基于ADAMS的垃圾壓縮機裝載機構的動力學仿真與優化設計

廖林清，霍 飛，張 君

(重慶理工大學 a.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室;b.車輛工程學院;c.機械工程學院，重慶 400054)

垃圾壓縮機是一種集垃圾收集、壓縮與集裝運輸于一體的環衛設備，因其具有液壓裝置簡單、裝卸垃圾快捷、操作簡單方便、密封性好等優點，近幾年在國內生活垃圾收運過程中得到了廣泛的應用。目前，國內生產的垃圾壓縮機在使用過程中普遍存在自身質量較大、壓縮性能偏低、執行機構中重要部件應力集中等亟待解決的問題［1］。因此，對垃圾壓縮機及其裝載機構進行研究分析具有非常重要的理論設計指導意義及實際工程應用價值。

1 裝載機構的組成及工作原理

1.1 裝載機構的組成

垃圾壓縮機裝載機構由料斗、廂體以及對稱布置在廂體兩側的拉桿、起重臂、液壓油缸5部分組成。料斗、起重臂以及液壓油缸缸筒鉸接在廂體安裝座上，液壓油缸缸桿與起重臂中部鉸接，連桿兩端分別與料斗和起重臂鉸接。裝載機構的組成如圖1所示。

圖1 裝載機構的組成

1.2 裝載機構的工作原理

垃圾壓縮機的裝載機構可以簡化為一個平面機構，在該機構中，液壓油缸為裝載機構提供驅動力，通過驅動起重臂和拉桿動作，最終帶動料斗翻轉，實現料斗的下放和垃圾裝載功能。以廂體作為機架，裝載機構的運動簡圖如圖2所示。

圖2 裝載機構的機構運動簡圖

2 ADAMS仿真模型的建立

2.1 裝載機構三維實體模型

鑒于裝載機構由多個部件組成，且料斗及廂體結構復雜，直接使用ADAMS軟件自有的三維建模功能很難完成裝載機構的三維實體建模，為提高三維實體建模的效率和精度，采用Solidworks進行建模［2-3］。建模過程遵循裝載機構自身的原理結構。同時，為方便對裝載機構優化時的設置，對對稱布置在廂體兩側的拉桿、起重臂和液壓油缸進行合理簡化，只保留一側，采用自下至頂的方法，建立各部件的三維實體模型，并裝配完成該機構的整體建模［4］。裝載機構三維實體模型如圖3所示。

圖3 裝載機構三維實體模型

2.2 裝載機構ADAMS仿真模型

將Solidworks中建立的裝載機構三維實體模型導入ADAMS中，設置好單位和重力加速度以及各構件的材料和顏色，并添加運動副、驅動和料斗垃圾載荷。完成上述前處理后，得到裝載機構的ADAMS仿真模型，如圖4所示。

圖4 裝載機構ADAMS仿真模型

液壓油缸驅動采用Step位移函數，并添加在液壓油缸缸筒與缸桿之間的滑移副上［1-2］，用以控制油缸行程和往復動作時間，驅動函數為:

STEP(time，0，0，15，370)+STEP(time，15，0，17，0)+STEP(time，17，0，37，-370)。

根據裝載機構實際運行時，料斗中垃圾的最大裝載量和垃圾從料斗傾卸至廂體的起止時間，確定料斗垃圾載荷亦采用Step函數:

STEP(time，16，0，17，6860)+STEP(time，17，0，31，-360)+STEP(time，31，0，37，-6 500)。

3 裝載機構的優化設計

3.1 設計變量及優化目標

液壓油缸所能提供的最大驅動力和各鉸接點的空間位置將直接決定裝載機構的裝載能力。因此，將圖2中所示的鉸點D、E、F在ADAMS仿真模型坐標系中沿X和Y方向的變化量DV_DX、DV_DY、DV_EX、DV_EY、DV_FX、DV_FY 及拉桿長度DV_LBC作為設計變量，并在滿足液壓油缸制作距、安裝距、行程及各部件間不產生干涉的前提下，合理約束設計變量變化范圍，將油缸載荷的最大值作為研究目標，通過ADAMS優化計算確定一組使得油缸載荷的最大值為最小的設計變量參數［5］。

