基于有限元的壓縮式垃圾車填裝器仿真分析及優化

摘要：壓縮式垃圾車填裝器通過軸銷連接懸掛在車廂后部，通過刮板的擺動、滑板的直線拉動、舉升油缸的驅動等機構的協同運動，完成垃圾的收集和卸載。對極限工況下的填裝器做了有限元分析，根據分析結果，優化了導軌結構，再對優化后的填裝器結構進行有限元分析。通過云圖對兩個導軌方案的分析結果對比得出：優化改進后的導軌整體位移變化和所受最大應力減小，提高了填裝器的整體強度，保證了填裝器整體強度符合使用要求。

關鍵詞：有限元分析；填裝器；導軌；結構優化

中圖分類號：U469? 收稿日期：2024-03-27

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406017

1 前言

目前我國在收集垃圾時使用的車型主要是以下幾種： 集裝箱式垃圾車、擺臂式垃圾車、側裝式密封垃圾車、后裝壓縮式垃圾車。集裝箱式垃圾車有著垃圾泄露等問題，不符合目前國家環保方面的相關法律規范，并且集裝箱式垃圾車無法對垃圾進行壓縮、裝載效率低下增加了運輸成本，該車型已經逐漸開始淘汰。擺臂式垃圾車和側裝式垃圾車同樣也有類似問題，比如壓縮性能差、裝載垃圾的車廂體積小，在運輸過程中可能會發生泄漏造成二次污染。

相比于上述幾種類型的垃圾車，后裝壓縮式垃圾車有如下優勢：a.裝載垃圾的車廂容量大、自動化程度較高、垃圾能夠被充分的壓縮；b.后裝壓縮式垃圾車行駛過程中車廂處于密封狀態，可以較好地避免以往垃圾車運輸過程中垃圾被風吹散、二次污染環境等問題；c.運輸機動性好，壓縮式垃圾車可以作為一個移動垃圾站，去有垃圾的地方進行收集。因此，壓縮式垃圾車的應用前景越來越好，市場占有量逐漸增加，成為目前城市里垃圾收集和轉運的主要作業車輛[1]。

填裝器是壓縮式垃圾車的重要部件，它通過軸銷連接懸掛在車廂后部，是用于填裝壓縮垃圾的工作裝置，由料斗、后蓋、刮板、滑板及配套油缸等機構組成。收集工作時通過刮板的擺動和滑板的直線拉動將垃圾壓縮進箱體中，卸料時填裝器通過舉升油缸的驅動進行翻轉。根據環衛工人的實際操作情況和設計人員的設計標準，填裝器的設計可靠性會直接影響到壓縮裝置的使用壽命及正常工作的進行，因此必須對設計的填裝器進行充分的計算與仿真。為了使填裝器盡可能輕量化，同時又能保證設備生命周期內穩定可靠的運行，本文利用有限元分析的功能，對填裝器進行了極限工況分析，得到了在此工況下優化前填裝器的應力、位移和應變云圖，以此來發現填裝器結構存在的問題與缺陷，并且結合實際情況對其結構進行改進，使填裝器符合設計的預期目標和要求，有效提升填裝器設計的科學性和可靠性，縮短工廠研發周期，降低生產成本。

2 有限元模型的建立

對壓縮式垃圾車填裝器進行建模時，為了減小建模和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會造成整體網格質量的下降，從而影響結構的分析精度，我們對結構進行了簡化處理，將結構中的小圓孔、倒角、螺栓孔等不會影響仿真結果的小結構去除[2]。簡化后的模型如圖1所示。

該裝置上結構鋼材料參數如表1所示。

通過對三維模型進行網格劃分，可以將其離散化為由單元（Element）和節點（Node）組成的有限元模型。在這個過程中，網格劃分與所定義的材料屬性相結合，用以表示有限元模型中的剛度和質量分布情況。在進行網格劃分時，需要控制單元的數量，以確保其在一定范圍內，以滿足求解的需求。這樣做不僅能有效地將模型轉化為可計算的有限元形式，還能保證計算結果的準確性和可靠性[3]。網格劃分后模型如圖2所示。

3 邊界條件及載荷的施加

圖3為某公司提供的填裝器工作原理圖。a.車輛處于起始位置，填裝斗裝滿垃圾；b.當填裝斗裝滿垃圾后，刮板隨之打開，準備將其插入垃圾中進行下一步作業；c.壓縮式垃圾車滑板帶動刮板一起向下移動，將刮板插入垃圾中開始進行收集和初步壓縮；d.壓縮式垃圾車刮板進行回轉運動，將垃圾進一步壓縮；e.垃圾車刮板到位后隨滑板向上移動，將垃圾裝填到垃圾箱中并壓實，然后回到起始位置。在這連續不斷的裝填過程中，車廂中的垃圾在擠壓力的作用下進一步壓縮，確保垃圾箱充滿而不浪費空間。

