地埋式垃圾转运装置总体方案设计_陈杰

b E
a １２０° D
b
F a G
图 7 左边牵引四杆机构设计
取 a=60mm，左右两边挂环处牵引四杆机构中 d= 400mm，电磁铁直接牵引连杆与右边挂环牵引连杆四 杆机构中 d=582.1mm，通过作图确定 b=773.9mm。
（4）电磁铁直接牵引连杆设计。将电磁铁的牵引动 作看作滑块的水平直线运动，则整个机构类似曲柄滑 块机构，设计原理如图 8 所示。
理论流量计算公式如下：
QP＝K（∑Q）s max
（15）
设定 a=60mm，b=150mm，a 杆与水平轴初始夹角 60°，由此作图求出 c 杆初始长度为 170.6mm，电磁铁动 作后 c 杆长度为 186.3mm，电磁铁行程 L=15.7mm<L 额
2.2.3 吊箱架提升液压缸选取
液压缸提升质量=垃圾箱质量+吊箱架质量=
4300kg，需要的实际推力和拉力 F>mg=42 140N，由式（2）
第 41 卷 第 7 期 2013 年 7 月
研究与设计
林业机械与木工设备 FORESTRY MACHINERY & WOODWORKING EQUIPMENT
Vo1 41 No. 7 Jul. 2013
地埋式垃圾转运装置总体方案设计
陈杰 （昆明钢板弹簧厂，云南 昆明 650101）
摘 要：设计了地埋式垃圾转运装置，其主要包括该装置的总体方案设计、摆杆机构设计和吊箱架设计。 关键词：地埋式；摆杆机构设计；吊箱架设计 中图分类号：ＴＨ２１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－２９５３（２０１３）０７－００３８－０４
吊箱架提升液压缸能升降吊箱架带动垃圾箱在额 定行程内升降，额定行程至少保证升降行程能达到 500mm，箱架下降速度设置为 0.03m/s=1.8m/min，即活 塞杆缩回速度 v=1.8m/min。吊箱架升降过程中在任意 位置能够平稳停住，垃圾箱及吊箱架总重约 4 300kg，活 塞杆理论推拉力 F0>46 822N。
选定箱体外围尺寸长 3.2m、宽 2.1m、高 1.5m。摆杆 地面支座中心距离地面约 0.3m，箱体高 1.5m，总计约 3.2m。设定摆杆铰链中心长 3.4m，设定液压油缸活塞杆 伸出端中心线与摆杆中心线的初始夹角为 135°，摆杆 举升垂直后，活塞杆中心线与摆杆夹角变化约为 5°。设 计举升质量以 7000kg 为标准。
根据摆杆设定长度、液压缸活塞杆初始举升角度
以及计算结果作图，确定活塞杆行程约为 2400mm。参
照韶关液压件厂有限公司生产的 16MPa 液压缸产品，
初步选用内径为 125mm 的液压缸，其活塞杆直径 d=
90mm，液压缸外径为 152mm。液压缸理论作用力：
F0=p·A=196350N
（4）
此活塞杆能够输出的作用力大于 97.03kN，符合要
度约为 0.035m/s，即 2.1m/min，活塞往复速度比选为 2。
根据公称压力 P，确定液压缸活塞杆实际作用力 F≥
97.02kN，则液压缸理论作用力：
F0≥
F η
＝
97.02 0.9
=107.8kN
（2）
式中：η 为总效率，取 η＝0.9。
缸筒内径：
姨 D≥ 4F0 =92.62mm πp
（3）
式中：α 变化大致为 135°→90°→41°；β 变化为 90°→
39°→0°。由此可知作用于活塞杆上的作用力在不断减
小，即由平衡重力所产生的作用于活塞杆上的最大载
荷为 97.02kN。
2.3.4 液压系统控制
液压系统工作过程首先是摆杆举升液压主油缸动 作，装置举升垂直后倒车到位，吊箱架提升液压缸动 作，降落吊箱架；放箱后，吊升吊箱架，最后摆杆举升液 压主油缸动作，将装置落回地坑。
F L/2
F
L
F
F
图 4 吊箱架梁受力分析
其中：F=mg/4=9800N，L 为两个挂环间距离，根据
箱子长 3.2m，初步取 L=1.8m。
吊 箱 架 主 梁 承 受 弯 矩 Mmax =F·L/4 =9800 ×0.45 =
4410N·m。选用经济合理的热轧槽钢，竖向放置，材料为
普通碳素结构钢 Q235，屈服极限 σs=235MPa，安全系数
第7期
陈 杰，等：地埋式垃圾转运装置总体方案设计
41
力分析如图 9 所示。
G=mｇ β
Fα
