（机械设计及理论专业论文）液压斜拉式生活垃圾中转设备研究.pdf

摘要 垃圾中转是生活垃圾处理过程中的一个关键环节。本文对新型迪平式城市生活垃圾 中转装置进行了深入研究，创新设计出了液压斜拉全封闭地平式垃圾中转装置，对设备 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中转装置。 确定了举升机构设计目标及要求，提出了对举升机构进行详细的类型综合的方法， 在此基础上按设计目标要求对所有方案进行了优选，最终确定了液压斜拉式生活垃圾举 升机构最优方案。 对生活垃圾中转装置进行了结构设计，在此基础上对其进行静力学分析，确定装置 优化设计中的设计变量、约束条件、目标函数，并建立多目标优化的数学模型。利用 m a t l a b 及其优化工具箱对优化模型求解，确定了相关构件的结构参数，为动力优化和 设计打下了基础。 按照设计目标要求，对垃圾集装镇运动轨迹进行改进，设计出更加合乎设计目标要 求的曲面运动轨迹，与设计前相比液压缸举升力隔氐了2 3 8 。 运用虚拟样机技术建立了液压斜拉举升装置的物理模型，对举升装置进行了运动仿 真分析。在此基础上，对举升机构进行了参数化建模，通过参数优化重新确定了举升液 压缸的位置和结构参数，实现了举升机构的动力优化设计，并据仿真过程中发现的问题 对装置进行了改进，液压缸举升力比优化改进前降低了1 7 ，油压特性更加平稳。 分析了生活垃圾中转装置的特点与要求，全面研究了中转装置各个功能模块的组成， 并对相关模块进行了详细的设计。 本研究项目是山东省自然科学基金项目( 2 0 0 3 z x 5 ) 的一部分，所设计的液压斜 拉式生活垃圾中转装置已申请国家发明专利( 申请号：2 0 0 5 1 0 0 4 5 1 3 1 2 ) 。 关键词：生活垃圾，中转装置，地平式，举升机构，多目标优化，仿真 卫翟譬銮鋈鹜髦墼；彗一：一。， 。 彗i 望： a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sm a d ed e e p l ya n a l y s i sa n ds t u d i e do nt h en e w - s t y l eu n d e r g r o u n dm s w t r a n s i t i o n a ls t a t i o n ，a n dp u tf o r w a r d8n e wk i n do fc o n c e p tn a m e ds t a y e dt r a n s i t i o n a ls t a t i o n w i t hh y d r a u l i cp r e s s u r ei nac r e a t i v ew a y t h es t r u c t u r eo fl i f 6 d i s c h a r g em e c h a n i s mi sa r l a i y z e ds y n t h e t i c a l l y a c c o r d i n gt og o a l s a n dr e q u i r e m e n t s o t h e rp r o j e c t sa r er e j e c t e da n ds t a y e dt r a n s i t i o n a l s t a t i o nw i t hh y d r a u l i c p r e s s u r ei sd e c i d e da st h eb e s tp r o j e c t b a s i n go hs t r u c t u r ed e s i g n i n gf o rt h em s w t r a n s i t i o n a le q u i p m e n t , s t a t i c sa n a l y s i si sd o n e a n dam u l t i o b j e c t i v eo p t h n i z a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e li sa l s ob u i l t s t r u c t u r ep a r a n l e t e r so f r e l a t i v ec o m p o n e n t sa r ec o n f i r m e db yu s i n gm a t l a ba n di t so p t i m i z a t i o nt o o l b o x a c c o r d i n gt ot h eg o a l sa n dr e q u i r e m e n t s , t h et r a c ko fw a s t ee o n l a i n e r st r a i l i n gw h e e l g e t si m p r o v e dt os a t i s f yt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s ；t h em a x i m u mp r e s s u r ea c t i n go nt h e h y d r a u l i cc y l i n d e rh a sr e d u c e db y2 3 8 u s i n g v i r t u a l p r o t o t y p e t e c h n o l o g y , t h i s p a p e r h a s b u i l t p h y s i c a l m o d e l s f o r t h i s e q u i p m e n t a n di m p l e m e n t sd y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i s t h i sl i f t - d i s c h a r g em e c h a n i s ma d o p t sp a r a m e t r i c m o d e l i n gb yw h i c hp o s i t i o na n ds l r u c t u r ep a a m e t e r so fi t sh y d r a u l i cp r e s s u r ec y l i n d e ra r e r e d e t e r m i n e d ，a n di t sd y n a m i c a lo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sa l s or e a l i z e d t h em a x i m u mp r e s s u r e a c t i n g o n t h e h y d r a u l i cc y l i n d e r h a sr e d u c e d b y1 7 t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u i r e m e n to f1 1 1 i sm s wl o a d i n ge q u i p m e n ti sa n a l y z e d ，t h e c o m p o n e n to fe v e r ym o d u l ei ss t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y , a n de v e r yr e l a t i v em o d e li sd e s i g n e d p a r t i c u l a r l ya s w e l l k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，t r a n s i t i o n a le q u i p m e n t , u n d e r g r o u n d ，l i l t - d i s c h a r g e e q u i p m e n t , m u l t i - o b j e e d v eo p t i m i z a t i o n , s i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 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 写过的研究成果，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。 研究生签名南辟吏时间渺，锌6 月侈日 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) 研究生签名南阜蛰时间：，5 月侈日 导师签名： 时间：孔m 绰6 月侈日 、与以。刊。、气 t 1 研究背景及意义 1 1 1 生活垃圾的现状 第一章绪论 城市生活垃圾是人类生活中不可避免的废弃物。生活垃圾固然有可资源化的一面， 但迄今为止，我国绝大多数城市生活垃圾仍以露天堆放为主，不仅占用了宝贵的土地资 源，垃圾中的危害物还会污染空气、土壤和水体，并以空气、土壤、水体、食物为载体 将附着的危害物质侵入人体，使人体受害“哪。因此，能否妥善解决垃圾问题，是关系到 国计民生的一件大事。 随着物质资源的不断开发利用和文明的持续发展，特别是人口的增长和城市化的迅 速发展，我国城市生活垃圾的产生量也迅速增长，年平均增长速度达6 ，年产生量达 1 5 亿，垃圾清运量年增加率达8 6 。大量露天堆放的城市生活垃圾已成为城市发展中 的棘手河题。如何及时、方便地收集、转运、处理生活垃圾已引起全国各级环卫部门的 高度重视，在今后相当长一段时间内生活垃圾的处理任务将十分繁重“。 1 1 2 垃圾中转装置的研制意义 近年来我国城市建设发生了翻天覆地的变化，特别是随着改革开放的不断深入，国 民经济的不断增长，城市化和城镇化建设出现了突飞猛进的发展趋势。但是随着城市人 口密度的不断增加，城市生活垃圾的收集、储运、加工等已成为城市现代化管理的一个 重要课题。