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運(yùn)用緊湊相鄰法則對非規(guī)則零件圖樣進(jìn)行大規(guī)模編排
S.K.陳 K.P.羅
香港 九龍 泰奇大道 香港城市大學(xué) 制造及管理工程系
摘要
目前廣泛應(yīng)用的典型編排方法是對單個零件圖樣的幾何傾斜式編排，或者把圖樣自其初始位置到旋轉(zhuǎn)180一步一步地逐個選擇式編排。例如直交排布式。然而，這是一種對最佳原材料布置方法的盲目性探索。從幾何方面來說，當(dāng)參與排樣的圖樣有多個時，該方法就變得毫無效率可言。它也不怎么適合處理具有一系列方向約束的零件圖樣。在本論文中，提出了一種結(jié)合緊湊相鄰法則（CNA）和遺傳運(yùn)算法則（GA）來優(yōu)化大規(guī)模編排工藝的運(yùn)算方法，該方法同時還考慮到了多方面的初始位置約束。
關(guān)鍵詞：原材料的切斷問題；編排；緊湊相鄰運(yùn)算法則；遺傳算法；初始位置約束
1．簡介
原材料切斷問題在許多工業(yè)領(lǐng)域是一個有趣的問題，如服裝業(yè)，紙張工業(yè)，船體制造業(yè)各鋼鐵材料工業(yè)。Gilmore和Gomory最先開始研究運(yùn)用線性程序平解決原材料的矩形切斷問題。對于原材料的不規(guī)則形狀切斷問題，Adamowicz嘗試運(yùn)用一種對我們來說具有啟發(fā)示的方法來解決。他把這個問題分為兩個從屬的問題。即所謂的串叢式和筑巢式編排。串叢式編排是詳細(xì)地說明選擇的零件圖樣適合于給定的原材料，而巢式編排在其后進(jìn)行。巢式或串叢式編排可以大概地分為兩個大的種類，即，大規(guī)模與小規(guī)模編排。它們之間的不同在于對給定原材料能編排的零件圖樣數(shù)量的級別。在小規(guī)模編排中，只需找到串叢編排和給定原材料的內(nèi)在方向關(guān)系。然而，這個問題在大規(guī)模巢式編排時變得非常復(fù)雜，因為同時還要考慮到編排的各個相同圖樣內(nèi)在的空間關(guān)系。根據(jù)傳統(tǒng)的方法，有兩種基本的方法普遍運(yùn)用于處理這種類型的編排。它們分別是：“相似六邊形”方法和“直交編排”方法。
在此，選擇了一個典型的零件圖樣來解說這兩種技術(shù)方法。如圖1a所示，該零件同時具有外凸和內(nèi)凹的特征。在數(shù)字轉(zhuǎn)換器的幫助下得到了零件的輪廓形狀，如圖1b所示。其面積（）為74.44個平方單位。在Dori和BenBassat提出的“相似六邊形”法則中，該零件最初以一個外凸的多邊形來近似表達(dá)，然后，進(jìn)一步地以包含更少圖形要素的外凸多邊形來表達(dá)，直到得到一個包住零件的六過形，如圖1c所示。然后，在給定的原村料上，互相不重疊地輔上這個六
圖1.（a）所選的用于示范CAN算法工作原理的平板形圖樣。（b）.由數(shù)字轉(zhuǎn)換器得到的圖樣外形輪廓。（c）相近多邊形。（d）相近直角圖形。(e)用相近六邊形法則得到的布局圖，材料利用率為60.05％。（f）用正交相近算法得到的布局圖，村料利用率為67.14％。(g)用CNA算法得到的布局圖，材料利用率為74.10％。
邊形圖樣。用這種方法產(chǎn)生的最終布局圖如圖1e所示。委容易證明，由于這種較差的相近表達(dá)原因，尤其是對于某些不規(guī)則零件圖樣，這種方法沒有較高的效率。加一個問題是零件的圖樣或串叢圖樣只能采取兩個位置方向（0或180），因而沒有開發(fā)的余地或考慮其它允許的編排方向。
在Nee所使用的第二種方法中，通過一個矩形來近似表達(dá)單個的零件或串叢圖形而得到編排方法，如圖1d所示。然后，這個矩形以正交的方式復(fù)制，得到的最終布局圖如圖1f所示。當(dāng)零件圖樣沒有或只有部分方向約束時，這種方法應(yīng)用起來非常容易，例如，單個零件或串叢圖形能在某個確定的角度轉(zhuǎn)動，從而適合于原材料的編排。和“相近六邊形”法則相似，這種方法的主要不足之處是正交排列在很大程度上依賴于零件的形狀。更多的是，在有多個方向約束的情況下，確定一個適合的旋向往往需要花費(fèi)更多的時間。
為了增加編排的正確度及速度，S.K.陳和K.P.羅提出了一種緊湊相鄰法則（CNA），該法則考慮到相鄰圖樣的數(shù)量關(guān)系及它們之間的共同空間。圖1g所示為由CAN方法產(chǎn)生的布局圖，和相似六邊形及正交法則相比，在相同區(qū)域該方法具有更高的布置密度。然而，從目前形式來看，CNA主要設(shè)計用于編排具有完全方向約束的零件圖樣，對于零件圖樣有更多的自由度時達(dá)不到理想的要求。
本文探索的目的在于通過合并零件圖樣在初始方向具有的可能自由度和符合普通規(guī)則的遺傳算法來提高CNA的適應(yīng)性。優(yōu)化布局圖的生成。這種新的方法被轉(zhuǎn)化輸入用面對對象語言編寫的C++計算機(jī)程序。這種算法能處理包括有任意直線和圓弧形狀的零件的兩個方向的平面巢編問題。通過一個有幫助的典型例子，可以看到，在本文中，CNA的重要作用和相關(guān)的計算機(jī)程序?qū)⑻幱跊Q定性的地位。
2．緊湊相鄰法則的描述
當(dāng)零件被移動而形成不同的排列時，CNA追蹤變化的相鄰零件圖樣的特征，如圖2a-c所示簡要示意圖。當(dāng)剪切位移面增加時，上面及下面的相鄰特征趨向于破壞，這是由于結(jié)晶化的方向發(fā)生了改變。最后，得到一個該材料的最大緊湊結(jié)構(gòu)和相關(guān)數(shù)值。即得到所謂的“全體緊湊利用率”（UCU）值。不論零件能夠旋轉(zhuǎn)與否，UCU指出了任何所選材料的最高屈服極限，因而可作為編排過程中一個臨界標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)。找到緊湊相鄰的主要步驟包括：（1）產(chǎn)生一個“自滑移路徑”或者一個非適多邊形（NFP），如圖3a所示，來引導(dǎo)兩個非重疊零件圖樣的運(yùn)動關(guān)系。
圖2圓形圖樣的典型相鄰相結(jié)圖（a）正交直角排布形成的單元，=8，=。（b）由于層的剪切導(dǎo)致的剪切正交排布。（c）六邊形排布的最湊結(jié)構(gòu)單元，=6，=。其中；表示單體的面積；r表圓形圖樣的半徑；表示與單元體相連的鄰邊結(jié)構(gòu)單元數(shù)目。
（2）定義結(jié)晶化方向，如圖3b所示，在大規(guī)模編排中提供基本的數(shù)據(jù)來建造充滿所給材料的全部相鄰圖樣。
3．大規(guī)模編排的建議算法
本單元論述通過利用遺傳算法而使所提及的CNA技術(shù)得到加強(qiáng)。一個平面零件圖樣可以被分為直線和元弧要素。多邊形表示法可以將外凸或內(nèi)凹的元弧以直線代替。確切的直線段數(shù)目決定于所要求的精確度。清除或偏移生成也是一個有助于CAD/CAM技術(shù)成功的必不可少的過程。一種算法產(chǎn)生所要求的偏移，稱作“三點(diǎn)島嶼跟蹤”方法，已經(jīng)與目前的編排系統(tǒng)結(jié)合在一起。
圖3 （a）以自滑移路徑方式產(chǎn)生相鄰結(jié)構(gòu)時所包含的步驟。（b）以六邊形排布得到的優(yōu)化相鄰結(jié)構(gòu)單元，UCU達(dá)到83.07％。
3.1 CNA用于大規(guī)模編排
在前述章節(jié)，已經(jīng)涉及到得到最緊湊相鄰編排所包括的一些基本步驟。如圖3b所示。接下來的重點(diǎn)是確定一個最適位置來放置第一個圖樣并擴(kuò)展這種結(jié)構(gòu)，使其充滿整個原材料。編排全方位約束的零件圖樣時，只需確定一個“編排向量”，來定認(rèn)相鄰圖樣的放置位置。然而，當(dāng)偏排有限的或完全沒有約束的圖樣時，由于要考慮到可能的連接方式，這個問題變得非常復(fù)雜。在這種情況下，第一步是根據(jù)原始位置限制進(jìn)行球形布排或不依靠原始位置約束而在原材料內(nèi)部區(qū)域隨意確定相鄰圖樣位置。例如，定義一個向量，然后，確定“編排方向”，因而就確定了一個適宜相鄰圖樣排布生長的方向。全部所需的幾何計算如圖4的簡括。優(yōu)化和非常重要，它們最終決定一個最緊湊相鄰結(jié)構(gòu)。有理由相信，沒有某種獨(dú)特的數(shù)學(xué)方法來計算這些參數(shù)。另外，我們并不能得到一個徹底的研究結(jié)果因為計算時間上的限制，尤其是編排某些具有許多要素和外凸特征的零件及要花費(fèi)太長的時間用于計算的零件。因此，在本文論述中，應(yīng)用了一種目前普遍流行的優(yōu)化方法，即GA。它的主要原理如下節(jié)所述。`
