后裝壓縮式垃圾車刮板的輕量化設計研究

鄒震 鄭文標

福建龍馬環衛裝備股份有限公司 福建龍巖 364000

1 前言

隨著城市化建設的不斷加快和全球資源的日益緊張，對后裝壓縮式垃圾車的輕量化設計提出了更高的設計要求[1]。

輕量化設計是指在滿足結構性能的前提下，盡可能地減輕質量，從而減少制作材料，降低生產成本。后裝壓縮式垃圾車集垃圾上料、壓縮、轉運、自卸為一體，刮板工作頻繁、受力集中且結構笨重，其動、靜態性能的好壞直接影響到整車的壓裝性能，如何在確保刮板具有良好的動、靜態性能的基礎上進行輕量化設計是設計人員面臨的主要技術難題之一[2]。

本文以輕量化設計為目標，利用ANSYS Workbench軟件對刮板進行動、靜態分析和關鍵設計尺寸的靈敏度分析，在保證強度的前提下，對刮板性能影響較大的尺寸進行優化取值，篩選出最優方案，能夠最大限度地減輕刮板質量，降低生產成本，縮短產品的研發周期，基于此方法，可復制推廣到后裝壓縮式垃圾車的其他零部件，具有重要的指導意義。

2 建立刮板有限元模型

2.1 刮板工作原理簡介

壓縮機構總成如圖1所示，在孔1處，刮板通過銷軸與油缸相連，在孔2處通過銷軸與滑板相連；當壓縮垃圾時，油缸伸出，推動刮板繞孔2旋轉，實現刮板壓下的動作，刮板壓下到位后，滑板上行，將垃圾壓入箱體；經多次循環后，將垃圾壓實壓滿。

圖1 壓縮機構總成圖

2.2 刮板的建模與網格劃分

利用Inventor軟件對刮板進行參數化建模，Inventor軟件與ANSYS Workbench可很好地實現無縫連接，這為刮板有限元模型的建立和修改提供了很好的基礎。由于刮板內部結構較復雜，且含有許多細小的螺栓孔、倒角、圓角，如果不對模型做適當簡化，網格劃分時容易生成畸變網格，畸變網格極有可能會導致計算結果出現虛假的局部應力集中，同時也增加了不必要的計算工作量和復雜度，為此有必要對刮板做如下處理：

a. 去除小的倒角、圓角；

b. 忽略對結構無影響的小螺栓孔[3]。

簡化后，將其導入ANSYS Workbench中，泊松比設置為0.3，彈性模型設置為210 GPa，選擇四面體網格類型，網格大小為10 mm，設置好相關物理參數后，即可對刮板進行網格劃分，最終得到模型的節點數為110 001,單元數為56 066，刮板的有限元網格模型如圖2所示。

2.3 刮板載荷計算

圖2 刮板有限元網格模型

刮板在作業過程中，主要受到垃圾的壓力、刮板與面板間的摩擦力、油缸的推力F1、刮板與滑板的鉸點力F2，為便于加載，本文用等效力F代替垃圾對刮板的壓力和刮板與面板之間的摩擦力[4]。當刮板壓下，滑板上行到位時，刮板處于極限工況，此時，刮板的位置和受力如圖3所示，其中：α=29°， α1=51°，L=435 mm，L12=221 mm。對鉸點O2，由力矩平衡和力平衡可列如下方程：

把相關參數帶入式(1)～(3)，計算可得：F1=70 817 N，F2X= 66 194 N，F2y=63 425 N。

圖3 刮板受力分析示意圖

3 刮板靜力學分析

在刮板的孔2處限制其3個平動自由度和2個旋轉自由度，以此來模擬實際約束[5]。由于本文主要考慮輕量化后對強度、剛度、模態頻率的影響，因此在ANSYS靜力學分析中選擇位移和應力進行求解，刮板的位移、應力云圖如圖4、5所示。

分析可知，在極限工況下，刮板的最大變形為1.055 mm，位于刮板的底端位置；最大應力為172.6 MPa，小于Q235A材料的屈極限235 MPa，剛度和強度均滿足設計要求。

