拉臂式垃圾车的改装设计

摘 要垃圾处理工作是城市建设和管理的重要内容，与人民生活密切相关。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，环卫部门需处理的垃圾从数量到种类都日益增多。无疑，垃圾处理工作量将加大，这样，垃圾处理的效率问题将是我们面对的一个重要问题。拉臂式垃圾车可将地下垃圾箱内的垃圾及垃圾箱一同拉至车上运走同时可自卸，降低了工人的劳动强度。该垃圾车的收运方式是目前世界上广泛采用的垃圾收运方式，可以实现一车多箱，大大降低了配备成本和空间等等；其专用装置的功能均以汽车发动机为动力，通过液压机构手动或电控来实现。车辆的箱体采用优质碳钢密封焊接结构，具有强度高、重量轻、不产生二次污染等优点。本文作为拉臂式垃圾车的设计说明，首先介绍了拉臂式垃圾车国内外研究现状，由于该类车的设计资料我国尚不完善，考虑该车同时能实现自卸功能，故参照自卸车相关设计方法对车厢箱体、举升机构、副车架及翻转架进行设计，并对不同设计方案进行了比较分析，保证了拉臂式垃圾车的先进性及实用性。关键词：自卸功能；举升机构；一车多箱；液压机构；翻转架is an of is to s As of of s to an of Its no of in of be a up to s of by by or of it as of as of at by of to of to 摘 要6第2章拉臂式垃圾车主要性能参数选择8第3章拉臂式垃圾车车厢的结构与设计12第4章 举升机构的设计26第5章液压系统设计22第6章副车架的设计30结 论31参考文献32致 谢33附 录A34附 录B37第1章绪 以实现一车多箱，大大降低了配备成本和空间等等；其专用装置的功能均以汽车发动机为动力，通过液压机构手动或电控来实现。车辆的箱体采用优质碳钢板全密封焊接结构，具有强度高、重量轻、不产生二次污染等优点 1 。车工业作为国家支柱产业获得了迅猛发展。专用汽车作为汽车工业的重要组成部分，也获得了快速发展。一方面，随着产业政策逐步落实和行业标准法规政策不断完善，从政策标准法规上规范生产、提高技术水平及产品质量；另一方面，随着我国城市化建设、高速铁路建设、公路建设及道路运输业的快速发展，为我国专用汽车提供了大量的市场需求，专用汽车的产品品种日趋丰富、合理，产品质量、技术水平不断提高，年产量也大幅提高。我国专用汽车起步于20世纪50年代末60年代初，早期主要侧重于应用。虽然应用较早，但全面发展始于20世纪80年代，比发达国家晚了近 30年。经过20余年的发展，我国专用汽车已经具有一定规模，特别是近年来，我国专用汽车发展迅速。据资料统计，1999年全国专用汽车生产厂546家，2005年专用汽车企业628家，2006年已经增加到800家；生产能力也有了长足的发展，004年为35万，2005年为50万辆，2006年已接近60万辆，2007年更是达到了70万辆。目前，我国专用汽车产量占载货车总量的40%左右，有接近5000个产品品种，已经成为我国汽车工业的重要组成部分。预计“十一五”期间，我国专用汽车产品将达到6000个品种，年产量90万辆，占当年载货车产量的 65%。另外，我国专用汽车产品与发达国家和地区的专用汽车产品相比已基本接近，虽然在一些方面和发达国家和地区的同类产品相比还有一定差距，但总体上我国专用汽车行业在国际专用汽车行业中已占有重要地位，已经基本具备参与国际市场竞争的能力。产品品种、档次、工艺装备、自主研发等方面都有了很大提高，基本实现了从进口向出口的转变。