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水平垃圾压缩机的设计与分析研究 摘要 水平垃圾压缩机是城市生活垃圾转运站的关键压缩设备，它借助于液 压系统的驱动把垃圾压缩到转运车厢中，能增大转运量、提高转运效率。 然而，水平垃圾压缩机目前很多存在结构不合理、可靠性较低等问题。本 文根据水平垃圾压缩机的实际工作情况，对其液压系统进行了分析与设计， 对锁紧机构进行了优化设计，对拉箱机构进行了改进设计与分析，并对关 键机构和部件进行了有限元分析与改进。 根据水平垃圾压缩机的功能特性与工作要求，使用p r o - e 软件建立了 三维模型，并导入a d a m s 中，进行运动学仿真。 根据垃圾压缩机的实际工作要求，对各机构和整机的液压系统原理进 行了设计，选择与计算了部分元件的关键参数，使液压系统工作可靠、操 作简便。 在正常工作情况下，计算了锁紧钩的最大锁紧力和拉钩的最大拉力。 对锁紧机构进行参数化建模，对各个设计变量进行设计研究，找出影 响锁紧机构工作性能的关键变量，然后对模型进行优化设计，确定了模型 的最佳机构，使最小的锁紧油缸驱动力能产生最大的锁紧力。对优化后的 锁紧机构进行了计算，并进行了建模与仿真。 在对拉箱机构的原理和实际工作要求进行深入分析后，进行了改进设 计，使整个机构由三个受力点转变为“二力杆 机构，将大大的改善机构 变形和应力情况。在对新拉箱机构进行运动学仿真和有限元分析后可知， 新机构完全符合设计要求。 运用a n s y s 软件建立了关键机构的有限元模型，针对各种不同的工况分 别进行有限元分析，获得了各自变形与应力的大小以及分布位置，为垃圾 压缩机的改进提供了依据。根据有限元分析的结果，对机构和部件进行了 改进设计，改进后的分析结果显示模型符合刚度和强度要求。 ， 关键词：水平垃圾压缩机液压系统优化设计改进设计有限元分析 n r e s e a r c ho nd e s i g na n da n a l y s i s0 f t h eh o r i z o n t a lr e f u s ec o m p a c t o r a b s t r a c t t h eh o r i z o n t a lr e f u s ec o m p a c t o ri st h ek e yc o m p a c t i o ne q u i p m e n to fm s w ( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ) t r a n s f e rs t a t i o n , d r o v e db yt h eh y d r a u l i cs y s t e m i t p r e s s e st h ew a s t ea n dp u ti ti n t ot r a n s f e rv e h i c l e s ，s oi ti n c r e a s e st h ev o l u m eo f t r a n s f e r , i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft r a n s f e r b u t ，s t r u c t u r ei su n r e a s o n a b l e ，l o w r e l i a b i l i t yi sc o m m o np r o b l e me x i s t e n c e t h i sp a p e ra c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l w o r ks i t u a t i o no fh o r i z o n t a lr e f u s ec o m p a c t o ra n a l y z e da n dd e s i g n e dt h e h y d r a u l i cs y s t e m a n dt h el o c k i n g m e c h a n i s mi s o p t i m i z a t i o nd e s i g n e d ， r e d e s i g n e da n da n a l y z e dt h ep u l l i n gm e c h a n i s m , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s e sa re d o n et ok e yc o m p o n e n t s a c c o r d i n gt ow o r k i n gd e m a n d so ft h eh o r i z o n t a lr e f u s ec o m p a c t o r , u s e d t h ep r o - es o f t w a r et ob u i l dt h em o d e l ，u s e da d a m st ok i n e m