从我国目前城市生活垃圾的收集和储运方法来看，许多城市都采用垃圾箱收 集、大卡车运输的方法，到处可见的垃圾箱是城市卫生管理不可缺少的卫生设施。这种 箱体占地多、分布广，不仅影响市容，而且垃圾箱内散发出的臭味将带来空气污染并滋 生大量蚊蝇传播疾病。因此设计适合城市生活垃圾收集和储运的专用设备，是我国城市 发展中亟待解决的问题之一。 一般的垃圾集运系统可以表示成图1 1 所示形式。 因此从有无中转环节来区别，垃圾收运系统可分为无中转收运模式和有中转收运模 式。区别垃圾收运模式还必须从收集方式上加以区别，目前使用的垃圾收集方式主要有： 车辆流动收集( 或称无站式收集) 、收集站收集、动力管道收集1 。车辆流动收集是利 用收集车辆对分散于各收集点的垃圾进行收集的一种方法，收集后的垃圾直接或经中转 后运往垃圾处理场。 图1 1 垃圾集运系统简图 车辆流动收集方式较适用于人口密度低、车辆可方便进出的地区。这种方法在西欧、 北欧使用很普遍，国内一些人口密度较低的中小城市或大城市的周边地区也较适用这种 方法，车辆流动收集方式的优点是其灵活性较大，垃圾的收集点可随时变更，但由于车 辆必须到收集点进行收集作业，对收集点周围环境造成噪声、粉尘等影响。 收集站收集是利用设立于垃圾产生区域的固定站点来进行垃圾收集的一种方法，来 自产生源的垃圾一般通过人力或机动小车运至收集站。这种收集方式较适应于人口密度 高、区内道路窄小的城区，而一些对噪声等污染控制要求较高及实行上门或分类收集的 地区也较适宜于这种收集方式。 垃圾中转装置是收集站收集方式中的重要设备，是收集与转运系统的中枢，对整个 垃圾处理系统有重要的意义o o 。生活垃圾收集与转运环节的费用约占垃圾填埋处理总费 用的6 0 7 0 ，因此选择经济合理的垃圾中转装置具有重要的经济效益“。 衡量一套垃圾中转装置的优劣应该从多个方面进行考虑，以下为几个主要方面： 1 、与集运系统前后环节的配合 收运系统的前部环节为垃圾的产生源，如居民家庭、企事业单位、饭店、食堂等， 合理的中转装置应有利于垃圾从产生源向系统的转移，而且具有卫生、方便、省力的优 点。 2 、对环境的影响 垃圾中转系统对环境的影响有对外部环境的影响和内部环境的影响之分。应严格避 免系统对外部环境的影响，包括垃圾的二次污染，如：举升装运中垃圾的散落、污水泄 漏、嗅觉污染、噪声污染和视觉污染等，对系统内部环境的影响主要指作业环境不良o “。 3 、劳动条件的改善 一个合理的垃圾中转系统应最大限度地解放劳动力，降低人的劳动强度，改善劳动 条件。因此合理的垃圾中转系统应具有较高的机械化和自动化程度。 些圣鐾鹜耋坠兰堡丝圣。! ，： ，。，。，。 ，釜= 耋，! 篁篁 4 、经济性 经济性是衡量一个垃圾中转装置优劣的重要指标，其量化的综合评价指标是中转单 位量垃圾的费用。影响单位中转费的因素很多，主要有举升方式、中转站配套建没及操 作难易程度等。 综合考虑上述各方面的因素，建立适合我国国情的垃圾中转系统，以达到庭好的社 会效益和经济效益，还需要做深入的研究与探讨。 1 2 国内外研究现状与存在问题 1 2 。1 垃圾中转装置的研究现状 不同国家由于经济发展水平不同以及垃圾组分有很大差异，在处理垃圾的方法上也 各不相同，这是导致各国垃圾集运方式不同的一个重要原因。世界上许多发达国家对垃 圾减量化和提高垃圾回收利用率的意识比中国要早，以芬兰和日本为代表的几个国家根 据本国国情，在垃圾分类回收和减量化方面做得较为突出，其垃圾收运设备多为废品分 类回收站，附近地区的居民和企业可以将汽车直接开上同收站的垃圾分类平台，并根据 分类提示牌上的标志，将垃圾放入相应的回收拖车箱内。以美国为代表的机械化水平高 度发达的国家，在垃圾收集清理的过程中就已经基本实现机械自动化，一般由垃圾收集 车直接收集清扫垃圾后运往垃圾处理厂进行处理，有的城市建立了城市管道真空收集系 统或大型垃圾转运站，其封闭性好，对环境无污染，自动化程度高，减轻了工人的劳动 强度，但投资大，运行费用较高，暂时还不适合我国国情“”“。 目前我国的环卫装备水平远远不能满足城市发展的需求，在环卫装备技术方面的研 究也尚处于起步阶段。我国应用最多的是中小型垃圾中转装置。随着我国垃圾产量的逐 年增加，如何及时、方便地收集、储存、清运生活垃圾已引起全国各级环卫部门的高度 重视，城市生活垃圾中转装置的研制与改进也尤为迫切。城市生活垃圾中转装置是生活 垃圾收运物流系统的枢纽。垃圾经转运站不仅实现了垃圾运输的封闭化，而且提高了长 途运输的经济性，减少了车流量。近年来，垃圾中转装置已逐渐成为城市重要的环卫设 施。 国n # i - 垃圾中转装置形式多种多样，主要区别在于站内中转垃圾处理设备的工作原 理和处理效果不同，图1 2 为其中的一种分类方法。 这些中转站的推广应用提高了垃圾收集运输效率，但是由于多数中转站的研究技术 欠成熟、还存在诸多不足之处，阻碍了中转站的广泛推广，远远不能满足市场需求。在 诸多形式的中转站当中，地平式普通垃圾中转装置主体部分位于地下，垃圾投放1 2 1 与地 面相平，故与地上式中转站相比倾倒垃圾和清理残余垃圾非常方便，而且不会妨碍市容 观瞻，最大的优点是不需要建筑物作为提升集装箱的支撑，又无需另外建筑物挡雨，因 此特别适合于草坪、绿地附近的垃圾集运m 1 。