拉臂式垃圾車?yán)奂苎b置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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1、藝術(shù)的大道上荊棘叢生，這也是好事，常人望而卻步，只有意志堅(jiān)強(qiáng)的人例外 中圖分類號(hào)：U469.6+91.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-0226(2007)12-0000-03 拉臂式垃圾車?yán)奂苎b置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 周敏 長(zhǎng)沙市環(huán)衛(wèi)機(jī)械研究開(kāi)發(fā)中心 湖南長(zhǎng)沙 410016 摘要：從拉臂式垃圾車的拉臂架裝置結(jié)構(gòu)受力分析著手，介紹了拉臂架裝置的

2、各鉸支點(diǎn)的布置、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選用以及對(duì)拉臂油缸的安裝角取值范圍等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：拉臂式垃圾車 拉臂架裝置 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 天才就是百分之九十九的汗水加百分之一的靈感 1 前言 拉臂式垃圾車是在二類汽車底盤上裝有使車箱具有裝卸和傾卸功能的拉臂架裝置的專用汽車，它可實(shí)現(xiàn)車箱與汽車的結(jié)合和分離，同時(shí)對(duì)車箱的散裝貨物實(shí)現(xiàn)自卸作業(yè)。目前該車已在國(guó)外得到廣泛使用，在國(guó)內(nèi)也常作為環(huán)衛(wèi)行業(yè)的垃圾收集運(yùn)輸車。5 t拉臂式垃圾車是常用車型之一，相比8 t 以上的大噸位拉臂車，其拉臂架裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，便于國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)；而大噸位拉臂車因國(guó)外拉臂架裝置的設(shè)計(jì)制造技術(shù)已相當(dāng)成熟，因此國(guó)內(nèi)廠家生

3、產(chǎn)的大噸位拉臂車常采用進(jìn)口拉臂架裝置。國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的5 t拉臂車的拉臂架裝置的結(jié)構(gòu)雖大致相同，但重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)的選用和結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)的不同，會(huì)直接影響拉臂車的工作性能。現(xiàn)以5 t拉臂式垃圾車為例進(jìn)行分析探討。 圖1 5 t拉臂式垃圾車總體結(jié)構(gòu) 2 拉臂架裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理 2.1 拉臂架裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 5 t拉臂車?yán)奂苎b置主要由拉臂和拉臂油缸、聯(lián)動(dòng)架、車箱保險(xiǎn)鉤和保險(xiǎn)鉤油缸、以及副車架組成。拉臂架裝置結(jié)構(gòu)布置如圖2所示，拉臂采用的是不可伸縮的直角折彎式結(jié)構(gòu)，其一端與拉臂油缸的活塞桿端鉸接于鉸支點(diǎn)B；另一端與聯(lián)動(dòng)架前端軸心鉸接于鉸支點(diǎn)C，形成了拉臂的回轉(zhuǎn)軸心。拉臂油缸的

4、缸頭端鉸接在副車架前端鉸支點(diǎn)A上；聯(lián)動(dòng)架后端軸心鉸接在副車架后部的鉸支點(diǎn)D，形成聯(lián)動(dòng)架的回轉(zhuǎn)軸心。聯(lián)動(dòng)架上設(shè)置了車箱保險(xiǎn)鉤和保險(xiǎn)鉤油缸。 圖2 拉臂架裝置結(jié)構(gòu)布置 2.2 拉臂架裝置的工作原理 拉臂車通過(guò)拉臂架裝置完成兩種不同的功能動(dòng)作：換箱和傾卸。 當(dāng)拉臂架裝置進(jìn)行換箱動(dòng)作時(shí)，首先保險(xiǎn)鉤油缸動(dòng)作，開(kāi)啟車箱保險(xiǎn)鉤，車箱解除了保險(xiǎn)。拉臂油缸活塞桿伸長(zhǎng)舉起拉臂，使拉臂繞鉸支點(diǎn)C順時(shí)針回轉(zhuǎn)，拉臂鉤就往后移動(dòng)。如果副車架上裝有車箱，則車箱被推置地上。當(dāng)?shù)厣宪囅湟嵘宪嚰軙r(shí)，使拉鉤先鉤住車箱吊環(huán)，然后收縮活塞桿，使拉臂以鉸支點(diǎn)C為軸心逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，將車箱提上放平后，保險(xiǎn)鉤油缸動(dòng)作，拉起車箱保險(xiǎn)