a t i c ss i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gd e m a n d so fr e f u s ec o m p a c t o r , d e s i g n e d t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fe v e r ym e c h a n i s m , c a l c u l a t e dt h ek e yp a r a m e t e ro fp a r t c o m p o n e n t ，m a d et h eh y d r a u l i cs y s t e mr e l i a b l e ，a n ds i m p l eo p e r a t i o n i i i u n d e rn o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，c a l c u l a t et h eb i g g e s tf o r c eo fl o c k i n g h o o ka n dp u l l i n gh o o k b u i l tt h ep a r a m e t e r i z e dm o d e lo fl o c k i n gm e c h a n i s m , s t u d ya l lt h ed e s i g n v a r i a b l e s ，f i n do u tt h ek e yv a r i a b l ew h i c ha f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e m e c h a n i s mg r a v e l y , a n do p t i m i z a t i o nd e s i g n e dt h em o d e l ，a s c e r t a i n e dt h eb e s t m e c h a n i s mo ft h em o d e l ，m a k et h es m a l l e s tl o c k i n gc y l i n d e rp r e s st oh a v et h e b i g g e s tt i g h tl o c k i n gf o r c e c a l c u l a t e da n db u i l tt h em o d e lo fo p t i m i z a t i o n d e s i g n u s e da n s y st ob u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fk e ym e c h a n i s m , a n d m a d et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，g a i n e dt h e s i z ea n dl o c a t i o no fe a c hd e f o r m a t i o na n ds t r e s s ，o f f e r e dab a s i st ot h e i m p r o v e m e n to fh o r i z o n t a lr e f u s ec o m p a c t o r b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sr e s u l t ，r e d e s i g n e dt h ek e ym e c h a n i s m , t h en e wa n a l y s i sr e s u l ts h o w e d t h es t i f f n e s sa n di n t e n s i t ya c c o r dw i t hr e q u e s t a f t e rs t u d yt h ep r i n c i p l ea n dd e m a n do fp u l l i n gm e c h a n i s m , n e wd e s i g n c h a n g e di t i n t o ”t w of o r c ep o l e m e c h a n i s m , i m p r o v e dt h ed e f o r m a t i o na n d s t r e s sc o n d i t i o ng r e a t l y ，t h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w e dn e wm e c h a n i s ma c c o r d 谢t l l t h er e q u e s t k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lr