基于ANSYS Workbench的地埋式垃圾壓塊機推壓頭靜力學分析

李帥，王守城，胡秀秀

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

0 引言

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人口的與日劇增，人們生活中產(chǎn)生了大量垃圾，垃圾處理是必須解決的問題。因為垃圾壓塊機具有壓縮垃圾、縮小垃圾體積，使垃圾的容納量變多的功能，給垃圾處理帶來極大方便。所以對地埋式垃圾壓塊機深入研究尤為重要，而推壓頭是其關鍵零部件之一，因此設計出結構合理、成本低、壓縮效果好的推壓頭能很大程度地提高垃圾的壓實密度，進而提高垃圾的處理效率[1]。

1 地埋式垃圾壓塊機的推壓機構

1.1 推壓機構簡介

地埋式垃圾壓塊機的推壓機構包括：推壓頭、推壓缸、液壓系統(tǒng)。在壓縮箱體內(nèi)安裝推壓機構，壓縮箱體和推壓機構一起埋在垃圾中轉(zhuǎn)站地下。推壓機構的功能是：對傾倒入壓縮箱體的松散垃圾進行推壓，將其壓縮成塊。在推壓機構中，最關鍵的零部件為推壓頭。

由于未處理垃圾中有大量的腐蝕性物質(zhì)，壓縮過程中溫度過高，垃圾的反作用力較大，所以必須對推壓頭進行特殊處理，而且推壓頭的材料必須具有抗腐蝕性、耐高溫、高強度、高耐磨性。在壓縮箱體內(nèi)壁兩側(cè)設置導軌。導軌對推壓頭起支撐作用，使推壓頭能夠沿導軌水平移動。壓縮箱體與推壓機構之間構成壓縮腔，壓縮腔的功能是儲存未處理垃圾，推壓頭在液壓系統(tǒng)的作用下把未處理垃圾壓成塊。垃圾壓成塊的過程中，會產(chǎn)生一些污水，所以在壓縮箱體的后底部設置排污裝置。同時，在推壓缸上必須安裝壓力傳感器，目的是檢測是否箱滿。當壓力達到或超過設定值時，壓力傳感器就會發(fā)出箱滿的信號，這時推壓機構將停止壓縮工作。

1.2 推壓頭的設計

1) 推壓頭形狀確定

目前，普通平壓頭被廣泛應用，如圖1所示，它具有結構簡易的優(yōu)點，但由于垃圾自重的原因，在箱體內(nèi)垃圾密度分布不均勻，垃圾下部密度比上部密度大，顯然壓縮時壓頭下部壓力大于上部壓力，最終使下部的垃圾壓實度大于上部的壓實度。與此同時，靠近壓頭位置垃圾的壓縮密度較高，遠離推壓頭位置垃圾的壓縮密度較小，帶來了垃圾壓縮不均勻問題，最終導致垃圾壓實效果差。而且使用普通平壓頭推壓時，壓力過大可能會導致壓頭變形，久而久之，壓頭的使用壽命也較短。

圖1 普通平壓頭

為了解決普通平壓頭帶來的問題，本文所設計的推壓頭由6部分構成，包括：上鋼板、下鋼板、側(cè)鋼板、前鋼板、加強筋、導軌板。其中前面板是由兩塊鋼板焊接而成，這兩塊鋼板分別為豎直板和折面板，豎直板和折面板存在一定的夾角，結構如圖2所示，其工作原理是：推壓頭在壓縮垃圾的時候，推壓頭的折面板能給垃圾一個斜向上的力，且可以分解為一個水平力和一個豎直力，折面板對下方垃圾壓縮的同時也對上方垃圾有壓縮作用，緩解了因垃圾本身自重引起壓縮箱體上方和下方垃圾密度不均勻的現(xiàn)象，增強垃圾的壓實密度，增大了壓頭和垃圾的接觸面積。由圖2可知，設置不同的夾角會得到不同形式的推壓頭，不同形式的推壓頭在同樣的壓縮環(huán)境下自身產(chǎn)生的變形情況也會不一樣，通過靜力學分析來確定最為滿足使用要求的推壓頭形式[2]。

