韓以倫，郭喚喚，鄭 輝

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口規(guī)模的擴(kuò)張，使得城市垃圾日益增多，而人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，由垃圾造成的環(huán)境污染已成為人類(lèi)城市化進(jìn)程中不可忽視且亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[1]。目前，我國(guó)常用的壓縮式垃圾車(chē)按照提升機(jī)構(gòu)安裝位置的不同可分為前裝壓縮式垃圾車(chē)、后裝壓縮式垃圾車(chē)以及側(cè)裝壓縮式垃圾車(chē)。前裝壓縮式垃圾車(chē)一般來(lái)說(shuō)操作比較復(fù)雜，而后裝壓縮式垃圾車(chē)相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格昂貴，占用空間較大，并且不利于提高汽車(chē)駕駛的安全性。因此，側(cè)裝壓縮式垃圾車(chē)得到了廣泛的使用。

目前對(duì)后裝壓縮式垃圾車(chē)的研究比較多，而對(duì)側(cè)裝壓縮式垃圾車(chē)的研究相對(duì)比較少，文獻(xiàn)[2]主要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用了雙重功能的多級(jí)缸，使推板既可以壓縮垃圾，又可以排料，而且采用多路閥等液壓元件保證了車(chē)輛的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[3]利用CATIA和ADAMS軟件對(duì)提升機(jī)構(gòu)和壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)油缸進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)提升機(jī)構(gòu)建立機(jī)液耦合模型，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

提升機(jī)構(gòu)作為側(cè)裝壓縮式垃圾車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，合理的結(jié)構(gòu)有利于垃圾車(chē)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，因此在原有側(cè)裝壓縮式垃圾車(chē)的基礎(chǔ)上，對(duì)其提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，這對(duì)于垃圾車(chē)提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 提升機(jī)構(gòu)的組成和工作過(guò)程

提升機(jī)構(gòu)作為垃圾車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要完成垃圾的夾持、提升和傾倒工作。改進(jìn)后的提升機(jī)構(gòu)主要包括壓桶機(jī)構(gòu)、夾桶機(jī)構(gòu)、提升油缸、左右導(dǎo)軌、頂蓋支架等部分組成。具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Lifting Mechanism

該種機(jī)構(gòu)的油缸設(shè)置在車(chē)廂頂蓋上，靠近車(chē)廂頂蓋的左前方平行放置兩個(gè)油缸，在油缸的作用下，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)頂蓋的打開(kāi)和提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，即一個(gè)動(dòng)作可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)蓋和翻料兩個(gè)動(dòng)作，然后再完成垃圾的提升和傾倒，這樣的設(shè)計(jì)使得油缸的受力較市面上現(xiàn)存的結(jié)構(gòu)更加平穩(wěn)、安全。其主要參數(shù)，如表1所示。

表1 提升機(jī)構(gòu)主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Lifting Mechanism

垃圾車(chē)提升機(jī)構(gòu)工作過(guò)程如下：

作業(yè)初始位置時(shí)壓桶機(jī)構(gòu)的下端與壓桶支撐板接觸，壓桶支撐板用來(lái)限位和支撐壓桶架，車(chē)廂上端頂蓋支架閉合，夾桶板也處于初始位置。將垃圾桶推到壓桶架和夾桶板之間，左右提升油缸的活塞桿伸出，帶動(dòng)頂蓋支架轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)頂蓋支架拉動(dòng)左右拉桿，使左右拉桿帶動(dòng)著夾桶板沿著壓桶架內(nèi)的左右導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)，在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中夾桶板的夾桶齒會(huì)插入垃圾桶的卡槽內(nèi)，這時(shí)夾桶板一塊帶著垃圾桶向上運(yùn)動(dòng)，直到垃圾桶上表面頂住壓桶架的壓板，帶著壓桶架沿著左右翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)壓桶架的左上滑塊和右上滑塊到達(dá)左右翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌的終點(diǎn)位置時(shí)。隨著左右傾倒油缸繼續(xù)伸出，左右拉桿繼續(xù)拉動(dòng)，壓桶架相對(duì)于壓桶架上部的左上滑塊和右上滑塊逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左下滑塊和右下滑塊離開(kāi)左右翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌外表面，從而使夾在夾桶架上的垃圾桶發(fā)生翻轉(zhuǎn)，完成垃圾桶的卸料。

