基于有限元的后裝壓縮式垃圾車兼容臂靜力學(xué)性能分析

摘要：壓縮式垃圾車的上料機(jī)構(gòu)主要用于掛載不同容積的垃圾桶，兼容性是一個很重要的指標(biāo)。對上料機(jī)構(gòu)兼容臂做出了改進(jìn)，使得上料機(jī)構(gòu)可以掛載全系列垃圾桶，提高了整車的實(shí)用性，降低了設(shè)備預(yù)算成本。同時，基于有限元軟件對改進(jìn)的兼容臂進(jìn)行了不同掛載下和翻轉(zhuǎn)角度時的強(qiáng)度仿真分析。結(jié)果顯示，新設(shè)計(jì)的兼容臂滿足強(qiáng)度和剛度要求，其最危險(xiǎn)狀態(tài)在翻轉(zhuǎn)初始狀態(tài)時刻。

關(guān)鍵詞：后裝壓縮式垃圾車；兼容臂；靜力學(xué)分析；危險(xiǎn)工況

中圖分類號：U469.6" 收稿日期：2022-10-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.008

1 前言

壓縮式垃圾車是環(huán)衛(wèi)車輛的重要組成產(chǎn)品，是城鎮(zhèn)生活垃圾轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸?shù)闹髁1]。在實(shí)際應(yīng)用中，這類車型的使用強(qiáng)度和使用環(huán)境是十分苛刻的，因此，其主要結(jié)構(gòu)件的通用性和可靠性是工程師首要考慮的問題。丁繼斌[2]運(yùn)用定性和定量的方法分析了壓縮車裝填機(jī)構(gòu)的故障樹模型，推算出了一種發(fā)生故障的表達(dá)式，為產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了一定的計(jì)算指導(dǎo)，劉中華等[3]設(shè)計(jì)了一種收運(yùn)濕垃圾的壓縮車，并進(jìn)一步對上料機(jī)構(gòu)、壓縮機(jī)構(gòu)等的原理進(jìn)行了論述，為解決垃圾收集和運(yùn)輸中的飄灑和異味問題提供了新的思路。

后裝壓縮式垃圾車作為垃圾運(yùn)輸?shù)闹髁Γ槐姸嘌芯空哌M(jìn)行研究。研究過程中主要應(yīng)用到了有限元分析軟件，對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行仿真驗(yàn)證，進(jìn)而為產(chǎn)品改進(jìn)提供依據(jù)，極大地提升了后裝壓縮式垃圾車的通用性，增加了其使用壽命。王彥飛[4]利用ANSYS軟件對后裝壓縮車的上裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化分析，通過對優(yōu)化前后上裝的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性對比，給出了上裝設(shè)計(jì)的一些思路。朱德生[5]基于ANSYS做了無泄漏壓縮式垃圾車上料裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要針對上料機(jī)構(gòu)的支座斷裂、結(jié)構(gòu)笨重、研發(fā)周期長等問題做了相應(yīng)的改進(jìn)，優(yōu)化后的各項(xiàng)性能參數(shù)均得到了提高。Voicu等[6]基于Solidworks對壓縮車的推板板面進(jìn)行了建模以及仿真分析，其對分析過程中出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，對推板的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。陸永能[7]通過先期垃圾對垃圾車產(chǎn)生的壓力分布研究，確定了垃圾車工作機(jī)構(gòu)的具體載荷條件和加載邊界，進(jìn)而利用ANSYS軟件分析了工作機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)性能，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，極大地減輕了垃圾車的自重。上述研究對提高產(chǎn)品的可靠性和運(yùn)輸能力有著實(shí)際的指導(dǎo)意義。

翻轉(zhuǎn)架機(jī)構(gòu)作為保障后裝壓縮式垃圾車順利實(shí)現(xiàn)垃圾收集的模塊，研究其通用性和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度至關(guān)重要。本文主要針對兼容臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，首先改進(jìn)了兼容臂的掛載通用性，能掛載660 L和800 L垃圾桶，通過特征設(shè)計(jì)，使得兼容臂具有自卡緊功能，減少了外加的卡緊機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)了掛載可靠性。同時，在薄弱截面處增加了加強(qiáng)筋，改善了結(jié)構(gòu)件的抗扭能力，增加了兼容臂的疲勞壽命，并基于有限元軟件分析了兼容臂在不同工況下的強(qiáng)度和受力變化情況，使得兼容臂的整個動態(tài)變化情況更為直觀，為后續(xù)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支撐。

2 模型介紹

上料機(jī)構(gòu)是后裝壓縮式垃圾車的重要組成部分，如圖1所示，其中1為骨架、2為掛桶板、3為兼容臂，為改進(jìn)兼容臂后的形態(tài)，通過翻轉(zhuǎn)油缸提供動力，可以使整個上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動垃圾桶上料。

兼容臂改動主要包括增加長條筋板，增大已發(fā)生變形處的截面，同時對樣式進(jìn)行了改進(jìn)，增加了多用途能力。圖2、圖3、圖4分別為掛載120 L和240 L、660 L、800 L垃圾桶時的狀態(tài)。

3 兼容臂改進(jìn)

兼容臂的主要功能是掛載大容量的垃圾桶，在滿足多功能的同時，設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度同樣需要滿足需求，圖5為改進(jìn)前的兼容臂，厚度為16 mm，其只能掛載800 L垃圾桶，在使用過程中需要額外增加擋塊機(jī)構(gòu)，避免在反轉(zhuǎn)過程中垃圾桶發(fā)生脫落，對設(shè)備造成損壞，并且在實(shí)際使用過程中圖5位置處會發(fā)生大變形情況，針對出現(xiàn)的剛度和功能單一問題，重新設(shè)計(jì)了兼容臂結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)后的兼容臂如圖6所示，首先對兼容臂的自動卡緊做出了改進(jìn)，使得垃圾桶在任意翻轉(zhuǎn)角度都不會脫落；之后對下側(cè)筋板做了延長，增加了變形處的橫截面積。