圖4 根據(jù)前個定義位置，以編排向量和從屬的旋轉(zhuǎn)編排角度轉(zhuǎn)換得到的相鄰結(jié)構(gòu)
3．2 GA用于優(yōu)化布局
GA在處理預(yù)見性問題時保持著流行的趨勢?；谄湫阅?，這些問題的最適解決方法不僅存在，而且類似于有性繁殖，通過與其它的候選方法交換信息而形成的新的一代。在進(jìn)行任何遺傳操作之前，須定義最適宜功能和偏碼方法。如前所提及的，對零件進(jìn)行編排的目的在于通過配合串叢圖樣而使它們占據(jù)一最小的面積從而減少廢料。為了表示一個詳細(xì)布局的緊湊性，可以確信最直接的方式就是使它和原材料的區(qū)域發(fā)生某種聯(lián)系。
在此，是給定原材料的面積，是從給定的原材料上切下的所有零件圖樣的面積總和。
編碼可以直接或間接地影響優(yōu)化過程，這是因為我們的重點(diǎn)是確定轉(zhuǎn)換位置（例如：偏排向量）和旋轉(zhuǎn)角度（如：偏排角度）因此它們被選作偏碼參數(shù)來引導(dǎo)交疊和遺傳操作的交換待征。
3．3 遺傳算法
該方法最初由Holland提出，GA的目的在于通過模仿自然界的進(jìn)化過程優(yōu)化解決相關(guān)問題的方法。和人類的進(jìn)化相似，一個典型的GA算法包括以下的遺傳待征。
3．3．1 初始化
首先，通過隨意選取所有參數(shù)的值產(chǎn)生第一次遺傳操作結(jié)果。在實(shí)際工作應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)限制自由級轉(zhuǎn)的情況，在級進(jìn)模設(shè)計中，由于設(shè)置一致的導(dǎo)向裝置，減少隨意后進(jìn)行的薄板沖壓時的彎曲角和相似裝置有較高的費(fèi)用。用此有許多原始位置區(qū)域限制。圖5所示為兩個具有不同約束和非約束區(qū)域的典型零件，結(jié)果，可以假設(shè)零件被限制折當(dāng)前情形下的兩個極限角度位置。因此。任意產(chǎn)生一個偏排角度后F面的不等式被證明滿足條件：
（
在此，和是編排零件產(chǎn)行圖樣的數(shù)量（例如：）和零件被約束的位置區(qū)域。
圖5 旋轉(zhuǎn)約束和第一個無約束區(qū)域的次級限制關(guān)系（a）固定圖樣（）：，=30；，。（b）活動圖樣（）：，；，。
3．3．2 適值計算
根據(jù)適宜原理，每一次產(chǎn)生的布局()和適宜值（）決定著的布局的緊湊性。這個值在隨后操作中用來決定將地繁殖步驟選用的候選值。
3．3．3 復(fù)制
根據(jù)最適值P，每一分體有一個會被選用于隨后的寬度隨意選擇過程。好的個體，例如高的P值，比低的適合值具有最多的機(jī)會被選用，這一點(diǎn)很重要。
3．3．4 疊合
這是決定F一代成員的最重要的一步。繁殖的個體稱作布局i和j在疊合操作中交差了，疊合操作有助于利用其偏排角度或向量。每一個新的值從屬于不相等的情況從而檢查其可用性。
3．3．5 轉(zhuǎn)變
事實(shí)上，有多種方法可以完成這種操作。在當(dāng)前系統(tǒng)中，通過在15范圍內(nèi)隨意旋轉(zhuǎn)相鄰圖樣，1-0.5(Pi+Pj)的可能性外基本上是成功的。
3．4 多零件圖樣的大規(guī)模編排
對于多零件圖樣的切斷問題，前述的運(yùn)算法則仍然是有效的。為了增大點(diǎn)大的研究空間，一種叢串過程首先用于收集零件。例如圖6所示的8個零件用技術(shù)收集面一種串叢如圖6所示：
串排以后，有一些操作用于移去所有內(nèi)部邊界。因而在隨后的操作中達(dá)到更快的計算速度。通過重復(fù)上述步驟，最后最終可得到最佳緊湊相鄰結(jié)構(gòu)如圖6C所示?，F(xiàn)在該法已適合于大規(guī)模的偏排。
為了測驗所提示的技術(shù)用于大規(guī)模偏排的效率，把所得到后結(jié)果與傳統(tǒng)偏排技術(shù)如正相似法，由于使用的方法在材料利用方面進(jìn)行比較。在此使用200X200單位的材料。沒有任何位置限制在零件的偏排方面。一個由正交相近法產(chǎn)生的典型布局和兩個由所提出的技術(shù)得到的布局如圖7所示。相應(yīng)的，就如所閱述的，本文年出的技術(shù)可以給出一個更加好的解決方法比傳統(tǒng)的方法。此外，這種方法經(jīng)過幾次傳代可得到更優(yōu)化的組合。當(dāng)材料的尺寸更大時更時如此。當(dāng)材料尺寸增大時，運(yùn)用GA方法優(yōu)化偏排向量的值和偏排角度就變得更加重要。
圖6 解決多圖樣編排時原材料切斷問題所涉及的方法 （a）需編排或串叢的圖樣。（b）采用平移方法生成的串叢圖樣。（c）以CAN方法產(chǎn)生的六邊形排樣單元
4 個案研究
為了測驗所提出的技術(shù)用于大規(guī)模編排時的效率，把所得到的結(jié)果與傳統(tǒng)編排技術(shù)如正交相似法（由Nee最先所使用的方法）在材料利用率方面進(jìn)比較。在此使用200x200單位的原材料，在零件的編排方面沒有任何位置限制。由正交相近法產(chǎn)生的典型排樣圖和兩個由本文中提及的方法得到的排樣圖如圖7所示。就如前所闡述的，本文提及的方法比傳統(tǒng)的方法能給出一個更加好的解決方案。此外，這種方法經(jīng)過幾次遺傳操作可以得到一個最優(yōu)的組合。當(dāng)材料的尺寸較大時更是如此。當(dāng)材料的尺寸增大時，運(yùn)用GA方法優(yōu)化編排向量的值和編排角度值就變得更加重要。
圖7 （a）以直交相近法則得到的布局，材料利用率為72.8％。（b）以CNA方法經(jīng)過首次生成得到的最佳布局，材料利用率為73.9％。（c）以CNA方法經(jīng)過5次遺傳算法后得到的最佳布局圖，材料利用率為74.3％。
5 結(jié)論
對提高編排過程的效率進(jìn)行了一次嘗試，考慮到零件的初始位置約束，提出了一種對于完全位置約束的零件進(jìn)行編排的方法（GNA）， 有望發(fā)展成解決多零件編排CNA方法，它以UCU指導(dǎo)用戶獲得近似的優(yōu)化布局。結(jié)合CNA和GA的使用，可得到數(shù)學(xué)上的最佳解決方法。該方法適合應(yīng)用于大規(guī)模的編排過程。在材料的利用方面，證實(shí)了本文提出的方法的可行性。
本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
東風(fēng)多利卡后壓縮式垃圾車
目錄
第一章 前言 ……………………………………………………………………2
第二章 總體方案論證…………………………………………………………4
2.1 本課題基本前提條件和技術(shù)要…………………………………………… 4
2.2 結(jié)構(gòu)方案確定……………………………………………………………… 4
第三章 垃圾車廂體設(shè)計………………………………………………………7
3.1 合理選擇卸料方式 …………………………………………………………7
3.2確定廂體設(shè)計方案 ………………………………………………………… 8
3.3 垃圾車廂體成型工藝……………………………………………………… 9
第四章 壓縮式垃圾車排出油缸安裝角及排出板斜度取值………… 13
4.1 排出板的結(jié)構(gòu)及工作情況…………………………………………………13
4.2 排出板的受力分析…………………………………………………………13
4.3 取值范圍的探討……………………………………………………………14
第五章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計…………………………………………………… 15
5.1 確定液壓系統(tǒng)方案…………………………………………………………15
5.2 液壓缸設(shè)計計算……………………………………………………………18
5.3 油箱的設(shè)計…………………………………………………………………28
5.4 液壓泵的裝置………………………………………………………………29
5.5 液壓元件的選用……………………………………………………………30
第六章 結(jié)論…………………………………………………………………… 32
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 33
致謝………………………………………………………………………………… 34
