（机械设计及理论专业论文）生活垃圾装载装置类型综合及设备研究.pdf

摘要 生活垃圾收集中转系统是垃圾综合处理的重要组成部分，也是目前垃圾处理系统中 耗资最大的环节。本文分析了生活垃圾压缩车垃圾装载设备研究的必要性，对生活垃圾 装载设备的若干问题进行了较为深入系统的研究，开发了具有自主知识产权的生活垃圾 装载设备。 确定了生活垃圾装载装置类型综合的方法及步骤，分别提出了装料装置、举卸装置 的设计目标，运用再生运动链法对装载装置进行了详细的类型综合，在此基础上按照设 计目标的要求对所有方案进行了优选，最终确定了生活垃圾装载装置的最优方案。 在生活垃圾装载类型综合及方案选优的基础上，对生活垃圾五杆举卸机构进行了设 计分析及尺度综合研究。 运用遗传算法对生活垃圾六杆举卸装置进行了运动优化设计，建立了目标函数和约 束条件，实现了垃圾翻斗举卸轨迹的优化，确定了相关构件的结构参数，为动力优化设 计和仿真打下了理论基础。 运用虚拟样机技术建立了六杆举卸装置的物理和运动模型，对举卸系统进行了运动 仿真及运动分析。在运动仿真及分析的基础上，对六杆举卸机构进行了参数化建模，通 过优化设计研究确定了举卸液压缸的位置和结构参数，实现了举卸机构的动力优化设计。 分析了生活垃圾装载设备的特点与要求，全面研究了各个功能模块的组成并对相 关模块进行了详细的设计。 本研究项是山东省自然科学基金项目( 2 0 0 3 z x 0 0 5 ) 的一部分，所设计的翻转式生 活垃圾五杆装载设备己获得国家专利( 专利号：z l2 0 0 4 2 0 0 4 1 2 6 3 ) ，研究内容作为“生 活垃圾压缩与转运技术研究及设备开发”项目的一部分获得了教育部科技进步二等奖( 证 书号：2 0 0 4 2 4 4 ) 。 关键词：生活垃圾压缩车，类型综合，装料装置，举卸装置，遗传算法，虚拟样机 技术，仿真 生耋堡三奎耋堡圭耋堡篓三 。，。：竺! 至竺! ! a b s t r a c t t h ec o l l e c t i o na n dt r a n s f e rs y s t e mi sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n ta m o n gt h ew a s t e i n t e g r a t ed i s p o s a ls y s t e m ，a n di sa l s ot h em o s te x p e n s i v eo n e t h en e c e s s i t yo ft h ew a s t e c o m p a c t i o nv e h i c l e sl o a d i n ge q u i p m e n ti sa n a l y z e d at h o r o u g hs t u d yo nt h ew a s t el o a d i n g e q u i p m e n ti st a k e n t h ew a s t ec o m p a c t i o nv e h i c l e sl o a d i n ge q u i p m e n tw ed e v e l o p e dh a s i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h en e wm e t h o da n dp r o c e d u r eo fm s w l o a d i n gd e v i c e st y p es y n t h e s i sa r ep r e s e n t e d ， c h a r g e rd e v i c ea n dl i f t d i s c h a r g ed e v i c e sd e s i g no b j e c t i v e sa r ep r e s e n t e d w i t hl i n k a g em e t h o d m s w l o a d i n gd e v i c e sa r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt od e s i g no b j e c t i v e s ，a l lp r o j e c t sa r es e l e c t e d ，t h e b e t t e rm s w l o a d i n gd e v i c e sa r ed e c i d e d u n d e rm s w l o a d i n gd e v i c e st y p es y n t h e s i st h em s wf i v e p o l el o a d i n gm e c h a n i s m s d e s i g na n dd i m e n s i o ns y n t h e s i sw e r er e s e a r c h e d t h ek i n e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no