垃圾车导轨式机械手动力学仿真及结构优化.docx
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垃圾车导轨式机械手动力学仿真及结构优化
学校代号
10532
学
a
S1102W102
分类号
密
级
公开
HUNANUNIVERSITY
工程硕士学位论文
垃圾车导轨式机械手动力学仿真及结
构优化
学位申请人姓名陶有朋
培养单位机械与运载工程学院
导师姓名及职称卿启湘副教授陈南高H
学科专业机械工程
研究方向结构设计及CAE
论文提交日期2013年5月17bJ
学校代号：
10532学号：
S1102W102密级：
公开
湖南大学工程硕士学位论文垃圾车导轨式机械手动力学仿真及结构优化
学位申请人姓名:
降I有朋
导师姓名及职称：
卿启湘副教授陈南高工
培荞单
位：
机械与运载工程学院
专业名
称：
机械工程
论女提交日期：
2013年5月17日
论女答辩日期：
2013年5月22口
答辩委员会主席：
程军圣
DynamicsSimulationAndStructuralOptimizationForRailManipulator
OfTheGarbageTruck
by
TaoYoupeng
B.E.（ShandongUniversityofTechnology）2011
Athesissubmittedinpartialsatisfactionofthe
Requirementsforthedegreeof
MasterofEngineering
in
MechanicalEngineering
inthe
GraduateSchool
of
HunanUniversity
Supervisor
ProfessorQINGQixiang
SeniorEngineerChenNan
May，2013
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
1、保密□，在年解密后适用木授权书。
2、不保密□。
（请在以上相应方框内打“V”）
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
R期：
年月円
摘要
随着我国城市现代化建设和乡镇城市化进程明显加快，城市生活垃圾日益增多。
环境保护意识的增强催生了国家和地方的环保政策不断出台，促进了垃圾_动收集的快速创新发展。
现有的垃圾收集模式主要是“垃圾桶一环卫工人手推车—垃圾收集点一垃圾中转站一垃圾处理场”，效率低，人工劳动强度大，其中垃圾收集站或中转站直接影响城市环境质量和城市建设。
垃圾收集技术方面，国内主要釆用人工移动垃圾桶到垃圾车边，上挂钩，半自动升降垃圾桶倾倒垃圾；国外出现采用机械手自动抓取垃圾桶，但存在机械手撞倒垃圾桶、不能自动实现手爪对准垃圾桶动作等问题。
本文针对机械手撞倒垃圾桶、不能自动实现手爪对准垃圾桶动作等问题，提出抓取垃圾桶导轨式机械手方案，并应用虚拟样机技术、有限元技术，以ADAMS、HyperWorks软件为工具，对导轨式机械手进行设计与优化，主要内容如下：
（1）基于垃圾桶自动收集的功能要求和技术指标，以及国内外现有垃圾车机械手的优缺点，提出导轨式机械手的总体设计方案，并完成详细的结构设计和接口设计；
（2）应用动力学仿真软件ADAMS,建立导轨式机械手虚拟样机模型，在各种典型工况下，对机械手抓取垃圾桶的过程进行仿真分析，得出相应的夹紧力、支座反力以及机械手复合运动的液压缸驱动力，并应用结构静力学理论对仿真数据进行验算；
（3）应用HyperWorks软件，建立导轨式机械手有限元模型，在各种典型工况下，对机械手进行有限元分析，得出机械手不同工况下的应力变形云图，并进行静强度刚度校核；
（4）基于OptiStmct平台，利用结构优化方法对导轨式机械手进行轻量化设计，以主要部件的板厚为设计变量，全伸臂工况下各个部件的最大允许应力为约朿条件，机械手质量最轻为S标函数，对主要部件板厚进行合理的优化设计，得出一款满足一定工程要求，且质量最轻的导轨式机械手。
关键词：
导轨式机械手；结构设计；动力学仿真；有限元分析；结构优化
Abstract
Withtheprocessofourcountry’surbanmodernizationandtownshipurbanizationsignificantlyaccelerated,theamountofmunicipalsolidwasteisincreasing.Theawarenessofenvironmentalprotectionhasgivenrisetotheintroductionofmorenationalandlocalenvironmentalpolicies,andthenpromotesarapidinnovationanddevelopmentoftheautomaticgarbagecollectionsystem.Theexistingcollectionmodeismainly“dustbin—sanitationworkers’carts—^refusecollectingstation—wastetransferstation—»garbagedisposalplant”，whichislowefficientandhighlaborintensity.Especially,therefusecollectingstationortransferstationhaveadirectimpactonthequalityoftheurbanenvironmentandconstruction.Onthegarbagecollectiontechnology,thedomesticismainlydependonamethodofmanuallymovingthedustbintothesideofthegarbagetruck,thenhooking,finallydumpingbysemi-automaticliftingdustbin.Althoughtheforeignusingthemanipulatorgrabbingthedustbin,ithassomeproblemsthatthemanipulatormayknockthedustbindownandthegrippercannotautomaticallybealignedthedustbin.