附錄1 ………………………………………………………………………………35
附錄2 ………………………………………………………………………………36
第一章 前言
目前我國城市生活垃圾(MSW) 年總產(chǎn)生量已達(dá)1. 8 億噸，而且仍在不斷增長，年增長率為8 %～10 %。隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人們生活水平的不斷提高，一方面，城市生活垃圾的成份發(fā)生了很大變化，其變化的主要特點(diǎn)是：垃圾密度不斷降低，可壓縮性增加。如果繼續(xù)采用常規(guī)的垃圾運(yùn)輸方式，容易造成垃圾清運(yùn)中的虧載，使垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)效率降低；另一方面，近郊可利用來填埋垃圾的洼地越來越少，人們不得不考慮在遠(yuǎn)離市區(qū)的郊區(qū)建立垃圾處理處置場所。 據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)幾個大城市的垃圾處理廠距離市區(qū)均在50km 以上，運(yùn)輸費(fèi)用占垃圾處理費(fèi)用的比例較高。 在一些發(fā)達(dá)國家運(yùn)輸費(fèi)用已占垃圾處理費(fèi)用的80 %以上。 所以，降低垃圾清運(yùn)費(fèi)用是降低整個城市垃圾處理處置費(fèi)用的關(guān)鍵。 垃圾壓縮可以解決垃圾運(yùn)輸中的虧載問題，降低垃圾的運(yùn)輸費(fèi)用，是城市生活垃圾集運(yùn)的發(fā)展方向。 因此壓縮式垃圾車的優(yōu)勢日漸明顯，高效的垃圾壓縮運(yùn)輸方式有了長足的發(fā)展。
后壓縮式垃圾車便是其中的一種常見結(jié)構(gòu)形式，它由汽車底盤、填料器、上裝廂體和排出板機(jī)構(gòu)等組成。其發(fā)展方向是：提高垃圾的裝載量；改善車輛的密封性；垃圾的分類處理。垃圾的分類越細(xì)對于環(huán)境的保護(hù)效果就越好，目前城市垃圾主要可以分為4類：
a.濕垃圾：主要指廚房產(chǎn)生的廚余、果皮等含水率較高的食物性垃圾。
b.干垃圾（可回收利用垃圾）：主要指廢紙張、廢塑料、廢金屬、廢玻璃等可用于直接回收利用或再生后循環(huán)使用的含水率較低的垃圾。
a. 有害垃圾：指對人體健康或者環(huán)境造成現(xiàn)實(shí)危害或者潛在危害的廢棄物，同時也包括對人體健康有害的重金屬或有毒物質(zhì)廢棄物。
b. 大件垃圾：指重量超過5千克或體積超過0.2立方米以及長度超過1米的廢舊家具、辦公用具、廢舊電器，以及包裝箱、籮筐等大型的、耐久性的固體廢棄物，是因體積較大等因素混入城市一般生活垃圾一起清運(yùn)有困難的特殊的生活垃圾。
垃圾如何進(jìn)行分類處理是目前垃圾運(yùn)輸中急待解決的難題，這對于環(huán)境的保護(hù)意義重大。
本次設(shè)計的課題為上裝廂體設(shè)計，來源于湖北程力汽車有限公司。本次設(shè)計主要是針對垃圾車車廂設(shè)計和排出機(jī)構(gòu)液壓設(shè)計。車廂是垃圾車的重要部件之一，主要起裝載、運(yùn)輸垃圾之用。在運(yùn)輸過程中，不得產(chǎn)生飄、灑、漏等現(xiàn)象，避免造成二次污染。根據(jù)設(shè)計要求，確定了廂體形狀和主要尺寸參數(shù)，重點(diǎn)考慮它的密封性。排出機(jī)構(gòu)主要是用來排卸垃圾以及在垃圾裝載時提供一定的背壓力，使壓縮后的垃圾密度均勻。它采用液壓為動力裝置，實(shí)現(xiàn)作業(yè)自動化，大大降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率。
本課題由多位同學(xué)分工協(xié)作完成，在設(shè)計過程中，配合總體設(shè)計做了方案論證，滿足了后壓縮式垃圾車的設(shè)計要求。
第二章 總體方案論證
2.1 本課題基本前提條件和技術(shù)要求
2.1.1 基本前提條件
設(shè)計裝運(yùn)空間為12m3，設(shè)計要求必須符合QC/T2911-1993《垃圾車技術(shù)條件》要求。
2.1.2 技術(shù)要求
a. 滿足裝運(yùn)空間為12m3車。
b. 結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)合理，填料器與箱體應(yīng)可能連接滿足強(qiáng)度要求，自動鎖、安全棒等可靠。
c. 排出機(jī)構(gòu)等運(yùn)動件工作安全、可靠，且便于維修、調(diào)整。
d. 盡量使用通用件，以便降低制造成本。
2.2 結(jié)構(gòu)方案確定
2.2.1 傳統(tǒng)自卸式垃圾車的結(jié)構(gòu)分析
主要采用側(cè)翼開啟、頂蓋前后梭動等幾種方式，這種車的主要特點(diǎn)是直接收集、轉(zhuǎn)運(yùn)、不壓縮，適用于特定人工方式，操作簡單，成本低。缺點(diǎn)是：裝載量小、自動化程度低、轉(zhuǎn)運(yùn)效率低，無法解決轉(zhuǎn)運(yùn)中流污水的二次污染問題。
2.2.2 本垃圾車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
a.填料器的擺放布置
后裝壓縮式垃圾車工作時，填料器有下放和上揚(yáng)兩種布置形式。下放布置如圖2-1所示，填料器與廂體相吻合，底部機(jī)構(gòu)聯(lián)接，以保證密封性能。這樣的布置充分考慮了行駛的平穩(wěn)性和駕駛性能。
圖2-1 垃圾車填料器下放布置
填料器上揚(yáng)布置，整個填料器可以繞軸旋轉(zhuǎn)上揚(yáng)95，如圖2-2所示，這樣可以保證廂體內(nèi)的垃圾徹底排出。這種布置在填料器上揚(yáng)時，整車的重心后移，汽車的行駛性能和爬坡能力降低，在不影響裝載量的情況下，回轉(zhuǎn)支承應(yīng)盡量向前布置，使重心前移。這種布置和傳統(tǒng)的卸料方式相比，雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但是垃圾的排出比較徹底，同時避免了整車的重心過分后移，而造成翻車事故。
圖2-2 垃圾車填料器上揚(yáng)布置
b. 垃圾排卸方式
采用推板推出的方式，和傳統(tǒng)車廂上舉，靠重力卸料的方式相比，可以避免由于過分壓縮的垃圾膨脹堵塞在車廂內(nèi)，同時還可以防止卸料時重心過于后移而翻車。
2.2.3垃圾車載質(zhì)量利用系數(shù)的提高
載質(zhì)量利用系數(shù)的提高將有助于降低車輛的運(yùn)行成本。后裝壓縮式垃圾車的載質(zhì)量利用系數(shù)主要由二個方面組成:
a. 底盤的載質(zhì)量利用系數(shù)
在底盤選型時,選擇技術(shù)含量高、動力性好、自重相對較輕的底盤。
b. 專用裝置的自重
后裝壓縮式垃圾車由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,自重較大,在設(shè)計時應(yīng)盡量采用新材料、新技術(shù)、新工藝。主要零部件采用高強(qiáng)度鋼板,輔助件(如擋泥板、裝飾件、蓋板等) 采用比重較輕的注塑件。主要構(gòu)件采用特殊加工工藝方法,如:車廂側(cè)板及頂板采用數(shù)控折彎成弧形結(jié)構(gòu)。受力構(gòu)件采用局部加強(qiáng)法等,從而降低專用裝置的重量。
2.2.4 垃圾壓縮比的提高
壓縮機(jī)構(gòu)中刮板對垃圾的壓強(qiáng)將直接影響垃圾的壓縮比。當(dāng)壓強(qiáng)增大時，垃圾的壓縮比將增大；反之則減小。因而在設(shè)計壓縮機(jī)構(gòu)時，應(yīng)努力提高刮板的壓強(qiáng)。影響刮板壓強(qiáng)的因素主要有四個方面:
a.刮板的壓縮面積根據(jù)使用場合、投料方式、垃圾投入量來確定，如能滿足使用要求，刮板的面積應(yīng)盡量小。
b.壓縮油缸的安裝形式應(yīng)能充分利用油缸的最大能力，即在壓縮垃圾過程中應(yīng)使油缸無桿腔作用。
c.滑板與導(dǎo)軌的摩擦力將有助于提高垃圾壓縮力。因而，在選取滑板滑塊與導(dǎo)軌材料時應(yīng)配對選取相對摩擦系數(shù)較小的材料；減小壓縮油缸軸線與滑板導(dǎo)軌的夾角，以避免由于壓縮油缸安裝不當(dāng)產(chǎn)生的扭力使N1 、N2增大；減小壓縮油缸軸線與滑塊中心線的平行偏移量，假如油缸軸線上偏于滑塊中心線，將增大N1 、N2的值，如軸線下偏于滑塊中心線，將減小N1 、N2的值，但結(jié)構(gòu)上很難布置，故通常將壓縮油缸置于滑塊中心線上。