目前地平式垃圾中转装置比较适合在国 内各大中小城市应用，具有潜在的市场前景。 1 2 2 存在问题 图1 2 垃圾中转装置的分类 地平式垃圾中转装景根据装卸垃圾箱形式不同一般可分为两大类。一类是带汽车托 板式，这种形式的中转装置是在完成垃圾箱举y t 后将汽车停靠于汽车托板上，然后完成 垃圾箱的装运，其中汽车托板分为固定式和移动式，移动式克服了固定式单箱限制的缺 点，并且控制简单、运行自如，但却增加了中转装置的成本，并且两者均具有挖坑较深 的缺点。另一类是无汽车托板式，这种形式的中转装置多是靠举升装置与设计轨道配合 同步完成垃圾箱的举升装运。市场上现有无托板式垃圾中转装置虽然省去了汽车托板的 费用，但液压缸举升力较大，并且部分中转站由于设计本身缺陷，在举升过程中存在较 大的翻转扭矩”。 举升装置是垃圾中转装置设计的关键，通过调研及查阅大量文献资料，着重对市场 上现有的地平式垃圾中装站进行分析，总结出以下几点： 1 、多数双箱结构中转站设备结构较复杂，经济成本高，操作不方便，阻碍了中转 站的大规模普及应用。 2 、部分中转站挖坑深度较大，不仅增加了成本，而且在地下水位较高地区的推广 应用受到限制。 些| 鎏三i 鐾! 霎耋耋堡堡圣 ，。，。，。：，。， ，墼= 耋堑。，篁 3 、许多地区面临的垃圾集运问题十分突出，全国地平式垃圾中转装置潜在需求量 大约1 5 万台。 根据调查结果分析，现有地平式垃圾中转装置还存在着造价高和性能差等缺点，不 能很好地满足人们的需求。在原有地平式垃圾中转装置研制的基础上，综合考虑各种实 际因素，研制出一种经济、实用、操作方便且应用面广的地平式垃圾中转装置是非常必 要的。 1 3 本文的研究内容 在总结前人工作的基础上，本论文针对现有普通密闭地平式垃圾中转装置存在的问 题，进行分析与研究，并结合我国国情，开发出实用性强、具有独立知识产权的新型垃 圾中转装置，应用于环卫工程中。 1 、确定举升装置的设计目标，提出地平式垃圾中转装置举升机构类型综合的方法 及步骤。对可行性方案经行分析比较，优选出举升装卸的最佳方案。 2 、对举升装置进行结构创新设计和尺寸优化设计，合理确定设计变量、约束条件， 建立优化设计数学模型，并选用m a t l a b 及其优化工具箱对举升装置进行优化设计， 进而确定各主要设计参数值。 3 、对导向轨迹进行优化设计，提高垃圾箱运动过程的平稳性，并降低作用于液压 缸上的最大举升力，为液压缸经济选型打下基础。 4 、运用a d a m s 仿真软件对生活垃圾中转举升装置进行虚拟样机的建模，并进行 运动仿真，通过仿真后处理得到举升机构的运动分析曲线，在运动仿真及分析的基础上， 进行举升机构的参数化建模，实现动力优化设计，为样机的制造及产品的开发扛下基础。 5 、为增强地平式垃圾中转装置的适用性，针对其设计要求及与后续环节的配合性， 对各功能模块进行详细研究，对主要模块及相关部分进行创新性设计。 6 、对新型地平式垃圾中转装置的研究进行总结与展望。 第二章地平式垃圾举升机构的类型综合及方案优选 2 1 举升机构的设计目标及要求 2 1 1 1 概述 举升机构是垃圾中转装置的重要工作模块之一，直接影响到垃圾中转装置的使用性 能。随着垃圾中转装置产品技术的发展，举升机构的结构型式也不断增多。目前应用较 广的举升方式主要有链条式举升方案、液压式举升方案、连杆式举升方案、组合机构式 举升方案等。其中链条式举升方案结构紧凑、易损件少、可靠性高，得到较广的推广应 用，但是链条式举升方案挖坑深度约为4 3 米，在地下水位较高城市的推广使用受到限 制。若能将垃圾中转装置配备合适的举升机构，则不仅适用性增强，其工作性能也将会 得到很大的改善。因此，举升机构的设计成为地平式垃圾中转装置设计中的首要问题。 2 1 2 举升机构的设计目标 根据对市场上现有生活垃圾中转装置的调查研究，提出地平式生活垃圾中转装置举 升机构的设计要求如下： 1 、举升装置应满足一定转角要求，举升轨迹应保证垃圾箱中垃圾无撒落。 经过调研分析，设计方案采用无汽车托板形式，举升机构在举升过程中完成垃 圾箱装车，因此在选定运动轨迹时必须保证举升过程无垃圾撒落，避免二次污染。 2 、驱动装：! 嚣! 具有足够的承载能力，工作可靠，稳定性高。 为保证中转站中转垃圾的能力，垃圾箱满载重量一般在5 吨左右，无论选用何 种驱动装置，必须保证承载情况下工作可靠、运行平稳。 3 、结构布置合理，挖坑深度低，制造成本低。 能够实现垃圾箱平稳装车，要求合理布置各构件，运动过程中避免干涉现象发 生，同时举升机构的设计要满足挖坑较浅这一要求，使中转装置在地下水位较高的 城市也适用。 4 、结构简单，工作可靠，易于维护，对周围环境影响少。 结构复杂势必加大成本。同时，若机构中存在易损件，工作过程中就会经常出 现故障，这样不仅增加了维修费用，给客户带来经济负担，而且会影响垃圾转运。所 以举升装置应该皮实可靠、坚固耐用。垃圾举升过程应尽量平稳，避免振动、冲击 ，! ! ：童墨i ；尘茎堡当茎堡堡兰， ， 篓三塞丝三耋圭重丝堡薹垄堡垫塑耋型篁窑垒窒童垡童 和噪声影响周围居民休息。