（机械制造及其自动化专业论文）城市生活垃圾压缩处理站举升机构分析与优化.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着经济、社会的快速发展，我国城市化进程进一步加快，城市生活垃圾 处理事业发展迅速，国内环保企业逐步加大投入和研发力度，各类新型城市生 活垃圾压缩处理设备应运而生，市场竞争益日趋激烈，促使企业在保证质量的 前提下进一步提高产品研发效率，降低生产成本，增强竞争实力。 本文以企业实际技术改造项目为出发点，以城市生活垃圾压缩处理站关键 部件一举升机构为研究对象，主要开展以下几个方面的工作： 1 在深入分析举升机构基本结构的基础上，简化分析模型，建立运动学分 析模型，研究举升油缸活塞杆运动、载重平台竖直运动和水平运动，建立其运 动学关系式及相关曲线，并编写相应计算机应用程序；利用s o l i d w o r k sm o t i o n 软件对举升机构进行运动学仿真分析；通过实验验证，证明运动学分析的j 下确 性。 2 利用虚功原理推导单个举升油缸推力与台面载荷等参数间的关系式，并 与实测数据进行对比分析；对举升机构底层剪叉杆组进行受力分析，建立e x e l e 求解模板，计算不同工况状态下关键铰接点的受力大小，对危险工况下剪叉杆、 关键轴销强度进行校核；利用m a t l a b 软件对举升油缸安装位置参数进行优化， 优化后举升油缸最大推力较优化前下降了1 5 6 ，取得较好优化效果。 3 对举升机构关键部件一剪叉杆进行简化，建立有限元分析模型，利用 s o l i d w o r k ss i m u l a t i o n 软件对其进行有限元分析，获得其应力分布情况，与理论 分析结果相符合；在有限元分析基础上，以剪又杆质量最小为优化目标函数， 以截面参数为设计变量，以最大应力为约束条件，建立剪叉杆优化设计数学模 型，进行轻量化设计，经过优化，剪叉杆整体质量降低2 8 1 6 ，优化效果显著。 本文的研究工作有助于城市生活垃圾压缩处理站举升机构的优化设计与改 进，对于提高产品质量具有一定的指导意义，解决了企业的迫切需要，为同类 问题的研究提供良好的借鉴。 关键词：城市生活垃圾压缩处理站，举升机构，力学，运动学，优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , c h i n e s eu r b a n i z a t i o ni s b e e n i n gf u r t h e ra c c e l e r a t e d , t h em u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) t r e a t m e n tu t i l i t y d e v e l o p sr a p i d l y a ss o m ed o m e s t i ce n v i r o n m e n t a le n t e r p r i s e sg r a d u a l l yi n c r e a s e i n v e s t m e n ta n dr e s e a r c he f f o r t ，s o m en e wk i n d so fm s w c o m p r e s s i o ne q u i p m e n t s c o m ei n t o b e i n g m o r ea n dm o r ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n s & r ef o r c e i n gt h e e n t e r p r i s e st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c td e v e l o p m e n tf u r t h e ra n dr e d u c et h e c o s t st oe n h a n c et h ec o m p e t i t i v e n e s su n d e rt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t y w i t hp r a c t i c a le n t e r p r i s et e c h n i c a lt r a n s f o r m a t i o np r o j e c ta sas t a r t i n gp o i n t ，t h i s p a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo fl i f t i n gm e c h a n i s mw h i c hi st h ek e yc o m p o n e n to fm s w c o m p a c t i n gr e f u s et r a n s f e rs t a t i o n t h em a i na s p e c t so fw o r ki nt h i sp a p e ra r ec a r r i e d o u ta sf o l