本科畢業論文（20屆）垃圾清運車輛工作裝置設計（桶式）所在學院專業班級機械設計制造及其自動化學生姓名指導教師完成日期

誠信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本人簽名：年月日依據以上計算結果，選用齒輪油泵CBT-E563，參數如下：額定排量q=63mL/r，額定壓力p=16Mpa，額定轉速=2000r∕min。整體舉升機構動力學仿真4.1動力學問題的求解方法在ADAMS中解決機械臂的動力學問題，廣義坐標由笛卡爾坐標和廣義歐拉角共同定義，廣義坐標為：(4.1)(4.2)通過拉式乘子法來建立機械臂運動方程：(4.3)式中——機械臂整體動能；——系統廣義坐標列陣；——廣義力列陣；——對應具有完整約束的拉格朗日乘子列陣；——對應不具有完整約束的拉格朗日乘子列陣；——系統廣義速度列陣。對于完整約束方程，；對于非完整約束方程，。夾持機械臂系統內廣義主動力和廣義慣性力可以根據自由度數量和廣義速度數量推算而來。當整個機械臂系統中具有個自由度時，若知道其廣義速率有個[21]，就可以得出機械臂剛體系統內主動力與慣性力相加為零，在計算過程中或得到與之對應的個標量方程，稱之為凱恩方程，可以作為此系統的動力學方程，即：(4.4)矩陣形式為：(4.5)其中、為階列矩陣。在方程(2-5)中令，，則系統的運動方程可以轉化為動力學方程：(4.6)(4.7)(4.8)式中——廣義速度列矩陣；——約束反力及作用力列陣；——描述廣義速度的代數方程列陣；——描述約束的代數方程列陣。4.2建立舉升機構虛擬樣機 在ADAMS可以通過兩種方式建立虛擬樣機，一是在ADAMS自帶的工具中建立，相比于其他的建模軟件，ADAMS中建模過程較為繁雜，通常是對一些較為復雜機構的模型進行簡化。另一種方式是在其他建模軟件中建立完整的三位模型，將創建的三維實體另存為中間格式，在ADAMS中選擇View界面中將其導入。1.本文采用的是第二種建模方式方式，將在Solidworks中體積干涉檢查無誤的三維模型另存為ADAMS可以識別的中間格式。2.需要在ADAMS中對機械臂進行模型的簡化。只需要保留主要零部件，可以構成完整的運動關系即可，刪除螺栓、油杯等對仿真幾乎沒有影響的零件，并進行布爾操作，合并一些無相對運動且材料類型一致的零件，可以降低計算量，提高計算速度。如圖2-12所示為導入后的完整模型。3.導入后的零件材料屬性會消失，也不會具有質量。需要根據各個零部件的實際情況，手動添加每個零件的材料類型，得到零件的質量屬性。并且重新每個零件進行命名，方便區分和觀察，以及后面進行約束設置。圖4-1舉升機構的虛擬樣機在進行設置約束之前需確定重力加速度方向，為與實際情況相符，設置重力加速的方向為Y軸方向。在Solidworks裝配時的約束關系，在導入到ADAMS中會全部消失。該機械臂是在液壓缸的作用下，通過活塞桿運動，從而完成垃圾桶的提升與翻轉。為了能夠清楚的了解各零件之間的約束關系，繪制如表4-2所示。圖4-2運動副的添加本次的運動學仿真主要是了解機械手在夾持垃圾桶進行舉升及其翻轉過程中的運動變化。可以更好的了解機械手的運動狀況。如圖4-3所示為機械手抓手在抓取垃圾桶的工作過程中質心的運動變化曲線。圖4-3機械手質心X方向位移曲線圖4-4機械手質心X方向速度曲線圖4-5機械手質心X方向速度曲線由圖4-3和4-4可得知：機械手在提升的過程中，抓手質心Z方向位移方向保持不變，運動速度為零；機械手在滑枕回縮運行過程中，位移則逐漸往全局坐標原點靠攏，Z方向的動速度先減小再增大，在時間為2s時，速度達到最大值434.9524mm/s，速度曲線的變化表明機械手在這個階段中剛開始可能由于滑枕全部伸出引起的輕微振動，翻轉臂翻轉過程中，在旋轉驅動速度曲線運動規律類似正弦函數曲線，位移曲線呈先上升后下降的趨勢，當運行到4.4s時，抓手質心Z方向的速度達到最大值1118.1916mm/s，曲線類似凸起的一段山峰，當運行至5s時，機械手翻轉至極限位置135°，此刻Z方向的位移316.5743mm。