基于响应曲面法后装压缩式垃圾车的试验研究①

苗淑杰，赵 桐，马慧良，苗志滨，刘亚娟

(黑龙江工程学院，黑龙江 哈尔滨150050)

0 引 言

随着人们生活水平的不断提高和城市规模的逐渐扩大，城市生活垃圾不仅数量越来越多，而且其成分也在发生变化，密度下降，可压缩性增强［1～3］.为了高效地对生活垃圾进行运输，本文设计了后装压缩式垃圾车的关键部门，并对其进行了试验研究，获得了工作时的最佳参数组合，为整车的研制提供了理论基础.

1 装置结构

后装压缩式垃圾车主要工作部件由车厢、调料器、压缩装置、举升装置及油缸等组成，如图1 所示.车辆行走时，举升机构将压缩机构推举到如图绿色部分所示位置;工作时，液压系统通过一定顺序控制刮板油缸、滑板油缸的伸张和缩短将垃圾进行压缩.

2 关键部件的设计

2.1 压缩机构

垃圾车压缩机构的形式主要有滑动刮板式压缩机构、摆动刮板式机构和连杆刮板式压缩机构等［4，5］.由于滑动刮板式压缩机构具有优良的装载性能、简单可靠的结构及单次装载量大等优点，因此，本设计选用滑动刮板式压缩机构.

2.2 推卸油缸推力

推卸油缸的受力分析图如图2 所示.

移动前，油缸处于平衡状体，有

其中，Ft为推卸油缸的推力，N;θ 为推卸油缸的安装角度，°;T 为垃圾与车厢的摩擦力，N;T’为垃圾对排出板的作用力，N;α 为T’的倾斜角度，°;W 为推卸机构自重，N;Tf为垃圾和推卸机构与地板的摩擦力，N;N1，N2为导轨对机构的法向作用力，N.

由式(1)可知，

由式(2)可知，

其中，Tf′为排出机构与导轨的阻力，N;f′为滑动摩擦系数.

由式(3)和式(4)式知，排出油缸的推力主要用于推卸垃圾的摩擦阻力.据分析，油缸安装角θ应尽量大写，但θ 越大，推卸垃圾所需最小力越大，所需油缸直径也越大，一般取θ 为62°;α 过小，垃圾排除不干净，应在38°～45°之间，本设计取45°［6］.

图1 装置结构图

图2 受力分析示意图

3 试验条件与方法

3.1 试验条件

试验地点为哈尔滨市向阳生活垃圾处理场.试验区的垃圾主要为生活垃圾，试验前，将垃圾场分块并标记，试验时随机抽取标记进行试验.试验仪器主要为东风牌EQ3081TJA 自卸汽车底盘、地秤等.

3.2 试验方法

根据Box－Behnken 设计原理，以装载质量为响应指标，以填装口距地面高度、压实板与竖直面最大角度及装载角为因素，利用Design－ExpertV8.0.6 软件设计了三因素三水平响应曲面试验［7］.其因素编码表如表1 所示.

表1 因素编码表

4 试验结果与分析

4.1 试验结果

以装载质量为因变量，以各试验因素水平编码为自变量，得到的试验结果如表2 所示.

表2 试验结果

4.2 试验分析

运用Design－Expert.V8.0.6 软件对表2 的试验结果进行分析可知，在置信水平为0.05 的情况下，模型项的P 值＜0.0001，说明模型显著;失拟项的P 值为0.0943，说明装载质量与各影响因素的关系方程失拟不显著，方程可用;因素x1，x2，x3，显著，其他因素不显著.装载质量与各影响因素的回归方程为

4.3 各因素对装载质量的响应曲面分析

应用响应曲面法，将其中一因素固定，分析其它两因素对装载质量的影响.

(1)填装口距地面高度和压实板与竖直面最大角度对装载质量的影响

将装载角固定在55°时，得到装载质量与距地面高度和与竖直面的最大角度的影响如图3 所示，其关系式为

图3 装载质量与距地面高度对装载质量的影响

由图3 可知，填装口距地面高度对装载质量的影响较压实板与竖直面最大角度显著.

(2)压实板与竖直面最大角度和填装角对装载质量的影响

将填装口距地面高度固定在800mm 时，得到装载质量与压实板与竖直面最大角度和填装角的影响如图4 所示，其关系式为

图4 压实板与竖直面最大角度和填装角对装载质量的影响

由图4 可知，填装角对装载质量的影响较压实板与竖直面最大角度显著.

(3)装填角和填装口距地面高度对装载质量的影响

将压实板与竖直面最大角度固定在60°时，得到装载质量与装填角和填装口距地面高度的影响如图5 所示，其关系式为

图5 装填角和填装口距地面高度对装载质量的影响

由图5 可知，装填角对装载质量的影响较填装口距地面高度显著.

4.4 试验优化与验证

应用软件进行优化求解，得到满足响应变量范围比较好的参数组合方案，如表4 所示.

表3 较佳参数组合表

由表3 可知，第3 号方案为最佳组合，即填装口距地面高度为868.94mm、压实板与竖直面最大角度为50°及装载角为66.97°.将各影响因素调至最佳组合，在同一试验点进行验证试验，得到装载质量的平均结果为7.702 吨，与软件优化结果基本一致.

5 结 论

(1)根据Box－Behnken 设计原理，采用响应曲面法分析了填装口距地面高度、压实板与竖直面最大角度及装载角对装载质量的影响.

(2)各因素对装载质量的显著性影响依次为装载角、填装口距地面高度和压实板与竖直面最大角度.

(3)分析得到最优参数组合为:填装口距地面高度为868.94mm、压实板与竖直面最大角度为50°及装载角为66.97°，此时装载质量为7.697 吨.

［1］ 蒲明辉，苏飞，李凯，等.基于ADAMS 的后装式压缩垃圾车卸料机构优化设计［J］.机械设计与制造，2011(7):218－220.

［2］ 曹建国.后装压缩式垃圾车结构设计分析［J］.重庆工业管理学院学报，1999(4):15－18.

［3］ 颜家学，张号雨，董其尉.后装压缩推卸式垃圾车的简单设计及仿真研究［J］.科协论坛，2010(11):70－71.

［4］ 黄有林.基于虚拟样机技术的垃圾车系统设计与仿真研究［D］.长沙:长沙理工大学，2012.

［5］ 左朝永.后装压缩式垃圾车压缩装置设计研究与仿真分析［D］.南宁:广西大学，2008.

［6］ 章正刚.后装式垃圾车的设计与分析研究［D］.长沙:长沙理工大学，2012.

［7］ 王金武，张成亮，许春林.联合整地机平整部件参数优化［J］.农业机械学报，2013(2):34－37.