l o w s ： 1 b a s e do ni n - d e p t ha n a l y s i so fl i f t i n gm e c h a n i s mb a s i cs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ， t h em o d e li ss i m p l i f i e da n di t sm o v e m e n tp r i n c i p l ei sa n a l y z e d t h e nt h ek i n e m a t i c s m o d e li se s t a b l i s h e d ，t h el i f t i n gc y l i n d e rp i s t o nm o v e m e n ta n dt h el o a dp l a t f o r m v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lm o v e m e n t & r es t u d i e d ，a st oe s t a b l i s ht h ek i n e m a t i c sf o r m u l a a n dr e l a t i o nc u r v e sa n dp r o g r a mc o m p u t e ra p p l i c a t i o n s t h el i f t i n gm e c h a n i s m k i n e m a t i c ss i m u l a t i o ni sd o n eb ys o l i d w o r k sm o t i o ns o f t w a r e t h ek i n e m a t i c a n a l y s i sc o r r e c t n e s si sc a r r i e do u tw i t he x p e r i m e n td a t a 2 t h ef o r m u l ab e t w e e nt h r u s to fs i n g l el i f t i n gc y l i n d e ra n dl o a di sd e r i v e df r o m p r i n c i p l eo fv i r t u a lw o r ka n dc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dd a t at ov e r i f y i t s c o r r e c t n e s s t h ef o r c ea n a l y s i so ft h el i f t i n gm e c h a n i s mb o t t o ml a y e rs c i s s o r sr o d g r o u pi sd o n e ，t h ee x c l es o l v i n gt e m p l a t ei se s t a b l i s h e dt oc a l c u l a t et h ef o r c ev a l u e s o fs o m ec r i t i c a lh i n g ep o i n t su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h es t r e n g t ho ft h e s c i s s o r sr o d sa n ds h a f tp i n s & r ec h e c k e du n d e rt h em o s td a n g e r o u sc o n d i t i o n t h e p a r a m e t e r so fl i f t i n gc y l i n d e r si n s t a l l a t i o n l o c a t i o n & r eo p t i m i z e db ym a t l a b s o f t w a r e ，w h i c ho b t a i n sam u c hb e t t e rr e s u l t t h eb i g g e s tt h r u s to ft h el i f t i n g c y l i n d e r si sd e c r e a s e db y15 6 a f t e ro p t i m i z a t i o n 3 t h es i m p l i f i e da n df i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h el i f t i n gm e c h a n i s ms c i s s o r sr o d & r ee s t a b u l i s h e d t h es o l i d w o r k ss i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e dt od e a lw i t h6 n i