旋转式拉臂车性能研究.pdf

第1 9 卷第5 期 2 0 0 3 年l O 月 机械设计与研究 M a c h l n eL e s i 辨a 1 1 dR e s e a r c h 文章编号 1 0 0 6 2 3 4 3 2 0 0 3 0 5 0 8 0 0 4 旋转式拉臂车性能研究 v o l1 9N o5 o 2 0 0 3 王晓1 黄宗益1 汪洪2 1 同济大学机械工程学院 上海2 0 0 4 3 9 2 上海环境科技装备有限公司 上海2 0 0 0 9 2 摘要 建立了旋转式拉臂车的数学模型 并对它的运动学与力学进行了详细地分析 计算表明 与普通拉臂 车相比 旋转式拉臂车不仅有效地减小了液压缸所受的作用力 而且还减小了作业过程中集装葙的倾斜角度 其综 合性能得到了显著的提高 关键词 拉臂车 数学模型 运动学与机构特性 中图分类号 L 4 6 9 6文献标识码 A 拉臂式垃圾车是一种车箱可卸式垃圾车 它同时具有垃 圾自卸和箱体自动装卸功能 而且这两种功能由一个车载工 作装置完成 由于这种车工作效率高 自从8 0 年代引入国 内 目前使用广泛 日前市场上使用的拉臂车主要是小臂固 定式 这种拉臂车的优点是结构简单 但是由于力学条件的 限制 其最大装载集装箱的重量一般是5 吨或8 吨 更大载 重的拉臂车在国外一般采用旋转式或滑移式 浦东垃圾场目 前引进了芬兰的旋转式拉臂车 其最太装载量达到1 7 吨 见 图1 目前国内尚未见到此种类型拉臂车研究的公开报 道 产品设计主要是采用测绘或经验取值的方法 这限制丁 图l 旋转式拉臂车的工作状态图 产品性能的进一步提高 随着我国绎济的高速发展 垃圾产 生量也在飞速增加 此种大载量的拉臂车具有很广阔的市场 前景 因此对此种拉臂车的研究具有很大的现实意义 本文主要对旋转式拉臂车的拉臂机构建立了数学模型 对拉臂机构的运动学和动力学进行了比较详细地分析 为今 后的优化分析计算与有限元分析准备了基础 1 结构和运动特点 旋转式拉臂车的工作装置简图如图2 a 所示 它是由翻 转架l 集装箱2 大液压缸3 大臂4 小液压缸5 小臂6 组 成 为了与普通拉臂车进行比较 图2 b 还显示了普通拉臂 车的工作装置简图 它是由翻转架l 集装箱2 液压缸3 拉 臂4 组成 可以看到与普通拉臂车相比 旋转式拉臂车最重 要的特点是拉臂4 被分为了两部分 大臂4 与小臂6 两者通 过铰点E 连接 另外小臂与大臂之间还有小液压缸5 在图2 中 M 是 大 液压缸与垃圾车副车架的饺点 F 为 大 液压缸与拉臂 或大臂 铰点 为拉臂机构上的挂钩 对集装箱的吊点 H 是拉臂车在进行装卸作业时拉臂机构 与集装箱的接触点 H 1 是翻转架与副车架的饺点 L 是小液 压缸与大臂的铰点 N 是小液压缸与小臂的铰点 E 为小臂 与大臂的铰点 A l 为集装箱的角点 一般实际使用的普通 拉臂车集装箱的A 与A 相距较近 而旋转式拉臂车的集装 箱这两点一般相距较远 a 旋转式拉臂车 b 普通拉臂车 图2 普通拉臂车与旋转式拉臂车工作装置简图 1 翻转架2 集装箱3 大 液压缸4 大 拉 臂5 小液压缸6 小臂 牧瞢日期 2 2 一 O 一2 l 在拉臂车进行装卸作业时 普通 拉臂车的工作过程是 l l 翻转架1 与 车辆底盘固定 大液压缸3 推动拉臂4 绕翻转架G 点做定轴转动 在此运 动过程中拉臂机构的挂钩A 始终与 集装箱上的吊点接触 按照集装箱底 部接触的部位不同 整个工况可以分 为两个阶段 第一阶段是集装箱底部 支承在滚轮H 上 第二阶段是集装箱 底部的滚轮支承在路面上 而旋转式 拉臂车的工作方式是 翻转架1 在整 个工作过程中也处于静止不动状态 小液压缸5 的活塞杆首先伸出使小臂6 