4 靜力學(xué)分析

4.1 網(wǎng)格劃分和受力分析

改進(jìn)后的兼容臂的強(qiáng)度和剛度主要用三維軟件的Simulation模塊進(jìn)行分析，主要是利用有限元思想，通過網(wǎng)格劃分控制計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分如圖7所示。圖中網(wǎng)格密集部分為最大應(yīng)力可能出現(xiàn)處，所以對網(wǎng)格大小進(jìn)行了局部控制，以保證計(jì)算結(jié)果的精確性。

后裝壓縮式垃圾車在工作狀態(tài)時，主要受垃圾桶產(chǎn)生的重力影響，受力狀態(tài)如圖8所示。假設(shè)在試驗(yàn)時垃圾桶裝滿水，并且在翻轉(zhuǎn)過程中不會溢出，通過圖8所示的情況可知，兼容臂在重力作用下主要受到彎扭作用。

4.2 掛載660 L垃圾桶時強(qiáng)度分析

圖9～圖13為翻轉(zhuǎn)架掛載660 L垃圾桶時的應(yīng)力情況。本文分別對兼容臂翻轉(zhuǎn)到不同的角度時的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了模擬，以兼容臂與垃圾桶剛剛接觸時為0°，翻轉(zhuǎn)角度設(shè)定為0°、30°、45°、60°、90°。由圖示結(jié)果可知，當(dāng)兼容臂掛載660L垃圾桶時，隨著翻轉(zhuǎn)角度逐漸增大，最大應(yīng)力值逐漸減小，分別為130.23 MPa、114.06 MPa、93.9 MPa、66.15 MPa、37.01 MPa。圖9～圖12中，最大應(yīng)力值發(fā)生在點(diǎn)A位置（同圖6中的A點(diǎn)）附近，圖13中最大應(yīng)力值發(fā)生在點(diǎn)B位置（同圖6中的B點(diǎn)）附近，這與力臂發(fā)生變化有關(guān)。結(jié)果顯示，在掛載660 L垃圾桶的狀態(tài)下，0°時的應(yīng)力最大，此時點(diǎn)A處雖然不是彎矩最大處（扭矩處處相同），但此處的力臂較長，且橫截面較小，是極慣性矩最小處，表明初始狀態(tài)是最危險(xiǎn)狀態(tài)，這里最大的應(yīng)力值為130.23 MPa，小于屈服應(yīng)力220.59 MPa，因此兼容臂結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

圖14為應(yīng)力最大時的位移云圖，最大位移w（撓度）為0.823 mm，兼容臂長度為658 mm，比值為1/800，兼容臂可視為懸臂梁，梁的許用比值限制為[1250≤wl≤11 000][8]，剛度滿足設(shè)計(jì)需求。

4.3 掛載800 L垃圾桶時強(qiáng)度分析

圖15～圖19為翻轉(zhuǎn)架掛載800 L垃圾桶時的應(yīng)力情況。本文分別對兼容臂翻轉(zhuǎn)到不同的角度時應(yīng)力分布情況進(jìn)行了模擬，以兼容臂與垃圾桶剛剛接觸時為0°，翻轉(zhuǎn)角度設(shè)定為0°、30°、45°、60°、90°。由應(yīng)力云圖可知，當(dāng)兼容臂掛載800 L垃圾桶時，隨著翻轉(zhuǎn)角度逐漸增大，最大應(yīng)力值逐漸減小，分別為195.08 MPa、138.77 MPa、118.93 MPa、111.78 MPa、66.72 MPa。結(jié)果顯示，從0°到90°，最大應(yīng)力值都發(fā)生在點(diǎn)A位置附近。同時，掛載800 L垃圾桶時，傳遞力的接觸點(diǎn)隨著兼容臂的轉(zhuǎn)動不斷滑動變化，使最危險(xiǎn)點(diǎn)處受到的彎矩不斷減小，并且在實(shí)際工況中兼容臂與垃圾桶完全開始接觸時，兼容臂已經(jīng)形成了一定角度，從而使最大應(yīng)力值小于0°時的最大應(yīng)力值195.08 MPa，因此掛載更重的800 L垃圾桶時，兼容臂結(jié)構(gòu)也是滿足強(qiáng)度要求的。

圖20為應(yīng)力最大時的位移云圖，最大位移w（撓度）為1.201 mm，兼容臂長度為658 mm，比值為1/548，兼容臂可視為懸臂梁，梁的許用比值限制為[1250≤wl≤11 000]，剛度滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)語

本文在介紹了改進(jìn)后的上料機(jī)構(gòu)的通用性，并基于Simulation模塊對關(guān)鍵部件的靜力學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析，得出了以下結(jié)論：

a.當(dāng)兼容臂掛載兩種不同規(guī)格的垃圾桶時，在90°范圍內(nèi)，隨著兼容臂轉(zhuǎn)動角度增大，最大應(yīng)力值逐漸減小。

b.兼容臂最危險(xiǎn)工況發(fā)生在垃圾桶離開地面的瞬間。

c.應(yīng)力最大值發(fā)生在最小橫截面段的彎矩最大位置處。

d.掛載660 L、800 L垃圾桶時兼容臂的最大位移在允許范圍內(nèi)，剛度滿足需求。

e.新設(shè)計(jì)兼容臂的自卡緊功能有效地避免了在翻轉(zhuǎn)過程中垃圾桶因沖擊而產(chǎn)生的較大晃動和脫落。

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作者簡介：

馬紅林，男，1991年生，助理工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ闷嚰夹g(shù)。