t e i i 武汉理工大学硕十学位论文 e l e m e n ta n a l y s i st oo b t a i nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o nw h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h e t h e o r e t i c a lr e s u l t s b a s e do nt h es c i s s o r sr o df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h eo p t i m a l d e s i g nm a t h e m a t i c a lm o d e li sc r e a t e dt or e a l i z et h el i g h t w e i g h td e s i g n t h eo p t i m a l m o d e lo b j e c t i v ef u n c t i o ni sm i n i m u mq u a l i t y , t h ed e s i g nv a r i a b l e sa r ec r o s s s e c t i o n p a r a m e t e r s t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o ni st h em a x i m u m s t r e s sc o n s t r a i n t b e s i d e s ，t h e w e i g h to ft h es i m p l i f i e ds c i s s o r sr o di sd e s c r e a db y2 8 16 a n dr e m a r k a b l ee f f e c ti s a c h i e v e d t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rw i l lb ec o n d u c i v et ot h eo p t i m a ld e s i g na n dq u a l i t y i m p r o v e m e n to nl i f t i n gm e c h a n i s mo fm s wc o m p a c t i n gr e f u s et r a n s f e rs t a t i o n a t t h es a m et i m e ，i tc a ns o l v et h ef a c i n gp r o b l e m so fe n t e r p r i s e sa n dp r o v i d e sag o o d r e f e r e n c et os o l v et h es i m i l a rp r o b l e m s k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t ec o m p a c t i n gr e f u s et r a n s f e rs t a t i o n ，l i f t i n g m e c h a n i s m ，m e c h a n i c s ，k i n e m a t i c s ，o p t i m i z a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他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。 签名：三逸且金日期：趔车盂l ! ! 博 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后麻遵守此规定) 研究生( 签名) ：了沃冉金导师( 期训p 秘 3 j 诤 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 改革开放以来，随着我国经济、社会的全面快速发展，城市化进程逐步加 快，城市人口呈现爆炸式增长态势，居民消费水平日益提高，城市生活垃圾 ( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，简称m s w ) 产量不断增长 2 1 。据不完全统计，截至2 0 0 8 年末，我国未经任何无害化处理的城市生活垃圾累积总量已超过7 0 亿吨【l 】，且 以每年高于1 5 亿吨的惊人速度快速增长，其所占用、污染的土地面积超过8 0 万亩，但是我国城市生活垃圾处理现状整体堪忧 7 1 ，1 9 9 6 2 0 0 8 年全国城市生活 垃圾处理情况如图1 1 所示。全国2 3 以上的大中型城市均面临“垃圾围城”的 尴尬困境，如何处理如此巨量的城市生活垃圾同益成为社会关注焦点。因此， 采用先进无害化技术，提高城市生活垃圾处理效率，降低污染，改善城市环境 具有极为重要的现实意义。 