龐小蘭 姚嘉寧

摘要：在選定的二類汽車底盤參數(shù)基礎(chǔ)上，確定了后裝壓縮式垃圾車箱體的結(jié)構(gòu)形式，然后進(jìn)行了車廂主要參數(shù)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，完成了對(duì)推板的設(shè)計(jì)校核，從而得出當(dāng)增加車箱容積時(shí)，需要重新對(duì)車箱和推板設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算分析，以提高垃圾車的承載能力。

關(guān)鍵詞：垃圾車；車廂設(shè)計(jì)；推板設(shè)計(jì)與校核

中圖分類號(hào)：U463? 收稿日期：2023-01-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.013

1 研究背景和意義

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)的年總垃圾的產(chǎn)生量已經(jīng)達(dá)到18億t以上。在人們生活水平不斷提高的同時(shí)，每年的垃圾產(chǎn)生量在不斷大量增長(zhǎng)，近年的垃圾年增長(zhǎng)率達(dá)10%～15%。由于城市規(guī)模的發(fā)展，城市建設(shè)的不斷擴(kuò)大發(fā)展，使得城市垃圾成了城市建設(shè)中的問(wèn)題。這些垃圾需要被及時(shí)清理，否則將會(huì)嚴(yán)重影響我們的生產(chǎn)生活，因此垃圾車是城市垃圾清運(yùn)的發(fā)展方向。

本文設(shè)計(jì)了一種后裝式垃圾車，該車能對(duì)垃圾進(jìn)行壓縮和裝載，更好地降低運(yùn)輸成本，提高工作效率[1]。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 垃圾車類型確定

第一種方案選擇側(cè)裝式垃圾車。在進(jìn)行清運(yùn)垃圾的時(shí)候，垃圾是在側(cè)面進(jìn)行裝運(yùn)的，這樣比較方便，但不對(duì)垃圾進(jìn)行壓縮。這種垃圾車使用于特定垃圾處理中，一般運(yùn)用人工處理，操作簡(jiǎn)單，制造成本比較低。設(shè)計(jì)缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的側(cè)裝，實(shí)現(xiàn)的裝載量比較小，無(wú)法在轉(zhuǎn)運(yùn)中進(jìn)行污水處理。

如圖1所示，側(cè)裝壓縮式垃圾車主要由箱體、推料機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)和液壓后門組成。起升機(jī)構(gòu)將垃圾倒入箱體后，推板油缸將推板向后推送，將垃圾壓實(shí)并產(chǎn)生一定的背壓。當(dāng)箱體中裝滿垃圾需要傾倒時(shí)，后門打開(kāi)，推板油缸推動(dòng)推板將垃圾推出車外，之后油缸收縮并回到原位。這種垃圾車在對(duì)垃圾進(jìn)行壓縮的時(shí)候，采用的方式是推板推出[2]。這種壓縮方式非常好用，比傳統(tǒng)依靠重力的方式好用很多，且不容易造成堵塞，并且能使垃圾車的重心保持在垃圾車中部的位置，使得垃圾車運(yùn)行更為穩(wěn)定。

第二個(gè)方案是后裝式垃圾車。后裝式垃圾車在應(yīng)用場(chǎng)景上有別于側(cè)裝式垃圾車，其工作原理是填料器結(jié)構(gòu)，填料器有下放和上揚(yáng)的兩個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，下放后的結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)通過(guò)底部的連接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，廂體自動(dòng)實(shí)現(xiàn)密封，這樣的結(jié)構(gòu)在使用上能夠達(dá)到平穩(wěn)和駕駛便捷的特點(diǎn)。

在工作過(guò)程中，當(dāng)填料器裝置上揚(yáng)布置時(shí)，整個(gè)的填料器結(jié)構(gòu)可以在傳動(dòng)系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)油缸的工作傳動(dòng) ，環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)上揚(yáng)到90°，如圖3所示，這樣的結(jié)構(gòu)形式可以對(duì)垃圾進(jìn)行全部的排出，同時(shí)整車重心后移，所以不利之處表現(xiàn)為爬坡能力降低。因此，在不影響裝載的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)回轉(zhuǎn)支撐應(yīng)該前移。