“十五”期间，专用车企业大多进行了结构调整，很多中小企业通过改制、兼并、重组等方式基本实现了企业性质的转变。大多数专用车企业拥有完备的产品研发体系，少部分产品已达到国际先进水平。种多样化专用汽车产品是专门为特殊用途服务的，随着社会经济、技术的发展，由于专用汽车服务的广泛性和专业性，形成了专用汽车多品种的特点。目前世界上专用汽车品种发展速度极快，功能要求越来越细，专用化程度越来越高。由于各行业的特点不同，我国专用汽车及其底盘发展趋势对具体品种的需求量也不同。未来专用汽车新品种将主要集中在城市建设与服务和高等级公路运输与管理两大板块，专用汽车市场将出现多个热点同时并存的局面，从而形成市场的多元化。2、材质轻量化汽车轻量化是在保证汽车整体品质和性能不受影响甚至提高的前提下，通过合理的结构设计和使用轻质材料来尽可能的降低产品自身重量。围绕节能、环保、降低成本以及提高动力性、经济性、可靠性、安全性等基本性能，各国专用汽车企业都开展了新技术、新材料、新工艺的研究开发工作。欧、美、日在20年前就开始研究新材料的应用，主要是铝、镁合金和工程塑料等。而我国专用汽车行业的轻型材料的应用与之相比，还有不少的差距，铝合金及不锈钢材料的罐体、厢体的应用才刚刚起步。因此国家有关部门在加大管理、改革税收的同时，要积极引导用户去购买经济性好的轻量化产品，切实推进我国专用汽车的轻量化。3、产品重型化统计数据显示，2007年重型卡车的市场销量为487481辆，从中长期来看，推动重型卡车行业增长的因素主要是公路货运需求、基础设施建设和房地产开发投资等。同时，道路条件的改善和交通运输业的发展为公路运输的高速化、集装箱化创造了良好条件，为大吨位、大功率、多轴化专用汽车的广泛应用提供了广阔空间。“十一五”期间，根据专用汽车产品需求新格局，适合高等级公路运输的重型牵引车、各种半挂汽车列车，适合于物流系统需求的各种重型厢式汽车等将会得到快速发展。4、产品高技术、高附加值随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，市场对高技术、高附加值专用车产品的需求将会增强。同时，随着市场竞争的加剧，产品成本的增加，劳动密集型产品以价格取胜的竞争优势将被进一步弱化，企业之间的竞争也将会转向高技术、高附加值产品的竞争。“十一五”规划，国家提倡机、电、气、液、微电子、智能化技术的综合应用，将能够大大增强专用车产品的附加值和技术含量，提升性价比，通过鼓励自主创新的政策将引导企业不断提高产品的使用功能和附加值，推动粗放式产品结构向知识经济结构转变。5、企业合资合作、资产重组趋势“十五”期间，欧、美、日等地区受劳动力价格及经济低迷状况的制约，专用车生产企业纷纷来中国进行合资合作。如：湖北双龙引进美国前卸式混凝土拌车技术、东莞永强与卢森堡宝亚公司合作生产消防车等等。通过合资合作，我国专用汽车行业的产品质量及工艺水平有了很大的提高。“十一五”期间，发达国家进入中国专用车市场的频率和幅度将大幅增加，中高端产品会快速发展。据我国经济方针和产业政策，国家将继续加快国有中小型专用车企业改革，通过管理、技术入股等方式建立现代企业制度；鼓励企业通过强强联合、兼并、重组等方式，组成有国际竞争力的大型专用汽车集团；支持有特色的专用车企业提高科技含量和产品集中度，逐渐形成国有民营并存、整车和零部件相协调的发展格局。