5、鉤，使車箱固定在副車架上。 當(dāng)拉臂架裝置進(jìn)行傾卸動(dòng)作時(shí)，與換箱動(dòng)作不同，車箱保險(xiǎn)鉤在整個(gè)傾卸過(guò)程中要處在保證拉臂與車箱不分離，即拉臂、聯(lián)動(dòng)架及車箱通過(guò)車箱保險(xiǎn)鉤相互聯(lián)結(jié)為一體，以副車架后部鉸支點(diǎn)D為軸心順時(shí)針回轉(zhuǎn)，舉升車箱直到卸去垃圾。車箱復(fù)位時(shí)，只要拉臂油缸活塞桿回縮，整個(gè)拉臂機(jī)構(gòu)仍以鉸支點(diǎn)D為轉(zhuǎn)軸點(diǎn)[1] 。 3 拉臂架裝置的受力分析 拉臂架裝置換箱與傾卸時(shí)，受力情況不同。因傾卸工況與換箱工況的回轉(zhuǎn)軸心不同，拉臂油缸活塞桿回轉(zhuǎn)半徑DB要比CB大。故傾卸工況所需油缸的推力和拉力要小于換箱工況所需油缸的作用力?，F(xiàn)僅對(duì)換箱工況拉臂架裝置的受力分析進(jìn)行討論。 3.1 拉臂的

6、受力分析 換箱工況拉臂受力分析如圖3所示[2]。在圖3中是以拉臂回轉(zhuǎn)軸心C為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，A點(diǎn)是拉臂油缸與副車架的鉸支點(diǎn)；B點(diǎn)為拉臂油缸與拉臂的鉸支點(diǎn)；拉臂油缸作用力Fb的大小和方向隨拉臂的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變；E 點(diǎn)是車箱的吊環(huán)軸心（即吊環(huán)位于拉臂鉤的軸心）位置；E0為從副車架上吊卸車箱初始狀態(tài)的車箱吊環(huán)軸心位置；E1為從地面吊裝車箱初始狀態(tài)車箱吊環(huán)軸心的位置；γ為油缸軸線與x軸的正向夾角；拉臂回轉(zhuǎn)軸C點(diǎn)到車箱吊環(huán)軸心E點(diǎn)的距離即拉臂回轉(zhuǎn)半徑Re；β為C點(diǎn)與E點(diǎn)連線CE與y軸的正向夾角；C點(diǎn)與B點(diǎn)的距離即拉臂油缸活塞桿端軸心的回轉(zhuǎn)半徑Rb；α為連線CB和連線CE的夾角。 圖3 換箱工況拉臂

7、受力分析 拉臂車在換箱過(guò)程中，拉臂受力的兩個(gè)典型工況是：當(dāng)E 點(diǎn)位于E1時(shí)，拉臂可從地面上吊裝滿載車箱；當(dāng)E點(diǎn)位于E0時(shí)，拉臂從副車架上吊卸車箱的初始狀態(tài)；或者是拉臂傾卸滿載車箱時(shí)，未開(kāi)始傾卸（車箱保險(xiǎn)鉤還未起作用）而拉臂先繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)使車箱開(kāi)始滑動(dòng)的初始狀態(tài)。 當(dāng)拉臂吊卸車箱時(shí)，取拉臂作為分離體，其平衡方程為： ∑Mc=0 即 FbxBy-FbyBx+GeEx=0 (1) 式中：Fbx、Fby為拉臂油缸作用力Fb在x軸、y軸上的投影；Bx、By為油缸上鉸支點(diǎn)B的x、y坐標(biāo)值；Ge為吊裝重力，隨著拉臂的位置變化而不同；Ex為E點(diǎn)在x坐標(biāo)值。 由

8、圖3可知：Fbx=Fbcosγ；Fby=Fbsinγ；Bx=Rbcos(α+β)；By=Rbsin(α+β) ；E0x=Recosβ0 。 代入(1)式整理得： Fb=GeRecosβ/{Rb[sinγcos(α+β)-cosγsin(α+β)]} =GeRecosβ/[ Rb sin(γ-α-β)] （2） （2） 由（2）式可計(jì)算得出拉臂各位置受到的油缸作用力Fb。 當(dāng)E點(diǎn)位于E0，β=β0，γ=γ0，時(shí)，代入（2）式可計(jì)算出拉臂從副車架上吊卸車箱初始狀態(tài)所需