f s i x - p o l el i f t - d i s c h a r g i n gd e v i c ew a sc o m p u t e dw i t h g a o b j e c t i v ef u n c t i o na n dr e s t r i c t i o nw e r ee s t a b l i s h e d t h el i f t d i s c h a r g i n gt r a c ko fw a s t e t i p l o r r yw e r eo p t i m i z e d t h ec o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so fr e l a t i v ec o m p o n e n t sw e r e c o n f i r m e d w h i c hi st h et h e o r e t i c a lb a s i so f d y n a m i c a lo p t i m i z a t i o nd e s i g na n ds i m u l a t i o n t h ep h y s i c a la n dk i n e m a t i c a lm o d e lo fs i x - - p o l el i f t - - d i s c h a r g i n gd e v i c ew a se s t a b l i s h e db y v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y k i n e m a t i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i so ff i f f - d i s c h a r g i n gs y s t e mw a s m a d e a n dap a r a m e t e r i z e dm o d e lo fs i x - p o l em a c h i n ew a se s t a b l i s h e d t h el o c a t i o na n d c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sw e r ec o n f i r m e d ，a n dt h ed y n a m i c a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nw a sr e a l i z e d i tw a sa n a l y z e de l a b o r a t e l yt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u i p m e n to ft h i sm s w l o a d i n g e q u i p m e n t , s t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l ye v e r ym o d u l e so fi t , a n dm a d ep a r t i c u l a rd e s i g nd o rt h e m u t u a lm o d u l e s t h i sr e s e a r c hw a ss u p p o r t e db ys c i e n c ef u n do fs h a n d o n gp r o v i n c e i ti sp a r to ft h e i t e m s ( n o 2 0 0 3 z x 0 0 5 ) t h i sd e s i g n e do ft h ef i v e - p o l eo v e r t u r n i n gw a s t el o a d i n gd e v i c eh a s a l r e a d ya c q u i r e dn a t i o n a lp a t e n t ( n o 2 0 0 4 2 0 0 4 1 2 6 _ 3 1 i tm a d eg r e a tc o n t r i b u t i o nt oe d u c a t i o n d e p a r t m e n t ss c i e n c eh o n o r ( n o 2 0 0 4 - 2 4 4 ) k e yw o r d s ：w a s t ec o m p a c t i o nv e h i c l e ，t y p es y n t h e s i s ，c h a r g e rd e v i c e ，l i f t - d i s c h a r g ed e v i c e ，g a v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y , s i m u l a t i o n l i 独创性声明 y8 2 8 3 8 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的硬究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：缆磊 时间：) 口口，年月。