芬兰百特科集团已有104年的历史，一些大的垃圾车制造公司已经能生产出技术成熟的拉臂车产品，如芬兰的百科特货运装卸技术公司、美国的兰的海沃（德国的广泛应用在市政、建筑公司和废弃物处理回收等行业。我国拉臂车在装卸能力、安全系统、材料及快速作业等方面都不如国外同类产品。其原因除加工工艺落后外，主要是我国在这方面的研究还是最近十几年的事情，因此引进国外产品进行消化吸收不仅可以节约大量的资金和时间，而且在技术上能够实现迅速赶超。目前我国对拉臂车的研究主要集中在高校及科研单位。同济大学机械工程学院的盛金良、李刚为改善拉臂式垃圾车的性能，以拉臂车工作平稳性和降低液压系统压力波动为目标，建立了数学模型，并采用计算机编程的手段对其进行优化设计，改善了工作装置的结构。同济大学的王晓和黄宗益与上海环境科技装备有限公司合作，首次对旋转式拉臂车进行运动学、动力学数学建模和优化设计，并与普通拉臂车的动力学特性进行了对比，有效地降低了液压缸所受的作用力，减少了卸料作业过程中箱体的倾斜角度，使其综合性能得到显著提高。河北工程大学的王桂梅、李江波等采用多体动力学软件拉臂车的性能能分析和参数优选集成起来，实现了产品的虚拟设计：针对产品生产的小批量、多品种的特点，通过参数化手段，方便的进行模型间的切换，体现了并行设计的优势。青岛大学的刘大维、陈焕明等针对拉臂车工作装置变负载、多工况的工作特点，利用系统动力学仿真分析软件得到较为真实的动力学响应，将箱体滚轮与地面、箱体与副车架导向轮定义为非线性弹簧析结果表明：机械拉臂车工作装置动态分析提供了一种有效方法。广西大学的陈树勋、王海波等以拉臂式压缩垃圾车的车厢为研究对象，首先建立垃圾箱内压缩垃圾的变密度函数，利用得各种实际工况下拉臂与汽车底盘作用在车厢上的包括瞬时加速度、惯性力等在内的实际载荷；在对拉臂式垃式压缩垃圾车车厢进行结构有限元分析的基础上，采用满足结构强度要求的前提下，使结构质量减少31%。广西大学的梁光明利用到了拉臂机构在不同工况下的受力情况，为拉臂机构的有限元分析提供载荷边界条件，并利用拉臂结构惊醒优化迭代计算，得出满足刚度与强度要求的结构总重量最小化的设计方案。长沙环卫机械研究中心的周敏介绍了5对换箱工况的拉臂装置受力分析进行讨论，得到了拉臂完成换箱、倾卸动作的回转铰支点的位置参数、拉臂换箱回转半径、拉臂油缸活塞杆端回转半径的设计原则，及油缸安装角的取值范围。为我们提供了如此美丽的环境。但是随着社会经济的迅速发展和城市人口的高度集中，生活垃圾的产量正在逐步增加，我们的这个家园正在被垃圾所包围。一般生活垃圾可分为废纸、塑料、玻璃、金属和生物垃圾等五类。垃圾对人类生活和环境的主要危害是：第一、占地过多。堆放在城市郊区的垃圾，侵占了大量农田。垃圾在自然界停留的时间也很长：烟头、羊毛织物15年；橘子皮2年；易拉罐80100年；塑料100200年；玻璃1000年。第二、污染空气。垃圾是一种成份复杂的混合物。在运输和露天堆放过程中，有机物分解产生恶臭，并向大气释放出大量的氨、硫化物等污染物，其中含有机挥发气体达100多种，这些释放物中含有许多致癌、致畸物。塑料膜、纸屑和粉尘则随风飞扬形成“白色污染”。第三、污染水体。垃圾中的有害成份易经雨水冲入地面水体，在垃圾堆放或填坑过程中还会产生大量的酸性和碱性有机污染物，同时将垃圾中的重金属溶解出来。垃圾直接被弃入河流、湖泊或海洋，则会引起更严重的污染。第四、火灾隐患。垃圾中含有大量可燃物，在天然堆放过程中会产生甲烷等可燃气，遇明火或自燃易引起火灾、垃圾爆炸事故不断发生，造成重大损失。第五、有害生物的巢穴。垃圾不但含有病原微生物，而且能为老鼠、鸟类及蚊蝇提供食物、栖息和繁殖的场所，也是传染疾病的根源。