垃清运车辆工作装置设计（桶式）

垃清运车辆工作装置设计（桶式）摘要在我国，随着城镇现代化建设的明显加快，城镇的生活垃圾也随之越来越多，环保意识也就需要增强，促使我国和其他国家出台一些新的环保政策，垃圾车制造和改造也就更加重要，同时也得到了快速的发展。目前的垃圾清运车应用还不够完善，我国目前的城镇垃圾收集的模式主要是“导入垃圾桶环卫工人用手推车或货车拉走垃圾收集点中转站最终处理场”，运输过程效率低，人工劳动强度大，主要一点是路边垃圾收集点污染比较严重，垃圾随风飘走、到处散落垃圾、异味等严重污染现象及其常见，给路人带来极其大的健康危害。另外，垃圾清运车运输过程和卸车也需要升级，车厢密封性好，轻度高，装卸垃圾实现全自动化成为发展的必然趋势。关键词：导轨式,机械手,举升机构,副车架,液压系统TheDesignprocessofRubbishRollectorsworkingDevice(Barrel)AbsrractionInchina,withtheprocessofcountryandtownshipsignificantlyaccelerated,theamountofmunicipalwasteisincreasing,ourcountryandothercountryintroductionpolicyofenvironmentalawareness,reformofgarbagetruckismoreimportantly,andgettingdevelopmentrapidly.Applicationofrubbishcollectorisstillnotperfecttoday,mainmodeofurbangarbagecollectionisrushintothetrashcansanitationworkersusethetrolleysorvanstomoveplaceofgarbagecollectiontransitstationfinaldisposalsites,thetransportationprocessisveryinefficientandlaborintensityismorelarger,Themainpointisthattheroadsidepollutionofgarbagecollectionismoreseriously,.therubbishgonewiththewind,unpleasantsmellandseriouspollutionphenomenonarecommon.Inaddition,transportprocessofgarbagetruckalsoneedstobeupgraded,carriageissealedbetter,qualitylight,loadingandunloadingfullautomationareinexorabletrendofgarbagecardevelopment.Leywords:typeofRail,Manipulator,Liftingmechanism,Viceframe,Hydraulicsystem目录摘要.1绪论.11.1选题背景及意义.11.2国内外垃圾清运车车研究现状.11.3现有垃圾清运车存在的问题.51.4课题来源及主要研究内容.51.5总体设计思路.6垃圾桶的举升结构设计2.1垃圾桶举升装置设计简介.62.2坐标系设定.62.3设计标准.62.4工作原理.72.5主要部件.92.5.1主要部件注意事项.102.6设计参数及校核.132.6.1机械手设计.133.6.2滚轮滑道和Y向导轨铰接处支座力计算.152.6.3节臂危险截面应力计算与校核.17自卸举升机构参数的确定及校核.183.1底盘选择与参数确定.183.2自卸车厢液压举升装置设计.193.2.1自卸举升装置具备的性能.193.2.2液压举升机构的确定.203.2.3举升机构部件的尺寸计算.213.2.4拉杆和铰支座受力计算与校核.24液压系统的计算.26总结与展望.28参考文献.29致谢.290绪论1.1选题背景及意义随着城市化进程的加快，城市生活垃圾也在快速增加。对往年统计数据进行总体分析，我国城市生活垃圾的年增长率大约为8左右，据统计数据显示到今年全国城市生活垃圾清运量大约达到2亿吨之多，日均约为55万吨，由生活垃圾造成的环境污染问题受到了密切的关注，因为这些垃圾不仅污染环境，破坏城市景色，而且空气上的漂浮物会带有大量细菌，严重后果危害人体健康，近年来，人均生活水平提高，人们对周围环境卫生要求更加高，按照现阶段城市垃圾处置“无害化、资源化、减量化，避免二次污染”的趋势，确保垃圾在收集和转运过程中不发生飘、遗、洒、漏等二次污染，消除死角垃圾，保持城市市容外观新颖、美丽，必将对高技术水平和高环保标准的环卫垃圾清运车产生大量需求。