d.壓縮油缸與地面的水平夾角θ1越小，則壓縮油缸的推力沿車廂長度方向的分力將越大，有利于垃圾填滿整個車廂，提高垃圾壓縮比。
2.2.5 車輛密封
后裝壓縮式垃圾車由于壓縮力大，經(jīng)壓縮后的垃圾產(chǎn)生大量的污水，如不加以控制，將嚴(yán)重影響環(huán)境，因而在設(shè)計時應(yīng)從以下三個方面完善車輛密封，即:在車廂與填塞器之間安裝耐用型密封條，并加以壓縮、鎖緊；車廂底板做成前低后高，將污水控制在車廂內(nèi)；在填塞器下部安裝便于清洗的積污水槽，用于車廂與填塞器之間滴漏的污水的臨時儲存。
第三章 垃圾車廂體設(shè)計
3.1 合理選擇卸料方式
3.1.1 車廂后傾式卸料方式
其原理是:在傾卸油缸的作用下，車廂、壓縮機(jī)構(gòu)及車廂內(nèi)的垃圾繞車架尾部的回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至一定角度后車廂內(nèi)的垃圾靠自重下落實(shí)現(xiàn)卸料作業(yè)。這種卸料方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但在實(shí)際使用時存在許多弊端，如:
a. 由于垃圾在車廂內(nèi)被壓實(shí)，垃圾與車廂四周存在著較大的膨脹力與磨檫力，垃圾不易倒出，嚴(yán)重時垃圾的自重不足以克服摩擦力，產(chǎn)生垃圾脹死現(xiàn)象。
b. 在傾翻作業(yè)時，車廂、壓縮機(jī)構(gòu)及垃圾的重心將后移、上升，車輛前橋負(fù)荷降低，影響整車縱向穩(wěn)定性。嚴(yán)重時，前橋離地，整車傾翻(特別在路基較為松散的填埋場)。
c. 傾翻時，所有重量將集中至車廂回轉(zhuǎn)中心及汽車大梁尾部，將對汽車大梁及后橋產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。
3.1.2 推板卸料方式
其原理是:在車廂內(nèi)設(shè)置一塊面板呈鏟形并能沿預(yù)定軌道滑行的推板，推板在油缸的推動下，向車廂尾部作水平推擠運(yùn)動，將垃圾推出車廂，實(shí)現(xiàn)卸料作業(yè)。這種卸料方式雖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但卸料不受垃圾壓縮比的限制，卸料干凈，對車架的載荷分布較為均勻，卸料過程平穩(wěn)、安全。同時，可利用推板的阻力實(shí)現(xiàn)壓縮車雙向壓縮。因此，推板卸料是后裝壓縮式垃圾車較為理想的卸料方式。
3.2 確定廂體設(shè)計方案
目前市面上最流行的垃圾車車廂是流線型（圖3-1），樣子比較美觀，頂蓋做成弧形結(jié)構(gòu)，可以承受垃圾對它向上的膨脹力。當(dāng)然也有方型的（圖3-2），此種結(jié)構(gòu)，造型比較笨重，質(zhì)量比較大，無形中增加了汽車發(fā)動機(jī)的功率，造成浪費(fèi)，已逐漸淘汰，在此不作說明。所以我選用圖3-1這種廂體流線型設(shè)計方案。
圖3-1 流線型廂體
圖3-2 方形廂體
根據(jù)在湖北程力汽車有限公司的實(shí)習(xí)和現(xiàn)場觀察以及課題要求，所設(shè)計的垃圾車的車廂容積為12立方米，所以確定車廂形狀和尺寸如圖3-3。
圖3-3 廂體尺寸圖
3.3 垃圾車廂體成形工藝
3.3.1 概述
垃圾車廂體是垃圾車的重要部件之一，主要起裝載、運(yùn)輸垃圾之用，它由前板、左右側(cè)板、頂板、底板等五項主要零件組成。這些零件由于所處位置不同，受力情況各異，因而結(jié)構(gòu)也不相同，選用的材質(zhì)雖一致（Q235），但料厚有差異。對這幾項零件的工藝成形方法的選擇也完全不一樣。在此對廂體零件成形的工藝選擇作一分析。
3.3.2 影響成形工藝選擇的因素
下面分析垃圾車車廂成形工藝選擇的主要因素：
a. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是決定成形工藝的主要因素。任何一種成形工藝都以滿足設(shè)計要求為前提，由于該幾項零件結(jié)構(gòu)不同，因此它們的成形方法也不一樣，如前板為拉伸成形，側(cè)板和頂板為彎曲成形等。
b. 產(chǎn)量和成本
產(chǎn)量和成本是互相聯(lián)系的，降低成本是工藝工作的核心。當(dāng)一個新產(chǎn)品投入生產(chǎn)前，應(yīng)根據(jù)該產(chǎn)品的試制總方案設(shè)定的批量或年產(chǎn)量，決定該零件的成形方法，工藝裝備的選擇不宜成本過高，否則將加重產(chǎn)品的附加成本，不利市場的銷售。 東風(fēng)多利卡后壓縮式垃圾車屬中批量生產(chǎn)。
c. 研制周期
研制周期也是決定零件成形工藝的主要因素，為適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)，一般要求研制周期越短越好。這就給選擇成形工藝帶來諸如模具制造、展開件試制等困難。東風(fēng)多利卡后壓縮式垃圾車從方案論證到樣車鑒定，研制周期較短。選擇工藝成形方法時，就不能選用制造周期長的模具，而選擇那種既能保證零件成形質(zhì)量，制造周期又短的模具。
d. 設(shè)備
工廠現(xiàn)有的工藝設(shè)備和工藝水平也是選擇成形工藝必須考慮的因素。
e. 人員技術(shù)水平
操作者的技術(shù)水平也是影響成形的因素之一，在考慮工藝方案時需結(jié)合本廠操作人員的技術(shù)水平。
f. 拼料狀態(tài)
由于東風(fēng)多利卡后壓縮式垃圾車車廂尺寸為4360、2015、1645mm（長、寬、高），超過一般板料幅面，而大幅面板料的訂貨又因用量有限受到制約，因而需進(jìn)行拼焊，拼焊中因設(shè)備原因不能都采用對接鎢極自動氬弧焊。有的采用墊板接觸焊，由于各板焊接方法不同，因此在選擇零件成形工藝時還需考慮拼料狀態(tài)。
3.3.3 成形工藝的選擇
幾種工藝的比較及選擇：
a. 采用帶壓邊裝置的拉伸模拉伸成形，生產(chǎn)的零件尺寸準(zhǔn)確，表面質(zhì)量好，但模具制造成本高，模具毛坯需外協(xié)加工，制造周期長，模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維修困難。該工藝方法實(shí)用于大批量生產(chǎn)。
b. 采用鉛鋅合金模落壓成形，模具制造方便，費(fèi)用較低，制造周期也短。缺點(diǎn)是模具壽命短，零件外觀質(zhì)量較差，人工修整工作量大，工作環(huán)境太差。該方法適宜試制或小批量生產(chǎn)。
c. 采用鋼下模、鉛上模結(jié)構(gòu)的沖壓模，模具制造時按鋼模澆鑄，模具吻合較好，零件的質(zhì)量得到保證，制造成本相對較低。缺點(diǎn)是因無壓邊裝置，零件成形過程中有起皺現(xiàn)象，需在轉(zhuǎn)角處增開缺口，成形后采用人工補(bǔ)焊。該方法適于中批量生產(chǎn)。
根據(jù)以上幾種工藝方法的比較，結(jié)合東風(fēng)多利卡后壓縮式垃圾車的中批量生產(chǎn)模式，決定選用最后一種方法作為前板零件的成形工藝方法，做出合格的開口展開件。這樣既有利于零件的成形，又避免成形后過多的人工打磨。左右側(cè)板也采用相同的成形工藝方法，頂板采用壓制槽形件，然后在平板上進(jìn)行焊接的方法成形。
3.3.4 拼焊工藝
東風(fēng)多利卡后壓縮式垃圾車車廂尺寸為4360、2015、1645mm，超過一般板料的幅面尺寸，大幅面板料的訂貨因受用量限制而制約，因此尋求一種適于不同加工成形的焊接方法是拼焊的關(guān)鍵。由于受成形方法和料厚的影響，拼焊工藝各異，具體方法簡述如下：
a. 前板的拼焊
前板零件的成形是拉伸成形，因此焊接滲透性要求較高，又考慮到在拉伸過程中焊縫對模具的影響，要求焊縫光順平滑無明顯的凸起，因此只能選擇成本相對高的鎢極自動氬弧焊，從而滿足了該零件的拼焊需要。采用該工藝拼焊的板料，滿足了零件成形的需要。
b. 側(cè)板、頂板、底板的拼焊
側(cè)板、頂板、底板的拼焊選用加墊塊的點(diǎn)焊、滾焊工藝。由于這幾塊板在零件的成形中僅有彎曲成形（側(cè)板）或不需成形（底板），材料的受力狀態(tài)較前板好，加之該幾項零件都超過了鎢極自動氬弧焊的軌道，采用CO2 焊因熱影響區(qū)較大，零件的變形也大，需大量手工較形，且不能滿足設(shè)計要求，因此選用影響區(qū)小的點(diǎn)焊、滾焊工藝是較合適的，它既克服了大量的人工勞動，又能滿足設(shè)計要求。具體拼接如圖3-4，選用同牌號同料厚并與焊縫等長的墊板，采用先點(diǎn)焊后滾焊接融焊工藝。