Thispaperputsforwardtheprogramoftherailmanipulatorbasedontheaboveissues.ItutilizesthevirtualprototypingtechnologyandfiniteelementtechnologytodesignandoptimizebythroughingthesoftwareofADAMSandHyperWorksfortherailmanipulator.Themaincontentsareasfollows:
（1）Accordingtothefunctionalrequirementsandtechnicalspecificationsofthegarbagecollectionautomatically,theadvantagesanddisadvantagesoftheexistinggarbagetruckmanipulatorathomeandabroad,weputforwardanoverallprogram,andcompleteadetailedstructuraldesignandinterfacedesign.
（2）UtilizingthedynamicssimulationsoftwareADAMStoestablishvirtualprototypemodeloftherailmanipulator,weanalysistheprocessofthemanipulatorgrabbingthedustbininvarioustypicaloperatingconditions.Thenweobtainthecorrespondingclampingforce,supportreactionsandhydrauliccylinderdrivingforcesofthemanipulator'scompositemotions.Finally,weverifythesimulationdatabystaticstheory.
（3）UtilizingtheHyperWorkssoftwaretoestablishfiniteelementmodeloftherailmanipulator,weacquirestressanddeformationnephogrambythefiniteelementanalysisinvarioustypicaloperatingconditions,thencheckthestaticstrengthandrigidity.
（4）BasedontheOptiStructplatform,weconductthelightweightdesignfortherailmanipulatoratbystructuraloptimizationmethod.Regardingthemain
IIT
components’thicknessasdesignvariables,thevariouscomponents’maximumstressasconstraints,theminimumqualityastheobjectivefunction,wecarryonthereasonableoptimizationdesignforthemaincomponents’thickness.Finally,weacquirealightweightrailmanipulatormeetingcertainengineeringrequirements.