垃圾收集技术方面，我国主要是将垃圾桶移动到垃圾车旁边，然后放到挂钩上，半自动升降来倾倒垃圾;国外此行业技术比较成熟，很多采用机械手自动抓取垃圾桶然后倾倒垃圾，再将垃圾桶放回原处，但也存在一些问题，比如垃圾桶被撞倒，机械手不能准确抓取垃圾桶，定位不准确，倾倒速度过快导致垃圾飞扬，机械手抓手半径过小或过大导致抓坏垃圾桶、抓不住掉下等等。因此，开展自动提升垃圾桶机械手和自动倾卸的研制，不仅具有广阔的市场应用前景，而且是创建卫环保生城市、提升城市面貌和居住友好环境的必然要求。侧装式垃圾车通过安装在车厢一侧的垃圾桶举升机构，将桶装垃圾提升倾倒入车厢内，实现城镇和社区垃圾的高效率收集和运输，采用封闭式收集、运输，避免了运输过程中的二次污染问题的出现，但其垃圾桶收集方式需通过环卫工人将垃圾桶挂接到举升机构挂钩处，那么就会劳动强度高、装车效率低，降低了垃圾清运车的使用效率。如何省去人工挂接垃圾桶动作，能完成伸臂、夹取、装车、放回、松手、复位，自卸等工作程序，设计一款结构合理、功能强大、适应范围宽、机械可靠性高的垃圾桶自动收集机械手，和自动倾卸垃圾是环卫机械发展的总体趋势和必然要求。1.2国内外垃圾清运车车研究现状垃圾车机械手在国外逐渐成熟，并得到广泛应用，采用机械手自动化程度已达1到较高水平。随着全球化城市环保建设，高新技术的快速发展，带有机械手结构与功能设计技术的垃圾清运车不断技术革新，发展到现在，国外垃圾车机械手主要有导轨式机械手、梯式轨道剪刀撑机械手、关节型连杆式机械手、组合型机械手等等。图1.1侧装式垃圾车SidewinderXTR为美国NewWay公司生产的，采用导轨式机械手自动抓取垃圾桶，机械手安装于底盘和车厢之间，主要由外伸导轨、末端手爪、翻转机构三部分构成。平时工作时，外伸导轨可以自由伸缩为末端手爪接近路边垃圾桶动提供动作；然后末端手爪夹紧垃圾桶，全套，翻转机构动作，全套工作过程完成后，垃圾桶翻转180左右，将垃圾桶内垃圾倾倒到车厢内。车厢上部带有适当小口，其中翻转机构动作时，外伸导轨也在同步收缩，用来减小弯矩和其他力。整套垃圾桶收集动作仅用8s时间，机械手抓力大，承重高，动作速度快，可抓取垃圾桶质量超过200kg；另外，通过外伸导轨可远距离3m抓取垃圾桶，这样大大地增加了垃圾车的作业半径。但是，由于垃圾桶位置是随机的，司机驾驶技术也各不相同，这就导致停车位置可能对不准垃圾桶，因此，机械手末端手爪与垃圾桶的相对位置具有不确定性，在抓取垃圾桶前，只能依靠驾驶员控制整车前进或后退以实现对准动作，工作过程浪费时间和燃料，同时还缺乏准确性。导轨式机械手图1.1NewWay公司生产的SidewinderXTR侧装式垃圾车图1.2为美国Heil公司生产的侧装式垃圾车HeilDuraPackPython，采用关节型连杆式机械手，车厢与驾驶室装自动机械手设备，主要由简单的连杆机构、关节、相同的末端手爪三部分组成。工作工程中，液压缸提供动力，驱动连杆机构实现末2端手爪靠近垃圾桶动作；然后手爪抓紧垃圾桶，待这一套完整动作完成后，连杆机构再次工作，提升垃圾桶并旋转垃圾桶半个圆周，整套垃圾桶提升和倾倒动作完成需要810s时间，机械手动作速度快并抓重大，可抓取垃圾桶质量超过280kg；由于没有导轨，自由外伸可达2.7m，比美国的SidewinderXTR侧装式垃圾车作业半径略小。该型号的关节型连杆式机械手与导轨式机械手具有相似的缺点，即不能自动实现手爪对准垃圾桶动作，在提升垃圾桶之前，只能靠司机全程操控整车后退或前进以调整对准动作，由于整车质量较大，惯性较高，动作迟缓，很容易碰倒或者抓不到垃圾桶。另外，机械手空间工作幅度很大，机械手连杆、关节的强度刚度要求较高。图1.2为美国公司自主研发的ZR系列侧装式垃圾车，采用梯式轨道剪刀撑机械手抓取垃圾桶，主要由剪刀撑机构、梯式轨道、末端手爪三部分构成。考虑垃圾箱提升过程中的运动轨迹，专门设计了梯式轨道。工作时，自由伸展成末端手爪路边垃圾桶动作由机械手剪刀撑机构完成，接着末端手爪对垃圾桶进行夹紧，全套动作完成后，剪刀撑机构归位，垃圾桶紧靠在梯式轨道上，顺着设定好的轨迹运动，垃圾桶同样旋转180，实现垃圾桶内垃圾倾倒动作，10s左右时间可完成一次工作，可提升质量为250kg左右的垃圾桶，另外作业半径自由外伸可达3m，工作过程机构可靠性高，工作性能好，顺序合理，工作噪音小，但是这种垃圾清运车也具备同样的缺陷，不能自动实现手爪对准垃圾桶抓取，只能靠司机的驾驶技术来调整位置实现垃圾桶抓取。梯式轨道剪刀撑机械手图1.2McNeilus公司生产的ZR系列侧装式垃圾车我国上个世纪80年代，垃圾车的研发厂商通过借鉴和汲取国外的先进技术，加快了国产垃圾清运车的研发和生产，使国产垃圾车机械手得到了一定发展，由于我3国对此行业研究比较晚，产品技术比较低。国内垃圾车与国外相比在整车性能和自动化方面存在很大差距。