姻 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：凌磊 时间：a 。f ，年月。a 日 导师签名：，0 扩呼号吐乒：。w ，年月a 工日 1 1 研究背景及意义 1 1 1 城市生活垃圾的现状 第一章绪论 城市生活垃圾是指在城市居民的日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产 生的固体废物m 。随着经济的迅速发展、城市群建设的不断推进，城市人口迅速增加， 城市生活垃圾的总量也与日俱增。据统计，我国目前城市生活垃圾年产生总量已达1 4 亿吨，年增长率约为8 一1 0 ，少数城市已达到1 5 - 2 0 “。 近年来，随着城市人口的增加，城市经济水平、居民消费水平的稳步提高，我国城 市垃圾产量持续增长，城市生活垃圾构成和特点也处在不断变化的动态过程中，尤以塑 料、废纸、废包装品增长幅度最突出。这就使城市垃圾产量出现重量增长缓慢、体积增 长快的现象。据北京市对垃圾密度调查表明“，垃圾密度已由7 0 年代的6 0 0 k g m 3 左右降 到目前的3 5 0k g i n 3 左右，而且还有逐渐降低的趋势。 11 2 城市生活垃圾集运模式概述 国内外城市生活垃圾的集运模式有很多，主要有如下几种： 1 翻斗车集运 直接利用翻斗车“1 进行松散敞开式的垃圾运输，不但装载量少，还会大大增加垃圾 的运输成本。更为严重的是在运输过程中易造成二次污染，这种集运模式是属于较落后、 正在淘汰的一类。 2 ，非压缩式垃圾集装箱集运 这是一种密闭的非压缩式垃圾收集系统“，这种设备装载量少，装卸时间长，污染 环境运输效率低，已不适合现代城市的发展和环保的需要。 3 压缩式垃圾集装箱集运 这种集运方式”较前两种先进而且提高了生活垃圾的转运效率，解决了垃圾清运中 的亏载问题，现存在的主要缺点是压缩倍数较小，自动化程度较低，技术尚不完善，使 当耋錾三奎耋塑三：翟盆蚤。一，。，。，。一。! 。，一，。一：! ，薹：耋：。丝兰， 用率尚不高。 4 动力管道系统 动力管道收集“”是一种技术难度较大的收集方式。多采用空气动力或采用螺旋输送。 动力管道收集主要使用于居住密度较大的高层住宅群。由于这种系统投资较大，日常运 行费用高，因此只有少数发达国家使用。 5 生活垃圾压缩车集运 生活垃圾压缩车“”是一种技术含量较高的环卫专用车辆，这种车辆不但可以节省环 一 经费，而且能提高工作效率和市容清洁度，生活垃圾压缩车集运是国内外垃圾清运模 式的重要发展方向。 1 1 3 生活垃圾压缩车装载设备研究的必要性 随着城市规模的不断扩大，当前普遍的情况是垃圾处理场距离市区较远，据统计国 内几个大城市的垃圾处理厂距离市区均在5 0 公里以上“，所以运输费用占垃圾处理费用 的比例较高，有的发达国家已达到垃圾处理费用的8 0 以上。而且随着人们生活水平的进 一。步提高，松散垃圾的密度在逐渐下降，垃圾中的易压缩成份所占比重较大，约占总重 量的3 0 4 5 ，占总体积的8 0 左右。国外资料表明“”：松散废纸、塑料等的压缩倍 数为8 1 0 ，混合垃圾的压缩倍数一般为2 3 。如果采用普通的垃圾运输方式，容易造 成垃圾清运中的亏载，使垃圾转运效率降低。所以选择适当的垃圾清运模式是降低整个 城市垃圾处理费用的关键。 由于压缩式垃圾中转站在实际使用和技术环节上存在诸多问题。有待迸一步研究开 发。生活垃圾压缩车转运能够有效的解决亏载问题，提高垃圾清运效率，它的推广应用 具有良好的经济效益和社会效益1 1 4 l a 现有生活垃圾压缩车的垃圾收集环节大多依靠人工完成，与压缩车配套的自动化装 载设备国内外研究不多，如何使生活垃圾压缩车的垃圾装载更方便、更快捷、并且大大 降低环卫工人的劳动强度，是一个亟待解决的课题，生活垃圾装载设备的研究，能够解 决现有生活垃圾压缩车垃圾中转的不便之处。大大提高清运效率，降低中转费用，提高 城市清洁度。 i 当奎翟翟j 譬兰薯：鲁j 兰一，一， 。，。，一，。，。i ! ：兰，塑窒， 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 生活垃圾压缩车装载设备的研究现状 目前，发达国家的城市垃圾从收集、运输到处理，管理与技术已很成熟，并积累了 许多经验 1 5 a 在收集方面多采用车辆流动收集，在运输方面基本采用密闭压缩运输。车 辆流动收集是利用收集车辆( 一般为垃圾压缩车) ，对分散于各收集点的垃圾( 桶装、袋装 或散装) 进行收集的一种方法。垃圾压缩车使用自带的提升垃圾容器机构完成生活垃圾 的装卸，收集后的垃圾直接或经中转后运往垃圾处理场。车辆流动收集方式较适用于入 口密度低、车辆可方便进出的地区。这种方式大大提高了垃圾装载的自动化程度，降低 了环卫工人的劳动强度，在美国、日本、澳大利亚使用相当普遍“”。 