选择结构尽量简单的方案并保证中转站具有良好的性能 也是一个重要的设计要求。 2 2 举升机构的类型综合及方案优选 根据上述设计目标及要求，对举升装置进行机构类型综合，寻找并设计合乎要求的 举升装嚣。所谓机构类型综合，广义是指机构设计时的选型，如齿轮、凸轮、连杆和间 歇机构等的选择，在本章研究中仅指连杆机构的类型综合，又称为“数综合”，是指把一 定数量的构件和运动副如何进行排列搭配以组成机构的综合过程。”。 可以实现垃圾集装箱的举升装卸的装置有很多种，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，对于生活垃圾举升 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升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类型。“”“1 ，在众多类型之中能够实现生活垃圾举升功能的连 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。 由于平面四杆机构是最简单的一种机构，现从四杆机构入手进行分析。平面列杆机 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 】所示。 广 o 图2 1 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，其结果有四种运动链类型，如 图2 2 所示。其中，d 结构的执行构件虽然能实现转角要求，但是该四杆机构中包含两个 铰接的移动副，除液压缸外还要另外制作一个移动副，由于移动副加工制造相对困难， 所以此类四杆机构不予考虑。c 结构中无论哪一构件做机架都很难实现执行构件转角的 要求。因此c 、d 两种结构形式在举升机构的结构设计中均排除。 尘奎型三奎茎堡耋兰堡婆圣! ! 叁三耋垫耋耋耋堡垒堡耋：! ! 些! 垫墼耋型堡窒垒查i ! ! 垡： a b cd 图2 。2 平面四杆机构的运动链类型 图2 2 - a 中，选取不同构件作主动件和执行构件，综合出3 种类型，图2 2 b 中可综 合出2 4 种类型，这样一共综合出如图2 3 所示的2 7 种四杆运动链非同构形式，i 虱中- s 母6 - 表示机架，字母z 表示主动件，字母b 表示执行构件。 ，。t 、 - 。、 5 l 、 “j i 、， 一一 一瓷。七一。亨。一 一。? 、 ， zj 。、。z c 。，i 、 】“ ， “ 、，j ， 一，4 j 一i ：一。一 宰一一r 一。 “ n 、2 “、 7。、ij 2 。 、。 。1 、 8 、 。、 - ：一_ ：_ = _ = = _ 【刍 。一哥j _ 一2 吁一一! i “p，一、，。、1 _ 、z、 z i 、 。 。 j j ，一、 ， 一一；- 一j 一一”。一一? 一一i 。 ，、 b ，l ( 、i - 一薯一；一一少 图2 3a 、b 结构运动链非同构形式 2 21 平行四边形举升方案 。图2 2 a 结构的铰链四杼机构作为举升装置时，需采用连架杆托起垃圾集装箱，并 要求连架杆在运动中要尽量保持水平，因此考虑用平行四边形机构来实现运动季求。平 行四边形机构有咀下两个运动特性：两曲柄转速相等、连架杆始终与机架平行。”3 。 根据举升转角及举升平稳性要求，设计垃圾坑左右两旁对称分布平行四边形结构 选用电机驱动c d 秆，如图2 4 所示。 o ； 弋一t一 ， 一 当垂堡i 姿茎i 耋鐾堡塞鎏! 。， 墼三耋垫兰銮耋堑鎏：l 丝! ；堡垫墼耋型堡窒墨室塞堡童 圈2 4 平行四边形机构实现举升装箱示意图 对于此种举升机构，假定作用于连架杆上的压力沿轩均匀分布，且压力i v 大d , g j 垃圾箱重量的一半，口角为杆a b 与水平面之间的夹角，一口长度为，。通过计算得到杆 a b 、c d 上所受到的压力f 、e 分剐为： f ：j l ，只：一n c o s 2 口+ 坐 2 s i l l6 i 9 2 通过m a t l a b 得出其变化曲线分别如图2 5 、2 6 所示。 图2 。5 举升过程中4 昱杆上受力曲线 圈2 。6 举升过程中c d 杆上受力曲线 a b 杆上的扭矩为：t = ；，c o s 9 ，其变化曲线如图2 7 所示。从图中可以看出：a b z 朽在起始位置受压力最大，此后a b 抒上压力随0 角的增大而不断变化，当曰角等于9 0 。 时a b 杆上压力达到最小值；c d 杆上的受压力情况与a b 杆恰好相反，起始位置受力最 小，而当口角等于9 0 。时，c d 杆受力达到最大值；作为主动件的c d 杆其扭矩在起始位 置时为最大，当转至0 角等于9 0 。时位置时，其扭矩r 达到最小值0 ，此后随着0 角的增 大扭矩r 又逐渐增大。通过对装箱过程a b 、c d 杆受力及c d 杆上扭矩进行分析我们得 出：a b 杆初始位置所受压力较大，为满足举升过程中强度要求及稳定性要求，a b 杆径 9 向尺寸必然较大，使制造成本升 高：且c d 杆上扭矩变化幅度较 大，影响举升稳定性。另外，由 于垃圾集装箱每举升次，主动 件转过8 0 。