e f u s ec o m p a c t o r ；h y d r a u l i cs y s t e m ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n ；i m p r o v ed e s i g n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 南兹 学位论文使用授权说明 扣年6 其玩e t 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 固甸时发布口解密后发布 论二名：协臌名前辨 y 遐年多月0 2 莎日 广蕾r 大掌硕士掌位铽譬定 水平垃圾压缩机的设计可分析研究 1 1 课题来源与主要任务 第一章绪论 本课题是广西区2 0 0 7 年度科学基金项目( 桂科自0 7 2 8 0 3 1 ) “城市生活垃圾 压缩特性研究及垃圾压缩机构创新设计”的一部分。该项目主要是通过对国内城市垃圾 压缩特性进行研究，以掌握垃圾的压缩规律和垃圾压缩的力学特性，通过理论分析，找 出最佳的垃圾压缩压力范围使垃圾压缩效果最佳，并在理论研究的基础上，应用虚拟样 机技术和有限元理论，对垃圾压缩机构进行创新和优化设计，从而提高垃圾压装的效率 和压缩设备的可靠性。 1 2 课题研究目的及意义 1 2 1 城市生活垃圾的现状 在我国，城市化进程在不断加快，垃圾已成为我国城市环境卫生面临的紧迫问题。 我国2 0 0 5 年产生1 5 亿t 的城市垃圾，而且每年在以8 1 0 的速度增长。全国有2 0 0 多座城市陷入垃圾的包围之中，且有1 4 的城市已发展到无适合场所堆放垃圾，以至于把 解决垃圾的途径延伸到乡村，导致了城乡结合带区域环境恶化。据预测，按现在垃圾增长 的速度，2 0 1 0 年我国城市生活垃圾产生量将达到2 6 4 亿t n 儿2 州钔。 近年来，随着城市经济水平和居民消费水平的提高，在我国城市垃圾产量持续增长 的同时，生活垃圾的成分也发生了很大变化，其主要特点是：垃圾中的有机成分在逐渐 增多，出现了重量增长缓、体积增长快的现象。据对北京市垃圾密度的调查表明，垃圾 密度已经由过去的6 0 0 k g m 3 下降到目前的3 5 0 k g m 3 ，而且还有逐渐降低的趋势h 1 。 广西大掌硕士掌位论文 水平垃圾压缩机的设计与分析研究 1 2 2 研究水平垃圾压缩机的意义 对城市生活垃圾的处理，主要分为三个步骤：垃圾收集一垃圾转运( 预处理) 一垃 圾终端处理( 填埋或焚烧) 。在垃圾产量快速增长的形式下，城市生活垃圾收集、运输 和处理已成为我国现代化建设中一个紧迫的问题，如果处理不当将危及我国的可持续发 展耵。 据统计国内几个大城市的垃圾处理厂距离市区均在5 0 k i n 以上，运输费用占垃圾处 理费用的比例较高，在一些发达国家运输费用已占垃圾处理费用的8 0 以上。城市生活 垃圾密度每年在不断降低，可压缩性大大增加。如果采用原来普通的运输方式，容易造 成垃圾转运中的亏载，垃圾转运效率低。所以，降低垃圾转运费用是降低整个城市垃圾 处理费用的关键。建设部城市垃圾转运站设计规范规定，垃圾运输超过2 0 l ( m 时， 就应该设计大中型垃圾转运站。垃圾转运站的建设是系统工程，完整的转运站主要设备 包括：压缩装置、动力与传动系统、控制系统、垃圾集装箱、装卸系统等五个功能模块。 其最主要的设备就是垃圾压缩装置，而压缩装置一般都选择水平垃圾压缩机州钉嗍忉嘲嘲。 设置水平垃圾压缩机，对垃圾进行压缩，可以解决垃圾运输中的亏载问题，可以降 低垃圾的运输费用，提高转运效率。另外由于城市道路交通的限制，垃圾转运车不可能 大量增加。因此，建设垃圾转运站、设置水平垃圾压缩机是城市生活垃圾转运发展的必 然选择h 1 举例如下：设待处理垃圾为l o t ，用5 t 的汽车装运，转运站至垃圾处理场的单程为 3 0 l ( i i i ，垃圾箱的体积为7 2 吖，松散垃圾密度为0 3 5 t m 2 ，则每个垃圾箱能运2 5 2 t ； 经过水平垃圾压缩机压缩后垃圾的密度为0 6 3 t m 2 ，相比每个垃圾箱可多装垃圾2 0 2 t ， 提高运输效率8 0 。可见，设置水平垃圾压缩机可以在垃圾转运车次、燃油费用、车辆 损耗等各个方面都可以节约很多成本。 目前，国内外城市生活垃圾压缩设备都向着高效性、占空间小的方向发展，改善压 缩技术和研制高效实用的水平垃圾压缩机是建设垃圾转运站的关键。在我国经济还不发 达、生活垃圾产生量较大的情况下，特别是在我国与国外垃圾成分有很大差异情况下， 研究适合我国国情的水平垃圾压缩机是必须的，这需要做深入的探索n 叼。 1 3 水平垃圾压缩机的研究现状与存在问题n 儿儿1 2 1 3 儿h 儿1 5 1 2 水平垃圾压缩机的设计与分析研究 1 3 1 国内外研究现状 在水平垃圾压缩机的研究方面，发达国家已研制出了较成熟的设备，如荷兰环保集 团n c h 研制的装箱式垃圾转运站的压缩设备，美国m a r a t h o n 公司的t s - 2 0 0 0 型预压 型垃圾转运站的压缩设备，澳大利亚p l a n 垃圾压缩转运系统的压缩设备等。