后裝壓縮式垃圾車由于壓縮力大,經(jīng)壓縮后的垃圾產(chǎn)生大量的污水,如不加以控制,將嚴(yán)重影響環(huán)境，所以為了滿足設(shè)計要求，不產(chǎn)生飄、灑、漏等問題，焊前涂點(diǎn)焊密封膠劑，以提高其密封性。
圖3-4 拼焊圖
3.3.5結(jié)果分析
經(jīng)過以上的成形工藝選擇和拼焊工藝選擇，滿足了設(shè)計要求，大大縮短了新產(chǎn)品開發(fā)研制周期。由于選用的工藝裝備合適，不僅滿足了工廠的生產(chǎn)需要，而且降低了研制費(fèi)用。在拼焊中，由于合理選擇拼焊工藝，減少了大量人工較形，不僅保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且降低了成本，節(jié)約了資金?？傊诶囓噹某尚畏椒ㄟx擇中，由于本著從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)狀進(jìn)行了認(rèn)真選擇，因此所選工藝方法是成熟的，可行的，真正做到了投資少，見效快。
第四章 壓縮式垃圾車排出油缸安裝角及排出板斜度取值
4.1 排出板的結(jié)構(gòu)及工作情況
目前,國內(nèi)生產(chǎn)的垃圾車主要是后壓縮式,垃圾裝滿后,填料器舉升,排出機(jī)構(gòu)將垃圾推出車廂。后壓縮式垃圾車的排出機(jī)構(gòu)均采用直面折彎形狀結(jié)構(gòu),便于垃圾推卸干凈。排出機(jī)構(gòu)與排出油缸一端固定,排出機(jī)構(gòu)兩端各裝兩個滑塊。推卸垃圾時,油缸推動排出機(jī)構(gòu)前移,排出機(jī)構(gòu)滑塊沿導(dǎo)軌滑動。排出油缸的安裝角度和排出機(jī)構(gòu)折彎斜度各廠取值不同,教科書中也未給出取值范圍, 取值大小有何利弊? 現(xiàn)對排出機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，確定其取值。
4.2 排出機(jī)構(gòu)的受力分析
圖4-1 受力分析示意圖
排出機(jī)構(gòu)在推卸垃圾過程中, 受到排出油缸的推力 、壓縮的垃圾在車廂四壁產(chǎn)生的摩擦阻力 、排出板上方垃圾對排出板的作用力、排出機(jī)構(gòu)的重力、垃圾重量和排出機(jī)構(gòu)重量在底板上產(chǎn)生的摩擦力以及導(dǎo)軌對排出板機(jī)構(gòu)的法向作用力，的作用。排出油缸的布置和排出板折彎斜度的不同,排出機(jī)構(gòu)的受力狀況也不同。
剛開始移動前的平衡方程為：
（4-1）
（4-2）
式中：——推卸油缸的安裝角度，
——為的傾斜角度
從圖中看, 、均有水平分力、和向下的垂直分力、,水平分力推卸垃圾,向下的垂直分力以及排出機(jī)構(gòu)的重力W , 三個力使排出機(jī)構(gòu)滑塊緊壓在導(dǎo)軌上, 產(chǎn)生阻止排出機(jī)構(gòu)前進(jìn)的摩擦阻力。
由(4-2) 式可得:
即 =
= （4-3）
式中：——滑動摩擦系數(shù)。
排出油缸所需的最小推力,由4-1式得:
（4-4）
4.3 取值范圍的探討
由（4-3）（4-4）式知, 排出油缸的推力主要用于克服推卸垃圾的摩擦阻力, 而摩擦阻力基本是水平力。排出油缸的安裝角越大, 推力的水平分力越小, 垂直分力越大,即摩擦阻力越大, 滑塊的磨損越快, 排出機(jī)構(gòu)移動所需的最小推力也越大, 油缸缸徑越大。排出板折彎斜度越大,垃圾對排出板的垂直分力越小,而排出板對垃圾反作用力的垂直分力(向上) 小, 頂蓋的受力情況改善;但垃圾對排出板的水平分力增加。此外,開始裝垃圾時,當(dāng)滑板上移,刮板反轉(zhuǎn),滑板下移,垃圾掉下來的多。但排出板折彎斜度也不要小于38°,否則垃圾卸不干凈。
為了整車?yán)鴫嚎s后密度均勻，延長油鋼的使用壽命，根據(jù)5.1節(jié)的分析，排出油缸的安裝角度應(yīng)近可能大一點(diǎn)。無論怎樣，排出油缸的安裝角和排出板折彎斜度只要合理取值,垃圾均能全部卸干凈,不會增加成本和重量,還可延長滑塊的使用壽命。因此, 根據(jù)實(shí)習(xí)時的現(xiàn)場觀察和結(jié)構(gòu)設(shè)計，排出油缸的安裝角度取62°。排出板折彎斜度不要太大,否則開始填裝垃圾時, 垃圾掉下的多, 填裝效率不高, 過小時垃圾卸不干凈, 一般應(yīng)在38°～45°之間，因此決定取45°。此外,為使頂蓋能承受垃圾對它向上的膨脹力,頂蓋應(yīng)做成弧形結(jié)構(gòu)。
第五章 液壓系統(tǒng)設(shè)計
5.1 確定液壓系統(tǒng)方案
眾所周知,后裝壓縮式垃圾車主箱中的推板（排出板）油缸有兩個作用:垃圾壓縮過程中提供背壓力,而卸載垃圾時提供推力。目前市場上的產(chǎn)品,油缸的擺放有兩種方式:平置(圖5-1) 和斜置(圖5-2) 。表面上看這兩種方式在功能上沒有什么區(qū)別,但認(rèn)真分析,卻存在很大的差異。
圖5-1 推板油缸平置示意圖
圖5-2 推板油缸斜置示意圖
5.1.1 垃圾收集時壓縮原理
如圖5-3 ,推板推置主箱末端。通過填塞箱后壓縮機(jī)構(gòu)的提升,垃圾不斷地被壓送到主箱中。在提升垃圾的過程中,刮板提升壓力作為背壓回路遠(yuǎn)端控制信號通過油口Pil 將先導(dǎo)閥B 打開,使得推板油缸無桿腔回油路與背壓閥A 相通,當(dāng)且僅當(dāng)垃圾擠壓力超過推板油缸的背壓閥A 調(diào)定的預(yù)壓力(圖中為2 MPa) 時,推板油缸無桿腔內(nèi)的液壓油通過背壓閥A 一部分回油箱。一部分通過單向閥補(bǔ)入有桿腔,從而垃圾和推板向主箱前端移動,直到推板油缸完全收回,垃圾充滿整個主箱。
5.1.2 排出板油缸推力
排出板油缸是多級油缸,在收縮過程中,推力會因為活塞截面積的不同發(fā)生階段性的變化。而且在實(shí)際工作中,在垃圾擠壓的情況下,油缸活塞桿由小到大順序收回,所以推力變化的趨勢是由小到大。以三級油缸為例, 推力變化趨勢與推板后退行程L 的關(guān)系見圖5-4 。
= P·Si （5-1）
式中：——排出板油缸推力
P ——背壓值
Si ——活塞的作用面積
圖5-3 背壓油路原理圖 圖5-4 F油箱與推板L的關(guān)系
5.1.3 背壓力
a. 平置油缸
當(dāng)油缸平置時(圖5-5) , = ,推力變化的趨勢是由小到大,從而導(dǎo)致背壓力的變化,這與用戶追求的整車?yán)鴫嚎s后密度均勻的效果是向背的,意味著被壓縮的垃圾是前松后緊,而且滿載時也會造成整車后橋過重。
b. 斜置油缸
在推板油缸斜置的情況下,隨著推板向主箱前端移動,θ的增大, 背壓力() 逐漸減小(圖5-6) , = 。但同時,因為活塞截面積階段性的增大,又會在一定程度上彌補(bǔ)因角度變化引起的背壓力損失。
圖5-5 平置油缸背壓力 圖5-6 斜置油缸背壓力
5.1.4 兩種方式的比較
通過對比,我們可以發(fā)現(xiàn)排出板油缸斜置方式比較平置方式有以下優(yōu)點(diǎn):
a. 節(jié)省安裝空間,提高主箱容積利用率。
b. 有利于垃圾在壓縮過程中密度均勻。
c. 利于油缸的保護(hù),避免主箱內(nèi)污水損害油缸
體,保證使用壽命。
d. 有利于排出機(jī)構(gòu)平穩(wěn)移動(防偏轉(zhuǎn)) 。
所以，決定選用油缸斜置式放置。
5.1.5 液壓系統(tǒng)工況分析
亙據(jù)設(shè)計要求，在排卸垃圾時，液壓系統(tǒng)能發(fā)出足夠的力使垃圾排出；在裝載垃圾時，為了使壓縮后的垃圾密度均勻，提高其裝載量，液壓系統(tǒng)要提供一定的背壓力，使其滿足設(shè)計要求。所以，液壓原理圖如圖5-7
圖5-7 液壓原理圖
5.2 液壓缸的設(shè)計計算
5.2.1計算工作循環(huán)中的最大載荷
A. 對排出機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析,見圖4-1
可得如下方程：
（5-2）
（5-3）
式中：——推卸油缸的推力 ，也就是液壓缸的最大載荷
——推卸油缸的安裝角度
——壓縮的垃圾在車廂四壁產(chǎn)生的摩擦阻力
——排出板上方垃圾對排出板的作用力
——為的傾斜角度
——排出板機(jī)構(gòu)的重力
——垃圾重量和排出板機(jī)構(gòu)重量在底板上產(chǎn)生的摩擦力