加速度曲線符合速度運動規律，在3s~5s翻轉過程中，有突變情況存在。圖4-6機械手質心Y方向位移曲線圖4-6機械手質心Y方向速度曲線圖4-6機械手質心Y方向加速度曲線機械手在完成垃圾收運、傾倒的運動過程中，抓手質心提升垃圾桶時，Y方向的位移先增大400mm，Y方向的速度運動規律為先增大再減小，并在時間0.5s時，速度呈現最大值599.92mm/s；位移保持不變，呈現為一條直線，速度與位移相匹配，保持不變，且速度為零。圖4-7機械手質心Z方向位移曲線圖4-8機械手質心Z方向速度曲線圖4-9機械手質心Z方向加速度曲線在家夾持垃圾桶上升的過程中，機械手在Z方向的位置沒有變化。在滑枕收回過程，Z方向速度先增大，后減小。速度最大值為2s時，。翻轉過程中，速度曲線先增大后下降。在4.4s時，機械手在Z方向達到了最大值。

舉升機構有限元分析機械臂的力學性能關系到機械臂能否滿足使用需求。本章對機械臂關鍵零部件模型進行了簡化，通過Workbench中靜力學分析模塊，得到應力與變形云圖并進行了詳細的分析，證明了各個零件滿足機械臂在最大工況下的性能要求。圖5.1為有限元分析流程。圖5.1有限元分析流程5.1機械臂強度與剛度理論1.強度理論各種材料的零部件在機器設備的工作過程中都可能會因強度不足而發生破壞。塑性材料和脆性材料的失效形式是不一樣的。前者主要是受力或者變形達到了材料的屈服極限，出現塑性變形從而影響正常工作，或者是達到材料的承受極限而出現突然崩壞或斷裂的情況。在進行結構設計時，要對機構的強度和剛度進行仿真驗證，得到材料的屈服極限或強度極限，保證在實際載荷下不會超過此極限。和可統稱為失效應力。以材料的屈服強度比上所選用的安全系數，便得到許用應力值。在實驗研究和工程實踐中，研究人員對于導致材料發生破壞的因果提出了多種科學假設，一系列的假設被整理匯總為四大強度理論。第四強度工程實踐中更是最多被用于機械臂結構的強度評估。上臂、下臂和軸承座材料為鑄造碳鋼，底架的材料為碳素結構鋼Q235，主要失效形式為材料應力達到屈服強度以后，導致材料發生塑性變形。以第四強度理論作為機械臂結構強度的評估理論，以VonMiss等效應作為評估準則。強度條件為：(5.1)式中——最大應力；——許用應力。2.剛度理論剛度，是機構在施加外部載荷的時候，能夠抵抗形變的能力，能夠反映構件的穩定性能。在載荷作用下，構件即使有足夠的強度，但若變形過大，仍不能正常工作。對于搬運型機械臂來說，剛度是液壓定向夾持機械臂中非常重要的一個性能指標[31]，該值是否滿足要求會影響到機械臂是否會帶來安全隱患和是否能夠做到精確裝配。如圖5-2為應力-應變圖。根據設計要求，機械臂其變形在最大工況時不能超過其材料的屈服強度，否則會破壞構件的剛度性能，發生較大的變形，從而造成安全隱患。圖5-2應力-應變關系圖對機械臂在Solidworks進行簡化，在不破壞整體仿真結果的情況下，去掉一些對仿真影響不大的倒角、圓角以及螺紋孔，可以提高網格的質量，縮短運算時間，提高效率，而且會得到更好的計算結果。（1）模型的建立將在Solidworks中的三維模型另存為Parasolid(.x_t)類型的通用格式，在Workbench中調出靜力學分析模塊，在Geometry命令框右鍵導入保存的(.x_t)文件。進入DesignModeler模塊即可在Workbench中生成機械臂的三維模型。