这些水平 垃圾压缩机压缩压力大、压缩倍数高，可靠性和环保性相对都较好。 国内目前除了少量大城市主要是引进国外技术和设备外，一般城市都是采用国内企 业研制的水平垃圾压缩机。国内部分企业和科研院所研制的压缩机设备已经达到先进水 平，如：瑞康环保设备公司z y z 5 垃圾压缩转运站的压缩设备，上海市军工路垃圾转运 站的双向压缩设备，山东理工大学研制的垃圾压缩机楔形压头等。 1 3 2 主要存在问题 通过查阅资料和进行实地调研，垃圾转运站已有的水平垃圾压缩机的工作原理是： 倒放垃圾后，推压头推动并压缩垃圾直至不能推动，然后再返回，准备下一次压缩。在 调研中发现，很多转运站中的水平垃圾压缩机都普遍存在一些缺点，主要是：水平垃圾 压缩机结构不合理、可靠性较低。水平垃圾压缩机的研究正在向着高可靠性、环保性、 高压缩倍数的方向发展。 水平垃圾压缩机的出现给垃圾处理带来巨大的经济效益，另外也面临着一系列的挑 战。一方面，市场经济不断发展，卖方市场逐渐向买方转变，就需要企业不断的开发新 产品，满足客户的不同需求；另一方面，由于水平垃圾压缩机的传统设计方法中存在着 设计参数不合理、产品性能差等问题，而对水平垃圾压缩机很少有专著进行较深入的研 究，从而在一定程度上阻碍了垃圾转运站压缩设备的优化与改进；还有，我国与国外垃 圾成分有很大差异，国外水平垃圾压缩机未必完全适用与我国，需要研究适合我国国情 的水平垃圾压缩机。 1 4 本文主要研究内容 本文以工程实际应用为背景，以虚拟样机技术和有限元理论为基础，以水平垃圾 压缩机为研究对象，针对其结构和可靠性等主要问题，对其液压传动系统进行了设计， 3 广西大掌硕士掌位论文 水平垃圾压缩机的设训吐亨分析研究 分析了压缩机的运动学性能和关键部件的承载性能，对刚度和强度不足的机构进行了改 进设计，并对锁紧机构进行了优化设计，同时还对拉箱机构进行了创新设计和分析，对 解决实际工程具有极大的价值。 本论文主要内容为以下方面： 1 三维模型的建立以及仿真。介绍了水平垃圾压缩机的基本组成和工作原理，利 用p r o - e 和a d d s 联合建立水平垃圾压缩机的三维模型，并进行了运动学仿真。 2 介绍了水平垃圾压缩机液压系统要求，对各机构和整机的液压系统原理进行了 设计，选择和计算了部分元件参数，并分析了该液压系统的特点。 3 计算出锁紧机构和拉箱机构的受力。对转运车厢进行了受力分析，在实际工作 情况下，计算出锁紧钩和拉钩受力的最大值。 4 对锁紧机构进行了优化设计。找出了影响锁紧机构工作性能的关键变量，然后 对模型进行优化设计，确定了模型的最佳机构，使最小的油缸驱动力能产生最大的锁紧 力。并对优化后的锁紧机构进行了建模与仿真。 5 以水平垃圾压缩机为研究对象，建立有限元法计算的几何模型和有限元模型。 6 对拉箱机构进行了改进设计和分析，设计出了一种新型的拉箱机构，并进行了 仿真分析以及有限元分析，分析结果显示新型机构简化了工作运动状况，并且符合可靠 性要求。 7 运用a n s y s 软件，对垃圾压缩机在运动过程中极限载荷下的典型工况分别进行 分析，主要分析关键机构和部件的强度和刚度，并在结果分析的基础上再进行了改进设 计，重新建模，再进行计算分析。 4 广西大掌硕士学位论文水平垃圾压缩机的设计与分析研究 第二章水平垃圾压缩机三维模型建立及仿真 2 1 水平垃圾压缩机概述 2 1 1 水平垃圾压缩机功能结构和工作特性 。水平垃圾压缩机用于日处理要求较高的中型垃圾转运站，压缩机直接将垃圾推压入 转运车厢，等转运车厢垃圾饱和时便结束工作周期。 水平垃圾压缩机由压缩机箱体、拉箱机构、锁紧机构、提升机构、推压机构、液压 系统等组成，结构简图如图2 1 所示。箱体是装垃圾的容器，它接收倒入的垃圾。拉箱 机构安装在垃圾压缩机底部，包括拉钩和支座，由拉箱油缸驱动。锁紧机构由锁紧钩与 锁紧支架、摇臂等组成，由锁紧油缸驱动，使锁紧钩张开和收拢，安装在箱体的两侧。 提升机构安装在压缩机的顶头，在液压缸的驱动下上下移动。推压机构由推压头和两个 推压油缸组成，它是压缩机的关键工作设备。液压系统则提供了压缩机所有机构正常工 作时所需要的动力。 5 广西大掌硕士掌位论文 水平垃圾压缩机的设计与分析研究 图2 - 1 水平垃圾压缩机结构简图 f i g 2 - 1m eh o r i z o n t a l 陀如c o m p a c t o r 水平垃圾压缩机正常的工作顺序是：锁紧油缸驱动锁紧机构，使锁紧钩向外打开： 拉箱油缸驱动拉箱机构，拉住转运车厢并使其与压缩机对接；锁紧钩收拢，锁紧转运车 厢；提升油缸驱动提升机构上升，提起转运车厢的后挡板；推压油缸驱动推压机构，推 压头沿着导轨在车厢内前后运动，以把垃圾压缩至转运车厢并填满转运车厢；提升机构 带动挡板下降，把转运车厢和压缩机对接口封闭；松开锁紧机构和拉箱机构，使转运车 厢和压缩机分离，再运走转运车厢至垃圾处理场。 整个工作流程简图如图2 2 所示。 