返回時(shí)左右提升油缸收回，左右拉桿推動(dòng)壓桶機(jī)構(gòu)左上和右上滑塊沿半圓弧向下運(yùn)動(dòng)直到到達(dá)左右翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌直線導(dǎo)軌區(qū)，左右拉桿繼續(xù)推動(dòng)壓桶架的左上和右上滑塊沿著左右翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)壓桶架還有相對(duì)于左上和右上滑塊的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到壓桶架的左下滑塊和右下滑塊接觸到左右翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌外邊面。此時(shí)左右連桿就推動(dòng)壓桶架、夾桶板、垃圾桶向下直線運(yùn)動(dòng)。壓桶架下表面接觸到壓桶支撐板時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，夾桶板帶著垃圾桶繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直到頂蓋支架完全閉合，傾倒油缸停止工作，垃圾箱回到地面，夾桶板也回到初始位置，完成整個(gè)工作過(guò)程。

3 提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 虛擬樣機(jī)模型的建立

由于ADAMS軟件很難精確建立復(fù)雜的三維實(shí)體模型[4]，所以選擇UG三維設(shè)計(jì)軟件建立了垃圾車(chē)的實(shí)體模型，將其保存為Parasolid格式，然后導(dǎo)入到ADAMS/View工作環(huán)境中，設(shè)置主參考系OXYZ，遵循右手定則，將單位設(shè)置為MMKS單位組。

模型導(dǎo)入后，需要對(duì)模型添加約束，這些約束不但可以限制各個(gè)構(gòu)件之間的相互運(yùn)動(dòng)，而且可以將各構(gòu)件按照確定的順序完成既定的運(yùn)動(dòng)，從而組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。提升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)各個(gè)構(gòu)件之間的約束關(guān)系[5]，如表2所示。

表2 虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)副約束的設(shè)置Tab.2 Setting of Motion Pair Constraints for Virtual Prototyping

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析

垃圾車(chē)提升機(jī)構(gòu)仿真模型建立之后，根據(jù)提升機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP（x，0,5,400），設(shè)置運(yùn)動(dòng)時(shí)間為5s，步數(shù)為100，便可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。

通過(guò)仿真分析的動(dòng)畫(huà)，可以明顯直觀的觀察提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 提升機(jī)構(gòu)仿真模擬圖Fig.2 Simulation Diagram of Lifting Mechanism

圖3 垃圾桶的運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)線Fig.3 Envelope Line of Motion of Trash Can

為使垃圾桶的運(yùn)動(dòng)特性表現(xiàn)更為直觀，啟動(dòng)ADAMS/PostProcessor模塊，右擊選擇Load Animation命令，在Trace Marker菜單下，選定垃圾桶的中心位置作為Marker點(diǎn)，就可以得到垃圾桶中心位置整個(gè)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3所示。

通過(guò)對(duì)提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，驗(yàn)證了提升機(jī)構(gòu)可以順利完成垃圾車(chē)的提升和翻轉(zhuǎn)過(guò)程，并且在仿真過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)突變，驟停以及各運(yùn)動(dòng)部件之間的干涉等異常情況。

3.3 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證垃圾車(chē)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的有效性及可靠性，以提升過(guò)程和翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的傾倒液壓缸與車(chē)廂鉸接點(diǎn)處的作用力為例進(jìn)行分析，通過(guò)ADAMS中的后處理模塊便可以得到仿真曲線，如圖 4（a）、圖 4（b）所示。