许多的垃圾堆积在一起，不仅占用很多的土地，而且会产生一些有毒有害的物质，发出阵阵的臭味，污染空气、水源。同时，滋生蚊、蝇、蟑螂、老鼠，传播疾病，对人们的健康危害极大。许多的垃圾堆积在一起，不仅占用很多的土地，而且会产生一些有毒有害的物质，发出阵阵的臭味，污染空气、水源。同时，滋生蚊、蝇、蟑螂、老鼠，传播疾病，对人们的健康危害极大。目前，全球每年产生的垃圾量在激增，达到500亿吨，这就需要更多的土地来堆放垃圾。然而，能堆放垃圾的特殊留用地已越来越难找到；垃圾填埋时，化学物质可能泄露，污染地下水和土地；此外，如果利用焚烧处理垃圾，有可能造成空气污染。面对过量的废物，最有效的解决方法就是将垃圾妥善的集中收集起来并通过专用车辆对其运输最终进行筛选回收再利用或进行科学的统一处理。拉臂式垃圾车是目前垃圾收集、运输环节应用十分广泛的专用车辆，在垃圾运输过程密封性好不会产生二次污染等危害。人民生活密切相关。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，环卫部门需处理的垃圾从数量到种类都日益增多。无疑，垃圾处理工作量将加大，这样，垃圾处理的效率问题将是我们面对的一个重要问题。垃圾的处理包括垃圾的收集、运输及最终处理，其中垃圾运输是重要的一环，这不仅因为它的效率直接影响整个垃圾处理工作的效率，而且如运输工具选择不慎，会在运输过程中产生泄漏、废气等污染，严重影响垃圾处理工作及城市环境。拉臂车是一种箱体可自卸式的垃圾转运车辆，其车载工作装置通过连杆机构实现箱体自动装卸和垃圾倾斜的功能。由于这种车辆工作效率比较高，因此被广泛用于多种货物的箱体装、运、卸服务。其工作原理是在垃圾中转站，利用拉臂车的车载工作装置，将垃圾集装箱拉上垃圾车，然后运往垃圾处理点进行卸料。卸料时不需要卸下垃圾集装箱，直接将集装箱推起、倾卸，倒出其中的垃圾。清空后，垃圾车直接把空的集装箱运回垃圾中转站。其特点是操作简便、工作效率高、机动性能好、车厢密封性好、运输垃圾量大、不易污染环境、适用于采用垃圾集中收集方式的垃圾处理系统。车总体尺寸外形尺寸（ 高宽长 ） 214018905310 轴距 3000） 1380/1458(悬 10329离去角 15最小离地间隙 整备质量 0m 、厂定最大总质量 质量利用系数 G 等。1、厂定最大装载质量 于本设计中拉臂式垃圾车需要实现自卸功能，因此这里取最大装载质量为20002 。2、整备质量 0的是装备齐全、加满油水的空车质量。它等于底盘的整备质量与汽车改装部分之和。改装部分质量包括取力器装置、液压系统、举升机构、副车架、货厢以及其它改装附件的质量。在总体设计时，常参考同类样车及总成，进行零部件称重或质量分析，初步估算出改装部分质量与整备质量。这里参考同类车型取整备质量为3490、汽车总质量 按规定装满货物、司机和乘坐人员的整备质量。可按下式计算：P 0m 自卸车整备质量，厂定最大装载质量，员质量（每人按65kg）5685量利用系数 GG 是厂定最大装载质量与其整备质量之比 G ( 越大，则该车材料消耗少，材料利用率高。因此 可反映汽车设计制造水平。提高 G 的主要措施在于设法减轻倾卸机构与货厢质量。一般3吨以下轻型自卸车之 G3 。厢底部与车架平面之夹角。它取决于常货物静安息角的大小。多数货物静安息角在4045 范围。故为保证卸货干净，一般自卸车最大举升角通常取5060 。此外，尚应注意在最大举升角时，车厢后板下垂最低点与地面保持一定卸货高度。