基于ABAQUS壓縮式垃圾車提升機構強度與疲勞分析

羅煜林

摘要：為研究壓縮式垃圾車提升機構的可靠性，文中通過研制一種壓縮式垃圾車提升機構的質量檢驗平臺，利用SolidWorks三維軟件對壓縮式垃圾車的提升機構及質量檢驗平臺進行建模，對主要受力部件進行受力分析，再對其使用ABAQUS分析軟件結合標準要求的試驗次數進行運動仿真和疲勞分析，找出提升機構的薄弱部位，為后續提升機構在質量檢驗平臺的可靠性試驗提供對比分析驗證，也為企業在專用裝置的可靠性分析提供一種方法，并為后續提升機構連接構件的結構優化提供依據。

關鍵詞：壓縮式垃圾車；提升機構；可靠性；仿真分析

Strength and Fatigue Analysis of Lifting Mechanism Based on ABAQUS Compression Garbage Truck

LUO Yulin

（Longyan Branch of Fujian Special Equipment Supervision and Research Institute， Longyan 364000， Fujian， China）

Abstract： In order to study the reliability of the lifting mechanism of the compression garbage truck， this paper uses SolidWorks 3D software to model the lifting mechanism and quality inspection platform of the compression garbage truck by using a quality inspection platform of the compression garbage truck lifting mechanism， and then analyzes the main stressed parts， and then， the movement simulation and fatigue analysis are carried out by using ABAQUS analysis software combined with the test times required by the standard， and the weak position of the lifting mechanism is found out，. It also provides comparative analysis and verification for the reliability test of the subsequent lifting mechanism in the quality inspection platform， and also provides a method for the reliability analysis of the enterprise in the special device， and provides a basis for the structural optimization of the connecting components of the subsequent lifting mechanism.

Key Words： Compression garbage truck; Lifting mechanism; Reliability; Simulation analysis

0前言

提升機構作為壓縮式垃圾車的重要組成部分，主要實現垃圾桶的翻轉功能，并將垃圾桶中的垃圾倒入壓縮式垃圾車的填料機構，利用刮板將垃圾帶入壓縮機構進行壓縮過程。在此過程中，提升機構的作用顯得尤為重要，不僅需滿足配合精度、強度，對安裝高度與翻轉角度也有很高的要求，以便垃圾桶能在設定位置將全部垃圾傾倒而出。

文中根據CJ/T 127-2016壓縮式垃圾車對提升機構可靠性的要求，需進行12000次的翻轉次數，平均無故障時間大于等于5000次，可靠度大于80%，可靠性才符合要求[1]。根據調研，目前市場上缺乏壓縮式垃圾車提升機構的檢測方法與手段，為實現標準的可靠性研究，文中對研制的質量檢驗平臺與提升機構進行建模，對主要零部件進行受力分析，再進行運動仿真與疲勞分析，實現可靠性的理論分析，后期再利用研制的質量檢驗平臺，對提升機構進行可靠性循環試驗。實現提升機構的可靠性檢驗。

1提升機構主要零部件靜力分析

提升機構主要由垃圾桶翻轉支架、輔助連接臂、支撐連接臂、固定支座、油缸組成。其工作原理如下：固定支座焊在質量檢驗平臺兩側，油缸、支撐連接臂及輔助連接臂與其連接，支撐連接臂與輔助連接臂的另一端與垃圾桶翻轉支架相連，由油缸驅動支撐連接臂轉動，帶動垃圾桶翻轉支架轉動，翻轉支架上設有掛鉤，帶動垃圾桶隨翻轉支架翻轉，當達到一定角度時，垃圾桶自動將垃圾傾倒進填料機構。具體結構如圖1所示。

根據分析，提升機構在正常工作時，由油缸伸出帶動支撐連接臂轉動，再帶動翻轉支架與垃圾桶翻轉。其主要受力零件為支撐連接臂，支撐連接臂主要受到垃圾重量與油缸驅動的力矩，隨著翻轉支架的轉動，垃圾桶重量與支撐連接臂的角度也不斷縮小，支撐連接桿所受到的力也增大，當垃圾桶與地面水平時，此時垃圾處于臨界傾倒狀態，支撐臂與重力方向的角度為50°。垃圾桶容積為240L，一個翻轉支架一般帶兩個垃圾桶，因翻轉支架對稱受力，則單個支撐臂支架的受力大小為1個垃圾桶的承載重量以及翻轉支架重量，以垃圾桶滿載時的質量進行分析，取密度為水的密度，則此時支撐連接臂收到的力如圖2、式（1）～（4）所示。

對O1點的力矩：

對O2點的力矩：

MO1X——重力在x方向上對支撐連接臂的力對O1點的力矩；

MO1y——重力在y方向上對支撐連接臂的力對O1點的力矩；

MO2X——重力在x方向上對支撐連接臂的力對O2點的力矩；

MO2y——重力在y方向上對支撐連接臂的力對O2點的力矩；

Fx——重力在x方向上對支撐連接臂的力；

Fy——重力在y方向上對支撐連接臂的力；

α——重力方向與支撐連接臂之間的夾角；

G1——垃圾桶重力，240kg；

G2——翻轉支架重力，50kg；

L1——Fx對O1點的力臂的力，352mm；

L2——Fy對O1點的力臂的力，32mm；

L3——Fy對O2點的力臂的力，500mm。

當垃圾桶與地面垂直時，支撐連接臂與重力方向夾角α=78°，當垃圾桶處于垃圾臨界倒出狀態時，支撐連接臂與重力方向夾角α=66°，重力在x方向對支撐連接臂的影響較小，只考慮重力在y方向上對支撐連接臂的影響，故當支撐連接臂與重力方向夾角α=78°時，此時支撐連接臂受到的力矩最大，A點到O2點的距離最大，計算得MO2y=1418.31N·m。因支撐連接臂同時受到力與力矩的作用，則其受到的應力為：