墨洛科收集系统”7 1 是在瑞士、芬兰被广泛采用的一种收集方式，此系统是将垃圾桶 的大部分埋于地下，在地面上只露出1 3 。垃圾由桶上盖的投入口投入，它的密封性很好， 可以防止臭气和渗沥水泄漏。在垃圾桶内有垃圾袋，垃圾盛于袋内。垃圾袋底部可以打 丌，这样垃圾在装车时，只要打开桶的上盖，用吊车将垃圾袋吊起，使垃圾袋底部对准 垃圾压缩车填装器，打开底部，垃圾靠重力自动散落，完成垃圾装载。该系统也基本实 现了垃圾装载自动化。 我国在生活垃圾的收集和运输上与国外相比还比较落后。在城市生活垃圾中转过程 中消耗了大量的人力和物力，生活垃圾压缩车的装载设备研究不多，现在国内一些城市 7 f 始使用垃圾箱房的收集方式“”1 ，生活垃圾袋装化后，由居民直接送入垃圾箱房中的 垃圾桶内，然后由人工或自动倒桶装置将桶内垃圾倒入垃圾压缩车填装器内，最后由垃 圾压缩车运往大型中转站或垃圾处理场，其流程图如图1 1 所示。 匡重盈旦旦恒重产厘乎圄 图1 1 垃圾箱房的收集方式流程图 目前垃圾压缩车装载倒桶装置一般都以油缸为动力，采用链条传动方式，垃圾桶在 提升时匀速上升，在翻转时加速，从而实现卸料。 1 2 2 存在问题 生活垃圾压缩车在各大城市被广泛应用，从国内外来看，为了方便垃圾装载，收集 时以桶式收集为主，但由于我国城市人口密度较大，在使用过程中，很多环卫部门普遍 当蛮墨王逖圭兰箸i 盗一。，一。一。一。，。一。釜：耋，：l 童， 反映垃圾桶式收集方式中，垃圾桶容量小、易损坏。容量太大影响装载，而且每个垃圾 收集点的垃圾量有波动，垃圾过量时会产生二次污染，垃圾太少时增加了中转费。 通过调研以及查阅大量文献资料，现有生活垃圾压缩车的垃圾装载设备存在如下问 题：自动装载倒桶装置操作复杂，翻转时容易掉桶，垃圾桶易被损坏，而且采用这种方 式装载生活垃圾，收集点多，单次装载量少，增加集运费用，增加环卫工人的劳动强度。 在调研中还发现，很多环卫部门提出了把生活垃圾压缩车和垃圾收集站结合起来使用的 问题，这样既提高了垃圾的中转效率，克服了垃圾桶式收集的缺点，又弥补了当前压缩 式生活垃圾中转站由于技术、造价、维护费用过高而不能普及使用带来的不足。所以， 为市场开发一种工艺简单、满足客户需要、制造敏捷的生活垃圾压缩车垃圾装载设备具 有重要的现实意义。 1 3 本文的研究内容 在总结前人工作的基础上，本论文针对现有生活垃圾压缩车垃圾装载设备存在的问 题，并结合环卫部门的一些切实需要进行分析与研究，开发出具有自主知识产权的生活 垃圾压缩车垃圾装载设备，应用于环卫工程中。 1 确定生活垃圾压缩车垃圾装载装置类型综合的方法及步骤，分别提出装料装置、 举卸装置的设计目标，运用再生运动链法对装载装置进行详细的类型综合，在此基础上 对所有方案进行优选，最终确定生活垃圾装载装置的最优方案。 2 在分析研究生活垃圾装载设备现状的基础上，根据垃圾装载装置类型综合及方案 优选的结果，对翻转式生活垃圾五杆举卸机构进行设计和尺度综合研究。 3 运用遗传算法对生活垃圾六杆举卸装置进行运动优化设计，实现垃圾翻斗举卸轨 迹的优化，同时确定相关构件的结构参数。为动力优化设计和仿真打下理论基础。 4 运用仿真软件a d a m s 对生活垃圾六杆举卸装置进行虚拟样机的建模、并进行运动 的仿真，通过仿真后处理得到举卸机构的运动分析曲线，在运动仿真及分析的基础上， 进行举卸机构的参数化建模，实现动力优化设计，为样机的制造打下基础。 5 针对生活垃圾压缩车垃圾装载设备的功能特点，对主要功能模块进行详细研究， 根据主要模块的设计目标对结构进行创新设计。 6 对生活垃圾压缩车垃圾装载设备的研究进行总结与展望。 第二章生活垃圾装载装置的类型综合及方案选优 2 1 生活垃圾装载装置的分类及其分析 能够实现生活垃圾压缩车垃圾装载功能的设计方案有很多种，从众多设计方案中来 寻找最佳方案，有必要对生活垃圾压缩车垃圾装载装置进行类型综合。本章在对生活垃 圾装载装置进行分类及分析的基础上，利用机构综合理论“”对生活垃圾装载装置进行 类型综合，并通过方案选优获取最佳设计方案。 现有生活垃圾压缩车垃圾装载装置所实现的基本动作般由装料、举升、卸料三部 分组成，但对于由生活垃圾箱直接向垃圾车卸料的一类方案则不需要装料动作。对垃圾 装载装置的基本动作进行分析之后得出实现生活垃圾装载的几种动作组合如图2 1 所示。 厂 厂 厂 装料f = = 刮举升牟纠卸 料 b 匪三) 匠 图2 1 实现生活垃圾装载的几种动作组合 按动作顺序的不同，分别对每种动作组合对应的工作装置进行命名，图2 1 a 中的工 作装置称为a 类装载装置，图2 1 b 中的工作装置称为b 类装载装置，图2 1 c 中的工作 装置称为c 类装载装置，下面对每一类垃圾装载装置的基本动作进行详细分析，作为后 续机构类型综合的基础。 山东理工大学硕士学位论立第二章生括垃圾装载装置的类型综台丑方案选优 第二章生活垃圾装载装置的类型综合及方案选优 21 生活垃圾装载装置的分类及其分析 能够实现生活垃圾压缩车垃圾装载功能的设计方案有很多种，从众多设计方案中来 寻找最佳方案，有必要对生活垃圾压缩车垃圾装载装置进行类型综合。