举升时间指满载时从开始举升至最大举升角所需时间。降落时间系指空载时货厢从最大举升角降至车架的时间。此两项参数太长将影响运输生产率；太短又势必增大液压系统负荷。故一般设计举升时间要求为15落时间要求为84 。量参数以及其他性能参数进行了确定。整车尺寸参数通过选取二类底盘来确定，质量参数中的整备质量对汽车的制造成本和燃油经济性有较大影响，质量系数正是反映汽车制造先进性因素之一，本设计在充分考虑质量系数前提下选取了适当的汽车载质量和整备质量。第3章 此，其车厢的结构形式与自卸车车厢的结构形式大致相同，在车厢的设计流程中，车厢内部尺寸、造型、参数的可多参照自卸车车厢的设计进行参照。拉臂式垃圾车车厢为防止二次污染的产生，车厢整体采用全密封形式，在参照自卸车厢设计时需要多加出上盖板的设计。车厢是用于装载和倾卸货物。它一般是由前栏板、左右侧栏板。车厢底板固定在车厢底架之上。车厢的侧栏板、前后栏板外侧面通常布置有加强筋。后倾式车厢广泛用于轻、中和重型自卸汽车。它的左右侧栏板固定，后栏板左右两端上部与上栏板饺接，后栏板借此即可开启或关闭。本设计所采用的车厢为改装后的后倾式车厢，6号方管与126全面分析车厢的工作条件、受力状态、工作环境和零件失效等各种因素的前提下，选用165 。了防止紧急制动时货厢与驾驶室之间留有100体宽度主要由底盘轮距1458用要求及法规限宽的因素决定,这里取车厢宽度为1500体高度由改装后的质心高度（影响汽车的行驶稳定性）决定，在满足装载容积及装卸方便的情况下，应尽量减小厢体高度，以降低质心，提高汽车行驶稳定性，这里取车厢高为10006 。将全金属焊接车厢设计成等刚度体车厢是车厢设计的重点。但是很难既能保证高强度又能保证轻量化。就整车而言，可以看成由车轮、前轴、后桥壳、悬架、车架、车厢及其橡胶缓冲块等不同刚度单元组合而成的弹性体，受力时，将按照各自的刚度产生各自的变形，其变形量与刚度成反比，吸收的能量与刚度成正比。车厢刚度，无论是弯曲刚度还是扭转刚度，都会增加车架的相应刚度，两者的刚度是相辅相成、互相补偿的。当汽车前后左右车轮处于高差较大的路面，车架扭曲较大时，车厢应该有一定的扭转随动性。如果车厢的扭转刚度过大，当车架扭转到一定程度时，车厢前支承缓冲块相应的一侧压到极限位置，车厢纵梁的另一侧可能离开缓冲块，车厢前端的一大部分重量转移到一侧的车架纵梁上，纵梁可能超载损坏。如果车厢扭转刚度过小，能与车架扭转随动，当车架产生较大扭曲时，车厢可能因变形过大而过早损坏。全金属焊接等刚度车厢设计的规范化的定量的设计计算方法并不是很完善，根据一些经验，可以知道一些设汁规范和经验数据：车厢底板和侧梁断面应小些，布置应密集，这样易于形成等刚度。自卸汽车车架断面系数也应比同级吨位的货车车架大一倍。车厢的内部形状应为簸箕形，底板前窄后宽，单边角度1横端面下窄上宽，单边角度1这样，当车厢倾卸时，货物不易在车厢内卡住，易于倾卸。从车辆用途、装载质量、货物密度以及包装方式、尺寸规格等方面考虑，以便提高运输效率。车厢容积按下式计算9111 10 中 V车厢容积（ 3m ）;1、 厢内有效长度、宽度、高度（初选车厢尺寸：宽1500高：1000给定需要的容积厢长度 选取 2600车厢满载时，000 满此确定，本设计车厢尺寸 100015002600 板板板板 4 6 6 高度过高，对行驶稳定性产生不利影响；过低，则轮胎与地板下平面容易发生运动干涉，这是不允许的。影响车厢地板高度的主要因素有：轮胎直径、道路条件、悬架动挠度以及车辆空载时车轮与地板下平面之间预留的空间等。