李軍 宋永忠 郭晉斌

LI Jun et al

長治清華機(jī)械廠 山西長治 046012

1 前言

后裝壓縮式垃圾車是一種集裝、卸、運(yùn)于一體的全封閉壓縮式垃圾車，主要用于收集城市生活軟垃圾，并實(shí)現(xiàn)工作過程無二次污染。下面介紹運(yùn)用運(yùn)動骨架自頂向下的方法對后裝壓縮式垃圾車翻桶機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

2 基于Pro/E“運(yùn)動骨架”自頂向下的設(shè)計方法

Top-down(自頂向下)設(shè)計是一種設(shè)計思想，其含義是先確定總體思路、總體布局，然后設(shè)計子組件和零件，是一個自上而下、逐步細(xì)化的設(shè)計過程。Top-down設(shè)計符合大部分產(chǎn)品設(shè)計的實(shí)際設(shè)計流程，符合設(shè)計人員的設(shè)計思維與習(xí)慣。

PTC公司在Pro/Engineer Wildfire 3.0中提供了兩種類型骨架，即標(biāo)準(zhǔn)骨架和運(yùn)動骨架。標(biāo)準(zhǔn)骨架應(yīng)用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)的自頂向下設(shè)計，而運(yùn)動骨架則應(yīng)用于運(yùn)動機(jī)構(gòu)的自頂向下設(shè)計。應(yīng)用運(yùn)動骨架技術(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計的原理是根據(jù)待設(shè)計機(jī)構(gòu)的簡圖，將其定義為軟件中的“骨架”模型(機(jī)構(gòu)簡圖中的構(gòu)件尺寸可不完全確定，動態(tài)調(diào)整)，并在骨架設(shè)計階段定義各個構(gòu)件間的“連接”方式，使之成為“運(yùn)動骨架”。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，能夠進(jìn)行整個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真，從而分析機(jī)構(gòu)的功能、機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中經(jīng)過的位置等。待“運(yùn)動骨架”經(jīng)過動態(tài)驗(yàn)證后即可進(jìn)行各個構(gòu)件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終完成整個機(jī)構(gòu)的設(shè)計。只要改變骨架中的運(yùn)動位置關(guān)系，整個組件也將隨之改變。

3 翻桶機(jī)構(gòu)原理分析及關(guān)鍵尺寸確定

后裝壓縮式垃圾車翻桶機(jī)構(gòu)是在垃圾車尾部裝填口處加裝的一種自動提升和翻轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶的機(jī)構(gòu)，為司機(jī)獨(dú)立完成垃圾的收運(yùn)工作提供便利，翻桶機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 翻桶機(jī)構(gòu)組成及原理分析

翻桶機(jī)構(gòu)主要是由基座、翻料臂、翻桶架、拉桿、凸輪式壓桶裝置和油缸等幾部分組成。其工作原理為基座、翻料臂、翻桶架和拉桿四部分組成一個雙搖桿機(jī)構(gòu)，在油缸的推動下，實(shí)現(xiàn)垃圾桶提升翻轉(zhuǎn)及垃圾的傾倒。壓桶裝置鉸接在翻桶架上，翻料臂、凸輪與轉(zhuǎn)軸用螺栓連接，翻料架與轉(zhuǎn)軸相對轉(zhuǎn)動，在翻桶架轉(zhuǎn)動過程中使凸輪推動壓桶裝置反方向轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)垃圾桶夾緊。

3.2 翻桶架起始、終了位置選定

根據(jù)垃圾桶的高度尺寸確定翻桶架的起始位置，標(biāo)準(zhǔn)240 L垃圾桶的高度為995 mm，在空載和滿載狀態(tài)下，裝料器口部相差約70 mm，此時需要翻料架與垃圾桶之間有足夠的傾斜角度，才能確保垃圾桶在任何裝載狀態(tài)下都能夠順利掛接提升。若要保證垃圾傾倒干凈無外漏，則要求垃圾桶處于裝料器口部的正上方，且垃圾桶與地面的角度不小于45°，從而可確定翻桶架的終了位置。

3.3 四連桿機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸選定

按翻桶架的起始、終了位置連接翻桶架旋轉(zhuǎn)中心B1、 B2及拉桿中心C1、 C2， 并分別作出垂直平分線nb、 nc； 在nb上任選一點(diǎn)為固定鉸鏈A，在nc上 任選一點(diǎn)為固定鉸鏈D，則AB1C1D即為機(jī)構(gòu)在初始位置的簡圖，翻桶機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸確定示意如圖2所示。

