基于虚拟样机技术的垃圾车拉臂装置的动力分析

赵 璟

（江苏省徐州技师学院 江苏徐州 221151）

基于虚拟样机技术的垃圾车拉臂装置的动力分析

赵 璟

（江苏省徐州技师学院 江苏徐州 221151）

随着城市规模的扩大，环卫车辆的技术升级迫在眉睫。本文选取某企业主打产品可卸式垃圾车为研究对象，运用虚拟样机技术的ProE三维建模软件对主要工作部件拉臂机构进行建模，然后在动力仿真模块中通过各种连接得到不同工况的运动和动力学曲线，为优化模型、进行ANSYS有限元分析软件做好技术准备。

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据统计，城市化进程的不断扩大和城市半径的不断扩大，城市垃圾总量以每年5%的速度递增，大量的城市垃圾严重地影响着市容并威胁着人们赖以生存的环境。这直接拉动了环卫产品尤其是垃圾收集转运设备的市场需求，促进了环卫车辆的技术升级，最近十几年国内外环卫机械工业的飞跃发展，各种新型机械产品及技术不断涌现。

可卸式垃圾车是一种箱体可卸式的垃圾转运车辆，其车载工作装置通过连杆机构实现箱体自动装卸和垃圾倾卸的功能。由于这种车辆工作效率比较高，因此被广泛用于多种货物的箱体装、运、卸服务。其特点是操作简便、工作效率高、机动性能好、车厢密封性好、运输垃圾量大、不易污染环境、适用于垃圾集中收集的垃圾处理系统中。

近年来，虚拟样机技术作为一种新兴的设计手段，被越来越多地应用于机械产品系统设计与性能研究。虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。在产品设计阶段，工程师在计算机里建立虚拟样机模型，用数字化形式代替传统的物理样机，并在实际工况下，对模型进行动态仿真和功能分析，进而改进样机的设计方案。利用虚拟样机技术，不仅大大地缩短了产品的开发周期，降低了工程测试和制造费用，更简化了机械产品的设计、开发过程，明显提高了产品的质量以及系统性能，获得最优化和创新的设计产品。

一、垃圾车拉臂装置三维模型的建立

选取某企业可卸式垃圾车的拉臂装置作为研究模型，其垃圾箱的质量m=7700kg，垃圾箱与地面和垃圾箱与附车架的导轮的静摩擦系数均为0.15，动摩擦系数为0.05。

垃圾车拉臂装置的工作流程可以细分为6个过程，即满负重装箱两个过程，满负重卸料一个过程，满负重卸下垃圾集装箱两个过程，满负重从卸料位置返回到正常的装载位置一个过程。

1．构建拉臂三维模型

拉臂总长为1801mm，总高为1202mm，宽度为360mm，活塞杆与拉臂交接点和翻转架与拉臂的交接点的距离为517.23mm.

2．附车架三维模型的建立

附车架的总长为3067mm，总宽度为850mm，活塞缸与附车架交接点位置为85mm。

3．翻转架三维模型的建立

附车架的总长为1485mm，总宽度为482mm，翻转架与附车架交接点位置和锁紧架与翻转架的交接点的距离为515.8mm

4．垃圾箱三维模型的建立

垃圾箱总高为1210mm，总宽为1252mm，总长为2650mm。

5．垃圾车拉臂装置零部件模型的装配

垃圾车拉臂装置的工作流程可以细分为满负重装箱两个过程，满负重卸料一个过程，满负重卸下垃圾集装箱两个过程，满负重从卸料位置返回到正常的装载位置一个过程。而满负重卸下垃圾集装箱两个过程，满负重从卸料位置返回到正常的装载位置一个过程这几个过程是出于安全作业的考虑而产生的，因此我们在装配和做动力分析以及结构优化指需要考虑满负重装箱两个过程和满负重卸料一个过程总共三个过程。

二、拉臂装置的动力学分析

Pro/e5.0中机构分析模块可以进行装配的动力学分析和优化设计，在二维上一些难以表达和设计的运动，在Pro/e5.0中表达起这些运动却是非常形象直观和易于修改的，相比于以前的开发过程，利用计算机辅助工具来进行机构协同设计其开发过程和开发周期被简化和缩短了许多，以最少的费用获得最好的产品质量，这是相当经济的。仿真结果输出形式是多样的，既可以以动画的形式也可以以参数的形式，这样是很形象直观的，用户看起来一目了然，因此可以检查出零部件之间是否有干涉以及干涉的范围有多大。根据动画仿真结果我们可以对设计的零件进行修改一直到不产生干涉为止。运动学和动力学分析包括观察并记录分析和测量位置、速度、加速度、力等运动参数，并且可以图形的方式进行输出。