绕大臂4 上的 点 做定轴转动 容易知道此时集装箱向车尾移动 然后大液压 万方数据 第5 期 上晓等 旋转式拉臂车性能研究 缸3 活塞杆伸出推动大臂4 小液压5 小臂6 一起绕翻转架 的G 点做定轴转动 整个工况按照集装箱底部与滚轮H 和地面接触可以分为类似的两个阶段 在拉臂车进行卸料作业时 普通拉臂车的工作过程是 首先将翻转架1 与拉臂4 固定 液压缸3 直接推动翻转架l 拉臂4 与集装箱2 绕H 点做定轴转动 同样拉臂机构的挂 钩A 始终与集装箱上的吊点接触 旋转式拉臂车首先也是 翻转架l 与犬臂4 固定 然后小液堰缸5 的活塞杆先伸出使 小臂6 绕大臂4 上的E 点做定轴转动 同样集装箱向车尾 移动 然后液压缸3 卣接推动翻转架l 太臂4 小液压缸5 小臂6 与集装箱2 绕H 点做定轴转动 通过上面的两种工况分析可阻得出 无论在进行装卸作 业还是在进行卸料作业时 与普通拉臂车相比 旋转式拉臂 车的小液压5 缸都在大液压缸3 动作之前开始伸出从而使 集装箱往后移动 从力学原理很容易知道 这可以使得大液 压缸开始时的摄大推力减小 从后面的分析可以看到 它也 使得大液压缸的最大拉力减小 因此在相同的系统压力下 能够能对更太载重的集装箱进行作业 这是旋转式拉臂车最 大的特点一 2 数学模型的建立 2 1 小液压缸的运动学模型 通过上节的分析可以知道 与普通拉臂车相比 旋转式 拉臂车最重要的特点是拉臂4 分为大臂4 与小臂6 两部分 大小臂之间还有小液压缸5 下面对旋转式拉臂车的小臂 单独建立数学模型 如图2 所示 容易知道 在小液压缸伸 出时 A N L 沿以E 点为圆心的圆周分别由初始位置A N 1 L 1 运动到终点位置A2 N 2 L 2 在运动过程中 以 L 2 E 与水平线的夹角p 为基本变量 可以得出如下关系式 芸 荔j 嚣 L o 弘o L 2 M n p 矿A 2 2 嗡叫 f 2 弘o M n A 2 L 2 o s P I 式 1 2 中 z L o 此0 如0 o 分别代表图3 中L 2 A 2 的横纵坐标 坐标轴的选取方式见下节 可以看出 当p 0 时 小臂液压缸完全没有伸出 此时 小臂A 1 L 1 段呈垂直状 这代表普通拉臂车 因此普通拉臂 车可以看成是旋转式拉臂车的一种特例 当p P 时 此时 对应的状态是小臂液压缸活塞杆完全伸出 而当0 p p 一 时 这代表小臂液压缸部分伸出 由此可见 只要改变p 的 值 本文的数学模型就可以反映小液压缸活塞杆伸出的长度 变化 因此本文的数学模型具有很大的通用性 拉臂车的整个作业过程可以分为6 个工况 但是从实际 的研究来说可以只考虑拉臂车的自卸和卸料二个工况拉J 现对这两个工况分别建立数学模型 2 2 自卸工况时的数学模型 从前面的论述可以知道 旋转式拉臂车的自卸过程可以 划分为两个阶段 第一阶段 如图4 所示 集装箱底部支承在车架的滚轮 HE 1 占 户4 图3 小 酲比缸数学攥型圈 第二阶段 如图5 示 集装箱底部的滚轮支承在路面上 在不同的阶段 拉臂机构的运动学和动力学规律也不相 同 故下面分别讨论之 221 第一阶段运动学模型 咀地面作为z 轴 以H 一点作为z 0 米建立图3 的坐 标系 设铰支点M G F E H H 与挂钩点A 的横纵坐 标分别为 z z p 斗 T 弘 T M z 1 埔1 T 在图4 中 a 是翻转架旋转的角度 在初始位置 即 0 时F E A 这几个动点坐标的下标加0 当拉臂机构进行 工作 n 发生改变 可以得到F E c 以及集装箱中心 点的坐标 j 鬈 渊 孔2 l 乜 如I t 5 1 羹 蠹 嚣j 拳二引 弘 十E F s l n 一妒 l 兰 荟蠹 儿 乩 L2 E s I n d P 2 