桶装垃圾运输车升降尾板机构的设计与研究

摘要：升降尾板机构是桶装垃圾运输车的核心装置，直接关系到垃圾上料过程的安全性、稳定性和效率，针对现有升降尾板机构普遍存在上料效率低、结构笨重、动静态性能差等缺陷，结合桶装垃圾的上料过程及作业特点，运用参数化建模的方法设计了一种新式升降尾板机构，并利用ANSYS Workbench对其进行有限元分析。结果显示，设计的新式升降尾板机构不仅重量减轻了48 kg，而且具有良好的动静态性能，实现了预定的设计目标。

关键词：运输车；升降尾板；结构设计；有限元

中图分类号：U462  收稿日期：2024-03-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406014

1 前言

随着城镇化的不断加快以及生活质量的不断提高，垃圾产生量呈现出持续增长的趋势，传统的垃圾运输方式已难以满足日益增加的需求。因此，桶装垃圾运输车作为一种灵活、高效的垃圾收集和运输工具，得到了广泛的应用[1] ，升降尾板机构作为桶装垃圾运输车的关键装置，不仅影响着垃圾车的上料效率，还关系到垃圾处理系统的整体效能，本文依托与福龙马集团开展的产教融合、校企合作优势，针对传统升降尾板机构存在的缺陷，设计一种新式的桶装垃圾运输车升降机构，这不管是对提升桶装垃圾运输车的性能，亦或是促进环卫产业的发展均具有重大积极意义。

2 升降尾板分类

桶装垃圾运输车是垃圾运输设备的重要补充，具有上料方便、垃圾不洒落、制造成本低等优势，故在环卫领域的应用极为普遍。升降尾板机构是用于垃圾上料的重要装置，其种类繁多，根据其结构和原理的不同，桶装垃圾运输车的升降尾板机构主要包括三类，分别是伸缩式升降尾板、垂直式升降尾板、悬臂式升降尾板，各类型分析如下[2] ：

a.伸缩式。

伸缩式升降尾板主要由伸缩机构、驱动机构、升降机构以及车载板所组成，通常采用多段式设计，其中包括多个可伸缩的段落，具有伸缩功能，可以根据需要调整装卸的高度和长度[3]，因此灵活性很好，但其缺陷是负载升降的过程中晃动性大，起重量有限，其结构如图1所示。

b.垂直式。

垂直式升降尾板的主要特点是其升降运动在垂直方向进行，其主要由升降柱、升降平台和升降机构组成，由于是垂直升降，在升起时不会水平伸展，因此能够有效地节省空间，适用于有高度限制或空间有限的场所，因其结构相对简单，因此垂直式升降尾板的可靠性和稳定性较好[4]，但缺陷是灵活性差，升降效率低、承载能力有限，其结构如图2所示。

c.悬臂式。

悬臂式升降尾板主要由支撑结构、悬挑平台、升降机构以及驱动油缸组成，其最显著特点就是其悬挑式平台结构，平台部分悬挂在支架或臂上，使得升降平台能够覆盖到难以直接到达的区域，具有很好的灵活性和适用性，且尾板的起重量很大，是目前桶装垃圾运输车运用最普遍的升降尾板，但目前的悬臂式升降尾板存在的弊端是结构笨重、复杂，制造成本较高[5]。目前各环卫设备制造企业均迫切希望在此基础上进行优化设计，提升性能的同时降低成本，其结构如图3所示。

基于上述对不同类型升降尾板的分析，本文基于悬臂式结构对升降尾板机构进行全新设计，旨在提高升降尾板的性能、降低制造成本。

3 升降尾板研究现状及发展趋势

31 升级尾板研究现状

a.国内研究现状。

升级尾板的应用领域很多，除了用于桶装垃圾运输车，在物流车、厢式货车、半挂车等领域也有普遍的应用。首先，升降尾板的技术水平在国内显著提升，随着科技的不断进步，液压和电动系统的应用使得升降尾板具备了更高的稳定性和操作便捷性；其次，市场需求是推动升降尾板发展的重要动力之一，市场对升降尾板的需求呈现稳步增长的趋势；最后，政策支持对升降尾板的发展起到积极的推动作用，政府对环卫行业的支持以及相关政策的制定，促使企业更加注重提升装备水平。

