压缩式垃圾车锁紧机构的设计计算与结构改进

2020-06-22张运康张新科

机械工程与自动化 2020年3期

张运康，张新科，张增

(郑州宇通重工有限公司，河南郑州 451482)

0 引言

压缩式垃圾车是用于收集、压缩和运输生活垃圾的专用汽车，随着城镇化的扩大和人们生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高，压缩式垃圾车已成为城镇环卫垃圾收集运输的主要车型。垃圾车锁紧机构在锁紧油缸的作用下通过轴管的转动实现锁钩的锁紧与打开，通过锁钩的锁紧力实现对填装器密封条的压缩，进而确保压缩式垃圾车在转运垃圾过程中污水无滴漏。

为防止其污水跑冒滴漏造成对环境的二次污染，本文对压缩式垃圾车的锁紧机构的结构特点、受力情况进行分析计算，并提出结构改进措施。

1 锁紧机构的组成

压缩式垃圾车锁紧机构主要由锁紧油缸、轴管、扁头螺栓、弹簧钩U型环、销轴、锁钩、填装器U型螺栓等组成，如图1所示。

1-锁紧油缸；2-轴管；3-扁头螺栓；4-弹簧钩U型环5-销轴；6-锁钩；7-填装器U型螺栓

2 锁紧机构锁紧状态受力分析

2.1 锁紧机构锁紧状态填装器U型螺栓所受的锁紧力FA

如图2所示，以填装器整体为研究对象，在锁紧状态下对其进行受力分析，对G点取力矩，则：

∑MG=aql1+2bql2-FAl3+Ffl4-Wl5=0.

(1)

且

Ff=μFA.

(2)

其中:a为填装器密封条底边长度,为2 254 mm；b为填装器密封条侧边长度,为1 156 mm；q为单位长度密封条所受的压缩力系数(刚度系数)；l1为锁紧机构锁紧时填装器底边密封条与G点的距离，为1 852 mm；l2为锁紧机构锁紧时填装器侧边密封条的中点与G点的距离，为1 074 mm；l4为锁紧机构锁紧时锁钩受力点A与G点的水平距离，为1 868 mm；l3为锁紧机构锁紧时锁钩受力点A与G点的垂直距离，为645 mm；l5为锁紧机构锁紧时填装器重心与G点的水平距离，为1 025 mm；FA为锁紧机构锁紧时填装器U型螺栓在A点所受的紧锁力，N；Ff为锁紧机构锁紧时填装器U型螺栓在A点所受的摩擦力,N；W为填装器的重力,为19 600 N；μ为钢对钢的静摩擦因数，为0.15。

将以上参数代入式(1)、式(2)得：FA=4 244q-11 342。

图2 锁紧机构锁紧状态填装器受力分析

2.2 锁紧机构锁紧状态扁头螺栓的拉力FC

如图3所示，以锁钩为研究对象，在锁紧状态下进行受力分析，对B点取力矩，则：

(3)

其中：FC为锁紧机构锁紧时锁钩在C点所受的拉力，N；l6为锁紧机构锁紧时锁钩受力点C与B点的距离，为45.64 mm；l7为锁紧机构锁紧时锁钩受力点A与B点的水平距离，为0.2 mm；l8为锁紧机构锁紧时锁钩受力点A与B点的垂直距离，为0.26 mm；Ff′为锁紧机构锁紧时锁钩在A点所受的摩擦力，N，Ff′=Ff；FA′为锁紧机构锁紧时锁钩在A点所受的锁紧力，N，FA′=FA。

将以上参数代入式(3)得：FC=0.275FA。

2.3 锁紧机构锁紧状态时锁紧油缸锁紧力T

如图4所示，以轴管为研究对象进行受力分析，对D点取力矩，则：

(4)

其中：T为锁紧机构锁紧时锁紧油缸锁紧力，N；l9为锁紧机构锁紧时扁头螺栓受力点H与D点的距离，为42.29 mm；l10为锁紧机构锁紧时锁紧油缸受力点E与D点的距离，为60.03 mm；FC′为锁紧机构锁紧时扁头螺栓对转轴H点的拉力，FC′=FC。