2 1 2 垃圾压缩机主要参数 图2 - 2 水平垃圾压缩机工作流程简图 f i g 2 - 2f l o wc h a r to fw o r k i n g 如表2 - 1 为水平压缩机的主要技术参数： 表2 - 1 技术性能参数表 t a b l e2 - 1t e c h l l i c a lp a r a m e t e rl i s t 主要参数 数值大小 最大推力 2 0 t 落料口尺寸( 长x 宽高)1 0 5 0 唧x1 5 7 0 咖9 6 0 姗 推压头前板面尺寸 1 5 6 5 咖x9 6 0 m 一次推压量 1 7 6 m 3 一次压缩循环时间 5 4 s 外形尺寸( 长x 宽x 高) 3 8 7 5 咖2 6 9 0 m m 3 0 2 5 m 6 广西大掌硕士掌位论文水平垃圾压缩机的设计与分析研究 2 2 建立三维模型 2 2 1p r o - e 与a d a m s 软件简介 p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c r o p 公司( p t c ) 的p r o e n g i n e e r 以其参数化、基于特征、全 相关等概念闻名于c a d 界。该软件的应用领域主要是针对产品的三维实体模型建立、三 维实体零件的加工、以及设计产品的有限元分析。p r o e 系统开发环境最突出的特点在 于它支持并行工程，可以让用户同时在几个技术领域处理同一个产品模型n 小。 美国m s c 公司的a d a m s 软件是世界上目前使用范围最广的虚拟样机技术软件。使用这 套软件可以迅速产生复杂机械系统的虚拟样机，真实的仿真其运动过程，并且可以迅速 的分析和比较多种参数方案直至获得最优化的工作性能。a d a m s 的核心模块包括以下三 个部分1 町n 钉： 1 户界面模块( v i e w ) ：a d a m s v i e w 采用简单的分层次方式完成建模工作，提供了 丰富的零件几何图形库、约束库和力矩库，支持布尔运算，采用p a r as o l i d 作为实体 建模的核。 2 求解器( s o l v e r ) - 是a d a m s 的核心模块，软件能自动形成机械系统模型的动力 学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。 3 后处理模块( p o s t p r o c e s s o r ) ：该模块用于输出高性能的动画、各种数据曲线， 还可以进行曲线编辑和数字信号处理等，使用户可以方便快捷的观察、研究a d a m s 的仿 真结果。 2 2 2 软件链接的问题 虚拟样机技术的核心是虚拟模型的建模和仿真，目前没有一种软件同时具有专业 c a d 建模和专业动力学仿真的双重功能，通常使用的c a d 软件和仿真软件是不同公司的产 品，目前一种常见组合是p r o e 和a d a m s 组合。对存在两个软件传递数据过程中“有缝联 接”问题的处理，用m s c 公司提供的专用接口模块m e c h a n i s m p r o 比较方便。另外，在不 是特别复杂的机械系统时，可以直接在p r o e 中另存为抛物面( 术乙t ) 格式文件，导 入a d a m s 即可。 7 广西大学硕士学位论文水平垃圾压缩机的设例j 可分析研究 虽然p r o e 和a d a m s 在理论意义上是“无缝链接”，但它们是不同公司的产品，两者 不同的图形格式导致图形转换时一些图形元素丢失，因此在建模和导入的过程中需要注 意一些事项，特别是单位问题：在p r o e 的建模中，把单位设定为咖、k g 、n e w t o n 、s e c 、 c ，以便和a d a m s 中的单位保持一致捌2 1 1 2 引。 2 2 3 建模的简化与抽象 对于一个复杂的机械系统，建模通常遵循这样一个过程，即对实际系统经过一定的 抽象形成概念模型，由概念模型推理而成为原理模型，再经过辩识成为分析模型，这个 过程用到了各种相似方法。由于实际模型的复杂性，故要对系统作一些简化，取其对系 统相似性影响较大的主要部分，省略次要部分，集中反映最本质的特性，或者是最关心 的系统功能。简化时要特别注意满足准确性和简单性要求n 帕n 力。 垃圾压缩机是一个复杂的三维模型，元件较多，依次利用等效的原理，分别将各个 构件以单一的元件建立，或者多个元件装配在一起合成单一的构件，以简化模型的外型， 但又不至于影响原来物理样机的性能。 在建立模型之前，结合a d a m s 软件，对机械系统做如下4 点假设： ( 1 ) 保证各个零件的质心位置、质量、转动惯量和原机构一致。 ( 2 ) 垃圾压缩机处于稳定的工况条件下运行，忽略各铰链点的摩擦力。 ( 3 ) 采用等效质量、转动惯量，从而合并零构件，所以不一定和原样机一一对应。 ( 4 ) 各个部件都为刚性元件( 不考虑它的变形) ，整个系统为刚性系统。 2 2 4 建立模型 我们使用p r o - ew i i d f i r e 2 0 软件来建立垃圾压缩机模型，然后导入a d a m s 并用它 来进行运动学仿真，因为它直接使用p r o - e 的三维实体模型，消除了由于简化而带来的 模型几何形状及质量特性的误差。 垃圾压缩机的零件多，形状复杂，给建立模型带来一定困难。