图1 11 9 9 6 - - 2 0 0 8 年全国城市生活垃圾处理情况统计 城市生活垃圾处理与城市环境可持续发展、市民生活息息相关，是现代城 市建设、管理必须面对、解决的重要问题。其中，垃圾的集中收集、运输是其 首要环节，是城市生活垃圾集中处理的前提，这是一个典型的物流系纠5 1 ，由其 所产生的费用约占城市生活垃圾处理总费用的二分之一以上。目前，我国城市 生活垃圾转运一般流程如图1 2 所示。因此，选择经济、合理的垃圾运输方式非 武汉理工大学硕士学位论文 常重要，目前主要有直接运输、垃圾中转站运输等两种方式。 图1 2 城市生活垃圾转运流程简图 但是，现代城市生活垃圾的成分同趋复杂，密度逐渐降低，可压缩性增强， 若采用传统的直接运输方式，极容易引起转运车辆亏载问题，增大转运频率， 降低转运效率，提高转运成本，影响城市交通，且易引起二次环境污染。因此， 对城市生活垃圾进行集中收集、强力压缩、减容增重、中转运输已成为国内外 环保领域的研究热点，城市生活垃圾压缩处理技术迅速发展，各类垃圾压缩处 理设备纷纷面世，并陆续投入实际使用，取得较好的效果，大大提高了转运效 率，有助于从根本上解决城市生活垃圾清运能力与城市发展不相称的局面，摆 脱传统环卫作业的劳力式、低效型操作模式。 1 2 城市生活垃圾压缩处理设备概述 为了进一步满足我国城市生活垃圾处理市场的巨大需求，加大环境保护力 度，自二十世纪八十年代以来，国内很多环保企业加大投入和研发力度，在环 保设备开发、设计、制造等方面取得了长足的进步，环保装备的国产化进程正 在加快，并成功研发、生产出了一大批具有较高压缩效率的城市生活垃圾压缩 处理设备。目前，国内市场主要有压缩垃圾车、垃圾压缩处理站等两大类城市 生活垃圾压缩处理设型引。 压缩垃圾车属于城市环卫专用车辆，一般采用普通载重卡车底盘改装而成， 适用于城市生活垃圾的分散式收集、处理，是国家专用汽车“十一五”规划重 点发展方向之一。其工作原理是主动将各分散收集点的垃圾装入车厢内，利用 其自带液压压缩装置进行强力压缩、减容处理，然后运往垃圾集中无害化处理 中心。具有机动性能好、密封性能好、不易污染环境等优点。主要有集装箱式、 侧装式、后装式、液压推顶式、拉臂式等多种不同的车型。目前，国内市场占 2 武汉理工大学硕士学位论文 有率最高的为后装式压缩垃圾车，其典型结构示意如图1 - 3 所示。 图l _ 3 后装式压缩垃圾车典型结构示意 垃圾压缩处理站是近几年来发展起来的一种具有较高科技含量新型集机、 电、液一体化的城市生活垃圾中转设备，主要适用于城市生活垃圾的集中式收 集与处理，可广泛应用于城市工业区、商业区、大型楼盘、住宅小区等场所， 其工作原理是人们将各自生产、收集、清扫的生活垃圾转送至压缩垃圾处理站， 利用其压缩装置进行强力压缩减容，将低密度的松散生活垃圾压缩成高密度垃 圾块，并通过专用垃圾转运车辆，运输至垃圾集中处理中心。垃圾压缩处理站 由于具有压缩力大、垃圾减容率高、占用空间小、美化环境等诸多优点，得到 广泛推广与应用。目前，国内生产的垃圾压缩处理站，按照其压缩装置布置方 式区分，主要有水平式、垂直式两种，按照垃圾处理站箱体结构安装位置区分， 主要由地埋式、地上式两种【4 】。目前，国内应用最多的为地埋、升降、水平式垃 圾压缩处理站，其典型结构如图l - 4 所示： 图l _ 4 城市生活垃圾压缩处理站典型结构 地坑2 卸料门3 箱体4 举升机构5 投料口6 压缩装置7 动力系统 目前，我国主要的城市生活垃圾压缩处理站生产企业有：湖北精功科技有 武汉理工大学硕士学位论文 限公司、江苏无锡天隆环保设备有限公司、四川德阳旌卫环保工程公司、河南 豫东环卫设备有限公司等。这些企业在研发专用垃圾压缩处理站站过程中，不 断追求技术改造和创新，提升产品质量，取得了显著成效，主要集中在以下几 个方面： ( 1 ) 提高垃圾压缩处理站压缩力，追求尽可能高的垃圾减容比； ( 2 ) 提升产品系列化设计、生产能力，实现配套化生产： ( 3 ) 提升垃圾压缩处理站智能化、自动化水平； ( 4 ) 提高垃圾压缩处理站举升机构运行稳定性； ( 5 ) 着力解决垃圾压缩过程中存在的二次污染问题； ( 6 ) 不断进行优化设计，提高产品综合性能。 本论文以城市生活垃圾压缩处理站的关键组成部分一举升机构为主要研究 对象，深入分析其结构组成、运动原理、运动学特性、力学特性，重点开展理 论分析、运动学仿真、有限元分析、轻量化设计，进一步改善其运行稳定性、 动力性，提高产品质量，降低企业生产成本。 1 3 城市生活垃圾压缩处理站举升机构研究现状 地埋、升降、水平式城市生活垃圾压缩处理站现已成为垃圾压缩处理设备 中的研究热点，具有承载量大、占地面积小等诸多突出优点，其平时置于混凝 土地坑中，以减小空间占用。当开始进行垃圾转运时，其依靠底部的举升机构 将垃圾处理站箱体从地坑中推出，实现与转运车辆的顺利对接。举升机构作为 城市生活垃圾压缩处理站的关键功能部件，其力学特性、运动学特性、运动稳 定性、设计质量已成为影响垃圾压缩处理站整体性能的关键因素。 目前，国内城市生活垃圾压缩处理站举升机构主要采用液压立柱式、连杆 式、链条机械式、剪叉铰接式等几种形式【9 1 。其中，液压驱动的剪叉铰接式举升 机构由于具有举升高度大、结构紧凑、占地面积小、承载量大等诸多优点，在 城市生活垃圾压缩处理站中得到广泛应用。 