一方面自动化程度较低，另一方面现有机械手类型少。近几年，国家不断加大力度对垃圾车机械手高深度研发和优化，国内一些垃圾车企业获得了明显突破，但大部分集中在中小型车辆上。图1.3为我国湖北程力专用车公司研制的侧装式垃圾车，垃圾车机械手采用吊升翻桶机构，主要由垃圾桶挂接机构、拉杆、特定路径轨道、桶挂接机构、翻转液压缸组成。翻转机构在车厢的上面，提升机构与上盖相连，翻转液压缸开始工作，驱动顶盖打开，协同拉杆驱动挂接机构沿原设定好的路径轨道上升到车厢开口处，待垃圾桶提升到车厢顶端同时根据轨道翻转，挂接机构翻转180，实现垃圾桶内垃圾倾倒到开口车厢内。该吊升翻桶机械手结构简单，密封性好，由于需要人工推上挂钩，自动化程度较低，浪费人力资本，同时降低了工作效率。吊升翻桶机械手图1.3程力专用车公司生产的侧装式垃圾车图1.4为烟台海德专用车公司研制开发的侧装式餐厨垃圾车CHD5125ZZZ，垃圾车机械手采用举升翻桶机构，工作过程中，同样需要人工将垃圾桶挂在钩上，然后举升液压缸动作，两条旋转带动垃圾箱垂直上升，使挂接机构沿轨道上升到车厢开口处，挂接机构翻转180，实现垃圾桶内垃圾倾倒到开口车厢内。该吊升翻桶机械手结构简单，工作幅度小，密封性好，但是自动化程度较低，需要人工挂接垃圾桶，同样需要较大的人力和较多时间。4举升翻桶机械手图1.4海德专用车公司生产的侧装式垃圾车1.3现有垃圾清运车存在的问题由1.2很容易看出，国外的垃圾清运车自动化程度都比较高，动作灵敏迅速，国内的垃圾清运车结构更加简单，密封性比较好，但相对来说，自动化程度不如国外。但是都具有相同一个缺点，不能够准确的调整机械手来准确抓取垃圾桶，还有一些在向车厢内倾倒垃圾过程中，垃圾会散落出来，有的还比较笨重，动作迟缓，伸缩时机械手还有撞翻垃圾桶的现象。另外垃圾车倾卸垃圾时倾倒不净，结构繁琐等等。因此设计一个结构合理，功能完善，更加宽泛的适用性、更高的可靠性和自动性的垃圾清运车，是环境卫生发展的一个必然趋势。1.4课题来源及主要研究内容本课题为太原工业学院本科毕业生毕业设计课题，是根据国家教育发展方向和要求提出的，具有很强的适用性和目的性。本设计是根据国内外垃圾清运车发展现状及未来发展趋势，以高自动化程度、质量轻、高可靠性为主要设计目标，针对机械手撞倒垃圾桶、不能自动实现手爪对准垃圾桶动作，车厢底盘笨重，自卸不合理等问题，提出抓取垃圾桶导轨式机械手方案，进行设计和优化，并应用Auto/CAD设计图纸，pro/e进行动态仿真等等。要内容如下：(1)应对现有车型的笨重、底盘承重底和设计不合理等问题，对垃圾清运车的车型底盘进行改装和优化设计；(2)以垃圾桶现有的标准和放置方式为基础，以及国内外现有垃圾清运车的优缺点，提出机械手和导轨并用的总体设计方向，进行详细的原理总和和零件设计，计算并校核，并画出装配图和零件图；应用动态仿真技术，建立机械手、导轨和自卸车厢模型，在各种工作状况下，对机械手抓取垃圾桶的过程进行动态仿真，很直观的看出垃圾清运车各部分工作时的协调性和状态1.5总体设计思路5本设计采用东风140汽车，底盘型号为EQ1102FLJ5，汽车整体外形尺寸为；1685024402720mm,货箱尺寸为；400023001470mm，根据现有的垃圾车的技术缺陷和不足，主要设计垃圾桶举升装置和车厢举升装置。垃圾桶举升装置采用导轨加机械手结构，将机械手固定到旋转架上，旋转架固定在导轨上，可实现远距离抓取垃圾桶并自动倾倒，然后放回原处；车厢举升装置选用油缸前推式连杆组合式结构，倾卸过程协调，倾倒干净无残留。6垃圾桶的举升结构设计2.1垃圾桶举升装置设计简介国内垃圾车多数采用东风汽车底盘进行改装设计，由于车厢容积比较大，举升装置就需要增强属性，本设计采用导轨加机械手设计，具有三个自由度，包括导轨相对于副车架的横向和纵向绳索移动、和旋转架的纵向旋转。通过导轨向内外伸缩和旋转架旋转来控制机械手接近垃圾桶、抓紧、收回、举升、倾倒等一系列动作，动作过程中各部件协调性好，可靠性高，实用性强。2.2坐标系设定原点为车厢与副车架的后铰支点，X轴为车行驶方向，向前为正方向；Y方向为车底盘的法线方向Z轴垂直指向地面，X、Y、Z设计方向符合右手坐标系定则。2.3设计标准根据设计的目的和要求，一些设计标准参考下表2.3表2.3导轨和机械手的设计标准序号内容设计标准附注1结构具有三个部分合理在三个自由度方向移动2包络尺寸32508001650休息时机械手位于车厢下内侧3X方向移动范围010004Y方向移动范围032505Z方向移动范围025506最大抓重150kg用于抓取大质量下的垃圾桶7X移动速度500mm/s8Y移动速度960mm/s伸缩速度9Z移动速度150mm/s为旋转架杆顶机械手速度2.4工作原理7机械手抓取垃圾桶工作原理顺序如下；（1）X向导轨正反向移动使机械手对准垃圾桶；（2）Y向导轨正向延伸同时旋转架旋转机械手靠近垃圾桶；（3）手指旋转机械手夹紧垃圾桶；（4）导轨收缩旋转及旋转机械手举升垃圾桶；（5）重复相反运动机械手将垃圾桶放回原处。