后装压缩式垃圾车提筒机构的分析与设计

后装压缩式垃圾车主要由带推铲的车厢和尾部填塞器组成，是一种能将垃圾自行装入、转运和推卸的专用汽车[1]，主要用于收集、转运可压缩垃圾。本文所介绍的提筒机构是在后装压缩式垃圾车尾部填料口处加装的一种自动提升和倾翻标准垃圾筒的机构，为司机独自完成垃圾的收运工作提供了便利。本提筒机构在BZ5150ZLJ和BZ5160ZYS型后装压缩式垃圾车中得到应用，它是针对原提筒机构（结构形式类似于本机构）在实际使用中，多处构件不同程度与轴干涉的问题而进行的重新设计。解决了原提筒机构因无法正确描述垃圾筒的运动轨迹，导致机构铰链点的错误确定而造成的使用可靠性低的问题。
1机构分析
该提筒机构装在BZ5160ZYS（12m3）型后装压缩式垃圾车尾部填料口处，填料口尺寸宽1890mm、高1165mm，要完成图1所示垃圾筒的提升和倾翻动作。它适用于目前市场上销售的标准垃圾筒：容积120L，自重110.4N，外形尺寸：480mm×555mm×930mm（长×宽×高），装载重量686N。

图1标准垃圾筒起始与终点位置
1.1提筒机构的运动分析
图2是后装压缩式垃圾车的提筒机构总成。

图2提筒机构
提筒机构的工作原理如下：双作用液压缸的活塞杆伸出，推动平行四边形机构运动，直到挂架上的垃圾筒抵住锁筒座，完成垃圾筒平稳提升和锁紧，如图3（a）、（b）、（c）所示。液压缸继续施加作用力，整个提筒机构（不包括支撑架，包括垃圾筒）以翻转架和支撑架的铰接轴旋转，直至垃圾倾倒在导流板上，完成垃圾自动倾卸，如图3（d）、（e）所示。
支撑架焊接在填塞器后横梁上，用作支承提筒机构。双作用液压缸一端铰接在支撑架上的支座上，一端铰接在摇杆Ⅰ上。翻转架通过销轴铰接在支撑架上的支座上，翻转架为槽钢型式，可将双作用液压缸卧在里面，使结构紧凑，且强度较高。翻转架、摇杆Ⅰ、挂架、摇杆Ⅱ构成一个双平行四边形机构，挂架具有平动性，使垃圾筒平稳提升。锁筒座焊接在翻转架上，用作锁紧垃圾筒，使垃圾筒翻转时不会从机构上掉下来。导流板焊接在支撑架上，使垃圾倾倒时容易进入填塞器的料斗中。
1.2提筒机构挂架上任一点（垃圾筒）的运动轨迹
机构的自由度数W：要使机构实现预期的确定运动，自由度数W必须满足下列要求：1）W>0；2）W的数量等于主动件的数量。

图3提筒机构提升倾倒过程
图4为提筒机构简图，图中A，B，C，D，E，F，G分别为铰链的回转中心,1，2，3，4为连杆，5是液压缸活塞杆，6是液压缸缸筒，7是铰链与支撑架固连。其自由度数:

式中：n——活动构件数目；
PL——低副数目；
Ph——高副数目。
件5和6共同组成的液压缸是主动件。机构只需操纵双作用液压缸，即可完成预定的动作。
采用双作用液压缸驱动,可实现反向自锁,使机构在运送垃圾筒的过程中不会由于自重而自行下落。对机构建立如图5所示的坐标系。用解析法分析挂架HCD上任意一点H的运动轨迹。

作图法：过H点做BC的平行线，过B点做CH的平行线交于K点，以K点为圆心、BC（等于L）为半径做出的圆形就是挂架HCD上点H的轨迹。
从而得出结论：任何一平行四边形铰链机构都可以用上述的作图法很容易在计算机的二维平面图中求出挂架HCD上任意点的轨迹，节省了设计时间。
因此提筒机构上垃圾筒轨迹（以点H轨迹代表垃圾筒的轨迹）是图5所示的R1和R2。R2是垃圾筒上点H由初始位置到抵住锁筒座N点的运动轨迹；R1是垃圾筒上点H抵住锁筒座N点后，以点A为圆心AH为半径旋转到导流板上（即将垃圾倾倒进垃圾车）的运动轨迹。
1.3提筒机构的受力分析
以提筒机构为研究对象进行受力分析，如图6所示。

图6提筒机构受力分析
已知提筒机构自身重力G0=1097.6N，因一次可挂两个垃圾筒，故两个垃圾筒的自重与所装垃圾重力之和F2=（110.4+686）×2=1592.8N，液压系统的工作压力p=16MPa，动力液压缸缸径DY=63mm。对铰链A中心取矩则有：

所以满足使用要求。
F1的大小是设计液压缸和选择液压缸的依据和参考。由受力分析可得铰链A点所受到的总作用力：

F3是设计销轴A和校核结构件的主要参数。
1.4机构中各铰链位置的确定
提筒机构设计时应遵循下列步骤：
1）根据翻转架离地最低点应大于压缩垃圾车最小离地间隙，确定铰链E的位置；
2）铰链A点需高于填塞器的后横梁，使机构绕此点翻转能完成向填塞器中倾倒垃圾的动作，即垃圾筒与水平线的夹角应大于垃圾的安息角35°；
3）铰链B点设在AE的中点处，使结构紧凑；
4）根据垃圾筒挂口高度应大于挂架H点高度，确定铰链C点位置。从受力、强度、稳定性考虑，摇杆BC不易太长，由平行四边形确定铰链D和铰链F的位置；
5）用作图法（R1，R2轨迹，如图5所示）确定锁筒座N点的位置和导流板位置；
6）根据图7、图8提筒机构初始和终了位置，计算出液压缸行程，再根据液压缸的可制造性（包括活塞高度、油封、防尘罩、缸底厚、缸耳到缸筒的距离、行程等）确定液压缸的原始安装中心距，从而确定了液压缸铰链G点位置；
7）在以上铰链粗定后，运动机构（用作图法做出机构运动全过程不同位置的图）和铰链A、铰链B不得与图7、图8所示的4个位置的液压缸外径干涉，液压缸外径不得与图7所示的支撑架上M点干涉，从而最终确定各铰链位置。

图7提筒初位置和水平位置图

图8提筒锁紧位置和终了位置图
注意：如若步骤7）中所述位置发生干涉，则调整铰链A和铰链G的位置，因铰链A和铰链G的位置直接影响动力液压缸的安装空间，是调整铰链与液压缸外径、液压缸外径与支撑架上M点干涉的最快方法。铰链位置的变化，导致垃圾筒的轨迹、液压缸的行程发生变化，需重新检验步骤7）中各干涉条件，反复调整铰链，直到解决干涉现象。
2结语
经过对原提筒机构的重新设计，修改了原机构的铰点和结构件，解决了原机构构件与销轴干涉问题，满足了使用要求。
提筒机构轨迹作图法的总结，为其它类含有平行四杆机构的设计、运动校核提供了直观、精确、简易的作图方法，并且在机构各铰链位置的确定过程中，起到了加快设计速度，节省设计时间的作用。
依据受力分析，得到动力液压缸和机构结构件的选择和设计的理论数据。
提筒机构各铰链位置确定的方法，为大小不同、吨位不同的系列后装压缩垃圾车的提筒机构的设计提供了可行的方法。因此，本机构的设计过程对含有平行四杆机构设计的探索提高具有一定的借鉴作用。
参考文献
[1]蒋崇贤，何明辉.专用汽车设计[M].武汉：武汉工业大学出版社出版，1994.