KeyWords:
railmanipulator;structuraldesign;dynamicssimulation;finiteelement
analysis;structuraloptimization
目录
学位论文原创性声明I
MWII
ABSTRACTIll
第1章绪论1
1.1选题背景及意义1
1.2国内外垃圾车机械手研宄现状1
1.3现有垃圾车机械手存在的问题5
1.4课题来源及主要研宂内容6
第2章导轨式机械手部件的结构设计7
2.1弓IW7
2.2设计依据7
2.2.1坐标系定义7
2.2.2功能要求7
2.2.3驱动形式8
2.2.4技术指标9
2.3工作原理9
2.4主要部件设计11
2.4.1末端手爪11
2.4.1.1方案设计12
2.4.2导轨机构14
2.4.2.1X向导轨机构14
2.4.2.2Y向导轨机构15
2.4.2.3Z向导轨机构15
2.5液压系统设计16
2.5.1液压系统组成16
2.5.2确定系统工作压力16
2.5.3计算液压缸流量17
2.5.4设计液压系统原理图18
2.6本章小结19
第3章机械手抓取垃圾桶过程的动力学仿真与分析20
3.1mm20
3.2虚拟样机技术20
3.3导轨式机械手虚拟样机模型21
3.3.1建立几何模型21
3.3.2施加运动约束22
3.3.3驱动及外载荷24
3.4主要工况25
3.5导轨式机械手动力学仿真分析26
3.5.1典型工况1仿真分析27
3.5.2典型工况2仿真分析31
3.5.3典型工况3仿真分析35
3.6仿真数据验算39
3.6.1末端手爪夹紧力理论计算39
3.6.2X、Y向导轨接口处支座反力理论计算40
3.7本章小结42
第4章导轨式机械手的有限元力学性能分析44
4.1^\m44
4.2有限元理论44
4.3箱式节臂危险截面及滑块应力计算45
4.4导轨式机械手有限元模型46
4.4.1网格划分47
4.4.2接触连接处理49
4.4.3载荷及边界条件49
4.4.4计算参数50
4.5计算工况选取50
4.6静强度刚度校核51
4.6.1基本臂工况校核52
4.6.2中长臂工况校核53
4.6.3全仲臂工况校核55
4.7结果分析59
4.8本章小结60
第5章导轨式机械手的结构优化62
5.1^\m62
5.2结构优化62
5.2.1结构优化的数学模型62
5.2.1OptiStruct结构优化技术63
5.3机械手结构优化模型64
5.3.1设计变童的选取64
5.3.2约束条件的确定64
5.3.3目标函数的定义65
5.4优化结果65
5.5本章小结69
总结与展望70
##»72
致i射75
VTT
第1章绪论
1.1选题背景及意义
随着城市化进程的加快，城市生活垃圾也迅速增加。
根据对历年统计数据进行回归分析，我国城市生活垃圾的年增长率大致为8%左右，预计到2015年全国城市生活垃圾清运量将达到2亿吨，日均约为55万吨，由此所造成的环境污染以及社会问题引起了社会广泛的关注，因为这些垃圾不仅污染环境，破坏城市景观，而且容易传播疾病，威胁人类的生命安全[1]。
现有的垃圾收集模式主要是“垃圾桶—环卫工人手推车一垃圾收集点一垃圾中转站一垃圾处理场”，效率低，人工劳动强度大，其中垃圾收集站或中转站直接影响城市环境质量和城市建设。
近年来，人们对周围环境卫生要求越来越高，按照现阶段城市垃圾处置“无害化、减量化、资源化，避免二次污染”的趋势，保证垃圾收集转运过程中不发生飘、洒、遗、漏等二次污染，消除垃圾死角，保持城市市容外观新颖、靓丽，必将对高技术含量和高环保标准的环卫机械产生大M需求。