2.2 技術(shù)要求確定

根據(jù)前期的調(diào)研結(jié)果，本次設(shè)計(jì)選取垃圾車車廂的空間為12 m3，且在設(shè)計(jì)時(shí)遵循GB/T 7258-2017《機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)條件》。

本文以某公司生產(chǎn)的ZJV5160ZYSHBE型壓縮車作為對(duì)標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行參考，選用EQ1168KJ型自卸車底盤，然后根據(jù)此底盤參數(shù)設(shè)計(jì)車廂，主要技術(shù)見(jiàn)表1。

2.3 總體方案確定

側(cè)裝壓縮式垃圾車主要由箱體、推料機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)和液壓后門組成。其中，箱體裝載垃圾，箱體側(cè)面安裝起升機(jī)，由油缸給力提升，可將垃圾桶吊上、放下、上下升降，上下一次工作循環(huán)時(shí)間為50 s。

如圖4所示，后裝壓縮式垃圾車的工作流程為：起升機(jī)構(gòu)將垃圾倒入箱體后，推板油缸將推板向后推送，將垃圾壓實(shí)并產(chǎn)生一定的背壓。當(dāng)箱體中裝滿垃圾需要傾倒時(shí)，后門打開(kāi)，推板油缸推動(dòng)推板將垃圾推出車外，之后油缸收縮并回到原位。采用推板推出的方式，和傳統(tǒng)車箱上舉靠重力卸料的方式相比，可以避免由于過(guò)分壓縮的垃圾膨脹堵塞在車廂內(nèi)，同時(shí)還可以防止卸料時(shí)重心過(guò)于后移而翻車。

3 后裝式垃圾車車箱的設(shè)計(jì)

3.1 確定車箱結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，垃圾車車身的比例必須符合實(shí)用功能，車輛在道路行駛過(guò)程中要帶給人視覺(jué)上的舒服感，這就要求車身的比例協(xié)調(diào)[2]。部分垃圾車主要是采用流線型的結(jié)構(gòu)樣式（圖5），這種結(jié)構(gòu)比較美觀，可以實(shí)現(xiàn)承受更大的膨脹力。

還有一種方形結(jié)構(gòu)形式，如圖6所示，這種設(shè)計(jì)采用在提高整體框架剛度的同時(shí)增加了產(chǎn)品美觀性，因此本次設(shè)計(jì)采用方形結(jié)構(gòu)箱體。

3.2 車箱設(shè)計(jì)

3.2.1 車箱前圍板設(shè)計(jì)

車箱前圍板設(shè)計(jì)如圖7所示，尺寸和質(zhì)量分別如下：

前板尺寸：2 270 mm×1 520 mm×4 mm。

鋼板質(zhì)量：N1=7.85×103×2.2×0.8×4×10-3 kg=55.26 kg

加強(qiáng)肋質(zhì)量：N2=68.05 kg

前板總質(zhì)量：m=N1+N2=123.31 kg

3.2.2 車箱左右欄板設(shè)計(jì)

車箱側(cè)板設(shè)計(jì)如圖8所示，各參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

側(cè)板尺寸：3 920 mm×1 670 mm×4 mm

鋼板質(zhì)量：N1=102.99 kg

加強(qiáng)肋質(zhì)量：N2=177.14 kg

雙側(cè)板總質(zhì)量：m=（N1+N2）×2=560.25 kg

3.2.3 車箱后部設(shè)計(jì)

車箱后框架設(shè)計(jì)如圖9所示，各參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

后板尺寸：2 270 mm×1 520 mm×5 mm

鋼板質(zhì)量：N1=7.85×103×2.2×0.8×5×10-3 kg=69.08 kg

加強(qiáng)肋質(zhì)量：N2=10.007×6.8 kg=68.05 kg

后部總質(zhì)量：m=N1+N2=137.33 kg

3.2.4 車箱頂部設(shè)計(jì)