本章在对生活垃 圾装载装置进行分类及分析的基础上，利用机构综合理论“”对生活垃圾装载装置进行 类型综合，并通过方案选优获取最佳设计方案。 现有生活垃圾压缩车垃圾装载装置所实现的基本动作一般由装料、举升、卸料三部 分组成，但对于由生活垃圾箱直接向垃圾车| h 料的一类方案则不需要装料动作。对垃圾 装载装置的基本动作进行分析之后得出实现生活垃圾装载的几种动作组合如图21 所示。 b 广 广 l 兰茎f 刊一竺型j c 图21 实现生活垃圾装载的几种动作组合 按动作顺序的不同，分别对每种动作组合对应的工作装置进行命名，图2l a 中的工 作装置称为a 类装载装置，图2 1 b 中的工作装置称为b 类装载装置，图2 1 c 中的工作 装置称为c 类装载装置，下面对每一类垃圾装载装置的基本动作进行详细分析，作为后 续机构类型综合的基础。 续机构类型综合的基础。 ! 生查矍玉銮耋堡圭耋：堡。，。，! 一。! ! ：i 耋，圭重：型堡董薹茎茎墼i 氅鳘堑窒垒窒垂耋丝 211a 类工作装置动作分析 在这一类工作装置中，垃圾装载设备的初始动作是装料，它可分为主动装料和被动 装料。主动装料即依靠工作装置的驱动，通过铲斗的运动完成铲装生活垃圾的功能。另 外刮板的刮料也是主动装料的种形式；被动装料即装料过程中在铲斗保持相对不动的 情况下，利用驱动装置将生活垃圾装入料斗。 垃圾装载装置的中间动作是举料，即在完成装料后通过驱动机构实现将物料举升的 功能，当工作装置是连杆机构的情况下，能够完成举料的方案有很多种，但在实现举料 动作的同时还需要考虑装料和卸料动作，保持协调连贯，并防止物料洒落。 此类垃圾装载装置的最末一个动作是卸料，可以通过执行件的翻转，利用物料自身 重力来实现，也可以在执行件上安装驱动装置来实现机械卸料，比如通过卸料推板来完 成卸料。 2 。1 2b 类工作装置动 乍分析 在这一类工作装置中，垃圾装载装置的初始动作是举升，举升的动作对象是生活垃 圾箱，举升即依靠驱动装置将处于地面以下的垃圾箱举升至合适的装料高度，以备为料 斗装料。 垃圾装载装置的中间动作是装料，即在完成举升后，利用物料自身重力下落的原理或 其它驱动机构将垃圾箱中的垃圾装入料斗中。最末一个动作是卸料，即通过驱动机构将 料斗中的垃圾卸入垃圾压缩车填装器内。 此类装置的缺点在于：装料动作是在举升动作完成后进行的，举升过程中装料装置随 垃圾箱一起动作，这样在装料过程中处于举升状态的垃圾箱稳定性较差，并且对举升动 力系统的要求较高。 2 1 3c 类工作装置动作分析 在这一类工作装置中，垃圾装载装置的初始动作是举升，举升的动作对象是生活垃 圾箱，举升即依靠驱动装置将处于地面以下的垃圾箱举升至合适的卸料高度。垃圾装载 装置的后续动作是卸料，即在完成举升后，利用驱动机构将垃圾箱中的垃圾直接装入压 缩车填装器。 这一类工作装置只有举升和卸料两种动作，其优点在于省去了装料环节，但本身存 在固有的缺点：一是处于举升状态的生活垃圾箱稳定性差，二是如果利用生活垃圾自身 重力沿斜面滑落的原理装料，容易造成物料洒落且其填装量不易控制。 6 当童矍三查兰堡圭兰堡篁圣 兰三耋圭重垫堡茎墼董茎塑耋型堡窒垒查塞垫堡 2 2 生活垃圾装载装置类型综合方法及步骤 通过对实现生活垃圾装载功能的所有三类工作装置的分析发现，b 类工作装置和c 类工作装置在动作过程中都存在系统稳定性差的缺点，本文仅对a 类工作装置进行类型 综合，并通过进一步的选优来寻找最佳方案。 对于a 类装载装置来说，首先进行的是装料动作，即把储存在生活垃圾箱中的生活 垃圾装入料斗中，通过大量的试验及调研表明，城市生活垃圾成分极为复杂，各成分问 的物理性质差异也比较大，生活垃圾实际上是多种物料的混合体，有的垃圾成分具有较 大的粘滞性，有的密度较小不宜铲装，在这一点上它不同于性质单一的散状物料如沙石、 土方、谷物等，所以使用工程机械领域中象装载机这样的铲装机构来完成装料的话，很 容易造成垃圾积压堵塞铲装设备底部或侧面，一定程度上影响了装载效果，并易造成二 次污染。由于装料动作的复杂性，需要把实现装料动作的装料工作装置进行单独综合， 通过综合选取较优的解决方案。 举升和卸料动作可以通过举卸机构完成，其原理是在举升的同步过程中利用料斗的 倾翻实现卸料，可以实现举卸生活垃圾的装载装置有很多种，在工程机械领域连杆机构 以其承载能力大、结构简单、制造容易、工作可靠等优点有着广泛的应用，对于生活垃 圾装载这样的中低速场合连杆机构更为适用，所以在本课题的研究中举卸工作装置选择 连杆机构的组成形式。在连杆机构中，根据杆数的不同、自由度的不同、运动链类型及 构件应用功能的不同可以分为很多种类型 2 5 1 在众多类型之中能够实现生活垃圾举卸功 能的连杆机构也有很多种，对符合设计目标的连杆机构进行类型综合是获取最佳设计方 案的基础。 在举卸机构的类型综合中从最基本的运动链入手，按照图2 2 所示的综合思路对这 类机构进行类型综合，找出全部解决方案，最后进行方案的优选，确定最佳方案。 再 口j 般 生 亍 创 毳化 运 - 性新 妈 运 动 】互 靶 动 链 动 链 链 图22 举卸机构类型综合进程图 在完成装料装置及举卸装置综合的基础上可以确定出符合设计要求的生活垃圾装 载装置的所有解决方案，通过对方案进行详细的性能综合评价，确定最优解决方案，从 而完成生活垃圾装载设备的类型综合。 