之后章節中模型的建立方法與上述一直，故不再闡述。（2）設置材料屬性及進行網格的劃分根據實際情況，在Workbench定義機械臂的材料，采用鑄造碳鋼，其材料參數如表5-1所示。其他零件與Solidworks建模時選用材料一致，故不再定義。與零件的有限元分析步驟不同，裝配體分析中還需對模型定義接觸。將三維模型導入到Workbench之后，液壓定向夾持機械臂之間的裝配關系會自動消失，所以需要來通過定義接觸來約束零部件之間的運動，不同部件之間的接觸類型不同，需根據結構的實際工作來定義。綁定接觸和摩擦接觸是最多被應用在裝配體有限元分析中的機械處類型，不分離接觸是用來合并兩個材料類型一致、相鄰且無相對運動或相對運動趨勢的物體，無摩擦接觸和粗糙接觸多用于一些特定場合。網格劃分在靜力學有限元分析中至關重要，網格數量越多，質量越好，越接近機構的實際工作情況，計算越準確。在機械臂結構當中，曲面與螺栓孔數量較多，故開啟曲率和接近選項，網格采用智能網格劃分，生成的網格類型為四面體網格，生成后的節點數量與單元數量較多，且查看質量較好。選擇四面體網格劃分對底架進行網格劃分，網格質量較好，其節點數為4706926，單元數為3012848。表5-1材料屬性材料彈性模量(GPa)密度(kg/m3)泊松比鑄造碳鋼20675000.3垃圾清運車輛機械臂在工作過程中，有不同的工作狀態，分別為夾持垃圾桶提升，滑枕回臂和垃圾桶傾倒過程，不同過程，機械臂的受力變化是不一樣的，所以要分析在三證工況下的受力變化，查看在每個工況條件下是否都能符合。圖5-3為夾持垃圾桶時的靜力學分析結果。圖5-3夾持動作時的變形云圖圖5-4夾持動作時的應力云圖機械手在剛抱起垃圾桶離開地面時的最大變形是2.4422mm，最大變形發生的位置是在機械手結構左抓手前端與垃圾桶接觸的地方，受力方向為-Y方向，同時，越接近翻轉臂旋轉中心的構件變形則越小。由圖5.4知，機械手在抱桶工況時的最大應力是291.42MPa，最大應力發生的位置在是提升臂與提升液壓缸活塞基座的連接處。造成這種現象的原因是由于抓手在剛抱起垃圾桶脫離地面的時刻，因為機械手結構類似L形結構，該結構容易形成應力集中，容易在提升臂和提升液壓缸基座的連接處承受垃圾桶的重力時，導致連接處應力較大。圖5-5位提升過程中的有限元分析結果。圖5-5提升過程變形結果圖5-6提升過程應力結果通過變形云圖可知，提升工況狀態下機械手的最大變形為1.9616mm，發生最大變形的部位是在機械手左抓手的前端，且靠近翻轉臂旋轉中心的構件變形最小。造成此現象的原因是因為在此工況中，垃圾桶的重力依然由抓手承受，機械手的左抓手是離翻轉臂的旋轉中心最遠的位置，因而該處變形最大。通過機械手的應力云圖得知，機械手結構的最大應力是267.47MPa，提升臂與提升液壓缸活塞基座的連接處。機械手在提升工況狀態下，提升臂與提升液壓缸活塞基座的連接處容易形成應力集中，結合機械手結構特點，該連接處的應力最大。造成應力集中的根本原因是該連接處的結構較為薄弱，為了增大機械手的使用壽命，需要對該處進行結構強化處理。圖5-7垃圾桶傾倒時的變形結果圖5-8垃圾桶傾倒時的應力結果圖5-7和5-8是垃圾桶傾倒時機械臂的有限元分析結果，可以看出，垃圾桶在傾倒過程，最大變形為1.4429mm，在機械手的前段，與前面夾取和提升兩個工況相比，傾倒時的工況變形相對較小。在應力分布方面，最大值為263.39MPa。應力值也相對較小。最大位置位于與提升機構與橫板接觸部位。經過靜力學的分析可知，機械臂在不同工況下工作時，其力學性能達到了要求，并不會發生材料的屈服破壞。