當垃圾收集車抵達處理場或填埋場時，需要卸載垃圾。此時，舉升油缸舉起填裝器，滑板向后移動，刮板打開，垃圾得以卸出。根據原理圖以及市場反饋的實際使用情況選擇刮板轉動到最底部90°時為極限工況，即填裝器工作進行到第4個步驟（圖3），此時在車輛滿載的情況下，填裝器受到60 000 N的力，以此來施加載荷，分別在刮板和液壓缸上施加力，具體載荷施加和約束固定如圖4、圖5所示[4-5]。對填裝器施加固定約束和兩個大小為60 000 N的力。

4 仿真計算結果分析

將簡化后的填裝器模型導入有限元分析軟件中，施加邊界條件及載荷，分析得到應力與應變云圖。仿真結果中應力與應變較大的位置如圖6～圖9所示。

根據仿真結果發現，填裝器上的左右導軌以及導軌上方螺栓位置應力較大。根據圖6～圖9所示的仿真結果，不考慮應力集中的情況下，發現導軌上的應力分布較明顯，如圖6、圖7所示，填裝器左右兩側導軌最大應力分別為174 MPa、169 MPa，最大應力位置均在滑塊所在位置導軌上方。

同時，通過圖8可以看出，導軌上側位移也較大，為13 mm。壓縮式垃圾車填裝器在進行垃圾壓縮裝填工作時需要承受較大的壓力，必須具有足夠的強度和剛度才能正常完成工作[5]。

由填裝器的應力與應變云圖分析結果可知，填裝器導軌在局部區域存在著應力過大的問題，可能會出現斷裂、變形等問題，故而導軌是填裝器各部件中的薄弱部件，需要對其結構進行優化改進，來增強導軌的剛度。通過實際調研，填裝器產生問題的區域與計算結果基本符合。

5 優化方案設計與分析

根據導軌上應力較大的位置，對其進行優化設計，綜合考慮結構可靠性原則與控制成本的原則，最終選定優化方案為在填裝器兩側導軌應力較大的區域加上加強板[6-7]，如圖10所示。

將優化之后的填裝器模型導入有限元分析軟件中，施加同樣的固定約束與大小一致的載荷，繼續對填裝器進行有限元分析，填裝器左右兩側導軌有限元仿真結果如圖11～圖13所示。

通過對優化后的填裝器模型進行有限元仿真分析，不考慮應力集中的影響，左右兩側加了加強板的導軌高應力區均有所降低，左右導軌上方的應力分別為77 MPa、68 MPa，同時兩側導軌的位移也有所降低，兩側導軌最大位移為09 mm。較之優化前的填裝器仿真分析結果，應力大小分別下降了97 MPa、101 MPa，位移下降了04 mm。由改進后填裝器導軌的應力云圖分析可知，改進后的填裝器結構在理論上滿足了強度要求[8]，能較好地適應工作需求。

6 結語

本文的研究目的是對壓縮式垃圾車填裝器進行有限元仿真，分析壓縮式垃圾車填裝器易發生損壞的位置，并對影響壓縮式垃圾車填裝器工作的關鍵位置進行優化，增大填裝器的使用壽命，提高填裝器結構的可靠性。通過仿真分析表明，填裝器導軌是其薄弱部位，對導軌進行優化，優化后的填裝器導軌強度獲得了提升，穩定性大大提高。

參考文獻：

[1]史柏承后裝式垃圾車壓縮機構的有限元分析及優化設計[D]長沙：湖南大學，2014

[2]匙皓，楊林，唐曉曉裝配體有限元分析方法研究[J]機械研究與應用，2017，30（2）：78-79+82

[3]黃志新ANSYS Workbench 160超級學習手冊[M]北京：人民郵電出版社，2016

[4]楊樂壓縮式垃圾車填裝器的CAE分析及結構優化[D]天津：河北工業大學，2014

[5]蒲明輝，李凱，毆洪彪，等基于ADAMS與ANSYS的后裝垃圾車壓縮刮板的研究[J]機械設計與制造，2011（2）：101-103

[6]劉濤基于Workbench的煤礦機電載人導軌的結構優化[J]自動化應用，2019（9）：117-118+133

[7]李宗澤，王顯洲，劉鑫鑫，等后裝壓縮式垃圾車填裝器結構分析及改進[J]工程機械，2022，53（6）：54-59+10

[8]劉鴻文材料力學[M]北京：高等教育出版社，2017

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。