，——為導(dǎo)軌對排出板機(jī)構(gòu)的法向作用力
由5-2式得，
（5-4）B. 排出機(jī)構(gòu)的重量計算
底部鋼管：
式中：——方管邊長 ()
——方管壁厚 ()
——每米鋼管重量 ()
——方管長 ()
頂部鋼管：
側(cè)部鋼管：
側(cè)部鋼管1：
側(cè)部鋼管2：
側(cè)部鋼管3：
此鋼板的理論重量為[1]，所以，此鋼板重量為：
排出板前板：
所以，排出機(jī)構(gòu)重量
因為，一些小零件采取估算的方式以及計算誤差
所以，最后取
C. 壓縮的垃圾在車廂四壁產(chǎn)生的摩擦阻力的計算
式中：——廂體的有效長度
——廂體的有效寬度
——廂體的有效高度
——垃圾壓縮后對廂體的壓力 ，垃圾的單位膨脹力為6235，那其對廂體的壓力
——垃圾與車廂壁之間的動摩擦系數(shù)，查表取
D. 排出板上方垃圾對排出板的作用力的計算
式中：——排出板機(jī)構(gòu)底部長度
——重力加速度
——垃圾壓縮后的密度
E. 垃圾重量和排出板機(jī)構(gòu)重量在底板上產(chǎn)生的摩擦力的計算
式中： ——廂體的容積
——排出板機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌之間的動摩擦系數(shù)，查表取
F. 將上述數(shù)據(jù)代入式（5-4）中
則，
5.2.2 確定液壓缸參數(shù)
a. 此液壓缸為三級液壓缸，各級壓力和速度可按活塞式液壓缸有關(guān)公式來計算。
式中：——一級液壓缸內(nèi)徑，
——二級活塞桿尺寸，
——三級活塞桿尺寸
—— 液壓缸工作壓力，初算時取系統(tǒng)工作壓力12.7MPa；
—— 液壓缸回油腔背壓力；為
—— 活塞桿與液壓缸內(nèi)徑之比，液壓缸采用差動連接；比值取0.7
—— 工作循環(huán)中最大的外負(fù)載；
ηcm —— 液壓缸的機(jī)械效率，一般ηcm=0.9～0.97；
標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸直徑系列取[2]。根據(jù)
計算的結(jié)果在活塞尺寸系列之中，所以取
依此類推：
標(biāo)準(zhǔn)的活塞桿尺寸系列圓整為[2]
根據(jù)已取的缸徑和活塞桿直徑，計算液壓缸實(shí)際有效工作面積，無桿腔面積A1，有桿腔面積A2、A3分別為：
b. 計算液壓缸的流量
式中：—— 排出機(jī)構(gòu)的速度7.7
c. 液壓泵流量,壓力的計算
液壓泵向液壓缸輸入的最大流量為：若取回路泄漏系數(shù)K=1.1，
則泵的流量：
q=1.1×181.3=199.43L/min。
液壓缸的最大工作壓力為=12.7MPa,在進(jìn)油路上的壓力損失一般為0.5～1.5MPa,現(xiàn)取0.8MPa。則液壓泵的最高工作壓力：
根據(jù)計算出的泵的流量和工作壓力，由作總體設(shè)計人員參考。
d. 計算電動機(jī)的驅(qū)動功率
（5-5）
式中：p —— 液壓泵的出口壓力（Pa），其值等于液壓缸的進(jìn)口壓力與泵到液壓缸這段管路壓力損失之和，壓力損失??；
q —— 液壓泵輸出流量()，q=199.43L/min=3.32×10-3m3/s；
—— 液壓泵的效率，取[3]
所以：
e. 液壓缸的設(shè)計計算
（5-6）
+ = （5-7）
式中： —— 液壓缸密封處摩擦力
由式5-6和式5-7可求得為
（5-8）
詳細(xì)計算見5.2.2節(jié)，，，
5.2.3 確定管道直徑
管道的材料一般推薦采用10號、20號的薄壁無縫鋼管、和拉制紫銅管。鋼管承受的工作壓力較高，價廉，所以本系統(tǒng)主要采用鋼管。
油管直徑尺寸一般可參照選用的液壓元件接口尺寸而定，也可按管路允許流速進(jìn)行計算。 油管的內(nèi)徑d按下式進(jìn)行計算：
（5-9）
式中： d—— 管道直徑（mm）；
q —— 液體流量（L/min）；
v —— 允許流速，按金屬管內(nèi)油液推薦流速值選用，吸油管路取
v ≤ 0.5～2m/s,壓油管路取v≤2.5～6m/s。
管道的壁厚可根據(jù)工作壓力由下式計算得出：
（5-10）
式中：p —— 工作壓力，取工作壓力為12.7MPa；
d —— 油管內(nèi)徑（mm）；
—— 許用應(yīng)力（MPa），對于鋼管≤98.1MPa,對于銅管≤25Mpa。
本系統(tǒng)主油路流量取差動連接時流量q = 181.3 L/min,允許流速按壓油管路取v = 4m/s, 則管道內(nèi)徑為：
油管的壁厚：
可選用外徑D為34mm[3]的10號冷拉無縫鋼管。
吸油管按式5-8、式5-9計算可得：
壁厚：
故可選用外徑D為65mm的10號冷拉無縫鋼管。
鋼管彎曲半徑不能太小，其最小曲率半徑R≥3D，油管經(jīng)彎曲后，彎曲處側(cè)壁厚的減薄不應(yīng)超過油管壁厚的20%，彎曲處內(nèi)側(cè)不應(yīng)有明顯的鋸齒行波紋、扭傷或壓壞，彎曲處的橢圓度不應(yīng)超過15%。
5.2.4 液壓油的選擇
該系統(tǒng)為一般液壓傳動,所以在環(huán)境溫度為-5°C～35°C之間時,一般選用20號或30號液壓油.冷天用20號機(jī)械油,熱天用30號機(jī)械油。
由與本系統(tǒng)容量較大，故不必進(jìn)行系統(tǒng)溫升的驗算。
5.2.5 液壓缸壁厚、外徑及工作行程的計算
a. 中低壓液壓系統(tǒng)中，液壓缸的壁厚一般不做計算，按經(jīng)驗選取，則缸筒外徑
（5-11）
按標(biāo)準(zhǔn)JB1068-67系列選取液壓缸的外徑為240mm[4]。
缸筒壁厚的校核，液壓缸的內(nèi)徑()與其壁厚（=0.5×40=20mm）的比值=10，故可用薄壁圓筒的壁厚計算公式進(jìn)行校核
（5-12）
式中： —— 液壓缸壁厚（mm）；
—— 試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.5）倍（MPa）；
—— 缸筒材料的許用應(yīng)力，無縫鋼管=100～110MPa。
==19.05mm≤20mm
所以所選壁厚滿足要求。
b. 液壓缸工作行程長度，可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來確定，所選的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即液壓滑臺的工作行程為3410.5mm，結(jié)合液壓缸活塞行程參數(shù)系列確定液壓缸的工作行程為3600mm。
5.2.6 液壓缸缸底和缸蓋的計算
在中低壓系統(tǒng)中，液壓缸的缸底和缸蓋一般是根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行設(shè)計，不需進(jìn)行強(qiáng)度計算。
5.2.7 液壓缸進(jìn)出油口尺寸的確定
液壓缸的進(jìn)出油口尺寸，是根據(jù)油管內(nèi)的平均速度來確定的，要求壓力管路內(nèi)的最大平均流速控制在4～5m/s以內(nèi)，過大會造成壓力損失劇增，而使回路效率下降，并會引起氣蝕、噪音、振動等，因此油口不宜過小，一般可按文獻(xiàn)[2]選用，本系統(tǒng)選用進(jìn)出油口M48×2的螺紋接頭。
根據(jù)以上計算及選用的參數(shù)綜合為表5-1。
5.2.8 液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1)缸體與缸蓋的連接形式
．
法蘭連接
優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低 （2）強(qiáng)度較大，能承受高壓
缺點(diǎn)：（1）徑向尺寸較大 （2）用鋼管焊上法蘭，工藝過程復(fù)雜
螺紋連接
優(yōu)點(diǎn)：（1）外型尺寸?。?）重量較輕
缺點(diǎn)：端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求較高
外半環(huán)連接
優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)較簡單（2）加工裝備方便
缺點(diǎn)：（1）外型尺寸較大（2）缸筒開槽，削弱了強(qiáng)度，需增加缸筒壁厚
內(nèi)半環(huán)連接
優(yōu)點(diǎn)：（1）外型尺寸?。?）結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕
缺點(diǎn)：（1）缸筒開槽，削弱了強(qiáng)度（2）端部進(jìn)入缸體內(nèi)較長，安裝時密封圈易被槽口檫傷
綜合以上，確定液壓缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)選用外螺紋連接[4]。
(2)活塞和活塞桿的連接結(jié)構(gòu)
焊接結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)簡單，比較牢固
螺紋連接
結(jié)構(gòu)簡單，在振動的工作條件下容易松動，必須用鎖緊裝置
半環(huán)連接
結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，不易松動，但會出現(xiàn)軸向間隙
錐銷連接
結(jié)構(gòu)可靠，用錐銷連接，銷孔必須配鉸
活塞與活塞桿的接結(jié)構(gòu)采用螺紋紋接，這種結(jié)構(gòu)連接穩(wěn)固，活塞與活塞桿之間無公差要求。
（3）活塞杠導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)
活塞杠導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋﹑導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封﹑防塵和鎖緊裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可以做成與端蓋分開的導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。后者導(dǎo)向套磨損后便于更換，所以應(yīng)用較普遍。導(dǎo)向套的位置可安裝在密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以裝在外側(cè)。
結(jié)構(gòu)形式
特點(diǎn)
端蓋直接導(dǎo)向
（1）端蓋與活塞桿直接接觸導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)簡單，但磨損后只能更換整個端蓋。
（2）蓋與桿的密封常用O型和Y型密封圈。
導(dǎo)向套導(dǎo)向
（1）導(dǎo)向套與活塞桿接觸支承導(dǎo)向，磨損后便于更換，導(dǎo)向套也可用耐磨材料。
（2）蓋與桿的密封常用Y型和V型。密封可適用于中高壓液壓缸。
綜合以上各種結(jié)構(gòu)形式，確定采用導(dǎo)向套導(dǎo)向。
根據(jù)密封的部位、溫度、運(yùn)動速度的范圍，活塞與缸體的密封形式選用高低唇Y(jié)形圈，這種密封圈的內(nèi)外兩唇邊長不同，直接密封用較短唇邊，這樣就不易翻轉(zhuǎn)，一般不要支承。
表5-1 液壓缸基本參數(shù)
缸筒內(nèi)徑（mm）
缸筒外徑(mm)
二級活塞桿直徑(mm)
三級活塞桿直徑(mm)
進(jìn)出油口連接
公稱直徑
螺紋連接
200
240
160
100
40
M48×2
活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等?；钊麠U處的密封形式用Yx形密封圈。為了清除活塞桿處外露部分沾附的灰塵，保證油液清潔及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈，本系統(tǒng)選用無骨架防塵圈。
液壓缸帶動工作部件運(yùn)動時，因為運(yùn)動部件的質(zhì)量較大，運(yùn)動速度較高，則在行程終點(diǎn)時，會產(chǎn)生液壓沖擊甚至使活塞與缸筒端蓋之間產(chǎn)生機(jī)械碰撞，為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在行程末端設(shè)置緩沖裝置。
常用的緩沖結(jié)構(gòu)有：
a. 環(huán)狀間隙式節(jié)流緩沖裝置
適用于運(yùn)動慣性不大、運(yùn)動速度不高的液壓系統(tǒng)。
b. 三角槽節(jié)流緩沖裝置
三角槽節(jié)流緩沖裝置是利用被封閉液體的節(jié)流產(chǎn)生的液壓阻力來緩沖的。
c. 可調(diào)節(jié)流緩沖裝置
這種節(jié)流閥不緊有圓柱形的緩沖柱塞和凹腔等結(jié)構(gòu)，而且在液壓缸端蓋上還裝有針形節(jié)流閥和單向閥。
液壓系統(tǒng)如果長期停止工作，或油中混有空氣，液壓缸重新工作時產(chǎn)生爬行、噪聲和發(fā)熱等現(xiàn)象。為防止這些不正?，F(xiàn)象產(chǎn)生，一般在液壓缸的最高位置設(shè)置放氣閥。
5.2.9 液壓缸主要零件的材料和技術(shù)要求
a. 缸體
材料選用45鋼。
內(nèi)徑用H9配合，粗糙度Ra0.3,內(nèi)徑圓度、圓柱度不大于直徑公差之半，內(nèi)表面直線度在500mm長度不大于0.03mm，端面與缸蓋固定時，端面跳動量在直徑100mm上不大于0.04mm,為防止腐蝕和提高壽命，內(nèi)表面可鍍鉻，層厚0.03～0.04mm，在進(jìn)行拋光，缸體外涂外耐腐蝕油漆。
b. 缸蓋
常用材料有：35鋼、45鋼或鑄鋼；做導(dǎo)向時選用鑄鐵、耐磨鑄鐵。故可選取前缸蓋HT200、后缸蓋為35鋼。
配合表面的圓度、圓柱度不大于直徑公差之半，端面在對孔軸線的垂直度在直徑100mm上不大于0.04mm.
c. 活塞
材料選用HT200。
外徑的圓度、圓柱度不大于直徑公差之半，外徑對內(nèi)孔的徑向跳動不大于外徑公差之半，端面對軸線垂直度在直徑100mm上不大于0.04mm，活塞外徑用橡膠密封圈密封時可取f9配合，內(nèi)孔與活塞桿的配合取H8。
d. 活塞桿
本設(shè)計中是空心活塞桿，選用的材料為45鋼的無縫鋼管。
桿外圓柱面粗糙度為Ra0.8,材料進(jìn)行熱處理，調(diào)質(zhì)52～58HRC，外徑的圓度、圓柱度不大于直徑公差之半，外徑表面直線度在500mm長度不大于0.03mm，活塞桿與前端蓋采用螺紋連接。
5.2.10 選擇各類控制閥
A 確定控制閥的壓力和流量參數(shù)
各控制閥的壓力取決于液壓泵的工作壓力。該壓力值應(yīng)納入中壓系列，壓力參數(shù)確定為13.5MPa。
B 確定各類控制閥的型號
系統(tǒng)工作壓力為12.7MPa,油泵的額定最高壓力為13.5MPa，所以可以選取額定壓力大于或等于13.5MPa的各種元件，其流量按實(shí)際情況分別選取。
根據(jù)所擬訂的液壓系統(tǒng)圖，按通過的各元件的最大流量來選擇液壓元件的規(guī)格。
a. 溢流閥4
溢流閥4的壓力調(diào)整值為系統(tǒng)壓力最高值，其值比泵的最高工作壓力稍大即可，所以選擇溢流閥的型號為DBDA10/20。
b.定壓閥7
定壓閥7的壓力值為液壓缸工作壓力的，其值為3.1MPa,所以選擇定壓閥的型號為DBD10/5。
c. 單向閥6的型號為S10A01
5.3 油箱設(shè)計
油箱的主要功用是存儲油液，散發(fā)系統(tǒng)中累積的熱量﹑促進(jìn)油液中氣體的分離﹑沉淀油液中的污染物等作用。
液壓系統(tǒng)中的油箱有整體式和分離式兩種。整體式油箱利用主機(jī)的內(nèi)腔作為油箱，這種油箱結(jié)構(gòu)緊湊，各處漏油易于回收，但增加了設(shè)計和制造的復(fù)雜性，維修不便，散熱條件不好。分離式油箱單獨(dú)設(shè)置，與主機(jī)分開，減少了油箱發(fā)熱和液壓源振動對主機(jī)工作精度的影響，因此的到了普遍的采用。
a.油箱的有效容積（油面高度為油箱高度的80%時的容積）應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)發(fā)熱﹑散熱平衡的原則來計算，這項計算在系統(tǒng)負(fù)載較大﹑長期連續(xù)工作時是必不可少的。但對于一般情況來說，油箱的有效容積可以按液壓泵的額定流量q(L/min)估計出來。
V=ξq (5-13)
式中，V為油箱的有效容積（L）；ξ為與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗數(shù)字，低壓系統(tǒng)ξ=2～4，中壓系統(tǒng)ξ=5～7，高壓系統(tǒng)ξ=10～12。
