拉臂式垃圾车拉臂架装置结构设计要点

艺术的大道上荆棘丛生，这也是好事，常人望而却步，只有意志坚强的人例外中图分类号：U469.6+91.03 文献标识码：B 文章编号：1004-0226(2007)12-0000-03 拉臂式垃圾车拉臂架装置结构设计要点周敏长沙市环卫机械研究开发中心 湖南长沙 410016 摘要：从拉臂式垃圾车的拉臂架装置结构受力分析着手，介绍了拉臂架装置的各铰支点的布置、主要结构参数的选用以及对拉臂油缸的安装角取值范围等方面的设计要点。关键词：拉臂式垃圾车 拉臂架装置 设计要点天才就是百分之九十九的汗水加百分之一的灵感1 前言拉臂式垃圾车是在二类汽车底盘上装有使车箱具有装卸和倾卸功能的拉臂架装置的专用汽车，它可实现车箱与汽车的结合和分离，同时对车箱的散装货物实现自卸作业。目前该车已在国外得到广泛使用，在国内也常作为环卫行业的垃圾收集运输车。5 t拉臂式垃圾车是常用车型之一，相比8 t 以上的大吨位拉臂车，其拉臂架装置结构较简单，便于国内厂家生产；而大吨位拉臂车因国外拉臂架装置的设计制造技术已相当成熟，因此国内厂家生产的大吨位拉臂车常采用进口拉臂架装置。国内各生产厂家生产的5 t拉臂车的拉臂架装置的结构虽大致相同，但重要的结构参数的选用和结构布置设计的不同，会直接影响拉臂车的工作性能。现以5 t拉臂式垃圾车为例进行分析探讨。图1 5 t拉臂式垃圾车总体结构2 拉臂架装置的结构和工作原理2.1 拉臂架装置的结构特点5 t拉臂车拉臂架装置主要由拉臂和拉臂油缸、联动架、车箱保险钩和保险钩油缸、以及副车架组成。拉臂架装置结构布置如图2所示，拉臂采用的是不可伸缩的直角折弯式结构，其一端与拉臂油缸的活塞杆端铰接于铰支点B；另一端与联动架前端轴心铰接于铰支点C，形成了拉臂的回转轴心。拉臂油缸的缸头端铰接在副车架前端铰支点A上；联动架后端轴心铰接在副车架后部的铰支点D，形成联动架的回转轴心。联动架上设置了车箱保险钩和保险钩油缸。图2 拉臂架装置结构布置2.2 拉臂架装置的工作原理拉臂车通过拉臂架装置完成两种不同的功能动作：换箱和倾卸。当拉臂架装置进行换箱动作时，首先保险钩油缸动作，开启车箱保险钩，车箱解除了保险。拉臂油缸活塞杆伸长举起拉臂，使拉臂绕铰支点C顺时针回转，拉臂钩就往后移动。如果副车架上装有车箱，则车箱被推置地上。当地上车箱要提上车架时，使拉钩先钩住车箱吊环，然后收缩活塞杆，使拉臂以铰支点C为轴心逆时针回转，将车箱提上放平后，保险钩油缸动作，拉起车箱保险钩，使车箱固定在副车架上。当拉臂架装置进行倾卸动作时，与换箱动作不同，车箱保险钩在整个倾卸过程中要处在保证拉臂与车箱不分离，即拉臂、联动架及车箱通过车箱保险钩相互联结为一体，以副车架后部铰支点D为轴心顺时针回转，举升车箱直到卸去垃圾。车箱复位时，只要拉臂油缸活塞杆回缩，整个拉臂机构仍以铰支点D为转轴点1 。 3 拉臂架装置的受力分析 拉臂架装置换箱与倾卸时，受力情况不同。因倾卸工况与换箱工况的回转轴心不同，拉臂油缸活塞杆回转半径DB要比CB大。故倾卸工况所需油缸的推力和拉力要小于换箱工况所需油缸的作用力。现仅对换箱工况拉臂架装置的受力分析进行讨论。3.1 拉臂的受力分析换箱工况拉臂受力分析如图3所示2。