设计时该预留空间一般取230在大多采用自动锁启机构。当自卸汽车卸货时，车厢逐渐倾斜，当倾斜到一定程度，倾斜方向的车厢板便自动开启，使车厢内的货物卸出。卸完货后，车厢逐渐下落，直至落到原始位置，锁启机构使自动将车厢板锁住。本设计采用的门锁开闭机构原理简图如下，厢后门锁本车车厢后门锁结构简单，主要由一个挂钩手动完成锁扣，挂钩形状如图所示，在一端开有一孔供车厢上的圆销穿过，在挂钩外侧用螺栓加一挡片完成轴向定位，车厢需要锁止时，手动将拉钩扣在车厢后板上的另一圆销上即完成锁止，车厢后门被固定。时对车厢后栏板的锁止紧固机构进行设计。在设计过程中根据给定的任务数据和相关设计规范，确定多种设计方案，综合考虑各种方案的优缺点，最终选择本设计的设计方案。动架、车箱保险钩和保险钩油缸、以及副车架组成。拉臂架装置结构布置如图1所示, 拉臂采用的是不可伸缩的直角折弯式结构, 其一端与拉臂油缸的活塞杆端铰接于铰支点 形成了拉臂的回转轴心。拉臂油缸的缸头端铰接在副车架前端铰支点A 上 联动架后端轴心铰接在副车架后部的铰支点D , 形成联动架的回转轴心。联动架上设置了车箱保险钩和保险钩油缸7 。换箱和倾卸。当拉臂架装置进行换箱动作时, 首先抽出车箱保险销, 车箱解除了保险。拉臂油缸活塞杆伸长举起拉臂, 使拉臂绕铰支点C 顺时针回转, 拉臂钩就往后移动。如果副车架上装有车箱, 则车箱被推置地上。当地上车箱要提上车架时, 使拉钩先钩住车箱吊环,然后收缩活塞杆, 使拉臂以铰支点将车箱提上放平后,手动将保险销插入定位孔, 使车箱固定在副车架上。当拉臂架装置进行倾卸动作时, 与换箱动作不同, 车箱保险钩在整个倾卸过程中要处在保证拉臂与车箱不分离, 即拉臂、联动架及车箱通过车箱保险钩相互联结为一体, 以副车架后部的铰支点D 为轴心顺时针回转, 举升车箱直到卸去垃圾。车箱复位时, 只要拉臂油缸活塞杆回缩, 整个拉臂机构仍以铰支点直至车箱复位。受力情况不同。因倾卸工况与换箱工况的回转轴心不同, 拉臂油缸活塞杆回转半径比倾卸工况所需油缸的推力和拉力要小于换箱工况所需油缸的作用力。现仅对换箱工况拉臂架装置的受力分析进行讨论。示。在图2中是以拉臂回转轴心 点是拉臂油缸与副车架的铰支点 臂油缸作用力只的大小和方向随拉臂的转动而改变; 吊环位于拉臂钩的轴心)位置, 为油缸轴线与臂回转轴为连线为连线8 。拉臂式垃圾车在换箱过程中, 拉臂受力的两个典型工况是:当拉臂可从地面上吊装满载车箱; 当拉臂从副车架上吊卸车箱的初始状态 ;或者是拉臂倾卸满载车箱时, 未开始倾卸(车箱保险钩还未起作用)而拉臂先绕拉臂吊卸车箱时, 取拉臂作为分离体, 其平衡方程为: 0 中： F 、 为拉臂油缸作用力 B、 为油缸上铰接点吊装重力随着拉臂的位置变化而不同； 箱工况拉臂受力分析由图2可知： ；F ；F ）；（ B）；（ B E 。代入（1）式整理得： ）（ ）（）（ （2）式可计算出拉臂各位置受到的油缸作用力 当E 点时，代入（可计算出拉臂从副车架上吊卸车厢初始状态所需的油缸作用力0bF 值： ）（ 00b R 拉臂从地面吊装车厢初始状态时，当E 点, 11, 时，其平衡方程为： 00 据上述分析同理可得： ）（ 11b 1 R （分别可计算出 时拉臂油缸所受到的拉力和推力。43拉臂架装置结构参数选用与设计4a因拉臂车具有倾卸工作性能，故拉臂车最好选用自卸底盘，可根据所选定的底盘长度，确定拉臂架装置副车架的总长度。为了保证拉臂车进行换箱和倾卸动作时底盘受力合理，