垃圾收集技术方面，国内主要采用人工移动垃圾桶到垃圾车边，上挂钩，半自动升降垃圾桶倾倒垃圾；_外出现釆用机械手自动抓取垃圾桶，但存在机械手撞倒垃圾桶、不能自动实现手爪对准垃圾桶动作等问题。
因此，开展自动收集垃圾桶机械手的研制，不仅具有广阔的市场应用前景，而且是创建卫生城市、提升城市形象和居住环境友好的必然要求。
侧装式压缩垃圾车通过安装在车厢一侧的翻料机构，将桶装垃圾提升倾倒入车厢内，实现城市社区垃圾的收集和运输，采用封闭式收集、运输，消除了过程中的二次污染问题[2]，但其垃圾桶收集方式需通过环卫工人将垃圾桶挂接到翻料机构挂钩处，劳动强度大、工作条件差、装载速度慢，降低了垃圾车的使用效率5如何省去人工挂接垃圾桶动作，集成自动抓取、交接、装填、压缩与自卸为一体，设计一款结构新颖、功能强大、适应范围广、可靠性高的垃圾桶A动收集机械手，是环卫机械发展的必然趋势和要求。
1.2国内外垃圾车机械手研究现状
垃圾车机械手在国外已口渐成熟，并得到广泛应用，其自动化程度已达到很高水准。
其中，较早运用该技术的有美国的Heil公司、McNeilus公司、NewWay公司，德国的Faim公司、Haller公司等。
随着全球化绿色城市建设以及新材料新工艺的发展，垃圾车机械手结构与功能设计技术不断创新，到目前为止，国外垃圾车机械手主要有导轨式机械手、关节型连杆式机械手、梯式轨道剪刀撑机械手、组合型机械手等。
图1.1为美国NewWay公司生产的侧装式垃圾车SidewinderXTR,采用导轨式机械手W抓取垃圾桶，机械手安装于车厢与底盘之间，主要由外伸导轨、翻转机构、末端手爪三部分组成。
日常作业过程中，机械手外伸导轨可以自由伸展完成末端手爪接近路边垃圾桶动作；然后末端手爪对垃圾桶进行夹紧，待这一系列动作完成后，翻转机构动作，迫使垃圾桶翻转180°，实现垃圾桶内垃圾倾倒到开口车厢内。
其中翻转机构动作时，外仲导轨同时也在回缩，以减小力臂。
整套垃圾桶收集动作仅用8s时间，机械手动作速度快，而且抓重大，可抓取垃圾桶质量超过200kg;另外，自由外伸可达3m,这样大大地增加了垃圾车的作业半径。
但是，由于驾驶员的驾驶水平各有不同，导致垃圾车的停车位置具有随机性。
因此，机械手末端手爪与垃圾桶的相对位置具有不确定性，机械手要实现手爪夹紧垃圾桶动作，必须先实现手爪对准垃圾桶动作，该导轨式机械手不能动实现手爪对准垃圾桶动作，在抓取垃圾桶前，只能依靠驾驶员操控整车前进或后退以实现对准动作，既不经济又不人性，同时还缺乏准确性。
图1.1NewWay公司生产的SidewinderXTR侧装式垃圾车
阁1.2为美国Heil公司生产的侧装式垃圾车HeilDuraPackPython，釆用关节型连杆式机械手[4]抓取垃圾桶，机械手安装干车厢与驾驶室之间，主要由连杆机构、关节、末端手爪三部分组成。
日常作业过程中，液压缸驱动连杆机构可以实现末端手爪接近垃圾桶动作；然后末端手爪对垃圾桶进行夹紧，待这一系列动作完成后，连杆机构再次动作，迫使垃圾桶翻转180°,实现垃圾桶内垃圾倾倒到开n车厢内，整套垃圾桶收集动作完成需要8〜10s时间，机械手动作速度快，而且抓重大，可抓取垃圾桶质量超过280kg;另外，自由外仲可达2.7m，作业半径大。
但是该型号的关节型连杆式机械手与导轨式机械手具有同样的缺陷，即不能自动实现手爪对准垃圾桶动作，在抓取垃圾桶前，只能依靠驾驶员操控整车前进或后退以实现对准动作，而且整套结构笨重，动作迟缓，容易将垃圾桶撞倒。
另外，机械手空间作业幅度很大，机械手连杆、关节的强度刚度要求很高。
图1.3为美国McNeilus公司开发的ZR系列侧装式垃圾车，采用梯式轨道剪刀撑机械手[5]抓取垃圾桶，机械手安装于车厢一侧，主要由梯式轨道、剪刀撑机构、末端手爪三部分组成。