3.4 油缸定位尺寸及工作行程確定

綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計因素，在構(gòu)件AB1上選定一點(diǎn)為油缸一端的鉸鏈點(diǎn)E1，根據(jù)翻桶機(jī)構(gòu)的初始位置(油缸與翻料臂鉸鏈E1)和終了位置(油缸與翻料臂鉸鏈E2)，計算出液壓油缸行程，再根據(jù)液壓油缸的可制造性確定液壓缸的初始安裝距，分別以E1、 E2為圓心，以初始安裝距及初始安裝距與油缸行程之和為半徑分別畫圓，則交點(diǎn)F即為油缸的另一鉸鏈點(diǎn)。

4 翻桶機(jī)構(gòu)的自頂向下設(shè)計

4.1 翻桶機(jī)構(gòu)運(yùn)動骨架創(chuàng)建

整個機(jī)構(gòu)設(shè)計模型樹反映了機(jī)構(gòu)設(shè)計思路與設(shè)計信息的傳遞與反饋，機(jī)構(gòu)設(shè)計模型樹如圖3所示。首先建立翻桶機(jī)構(gòu)組件(*.asm)且為空，即無任何實(shí)體構(gòu)件；再建立翻桶機(jī)構(gòu)的運(yùn)動骨架子組件(*.asm)，根據(jù)方案草圖初選的關(guān)鍵參數(shù)創(chuàng)建翻桶機(jī)構(gòu)的設(shè)計骨架，骨架模型是由基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面、曲線與曲面組成，如圖4所示。然后將設(shè)計骨架所包含的機(jī)構(gòu)信息傳遞至主體骨架，AD為基座主體、ABE1為翻料臂主體、B1C1為翻桶架主體、DC1為拉桿主體，并定義各個相連主體間的連接方式：其中A、D、B1、 C1、 E1、F均為鉸鏈連接；油缸活塞桿與缸筒為滑動桿連接。這樣即可進(jìn)行模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，并可作動態(tài)的編輯修改。

4.2 設(shè)計信息的傳遞

設(shè)計信息的傳遞是自頂向下設(shè)計的關(guān)鍵，骨架的信息傳遞是映射幾何特征，它是通過發(fā)布幾何和復(fù)制幾何實(shí)現(xiàn)的，只有將設(shè)計數(shù)據(jù)貫徹到各個零部件中才可以完成設(shè)計自上而下的控制以及多任務(wù)的分配。以復(fù)制過來的點(diǎn)、曲面和表面作為參照，從而保證建立的零件特征符合已知的約束條件。復(fù)制幾何只能在裝配模式中創(chuàng)建。

4.3 零件的三維設(shè)計與裝配

在裝配模式下創(chuàng)建翻料臂零件，通過復(fù)制翻料臂ABE1主體骨架設(shè)計信息作為參考基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上添加新的幾何特征，即可完成翻料臂的三維模型設(shè)計。翻料臂三維模型如圖5所示。

參照其余主體骨架完成各個零件的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計后，參照主體骨架間的連接方式即可完成翻桶機(jī)構(gòu)的裝配設(shè)計。翻桶機(jī)構(gòu)的三維模型如圖6所示。

4.4 翻桶機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析

在仿真模擬分析時，加載模擬載荷質(zhì)量，啟用重力，并正確定義重力方向，仿真模擬運(yùn)動定義圖如圖7所示，可求解出油缸在舉升過程中油缸的載荷曲線和翻桶架的加速度曲線，油缸的載荷曲線如圖8所示，翻桶架的加速度曲線如圖9所示[1]。通過油缸的載荷曲線分析可知，整個翻料過程所需最大推力為40 000 N，在系統(tǒng)壓力為16 Mpa情況下，選擇50缸即可滿足要求，翻桶架的加速度曲線為凸輪機(jī)構(gòu)的精益設(shè)計提供了理論依據(jù)，也反映出這套機(jī)構(gòu)的合理性，機(jī)構(gòu)的慢提快翻既有利于垃圾桶的有效掛接和垃圾的傾倒干凈，同時在下落過程中凸輪壓緊裝置松開垃圾桶后又不會出現(xiàn)丟桶現(xiàn)象。該機(jī)構(gòu)在可靠性試驗(yàn)時得到了充分驗(yàn)證，完全能夠滿足使用要求。

5 結(jié)語

在運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)用運(yùn)動骨架自頂向下的設(shè)計方法優(yōu)點(diǎn)十分顯著。由于整個設(shè)計過程是從頂層開始的，設(shè)計從開始就控制著機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計目標(biāo)和性能狀況，在方案設(shè)計之初就可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析，不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化，隨著設(shè)計層次的逐漸下行，頂層的參數(shù)逐步得到驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)不斷細(xì)化，并通過分析結(jié)果調(diào)整骨架模型，快速完成設(shè)計結(jié)構(gòu)的更改，從而保證了設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期。

引用

[1] 高秀華,李炎亮,鄧洪超等.機(jī)械三維動態(tài)設(shè)計仿真技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.