式中：

——支撐連接臂受到的最大應力；

——支撐連接臂橫截面積；

——抗彎截面系數；

——支撐連接臂許用應力。

支撐連接臂截面為矩形，其截面寬度h=230mm，板厚b=10mm，則其抗彎截面系數為：

代入式（5）得：

Q235材料的最大許用應力為235MPa，故該提升機構的強度滿足要求。

2提升機構強度分析

利用solidworks對質量檢驗平臺和提升機構進行建模，將模型轉成step格式，并導入ABAQUS軟件進行運動仿真和強度分析，對整個系統進行網格劃分，單元庫設置standard，幾何階次設置線性，選擇8節點六面體線性減縮積分單元C3D8R。與完全積分單元相比，線性減縮積分單元僅在單元中心包含一個積分點，而二次減縮積分單元的積分點數量與線性完全積分單元的相同。它可以在彎曲荷載下不易發生剪切自鎖現象，并對位移的求解結果比較精確，在網格存在扭曲變形時，分析的精度不會受到太大的影響[2]。因提升機構為對稱結構，為減少分析工作量，取其中一半進行分析，網格劃分結果如圖3所示。然后定義質量檢驗平臺和提升機構的材料屬性，因所用材料為Q235，設置其楊氏模量為210Gpa，泊松比0.3。接著定義分析步，設置分析類型為動力，隱式，時間長度為4s，初始增量步0.1，最小增量步1e-8。

再對分析對象相互作用，設置主要接觸方式為面與面接觸，主要為垃圾桶與整機的面面接觸，摩擦系數設置為0.2，法向剛度設置為硬接觸。還需設置邊界條件，對質量檢驗平臺底部約束支撐和對稱約束設置，結果如圖4、圖5所示。最后設置載荷，根據前面分析結果，分析對象主要承受垃圾桶的承載質量與翻轉支架的重量，因只取一半進行分析，其所受到的質量為290kg，從垃圾桶處于水平放置狀態到垃圾完全傾倒而出的過程，液壓油缸需伸出31mm，故設置液壓缸的相對位移為31mm，以及重力加速度為10000。提交作業，分析結果。

根據分析結果，對質量檢驗平臺系統進行單個循環運動動畫，滿足渲染結果為應力結果，單位MPa，其運動仿真結果滿足要求，通過單個循環應力分布可知，質量檢驗平臺與提升機構的強度滿足設計要求，應力主要集中于支撐連接臂與油缸鉸鏈連接處和支撐連接臂與固定支座鉸鏈處之間。從整個系統的應力分布情況，單個循環最大應力為141.4MPa，渲染為紅色區域，如圖6、圖7所示。Q235材料的最大許用應力為235MPa，故該提升機構的強度滿足要求。

3提升機構疲勞分析

為實現對提升機構的可靠性分析，還需利用ABAQUS結合Fe-safe的方法對提升機構進行疲勞仿真分析，Fe-safe是對疲勞耐久性分析和處理信號的一款較為先進的仿真分析軟件，它是多軸疲勞分析解決方案的領導者，算法先進，功能全面細致，是世界公認精度較高的疲勞分析軟件。ABAQUS結合Fesafe計算疲勞強度操作過程如圖8所示。

將ABAQUS分析得到的模型計算結果導入fe-safe作為輸入模型，建立載荷的時間歷程、材料及其對應的S-N曲線，并定義表面粗糙度、算法等相關參數。計算后得到提升機構質量檢驗平臺系統的循環周次，輸出疲勞壽命，通過其他后處理軟件讀取相應的可視化結果[3]。根據疲勞壽命分析結果，提升機構質量檢驗平臺系統最小壽命部件為支撐連接臂，疲勞壽命達22074，滿足CJT127-2016要求的12000次的要求，結果如圖9、圖10所示。

4結語

文中對支撐連接臂進行理論計算分析，其最大應力為140.26MPa，再利用ABAQUS軟件進行仿真分析，得出最大應力處也在支撐連接臂，為141.4MPa，相互驗證了計算結果的準確性。其強度小于應力，符合要求。

然后，再將ABAQUS的計算結果導入fe-safe軟件進行疲勞分析，其疲勞壽命薄弱點也在支撐連接臂，在標準允許的范圍內。

根據分析結果，支撐連接臂與油缸和固定支座鉸接處之間最為薄弱。后期企業可參照分析結果加強此處的強度，如加大厚度，優化結構以減少應力集中，從而延長提升機構的使用壽命。

最后，可靠性的試驗結果不僅取決于結構強度和疲勞強度，還與控制系統運行的穩定性，液壓系統、工作環境等有關系，后期還需結合質量檢驗平臺對提升機構進行現場試驗，還可以將提升機構與質量檢驗平臺置于環境倉真實模擬其工作環境，記錄其平均無故障工作次數，再根據試驗次數，計算提升機構的可靠度。

參考文獻

[1]住房和城鄉建設部市容環境衛生標準化技術委員會.壓縮式垃圾車：CJ/T 127-2016[S].北京：中國標準出版社，2017：2.

[2]李志強，黃烈陽.基于ABAQUS的新型SIPs墻體數值模擬[J].河北建筑工程學院學報，2021，39（1）：7.

[3]韋紅錢，倪培源，端傳捷.基于Fe-safe軟件的轉葉式舵機疲勞分析及優化建議[J].現代制造技術與裝備，2021，057（007）：82-85.