液压驱动的剪叉式举升机构种类繁多，基本结构均包含底座、驱动油缸、 剪叉杆、载重平台等四大部分，具有较高的模块化性能，其最小分解单元包括 对剪叉杆、驱动油缸等【1 4 1 ，各单元工作原理相同，基本上所有剪叉式举升机 构均可视为最小分解单元的叠加，具体数目根据举升机构起升高度、载荷大小 确定，最小分解单元主要由以下三种基本结构形式【1 0 1 ，如图1 5 所示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 上述三种基本结构形式组成部件完全相同，主要区别在于驱动油缸安装形 式存在差异。对比三种结构形式可知，竖直固定式剪叉机构载重平台行程有限， 整体尺寸较大，一般很少使用；水平固定式剪叉机构载重平台行程可以满足一 般的使用要求，但驱动油缸所需推力远远大于载荷，且活塞杆承受较大横向载 荷作用，导致油缸密封件磨损严重，寿命较短，其实际应用范围亦有限；双铰 接式剪叉机构则较好的避免了上述几种缺陷，结构尺寸合理，载重平台行程可 放大至举升油缸行程的2 倍以上，在生产实际中应用广泛，成为众多环保企业 研究的热点。 锬 魏重鱼， 剪昱 ! c ，一 篁。7 、 蘸匿 、 一 a 啜直固定式剪又单元 b 水平固定式剪叉单元c 双铰接式剪叉单元 图1 5 剪叉式举升机构最小分解单元基本结构形式 目前，国内一些专业生产举升机构的企业，由于受到资金短缺、设计能力 不足等诸多因素的制约，其新产品设计、开发很多程度上依赖于技术人员的个 人经验，直接在原有产品基础上按照适当比例进行缩放1 ；同时，为保证举升 机构的绝对安全，往往会取较大的安全系数，存在较大的材料、强度富余量， 导致所设计出的新产品非常笨重，须依靠反复的实验分析来进行进一步的改进 和优化，增加了设计成本，延长了设计周期，严重影响了国产举升机构产品的 发展和质量的提高。 针对传统设计方法存在的缺陷和不足，国内很多科研单位、专家学者对剪 叉式举升机构进行了深入研究与探索，目前主要存在两大研究方向：方向一是 开发各类参数化设计系统，加快设计进程，文献 1 l 】一文献 1 3 1 均针对举升机构 开发过程中存在的问题，提出基于三维设计软件的快速c a d 开发系统；方向二 是举升机构的虚拟仿真、优化设计，文献 8 】一文献f 9 】均采用a n s y s 有限元软 件对举升机构进行有限元分析、虚拟仿真设计，并提出优化设计方案，取得一 定的成效。但是，开发快速c a d 系统对企业技术人员的计算机综合应用能力要 求很高，且需要较强的实际产品针对性，在一般的中、小型企业中很少采用； 对于基于a n s y s 的有限元分析、虚拟仿真设计的方法，存在p r o e 、u g 、 武汉理工大学硕士学位论文 s o l i d w o r k s 模型与有限元分析软件间格式转换、缺损修补等问题，对技术人员的 有限元分析理解、分析、判断等方面能力提出较高要求，否则虚拟设计可能会 产生较大误差。 因此，进一步加强城市生活垃圾压缩处理站举升机构基础理论研究，为企 业技术人员提供改进设计基础理论支撑，寻求一种操作简单、实用的的有限元 分析手段，提高城市生活垃圾压缩处理站举升机构的设计质量，具有重要的研 究意义和价值。 1 4 论文研究目的与意义 支撑课题主要针对地埋升降式压缩垃圾处理站结构进行改进设计，主要包 括箱体结构、液压系统、控制系统、举升机构等部分的改进设计。本文主要针 对地埋升降式压缩垃圾处理站举升机构进行深入研究。 目前，对垃圾压缩处理站举升机构的研究，主要集中在提高举升力、举升 行程、工作效率等方面，而对举升机构的有限元分析、运动学仿真、优化设计 等方面的研究较少，因此，有必要对城市生活垃圾压缩处理站举升机构继续进 行深入地研究，进一步提升产品质量。 本论文研究的主要目的是在建立举升机构数学模型的基础上，对其进行理 论计算、运动仿真、有限元分析、优化设计，进而得到一系列比较实用的结论， 减少举升机构开发、设计、实验工作的盲目性和重复性，为进一步优化设计奠 定理论基础。 本论文研究工作可以为城市生活垃圾压缩处理站举升机构的研究提供基础 理论支持，有助于缩短产品开发周期、优化产品设计、降低产品成本、提高产 品质量，解决企业的迫切需要，为同类问题的研究提供良好的借鉴。 1 5 论文课题支撑和主要研究内容 本论文主要得到以下课题的支撑： ( 1 ) 校企合作科研项目t 地埋升降式压缩垃圾站分析与设计方法研究； ( 2 ) 武汉理工大学自主创新研究基金研究生国际学术交流预研项目：面向 轻量化的城市生活垃圾压缩处理站的箱体结构优化。 本文以城市生活垃圾压缩处理站举升机构为研究对象，主要研究内容如下： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 在深入分析举升机构运动原理的基础上，建立其运动学分析模型，对 举升油缸伸缩运动、载重平台竖直运动、水平运动进行深入分析计算，编写相 应计算机应用程序，进行实验验证，并利用s o l i d w o r k sm o t i o n 软件对举升机构 进行运动仿真； ( 2 ) 深入分析举升机构相关力学问题，建立其力学分析模型，利用虚功原 理推导举升油缸推力关系式，并进行实验验证，利用分层法对底层剪叉杆组进 行受力分析，对关键零部件进行强度校核，对举升油缸关键位置参数进行优化， 提升动力性能，改善举升机构工作性能。 ( 3 ) 建立举升机构关键零件一剪叉杆有限元分析模型，利用s o l i d w o r k s s i m u l a t i o n 软件对其进行有限元分析，获得其应力分布情况，以质量最轻为优化 目标，以截面参数为设计变量，以最大应力为约束条件，建立剪叉杆优化设计 数学模型，对剪叉杆进行轻量化设计。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章城市生活垃圾压缩处理站举升机构运动学分 析与仿真 目前，国内、外不同企业生产的城市生活压缩垃圾处理站举升机构的种类 繁多，其基本功能、举升高度、驱动形式、运动方式等均不相同。但是从产品 基本结构组成方面来看，各类举升机构均包含底座、驱动油缸、剪叉杆、载重 平台等四大基本部件。其中，剪叉杆是举升机构的主体，也是最关键的受力部 件，它在液压油缸驱动作用下，实现载重平台的升降功能，其运动学特性与举 升机构整体工作性能息息相关，有必要对其进行深入分析。 2 1 城市生活垃圾压缩处理站举升机构结构分析与简化 2 1 1 城市生活垃圾压缩处理站举升机构结构分析 本文所研究的举升机构为城市生活垃圾压缩处理站的关键组成部件，其三 维实体模型如图2 1 所示。 图2 1 城市生活垃圾压缩处理站举升机构三维实体模型 1 载重平台2 滚轮3 举升油缸4 铰接轴销5 底座6 、8 内框架7 、9 外框架 由图2 1 可知，城市生活垃圾压缩处理站举升机构是典型的双层x 型铰接 式剪叉机构，采用固定式底座，具有稳定性能好、起升高度大、承载能力强等 武汉理工大学硕士学位论文 诸多优点。主要由底座、4 个举升油缸、2 个内框架、2 个外框架、载重平台等 关键部件组成，其中，内、外框架是以剪叉杆为主体的焊接件。各部件之间主 要采用铰接轴销进行连接，举升油缸3 的活塞杆、缸筒分别与内框架6 、内框架 8 的支承座固定铰接，外框架7 与底座5 固定铰接，内框架6 与下滚轮转动铰接， 下滚轮在底座上5 的滑道中滚动，内框架8 、外框架9 与载重平台1 、上滚轮采 用同样方式连接。在该举升机构中，四个举升油缸受力大小、运动形式相同， 但却发挥不同作用，上部2 个油缸承受全部台面载荷，下部2 个油缸平衡力矩， 防止举升机构发生倾覆，保证安全。 2 1 2 城市生活垃圾压缩处理站举升机构模型简化 城市生活垃圾压缩处理站举升机构实际构成较为复杂，其运动过程中亦存 在很多变量，而所关心的主要是举升运动过程中的运动学、力学特性问题，因 此有必要对原有模型进行进一步简化，以利于后续分析与计算【1 7 】。 ( 1 ) 该举升机构主要由内、外剪叉框架组成，整体结构对称； ( 2 ) 4 个举升油缸各项功能指标完全相同，且串联在同一液压回路，任意 时刻举升油泵对其泵入流量相同，因此活塞伸缩量相同，4 个举升油 缸、剪叉框架组成两个内外完全相同的平行四边形； ( 3 ) 4 个举升油缸任意时刻承受载荷相同，只承受沿油缸轴向压力，但发 挥作用不同。 图2 - 2 举升机构简化模型 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 这样可将举升机构运动过程简化为二维平面内的2 个举升油缸对系统二分 之一载荷的举升运动，具体简化模型如上图2 - 2 所示。 2 2 城市生活垃圾压缩处理站举升机构工作原理分析 城市生活垃圾压缩处理站平时置于混凝土地坑中，以减少所占用的空间。 当开始进行转运垃圾时，其依靠底部的举升机构将载有压缩垃圾块的箱体从地 坑中举升推出，实现与转运车辆的对接，并将压缩垃圾块从箱体内推出、运走， 举升机构运动原理简图如图2 3 所示。其中，点c 、f 为内、外剪叉杆中端铰接 轴销；d 、e 点为上下层剪叉杆终端铰接轴销；b 、n 点分别与底座、载重平台 固定铰接，a 、h 点分别与上、下滚轮转动铰接；i 、j 、k 、l 分别为举升油缸 安装位置，采用轴销与内、外剪叉杆进行固定铰接。 y v 、，十v h il n 、(阻 h i v e d ( 踟e l a 。bk l v。广一 一 ll 图2 3 举升机构运动原理简图 该举升机构接电开始工作时，液压油泵向举升油缸内供油，举升油缸u 、 k l 的活塞伸缩带动内剪叉杆d h 、a e 转动，使得内、外剪叉杆组d h 和n e 、 b d 和a e 分别绕其中心铰接轴销相对转动，下部滚轮a 、上部滚轮h 分别在底 座a b 、载重平台n h 的滑道内滚动，从而使得铰接在一起的内、外剪叉杆之间 的夹角发生变化，引起整个举升机构的相对关联运动，最终实现载重平台的竖 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 直举升运动及水平运动，将垃圾站箱体推出地坑，实现与转运车辆的顺利对接。 由图2 3 可知，城市生活垃圾压缩处理站举升机构简化模型做平面运动，可 以采用瞬时速度中心法进行求解。此外，由于各举升油缸运动规律完全相同， 所以此处仅选取举升油缸u 为研究对象。 分析其运动规律可知，各剪叉杆与水平方向夹角任意时刻均保持相等，因 此，举升机构各剪叉杆运动角速度均相等，记为；上部滚轮h 做竖直运动， 速度记为v h ；底部滚轮a 在底座滑道内做水平直线运动，速度记为v a ) 铰接 点d 绕固定铰接点b 做圆周运动，其速度方向垂直于剪叉杆d b 。 