圖2 推壓頭結構圖

2) 推壓頭三維模型建立

經(jīng)查技術參數(shù)，初步設定推壓頭的長為1 800mm，寬為1 400mm，高為1 100mm[3]。當推壓頭鋼板的厚度≥10mm時，安全強度能夠得到滿足，所以推板的厚度最薄地方應為10mm。在前鋼板中間位置設置折角，推壓頭的結構尺寸規(guī)整，整體類似殼體結構，并且結構對稱。在壓縮工作中，前鋼板為主要受力面，所以前鋼板的厚度要比上鋼板、下鋼板、側(cè)鋼板的厚度大。在前鋼板后的加強筋上設置支座，支座上設置銷軸孔，該支座與推壓缸的活塞桿通過銷連接。推壓頭需要放置在壓縮箱體導軌上，所以導軌板的厚度也應加大。在推壓頭內(nèi)部設置加強筋，由此建立推壓頭的三維模型，結構如圖3所示。

圖3 推壓頭的外形結構

2 推壓頭的靜力學分析

2.1 導入推壓頭三維模型并劃分網(wǎng)格

首先使用Pro/E Wildfire5.0建模并導入ANSYS Workbench15.0。推壓頭選取的材料是Q235碳鋼，其材料屬性設置為：泊松比為0.3；彈性模量為2.06×1011、密度為7 800(kg/m3)[4]。

將推壓頭模型導入ANSYS Workbench15.0后，按照以上相關參數(shù)進行設置，為了使計算時間和內(nèi)存要求都比較理想，所以采用ANSYS Workbench自動劃分網(wǎng)格的形式，網(wǎng)格劃分結果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結果

2.2 施加約束與載荷

推壓頭被推壓缸驅(qū)動并在壓縮箱體內(nèi)做水平運動。在工作過程中，推壓缸的推力最終作用在銷軸孔與銷接觸的圓柱面上，形成一個接觸角[4]。推力均勻分布在圓柱曲面上，銷軸孔附近的應力、應變、位移變化會隨接觸角變化而變化，所以要合理地選擇接觸角。接觸角一般為120°～180°。本文選擇120°的接觸角。因推力的方向是水平的，所以水平方向上下各60°形成120°接觸角。此外，導軌對推壓頭起支撐作用，導軌與推壓頭的接觸面為工作面。

添加約束：將接觸角所在的圓柱曲面進行固定約束；將推壓頭所有導軌板上表面的法向方向自由度進行約束。

施加載荷：根據(jù)作用力與反作用力相等的原理，垃圾對推壓頭的反作用力與推壓缸推力相同[5]，經(jīng)查技術參數(shù)得知推壓缸推力為600kN，推壓頭豎直板受到的均布載荷為q1，推壓頭折面板受到的均布載荷為q2。對推壓頭進行受力分析可知，q1、q2滿足的關系是：

(1)

(2)

式中：F為推力；S為受力面積；θ為推壓頭豎直板與折面板的夾角。

根據(jù)以上研究，計算出均布載荷，在推壓頭豎直板與折面板上分別施加均布載荷q1、q2。

2.3 3種不同形式推壓頭的靜力學分析

1) 前鋼板成10°夾角

推壓頭豎直板受到的均布載荷為q1，推壓頭折面板受到的均布載荷為q2。

(3)

(4)

式中：F為推力；S為受力面積；θ為推壓頭豎直板與折面板的夾角。

進行靜力學分析后，得到的應力、應變、位移如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 應力圖(10°)

圖6 應變圖(10°)

圖7 位移圖(10°)

當前鋼板成10°夾角時，分析應力圖可知，推壓頭的最大應力為184.34 MPa。最大應力發(fā)生在銷軸孔周圍附近的加強筋上，因為選用的推壓頭材料為Q235鋼，它的斷裂應力為375～460 MPa，屈服應力為185～235 MPa，最大應力小于屈服應力，故材料滿足安全條件；分析應變圖可知，在工作過程中，推壓頭的最大應變?yōu)?.617×10-4，應變主要發(fā)生在推壓頭的前鋼板的中下部，其中最大應變發(fā)生在與推壓缸連接部位，這里應當布置更多加強筋，與此同時，前面板折角焊接部位應變也較大，這個部位加工精度要高，要避免應力集中；分析位移圖可知，推壓頭的最大位移為1.062 mm，最大位移發(fā)生在前鋼板與上鋼板、下鋼板、側(cè)鋼板焊接部位，上鋼板、下鋼板、側(cè)鋼板的整體位移也較大。