图1 拉臂装置装配图

1．工况一分析

（1）点击应用程序的机构按钮，进入到机构环节。接下来就是检查装配的连接情况，点击连接组件对话框的运行按钮，出现确认对话框说明连接成功。

（2）创建伺服电动机

点击工具栏的伺服电动机按钮，选择活塞缸与附车架的销钉连接为伺服电动机的运动轴，在轮廓面板，选用位置，在模选项下选择表，如图所示。

（3）拍摄快照

打开视图中的拖动元件按钮，然后适当移动拉臂的位置，拍下当前位置的快照。

（4）进行机构分析和捕获视频，并保存在硬盘上，以便以后观察分析。

（5）要进行动力学分析，首先定义重力，在质量属性中参照类型选择组件，定义属性为密度，输入7.85e-6，再添加阻尼器。

（6）结果分析

在Pro/E中，力的单位为mmkg/sec2

测量拉臂对附车架的作用力，结果如图

图2 工况一测量结果

2．工况二 分析步骤

工况二是车箱从接触车架导轮开始直到车箱放平在车上的过程，装配模型和工况一情况差不多，所以装配过程不再赘述，唯一不同的就是导轮与车箱底部相切，装配模型如图所示:

图3 装配模型

（1）检查机构连接，单击对话框中的运行按钮，检查装配的连接情况，出现确定对话框，说明连接成功。

（2）创建伺服电动机

点击工具栏的伺服电动机按钮，选择活塞缸与附车架的销钉连接为伺服电动机的运动轴，在轮廓面板，选用位置，在模选项下选择表，如图所示。

（3）定义组件的密度，在参照类型下选择组件选项，然后在定义属性选择密度选项，输入7.85e-6。

（4）定义重力，更改模的方向，大小为默认设置。

（5）创建并运行动态分析，在外部负荷中勾选启用重力。测量结果如下：

图4 拉臂对车架的作用力

3．工况三分析步骤

工况三是垃圾车卸料的过程，翻转架被固定在车箱上，在Pro/E中，力的单位为mmkg/sec2 ，从测量结果中，看出翻转架对车架的轴向力几乎为0，可以忽略不计。

（1）创建伺服电动机

点击工具栏的伺服电动机按钮，选择活塞缸与附车架的销钉连接为伺服电动机的运动轴，在轮廓面板，选用位置。

（2）定义重力，更改模的方向，大小为默认设置。

（3）创建并运行动态分析，在外部负荷中勾选启用重力。

（4）测量结果

在Pro/E中，力的单位为mmkg/sec2 ，从测量结果中，看出翻转架对车架的轴向力几乎为0，可以忽略不计。（图5）

从以上可以看出，建立了拉臂车工作装置的虚拟样机模型，对工作装置进行了动力学分析，结果表明：

对拉臂车工作装置在三个工况下分别建立了虚拟样机模型，有效地反映了活塞缸与车架、活塞杆与活塞缸、活塞杆与拉臂、拉臂与翻转架、翻转架与车架、车轮与车箱、车轮与地面、导轮与车箱的连接和接触特点;

从以上分析结果图里面看出，拉臂与吊钩和拉臂与翻转架的连接作用力最大会出现在刚装箱的瞬间或者车箱接触车架导轮的瞬间。

图5 工况三测量结果

结语

由此动力分析结果，接下来以拉臂对翻转架的最大作用力最小化为优化目标，车厢移动距离和转过的角度为设计约束，拉臂的长度和高度、吊钩的高度、活塞缸与车架的交接点的位置、活塞杆与拉臂交接点的位置作为设计变量，得出优化的模型；最后再利用ANSYS的workbench界面对优化后的模型在两种极限情况下做了有限元分析和验证，证明此优化后的模型较为合理，可以实际应用到生产中去。运用虚拟样机技术进行垃圾车拉臂装置的功力分析及优化设计，这样不但可以为拉臂车的研制与开发提供参考依据，加快产品的开发速度，实现用户产品的定制，还可以提高拉臂车的产品质量，对提高垃圾车的技术水平及在国内外市场的竞争能力等方面，具有重要的社会意义和巨大的经济效益。

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赵 璟（1982年12月）、女、汉、江苏省徐州市、江苏省徐州技师学院数控工程系、教师、讲师、工学硕士，研究方向：数控专业课程教学、人才培养、实习教学管理。