4 刮板的模態分析

圖4 刮板位移云圖

圖5 刮板應力云圖

模態分析是確定機械零部件薄弱環節和故障診斷的重要手段[6]，由于低階頻率對結構的影響較大，所以本文只取刮板的前3階模態頻率和振型進行分析，刮板的前3階模態頻率和振型如圖6(a)～(c)所示。

通過模態分析可知，刮板的前2階模態頻率均高于100 Hz，振型均為單一的擺動和扭動，但在第3階的時候，刮板的左右兩端出現擺動和扭動的復合振型，說明刮板的左右兩端是相對薄弱的部位，可通過改變筋板的結構和尺寸來提高刮板動態性能。

5 刮板的輕量化設計

刮板輕量化設計的主要目標是保證強度、剛度、動態性能良好的前提下，盡可能地使質量減輕；而靈敏度分析可準確地判定關鍵設計尺寸對目標函數（質量、應力、變形、模態頻率）的影響[7]，從而對影響較大的尺寸進行優化取值，選取最優方案。

5.1 關鍵尺寸參數的靈敏度分析

刮板的內部布有2根橫向筋板，外側布有4根縱向筋板，根據動、靜態分析結果和刮板的結構特點，可對刮板的壁厚和筋板厚度進行尺寸優化[8]，關鍵設計尺寸如圖7所示，初始值和優化區間如表1所示。其中，P1為上面板的壁厚，P2為縱向加強筋的厚度，P3為支座的壁厚，P4為下面板的壁厚。

圖6 刮板前3階模態振型

圖7 刮板關鍵設計尺寸

設置好刮板關鍵尺寸的初值和優化區間后，在ANSYS Workbench中進行靈敏度分析，判定它們對質量、應力和模態頻率的影響程度[9]，分析結果如圖8(a)～(c)所示。

從靈敏度分析結果可知，上面板的壁厚P1與下面板的壁厚P4對質量、應力以及模態頻率均有較大的影響，在輕量化設計時應重點優化，P2對質量、應力以及模態頻率的影響較小，在輕量化設計時，也可作為優化對象，支座的壁厚P3對質量影響最小，但對應力和模態頻率有一定的影響，因此保留這個優化尺寸。

表1 設計尺寸的初值與優化區間

圖8 關鍵尺寸靈敏度分析圖

5.2 刮板輕量設計及結果分析

由于優化的主要目標是對刮板進行減重，同時保證刮板的強度、剛度以及動態性能，因此在ANSYS Workbench中需對目標函數設置相應的優先級，將刮板的質量設置為“High”，應力設置為“Default”，模態頻率設置為“Lower”，經過相應的迭代計算，基于優先級的高低刷選出一組以輕量化為主要目標的最優解[10]，并進行圓整，如表2所示。

根據輕量化設計后的尺寸結果對刮板進行重新建模，并在相同的極限工況下對刮板進行靜力學和模態分析，刮板輕量化后的應力云圖和1階振型如圖9、10所示。刮板優化前后的結果比較如表3所示。

表2 設計尺寸優化前后比較

圖9 優化后刮板應力云圖

圖10 優化后刮板1階振型（107.48 HZ）

表3 刮板優化前后對比

由刮板優化前后對比表可知，刮板的質量減輕了17 kg（9.5%），應力減小了3.6%，最大變形減小了2.7%，總體來說，刮板輕量化設計后，除了第三階模態頻率有一定降低，刮板的強度、剛度、以及前2階模態頻率均有不同程度的提高，實現了輕量化設計的目標。

刮板輕量化后，每臺車降低成本約17 kg×6.3元/kg=107.1元，按年產量1 000臺計算，企業每年可降低生產成本約10.7 萬元。

6 結語

a. 由于垃圾成分的不同，其力學性質難以確定，目前尚未找到關于壓縮式垃圾車結構載荷的系統資料；本文采用等效力的方法，很好地處理了刮板所受的外界載荷，保證了有限元分析的準確性；

b. 通過對刮板的靜力學、模態以及靈敏度分析，找出了刮板的薄弱環節和可優化空間，為輕量化設計提供了依據；

c. 利用高效實用的結構優化方法對刮板進行輕量化設計，減重達17 kg（9.5%），其強度、剛度、以及前2階模態頻率均有不同程度的提高。基于此方法，企業每年可降低生產成本約10.7萬元，并可推廣到壓縮式垃圾車的其他零部件，為整車的優化提供指導。