在提升階段傾倒液壓缸隨時(shí)間變化產(chǎn)生的作用力曲線圖，如

如圖4（a）所示。垃圾桶在提升過(guò)程的初始階段，提升液壓缸進(jìn)油推出活塞桿，此時(shí)液壓油缸產(chǎn)生的作用力大約為90000N，在垃圾桶逐漸被提升過(guò)程中，其作用力迅速升高，大約0.15s時(shí)作用力達(dá)到最大值96000N。隨著垃圾桶逐漸上升，液壓缸的作用力緩慢降低，大約4.2s時(shí)液壓缸作用力大小基本保持在46000N左右，此時(shí)垃圾桶已經(jīng)運(yùn)行到直線導(dǎo)軌末端且滑塊馬上要進(jìn)入圓形導(dǎo)軌，大約運(yùn)行至4.5s時(shí)，垃圾桶在提升機(jī)構(gòu)的作用下完成提升過(guò)程。

通過(guò)液壓缸作用的走勢(shì)分析，在提升的初始位置由于垃圾桶比較重，且主要由液壓缸提供提升力，所以在初始位置液壓缸作用力會(huì)達(dá)到最大值。隨著垃圾桶的不斷提升，車(chē)廂會(huì)給液壓缸一個(gè)反向作用力，由原來(lái)的拉力變成推力，導(dǎo)致液壓缸的作用力在不斷減小。

圖4 傾倒液壓缸作用力隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Change Curve of Dump Cylinder Force with Time

在翻轉(zhuǎn)階段傾倒液壓缸隨時(shí)間變化產(chǎn)生的作用力曲線圖，如圖4（b）所示。垃圾桶在傾倒過(guò)程中基本做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在進(jìn)入圓形軌道后作用力會(huì)迅速升高。在翻轉(zhuǎn)起始位置，液壓油產(chǎn)生的作用力為85000N，在垃圾桶逐漸翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，液壓缸產(chǎn)生的作用力升高，大約0.1s的時(shí)間作用力達(dá)到最大值90000N。隨著垃圾桶繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，液壓缸的作用力也逐漸降低，在4s時(shí)降低到最小值1000N。

在翻轉(zhuǎn)初始階段，翻轉(zhuǎn)液壓缸需要比較大的作用力，隨著垃圾桶質(zhì)量不斷減輕，液壓缸的作用力也在不斷減小，符合實(shí)際工況。

綜上所述，側(cè)裝壓縮式垃圾車(chē)的提升機(jī)構(gòu)模型能夠順利的完成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，并且符合實(shí)際系統(tǒng)，為下一步聯(lián)合仿真系統(tǒng)的機(jī)械子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

4 聯(lián)合仿真

4.1 機(jī)械系統(tǒng)的建立

為了實(shí)現(xiàn)垃圾車(chē)提升機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真，需要在ADAMS軟件中設(shè)置輸入輸出變量，再由ADAMS/Control模塊將模型的控制信息導(dǎo)出，將其作為Simulink中的一個(gè)子系統(tǒng)[6]。

在ADAMS/Control模塊中，將傾倒液壓缸與活塞之間的力變量設(shè)置為輸入變量，用于MATLAB中控制系統(tǒng)的輸出指令；將提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)垃圾桶的位置變量與速度變量設(shè)置為輸出變量，用于控制系統(tǒng)中位置及速度反饋的輸入指令，這樣就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶位置的精確控制。完成上述的變量定義后，ADAMS/Control模塊將會(huì)生成三個(gè)文件，這些文件將成為ADAMS與MATLAB之間的數(shù)據(jù)傳遞[7]，在MATLAB中輸入命令：adams_sys，則會(huì)產(chǎn)生垃圾車(chē)提升機(jī)構(gòu)的機(jī)械子系統(tǒng)模塊。

4.2 控制系統(tǒng)的建立

PID控制是目前最常用的一種控制方式，其使用靈活，參數(shù)易于整定[8]。PID控制器根據(jù)目標(biāo)值r（t）與實(shí)際輸出值y（t）構(gòu)成控制偏差e（t）=r（t）-y（t），其控制規(guī)律為：

式中：kp—比例系數(shù)；Ti—積分時(shí)間常數(shù)；Td—微分時(shí)間常數(shù)。

設(shè)r0為垃圾桶的目標(biāo)位置輸出，r為垃圾桶的實(shí)際位置輸出，可得到驅(qū)動(dòng)力方程表達(dá)式為：

式中：kp—比例環(huán)節(jié)系數(shù)；ki—積分環(huán)節(jié)系數(shù)，ki=kpT/Ti；kd—微分環(huán)節(jié)系數(shù)，kd=kpTd/T。