从程序的求解原理来 看，只要仿真机构几何形体的质量、质心位置、惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真 的结果是等价的。初始建立模型时，拟定有以下构件：箱体、拉箱机构、锁紧机构、提 升机构、推压机构等。在p r o e 的装配环境下把单个的零件组装成相对独立的构件，如 箱体、锁紧机构等构件，然后再把这些构件组装成压缩机的最后装配模型。这种装配方 广西大掌硕士掌位论文 水平垃圾压缩机的设计与分析研究 式的优点是：以模块化的方式进行装配，可以方便对零件的管理，同时在定义刚体的时 候可以减少刚体的数量，简化压缩机机械系统的定义过程。 2 2 4 1 压缩机箱体模型的建立 压缩机箱体是装垃圾的容器，它接收倒入的垃圾。主要由侧板和框架组成，侧板上 有推压机构移动的水平导轨，后梁上有推压油缸支座，底架上有4 个支座用与和地基的 固定。压缩机箱体主要由钢板和槽钢组成。如图2 3 所示： 2 2 4 2 锁紧钩机构模型的建立 图2 - 3 箱体模型 f i g 2 - 3m o d e lo fb o x 锁紧机构的建模中，先在p r o e 零件图的环境下建立各个零件模型，然后在装配图 的环境下将零件图组装成装配图。锁紧机构由支座、摇臂、锁紧钩和销等组成，它是垃 圾压缩机的一个非常重要部件。如图2 4 所示： 广西大掌硕士掌位论文水平垃圾压缩机的设计与分析研究 2 2 4 3 推压机构模型的建立 图2 4 锁紧机构模型 f i g 2 - 4m o d e lo fl o c k i n gm e c h a n i s m 推压机构由槽钢、钢板组成，前板面后有加强筋板，加强筋上有液压油缸的支座。 前板面为压缩垃圾的工作面，由垂直面和上部斜面组成。如图2 - 5 所示： 2 2 4 4 拉箱机构模型的建立 图2 - 5 推压头模型 f i g 2 - 5m o d e lo fp u s h i n gm e c h a n i s m 拉箱机构由拉钩和支座、销等组成。拉钩由销和支架连接，销沿着支架两侧的槽滑 移，槽不都是水平的，所以拉钩在运动中可以有一定角度的旋转，这样拉钩才能更好的 钩住转运车厢。模型如图2 - 6 所示： 广西大掌硕士掌位论文 水平垃圾压缩机的设计与分析研究 图2 - 6 拉箱机构模型 f i g 2 - 6m o d e lo fp u l l i n gm e c h a n i s m 2 2 4 5 提升机构模型的建立 图2 7 提升机构模型 f i g 2 - 7m o d e lo fu pm e c h a n i s m 提升机构由提升脚、前板面、横杆等组成，如图2 7 所示： 2 2 4 6 整机模型 把所有机构按相对位置进行组装，最后可得整机的模型，如图2 8 所示： 图2 - 8 整机模型 2 - 8m o d e lo ft h eh o r i z o n t a lr e f u s ec o m p a c t o r g - - 西大掌硕士掌位论文水平垃甥u 玉缩机的设- h 与分析研究 整个建模过程方便快捷，充分利用了p r o - e 强大的三维建模功能，完成复杂实体的 模型构建。最后的模型，保存在一个装配文件中，这些零件模型的信息见表2 2 ： 表2 - 2 主要部件属性表 2 3 模型的仿真 t a b l e 2 - 2a t t r i b u t el i s to fk e yp a r t s 构件名称数量质量( k g ) 锁紧钩 21 2 6 9 锁紧支架 22 8 7 6 拉钩 12 6 9 9 拉箱支架 16 5 1 9 箱体 1 2 6 1 3 9 5 提升脚 23 4 2 提升板11 5 9 8 6 推压头 16 6 2 1 8 8 推压油缸和活塞各2 个 2 4 7 2 5 锁紧油缸和活塞各2 个 8 7 拉箱油缸和活塞各1 个 3 8 提升油缸和活塞各2 个 8 0 1 4 把水平垃圾压缩机整机三维模型导入a d a m s 中，添加相应的约束与驱动，进行运 动学仿真。 2 3 1 施加约束 a d a m s 中建模的基本元件有：构件、力、约束、运动激励等。丰富的建模元素在适 当的技巧与自定义函数的协助下，可充分描述实际存在的各种运动及力学关系。在这里 对相关的这些专业名词作个简单介绍洲2 叭嘲： ( 1 ) 构件，即相互运动的刚体或刚体固定件。当定义构件时，需要给出构件的局 部坐标系的原点方向、构件质心位置、质量、对某个参考坐标转动惯量、惯性积等，所 1 2 广西大掌硕士掌位论文 水平垃圾压缩机的设计与分析研究 有这些完全可以由三维建模软件来提供。 ( 2 ) a d a m s 可以定义各种形式的力，如集中力、弹簧力、分布力、约束节点的作用 力与反作用力、场力等。 ( 3 ) 约束，是指两构件之间的联接关系，它限制两构件在某方向上的相对运动， 相对运动的方向有约束的类型控制。 ( 4 ) 运动激励，是指定一个构件相对于另一个构件按约束允许的运动方式、以给 定的运动规律进行的运动。 把p r o e 模型导入a d a m s 后，如果没有施加约束的话，各个构件是没有任何联系 的，仿真起来都是自由落体运动。所施加约束的正确与否直接影响运动学分析的准确性。 