此流程主要是抓取远距离垃圾桶，如果垃圾桶靠近车体则可用旋转架独立完成全套动作。具体结构三维模型如图2.4.1所示（1）Y向液压缸处于零伸长状态，整套机构合理的收放在车体底盘和车厢之间，机械开始时机械手等机构处于初始状态，机械手与垃圾桶的相对位置是随机的。（2）X向导轨的驱动液压缸工作来对准垃圾桶同时Y向液压缸伸长使导轨第二节臂向外延伸，直至马上接触垃圾桶，旋转架也适当旋转来调整抓取状态。（3）机械手指对称夹紧液压缸伸长，用推动齿轮旋转驱动左右手指，实现对垃圾桶的抓取夹住动作。（4）导轨收缩，使垃圾桶做接近车体的运动，接近车厢时旋转臂液压缸工作提升垃圾桶直到倾倒工作完成。（5）旋转架液压缸收缩，降下垃圾桶，然后导轨延伸至垃圾桶初始位置，松开机械手放下垃圾桶，收回节臂等所有部件至初始位置。完成整套动作。8图2.4.1机械手导轨结构三维模型旋转架、连杆、三角架和铰支点够成简单的平面四杆机构，举升液压缸与旋转架和第二节臂铰支来给旋转架提供动力，通过巧妙地运动轨迹控制垃圾桶完成正立举升、倾倒和返回动作，其工作示意图如图2.4.2所示9如图2.4.2垃圾桶运动轨迹图2.5主要部件文中导轨和滑到安装在东风140汽车的底盘副车架上，主要由机械手、X向滑到机构、Y向导轨机构、Z向旋转架机构、和液压系统控制系统六部分组成，导轨式机械手三维模型图如图2.4所示，其中X向液压缸支座与副车架架固接，副车架与滚轮滑道固定在一起，并且二者之间垫有缓冲橡胶，起减震作用，X向滚轮滑道与Y向导轨通过销轴连接，Z向旋转架固定在第二节臂上并且与三脚架铰接，机械手固定在三角架上。102.5.1主要部件注意事项机械手机械手是直接抓紧垃圾桶的结构，跟人的手工作相类似，如图2.5.2所示，安装于三角架的前端，机械手设计时应该考虑的问题：(1)合理的夹紧力，如果设计的夹紧力过大，则能量消耗多，设计结构笨重宽大、不经济，甚至由于过大的夹紧力会损坏垃圾桶；如力量过小，则垃圾桶会松动滑落。在确定手的夹紧力时，除考虑垃圾桶质量外，还应考虑在传送或操作过程中机械元件的惯性力和振动，以保证垃圾桶夹持安全合理。(2)手指间有一定范围的开闭角，两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。圾桶能顺利进入或脱开与圾桶能否顺利抱入或脱开有密不可分的关系。（3）具有足够的强度和硬度，因此应具有足够的强度和刚度，以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻等。末端手爪分为手指式（两指式和多指式）、吸盘式和托持式，其中两指在加紧过程中不仅要承受很大的垃圾桶的反作用力，还要承受机械元件产生的震动和质量惯性，因此，末端手爪采用两指式结构。现有的垃圾桶普遍尺寸大小470430595、550480810、7406001000，初步设定机械手的最大开合距离为1560mm，手爪闭合半径为480mm。主要由手指、旋转轴、基座、双夹紧液压缸组成，手指直接由液压缸驱动，如图2.5.1所示。双液压缸直接驱动图2.5.1机械手俯视图左右手指分别由两上下对称布置液压缸单独控制，当夹紧液压缸伸长或收缩时，左右手指各自绕转轴旋转，进行左右手指对垃圾桶的同步夹紧或松开动作。11主要优点：(1)机构自锁性好，可靠性高。(2)左右手指同步工作，全过程对称工作，可稳定加紧垃圾桶；(3)液压缸直接驱动手指，机械效率高，能量损耗少；(4)结构紧凑简单，夹紧力大。主要缺点：由于采用直接驱动式，则需多加液压缸，是机械手重量增加。机械手指液压缸基座旋转轴2.5.2机械手结构示意图X向滚轮滑道机构由于司机师傅驾驶和停车位置都不一样，垃圾车的停车位置具有很大的随机性，因此，机械手的中心与垃圾桶的相对位置很可能对应不上，现在市场上的垃圾清运车还是依靠司机调整停车位置来对准，有时候很长时间都能已成功抓取。这种工作方式既不人性化又不经济，浪费时间和燃料。本设计采用垃圾清运车车停止不动，导轨连接X向滑道的结构，增加了一组X向位移机构。X向滑轨机构主要包括双滚轮、滚轮轴、槽型滚轮滑道、悬架和X向驱动液压缸，其三维模型如图2.5.3所示。滚轮滑道滚轮轴悬架X、Y向导轨接口滚轮图2.5.3X向导轨机构三维模型图导轨节臂机构Y向导轨整体为长方体箱式结构，根据力学经验，伸缩节臂截面为矩形，由两块234角钢对称焊接成的，在伸缩臂的断面的外表面装有大小适中的滑块，在大半径的内表面12也装有滑块结构，各节臂依靠滑块来传递动力，节臂是液压控制伸缩的，节臂的内侧装有伸缩液压缸。Y向导轨机构的三维立体如图2.5.4所示。图2.5.4Y向导轨机构三维立体图Z向旋转架机械手对Y向相对位置调好好后，需要根据当时情况调整机械手与垃圾桶高度位置，以便手夹紧垃圾桶中上部。