在图3中是以拉臂回转轴心C为坐标原点建立坐标系，A点是拉臂油缸与副车架的铰支点；B点为拉臂油缸与拉臂的铰支点；拉臂油缸作用力Fb的大小和方向随拉臂的转动而改变；E 点是车箱的吊环轴心（即吊环位于拉臂钩的轴心）位置；E0为从副车架上吊卸车箱初始状态的车箱吊环轴心位置；E1为从地面吊装车箱初始状态车箱吊环轴心的位置；为油缸轴线与x轴的正向夹角；拉臂回转轴C点到车箱吊环轴心E点的距离即拉臂回转半径Re；为C点与E点连线CE与y轴的正向夹角；C点与B点的距离即拉臂油缸活塞杆端轴心的回转半径Rb；为连线CB和连线CE的夹角。图3 换箱工况拉臂受力分析拉臂车在换箱过程中，拉臂受力的两个典型工况是：当E 点位于E1时，拉臂可从地面上吊装满载车箱；当E点位于E0时，拉臂从副车架上吊卸车箱的初始状态；或者是拉臂倾卸满载车箱时，未开始倾卸（车箱保险钩还未起作用）而拉臂先绕C点转动使车箱开始滑动的初始状态。当拉臂吊卸车箱时，取拉臂作为分离体，其平衡方程为：Mc=0 即 FbxBy-FbyBx+GeEx=0 (1)式中：Fbx、Fby为拉臂油缸作用力Fb在x轴、y轴上的投影；Bx、By为油缸上铰支点B的x、y坐标值；Ge为吊装重力，随着拉臂的位置变化而不同；Ex为E点在x坐标值。由图3可知：Fbx=Fbcos；Fby=Fbsin；Bx=Rbcos(+)；By=Rbsin(+) ；E0x=Recos0 。 代入(1)式整理得：Fb=GeRecos/Rbsincos(+)-cossin(+) =GeRecos/ Rb sin(-) （2） （2）由（2）式可计算得出拉臂各位置受到的油缸作用力Fb。当E点位于E0，=0，=0，时，代入（2）式可计算出拉臂从副车架上吊卸车箱初始状态所需的拉臂油缸作用力Fb0值：Fb0=Ge0Recos0/Rb sin(0-0) （3） （3） 当拉臂从地面吊装车厢初始状态时，当E点位于E1点，=1，=1时，其平衡方程为：Mc=0即： FbxB1y-FbyB1x-Ge1E1x=0 （4） 根据上述分析同理可得:Fb1= Ge1Recos1/Rbsin(+1-1) （5）Fb1= （5） （3）式和（5）式分别可计算出=1和=0时拉臂油缸所受到的拉力和推力。由（2）式可知，式中的、Rb、Re均为拉臂架装置的结构几何尺寸。从（3）、（5）式分析可知：在满足使用要求的前提下，要使Fb0减小，则需使Rb增大，Re减小，0增大。要使Fb1减小，则需使Rb增大，Re减小，1减小。3.2 拉臂回转铰支点C的受力分析从图3看，以拉臂在从副车架上开始换箱的初始状态作为研究对象，其受力如图4（a）所示有吊装重力Ge0、拉臂油缸推力Fb 0。拉臂在回转铰支点C处受到作用力Nc，拉臂在换箱开始时在三个力的作用下处于平衡。根据三力平衡汇交定理，这三力必汇交于一点K，构成一平面汇交力系。根据平面汇交力系平衡的几何条件，受力如图4（b）所示，这三个力应构成一自行封闭的三角形。图4（a）中1 为 CA连线与水平线的夹角；2为CK连线与水平线的夹角；L1为C点轴线与A点轴线的水平距离；L2为C点轴线与K点轴线的水平距离（K点轴线即为车箱吊环位于拉臂钩轴心的轴线）。图4 拉臂吊卸初始状态受力图根据正弦定理可得： Nc= Ge0 cos0 /sin(2+0) （6）由（6）式分析可知，2增大，Nc减小。从图4分析看，当20时，即K点高于拉臂回转铰支点C水平轴线时，拉臂受到的作用力Nc受力方向斜向上，则这时联动架在铰支点C 点所受的反作用力Nc，其受力方向斜向下，这样保证了在拉臂从副车架换箱初始状态时， 联动架受到的对铰支点D的回转力矩为逆时针方向，联动架不会绕铰支点D顺时针抬起，避免了换箱初始状态由于联动架随拉臂的抬起，影响拉臂换箱动作有效、安全平稳地进行。