生耋堡三奎耋堡圭耋堡篓耋：一! 。，；，一! ，。，。，童耋塞，二窒i 篓堡董塞彗兰! 塑呈墼塞i 鎏窑室! i 塞丝。 2 3 装料装置的类型综合及方案选优 23 1 装料装置的设计目标及要求 1 将生活垃圾池中的垃圾推入料斗，不洒落。 所设计垃圾池的体积为5 m 3 ，长2 5 m ，将其中的生活垃圾分次推入料斗，推板的往 复运动距离至少为2 5 m ，并且要保证将垃圾池中的生活垃圾清理干净、避免二次污染。 2 驱动装置具有足够的承载能力，工作可靠、稳定性高。 不论选取何种驱动装置必须保证推板或刮板在承载情况下工作可靠、运行平稳。 3 结构简单，易于维护。 结构过于复杂势必增加制造成本，在提出的各种方案中应选取结构简单、便于维护 的方案。 4 结构布置合理，制造成本低。 在能够实现装料功能的前提下，各构件的结构布置要合理，应特别注意避免构件问 的运动干涉。 3 3 2 装料装置的类型综合和方案选优 卣于所设计生活垃圾池的长2 锄，摧料要求装料机构的执行构件做直线往复运动并 且至少满足2 5 m 的往复距离，能实现大距离直线往复运动且适合应用于工程领域的机构 形式有液动机构、连杆机构、齿轮齿条机构、链传动机构、牵引机构等，以下仅就液动 机构装料装置、连杆机构装料装置、组合连杆机构装料装置、牵引机构装料装置、链传 动机构装料装置进行综合。 1 液动机构装料方案 液压驱动的优点是结构简单、承载力大、稳定性好，如果液压缸直接驱动，则液压 缸的伸长量为2 5 删，对于伸长量较大的液压缸，不但占用空间大，而且比较昂贵，不符 合设计目标4 的要求。我们考虑一种多级液压缸，双作用伸缩式两级液压缸可以实现较 大行程的直线位移，利用这一特点将其与垃圾推板铰接可实现推装垃圾。液压式推板装 料装置的工作原理如下：系统工作对一级正腔l 进油，一级反腔3 出油，实现一级伸长： 然后二级正腔2 进油，二级反腔4 出油，实现二级伸长，用软管在各伸缩套筒端头向反 腔注油以实现垃圾推板的复位，如图2 3 所示。 皇玺耋三查耋堡圭兰堡篓塞一，一，! ，；。耋三薹! 苎耋童堡i 窒墼茎墼耋呈堡窒堡i 墓i 墼堡 图2 3 两级双作用液压缸 该方案的优点是结构简单，缺点是液压缸在使用一段时间后由于磨损易出现漏油现 象，整个装置处于地下导致维修不方便，不符合设计目标3 的要求，该方案予以排除。 2 连杆机构装料方案 能实现直线往复运动、满足设计要求的连杆机构有很多种类型，在平面连杆机构中， 四连杆机构可以实现直线往复运动。考虑到在机构设计中应遵循机构尽可能简单、构件 与运动副的数量尽可能少的原则，因此仅研究连杆数l = 4 的情况。 对四杆机构，即按照转动副和移动副的不同数目进行运动副的类型综合，一共有5 种方案，如表2 1 所示。 表2 1 平面四杆机构运动副类型综合表 在这所有的5 种方案中，执行构件能够实现直线往复运动的方案仅有方案1 、3 、4 三种，这三种方案的简图如图2 4 所示，主动件的运动用箭头表示，推板的运动轨迹用 虚线表示。 9 生查堡i 坠耋塑圭兰堡i 婆。，。，! ，：；。，耋三耋。耋i 墓薹堡董塞蓁星墼耋型堡垒i 窒；耋鎏堡 啦 b 图2 4 四杆机构方案简图 方案a 中要想实现完全卸料则构件a b 的长度至少为1 2 5 m ，由于推板的高度为1 2 m ， 构件a b 做回转运动时要想避免与垃圾池发生干涉，构件b c 尺寸必须足够大，由于是分 次装料，每次装料构件a b 需要旋转3 6 0 ，动力及传动系统设计相当困难，不符合设计目 标2 、3 的要求；对于方案b 、方案c 中的推板进给是依靠四杆机构连杆上某点的近似矗 线运动实现的，而且推板移动距离较大，相应机构的尺寸也很大，动作过程中构件b c 与 垃圾池发生干涉，不符合设计目标4 的要求，方案a 、b 、c 均予以排除。 3 组合连杆机构装料方案 如图2 5 所示，组连杆通过相对转动关节连接在一起，连杆中间的关节在导向导 轨罩滑动- 能够实现直线位移，小连杆与连杆的最右端部分组成平行四边形机构，能够 保证与之连接的垃圾推板只能水平移动，连杆的一个关节在固定支架处固定，连杆的最 右端与液压缸连接，当液压缸动作时，带动连杆以固定支架为支点向右水平移动，垃圾 推板的位移量是液压缸推杆伸缩量的n 倍( ，t 为组合连杆机构中有效四边形机构的个数) ， 即当液压缸推杆移动上时，垃圾推板的水平位移s ：f 一1 1 三。 图2 5 组合连杆机构装料方案简图 设与液压缸相连的连杼长度，= 0 5 m ，a 是此两连扦之间的夹角，1 6 。d 1 6 4 。， 则垃圾推板的理论水平位移量s = 4 2 0 5 ( c o s 8 。一c o s 8 2 。) 2 ，5 m ( h 取4 ) ，能够 l o 满足装料要求。 对于这种机构，液压缸拉力r 等于垃圾推板施加给垃圾物料的推力，液压缸的拉 力并不大。与液压缸相连的两根连杆是二力杆，其受力简单。在推装初始阶段a 值很大， 所以连杆的受力相当大，这就要求连杆的截面尺寸能够保证强度要求，在推装过程中受 力逐渐减小，推移到最右点时( 即口接近于1 6 。) 连杆受力最小。