2 L A 2 2 嘞i P 6 2 舰 A 2 L 2 s 口 P J 铲 A c 7 2 7 7 2 一A c s 抽 y 2 y f 竞 竺罢 笔 A A l o 蕊y z 2 l 图4 装卸集装箱时第一阶段数学模型 上述各参数的意义见图4 其中口角的含义是在a o 时同G 臂与水平线的夹角 驴角的含义是在 0 时E F 臂 与水平线的夹角 y 为集装箱A c 与战j 之间的夹角 n 为 A H 与B H 之间的夹角 n 为B H 与水平线之间的夹角 万方数据 机械设计与研究 圈5 装卸集装箱时第二阶段数学模型 当弘 o 即 一A c s i n y 2 y o 时 得到第一阶 段与第二阶段n 的分解角a o 为集装箱装卸时其支撑点 离地面的高度 见图5 2 22 第二阶段运动学模型 在第二阶段内 只有集装箱的水平倾角7 与第一阶段 不同 而其它公式在形式上是一致的 y 2 a 商n 垃云当一y 9 2 23 第一阶段力学模型 3 7 对拉臂车进行力学分析时 作如下假设 1 忽略各部件的惯性力和惯性力矩 2 拉臂机构的质量相对于集装箱的总质量来说可以 忽略不计 根据图4 由集装箱的平衡条件可以得到 r z x OR 甄n 7 2 F f o s y 2 l 暑y oF G E 盎n 扎一一c s y 2 暑 妇 o 足 一鼽 一G 劫 岛 一R 乩一毛 o o F f 1 F 1 0 式 1 0 中 l 为集装箱底部与滚轮H 之间的摩擦系数 G 为集装箱的重量 图6 卸料时拉臂机构的散学模型图 对于拉臂机构进行力学分析 可得 R 妇 岛一 丁 s 卢 斗一坛 一T 西n 卢 耳一 1 1 式中卢 嗍苦三芝 其意义是大液压缸 与水平 线的夹角 见圈4 解线性方程组 1 0 1 1 可得 第1 9 卷 T R s m y 2 1 s 7 2 弘坛 毒 z 一 一n 奄 印 斗 s i n 卢 一 1 2 式 1 2 中 F j 丛三生二 兰 皇上 一一A B 以i i 了可i i 面 224 第二阶段动力学模型 对于第二阶段 根据图4 由集装箱的平衡条件可以得 到 f 毯 nF F 三y o G R I 三M c2oe 乳 只 z 一z 一G j oz o o n 2 R 1 3 式 1 3 中 2 为集装箱底部与地面之间的摩擦系数 在此阶段拉臂机构的受力分析与第一阶段类似 其表达 式如式 1 1 所示 解线性方程组 1 1 1 3 可得 T 1 4 式 1 4 中 i 詈矗毒b 注意式 1 5 中利用了 o 这一条件 2 3 卸料工况时的数学模型 拉臂车卸料的运动学与动力学分析比较简单 其力学分 析示意图见图6 按照前面类似的分析方法 可以得到油缸 的推力为 r 坐萼 型 1 6 式 1 6 中 n L 坠L 二丝立塑L L 鱼 点二 止丛L 三兰世L 二 剑 斗一 2 z 一即 2 3 计算实例与计算结果讨论 本文以上海市浦东浦东白莲泾垃圾场中转站某旋转式 拉臂车为研究对象 利用上述理论对其力学与运动学特性进 行了计算 有关参数如下 襄l 拉臂车青关 t 项目 尺寸参散 项目 尺寸参数 B 2 4 3 0 m 二 1 7 0 0 0 曲8 N A B 1 6 2 0 吐n B c5 0 0 0 m n 01 H I1 0 m m 01 L 14 7 9 0 r r 蚰 H 04 0 0 m 3 75 为了便于比较 本文分男4 计算了普通拉臂车 小液压缸 没有伸出 即p 0 与旋转式拉臂车 小液压缸完全伸出 即 户 P 一 的性能曲线 图7 是这两种拉臂车在进行装卸作 业时太液压缸的作用力T 随口的变化曲线 现对曲线进行 从右往左进行分析 相当于拉臂车的装箱工况 可以看出 刚开始了 为正值 