故拉臂车的工作性能要求拉臂架结构尺寸必须满足20。从图4分析看到，当10时，即拉臂油缸缸头位置A点高于拉臂与联动架的铰支点C，L2L1时，即起始动作时拉臂钩轴心的垂直轴线（起始吊装重力轴线）位于铰支点C和铰支点A之间，则一定满足20。4 拉臂架装置结构参数选用与设计4.1 拉臂架装置各铰支点的布置及主要结构几何尺寸按以下三方面确定：a. 因拉臂车具有倾卸工作性能，故5 t拉臂车最好选用自卸底盘，可根据所选定的底盘长度，确定拉臂架装置副车架的总长度。为了保证拉臂车进行换箱和倾卸动作时底盘受力合理，拉臂完成倾卸动作的回转铰支点D的轴线位置应布置在距底盘后轮弹簧钢板后支座轴线的后部，间距约为0100 mm。b. 根据铰支点D先初选定拉臂换箱回转铰支点C的轴线位置。在设计生产5 t拉臂车的实际过程中，曾出现拉臂在进行换箱动作初始状态时拉臂虽举升车箱，但拉臂未能绕铰支点C转动，却随联动架一起绕铰支点D转动，从而无法让车箱开始下滑；当举升一定高度后，在车箱重力作用下，铰支点C会突然落下，使拉臂、联动架及车箱突然下落，产生较大冲击，造成换箱动作极不安全平稳。要解决此问题，确定铰支点C的轴线位置尤其重要。首先一方面铰支点C水平轴线不能高于铰支点D水平轴线布置。另外，由铰支点C受力分析可知，铰支点C 的水平轴线必须低于拉臂油缸缸头铰支点A的水平轴线，同时起始动作时拉臂钩垂直轴线必须布置在铰支点C和铰支点A之间。c. 拉臂重要结构几何参数有拉臂换箱回转半径Re、拉臂油缸活塞杆端回转半径Rb、两回转半径之间的夹角。由前述分析可知，Re越小，Rb越大，则拉臂油缸所需的作用力越小。故在满足使用要求的前提下，拉臂换箱回转半径Re越小越好，拉臂油缸活塞杆端回转半径Rb尽可能越大越好，这样可使拉臂结构紧凑，作业空间小。4.2 拉臂油缸的选用和油缸安装角a的取值范围按以下二方面确定：a. 通过作图法或解析法计算确定以上各铰支点的位置和拉臂等构件的几何尺寸后，可初步确定拉臂油缸的最大行程和安装距。将作图法的结果代入（3）、（5）式中，计算出油缸作用力Fb0和Fb1的值，作为油缸的负载依据来确定油缸缸径。b. 拉臂油缸安装角a是拉臂架装置重要的结构参数。由前述知，拉臂架装置在进行换箱或倾卸动作的过程中，拉臂油缸均要克服车箱（满载）的重力产生的阻力矩，而且吊装吊卸车箱起始动作时的阻力矩是要克服的最大阻力矩，而且在开始动作时拉臂架装置的各铰支点的静摩擦阻力矩和惯性阻力矩最大。故拉臂油缸安装角a需满足a0。由前分析所知，当0越大时，拉臂油缸所需的最大推力就越小，选择的拉臂油缸缸径就可越小。因拉臂油缸的安装位置位于副车架和车箱底板之间，油缸安装布置空间有限，故拉臂油缸的安装角取值范围也极为有限。设计原则是要尽可能使安装角a大，选择合理的拉臂油缸缸径来满足拉臂车的使用性能要求，不增加油缸的成本和重量，同时便于布置。分析比较国内一些厂家生产的5 t拉臂车及实际设计生产拉臂车的经验，5 t拉臂车安装空间约在250300 mm之间，一般拉臂油缸安装角a应在35之间取值。参考文献1 叶传泽，舒广仁. 环境卫生机械设备M. 建设部城市建设司，1988.2 徐达，蒋崇贤. 专用汽车结构与设计(第1版)M. 北京:北京理工大学出版社，1998.