另外，垃圾桶被抓紧后需要一个提升装置将垃圾桶抓取并倾倒，那么这项步骤就由旋转架来完成。旋转架和支撑杆是一个简单的平面四杆机构，主要由固定元件、旋转架、支撑架和销轴组成，用于曲线的上下往复场合，拥有比直线提升垃圾桶的更高适用性，可在高重量的条件下实现高精度的曲线运动。Z向旋转结构的实体三维结构如图2.5.6所示。13图2.5.6旋转结构三维实体图2.6设计参数及校核2.6.1机械手设计根据统计数据显示，多数垃圾桶的容积在50、98、115、200l左右，城镇的生活垃圾多数为一些饭后垃圾和日常包装袋等，其密度p一般为635kg/，则垃圾桶的满载质量3M根据公式（2-14）：m=pV（2-14）(1)V=50时，垃圾桶满载质量m=32kg；(2)V=98时，垃圾桶满载质量m=62kg；(3)V=115时,垃圾桶满载质量m=74.5kg；(4)V=200时，垃圾桶满载质量m=143.7kg。14根据计算数，设计过程中去最大质量来设计校核，保证使用过程中不会出现毁坏状况，设计车道宽度，指的是道路仅一架车单列行驶所需要的标准宽度，包括设计车辆的最大宽度和并道，超车或并列驾驶时需要的最大宽度。在道路宽度标准上，国家有相关规定，机动车道超过条或以上公路每条车道宽度范围为3.53.75m。设置隔离带的宽度大约为1m。按照国家颁布的机动车道相关标准，城镇道路路肩大约为1.5m城市道路每条车道的宽为3.5m，另外加上车道宽度及道路拥挤和停车位等情况，本设计的机械手可抓取路边距垃圾清运车车体最远3.25m的垃圾桶，机械手半径为350mm，旋转架为1450mm,但由于旋转架水平为1450时高度过高，一般不会抓取极限长度的垃圾桶，第二节臂长度为1450mm，基本臂在车体之内。本设计去垃圾桶满载时最大质量150kg进行参数选择和校核计算，机械手指抓取垃圾桶时主要受到垃圾桶的反作用力，同时还要考虑机械振动和惯性等附加条件，综合各种情况，那么取机械手指与垃圾桶的摩擦系数取0.7，垃圾桶与手指间作用力与反作用力的受力分析如图2.6.1所示图2.6.1作用力与反作用力示意图图中，f1、f2为机械手与垃圾桶外表面间的摩擦力；F2、F1为垃圾桶给手指的反作用力，数值等于夹紧力；Q1为满载时垃圾桶的重力；K为安全系数，考虑设计的外因素和垃圾桶最大取值，这里取K=2；F为的驱动力，由液压缸提供。夹紧力计算；F1=F2=2142.86N1Q7.05=KF1=22142.=4285.71N*F根据二力平衡，力矩方程式；15F100cos=350o60*F解得；F=17321N根据计算数据得知，当垃圾桶重量为1500N时，F=17321N,=4285.71N,F1=2142.86N。需要提供的驱动力较大和机械手属性较高，所以*F选用重型液压缸直驱型机械手。3.6.2滚轮滑道和Y向导轨铰接处支座力计算铰支点上的力主要有导轨自身的重力、旋转架机械手重力和垃圾桶的重力。考虑到在机械手抓取垃圾桶的工作中，会产生较大的震动和惯性，在滚轮和节臂接口处支座力计算中，主要考虑的力有导轨，旋转架自身重量和工作载荷大小，作用方向都在竖直方向。其中，自重载荷包括第一节臂、第二节臂、旋转架、支撑杆、三角架和机械手等，工作载荷是指垃圾桶装满时的重量。滚轮和节臂接口处支座力计算分析时，选取机械手抓取垃圾桶时的最大距离即3250mm进行参数设计和校核即可，将第二节臂向上弯曲处简化下来，将旋转架和机械手也简化为简单结构进行计算，如图2.6.2所示：图2.6.2滚轮和节臂接口处支座力计算图根据以往设计经验，初选基本臂质量=45kg,第二节臂质量=35kg，旋转架及其支1m2m撑杆质量=25kg，机械手和三角架质量=36kg,导轨第一节臂宽150mm，厚5mm，进3m4行设计计算，由雨节臂空心部分和外部需布置伸缩、提升液压缸及工作东风座机的机械振动，那么节臂质量都按实际质量的1.31倍计算，计算式如下；=421.319.8=546N1G=351.319.8=455N2=251.319.8=312N3=1500+350=1850N4以靠近机械手的铰支点为参考点，根据二力平衡式（2-15）F=0=-（2-1N21G2341615）力矩平衡方程式为M=O(/2+B)+(/2+B)+(+B)-A/2=A2GL3L24G3L211N（2-16）整理得；=(/2+B)+(/2+B)+(+B)-A/2/A1N2324321G（2-16）上式中，、分别为第一节臂、第二节臂、旋转架、机械手加垃圾桶的重力；1G234、分别为第一节臂、第二节臂、旋转架、机械手半径的长度；1L234L、分别为远离机械手、靠近机械手的滑道滚轮与轨道铰支点的反作用力；NA为两铰支点的水平距离，取值为A=840mm；B为靠近机械手的铰支点到基本臂端面的距离，取值为430mm。