角，而举升时间一般 大于6 0 秒，因此转速相当低，这 就需要传动比很大的减速器习+ 能 得到很低的输出转速，特别是减 速器需要很大的输出扭矩，使得 减速器选型相当困难。通过调研， 只有几种特殊的减速器能满足要 求，但是其价格过高，将使中转 站的成本大大增加。图2 7 主动件上扭矩变化曲线 综上所述：平行四边形机构作为举升方案还存在诸多缺陷，因此该结构形式不予采 用。 22 2 含一个移动副的四杆机构举升方案 图2 2 - b 的2 4 种非同构形式中，构件3 、4 以移动副相连，由于举升机构构件以液 压缸形式出现并且执行件需要实现一定转角的要求，根据这些约束条件，排除同构形式， 最终得到8 种可供选择的可行性方案，如图2 8 所示。在八种可行性方案中转化为实际 机构后，由于机构中液压缸的存在，所以实际机构可能为同构，排除同构后，非同构的 实际机构为a 、c 、e 、g 。 丛 ( 1 ) 对方案a 进行分析 图2 8 可行性运动链圈 ，当童矍三銮茎堡圭兰堡堡兰 薹耋塞些兰耋耋重篁堡耋垄! ! 垫墼耋型堡垒垒垄董堡鎏 机构简阻如图2 9 所示，液压缸固定于地面，活塞杆带动执行构件一c 直接将垃圾 箱举升到地面以上适当高度处，此后自卸车车厢退至垃圾箱正下方，举升液压缸继续摆 动较小角度使垃圾箱落于自卸车车厢内，完成装运。 ij ( ，、1( 一端+ 二、 图29a 方案举升机构结构简图 设作用于b d 杆上的压力为f ，a c 杆上的拉力为r ，则 r ：0 凳旦弋 ( 2 - 1 ) 1 2 面确 “_ f ：骧 ( 2 2 ) 2 s i n l 护一搿) 正：_ n _ e o 了s o - c l o s o t ( 2 - 3 ) 厶。五面f 万 疋= 矿n ( 2 - 4 ) t a n a 其中，0 为压力f 与水平面之间的夹角4 口为拉力丁与水平面之间的夹角； e 为液压缸活塞杆所受压力； l 为液压缸侧壁所受压力； 为垃圾箱重量的一半。 在整个提升过程中，由于初始位置口、0 取值均比较小，正在提升切始位置时最大， 即液压缸活塞杆上需提供较大的压力。另外，提升过程中液压缸侧壁所受压力互亦在起 始位鼹时为最大，并且t a n o 与t a n比值较小，所以液压缸侧壁受力也比较大，长时间 运行很容易造成液压缸磨损，因此该方案予以排除。 ( 2 ) 对方案c 进行分析 生童型王奎兰堡圭兰堡耋塞。 ，：，薹三至丝圣耋兰堑鎏壑茎茎垫垫塑耋茎叁垒垒耋童i 墼， 该方案是将方案口中执行构件位置进行了变换，对机构进行受力分析，同样存在提 升初始阶段液压缸侧壁受力比较大的问题，此方案办不被采用。 图2 1 0c 方案举升机构结构简图 ( 3 ) 对方案e 进行分析 液压缸铰接于地面，在举升过程中，液压缸在e c 杆的作用下绕铰点a 摆动，克服 了方案口、c 中液压缸受侧向力较大的缺点。列出液压缸活塞杆受力方程为 f ：n c o s 口，经分析提升起始位置活塞上压力较大，需选择较大功率的液压驱动装置。 s i n ( 0 一口 图2 1 1e 方案举升机构结构简图 ( 4 ) 方案g 进行分析 可以看出。该方案与自卸车上的举升装置具有相同结构，均采用了曲柄摇块机构。 1 2 j 。、 ，一 皇查堡三查茎堡耋耋竺鎏塞。， ，! 堑三耋：塑：基叁重堡堡耋耋堡堡墼耋型耋塞璺耋塞垡鎏。 为了粗略计算液压缸活塞杆压力及液压缸的功率，先取赢= 1 3 e d ，液压缸与地面铰接 点选在垃圾坑底部爿点处，心= 妻删。 cd ，一一r 一 r 一一5 1 艋 n 图2 12g 方案举升机构结构简图 e d 杆初始位置近似为水平，a c 与e d 之间夹角为口，以下为液压缸选型计算过程： 液压缸活塞杆最大举升力f m 。的引算： 只，3 ：罢 ( 2 - 5 ) m a x 、一 液压缸活塞杆上最大举升力吒。为1 2 5 x1 04 牛。 液压活塞杆径计算： 杆稳定性系数一小等， 极限稳定压力名：万丁2 e x p ， 其中e 为弹性模量，其取值为1 9 0 x 1 0 9 。 稳定性系数n = 鲁k 】， m 为许用稳定性系数，其取值为8 。 经计算，得出d 9 5 2 r a m ，根据这个数值，选取液压缸活塞丰t 直径1 0 0 r a m 。液压 缸内径d 取1 4 0 m m 。 驱动泵机械功率： 液压缸伸长量一a i = 1 7 5 m 驱动泵机械功率j v = f 。v 叩= 6 0 7 5 k w 些童星三奎兰些堡鎏耋：，。，。，篓三耋，矍三垄耋重薹墨篓些垫丝，墼耋型堡窒墨窑塞堡羹 对计算结果进行分析，容易看出液压缸活塞杆直径及单侧液压缸驱动功率都比较大， 主要原因是举升过程中整个垃圾箱重量作用于e d 杆，因此作为驱动件的液压缸活塞上 需承受较人压力，液压缸选型不经济，整套举升装置成本必然增高。 ( 5 ) 液压斜拉式举升方案 在方案g 的基础上，设计一装箱斜面，举升过程中，垃圾箱后轮沿斜面行入倾斜的 自卸车厢。采用该举升方式，垃圾集装箱的部分重量将由斜面来分担，作用于液压缸的 压力将得到降低，其结构如图3 1 3 。若能合理设计该举升机构各结构参数，液压缸活塞 杆直径及液压缸功率都将得到降低。 图2 13 液压斜拉式举升方案结构简图 以液压斜拉式举升装置作为地平式生活垃圾中转装置的举升机构，我们做了大量的 研究工作。