F 支座 x F 支座 y 图 9 摆杆运动受力分析图
将摆杆运动过程视为匀速平衡状态，对支座处列
力矩平衡方程：
2F·L ·sinα＝mg·L·sinβ 2
（10）
经化简得：
F＝
mg·sinβ sinα
（11）
s=2，许用应力［σ］=117.5MPa，由式（5）可得：
W≥ Mmax ＝ 4410 ＝37.53cm3 ［σ］ 117.5
（9）
吊箱架主梁选用 12.6# 槽钢，h=126mm，b=53mm，
W=62.1cm3，A=15.692cm2；与主梁焊接的横梁选用 10#
槽钢，h=100mm，b=48mm，W=39.7cm3，A=12.748cm2。附
摆杆举升液压主油缸和吊箱架提升液压缸动作均 由三位四通电磁换向阀控制。
液压系统工作原理如图 10 所示。
Q1＝
v·A ηv
＝ πD2 4ηv
v×103＝25.77L/min
（12）
活塞杆缩回时：
Q1＝
v·A ηv
＝ π（D2－d2）φ·v×103=24.83L/min 4ηv
（13）
ηv 为液压缸容积效率，活塞密封采用弹性密封材
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林业机械与木工设备
第 41 卷
梁选用 8# 槽钢，h=80mm，b=43mm。
2.2.2 挂环牵引四杆机构设计
设定挂环转动角度为 15°，将整个挂环牵引机构简 化为四种四杆机构。
（1）两边挂环处牵引四杆机构设计原理如图 5 所示。
O
c
G
６０° a b
P
图 8 电磁铁直接牵引连杆机构设计
定行程为 30mm，符合设计要求。
2.3.2 确定液压系统执行元件
摆杆举升液压主油缸和吊箱架提升液压缸均采用 单活塞杆双作用液压缸。
2.3.3 确定液压系统工作压力
根据液压厂生产的产品，确定液压系统工作压力 为 16MPa。
确定作用于执行元件的载荷：由摆杆举升方案设 计与计算可知，要能举升装置，需要摆杆举升液压主油 缸活塞杆的最小推力为 97.02kN，对摆杆运动过程中受
（7）
先不考虑轴力 Fn 的影响，由式（5）可得：
W≥ Mmax ＝ 58.31×103 ＝496.2cm3 ［σ］ 117.5
（8）
经强度校核选用型号为 32a 工字钢可以满足强度
要求。
2.2 吊箱架机构设计
2.2.1 吊箱架梁的设计
吊箱架提升满载的垃圾箱约 4000kg，通过滑轮和 四根钢索升降，受力简图如图 4 所示。
求（能推起约 12000kg 的质量）。
2.1.4 摆杆设计与计算
可将摆杆视为梁，梁的弯曲强度条件为：
σmax=
Mmax W
≤［σ］
（5）
梁截面上的最大弯矩 Mmax 与抗弯截面系数 W 成
正比，而梁使用的材料量和自重大小与截面面积 A 成
正比，面积越小越经济，越轻巧。若以 W/A 来衡量截面
形状的合理性和经济性，工字钢或槽钢比矩形截面钢
2 垃圾转运装置设计
垃圾转运装置主要由密封盖、垃圾箱、摆杆机构、 挂箱机构、液压和电器控制系统，以及地面控制台、抽
收稿日期：2013－03－11
图 1 机构运动简图
2.1.2 力学分析 忽略转动处的摩擦，此方案中装置简化力学模型
第7期
陈 杰：地埋式垃圾转运装置总体方案设计
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如图 2 所示。
L W
材经济合理。
梁弯曲时的正应力计算公式如下：
σmax=
Mma·x ymax Iz
（6）
源自文库
从正应力分布的规律也可看出，弯曲时梁截面上 的点离中性轴越远正应力越大。为充分利用材料，也应 尽可能把材料置放到离中性轴较远处。
摆杆材料选用经济合理的 Q235 热轧工字钢，其屈 服极限 σs=235MPa，安全系数取 s=2，得许用应力［σ］= 117.5MPa。
设计内容主要有装置总体方案设计、摆杆机构设 计（包括液压系统的设计）和吊箱架设计。
2.1 摆杆机构设计
2.1.1 结构特点
摆杆上部铰接于箱盖主梁架的焊接托座上，摆杆 底部铰接于地面支承，摆杆中部与液压缸活塞杆伸出 端铰接。附杆一端铰接于地面，另一端铰接在箱盖平衡 支座上。附杆与摆杆构成平行四杆机构。机构运动简图 如图 1 所示。
B
b
a α＝９０°
A
d
C c
β＝９０°
D