根据上式，垃圾桶取最大重量时的情况进行计算，即150kg，将所有已知数据带入上式（2-16）进行计算可得;=359.8(1450/2+430)+259.8(1450+1450/2+430)+1850(1450+1450/2+430+350)-1N840/2429.8/840解得；=6686N2N旋转架铰支固定在第二节臂的竖直臂上，举升液压缸分别铰支在第二节臂和旋转架上，尺寸如图所示，17当机械手抓取垃圾桶时，为了能使旋转架抓在垃圾桶的中上位置，旋转架与节臂间成三十度左右，旋转架液压缸结构受力图2.6.3旋转架液压缸结构受力图2.6.3由图示图形关系分析，当桶提升到旋转臂水平时铰支座受到最大压力，根据力矩平衡可算出此时支座受到=13300N的压力，根据公式算得支座最小面积为695,初定基支F2m座宽40mm,厚度为20mm。2.6.3节臂危险截面应力计算与校核已知选用材料为Q345钢，属低合金钢，广泛应用于压力器械、车辆梁架，桥梁、起重机等大压力器械上。查表知；其弹性模量E=210GPa，密度P=7800kg/m，许用应力=287.5MPa。由以上各部分力分析结果可知，危险部分为远离机械手的滑道与轨道的铰支点，基本臂端面以及第二节臂端面，对几处端面进行应力分析。基本臂端面弯矩；=/2+(/2+)+(+)基M2GL32L4G32L4第二节臂的截面应力；18=359.81450/2+259.8(1450+1450/2)+1850(1450+1450+350)/(/32)/1-2IMAY214.0(0.145/0.75)4=165.7MP取安全系数为1.3，=165.71.3=215.41MP，所以符合设计要求，安全。臂与基本臂间滑块的剪力微小于点的反作用力，那么使剪力近似等于=6686N,那2N3N2么第二节臂与基本臂间滑块的剪切应力；=/2=（359.8+259.8+1850）/2=48.76MP2N2A2A式中；为第二节臂上界面的惯性距；I为轨道内滑块挤压第一节臂端面的面积；2为轨道内滑块挤压第一节臂端面产生的剪切应力，取安全系数为1.3，1.3=63.38MP，设计合理，安全。219自卸举升机构参数的确定及校核3.1底盘选择与参数确定在我国，普遍的厢式货车、油罐车、自卸车等，一般都是在某种型号的汽车底盘上进行改进和加装设计，这样没有了货箱尺寸和形状的限制。在二类汽车底盘上进行设计时要特别注意是工作装置设计和整车总体布置。专用汽车基本构架没有大的改变时，新设计的功能车会具备原有车的性能。在选用某型号汽车的底盘时，要具备可靠性、适用性、先进性和方便性，所选用的底盘要和加装的某些功能结构相协调、结构紧靠、装配和运行空间合理。本设计采用东风尖头140汽车，底盘型号选择EQ1102FLJ5自卸车底盘，设计的举升装置采用液压驱动，该车的发动机提供基本动力，通过传动轴驱动液压泵旋转，然后将动力分别分配给各个部分的液压缸，实现预想的功能。垃圾清运车的自卸装置与载重车大致相同，一般为最大装载质量4.5吨中型自卸汽车，多为适应运输的道路要求而设计。自卸结构采用液压缸前推式举升机构。该幸运车自卸装置主要由液压举升机构、副车架、车厢、液压动力系统等组成，大部分设计参数如表3.1。表3.1垃圾清运车参数垃圾车外形尺寸mm685024402720整备质量kgem4950最大载重质量kg04500轴距（mm）3950轮距（前后）mm18101800后悬mmRL1785货箱尺寸mm400023001470倾斜时间（举升落下）16s13s最高车速（kmh）75总质量kg9750最大举升角50垃圾清运车整备质量是指油箱加满、配备齐全和一些备用工具全算在一起的空车质量。20是垃圾清运车和载重汽车设计时的重要参数之一。装载质量=4500kg，整备质量=4955kg，一般司机的体重=66kg，由于所设计0memrm的清运自动化程度较高，设计装载人数3人。汽车满载时总质量计算如下式:=+=4955+4500+266kg=9653kga0r垃圾清运车车厢的最大举升角是当车厢卸垃圾时，车箱底平面与地面间的最大极限夹角。不同的垃圾需要不同的举升角，松散的和片状摩擦力大的各不相同，多数垃圾的静安息角在4245的范围之间。故为保证自卸干净，设计最大举升角的范围普遍在5060之间。另外，还要注意当自卸角度达到最大角时，车厢后尾部的最低点要与地面保持一定的距离。举升时间指满载时车厢从开始升起达到最大举升角期间所用的时间。降em落时间系指车厢空载时由最大举升角到车厢完全与副车架接合时所用的时间。如果设计的时间太短可能会产生大的震动和惯性，损毁车厢或液压装置；设计的时间太长会影响运输的效率，耽误时间，所以一般设计举升时间范围为15-25s，下落时间范围为8-15s。东风140垃圾车的的总体结构和各部件满足国家标准和使用安全，每个部件均采用国家标准进行设计研发，车体外观美观，各机构间工作时可靠，稳定，高效。