该举升方案较传统举升方式具有明显优势，主要可以总结为以下几方面的优 点：结构简单、易损件少；由于举升过程中斜面与摆杆共同承载垃圾箱重量，作用于液 压缸上的最大举升力大大降低，液压缸选型相对经济；建筑施工深度较低；举升装置安 全可靠，稳定性好，不易造成二次污染。 目前，液压斜拉式生活垃圾举升装置已申请国家发明专利( 扣溃号：) 。 2 3 本章小结 综上所述，本章主要做了以下工作： 1 、确定了地平式生活垃圾中转装置举升机构的设计目标及要求。 2 、对举升机构进行类型综合，分析了各可行性方案的特点及存在问题，排除不合 理结构，从四杆机构里优选出最佳举升方案。 3 、对优选出的最佳举升方案进行创新设计，提出液压斜拉式举升方案，并对该方 案的优越性进行初步探讨。 1 4 山东理工大学硕士学位论文第三章液压斜拉式垃圾集装箱举升机构的设计及尺寸优化 第三章液压斜拉式垃圾集装箱举升机构的设计及尺寸优化 3 1 概述 地平式生活垃圾中转装置具有广阔的市场前景，举升装置是中转站设计的关键，我 们对举升机构的期望是：较小的举升力系数、平稳的油压脉动、合理的铰节点布局、紧 凑的结构等。对以上各方面进行综合考虑，设计一种成本低廉、使用安全方便、中转效 率高、无二次污染的新型生活垃圾中转装置是亟待解决的课题。本章在生活垃圾中转装 置举升机构类型综合及方案优选的基础上，对举升机构进行了尺寸设计综合研究。 3 、2 液压斜拉式垃圾集装箱举升机构 3 。2 1 举升机构结构设计 1 、自卸车挂钩2 、横梁 3 、摆臂4 、垃圾集装箱 5 、自卸车车厢6 、装箱斜面7 、液压缸 图3 1 液j 匿斜拉式举升机构结构简圈 液压斜拉式举升装置，如图3 1 所示。整套举升机构由液压装置、摆臂、横粱、垃 圾集装箱、装载斜面五大部分组成。其工作原理如下：斜面6t 装有设计导轨与自卸车 皇童堡! ：；查耋堡兰兰竺篓耋， 釜三茎，墼璧墼丝圣薹鳖耋董篓薹型垄! 垒墼垡i ! ；墨垒兰垡丝! 倾斜车厢5 相接，底面装有行走轮的垃圾集装箱4 一端挂于横梁2 上，横梁由左右摆臂 3 带动。工作时，左右支撑油缸7 提供动力，带动左右摆臂同步转动，从而带动挂接于 横粱上的垃圾集装箱沿装箱斜面6 进入自卸车车厢，自卸车厢 ：的挂钩1 将垃圾集装箱 挂住，垃圾集装箱上的挂钩从横梁上脱钩后自卸车厢转至水平位置，完成垃圾集装箱的 一次装载。其中装箱斜面由端面呈三角形的反转支架及坑沿斜坡组成，装运垃城集装箱 时。位于地面以上的翻转支架铰接于横轴上，其工作斜面与垃圾坑斜坡位于同一平面； 平时，翻转支架绕横轴旋转，工作斜面转至与垃圾坑斜面贴合状态，同时起到封闭作用。 翻转支架具体结构将于第六章中详细介绍。 3 2 2 举升机构静力学分析 图3 2 垃圾集装箱进入斜面后设备受力分析 在进行举升机构结构设计之前，首先需要对各组成部分进行静力学分析。摆杆提供 拉力为7 1 ，后轮与地面之间的摩擦力属滚动摩擦，其数值不至垃圾箱重量的千分之一 相对其它力来说很小，在分析中可忽略不计。垃圾集装箱进入斜面后受力分析如图3 2 所示。 垃圾集装箱未进入斜面时，作用于液压缸上的压力为e = i 兰二一。垃圾集装箱进 4 l ，c 0 5 y 入斜面以后，假设垃圾箱为匀速运动，水平方向力平衡方程为： z=ns i n 0 ( 3 - 1 ) 竖直方向力平衡方程为： 山东理工大学硕十学位论文第三章液压斜拉式垃圾集装箱举升机构的设计及r 寸优化 = g ：l + c o s 0 1 所以，2 丽g s i n 。2 瓦= 器搿 g c o s 口s i n 0 2 s i n + 0 ) 因此，垃圾集装箱进入斜面以后，液压缸活塞杆上的举升力为： 。 i g s i n o c o s ( p a ) p 22 瓦。c o s y s i n ( a + o ) 其中：0 、口分别为装载斜面倾角、 摆杆与地平面之间的夹角； r 为摆杆提供拉力： 为地面提供的支持力； y 为沿液压缸活塞杆的压力方向与垂直于摆臂方向的夹角 g 为垃圾箱所受重力； ，为摆臂与地面铰接点至摆臂与液压缸活塞杆铰点的长度 ，为摆臂长度； 口为垃圾箱侧面对角线与竖直方向的夹角。 3 2 3 设计变量的确定 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 各部件设计参数的合理确定，不仅能提高垃圾中转装置运行性能，而且可以降低成 本，在整套装置的研究开发上起着关键作用。对中转装置进行设计时，摆杆的长度，可 以根据举升高度及垃圾集装箱初始位置事先确定。由图3 1 容易看出液压缸与摆杆铰接 点至摆杆与地面铰接点的距离f 2 、斜面倾角一、摆臂最大转角屈。；决定着工作装置的性 能和制造成本，因此，设计变量取f 2 、0 、风。三个参数。 3 2 4 目标函数的建立 举升装置的设计目标可归结为：在有效运动范围内，要求作用于液压缸上的最大举 升力尽量的小；液压缸活塞杆最大伸长量尽量短。根据设计要求，垃圾箱举升末位置基 本确定，n o ( 3 5 。时，摆臂需要转过的角度将超过l o o 。