設計合理總結與展望通過對本選題的精心設計，我學到了很多關于車輛和自動化機械手的設計方法，尤其是對設計參數選擇和機構原件的設計與校核更加深了了解，掌握了關于車輛設計的相關順序和原則本設計采用東風140汽車底盤進行設計加裝，結合當今設計思路，先設計垃圾桶提升裝置，然后再設計車廂的舉升裝置，兩個裝置都安裝在副梁以及副車架和主梁上，并對受力比較大和相對危險的截面和部件進行力學校核。設計過程中用AutoCAD軟件繪制出需要的零件圖和裝配圖。并使用光影魔術手進行圖片修改，最后用Pro/e進行動態仿真，更加直觀地了解到整車工作時的狀態和機構配合順序。設計出了高自動化滿載質量為4噸多的機械手式垃圾清運車。本題目設計的采用東風140汽車底盤，東風系列汽車結構比較合理，載重性能好，設計過程中想到垃圾和意外狀況的慣性沖擊，垃圾桶舉升裝置和車廂舉升裝置均采用Q235鋼，用來提高工作裝置的性能，提高剛度和耐沖擊能力。車廂舉升機構為組合前推式，具有舉升平穩、活塞桿的伸縮距離短等優點，垃圾桶舉升裝置通過伸縮節臂、旋轉架和機械手巧妙配合，結構緊湊，工作性能優越，適用性強。根據目前普遍國內普遍使用的垃圾清運車工作狀況來看，工作裝置自動化程度不算高，耗費了很大的人力和時間。隨著全國城市化進程的加快，垃圾的產量也在迅速增多，垃圾清運車的需求量也在迅速增加，一款自動化程度高，性能優越，運輸效率高的垃圾清運車成為城鎮發展中的必需品，并且需要更加深入的研究。此設計過程和設計參數仍有許多缺陷，在結構尺寸方面，很多都是根據經驗選取然后校核，那么就有可能沒有取到最優解。另外，在某些細節方面，由于時間和庫存資料有限，做得還不算優秀，真心希望劉老師和各位評委老師給予批評和指正總結與展望通過對本選題的精心設計，我學到了很多關于車輛和自動化機械手的設計方法，尤其是對設計參數選擇和機構原件的設計與校核更加深了了解，掌握了關于車輛設計的相關順序和原則本課題首先對于國內垃圾清理車結構的發展狀況做出了詳細的分析與總結，對不同的垃圾收回裝置做出了介紹。并闡述了功能特點，對不同的傳動方式進行看分析，以此為基礎，設計出了一款自動垃圾收回裝置。本課題所設計的裝置主要分為兩部分，夾持機械手和舉升機構，兩者相互配合，完成將垃圾桶內的垃圾收回的工作。本文對所設計的裝置進行了相關參數的計算，并在SOlidworks中建立了裝置的零件圖與裝配圖。并以此為基礎，在CAD中繪制了二維零件圖和二維裝配圖。在ADAMS中對機械手的實際動作進行了模擬。建立了虛擬樣機，得出機械臂的運動情況。并對不同工況下的垃圾收回裝置進行了有限元分析稱，得到不同工況下的應力與變形，對強度與剛度進行了校核。此設計過程和設計參數仍有許多缺陷，在結構尺寸方面，很多都是根據經驗選取然后校核，那么就有可能沒有取到最優解。另外，在某些細節方面，由于時間和庫存資料有限，做得還不算優秀，真心希望劉老師和各位評委老師給予批評和指正。參考文獻[1]王望予，汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2012.[2]徐乃鏜.自卸汽車舉升機構設計[J].中環動力重型汽車有限公司.2007.[3]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2000.[4]成大先.機械設計手冊[M].北京.化學工業出版社，2014.5.[7]劉敏杰，劉聚德.幾種舉升機構的結構與性能分析[J].專用汽車.1999,2[8]劉聚德.幾種舉升機構的結構與性能分析[J].青島建筑工程學院.1999.1[9]唐桂云.自卸車連桿放大式舉升機構設計[J].專用汽車.1995,(4)：27-31.[11]孫桓，陳作模.機械原理[M].6版.北京：高等教育出版社，2001.[12