图 5 挂环处铰链四杆机构设计
α、β 的初始角度为 90°，位移为 15°，初步设定 c= a=100mm，b=d=400mm。
（2）电磁铁直接牵引连杆与右边挂环牵引连杆四 杆机构设计原理如图 6 所示。
N
G
d
a α＝６０° b
θ
β＝４５°
D
c
M
图 6 右边牵引四杆机构设计
料时为 1。
（2）吊箱架提升液压缸所需流量计算：
活塞杆伸出时，由式（12）得：Q2=5.73L/min；
活塞杆缩回时，由式（13）得：Q2=11.45L/min。
（3）液压泵流量计算：
液压泵所需输出的实际流量：
Q=2Q1+Q2=2×25.77+11.45=62.99（L/min） （14）
垃圾转运装置的液压系统属于一般系统，液压泵
2.3 液压系统设计
2.3.1 设计要求
摆杆举升液压主油缸活塞杆伸出速度 V 约为 0.035m/s，即 2.1m/min。装置举升过程要求缓慢平稳，通 过作图确定行程为 2420mm，液压缸理论作用力：F0=F/η= 97.03/0.9=107.81kN。系统在行程终了时能够缓冲，而且 在举升过程中任意位置都能够安全平稳停住。
Overall Program Design of a Buried Waste Transfer Device
CHEN Jie
（Kunming Leaf Spring Factory, Kunming Yunnan 650101, China）
Abstract：Ａ ｂｕｒｉｅｄ ｗａｓｔｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎ， ｓｗｉｎｇ ｒｏｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｈａｎｇｉｎｇ ｂｏｘ ｆｒａｍｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ． Key words：ｂｕｒｉｅｄ； ｓｗｉｎｇ ｒｏｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ； ｈａｎｇｉｎｇ ｂｏｘ ｆｒａｍｅ ｄｅｓｉｇｎ
以摆杆为研究对象，摆杆受力分析如图 3 所示。
A G=mｇ
L
２
１
B
２F
１
图 3 摆杆受力分析
C F支座 x
F支座 y
通过对摆杆的分析可知，摆杆变形属于轴向压缩
与弯曲的组合变形，图 3 中 L 为摆杆铰链中心点间距
离 L＝3.4m，B 点处为危险截面。初步计算最大弯矩为：
Mmax=mg·L/4=58.31（kN·m）
图 6 中所示为四杆机构初始位置，a 杆与水平轴设 计初始夹角 α=60°，b 杆与水平轴设计初始夹角为 θ，c 杆与水平轴设计初始夹角 β=45°。采用机械原理四杆机 构解析法求得基本参数为：
a=60mm，c=90mm，b=626.5mm，d=582.1mm。 （3）电磁铁直接牵引连杆与左边牵引连杆四杆机 构设计原理如图 7 所示。
得液压缸理论作用力：F0>F/0.9=46822N。 由式（3）可计算液压缸内径 D：
姨 无活塞杆侧内径：D≥
4F0 =61.04mm πp
姨 有活塞杆侧内径：D≥ 4F0 +d2 =86.32mm πp 选用内径为 90mm 的液压缸，其活塞杆直径为 63mm，
外径为 108mm，标准行程为 630mm。
G=mｇ
F
图 2 装置简化力学模型
图中 G=mg 为装置总设计举升质量，F 为液压缸活
塞杆对摆杆的推力。经分析可知举升该装置需要最大
力时是在装置启动位置。
2F·sin45°·L2 ≥mg·L
F≥mg/sin45°= 7000×9.8×2 =97.02kN 姨2
（1）
2.1.3 液压缸内径计算与选择
初步选用液压缸公称压力 P=16MPa，活塞运动速
1 垃圾转运装置设计要求
水泵、地坑组成。
随着社会的进步，部分垃圾转运站已由露天式改为封 闭式。垃圾箱装满后，转运装置即将其吊起并放在车厢上 运走，再把空箱放入垃圾坑中，垃圾箱容积的设计要能满 足一定数量人群的垃圾产生量。整个装置的工作过程为： 放箱→垃圾投放→垃圾压紧→挂箱→起吊→放箱→松钩。 垃圾箱从起吊到放箱整个过程大约需要 2min，整个装置 操作简便，安全性高，日常操作和管理仅需一人。