梯式轨道是针对垃圾桶空间路径专门设计的，作业过程中，机械手剪刀撑机构可以自由伸展完成末端手爪接近路边垃圾桶动作，接着末端手爪对垃圾桶进行夹紧，待这一系列动作完成后，剪刀撑机构回位，垃圾桶贴在梯
式轨道上，沿着特定的路径运动，最后翻转180°,实现垃圾桶内垃圾倾倒动作，10s左右时间可完成一次工作循环，抓取垃圾桶质量达250kg，另外自由外伸可达3m,作业半径大，机械手内部装有载荷传感器，可检测垃圾桶质M,整体机构可靠性高，操纵平顺，噪音小，但是该型号的梯式轨道剪刀撑机械手也不能自动实现手爪对准垃圾桶动作，在抓取垃圾桶前，只能依靠驾驶员操控整车前进或后退以实现对准动作。
图1.2Hei丨公司生产的HeilDuraPackPython侧装式垃圾车
图1.3McNeilus公司生产的ZR系列侧装式垃圾车图1.4为美国McNeilus公司生产的AtlanticSerieswithPerkinsPAC1.0全自动
前装式垃圾车，釆用组合型机械手[5]，包括两套机构。
驾驶室前面配备一小型集装箱，集装箱一侧安装一套剪刀撑式机械手，主要由剪刀撑机构、翻转液压缸、末端手爪组成；另外，前装式垃圾车车厢两侧安装两折弯成一定形状的对称摇杆，摇杆和旋转货叉铰接，货叉直接插入集装箱两侧的挂耳中。
作业过程中，先是机械手剪刀撑机构自由伸展，完成末端手爪接近路边垃圾桶动作；接着末端手爪对垃圾桶进行夹紧，待这一系列动作完成后，剪刀撑机构回位，翻转液压缸动作，将垃圾桶翻转180°，实现垃圾桶内垃圾倾倒到集装箱内；最后待集装箱满载后，摇杆液压缸与货叉液压缸复合动作，完成集装箱的整体翻转，垃圾车机械手可实现垃圾集中收集，一次性卸载M大。
但是，一方面该组合型机械手不能自动实现手爪对准垃圾桶动作；另一方面整套机构动作迟缓，机械手空间作业幅度很大，尤其是摇杆机构将集装箱内的垃圾翻转倒入大车厢时，对摇杆机构的强度刚度要
求很高。
另外，摇杆液压缸驱动集装箱平动上升到一定高度时，货叉液压缸N时要驱动旋转货叉旋转，才得以实现集装箱翻转动作。
因此，对摇杆液压缸和货叉液压缸的控制同步性要求也很高。
图1.4McNeilus公司生产的前装式垃圾车
20世纪80年代，我国垃圾车机械手的研究机构、改装生产企业通过引进、消化、吸收国外先进技术，加快了国产垃圾车机械手的研发和生产，使国产垃圾车机械手得到了一定发展，但由于起步较晚，低端产品明显。
国内垃圾车机械手与国外相比存在很大差距。
一方面现有机械手类型少，另一方面自动化程度较低。
近儿年，国家不断加大力度对垃圾车机械手进行研制幵发，国内一些垃圾车企业获得了一批成果，但大部分集中在中小型车辆上。
吊升翻桶机械手
图1.5为湖北程力专用车公司研制的侧装式垃圾车，垃圾车机械手釆用吊升翻桶机构[6]，机械手安装于车厢一侧，主要由垃圾桶挂接机构、特定路径轨道、拉杆、翻转液压缸组成。
其中翻转液压缸布置于车厢顶部，拉杆连接挂接机构和顶盖。
日常作业过程中，首先需要人工挂接垃圾桶，然后翻转液压缸动作，驱动顶盖打开，协同拉杆驱动挂接机构沿特定路径轨道上升到车厢开口处，待垃圾桶提升到一定空间位罝后，挂接机构翻转180°，实现垃圾桶内垃圾倾倒到开口车厢内。
该吊升翻桶机械手结构简单，密封性好，但是自动化程度较低，需要人工挂接垃圾桶，浪费人力资本。
图1.5程力专用车公司生产的侧装式垃圾车
图1.6为烟台海德专用车公司研制开发的侧装式餐厨垃圾车CHD5125ZZZ，垃圾车机械手釆用举升翻桶机构[7],机械手安装于车厢一侧，主要由垃圾桶挂接机构、特定路径轨道、传动链、举升液压缸组成。
其中举升液压缸布置在轨道屮
间，传动链连接挂接机构和举升液压缸。
日常作业过
升级会员 