与垃圾推板相连的两根 连杆受力状况与上述两连杆基本相同。此机构的优点是能够实现较大的直线位移，而且 液压缸的载荷较小，动力及传动系统易满足要求。但是，由于连杆在推装开始时所受到 的力较大，而且关节较多，每个关节处都需要安装轴承等零件，且关节及连杆尺寸较大， 故可靠性和稳定性差，不符合设计目标2 、3 的要求，通过分析该方案予以排除。 4 牵引机构装料方案 如图2 6 所示，l 为导轨，2 为移 动机架，导轨分别布置在垃圾箱的两 侧，起支撑和导向移动机架的作用，3 为固定在机架上的液压缸，依靠液压缸 ： 的伸缩可以实现垃圾推板4 的纵向调 节，以保证将垃圾全部清理干净，电动 机6 通过钢丝绳5 牵引可移动机架，继 而通过推板推动垃圾，从而实现装料。 为了保证推板的回位，移动架须倾斜 合适的角度。 6 图2 6 牵引机构装料方案简图 该方案的优点是：装料过程中所需动力较小，装料装置占用空间较小；缺点在于出 于依靠钢丝绳牵引，系统稳定性差、刮板回位困难，不符合设计目标2 的要求，通过分 析该方案予以排除。 5 链传动机构装料方案 ( 1 ) 机构分析 链条传动中链节上某点的运动在一定范围内是直线运动，利用这一特点，提出了应 用其中一部分直线运动来实现推装生活垃圾的链传动式推板装料机构。 链传动式推板装料装置的工作原理如下：动力系统将扭矩传递给链轮l ，链轮l 是链 传动的主动轮，链轮1 、链轮2 分别固定于地基上，链条的一节链节与链固定块固连于推 轩4 上，推杆4 与垃圾推板3 固连，支撑杆5 起支撑作用。导向轮6 起导向作用，防止 因链条的抖动发生推杆错位。当链轮1 转动时，链条带动推杆4 、支撑杆5 、垃圾推板3 水平移动，从而可将垃圾池中生活垃圾推入料斗实现装料装料完毕链轮1 反转，垃圾 山东理工大学硕士学位论文第二章生话垃圾装载装置的类型综合及方案选优 推板复位。链传动式推板装料机构如图2 7 所示。 臀学s p1 胪 )铋e；t 图2 7 链传动机构装料方案简图 3 该方案的水平位移是由链条的运动实现的，由于所设计垃圾池的长度为2 5 m ，所以 两链轮间的距离应超过2 5 m ：由于装料是分次完成的，随着装料的进行，垃圾池内的垃 圾会越来越少，所以垃圾推板所需要提供的驱动力越来越小，随着位移量的增大链传动 力逐步减小；由于链轮的直径较小，可以大幅度降低减速器的输出扭矩，因此对动力及 传动系统的要求明显放宽，在本方案中选用3 k w 的电动机驱动即可满足要求。 ( 2 ) 链传动多边形效应分析 链传动是链轮与中间挠性件的啮合运动，一般结构的链条与链轮的啮合属非共轭啮 合，其链条线位置存在着周期性变化，而且每个链节与链轮的接触与脱离在一瞬间完成， 链条中心线与链轮的分度圆的相切、相割呈周期变化，这运动特性称为多边形效应嘲。 当主动轮等速转动时，由于多边形效应链条的线速度和从动轮的角速度呈周期性变化， 链条的线速度变化用速度不均系数世。表示： k ，：2 t a l l 29 0 _ 2 z 1 从动轮的角速度变化可用从动轮角速度变化不均系数k 。表示 1 c o s 婴c o s 婴 77 k w 一2 _ 1 杀青 l + c o s c o s z lz 2 z 主动轮齿数；z ，从动轮齿数。 表征多边形效应相对大小的系数k 。与k 。仅与齿数有关，当齿数较少时，链条速度 和链轮角速度的变化幅度比较大；当齿数较多时链条速度与从动轮角速度的变化就比较 小，甚至能被从动系统的惯性所补偿。因此对于大部分传递动力的中低速链传动来说， 由于齿数较多，多边形效应影响不大。 该方案能够实现装料装置的功能，结构比较紧凑，易损件少，可靠性较高，成本较 低，克服了其余方案存在的不足符合设计目标的要求，是一种比较理想的装料方案。 尘蠢誊王銮耋翟圭兰堡篓兰 ，：，。，一， ：氢耋。苎薹垫堡茎塞! 塑墼彗垒墼堡窒垒窑i ! i 墼! 通过装料装置的类型综合确定出五类装料方案，并进行了详细的分析，把分析之后 的各项评价指标作- - b b 较，如表2 2 所示。 表2 2 装料方案比较 项目 方案 可靠性成本 维修是否方便 对动力及传动系统的要求 液动机构 差高 不方便 低 连杆机构好低方便高 组合连杆机构好 高 方便较高 牵引机构 差高方便低 链传动机构好低方便低 从表2 2 中不难发现，链传动机构装料方案与其余四种相比具有明显的优越性，所 以排除了其余四类方案，把链传动机构装料方案确定为最优方案。 2 4 举卸装置的类型综合及方案选优 24 1 举卸机构的设计目标及要求 举卸机构将装满垃圾的翻斗举升至卸料高度并完成卸料，一般是通过垃圾翻斗的翻 转来实现的。通过对生活垃圾装载机构的基本动作分析及装载机构的总体设计要求分析， 可以归纳出举卸机构的设计目标及要求如下： 1 料斗转角p = 1 3 5 。，实现翻转卸料。 经试验验证，垃圾翻斗倾角为4 5 。时可实现完全卸料，所以举卸机构要保证将垂直地 面放置的垃圾料斗翻转1 3 5 。，利用物料的重力作用实现卸料。 2 避免垃圾堵塞、洒落，保证设备实现装卸功能。 不论采用何种方案，首先要保证该机构能够实现装载功能，若出现现有设备中存在 的垃圾堵塞、缠绕等问题，则新方案就没有价值。同时不能出现影响使用效果的新问题， 如垃圾洒落、造成二次污染等。 