将以上参数代入式(4)得：T=0.699FC′=816q-2 180。

图3 锁紧机构锁紧状态锁钩受力分析图4 锁紧机构锁紧状态轴管受力分析

经实验测得不同材质的密封条单位压缩量与压力的对应关系如表1所示。

表1 密封条压缩量与压力的对应关系

密封条材质为硅胶，得出密封条压缩量与锁紧油缸锁紧力T的对应关系，见表2。

表2 锁紧机构锁紧状态时密封条压缩量与锁紧油缸锁紧力T的对应关系

锁紧油缸为50/25缸，在液态系统压力p=16 MPa时小腔所能提供的缩回力为：

(5)

其中：D为锁紧油缸缸筒直径，为50 mm；d为锁紧油缸活塞杆直径，为25 mm。将相关数据代入式(5)计算得缩回力为23 550 N。

因此，锁紧油缸能提供的锁紧力(缩回力)可以基本满足的密封条压缩量为10 mm。

3 锁钩开始切入填装器U型螺栓状态受力分析

(1) 锁钩开始切入填装器U型螺栓时，填装器U型螺栓所受的锁紧力为FAQ。根据∑MG=0，得FAQ=6 775q-18 107.

(2) 锁钩开始切入填装器U型螺栓时，扁头螺栓的拉力为FCQ。根据∑MB=0，得FCQ=0.839FAQ.

(3) 锁钩开始切入填装器U型螺栓时，锁紧油缸锁紧力为TQ。根据∑MD=0，得TQ=6 662q-17 805.

得出锁钩开始切入填装器U型螺栓时密封条压缩量与锁紧油缸锁紧力的对应关系，如表3所示。

表3 锁钩开始切入填装器U型螺栓时密封条压缩量与锁紧油缸锁紧力的对应关系

锁紧油缸为50/25缸，在16 MPa压力下所能提供的锁紧力为23 550 N，在锁钩开始切入填装器U型螺栓时密封条的压缩量将近2 mm，压缩量再增大时，锁紧油缸所能提供的锁紧力(缩回力)太小而使锁钩无法钩紧填装器U型螺栓，即出现钩不动情况，也就是此结构只能使密封条压缩量达到2 mm。

4 锁钩的打开力矩计算

如图5所示，锁紧油缸为50/25缸，在16 MPa压力下大腔所能提供的推力为：

锁钩打开力矩为：

其中：l16为锁紧油缸铰点E与转轴铰点D的距离，为60.03 mm；l17为扁头螺栓铰点H与转轴铰点D的距离，为42.29 mm；l18为扁头螺栓铰点C与锁钩铰点B的距离，为45.64 mm。经计算得M=2 034 N·m。

图5 锁钩打开受力分析图

5 改进后锁紧机构锁紧状态受力分析

从以上计算可以看出，密封条压缩量仅2 mm，若箱体后框平面度超过2 mm时就会有漏水风险，亟需改进。通过调整锁紧机构点位、锁紧油缸的最小安装距与行程、锁钩锁紧端圆弧形状等使密封条压缩量增大，锁钩改进前与改进后对比如图6所示。

图6 锁钩改前与改后对比图

5.1 改进后填装器U型螺栓所受的锁紧力FSA

改进后填装器U型螺栓所受的锁紧力FSA见图7。对G点取力矩，则：

∑MG=aql1+2bql2-FSAlS3+FSflS4-Wl5.

(5)

且

FSf=μFSA.

(6)

其中：lS3为改进后锁钩受力点A与G点的垂直距离，为1 891 mm；lS4为改进后锁钩受力点A与G点的水平距离，为538 mm；FSA为改进后填装器U型螺栓在A点所受的锁紧力，N；FSf为改进后填装器U型螺栓在A点所受的摩擦力,N。

将以上参数代入式(5)、式(6)得：FSA=4 153×q-11 099。

图7 改进后填装器受力分析

5.2 改进后扁头螺栓的拉力FSC

改进后扁头螺栓的拉力FSC见图8。对B点取力矩，则：

(7)

其中：FSC为改进后锁钩在C点所受的拉力，N；lS6为改进后B点到FSC作用线的垂直距离，为38.02 mm；lS7为改进后锁钩受力点A与B点的水平距离，为80.66 mm；lS8为改进后锁钩受力点A与B点的垂直距离，为11.76 mm；FSf′为改进后锁钩在A点所受的摩擦力，N，FSf′=FSf；FSA′为改进后锁钩在A点所受的锁紧力，N,FSA′=FSA。

将以上参数代入式(7)得：FSC=0.628FSA。