9、的拉臂油缸作用力Fbβ0值： Fbβ0==Ge0Recosβ0/[Rb sin(γ0-α-β0)] （3） （3） 當(dāng)拉臂從地面吊裝車廂初始狀態(tài)時(shí)，當(dāng)E點(diǎn)位于E1點(diǎn)，β=β1，γ=γ1時(shí)，其平衡方程為： ∑Mc=0 即： FbxB1y-FbyB1x-Ge1E1x=0 （4） 根據(jù)上述分析同理可得: Fbβ1= Ge1Recosβ1/[Rbsin(α+β1-γ1)] （5） Fbβ1= （5） （3）式和（5）式分別可計(jì)算出β=β1和β=β0時(shí)拉臂油缸所受到的

10、拉力和推力。 由（2）式可知，式中的γ、α、Rb、Re均為拉臂架裝置的結(jié)構(gòu)幾何尺寸。 從（3）、（5）式分析可知：在滿足使用要求的前提下，要使Fbβ0↓減小，則需使Rb增大，Re減小，γ0增大。要使Fbβ1減小，則需使Rb增大，Re減小，γ1減小。 3.2 拉臂回轉(zhuǎn)鉸支點(diǎn)C的受力分析 從圖3看，以拉臂在從副車架上開(kāi)始換箱的初始狀態(tài)作為研究對(duì)象，其受力如圖4（a）所示有吊裝重力Ge0、拉臂油缸推力Fb 0。拉臂在回轉(zhuǎn)鉸支點(diǎn)C處受到作用力Nc，拉臂在換箱開(kāi)始時(shí)在三個(gè)力的作用下處于平衡。根據(jù)三力平衡匯交定理，這三力必匯交于一點(diǎn)K，構(gòu)成一平面匯交力系。 根據(jù)平面匯交力系平衡的幾何條件，受力

11、如圖4（b）所示，這三個(gè)力應(yīng)構(gòu)成一自行封閉的三角形。圖4（a）中δ1 為 CA連線與水平線的夾角；δ2為CK連線與水平線的夾角；L1為C點(diǎn)軸線與A點(diǎn)軸線的水平距離；L2為C點(diǎn)軸線與K點(diǎn)軸線的水平距離（K點(diǎn)軸線即為車箱吊環(huán)位于拉臂鉤軸心的軸線）。 圖4 拉臂吊卸初始狀態(tài)受力圖 根據(jù)正弦定理可得： Nc= Ge0 cosγ0 /sin(δ2+γ0) （6） 由（6）式分析可知，δ2增大，Nc減小。 從圖4分析看，當(dāng)δ2≥0時(shí)，即K點(diǎn)高于拉臂回轉(zhuǎn)鉸支點(diǎn)C水平軸線時(shí)，拉臂受到的作用力Nc受力方向斜向上，則這時(shí)聯(lián)動(dòng)架在鉸支點(diǎn)C 點(diǎn)所受的反作用力Ncˊ，其受力方向斜向下，這樣

12、保證了在拉臂從副車架換箱初始狀態(tài)時(shí)， 聯(lián)動(dòng)架受到的對(duì)鉸支點(diǎn)D的回轉(zhuǎn)力矩為逆時(shí)針?lè)较?，?lián)動(dòng)架不會(huì)繞鉸支點(diǎn)D順時(shí)針抬起，避免了換箱初始狀態(tài)由于聯(lián)動(dòng)架隨拉臂的抬起，影響拉臂換箱動(dòng)作有效、安全平穩(wěn)地進(jìn)行。故拉臂車的工作性能要求拉臂架結(jié)構(gòu)尺寸必須滿足δ2≥0。 從圖4分析看到，當(dāng)δ1≥0時(shí)，即拉臂油缸缸頭位置A點(diǎn)高于拉臂與聯(lián)動(dòng)架的鉸支點(diǎn)C，L2≤L1時(shí)，即起始動(dòng)作時(shí)拉臂鉤軸心的垂直軸線（起始吊裝重力軸線）位于鉸支點(diǎn)C和鉸支點(diǎn)A之間，則一定滿足δ2≥0。 4 拉臂架裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)選用與設(shè)計(jì) 4.1 拉臂架裝置各鉸支點(diǎn)的布置及主要結(jié)構(gòu)幾何尺寸 按以下三方面確定： a. 因拉臂車具有傾卸工作性能，