3.2 裝載機構動力學仿真

為滿足優化計算的要求，須預先對已完成前處理的裝載機構虛擬樣機進行動力學仿真分析［6-7］，通過測量得到的油缸載荷曲線如圖5所示。從圖5中可知料斗上翻裝載垃圾過程中液壓油缸載荷的最大值為1.491×105N。

圖5 油缸載荷曲線

3.3 優化計算及結果分析

設置好優化計算的設計變量、研究對象及優化目標等內容后，對裝載機構進行優化計算［8］，其輸出結果如圖6所示。從圖6可知:優化計算得到的液壓油缸載荷最大值中的最小值為第8次計算結果1.331×105N，使得液壓油缸載荷最大值較之優化前的1.491×105N降低了10.7%。

圖6 裝載機構優化計算結果

由ADAMS優化計算結果的輸出信息可知優化后各設計變量的變化狀況。優化前后設計變量的值如表1所示。

表1 優化前后設計變量值對比

按照優化計算所得的各設計變量值，調整與之對應的裝載機構鉸接點位置參數，重新進行動力學仿真，將優化前、后的液壓油缸載荷曲線進行對比。如圖7可知:在油缸運行過程中，其最大載荷得到較大程度的降低。

3.4 驗證液壓油缸的選型

垃圾壓縮機裝載機構設計階段初步選用的液壓油缸型號及主要參數如表2所示。

圖7 優化前、后油缸載荷曲線對比

表2 液壓油缸主參數

由液壓油缸主參數結合液壓系統工作壓力P=25 MPa，計算裝載機構裝載垃圾階段液壓油缸處于工作狀態的無桿腔所提供的推力為

由式(2)可知優化設計后，所選液壓油缸推力完全滿足設計要求，液壓油缸選型正確。

4 裝載機構優化后仿真分析

4.1 各鉸接點的載荷曲線

在ADAMS/View中，對優化后的裝載機構虛擬樣機進行動力學仿真分析，通過測量及后處理得到部分鉸接點在各組件位姿變化過程中的載荷曲線［9-11］，為后續的有限元分析提供參數依據。如圖8～11所示，各組件位姿均以組件與水平線夾角表示。從圖8～11中可知:各鉸接點載荷均在料斗上翻裝載垃圾過程中取得最大值。

4.2 料斗角速度與角加速度曲線

料斗運行的平穩性是衡量裝載機構性能的重要依據。通過測量得到料斗質心運動的角速度與角加速度曲線如圖12、13所示，從圖12、13可以看出:料斗運動最大角速度為20 deg/s，最大角加速度6.1 deg/s2;料斗運行較為平穩，但存在驟然啟、停特性。因此應該在料斗下放和上翻到位位置增設減震裝置，以減少裝載機構各組件間的沖擊。

圖8 A點載荷曲線

圖9 B點載荷曲線

圖10 E點載荷曲線

圖11 F點載荷曲線

圖12 料斗運動角速度曲線

圖13 料斗運動角加速度曲線

5 結束語

本文應用機械系統動力學仿真軟件ADAMS建立垃圾壓縮機裝載機構的虛擬樣機模型，并進行動態仿真分析，得到移動垃圾壓縮站裝載機構主要運動部件的運動規律和各鉸接點的載荷曲線，驗證了油缸選型的正確性。通過優化計算，使得驅動油缸的載荷顯著降低，得到了裝載機構優化后主要運動部件的運動規律和各鉸接點的載荷曲線，為裝載機構的有限元分析提供了重要參數，對相關研究具有借鑒意義。

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