依据瞬时速度中心法，采用几何作图法即可得到剪叉杆d h 、a e 瞬时速度 中心，分别记为m 点和d 点，举升机构整体运动学分析简图如图2 - 4 所示。 m 一一 ：、 、j 一、| j 。 图2 - 4 举升机构整体运动学分析简图 2 3 城市生活垃圾压缩处理站举升油缸运动分析 城市生活垃圾压缩处理站举升机构载重平台的竖直升降运动、水平前倾运 动主要由举升油缸活塞杆轴向伸缩运动引起，其轴向运动速度决定了载重平台 的运动速度。在该举升机构中，举升油缸i j 活塞杆基本运动规律如下： 举升运动开始后，举升油泵向举升油缸内供油，活塞首先进行短暂加速运 武汉理工大学硕十学位论文 动，然后进行匀速运动，若举升油缸为多级缸，则每次换级过程均会出现一次 短暂加速运动现象，当接近目标位置时，活塞杆开始进行减速运动，直到最终 位置时，速度下降为零，下降过程则相反。这样可以避免举升过程中因速度突 变引起惯性冲击，保证设备安全，该举升油缸活塞杆基本运动过程如图2 5 所示。 _ 级缸、 一三级氧 三级缸 图2 5 举升油缸活塞杆运动过程示意图 由图2 - 4 可知，m 点、d 点分别为杆d h 、a e 瞬时速度中心，因此，举升 油缸u 在i 点运动速度垂直于m i ，定义为v i ，在j 点运动速度垂直于d j ，定义 为v j ，则可以得到： v i = m ix 缈，v j = d jx 彩； ( 2 一1 ) 则举升油缸活塞杆的轴向运动速度即为点i 、j 运动速度沿油缸轴向分速度 之差，现定义点i 、j 沿油缸i j 轴向速度分别为v i 。、v j 。，举升油缸i j 活塞杆 轴向速度为v ，则可以得到： v = v i l v j l ； ( 2 2 ) 其中， v l l = 一a 2 + l 2 + 2 a l c o s2 口缈s i 堇l ( 口1 目2 )( 2 - 3 ) v j l = ( l 2 2 l a ) s i n 2 a + a 2xcoxsina3(2-4) 结合式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，整理可得： v = - 4 a 2 + p + 2 a l c o 缸国s i l l 纪一岛) 2 l a ) s i n 2 a + a 2x 彩x s i n 0 3 ( 2 5 ) 则式( 2 5 ) 即为举升油缸u 活塞杆轴向运动速度关系式。 式中， 卜剪叉杆两端轴销孔中心连线长度( 单位：m m ) ； 卜油缸u 上安装点与剪叉杆d h 左轴销孔距离( 单位：m m ) ； 卜油缸u 下安装点与剪叉杆a e 左轴销孔距离( 单位：m m ) ； a 一各个剪叉杆与水平线夹角( 单位：r a d ) ； 1 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 国一举升机构剪叉杆某一瞬间运动角速度； o ： o 。竺些垒! 坠一；l a r c c b 2 + l 2 + 2 b l c o s 2 a 0：眦c。竺兰坚些尘坠至耸型!一。3 ( l 2 + 2 l b 一2 l a ) s i n2 口+ ( a b ) 2 ( l 2 2 l a ) s i n2 口+ a 2 综合前述分析可知，在举升机构油泵供油流量已知的前提条件下，可以求得 举升油缸活塞的轴向运动速度v ，计算公式为： 、v ，： ! q q q 兰q 兰垦 ：( 2 6 ) = = 一 、z 二u 4 6 0 万( o 5 d ) 2 式中，v - 一举升油缸活塞杆轴向运动速度( 单位：r a m s ) ； d 举升油缸内径( 单位：m m ) ； q 一双联齿轮泵排量( 单位：m l r ) ； i l 双联齿轮泵转速( 单位：r m i n ) 现对城市生活垃圾压缩处理站举升机构的液压系统进行现场实测，得到部分 参数如下： q = 4 1 m l r ，r = 1 5 0 0 r m i n ，d l = 1 4 0 m m ，d 2 = 1 1 5 m m ，d 3 = 9 0 m m ； 依据式( 2 6 ) 计算可得，举升油缸各级活塞理论运动速度如下： v l = 16 6 5 m m s ，v 2 = 2 4 6 7 m m s ，v 3 = 4 0 2 8 m m s ； ( 2 - 7 ) 举升油缸活塞杆轴向运动速度随举升机构角度0 【变化曲线如图2 6 所示： 图2 - 6 举升油缸活塞杆轴向运动速度一举升机构角度q 关系曲线 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 城市生活垃圾压缩处理站举升机构载重平台运动分析 经分析可知，城市生活垃圾压缩处理站举升机构载重平台n h 的运动可以分 解为竖直方向运动和水平方向运动，其速度分别记为v n y 和v n x 。 