样机主要使用理想约束，理想约束通常是具有实际意义的约束副。 油缸和活塞之间的相对运动是沿着油缸横向的相对移动，a d a m s 约束库中的移动副 定义了两个构件之间的这种运动，移动副图标：婴。它使两个物体沿一条轴线相互移 _ 动，移动副的方向确定了物体滑移的方向。它从模型中去除了5 个自由度。推压头和箱 体导轨之间要施加移动副以确定其运动。油缸和活塞之间移动副约束说明如下： 约束对象：油缸，活塞 约束方向：活塞的轴向 约束位置：锁紧油缸与活塞 在锁紧机构中，给锁紧钩与摇臂之间、摇臂与锁紧油缸之间都施加旋转副，旋转副 图标：剑。该约束副约束了5 个自由度，只允许物体绕共同的轴线旋转，在施加时要 保证它的旋转方向。在其它机构中类似的旋转运动都要施加旋转副。锁紧钩与锁紧支座 销之间旋转副约束说明如下： 约束对象：锁紧钩与锁紧支座销 约束方向：锁紧支座上销的轴向 约束位置：锁紧支座上销的回转中心 其它部件之间类似的也施加相关约束。 2 3 2 驱动的设置捌刎踟 对于运动学仿真来说，只要给机构施加一个驱动( m o t i o n ) ，通过定义其运动规律 即会实现需要的运动。在水平垃圾压缩机模型建立的最后，要给压缩机系统施加驱动， 广西大掌司n b 学位蒉譬走 水平捌时瓦压缩机的设计与分析研究 驱动整个系统的运动。在a d a m s 通常使用的驱动有两种：直线驱动和旋线驱动，它们分 别配合移动约束副和旋转约束副使用。下面介绍垃圾压缩机驱动的设置。 推压机构在压缩和归位的工作过程是通过推压油缸驱动的。根据油缸工作平稳的特 点，本文通过移动副施加一个速度，完成运动激励的施加。 v = s t ，其中v 是油缸和活塞的相对速度，s 为活塞的行程，t 为移动时间。施加该 速度后，大致的满足油缸实际工况，可以大概的仿真推压头压缩垃圾和恢复原位的过程， 这个过程靠的是推压油缸的推力。真实的工作情况中，所施加的驱动应该是推压持 续压缩归位的过程。这样的过程，a d a m s 本身没有现成的函数可以施加，但可以通 过软件本身提供的函数库和函数构件器来施加。这里是通过i f 函数s t e p 函数的叠加来 实现的，设定整个压缩机的仿真工作过程时间为7 0 s ，压缩周期为5 4 s ，即从1 6 s 到7 0 s 内为推压头工作时间，工作详细过程为：启动加速匀速推压减速静止锞压 启动加速匀速退回诫速静止归位。施加的速度如下图： 0 1 0 0 5 0 0 t u i y a y o u g a n g _ v ； l j fi l i 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 7 0 0 l i m e ( s e c ) 图2 - 9 推压油缸速度曲线 f i g 2 9v e l o c i t yo fp u s h i n gp r e s s u r e 锁紧钩有打开和合拢锁紧两个过程，靠的是锁紧油缸的驱动。张开是指从工作位置 到非工作位置，锁紧是指非工作位置到工作位置，这两个过程中间会有停留静止动作。 合拢锁紧的过程，是一个启动一平稳一制动的过程，这里可以通过i f 函数和s t e p 函数叠 加来实现，函数表达式为： v = i f ( t i m e 一1 0 ：s t e p ( t i m e ，9 ，0 ，i 0 ，0 0 1 5 ) ，0 0 1 5 ，s t e p ( t i m e ，1 2 ，0 0 1 5 ，1 3 ，0 ) ) 速度的变化如图2 - 1 0 。锁紧钩打开过程类似与锁紧过程。 1 4 (。d，jm苟ev参i。oa， 广西大掌硕士掌位论文水平垃帮u 五缩机的设爿j 可分析研究 。 蛊0 t m e ，、 o 曼。 s u o j m y o u g a n 毡j - 一一，- - 7 v 一一u 一u 厂 ：、 ? ? 1 夕； ；：i 图2 - 1 0 锁紧油缸速度曲线 f i g 2 - 10v e l o c i t yo fl o c k i n gp r e s s u r e 其它的机构驱动的设置类似于锁紧机构和推压机构，就不再重复。 2 3 3 模型的验证 除了尺寸和转动惯量验证之外，关键要看构件之间是否有多余约束，因为多余约束 会影响仿真计算结果，也就是我们通常所说的虚约束。虚约束通常出现在以下情况：轨 迹重合；移动副轴线的重合；移动副导路平行等嘲。 本文的虚约束主要来自轨迹重合。在保证不影响运动分析的前提下，用自由度较少 的约束代替自由度多的约束。在施加了运动驱动之后，验证可得垃圾压缩机模型的自由 度为0 ，而且没有多余约束。 2 3 4 运动学仿真 施加约束后，在推压油缸和锁紧油缸上分别施加图2 9 和图2 一1 0 驱动，对水平垃 圾压缩机进行仿真，可得如下曲线，如图2 1 1 和2 1 2 所示： f - 西大掌硕士掌位论文水平垃圾压缩机的设计与分析研究 e e 、一 工 茜 c o j 图2 - 1 1 推压头位移曲线 f i g 2 一llp o s i t i o no f p u s h i n gm e c h a n i s m - d l n g d l a n g u lj1 u v 士u u j ：。