3.2自卸车厢液压举升装置设计3.2.1自卸举升装置具备的性能液压举升机构在设计过程中，车辆工作环境、工作极限和车辆性能等都要考虑，设计出的垃圾清运车应具备以下几个性能：1、平稳性举升机构在自卸货物时应有良好的稳定性，液压缸震动要小，各机构间配合紧密良好，减少震动和机械冲击，延长机构的使用时间。2、长时间免维修性机构间配合合理、紧凑，结构的材料选用恰当等都会保持车辆长期处于健康的工作状态和良好性能。4、自卸性自卸性也就是自动化倾卸垃圾，也是当今世界上机械设备发展的最基本方向，减少人力消耗，提高效率。另外，自卸时还要保证车厢内的垃圾倾卸干净，不另外用人力清理，那么就需要保证一定的倾斜角、车厢合理结构和选材。5、紧凑性垃圾清运车辆工作过程中，抓取垃圾桶和倾倒，加之车厢倾卸时要求有较大的工作空间，考虑到车辆的工作环境，顺利通过狭小车辆间隙，就需要尽量减小垃圾车的整体尺寸，21设计的机构要具有很好的紧凑性和合理性，减少工作时占用的空间。6、协调性液压举升机构与垃圾桶举升装置结构相似，都为平面四杆机构，在液压缸驱动力作用下，部件间能根据自己的铰支点按设计的轨迹协调转动，不会出现意外故障，死点。3.2.2液压举升机构的确定目前设计的举升机构有很多种，普遍都是使用液压方式提供动力，根据液压缸与车厢底架的铰方式，常用的举升机构形式有两种：连杆组合式和油缸直接推动式两种。直推式举升机构是用液压缸直接连接箱体副车架来实现倾倒功能。这种布局简单、结构少、举升效率也比较高。但是液压缸的工作距离过长，需要采用多级的液压缸。按液压缸安装位置不同，可分为前置式和后置式两种，前置式多为单缸，后置式有的是单缸，有的两个液压缸并用。在相同载重情况下，前置式液压缸提供的举升力较小，举升车厢时横向刚度比较大，但液压缸的工作距离长，后置式的性能和前置式的正好相反，结构如图3.2.1和3.2.2所示。1-车厢；2-拉杆；3-三角形拉杆；4-举升油缸；5.副车架图3.2.1油缸前推连杆组合式1-车厢；2-拉杆；3-三角形拉杆；4-举升油缸；5.副车架图3.2.2油缸后推连杆组合式连杆组合式举升机构的优点；举升过程平稳、液压缸活塞的伸缩距离短、机构安装简单等。液压缸后推式结构合理，但由于部件多集中在车体的后部，后部车厢底板受力大，经常用于重型自卸车。所以我采用液压缸前推式连杆组合式举升机构进行设计。223.2.3举升机构部件的尺寸计算液压缸前推式平面四杆举升机构如图3.2.3，由举升液压缸EC、三角架ABC和拉杆BD等组成。车厢的副梁与副车架铰支点是原点O。运行时液压泵提供压力油，驱动液压缸EC伸长，三角架ABC和拉杆BD按照设计轨迹转动，车厢提升，并绕O点逐渐倾斜。垃圾卸净后，液压缸收缩，机构方向运行，车厢复位运动。设计时，自卸举升机构在休止时占用空间越小越好，这样不会对垃圾桶举升装置产生干扰或碰撞，同时也会减小车体体积，结构更加紧凑合理。用作图法根据设计经验初选设计原点和零件尺寸和位置。图3.2.3机构尺寸设计示意图举升结构设计（1）车厢体与副车架铰支点O的确定铰支点O越靠近车底盘大梁的尾端越好。查数据已知垃圾车副车架长3900mm，高度为205mm，考虑到举升架和连杆的安置位置和空间大小，水平方向选取距离副车架尾端面100mm，竖直方向距离副车架下端面157mm处设定为车厢与副车架的铰支点，以铰支点作为平面四杆机构及其部件的设计坐标原点，X坐标水平于副车架指向车前方，Y坐标垂直副车架平面向上，遵循坐标系法则。（2）垃圾车举升机构未工作时三角架与车厢副车架前铰支点的确定。0A副车架与副车架前铰支点的坐标（，），根据经验公式（3.2.1）计算；Aoxy（3.2.1）maxRL算式中为车厢的最大举升角，可根据倾卸情况要求和垃圾的性质确定安息角，初步选max值=；50L为液压缸的最大行程，根据最大行程和举升重量，借鉴同类型垃圾车选取的液压缸型号，初选液压缸的自由长度为1158mm，最大工作行程L=790mm；R为经验系数，R的大小是根据L设定的，根据经验取R=175。23根据以上数据带入求得；=2136mmAox5071考虑到副车架前部装垃圾桶提升装置，这里取=1900mm。Aox的Y坐标方向应尽可能靠近车厢的底平面来充分使用车厢与副车架之间的空间，0A减少液压缸下铰支点在副车架下部的距离。初选距离车厢底面的距离为90mm，从查得0数据中已知底板副梁高205mm，因此。的坐标为（1900，115）。0（3）副车架与液压缸铰支点的确定对于中型载重垃圾清运车，液压缸的尺寸很大，在开始举升车厢时，液压缸与车厢要有一定的夹角来减少液压缸的初始工作压力，同时也可减小零件的设计尺寸和压力，因此，E点与原点O的Y向距离选设计的最小值。E点的x轴坐标可根据经验公式算出；402.5.0LxoAE=1900-0.51158-0.2790+400=1563mm根据设计要求，取=1550，那么E点坐标为（1550，-42）。