2 4 1 举升机构载重平台竖直运动分析 举升机构依靠其竖直方向运动将垃圾站箱体从地坑中推出，是举升机构主 要运动目的，分析图2 4 可知，在举升机构运动过程中，载重平台n h 始终保持 水平，因此其竖直运动速度与上部滚轮运动速度相等，则可得： = v h v h = 2 l t a c o s 口 计算可得： 国：选：监 2 l c o s 口2 l c o s a ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 将式( 2 1 0 ) 带入式( 2 5 ) ，计算可得： v = ( x b 2 1 + l 2 面+ 2 b i 矿l c o s t 豫s i n ( e , 一幺) + 、( l _ 2 - 2 l 五a ) f s i n 2 a + a 2s i n 0 3 ) ( 2 - 1 1 ) 式中，o l 、以、幺的角度值大小与式( 2 5 ) 完全相同。 式( 2 1 1 ) 即为举升油缸活塞杆轴向运动速度v 与载重平台竖直运动速度 v n y 之间的关系式。 将式( 2 7 ) 计算所得的举升油缸活塞轴向运动速度参数代入式( 2 1 1 ) ，即 可求得举升机构在运动过程中不同位置状态下的载重平台竖直运动速度，利 用曲线拟合工具绘制出举升机构载重平台竖直运动速度一举升机构角度毡关系 曲线如下图2 7 所示。 由图2 7 可见，在举升机构运动过过程中，载重平台竖直运动速度在三个角 度范围内基本保持恒定。但是，在举升油缸换级过程中，由于举升油泵流量保 持不变，油缸有效工作面积发生突变，导致活塞运动速度的变化，进而引起载 重平台运动速度突变。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 举升机构载重平台竖直运动速度v n v 一举升机构角度a 关系曲线 2 4 2 举升机构载重平台水平运动分析 城市生活垃圾压缩处理站举升机构依靠载重平台水平方向分运动实现垃圾 站箱体上升过程中的横向平移与前倾，使得垃圾站箱体出料口位置伸出混凝土 地坑边缘，实现与垃圾转运车辆的顺利对接，避免垃墩压缩产生的污水四溢， 防止再次污染环境的现象发生，其对接过程如图2 - 8 示意。 图2 - 8 城市成活垃圾压缩处理站箱体与转运车辆对接过程示意 由图2 - 4 可知，在举升机构运动过程中，a b 删恒成立，因此，载重平台 水平运动速度与下部滚轮a 运动速度恒相等，则可得： v “= v ( 2 - 1 2 ) = l a | j s i n o r ( 2 - 1 3 ) 武汉理丁大学硕士学位论文 计算可以得到： ：j坠：!l(2-14) l s i n al s i n a f _ 将式( 2 1 4 ) 带入式( 2 5 ) ，计算可得： v = 一v n x ( x b 2 + l 【2 吾+ 五2 i b ；l c o s 2 一as i n ( p 1 p 2 ) + x ( l 2 - 2 l e a 吾) 矗i s ；i n 2 o r + a 2 s i n p ，) ( 2 _ 1 5 ) 式中，最、幺、幺的角度值大小与式( 2 5 ) 完全相同。 则式( 2 1 5 ) 即为举升油缸活塞轴向运动速度v 与载重平台水平运动速度v n x 之间的关系式。 将式( 2 7 ) 计算所得的活塞轴向运动速度参数代入式( 2 1 5 ) ，即可求得举 升机构运动过程中不同位置状态下的载重平台水平运动速度v n x ，利用曲线拟合 工具绘制出举升机构载重平台水平运动速度一举升机构角度0 【关系曲线如下图 2 - 9 所示。 对比分析图2 7 、图2 - 9 可知，载重平台水平运动速度相对竖直运动速度较 小，且随着举升机构角度a 的增大呈现逐步增大的趋势，因举升油缸换级所引 起的速度突变较小。 图2 - 9 举升机构载重平台水平运动速度v n 厂举升机构角度a 关系曲线 现设载重平台前倾平移位移为l 。，根据图2 4 可得： l 1 = l c o s a o l c o s a ( = 0 1 3 l r a d ) ( 2 1 6 ) 可得载重平台前倾平移位移举升机构角度0 c 关系曲线如图2 1 0 所示： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一l o 举升机构载重平台前倾位移一举升机构角度q 关系曲线 分析可见，在举升机构运动过程中，随着角度a 值的逐渐增大运动速度 越来越快，前倾平移位移l ，逐渐增大，l t m a x = 6 0 0 m m ，与现场测试所得数据、 载重平台水平运动速度一举升机构角度a 关系曲线相一致。 2 4 3 载重平台运动学分析结论 综合前述分析可知，式( 2 1 1 ) 、( 2 - 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 即为举升机构载重平台运 动学分析关系式，分析上述各式可知，举升机构载重平台运动速度随着l 、a 、b 、 d 、v 等参数的变化而变化。在l 、a 、b 、v 等参数确定的前提下，载重平台运 动速度随着举升机构角度变化而变化。依据上式，结合设计所要求的载重平 台升降运动速度、结构尺寸、平移位移等基本参数，即可求解出举升油缸活塞 轴向运动速度，进而确定举升油缸流量，为油缸选型奠定基础；反之，若举升 油缸流量己知，即活塞轴向运动速度己知，亦可求解出载重平台运动速度。 图2 - 1 1 举升机构计算应用程序界面 武汉理工大学硕士学位论文 综合以上所述城市生活垃圾压缩处理站举升机构的运动学分析模型，利用 v b 语言编写相应的计算机应用程序，可在部分参数已知的前提下，快速求解整 个举升过程中任意状