，使得液压缸活塞杆伸长量加大， 且举升过程中液压缸必须先提供压力后提供拉力，势必造成油速波动较大，因而在实际 坐童堡三查茎堡兰耋堡垒圣，。， ，薹i 耋，鎏堡塑垫些丝堡塞墼墼耋型i 垫墼塞茎墨星兰垡堡 设计中斜面倾角要大于3 5 。；考虑到装箱平稳性，斜面倾角不得大于普通自卸车货箱最 大翻转角度5 2 。，取3 5 。 0 5 2 。对已有条件进行分析，液压缸最大举升力发生于斜 向上某点处。根据垃圾箱需要举升的高度设计摆杆k 度为4 3 2 0 m m ，垃圾箱后轮在刚进 入刳面时，由丁- 提升高度增加较快，口角逐渐减少，而此时斜面支持力降低，所以举升 力有一个增大的趋势；当垃圾箱被提升到一定高度后，液压缸活塞杆继续伸长，垃圾集 装箱前轮逐渐与斜面靠近，此后口角会逐渐增大，斜面支持力将增加，举升力也会相应 逐渐减少。 其中口角的大小是由摆臂转角口和斜面倾角口共同决定，垃圾箱进入斜面后各角度 分析如图3 ，3 所示。 ( 4 3 2 0 ，一1 7 0 0 ) 图3 3 垃圾集装箱进入斜面后各角度分析 初步确定各点坐标值如下： e ( 1 c o s f l ，s i n # ) ： c ( 4 3 2 0 0 ，一1 7 0 0 0 ) ； 则f 点坐标可表示如下：( 1 c o s f l + e f s i n a ，一( e f c o s 口一l s i n f l ) ) ； 因此，存在( 4 3 2 0 一c o s - e f x s i n a ) t a n 0 = 1 7 0 0 一( e f c o s 一s i n ) 。 其中，e f 的长度可以根据垃圾集装箱尺寸计算，e f = j 面孑面矿= 3 3 5 4 1 0 ，经 ir ! ! 堡茎三奎兰堡! ：耋塞墼圣! 。：。 ! 塑三耋鎏量型i 耋鎏堡堑墼丝耋塑! 丝塑耋兰垒堡耋堡垡 整理1 2 与、0 之间的关系可表示为： 口= a r c c o s ( 1 2 8 8 s i n ( o + ) + 0 5 0 7 c o s 0 1 2 8 8 s i n 0 ) 一0 ( 3 - 6 ) 根据图解法可以求出举升装置摆臂转角为2 5 。时，垃圾集装箱丌始进入斜面，此 时口= 1 4 。；取3 5 。5 2 。之间多个斜面进行分析，在卢4 2 。时，斜面对垃圾集装箱支持 力将增大。即= 4 2 。时，举升力达到最大值，此时最大举升力即第一目标函数确立： 。lgs i n o c o s ( 4 2 0 一口) “。瓦。i 丽蕊i 商 此外，设计= 4 2 。时y 在0 。附近，满足该设计要求时，液压缸起始位置与极限位 置摆动角较小，因此举升过程中液压缸活塞杆最大伸长量可以近似表达为： 扯：小i n 等 该函数被确立为第二目标函数。 3 2 5 约束条件的建立 1 、结构约束条件 yj l l a 隳：7 “”一 广 一上一，5 - ， g 图3 。4 举升过程中液压缸摆动中的位置简图 a f = ，：，摆臂转角为4 2 。附近时，液压缸与摆臂铰接点转至c 点，而此时，在o 。 生奎矍三尘茎塑圭茎堡鎏圣：! 薹三茎堡垩墼丝耋垫堡塞鍪堑耋量堡丝墼耋生垒垦兰堡些 刚近。根据这个条件，确定举升初始点至极限位置关键点坐标值如下，其中液压缸摆过 角度z f e b 很小，所以f e g 近似为4 8 。，如图3 4 所示。 a ( 0 ，0 ) ： f ( ，2 ，0 ) ； d ( ，2c o s f l 。，2s i n 风。) ； e ( f 2 + ( ( 2 1 2s i n ( 卢。2 ) + 0 4 5 ) c o s 4 8 。) ，( 2 1 2s i n ( 。2 ) + 0 4 5 ) s i n 4 8 。) 。 满足举升极限位置与液压缸初始位置夹角较小即，= 2 l ：s i n 譬，则。卢之间 的关系需满足下式： 厄面瓦西五甬而洒丽咿面五瓦了面而丽丽：2 1 2s i 。譬 ( 3 - 7 ) 图中液压缸所在直线斜率用k ，表示，垂直于摆臂方向直线斜率用k ，表示，则两直线 夹削0 j , j y ，通过计算y 可用、f 2 、风。表示： y：arctanl兰dl：arctanl12cos(2f1)+(m+045)cos(48。-f1)-12c o s f l l 1 + k ，k ，。 。，s i n 2 卢一，s i n 声+ ( ，+ 0 4 5 ) s i n ( 4 8 。一卢) 。 c o s y ：c o s ( a r c t a nl12cos(2f1)+(a+045)cos(48。-f1)-12 c o s f l 1 )( 3 8 ) 。f ，s i n 2 p f ，s i n + ( a l + 0 4 5 ) s i n ( 4 8 0 一) ” 式( 38 ) 是用，：、风。来表示y 角，从式中可以看出，对于选定的设计变量f 2 、 0 ，与卢一一对应。 风。随着口角的增大而减少，但二者之间并非简单的线性关系，为了求解目标问题， 我们需要找出风。与曰之间的近似对应关系。分别取出一系列的口值，通过图解法找出 它们对应的值，结果如表3 1 所示。 表3 10 与。之间的对应关系 12345 臼3 0 03 5 。 4 0 。4 5 。5 0 0 壁盥! ! ! ：!