EX三角架的设计（1）车厢复位时三角架的支点的坐标设计和长度的计算0C0AC三角架点就是液压缸的活塞端铰支点。车厢复位时，点应尽可能接近车厢底端0C0面，通过缩小液压缸下支点进入副车架中的高度来减小初始液压提升力。可选择点在0C点下方Y坐标距离92mm。当车厢复位时，液压缸长度应稍长于初始选定的最小长度0A15mm左右，这样能确保车厢平放在副车架上，不会因液压缸过长而放不平车厢。考虑结构设计，选定X坐标方向在前面450mm，那么点的坐标为（2350，36），运用0CA0C两点间距离公式求得=457mm。（2）车厢复位时三角架与两拉杆铰接点的选择0B根据图示，连接，将绕O点顺时针旋转。取为圆心，为半径作弧，oo5A0C然后以E为圆心，以1159+790-10=1939mm为半径作弧，两个圆弧交于点。连接和E，做=5，再以为角顶点，为一边，那么=，根据CABoc0C0B设计经验和结构，选取=132mm，连接，为了使BC、AB为整数调整点位C0B0BB置，AB=580mm，那么点B0的坐标为（2652，-50），那么当=0时三角架位置0为ABC；当=50时三角架位置为。A拉杆长度的设计计算（1）拉杆与副车架铰支点D和拉杆长度的选择作的垂直平分线交y=于点D，为合适的副车架与连杆铰支点的最接近车0B“y厢底端面点，选=175mm。为了让为整数，调整D点位置，选定点D坐标为y0B24（950，70），两个拉杆长为=(2652-950)+（70+50）=2081mm。DBL各部件的坐标计算（1）A、B、C、G、F的坐标以及、的计算OFABECAFDECABD举升机构的坐标系图如图3.2.4。图3.2.4举升机构坐标系图当车厢位于原位时，举升角=0，三角架的三个铰支点、点以及车厢装0AB0C满垃圾时的重心计算结果如下：0G=1900，=1150Ax0Ay=2652，=-50BB=2350，=360C0C=1950，=1219GxGy=1253，=1494已知以上数据，根据相似三角形定律和两点间距离公式，D和E的交点的坐0B0C0F标根据下式（3-11）求得；（3-11）00BDBFxyxy带入已知坐标，坐标（，）通过方程0Fxy00CECFxyxy可得=1158，=2560Fx0Fy当=0时，点O到直线的距离等于；0AOFAL=1325mm2020)()(FAFxyyxL点至直线E的距离和点到直线的距离：0B0CBECBAL=3152020000)()()()(ECECCEBxyyxyx25=21320200000)()()()(AFAFFAFBFABAFxyyxyxL=11820200000)()()()(ECECCECEAEC=12920200000)()()()(DBDBBEABDABxyyxyxL利用作图法计算出个部件长度和点坐标后，需要选择部件的长度、半径等参数，然后进行受力分析和校核，修改角度和尺寸，重新选择合适的参数值，使设计更加合安全可靠。3.2.4拉杆和铰支座受力计算与校核在设计与校核过程中，受力计算与校核的意义在于在任何情况下各部件在受到最大力的作用时都会安全可靠运工作，那么也存在一个举升力安全系数K来保证外部因素影响时不会发生故障，公式（3-12）=KG（3-12）ECF式中：为液压缸需要提供的最大举升力；ECFG为车厢满载时，车厢重力加上垃圾质量之和。已知G=96509.8=94570N举升安全系数K很大程度影响垃圾清运车自卸的性能，K值越小越好。K值是随着倾卸角度变化而变化的。设计时一般选初始位置进行校核，因为此时箱内垃圾最多，阻力最大，车厢刚起来时还会有惯性和震动，此时油缸需要提供的推力最大。因此，以下只讨论初始位置时各构件的力学性能。机构受力分析还是取各杆件与车厢受力图进行分析如图3.2.5图3.2.5机构力学图示取O点为参考原点，由力矩平衡可列下式（3-13）;26=0（3-oM00OFAGLx13）代入以上求得的数据得：=421401950/1325=62017.36NFAOGLx0单独讨论三角架ABC受力如图3.2.6图3.2.6三角架受力图取B点为参考原点，由（3-13）力矩平衡可列下式；=0M0BAFBECLF已知：，算得液压缸最大举升力AF-=62017.36213/315=37246NBECFEL=0A0AECABDL单个拉杆受到的最大拉力为；=37246118/129=35274NBFABDEC可以求得举升力系数=37246/42140=0.178GKEC拉杆截面尺寸的确定拉杆BD在工作过程中受到较大的拉力，由于两条拉杆相同并采用对称布置，那么每根拉杆受到的拉力为；=35274/2=17637N拉F2BD根据以往设计经验，选拉杆材料为Q235钢，从金属加工材料手册查得=230s610N/,由于工作时会产生振动和惯性，这里安全系数n=4，根据公式=n/A,每根拉杆2m拉F的最小横截面面