总体来看，升降尾板在国内发展势头良好。技术水平的提升、市场需求的增加以及政策支持的积极作用共同推动了这一行业的快速发展。

b.国外研究现状。

升降尾板在国外一直是环卫和货运领域中备受研究关注的重要装备，国外对于升降尾板的研究涉及到技术创新、应用领域、性能优化、安全性研究以及未来趋势等多个方面。首先，国外对升降尾板的技术创新一直保持着高度的关注，众多学者致力于改进液压系统、电动驱动技术和智能控制系统，以提高升降尾板的整体性能；其次，国外的研究还关注升降尾板在不同应用领域的拓展，除了传统的环卫和货运领域，研究人员开始研究升降尾板在特殊行业和环境中的应用，如医疗物流、重型工业等；最后，升降尾板在物流操作中的安全性一直是研究的一个重要方向，研究人员关注降低升降尾板使用过程中的事故风险，通过引入先进的安全传感技术和智能控制系统，以提高升降尾板的可靠性和安全性。

总体而言，升降尾板在国外的研究处于不断深化和拓展的阶段，技术创新、安全性提升和多领域应用的研究为升降尾板的发展提供了保障。

32 升降尾板发展趋势

升降尾板作为环卫设备领域的重要装备，面临着技术创新、市场需求变化、可持续发展等多方面的挑战和机遇，发展趋势主要涉及三个方面，分别是技术创新和智能化、安全性提升、应用领域多样化。

a.技术创新和智能化。

未来升降尾板有望采用更先进的轻质材料和结构设计，更加注重提高液压系统的效率、稳定性和可靠性，此外，随着物联网技术的发展，升降尾板将更广泛地采用智能控制系统，以提高其载荷能力、能源利用效率以及操作的精准性。

b.安全性提升。

为提高升降尾板的安全性，未来会引入更先进的传感技术，通过实时监测周围环境、检测障碍物等手段，及时发现并避免潜在的安全隐患。

c.应用领域多样化。

随着全球环卫行业的发展，市场对升降尾板的需求将不断增长，未来升降尾板的应用领域可能会更加广泛，涵盖医疗物流、冷链物流、制造业等领域，设备的多样化应用将推动行业的进一步发展。

4 升降尾板参数化设计

41 结构组成及工作原理

基于悬臂式结构，本文设计的升降尾板机构主要由悬挑臂、车载板、驱动油缸、支撑座、液压油箱、液压管理、限位杆及控制系统所组成，车载板是尾板的工作区域，用于放置垃圾桶，在桶装垃圾初始上料状态下，悬臂式升降尾板处于底部位置，车载板与地面平齐，当桶装垃圾推至车载板后，驱动油缸伸出，促使车载板垂直升起，油缸伸出到位后，车板板与车厢底板平齐，桶装垃圾可顺利推至车厢内，从而完成桶装垃圾的上料，当驱动油缩回，车载板向下运动，等待下一个桶装垃圾上料，悬臂式升降尾板原理如图4所示。

42 运动机构分析

本文设计的升降尾板机构是基于FLM5080XTYQL6桶装垃圾运输车，该运输车属于大吨位环卫垃圾运输车，上料高度要求是1 140 mm，为确保桶装垃圾在上料过程中具有足够的举升力，对升降尾板机构进行运动分析是重要手段[6]。经简化，机构的运动简图见图5，利用CAD作图法和经验设计法，初步设计车载板厚度H0=100 mm，A、E两铰接点间距H3=150 mm，L1=400 mm，L2=200 mm。

悬臂式升降尾板机构的传动角是体现传动性能的重要参数，为确保升降尾板在整个上料过程中顺畅，最小传动角必须大于40°，即γmin≥40°，通过对运动简图进行分析可知，升降尾板机构在上料过程中，其传动角是实时变化的，总体趋势是先增大后减小，故升降尾板机构的最小传动角处于起始或终了状态之一，基于上述分析，对最小传动角进行计算。

机构起始状态：

[H2≤（L1+L2）cotγmin]                          （1）

[γmin=arctanH22+L21-（H1-H0）2H1-H0]               （2）

把设计参数分别代入式（1）、式（2），求出初始状态最小传动角γmin=45°。

机构终了状态：

[H2≤（L1+L2）cotγmin]                            （3）

[γmin=arctanH22+L22-（H1-H2）2H1-H2]               （4）

把设计参数分别代入式（3）、式（4），求出终了状态最小传动角γmin=42°。

通过计算分析可知，升降尾板机构在垃圾上料的初始状态和终了状态均满足传动角大于40°的设计要求，故新设计的升降尾板机构在原理上是可行的。

43 建立参数化模型

三维参数化模型不仅能够直观地分析升降尾板的运动过程，同时也是后续对升降尾板进行动静态性能分析的基础[7]。基于上述对桶装垃圾运输车升降尾板机构的分析和计算，运用Pro/E软件对升降尾板进行参数化建模设计。建模过程中，综合考虑制造成本、机构强度以及车载板耐磨性要求，设置驱动油缸和车载板的材质为45钢，其余零部件的材质为Q235B，经构建，桶装垃圾运输车升降尾板机构的参数化三维模型如图6所示。通过软件测算，新设计的升降尾板比现有的升降尾板在重量上减轻了48 kg，达到了轻量化设计的要求。