b.吸油管和回油管應(yīng)盡量相距遠(yuǎn)些，兩管之間要用隔板隔開，以增加油液循環(huán)距離，使油液有足夠的時間分離氣泡，沉淀雜質(zhì)，消散熱量。隔板高度最好為箱內(nèi)油面高度的3/4。吸油管入口處要裝粗濾油器。粗濾油器與回油管管端在油面最低時浸沒在油中?；赜凸芄芏艘诵鼻?5°，以增大出油口截面積，減慢出口處油流速度。
c.為了防止油液污染，油箱上各蓋板﹑管口處都要妥善密封。注油器上要加過濾網(wǎng)。防止油箱出現(xiàn)負(fù)壓而設(shè)置的通氣孔上須裝空氣濾清器。
d.為了易于散熱和便于對油箱進(jìn)行搬移及維護(hù)保養(yǎng)。按GB/T3766-83規(guī)定，箱底離地至少應(yīng)在150mm以上，廂體上注油口的近旁必須設(shè)置液位計。濾油器的安裝位置應(yīng)便于裝拆。箱內(nèi)各處應(yīng)便于清洗。
e.油箱中如要安裝熱交換器，必須考慮好它的安裝位置，以及測溫﹑控制等措施。
f.分離式油箱一般用2.5mm～4mm鋼板焊成。箱壁愈薄，散熱愈快。大尺寸油箱要加焊角板﹑筋條，以增加剛性。
g.油箱內(nèi)壁應(yīng)涂上耐油防銹的涂料。外壁如涂上一層級薄的黑漆（不超過0.025mm厚度），會有很好的輻射冷卻效果。鑄造的油箱內(nèi)壁一般只進(jìn)行噴砂處理，不涂漆。
5.4 液壓泵裝置
5.4.1 液壓泵的安裝方式
泵裝置采用非上置臥式安裝，這種安裝方式與其他安裝方式的比較見表5-2。
5.4.2 液壓泵與電機(jī)的連接
液壓泵與電機(jī)之間的聯(lián)軸器用簡單型彈性圈柱銷聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡
單，裝卸方便，使用壽命長，傳遞扭矩范圍較大，轉(zhuǎn)速較高，彈性好。
安裝聯(lián)軸器的技術(shù)要求是：
a. 半聯(lián)軸器做主動件；
b. 半聯(lián)軸器與電動機(jī)軸配時采用H7/h6配合，與其他軸端采用低于H7/h6的配合。
c. 最大軸度偏差不大于0.1mm，軸線傾斜角不大于40′。
大流量泵的額定轉(zhuǎn)速低于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，故泵與電機(jī)之間要用減速器相聯(lián)。
表5-2各種安裝方式的比較
安裝方式
比較項目
上置立式
上置臥式
非上置臥式
振動情況
較大
小
占地面積
小
較大
油箱清洗
較麻煩
容易
液壓泵工作條件
工作條件好
一般
好
對液壓泵安裝的要求
泵與電機(jī)同心
1． 泵與電機(jī)同心
2． 考慮液壓泵的自吸高度
3． 吸油管與泵連接處密封要求嚴(yán)格
1．泵與電機(jī)同心
2．吸油管與泵連接處密封要求嚴(yán)格
5.5 輔助元件的選用
5.5.1 濾油器
液壓系統(tǒng)中油的過濾精度是以污粒最大粒度為標(biāo)準(zhǔn)，一半分為四類：粗的（d≤100pm），普通的（d≤10pm），精的（d≤5pm），特精的（d≤1pm）。液壓系統(tǒng)中常用的濾油器，按濾芯形式分，有網(wǎng)式﹑線隙式﹑紙芯式﹑燒結(jié)式﹑磁式等；按連接方式又可分為管式﹑板式﹑法蘭式和進(jìn)油口用四種。
各式濾油器及其特點(diǎn):
（1）網(wǎng)式濾油器
濾油器屬于粗濾油器，一般安裝在液壓泵吸油路上，以次保護(hù)液壓泵。它具有結(jié)構(gòu)簡單﹑通油能力大﹑阻力小﹑易清洗等特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的過濾精度只有80μm,100μm,180μm 三種，壓力損失小于0.01Mpa，最大流量可達(dá)630L/min。
（2）線隙式濾油器
線隙式濾油器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，過濾精度較高，通油性能好；其特點(diǎn)是不易清洗，濾芯材料強(qiáng)度較低。這種濾油器一般安裝在回油路或液壓泵的吸油口處，有30μm﹑50μm﹑80μm﹑100μm四種精度等級，額定流量下的壓力損失約為0.02MPa-0.15Mpa。這種濾油器有專用于液壓泵吸油口的J型，它僅由筒型芯架3和繞在芯架外部的銅線或鋁線4組成。
（3） 芯式濾油器
這種濾油器與線隙式濾油器的區(qū)別只在于紙質(zhì)濾芯代替了線隙式濾芯，為了增大過濾面積，濾紙成折疊形狀。這種濾油器壓力損失約為0.01Mpa-0.02Mpa,過濾精度高，有5μm﹑10μm﹑20μm等規(guī)格，但這種濾油器易堵塞，無法清洗，經(jīng)常需要更換紙芯，因而費(fèi)用較高，一般用于需要精過濾的場合。
(4) 金屬燒結(jié)式濾油器
這種濾油器的過濾精度一般在10μm-100μm之間，壓力損失為0.03Mpa-0.2Mpa。這種濾油器的特點(diǎn)是強(qiáng)度大，性能穩(wěn)定，抗腐蝕性能好，制造簡單，過濾精度高，適用于精過濾。缺點(diǎn)是銅顆粒容易脫落，堵塞后不易清洗。
綜合以上各種濾油器的特點(diǎn)，選用網(wǎng)式濾油器。
5.5.2 油位指示器、溫度計的選用
油箱上安裝的油位指示器，其中心線的高度為油箱側(cè)壁高度的0.8倍，選用帶溫度計的液位計，型號為YWZ-160T。
第六章 結(jié)論
本課題是針對后壓縮式垃圾車上裝廂體設(shè)計和排出機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計的，在設(shè)計時考慮了其使用狀況，工作時盡可能穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計要求。
根據(jù)所得的結(jié)果說明：本課題設(shè)計正確，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)；在設(shè)計過程中使用了大量的通用材料，節(jié)約了原材料，降低了制造成本；后壓縮式垃圾車集自動裝填與壓縮、密封運(yùn)輸和自卸為一體,自動化程度高,提高了垃圾運(yùn)載能力,降低了運(yùn)輸成本,避免了二次污染,是收集、運(yùn)輸城市生活垃圾的理想工具；克服了擺臂式、側(cè)裝式等型式的垃圾車容量小、可壓縮性差和容易產(chǎn)生飄、灑、撒、漏等現(xiàn)象的缺點(diǎn),是垃圾車的發(fā)展趨勢。
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致 謝
為期三個月的畢業(yè)設(shè)計業(yè)已經(jīng)結(jié)束?；仡櫿麄€畢業(yè)設(shè)計過程，雖然充滿了困難與曲折，但我感到受益匪淺。本次畢業(yè)設(shè)計課題是東風(fēng)多利卡后壓縮式垃圾車的上裝廂體設(shè)計。本設(shè)計是為了解決垃圾的運(yùn)輸問題。本設(shè)計是在學(xué)院所有大學(xué)期間本專業(yè)應(yīng)修的課程以后所進(jìn)行的，是對我三年半來所學(xué)知識的一次大檢驗。使我能夠在畢業(yè)前將理論與實(shí)踐更加融會貫通，加深了我對理論知識的理解，強(qiáng)化了實(shí)際生產(chǎn)中的感性認(rèn)識。
通過這次畢業(yè)設(shè)計，我基本上掌握了垃圾車廂體設(shè)計的方法和步驟，以及設(shè)計時應(yīng)注意的問題等，另外還更加熟悉運(yùn)用查閱各種相關(guān)手冊，選擇使用材料等。
總的來說，這次設(shè)計，使我在基本理論的綜合運(yùn)用以及正確解決實(shí)際問題等方面得到了一次較好的鍛煉，提高了我獨(dú)立思考問題、解決問題以及創(chuàng)新設(shè)計的能力，縮短了我與工廠工程技術(shù)人員的差距，為我以后從事實(shí)際工程技術(shù)工作奠定了一個堅實(shí)的基礎(chǔ)。
本次設(shè)計任務(wù)業(yè)已順利完成，但由于本人水平有限，缺乏經(jīng)驗，難免會留下一些遺憾，在此懇請各位專家、老師及同學(xué)不吝賜教。
此次畢業(yè)設(shè)計是在黃開有老師的認(rèn)真指導(dǎo)下進(jìn)行的。黃老師經(jīng)常為我解答一系列的疑難問題，以及指導(dǎo)我的思想，引導(dǎo)我的設(shè)計思路。在歷經(jīng)三個多月的設(shè)計過程中，一直熱心的輔導(dǎo)。另外，我還得到了湖北程力汽車有限公司的各位工程師的熱心幫助與指導(dǎo)。在此，我忠心地向他們表示誠摯的感謝和敬意！
附 錄1
1 整車圖 LJC00.00.00 A0
2 車身組合件 LJC02.00.00 A0
3 排出板組合 LJC02.03.00 A1
4 排出板前板