3 工作可靠，运行平稳。 举卸机构的工作可靠性直接关系到装载效率和维护费用。若机构中存在易损件工 作过程中就会经常出现故障，这样一方面增加了维修费用，给客户带来经济负担，另一 方面影响t i e 常的生活垃圾转运，无形之中也会降低产品的信誉度。所以举卸机构应保 汪皮实可靠、坚固耐用。垃圾装载装置一般应低速运行，满载时必须保证运行平稳，否 l ! l j 易出现振动、冲击或噪声影响周边居民。 些兰型三盔耋堡圭兰堡i 坚。， ! 。：一 。，董三量，。圭鋈垫堡辇彗董星墼耋裂堡窒垒童塞垄丝。 4 结构简单，便于维护。 设备所处环境比较恶劣，常伴有恶臭气味，如果结构过丁二复杂，一旦出现故障，维 修极为不便，而且复杂的结构也会增加制造成本。根据机构设计的一般性原则，所设计 机构应尽可能简单，即构件及运动副数目尽量少，这样可以保证产品刚度，减少震动环 节，提高产品可靠性。 5 举升液压缸油压特性良好。 举卸机构的一个工作循环大约需要1 5 s ，如果使用电动机作动力则减速器的减速比势 必很大，而且机构的转角0 = 1 3 5 。，对于这样的机构采用液压动力更为合适，考虑到液 压缸的选型，其伸长量不宜过大，限定其伸长量，1 5 m ，且工作过程中油压稳定。 6 。结构布置合理，运动不干涉。 举卸装置是与装料装置配合使用的，所以在结构布置上要充分考虑两者配合的合理 性，料斗在运动过程中由于存在较大的回转半径，还要避免各构件之问发生运动干涉。 从现有举卸机构来看，连杆机构在中低速工程领域场合中，比其它任何机构的平稳 性要好，工作可靠性要高，所以举卸机构的类型综合限定为连杆机构的范围。根据机构 设计的一些一般性原则，所设计机构应尽可能的简单，即构件及运动副数目尽量少，所 以对举卸机构的综合仅限于六杼以内的平面连杆机构。 2 4 2 平面四杆举卸机构的类型综合及方案优选( l = 4 ) 1 平面四杆举卸机构的类型综合 平面四杆机构的一般化运动链只有一种形式，其结构简图及拓扑图如图2 8 所示。 厂 _ 图2 8 平面四杆机构的结构简图及拓扑图 按照运动副的不同对四杆机构进行运动链类型综合，其结果如图2 9 所示。 口企 a bc d 图2 g 平面四杆机构的运动链类型 1 4 皇童星王盔耋罂耋：鎏鲨耋，：， ，一，；，一。董三耋。兰耋鹜鎏薹茎耋塞墼耋型堡窒垒查i 塞i 丝! 根据约束条件：举卸机构应具备使垃圾料斗翻转0 = 1 3 5 。的功能。在上面运动链图c 中，该类四杆机构不论哪一构件作机架，都不可能实现举卸机构所要求的功能；在上面 运动链图d 中，因含两个p 副，除去液压缸中的一个p 副外还需要另外制造一个p 副， 由于p 副制造相对困难、不易保证配合精度，所以对此类型四杆机构不予考虑。舍去c 、 d ，得ab 两种运动链形式，在这两种运动链中，设用g 字母表示机架，用z 表示主动 件，用b 表示执行构件，将运动链中构件按应用功能进行组合分配： ( 1 ) 在a 、b 两种类型运动链中，分别取不同构件做机架共可构成5 种如图2 1 0 所示的非同构结构图谱形式。 a b 鑫a 臼 d e c 图2 1 0 不同构件做机架的非同构结构图谱形式 ( 2 ) 选取不同构件作主动件和执行构件，则由图2 1 0 a d 可综合出2 4 种类型，由图 2 1 0 e 可综合出3 种类型，这样一共综合出如图2 1 l 所示的2 7 种四杆运动链非同构形式。 2 耸串砼斗2 耸斗 数肆啦 趣阻阻 趣盎冷 盆砼砼斗 由 图2 1 1 四杆运动链的非同构形式 ( 3 ) 由于构件3 、4 是p 副连接，在装载机构构件3 、4 以液压缸形式出现并且执行 冷& 缝 笛嫠审 婶&冷肆审 山东理工大学硕士学位论文第二章生活垃圾装载装置的类型综合及方案选优 件需要完成垃圾翻斗的翻转，翻转角度o f 9 0 ，在这综合出的全部2 7 种运动链中，根据 这哟束条件可以排除执行构件不能实现翻转角度a 9 0 0 、构件3 、4 作执行构件、主 动件与机架或移动副不相连的方案，可供选择的可行性方案只有6 种，如图2 1 2 所示， 耸鹳 a b 耸2 拿斗 d e 图2 1 2 可行性运动链图 用一般化过程反推可得实际机构，如图2 1 3 所示。 瓜2 笨 a b 彩啦韶心 4 d e c f 图2 1 3 反推出的实际机构简图 2 平面四杆举卸机构的方案优选 c f 通过对四杆机构的类型综合，可得到6 种生活垃圾四杆举卸方案，通过反推出的实 际机构发现，由于机构中液压缸的存在，虽然在运动链简图中不同构的方案，但实际机 构可能同构，则非同构形式的实际机构为a 、c 、d 三种方案，下面对方案进行逐一分析。 ，与“案a ：机构简图如图2 1 4 所示，随着液压推杆1 的伸长垃圾翻斗3 同步翻转，经 分析计算，当翻转角9 0 0 ( 口 1 3 5 。时，翻斗并未到达卸料位置，但翻斗中的物料由于重 力作用已开始滑落出现垃圾洒落的问题，这不符合设计目标2 的要求，予以排除。 山东理工大学硕士学位论文第二章 生活垃圾装载装置的类型综合及方案选优 图2 1 4a 方案举卸机构简图 方案c ： 该方案的结构示意图如图2 1 5 所示，举升液压缸固定，通过一连杆