5 升降尾板动静态性能分析

51 构建有限元网格模型

网格划分是有限元分析的基础，将桶装垃圾运输车升降尾板机构的三维模型导入到Ansys Workbench中，设置弹性模量E=216 GPa，泊松比[μ]=025，为防止畸形网格的生产，去除细小的倒角和倒圆[8]，网格划分过程中，为提高求解精度和速度，采用Hex Dominant六面体网格类型，网格单元大小设置成5 mm，经自动划分，建立的有限元网格模型如图7所示。

52 升降尾板静态分析

对升降尾板进行有限元静态分析在工程设计和制造中具有不可替代的重要性，其可以评估升降尾板在静态载荷作用下的应力和变形情况，识别结构的潜在弱点，避免过度设计或设计不足，从而提高升降尾板的安全性[9]，假定满负荷双桶上料，垃圾重力约为G=9 475 N，将载荷加载到车载板上，经仿真计算，升降尾板的应力和位移云图见图8。

从静力学分析结果可知，桶装垃圾运输车的升降尾板在满负荷双桶上料状态下，最大应力为1367 MPa，小于Q235B材质的屈服强度，最大位移为0527 mm，变形极小，说明新设计的升降尾板机构具有良好的强度和刚度性能。

53 升降尾板模态分析

模态分析是确保结构在使用过程中稳定、可靠且满足设计要求的关键步骤，其能够直观地反映结构在外部激励下的动态响应，通过分析升降尾板的振动模态，了解其固有频率可以避免共振现象，提高升降尾板的稳定性，通过仿真计算，桶装垃圾运输车升降尾板的前两阶模态如图9所示。

对于FLM5080XTYQL6桶装垃圾运输车，垃圾上料过程中的加大油门转速为1 400 r/min，由此可知外界的最大激励频率为233 Hz，而新设计的升降尾板机构，其一阶模态频率为61952 Hz，二阶模态频率为94532 Hz，远大于外界激励频率，因此升降尾板机构具有良好的动态性能。

6 结语

升降尾板是桶装垃圾运输车的上料机构，其性能直接关系到整车可靠性和垃圾上料效率，针对现有升降尾板的缺陷，本文运用参数化建模和有限元仿真分析的方法设计了一种新型的升降尾板机构，经分析，新设计的升降尾板在重量上比现有的升降尾板减轻了48 kg，而且其强度、刚度以及模态参数指标表现出色，即在确保升降尾板动静态性能同时又实现了轻量化设计，缩短了研发周期和制造成本，达到了预定的设计目标。

参考文献：

[1]冯夫磊汽车液压升降尾板运动仿真及结构优化[D]南昌：华东交通大学，2013

[2]程东霁，胡雯婷，雷定中，等汽车尾板举升机构的设计及有限元分析[J]皖西学院学报，2014，30（2）：49-51

[3]方涛，陈文杰，张剑龙，等基于ADAMS和Ansys的新型折叠式汽车尾板的分析[J]北京汽车，2016（6）：34-37

[4]谢勇，王亚莲国外三种典型垃圾转运车机械臂上料机构技术分析[J]专用汽车，2019（11）：82-86

[5]单光朋，田杰，冯梓陌，等厢式面包车液压尾板的设计分析[J]内燃机与配件，2020（5）：59-60

[6]杨玉强，王国宝，张勇救援器材车液压尾板研究设计[J]工程机械，2020，51（10）：13-19+6

[7]魏明刚，秦付华，谭贞，等一种纯电动桶装垃圾运输车尾板液压系统的设计开发[J]装备制造技术，2022（4）：168-172

[8]黄耀武车用起重尾板机构的设计[J]机电技术，2023（1）：74-76

[9]冯伟全球汽车尾板技术轻量化、安全化发展趋势[J]专用汽车，2018（7）：48-50

作者简介：

曾艳，女，1983年生，讲师，研究方向为机械加工、环卫设备数字化设计。