車箱頂板設(shè)計(jì)如圖10所示，主要參數(shù)如下：

頂板尺寸：3 197 mm×1 970 mm×8 mm

鋼板質(zhì)量：N1=7.85×103×4.1×2.2×5×8×10-3 kg=566.46 kg

兩根長(zhǎng)梁的質(zhì)量：N2=16.981×8.2 kg=139.24 kg

兩根長(zhǎng)梁之間的加強(qiáng)肋質(zhì)量：N3=29.56 kg

兩邊矩形管的質(zhì)量：N4=5.658×8.2 kg=46.04 kg

其余加強(qiáng)肋的質(zhì)量：N5=59.04 kg

車箱頂部的總質(zhì)量：m=840.74 kg

3.2.5 車箱總裝配圖

根據(jù)某專用汽車公司生產(chǎn)的壓縮式垃圾車觀察，所設(shè)計(jì)的垃圾車車箱容積為12 m3，所以確定車箱形狀和尺寸參見(jiàn)圖11和圖12。

3.3 車箱材料選取

車箱材料的選擇非常重要，需要根據(jù)實(shí)際的需求和條件，來(lái)選擇最為合適的材料，同時(shí)也要考慮性價(jià)比。

垃圾車箱體主要分為底板、側(cè)板、前板和后板，不同部位的板所受到的作用力是不一樣的，根據(jù)其受到的作用力的區(qū)別決定其板材的選擇。其中底板所受到的作用力最大，為了滿足承重的需求，鋼板需要選擇較厚的鋼板，側(cè)板和前板由于承受的作用比不是很大，所以其鋼板的選擇不要太厚，能夠滿足正常的使用需求就行，而對(duì)于后板，雖然和側(cè)板、前板的情況差不多，但是它在車箱后面還能夠起到防撞的作用，為了安全起見(jiàn)，后板鋼材的厚度要比側(cè)板和前板要厚。

綜合以上因素考慮：車箱鋼板全部選用選Q235鋼板（GB/T 33963-2017《載重汽車車廂廂體用鋼板和鋼帶》），頂板厚度為4.0 mm，車箱側(cè)板和前板厚度為4.0 mm。

車箱底部主要受到貨物的重力和作用力，盡量避免拉掛貨物以及合理解決外觀問(wèn)題，因此選擇結(jié)構(gòu)用矩形冷彎空心型鋼，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。其中，H為長(zhǎng)邊；B為短邊；t為壁厚；R為外圓弧半徑。

在側(cè)箱板和后箱板上加裝用熱軋槽鋼做的加強(qiáng)肋，其結(jié)構(gòu)如圖14所示，其中，h為高度；r1為腿端圓弧半徑；b為腿寬度；I為慣性矩；d為腰厚度；W為截面系數(shù)；t為平均腿厚度；i為慣性半徑；r為內(nèi)圓弧半徑；Zo--Y-Y軸與YrY軸間距離。所選的熱軋槽鋼的尺寸規(guī)格如表2所示。

4 推板結(jié)構(gòu)

4.1 推板機(jī)構(gòu)總體方案確定

對(duì)于傳統(tǒng)推板，當(dāng)箱體容積為8.5 m3時(shí)，除去推板占用的空間，實(shí)際有效容積只有6.5 m3，垃圾的壓實(shí)率約0.6 t/m3。針對(duì)傳統(tǒng)推板存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)一種連桿式推板機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由連桿、推板、推桿油缸所組成，如圖15所示。

4.2 推板方案確定

根據(jù)現(xiàn)有后裝壓縮車的箱體截面，設(shè)計(jì)相應(yīng)的推板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的推板外形尺寸為：長(zhǎng)900 mm，寬1 970 mm，高1 270 mm，卸料角為42°，推板結(jié)構(gòu)如圖16所示。

