关键词：侧装上料垃圾车;;承重型机械臂;;动力学特性;;有限元仿真;;优化设计
摘 要：国内处理生活垃圾的方式,目前普遍依赖人工收集和中转站储存。随着城乡生态文明建设的推进,原有的垃圾运输设备难以符合卫生城市创建的标准,兼顾高效收集、压缩和运输垃圾功能的车辆逐渐成为环卫领域的新宠。本文以自主开发的侧装承重型机械臂为研究对象,建立虚拟数字样机和有限元模型,基于运动学分析验证其工作安全性,通过动力学仿真和有限元法研究机械手承载特点与静态响应,确保其稳定可靠,完成关键零部件的结构尺寸优化,达到轻量化设计的目标。具体研究内容包括:(1)机械臂的结构方案与工作原理。根据传统餐厨垃圾车技术规范和垃圾桶的结构特点,提出两套末端承重机构设计方案。结合城乡具体使用环境,选择简洁稳定的挂钩式方案,并建立三维模型。分析承重型上料机械臂的工作原理,确定垃圾车自动收集的步骤,验证设计方案效率高且经济性好。(2)机械臂运动轨迹与抗倾覆分析。基于ADAMS软件提供的虚拟样机平台,建立上料机械臂的功能化数字样机。仿真分析其水平伸缩和提升翻转等运动过程,得出挂钩质心路径轨迹和顶盖运动情况,从而获得机械臂的工作域。采取力矩平衡法分析垃圾收运车的抗倾覆性,确保其在各种情况下都能保证人员的安全,不会发生侧翻或倾倒事故。(3)机械臂动力学及有限元仿真。针对上料机械臂的虚拟样机模型,完成伸出取桶和提升翻转步骤的动力学计算,得知液压缸受力峰值达9118.6N,而且每当运动状态改变,系统都会发生明显的冲击。采用有限元法仿真分析机械手在危险工况下的静态特性,结果显示,最大应力位置出现在提拉杆底座焊缝处,而最大变形位置则是挂耳端面。但机械手所受应力都在材料的许用应力范围之内,表明承重机械手的刚度和强度能够满足设计要求。(4)机械臂的结构尺寸优化。选取上料过程中最关键的机械手部件作为研究对象,使用均质拓扑法建立它的优化设计模型,结合有限元软件分析结果,对机械手承重结构进行尺寸优化,得到挂耳支架,伸展臂和拉杆底座的截面厚度较优值,使机械手减轻了 16.23%的质量,达到了轻量化设计的预期效果,对承重机械手的改进及正式生产具有一定指导意义。
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