2) 前鋼板成20°夾角

推壓頭豎直板受到的均布載荷為q1，推壓頭折面板受到的均布載荷為q2。

(5)

(6)

式中：F為推力；S為受力面積；θ為推壓頭豎直板與折面板的夾角。

進行靜力學分析以后，得到的應力、應變、位移如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 應力圖(20°)

圖9 應變圖(20°)

圖10 位移圖(20°)

當前鋼板成20°夾角時，分析應力圖可知，推壓頭的最大應力159.21 MPa，最大應變8.33×10-4，最大位移0.838 mm。和前鋼板成10°的推壓頭相比，其最大應力、應變、位移都比折角為10°的推壓頭要小，因此折角為20°的推壓頭更合適。

3) 前鋼板成30°夾角

推壓頭豎直板受到的均布載荷為q1，推壓頭折面板受到的均布載荷為q2。

(7)

(8)

式中：F為推力；S為受力面積；θ為推壓頭豎直板與折面板的夾角。

進行靜力學分析以后，得到的應力、應變、位移如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 應力圖(30°)

圖12 應變圖(30°)

圖13 位移圖(30°)

當前鋼板成30°夾角時，分析應力圖可知，推壓頭的最大應力為128.01 MPa，與前面兩者相比較，前鋼板成30°的推壓頭，應力更小，分布范圍更廣；分析應變圖可知，推壓頭的應變?yōu)?.65×10-4，與前面其他角度的推壓頭相比，應變更小，滿足條件；分析位移圖可知，推壓頭的最大位移為0.666 mm，主要發(fā)生在前鋼板與上鋼板、下鋼板的焊接處，上鋼板的大部分也發(fā)生了位移變化，最大變形值小于所選鋼板的厚度10 mm很多，滿足安全要求。可以適當?shù)販p小鋼板的尺寸來降低經(jīng)濟成本，為了保證可靠性和穩(wěn)定性，應選用厚度>10 mm的鋼板為宜。

2.4 靜力學分析結果

通過對不同夾角推壓頭分析，得出以下結論：

1) 推壓頭在與活塞桿連接的位置發(fā)生了最大變形，應該在此位置加大加強筋尺寸，避免因變形較大，影響推壓頭的性能和壽命。

2) 推壓頭前鋼板折角焊接部位應變、位移較大，發(fā)生了明顯的變形，前鋼板和上鋼板、下鋼板、側(cè)鋼板焊接處也有較明顯的變形，所以前鋼板的兩塊鋼板在焊接時一定要保持較高的焊接精度，前鋼板與上鋼板、下鋼板、側(cè)鋼板焊接時也要保持較高的焊接精度，避免應力集中和變形過大，保證推壓頭工作的平穩(wěn)進行。

3) 推壓頭上導軌板也有變形，這是由于推壓頭在壓縮箱體做水平往復運動時，導軌板上表面是主要受力面，故在設計推壓頭時，導軌板上表面鋼板的厚度要大一些。

4) 通過對3種不同夾角的推壓頭靜力學分析，分別得到它們的應力、應變、位移圖，從而確定其最大應力、應變、位移位置點，從而判斷材料的屈服應力是否大于最大應力，是否滿足安全要求。在滿足安全要求的前提下，再比較3種不同夾角推壓頭的最大應力、應變、位移數(shù)值。對比發(fā)現(xiàn)，3種推壓頭都滿足安全需要，夾角為30°的推壓頭最大應力、應變、位移數(shù)值更小 ，所以應該選用此夾角的推壓頭作為最終設計的推壓頭。

3 結語

本文結合地埋式垃圾壓塊機的使用要求和性能指標對關鍵零部件推壓頭進行了設計。設計了3種不同形式的推壓頭，用Pro/E進行了三維建模，通過ANSYS Workbench仿真軟件對其進行靜力學分析，得出應力、應變、位移圖，3種形式的推壓頭最大應力均小于材料的許用應力，滿足安全條件，并將求解后的應力、應變 、位移圖進行比較分析，最終得出一種滿足使用要求的推壓頭最佳模型，即夾角為30°的推壓頭，同時也為后期地埋式垃圾壓塊機的結構改進和優(yōu)化設計提供了理論基礎。