；0.2（湿） 土土0.10.25 石土0.5（干） ；0.3（湿） 木石0.4 木木0.20.5 三级油缸 车厢轮廓 推板 0N mg N F1 0 1 2 0 1 根据受力平衡条件有： 0sin 0cos 1 01 mgFN NF 解得： （3-30)sin(cos01FmgF ） 于是： （3-4） sincos0 0 1 mg F 显然，当为最大值时，F1的值最小。为此，用数学方法构造一个三角形，sincos 0 来求得最佳值，其配方如图 3-3： 图 3-3 摩擦系数配方图 （3-5） )cos(1 )sinsincos(cos1 )sin 1 cos 1 1 (1sincos 2 0 2 0 2 0 0 2 0 2 0 0 显然，当 时，获得最大值。1)cos( 此时： （3-6 2 0 0 2 0 0 0 0 1 1)cos(1 sincos mgmgmg F ） 又： ,tan 0 故： ,tan 0 所以： （3-7 0 arctan ） （3-1） （3-2） AF1cos L h F W1 F2 W2 B 由 00.4 可得： （3-8） 84214 . 0arctanarctan 0 0 故当只计算垃圾与底板的摩擦时，需要的最小推力为： （3-9 8421sin8421cos 4 . 0 sincos 00 0 0 1 mgmg F ） 3.1.2 垃圾与车厢左、右侧壁和上壁的摩擦力 斜置的推板受力情况如图 3-4 所示，推板通过 A 处的导槽和 B 点的导轮支持，可在车厢 侧围上滑动。若车厢的长、宽、高分别为 a、b、h，车厢内受挤压的垃圾产生的压强为 p。 图 3-4 推板受力图 卸料过程中，压缩的垃圾在车厢左、右侧壁和上壁产生的摩擦阻力 F2为： （3-10）)2()2(2bhfpafpbahaF 式中：垃圾与车厢壁之间的静摩擦系数；f 受挤压的垃圾产生的压强。p 3.1.3 所需要推卸料油缸的最小力 由上述 1、2 知，推料油缸所需要的最小力为： （3-11） cos 2 1 F FF 3.1.4 压实油缸推力计算 在车厢即将装满时，所需要的压实油缸的压实力的水平分量最大，因此，压实油缸 的选择应以在车厢即将装满时为设计依据。可以认为，此时压实油缸压实力的水平分量 满足大于或等于推卸料油缸在卸料开始时刻的推力的水平分量，就可以将垃圾完全地压 进车厢，达到设计要求。 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车初始设计参数： 1）推料板的倾角为：； 0 73 2）车厢有效的长、宽、高： ； 169521603212mmmmhba 3）垃圾与车厢左、右侧壁和上壁的摩擦系数取为：；1 . 0f 4）推板自重：；NW28561 5）装载质量：；KgmgG5500 6）卸料推板尺寸：；mmmmS16952160 7）受挤压的垃圾产生的压强：由于装填机构将垃圾压入以及推卸料机构驱动推板将p 垃圾推出时，垃圾的密度的不确定性，因此，垃圾在传递压实力和推力时既不是固体传 递，也不是液体传递，在长度方向上垃圾与车厢左、右侧壁和上壁产生的摩擦力也不相 等，鉴于此，根据相关文献，取=11503N/m2；p 8）由上述 7）的分析以及表 1-1，取垃圾与车厢左、右侧壁和上壁的摩擦系数为： ；1 . 0f 于是： N bhapfmgF FF 40523 8421cos )160 . 2 695 . 1 2(1 . 011503212. 3 8421sin4 . 08421cos 8 . 955004 . 0 cos )2( sincoscos 000 0 02 1 由于此时清扫油缸压力固定，因此在压实油缸动作时，可以把清扫油缸与清扫板视为一 个刚体。显然，此时压实油缸推杆的推力（见图 3-6）的水平分量应大于等于推板卸料cF 油缸推杆推力的水平分量，即： coscosFFC 从而求得： （3-12） cos cosF Fc 式中为装填角，当确定以后，就可以根据式 1-12 计算出的值。 c F 3.2 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车装填机构运动学分析与优化设计5 装填机构运动如图 3-5 所示（工作原理见第二章：压缩式垃圾车装填机构工作原理 研究） ，清扫板首先对垃圾进行预压缩，当清扫板转到规定的角度之后，压实油缸动作， 将垃圾最终压缩并且推入车厢。 在垃圾车的容积、设计装载质量、卸料推板的最大推力和车厢后倾角已经确定的情 况下，对垃圾的压缩程度有着决定性的影响的因素有：装填角的 图 3-5 装填机构运动示意图 大小、压实油缸推力的水平分量、压实油缸在装填机构上的铰接点位置、清扫油缸的下 止点位置和清扫板对垃圾的预压缩程度；但是目前我国对装填机构的研究很少，产品的 设计基本是比较设计、采用测绘或经验取值的方法，这极大地限制了产品性能的进一步 提高。