表明此时大液压缸受到拉力作用 随着 孥 一 万方数据 第5 期王晓等 旋转式拉臂车性能研究 a 的减小T 也在减小 当减小到一定程度的时候 T 突然产 生了一个增加的变化 这是拉臂机构由第二个阶段向第一个 阶段过渡 随后r 又随着n 的减小而减小 到了某一值时 刻减小为负值 这表明此时大液压缸所受到的作用力为推 力 直到a 为0 此时液压缸的推力增加到最大 上述T 的 变化裆势从直观上也可以得到验证 分析图7 可以得出如 下三个特点 在拉臂车工作的过程中 大液压缸必须既要 提供拉力 又要提供推力 并且通过前面的数学模型可以分 析得出推力与拉力的分界点a 只与拉臂机构与集装箱的结 构尺寸有关 而与集装箱的重量无关 从图中还可以看出与 普通拉臂车相比 旋转式拉臂车的町要小 这一点也可以通 过前面的数学模型分析得出 无论是普通拉臂车还是旋 转式拉臂车 其最大推力发生在a O 处 而最大拉力发生在 a 口咖 处 这是由于在这两个位置大液压缸对G 点的力矩 最小 与普通拉臂车相比 旋转式拉臂车的最大推力 两 个液压缸推力和 下同 由普通拉臂车的7 7 吨减小到2 8 吨 减小幅度达6 3 最大拉力由普通拉臂车的8 4 吨减小到 4 3 吨 减小幅度达4 8 这表明旋转式拉臂车极大地减小了 系统压力 从而能够对更重的集装箱进行作业 造成这种情 况的原因是在于 当a 二0 时 小臂在小液压缸的作用下往上 抬起 导致集装箱向车尾移动 这样大大减小了抬起集装箱 所需要的液压力 在a n 一时 由于小臂被抬起 这使得拉 臂机构的挂钩钩住集装箱A 点的n 减小 觅图7 从图4 可以看到这使得T 对H 点的作用力臂增加 从而减小了拉 动集装箱所需要的最大液压缸作用力丁 图7 装卸集装箱时丁随a 变化的曲线 圈8 为旋转式拉臂车与普通拉臂车在进行卸料作业时 大液压缸的作用力T 随a 的变化曲线 可以看出 与装卸作 业一样 T 的最大值仍然发生在口 0 的时刻 由于小臂的 影响 T 的最大值由7 8 5 吨减小至3 7 4 吨 减小幅度达 5 2 这说明在卸垃圾工况时 旋转式拉臂车仍旧有效地减 小了系统的压力 图9 显示了旋转式拉臂车与普通拉臂车在装卸作业时 集装箱的倾斜角度y 2 随a 的变化曲线 由图可见 不管是 普通拉臂车还是旋转式拉臂车 y z 随a 的变化趋势都是先 增大后减小 并且都是在各自的第一阶段与第二阶段的分界 处达到最大值 这种变化趋势从直观上是容易理解的 同时 还可以看到 与普通拉臂车相比 旋转式拉臂车在作业时集 装箱最大的倾角7 2 由3 丁下降到2 2 左右 造成这种情况的 图8 卸料作业时丁与n 变化的曲线 1 7 土 i i 图9 集装箱的惯斜角度y 2 隧n 的变化曲线 原西是当小液压缸伸出时 A 点离G 点的距离缩短 由于A 点是绕G 点做圆周运动 A G 长度的缩短意味着A 点在整个 拉臂机构运动过程中的最高点降低 在集装箱长度一定的情 况下 A 点最高点降低导致了集装箱最大的倾角7 2 减小 我们知道 集装箱的倾斜角度越大 装满垃圾时对后门的压 力也越大 因此在满足运动学的条件下 拉臂车在作业过程 中7 2 越小越好 根据上面的分析 在这一点上旋转式拉臂 车比普通拉臂车蔓有优势 5 结论 本文的研究取得了如下成果与结论 1 首次建立了旋转式拉臂车的数学模型 并对它的 运动学与力学进行了详细地分析 2 本文的计算表明 与普通拉臂车相比 旋转式拉臂 车有效地减小了大液压缸的作用力 从而能够对更重的集装 箱进行作业 并且它还减少了作业过程中集装箱的倾斜角 度 这有利于集装箱后门受力的改善 因从从运动学与力学 角度来看 旋转式拉臂车具有明显的优势 参考文献 1 金先龙集装箱运输车自卸机构的运动学和动