針對(duì)垃圾車(chē)提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)垃圾桶的運(yùn)行，引入PID控制策略進(jìn)行位置控制，通過(guò)對(duì)提升和翻轉(zhuǎn)過(guò)程中垃圾桶的位置控制來(lái)實(shí)現(xiàn)垃圾桶傾倒時(shí)的位置控制，保證垃圾桶能夠較高精度的實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡[9]，聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 位置控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真Fig.5 Joint Simulation of Position Control System

4.3 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

在PID控制器中，通過(guò)設(shè)定不同kp值、ki值和kd值對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)試，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾車(chē)提升機(jī)構(gòu)的精確和穩(wěn)定控制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，初步選取一組PID控制參數(shù)[10]，如表3所示。

表3 PID控制器參數(shù)值選取Tab.3 Selection of Parameter Value of PID Controller

將表3中PID控制參數(shù)值分別代入聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)，給定一個(gè)階躍信號(hào)，幅值設(shè)為3.3。可得聯(lián)合仿真系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性曲線，如圖6所示[11]。其誤差曲線，如圖7所示。

圖6 聯(lián)合系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性曲線Fig.6 Step Response Characteristic Curve of Joint System

圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)誤差曲線Fig.7 Error Curve of Step Response of System

由圖6可得，當(dāng)PID控制參數(shù)值設(shè)定為kp=0.1，ki=0.1，kd=0.1時(shí)，可以看出其響應(yīng)速度相對(duì)較慢，超調(diào)量較大，穩(wěn)態(tài)誤差較大；當(dāng)PID控制參數(shù)值設(shè)定為kp=0.2，ki=0.2，kd=0.2時(shí)，可以看出其響應(yīng)速度變快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，但超調(diào)量變大；當(dāng)PID控制參數(shù)值設(shè)定為kp=0.3，ki=0.4，kd=0.1時(shí)，可以看出其超調(diào)量明顯減小，穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，但響應(yīng)速度相對(duì)變慢；當(dāng)控制參數(shù)值設(shè)定為kp=0.35，ki=0.45，kd=0.065時(shí)，可以看出其響應(yīng)速度非常快，超調(diào)量很小，穩(wěn)態(tài)誤差也很小，且具有良好的穩(wěn)定性。

由圖7可得，誤差在1.2s左右達(dá)到穩(wěn)定且趨向于零。綜上所述，該提升機(jī)構(gòu)能夠驅(qū)動(dòng)垃圾桶在較短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)由初始位置移動(dòng)到給定的目標(biāo)位置，從而實(shí)現(xiàn)位置的快速控制。

進(jìn)一步仿真可得，當(dāng)kp=0.35，ki=0.45，kd=0.065時(shí)，輸出垃圾桶的位置控制曲線，如圖8（a）所示。其局部放大，如圖8（b）所示。

圖8 垃圾桶位置控制曲線圖Fig.8 Position Control Curve of Trash Can

由圖8（a）和圖8（b）可以看出，輸出垃圾桶的實(shí)際位置曲線無(wú)限逼近目標(biāo)位置曲線，其跟隨誤差數(shù)量級(jí)為10-3，說(shuō)明該提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)垃圾桶可以很好的跟蹤給定的目標(biāo)曲線，誤差非常小，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)垃圾桶的精確位置控制。

5 結(jié)論

（1）利用三維建模軟件UG設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)合理、成本低且滿(mǎn)足實(shí)際工作需要的新型側(cè)裝壓縮式垃圾車(chē)的提升機(jī)構(gòu)，采用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，在仿真過(guò)程中能夠直觀的看到垃圾車(chē)提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，同時(shí)也為提升機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制提供了重要參考。

（2）采用ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)建立了聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)控制器進(jìn)行PID參數(shù)整定，得到了系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性曲線，誤差曲線和垃圾桶位置控制曲線，通過(guò)此方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)垃圾桶的高精度控制，仿真效果逼近實(shí)際系統(tǒng)，大大提高了設(shè)計(jì)效率、降低了成本。