啪枷 i51 01 二二 x ( m m ) 图2 1 2 锁紧钩钩头轨迹曲线 f i g 2 1 2p a t hc u l v eo fl o c k i n gh o o k 在图2 - 11 中，在1 6 s 4 0 s 是推压头前进推压过程；4 0 s 4 4 s 是保压过程，此时油 缸保持最大压缩时的压力，推压头保持静止4 s ：4 4 s c n 7 0 s 是推压头返回归位过程。图 2 1 2 为锁紧钩钩头在锁紧过程中的运动轨迹，可以看出横坐标( 一1 5 - - 一1 9 ) 之间，为锁 紧钩即将接触转运车厢的时候，在横坐标为一1 9 时，锁紧钩到达工作位置。 2 4 本章小结 本章简单介绍了p r o - e 和a d a m s 软件，以及软件链接应该注意的问题。根据水平垃 圾压缩机的功能结构和工作特性，建模中对垃圾压缩机进行了简化与抽象，在此基础上 1 6 舍3 n 一 广西大学硕士掌位论文水平垃圾且谤音机的设计与分析研究 用p r o e 软件建立了各机构的三维模型，再组装成整机模型。把整机模型导入a d a m s 软 件，根据实际情况，添加了相关约束与驱动。经过对模型的验证，可以看出模型是正确 的，完成了虚拟样机模型的建立。 对虚拟样机模型进行仿真分析，得到推压头的位移、锁紧钩钩头轨迹曲线，并结合 实际工作过程的动作特点对其进行了说明。 1 7 广西大掌硕士掌位论文 水平垃圾压缩机的设- t l - 与分析研究 第三章水平垃圾压缩机液压传动系统的分析与设计 3 1 水平垃圾压缩机液压系统的基本要求 为了使垃圾转运站的压缩机操作简单、维修方便、安全可靠、压力充裕、价廉实用， 现对液压系统设计的基本要求如下： ( 1 ) 在机械装置的配合下，可以根据不同的作业要求，实现单工序或联动操作； ( 2 ) 合理解决不同执行元件所需压力和速度问题，提高系统效率，减少发热； ( 3 ) 有足够的压缩能力。 3 2 液压系统原理设计 3 2 1 阀和基本回路 有两种阀和回路在类似压缩机工作状况时应用较多，介绍如下： 1 单向顺序阀平衡回路。为了防止立置液压缸或垂直运动的工作部件由于自重在超 速下降，通常应设置平衡回路。如图3 - 1 所示为单向顺序阀平衡回路。单向顺序阀由单 向阀和顺序阀并联组成。顺序阀中，当控制阀压力( 如为内控，即进口压力) 未达到调定 压力之前，此阀关闭：当达到调定压力后，此阀开启。油液经此阀进入下一执行元件， 并使其动作，从而达到顺序动作的目的啪1 。 广西大掌硕士掌位论文 水平垃圾压缩机的设计与分析研究 3 1 三位四通阀 2 单向顺序阀 3 液压缸 图3 1 单向顺序阀的平衡回路 f i g 3 - 1b a l 锄c el o o po fu i l i d i 化c t i o n a ls e q u c e 砌v e 在上图中，当换向阀1 切换至左位时，油缸3 的活塞向下运动，缸下腔的油经过单向 顺序阀的顺序阀流回油箱。只要使阀2 的调压值大于由于活塞及其相连工作部位的重力 在缸下腔产生的压力值，则当换向阀处于中位的时候，活塞和工作部件就能被单向顺序 阀锁住而不会因自重而下降。 2 单向节流阀。单向节流阀在回路中可以起到调速功能，在水平垃圾压缩机中可以 使用别。 3 2 2 推压机构液压系统设计 推压机构是压缩机的压缩工作机构，它由液压缸推动推压头将垃圾分次压入转运车 厢内。推压头需要往复几次压缩垃圾，每次压缩至一定程度时都必须进行保压，以促进 垃圾块压实，避免垃圾大量溃散。在推压垃圾时，系统需要提供足够的动力，并且推压 头必须缓慢的推进。 根据推压机构的实际工作情况和要求，设计压缩液压控制回路，如图3 - 2 所示。推 压机构液压系统由液压泵、溢流阀、三位四通阀、单向节流阀、推压液压缸、油箱、油 管等组成。其工作原理是：启动泵2 ，操纵手柄使三位四通阀3 和4 切换到左位，则泵2 转 为升压供油状态，油经过5 和6 的单向节流阀进入液压缸的无杆腔，则液压缸的活塞杆驱 动推压机构压缩垃圾。系统保压时，将阀3 和4 切换到中位即可。压缩结束后，操纵手柄 使三位四通阀3 和4 切换到右位，液压缸将快速退回。为了保证液压缸工作平稳性，本油 路采用进口节流调速回路，单向节流阀5 和6 在三位四通阀3 和4 切换到左位时处于调速状 态，可以防止推压头快速推压。 1 9 广西大掌硕士掌位论文水平垃圾压缩机的设- h 与分析研究 1 溢流阀 2 液压泵 3 、4 三位四通换向阀 5 、6 单向节流阀 7 、8 推压液压缸 图3 - 2 推压机构液压图 f i g 3 - 2h y d r a u l i cs y s t e mo fp u s h i n gm e c h a n i s m 3 2 3 提升机构液压系统设计 提升机构包含有提升脚和前板。在压缩机与转运车厢对接后，提升油缸驱动提升机 构上升，同时提升脚提起转运车厢的后挡板，使垃圾被推入转运车厢内。在转运车装满 后，提升机构下降，转运车厢的挡板挡住车厢，同时提升机构也挡住压缩机内的垃圾。 在提升机构的工作中，特别要防止立置的推压机构由于自重而下降。 根据提升机构的实际工作情况和要求