基于有限元的高位舉升自裝卸式垃圾車結構性能分析

摘要：隨著國家對垃圾分類、收集、壓縮、稱重、轉運、處理等各環節的重視，市場亟需一款安全穩定的高位舉升自裝卸式垃圾車。為了使垃圾車能保證在工作過程中可靠收運，實現全生命周期的結構穩定性，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對垃圾車9個典型工況進行分析，得到應力、應變云圖，并由此分析垃圾車結構設計的合理性，研究結論為后續垃圾車結構方案的設計與優化提供理論支持。

關鍵詞：有限元分析；高位舉升自裝卸式垃圾車；典型工況

中圖分類號：U469? 收稿日期：2024-02-19

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405015

1 前言

隨著國家對垃圾收集、壓縮、轉運等環節的重視，環衛垃圾車越來越普及，隨之而來也出現了垃圾車的安全性能問題。如果垃圾車發生故障損壞，輕則影響垃圾收集效率、污染環境，重則造成交通事故影響生命財產安全。因此為了提升高位舉升自裝卸式垃圾車結構設計的準確性和可靠性，縮短研發周期，降低企業成本，本文對垃圾收集車進行結構性能分析[1-2]。

2 有限元模型的建立

對所設計的高位舉升自裝卸式垃圾車進行有限元計算，考查自裝卸式垃圾車各主要部分的應力情況。表1所示為自裝卸式垃圾車的材料參數，將簡化后的垃圾車模型導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中。

進行建模時，為了減小建模、有限元分析的工作量，避免小的結構劃分網格時產生大量的有限元單元而造成整體網格質量的下降，進而影響結構的分析精度，需對結構進行簡化，將結構中的小圓孔、倒角、螺栓孔等去除[3]。

3 典型工況強度分析

該型號高位舉升自裝卸式垃圾車可以裝載2 290 kg垃圾，提料臂最大舉升重量為250 kg，刮板滿載工作時受到的最大壓力為6 34907 N。垃圾車進行裝料和卸料時的9種典型工況如表2所示。

31 工況一強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，將垃圾車車架兩側支腿處和車架部分底面添加Fixed Support，在垃圾車內部施加垂直向下的均布載荷22 900 N[4]，如圖1所示。

圖2為垃圾車應力云圖，圖3應力局部放大圖，圖4為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：圖中應力最大的地方是由于局部的應力集中引起的[5]，在不考慮應力集中的影響時，垃圾車車架上應力較大的位置如圖3所示，變形較大的地方如圖4所示。

32 工況二強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，將垃圾車車架兩側支腿處和車架部分底面添加Fixed Support，在垃圾車內部施加垂直向下的均布載荷22 900 N，如圖5所示。

圖6為垃圾車應力云圖，圖7為應力局部放大圖，圖8為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：圖中應力最大的地方如圖7所示，是由于局部的應力集中引起的。由圖8變形云圖可知車箱底板變形較大。

33 工況三強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，將垃圾車車架兩側支腿處和車架部分底面添加Fixed Support，在垃圾車內部施加垂直向下的均布載荷22 900 N，如圖9所示。

圖10為垃圾車應力云圖，圖11為應力局部放大圖。圖12為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：圖中應力最大的地方如圖11所示，是由于局部的應力集中引起的，在不考慮應力集中的影響時，垃圾車車架上應力較大的位置如圖12所示。

34 工況四強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，將垃圾車車架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N，如圖13所示。

如圖14為垃圾車應力云圖，圖15為應力局部放大圖，圖16為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：圖中應力最大的地方是由于局部的應力集中引起的，在不考慮應力集中的影響時，垃圾車車架上應力較大的位置如圖15所示，變形較大的位置如圖16所示。

35 工況五強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，將垃圾車車架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N[5]，如圖17所示。

圖18為垃圾車應力云圖，圖19為應力局部放大圖，圖20為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：圖中應力最大的地方是由于局部的應力集中引起的，在不考慮應力集中的影響時，垃圾車車架上應力較大的位置如圖19所示。

36 工況六強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，將垃圾車車架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N，如圖21所示。

圖22為垃圾車應力云圖，圖23為應力局部放大圖，圖24為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：圖中應力最大的地方是由于局部的應力集中引起的，在不考慮應力集中的影響時，垃圾車車架上應力較大的位置如圖23所示。如圖24所示，車架提料臂位置變形較大。

37 工況七強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，將垃圾車車架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N，如圖25所示。

圖26為垃圾車應力云圖，圖27為應力局部放大圖，圖28為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：圖中應力最大的地方是由于局部的應力集中引起的，在不考慮應力集中的影響時，垃圾車車架上應力較大的位置如圖27所示，變形較大的位置如圖28所示。

38 工況八強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，將垃圾車車架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N，如圖29所示。

圖30為垃圾車應力云圖，圖31為應力局部放大圖，圖32為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：圖中應力最大的地方是由于局部的應力集中引起的，在不考慮應力集中的影響時，垃圾車車架上應力較大的位置如圖31所示，變形較大的位置如圖32所示。

39 工況九強度分析

對有限元模型施加約束，根據垃圾車的實際工作情況，在刮板上施加垂直向后的均布載荷6 34907 N，將刮板兩側添加Displacement，在刮板的下方添加Fixed Support的極限工況，如圖33所示。

圖34為垃圾車應力云圖，圖35為應力局部放大圖，圖36為垃圾車應變云圖。

由有限元計算得到的應力和變形結果可知：如圖34所示，圖中應力最大的地方是由于局部的應力集中引起的。在不考慮應力集中的影響時，垃圾車車架上應力較大的位置如圖35所示，刮板變形較大的位置如圖36所示。

4 結語

綜合工況四～工況八可以看出，提料臂受到的應力較大，最大達到了52945 MPa，應力最大點出現在提料臂與車架固定區域。通過對高位舉升自裝卸式垃圾車九種工況的分析，由圖8、圖24、圖28、圖36可以看出，刮板、提料臂、垃圾車車箱底板變形較大，刮板、提料臂、垃圾車車箱底板是系統中的薄弱構件[6-7]，需要對其結構進行優化，以確保垃圾車符合使用要求。

參考文獻：

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[5]丁兆青高位舉升自裝卸式垃圾車設計[J]專用汽車，2020（9）：82-86

[6]馮晉祥專用汽車[M]北京：機械工業出版社，2018

[7]劉鴻文材料力學[M]北京：高等教育出版社，2019.

作者簡介：

蔡卿，男，1987年生，工程師，研究方向為環衛設備、農業機械。