13、故5 t拉臂車最好選用自卸底盤，可根據(jù)所選定的底盤長(zhǎng)度，確定拉臂架裝置副車架的總長(zhǎng)度。為了保證拉臂車進(jìn)行換箱和傾卸動(dòng)作時(shí)底盤受力合理，拉臂完成傾卸動(dòng)作的回轉(zhuǎn)鉸支點(diǎn)D的軸線位置應(yīng)布置在距底盤后輪彈簧鋼板后支座軸線的后部，間距約為0～100 mm。 b. 根據(jù)鉸支點(diǎn)D先初選定拉臂換箱回轉(zhuǎn)鉸支點(diǎn)C的軸線位置。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)5 t拉臂車的實(shí)際過(guò)程中，曾出現(xiàn)拉臂在進(jìn)行換箱動(dòng)作初始狀態(tài)時(shí)拉臂雖舉升車箱，但拉臂未能繞鉸支點(diǎn)C轉(zhuǎn)動(dòng)，卻隨聯(lián)動(dòng)架一起繞鉸支點(diǎn)D轉(zhuǎn)動(dòng)，從而無(wú)法讓車箱開(kāi)始下滑；當(dāng)舉升一定高度后，在車箱重力作用下，鉸支點(diǎn)C會(huì)突然落下，使拉臂、聯(lián)動(dòng)架及車箱突然下落，產(chǎn)生較大沖擊，造成換箱動(dòng)作極不安全平穩(wěn)。要

14、解決此問(wèn)題，確定鉸支點(diǎn)C的軸線位置尤其重要。首先一方面鉸支點(diǎn)C水平軸線不能高于鉸支點(diǎn)D水平軸線布置。另外，由鉸支點(diǎn)C受力分析可知，鉸支點(diǎn)C 的水平軸線必須低于拉臂油缸缸頭鉸支點(diǎn)A的水平軸線，同時(shí)起始動(dòng)作時(shí)拉臂鉤垂直軸線必須布置在鉸支點(diǎn)C和鉸支點(diǎn)A之間。 c. 拉臂重要結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)有拉臂換箱回轉(zhuǎn)半徑Re、拉臂油缸活塞桿端回轉(zhuǎn)半徑Rb、兩回轉(zhuǎn)半徑之間的夾角α。由前述分析可知，Re越小，Rb越大，則拉臂油缸所需的作用力越小。故在滿足使用要求的前提下，拉臂換箱回轉(zhuǎn)半徑Re越小越好，拉臂油缸活塞桿端回轉(zhuǎn)半徑Rb盡可能越大越好，這樣可使拉臂結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)空間小。 4.2 拉臂油缸的選用和油缸安裝角γa

15、的取值范圍 按以下二方面確定： a. 通過(guò)作圖法或解析法計(jì)算確定以上各鉸支點(diǎn)的位置和拉臂等構(gòu)件的幾何尺寸后，可初步確定拉臂油缸的最大行程和安裝距。將作圖法的結(jié)果代入（3）、（5）式中，計(jì)算出油缸作用力Fbβ0和Fbβ1的值，作為油缸的負(fù)載依據(jù)來(lái)確定油缸缸徑。 b. 拉臂油缸安裝角γa是拉臂架裝置重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由前述知，拉臂架裝置在進(jìn)行換箱或傾卸動(dòng)作的過(guò)程中，拉臂油缸均要克服車箱（滿載）的重力產(chǎn)生的阻力矩，而且吊裝吊卸車箱起始動(dòng)作時(shí)的阻力矩是要克服的最大阻力矩，而且在開(kāi)始動(dòng)作時(shí)拉臂架裝置的各鉸支點(diǎn)的靜摩擦阻力矩和慣性阻力矩最大。故拉臂油缸安裝角γa需滿足γa≥γ0。由前分析所知，當(dāng)γ0越

16、大時(shí)，拉臂油缸所需的最大推力就越小，選擇的拉臂油缸缸徑就可越小。 因拉臂油缸的安裝位置位于副車架和車箱底板之間，油缸安裝布置空間有限，故拉臂油缸的安裝角取值范圍也極為有限。設(shè)計(jì)原則是要盡可能使安裝角γa大，選擇合理的拉臂油缸缸徑來(lái)滿足拉臂車的使用性能要求，不增加油缸的成本和重量，同時(shí)便于布置。分析比較國(guó)內(nèi)一些廠家生產(chǎn)的5 t拉臂車及實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)拉臂車的經(jīng)驗(yàn)，5 t拉臂車安裝空間約在250～300 mm之間，一般拉臂油缸安裝角γa應(yīng)在3～5之間取值。 參考文獻(xiàn) [1] 葉傳澤，舒廣仁. 環(huán)境衛(wèi)生機(jī)械設(shè)備[M]. 建設(shè)部城市建設(shè)司，1988. [2] 徐達(dá)，蔣崇賢. 專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)(第1版)[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.