因此，本节在对装填机构进行分析的基础上，对其进行优化设计，力求根本上改 善装填机构的性能。 3.2.1 装填机构的优化模型9 根据图 3-5，建立如图 3-6 所示的装填机构分析图。 装填机构工作时，清扫板首先动作，将垃圾进行预压缩，对其要求为，清扫油缸和 清扫板在工作周期内应平稳，以防产生冲击，造成清扫垃圾时产生不能正常工作、降低 清扫油缸销的使用寿命。 x y x y A B C D E Fmax FA Fc L1 L2 L3 L4 L5 图 3-6 装填机构受力分析图 因此，清扫油缸运动的平稳性就成为设计时应首先考虑的因素。 由第二章图 2-3：XZ5110ZYS 型压缩式垃圾车装填机构工作原理图可以看出，在装填 机构的一个工作循环中，在清扫油缸动作时，压实油缸保持不动，即压实油缸此时应有 足够的压力来保证清扫油缸动作的稳定性和平顺性。 清扫油缸完成预压缩以后，压实油缸动作，将垃圾压缩、挤压，最终推进车厢。在 压实油缸选定，即压实油缸的推力已经确定的情况下，装填角越小，压实油缸推力的水 平分量越大，压实效果越好，但是水平分量增大时，其垂直分量变小，使向上的分力减 小，也会降低压缩效果。因此，应综合考虑压实油缸的推力的水平和垂直分量，使之达 到最佳压实效果。 根据上述分析，确定装填机构的优化目标为： （1）清扫机构的优化目标为：工作平稳，在清扫油缸的有效动作范围内，要求清扫 油缸运动尽量平稳，从而使液压系统的压力波动尽可能地小。 （2）由于装填角的正确选取，对于装填机构的工作效率以及整车的设计质量有着 决定性的影响，因此为了使压实油缸能兼顾压实油缸推力的水平分量和垂直分量，可将 压实机构的优化目标确定为：在压实油缸的有效动作范围内，要求压实油缸运动尽量平 稳，液压系统的压力波动尽可能地小。 1. 装填机构运动学分析3 如图 3-6 所示，在中，由余弦定理得：ABC （3-13cos254 2 5 2 4 2 3 LLLLL ） 清扫油缸工作，使得清扫板绕 B 点转动，由式 3-13 知，其转速与清扫油缸的伸缩速 度之比为： （3-14） sin 54 3 3 1 LL L L H 在中： ADC （3-15）321LLL （3-16）cos221 2 2 2 1 2 3 LLLLL 由于在压实油缸动作时，已经为一固定值，可以作为常量处理，所以由上式可得：3L （3-17 sin )cos()cos( 21 21 1 2 12 1 2 LL LL L L LL L H ） 现在求的表达式：由于在压实油缸向上运动的过程中，为一定值，则在 1 2 L L 中，由正弦定理有：ADC )180sin(sin 0 12 LL 由上式得： （3-18） )cos( )sin(sin 2 1 2 1 L L L L 联立式 3-17、式 3-18 得： （3-19） )cos()cos(sin)sin( )cos()cos(sinsin 211 121 1 2 LLL LLL L L 2. 设计变量的确定 由上述分析可知，影响装填机构工作的主要参数为： 、1L2L3L4L5L 等七个参数。如果要使装填机构够平稳工作，应使这些参数的取值最合理，由于和 3 L 是参变量，在优化前其值给定，因此，优化设计变量为：、。1L2L4L5L 3分目标函数的建立 由式 3-14 可知，油缸运动的平稳性可以用速比函数来表示。即对于清扫油缸运动的 平稳性要求可以转化为在清扫油缸有效运动范围内，使得最大速比与最小速比的比值尽 可能地小。因此，清扫机构的目标函数为： （3-20 min1 max1 1)( H H Hf ） 显然，油缸运动的平稳性可以用速比函数来表示。因此，对于压实油缸运动的平稳 性要求可以转化为在压实油缸有效运动范围内，使得最大速比与最小速比的比值尽可能 地小。因此，压实机构的目标函数为： （3-21 min2 max2 2)( H H Hf ） 4 约束函数的建立 装填机构的约束有三类1：a.结构约束；b.性能约束；c.边界约束。 a.结构约束： 工作周期内，先使清扫板逆时针旋转，完成准备工作，当压实油缸动作，使得清扫 油缸下降到清扫位置以后，再使之顺时针旋转，进行对垃圾的清扫，即预压缩。设计时， 应保证清扫油缸的伸缩使得清扫板的旋转平稳、且应在规定的角度范围内转动，于是有： （3-22） 0)(1Xg （3-23）)(2Xg 工作周期内，先使压实板下降，在清扫板完成预压缩以后，再使压实板上升，对垃 圾进行压缩，最终推进车厢，压实油缸的升、降使角发生变化，于是有： （3-240)(3Xg ） （车厢的后倾角为 730） （3-25 0 473)(Xg ） b.性能约束： 要求清扫油缸伸出的长度要合理，且应保证油缸的伸出长度使得清扫板不能发生自 锁。 （3-26）1)( min max 3 3 5 L L Xg （3-277 . 1)( min max 3 3 6 L L Xg ） 要求压实油缸伸出的长度要合理，有： （3-281)( min1 max1 7 L L Xg ） （3-297 . 1)( min1 max1 8 L L Xg ） c.边界约束： 优化参数的边界约束要根据实际情况确定，在设计时，应根据实际情况给出一些普 遍的边界约束条件，在得到结果以后再根据情况进行取舍。基于上述考虑，现设以下边 界约束： （3-300)(39 LXg ） （3-310)(46 LXg ） （3-0)(57 LXg 32） （3-0)(548LLXg 33） （3-3549)(LLLXg 34） （3-0)(110 LXg 35） （3-0)(211 LXg 36） （3-384)cos()(212LXg 37） （3-1695sin)(113LXg 38） （3-0)(3214LLXg 39） （3-13215)(LLLXg 40） 3.2.2 优化计算 （1）初始数据：初选最不利的装填角为 730，代入式 3-12 进行计算，根据计算出的 的值，初步选定压实油缸的缸径，再结合压缩比、装载厢和车厢总容积，初步确定 c F XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车的有关技术数据如表 3-2。 （2）优化计算过程：显然，本优化计算属于多目标函数优化设计问题，计算公式复杂， 并且需要优化的参数有五个，因此不适宜采用必须计算函数梯度的算法。 计算时首先采用乘除法将两个单目标函数统一起来，即统一目标函数为： （3-41）)()()( 21 HfHfXf 显然，优化目标函数的值逼近 1.0 时，装填机构各个部分的尺寸是最合理的，能最)(Xf 大限度地满足使用要求。随机方向搜索法不需要求偏导数，程序简单，计算时收敛性较 好，因此，统一目标函数后，采用随机方向搜索法，求得最优解28。采用 C 语言编程， 程序框图如图 3-7，源程序见附录，程序运行过程如下： 1）给定设计变量数目 n=5，初始变量的上下限, 5421 LLLLX 初始步长，步长收敛精度，产生随机方向最大次数；),2, 1(,nibaii0amaxN 2）随机产生初始点；在区间，利用产生的随机数，随机产生初始点的分),(iibair )0( X 量，求得；检验的可行性), 2 , 1(),( )0( niabraxiiii, )0()0( 2 )0( 1 )0( n xxxX )0( X 条件：如果满足，则进行下一步，否则重新随机产生初始点), 2 , 1( , 0)( )0( muXgu ，直至成为可行的初始点； )0( X )0( X 3）；aafXfXX00 )0( ,)(, 4）；jjk 0 , 1 5）在区间产生随机数，得单位随机向量：) 1, 1(), 2 , 1(niyi ，沿方向迭代，得到新的迭代点； n i i T n y yyy S 1 2 21, SSXX )0( 6）检验新的点的可行性：如果满足，进行（7） ，否则转至), 2 , 1( , 0)(muXgu （9） ； 7）检验新点的下降性，计算，若，进行（8） ，否则转至（9） ；fXf)(0ff 8），继续沿方向迭代，得到新的迭代点，, )0( XX0ff 1jjSSXX )0( 返回（6） ； 9）如果，则置，进行（10） ，否则返回（4） ；0jjkk1 10）如果，则进行（11） ，否则返回（5） ；maxNk 11）如果，则输出最优解，终止迭代；否则将步长减 XX)()( XfXf 半，即，返回（4） ，继续进行迭代。aa 5 . 0 3.2.3 优化设计分析与评估 在设计装填机构时应考虑其使用状况，应尽可能使装填机构工作平稳，满足其运动 要求，延长其使用寿命；装填机构应与装填斗的容积匹配，如果装填机构相对装填斗太 大，尽管能满足使用要求，但却造成了能源和原材料的浪费，增加制造成本，装填机构 相对装填斗太小，则会降低生产效率，有可能出现动力不足（对垃圾的压实力不足、清 扫垃圾不完全等） ，造成二次污染，缩短装填机构的使用寿命。 优化设计的结果如表 3-3，对 XZ5110ZYS 型后装压缩式垃圾车装填机构进行优化设计 的结果表明：1、的值由 2.89563 降到 1.01271，说明优化设计模型建立正确，大大)(Hf 增加了装填机构工作的平稳性；2、通过优化设计后的参数在满足使用要求的同时，减小 了机构，避免了“大马拉小车”的现象，为整车的设计更加合理创造了条件；3、达到了 在满足设计要求的前提下节约原材料、降低制造成本的目的。 表 3-2 装填机构初始设计数据 参 数初始数据 初始值（0） 39 终止值（0） 153 与水平面的夹角 旋转角度（0） 114 清扫板长度（mm）5L 195 压实板长度（mm