5 三維建模及仿真分析

在此次設(shè)計(jì)中運(yùn)用的三維的設(shè)計(jì)軟件為Solidworks，運(yùn)用該軟件進(jìn)行三維建模，設(shè)計(jì)出該后裝垃圾車的外觀以及結(jié)構(gòu)。在這次的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和推板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。三維建模完成后主要對(duì)垃圾車進(jìn)行仿真分析、校核以及判斷方案能否達(dá)到預(yù)期效果。

5.1 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

車廂采用鈑金折彎焊接，整個(gè)車廂是封閉的，如圖17所示，該車廂擁有足夠的強(qiáng)度。推板裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，如圖18所示，整個(gè)液壓缸都是鉸鏈連接而成。總裝建模如圖19、圖20所示，后裝垃圾車是以普通垃圾車改造的，使其實(shí)現(xiàn)倒垃圾的自動(dòng)化功能。

5.2 推板的靜力學(xué)有限元分析

此次有限元分析軟件使用的是ANSYS19.0。為防止推板變形應(yīng)力過(guò)大，預(yù)設(shè)有加強(qiáng)筋的推板，如圖21所示。

a.將三維模型導(dǎo)入分析模塊中，如圖22所示。

b.材料屬性設(shè)置，如圖23所示。新增算例并且選擇車架的材料為Q235鋼的密度7 890 kg/m3，泊松比0.269，楊氏模量209 GPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa。

c.網(wǎng)格劃分。進(jìn)入Mesh劃分步驟，插入Body Size，選擇所有實(shí)體，然后在Element Size中輸入網(wǎng)格尺寸為50 mm，同時(shí)插入網(wǎng)格劃分方法Method，選擇四面體網(wǎng)格Tehrahedrons劃分，設(shè)置完成之后單擊Mesh選擇Generate Mesh生成網(wǎng)格，如圖24所示。

d.載荷及約束設(shè)置。對(duì)支撐推板機(jī)構(gòu)的鉸鏈座進(jìn)行固定。在工具欄中選擇Supports→Fixed Support，在彈出的詳細(xì)設(shè)置窗口選擇底部?jī)蓚€(gè)面并確定，如圖25所示。施加外載荷。右鍵單擊Static Structure，選擇Insert→Force，如圖26所示。此車設(shè)計(jì)的載重垃圾約為1 t，因此需要在推板施加載荷10 000 N。選擇受力外表面，方向向后。

e.模型求解。右鍵單擊Solution，選擇Insert，分別插入Equivalent Stress、Tatal Deformation和Directional Deformation，最后進(jìn)行結(jié)果分析，具體內(nèi)容如圖27、圖28和圖29所示。

此板受力可以滿足施加載荷10 000 N；可見(jiàn)是藍(lán)色的受力很多，看不到紅色受力集中，設(shè)計(jì)三維安全。由分析結(jié)果可知，推板主要變形部位為上部，最大變形量為0.312 mm，因此可撤銷加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)。撤銷加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)推板，如圖30所示。

將推板導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行仿真，操作方法同上，具體步驟不再贅述，最后生成的結(jié)果如圖31、圖32和圖33所示。從結(jié)果圖可以看出，推板受到的最大應(yīng)力為10.722 MPa，不超過(guò)限定屈服強(qiáng)度，其余地方最大值小于材料的許用應(yīng)力，推板安全，校核完成。

6 結(jié)語(yǔ)

在垃圾車整體的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，需要對(duì)其進(jìn)行三維建模。建模是一種非常好的方法，能夠在沒(méi)有實(shí)物的時(shí)候利用仿真技術(shù)，對(duì)垃圾車的各個(gè)零件進(jìn)行測(cè)試，判斷其是否能夠達(dá)到預(yù)設(shè)的要求，還能夠從整體的角度進(jìn)行測(cè)試，判斷各個(gè)關(guān)鍵部件以及組合是否達(dá)到預(yù)期。本文設(shè)計(jì)的垃圾車并不是那種大型的垃圾清理車，這種垃圾車整體尺寸不大，適合在小區(qū)內(nèi)部使用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

龐小蘭，女，1982年生，副教授，研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)。