旋转式拉臂车性能研究VIP

第19卷第5期2003年lO月机械设计与研究Machlne L)esi辨a11d Research文章编号：1006，2343(2003)0508004旋转式拉臂车性能研究vol 19 No 5o2003王晓1，黄宗益1，汪洪2(1同济大学机械工程学院，上海200439；2上海环境科技装备有限公司，上海200092)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：L4696 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80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17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2a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2b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，H1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；Al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：22一】O一2l在拉臂车进行装卸作业时，普通拉臂车的工作过程是_ll：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21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AN1、L1运动到终点位置A 2、N2、L2。在运动过程中，以L2E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 ，Lo。弘o+L2。Mnp】。矿A22嗡叫 f2)弘o=Mn+A2L2o。sPI式(1)、(2)中，zLo、此0、如0、o分别代表图3中L2、A2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A1L1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0pp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。22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H E。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。2 2 1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，、_，、zp、。，、斗、T，弘、T、M、z1、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It+51羹：蠹：嚣j拳二引 弘=，十EFsln(。一妒)l兰荟蠹! 儿=乩+L 2EsIn(d+P)_2 2L+A2。2嘞i。P(6)2舰+A2L2s【口+P)J铲+Ac。72+7 (7)*2一Acs抽(y2+y，f：竞：竺罢笔 =(+AAlo蕊y+z。)2l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EF臂与水平线的夹角，y为集装箱Ac与战j之间的夹角，n为AH与BH之间的夹角，n为BH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Acsin(y2+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。22 2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。y2=a商n垃云当一y (9)22 3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：rzx=O R=甄n72+Ffo。sy2l暑y=o F，=G+E盎n扎一一c。sy2暑妇=o足(一鼽)一G(劫岛)一R(乩一毛)=oo Ff=“1F。(10)式(10)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) (11)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(10)、(11)，可得：第19卷T=R(smy2+“1。s72)(弘 坛)+(毒+“z一，：一n)(“奄)印。(斗)sin卢。(。，一) (12)式(12)中：F ：j丛三生二-兰：皇上一一AB+以ii了可ii=面2 2 4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=n F。=F。】三y=o =GRI三Mc 2 o e(乳)+只(z。一z，)一G(jo z。)=oo n=“2R(13)式(13)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(11)所示。解线性方程组(11)、(13)，可得：T= (14)式(14)中：=i詈矗毒b )注意式(15)中利用了*=o这一条件。23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 (16)式(16)中， nL坠L二丝立塑LL鱼_点二止丛L三兰世L二_剑(斗一)2+(z。一即)23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 2430(m) (二 17000曲8(N)AB 1620(吐n) Bc 5000(mn)0 1 HI 10“(mm)0 1 L1 4790(rr蚰)H0 400(m) 37 5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77吨减小到28吨，减小幅度达63。最大拉力由普通拉臂车的84吨减小到43吨，减小幅度达48，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785吨减小至374吨，减小幅度达52。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y2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，yz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72由3丁下降到22左右，造成这种情况的图8卸料作业时丁与n变化的曲线17 土，。，i ；， i； 、图9集装箱的惯斜角度y2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，AG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72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72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