基于有限元的壓縮式垃圾車填裝器仿真分析及優(yōu)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(qū)動等機構(gòu)的協(xié)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(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，再對優(yōu)化后的填裝器結(jié)構(gòu)進行有限元分析。通過云圖對兩個導(dǎo)軌方案的分析結(jié)果對比得出：優(yōu)化改進后的導(dǎo)軌整體位移變化和所受最大應(yīng)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(guān)鍵詞：有限元分析；填裝器；導(dǎo)軌；結(jié)構(gòu)優(yōu)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(cè)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(huán)保方面的相關(guān)法律規(guī)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(jīng)逐漸開始淘汰。擺臂式垃圾車和側(cè)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(fā)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(yōu)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(tài)，可以較好地避免以往垃圾車運輸過程中垃圾被風(fēng)吹散、二次污染環(huán)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(yīng)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(zhuǎn)運的主要作業(yè)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(gòu)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(qū)動進行翻轉(zhuǎn)。根據(jù)環(huán)衛(wèi)工人的實際操作情況和設(shè)計人員的設(shè)計標準，填裝器的設(shè)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(shè)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(shè)備生命周期內(nèi)穩(wěn)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(yōu)化前填裝器的應(yīng)力、位移和應(yīng)變云圖，以此來發(fā)現(xiàn)填裝器結(jié)構(gòu)存在的問題與缺陷，并且結(jié)合實際情況對其結(jié)構(gòu)進行改進，使填裝器符合設(shè)計的預(yù)期目標和要求，有效提升填裝器設(shè)計的科學(xué)性和可靠性，縮短工廠研發(fā)周期，降低生產(chǎn)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(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格時產(chǎn)生大量的有限元單元會造成整體網(wǎng)格質(zhì)量的下降，從而影響結(jié)構(gòu)的分析精度，我們對結(jié)構(gòu)進行了簡化處理，將結(jié)構(gòu)中的小圓孔、倒角、螺栓孔等不會影響仿真結(jié)果的小結(jié)構(gòu)去除[2]。簡化后的模型如圖1所示。

該裝置上結(jié)構(gòu)鋼材料參數(shù)如表1所示。

通過對三維模型進行網(wǎng)格劃分，可以將其離散化為由單元（Element）和節(jié)點（Node）組成的有限元模型。在這個過程中，網(wǎng)格劃分與所定義的材料屬性相結(jié)合，用以表示有限元模型中的剛度和質(zhì)量分布情況。在進行網(wǎng)格劃分時，需要控制單元的數(shù)量，以確保其在一定范圍內(nèi)，以滿足求解的需求。這樣做不僅能有效地將模型轉(zhuǎn)化為可計算的有限元形式，還能保證計算結(jié)果的準確性和可靠性[3]。網(wǎng)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(yè)；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(zhuǎn)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(xù)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(jù)原理圖以及市場反饋的實際使用情況選擇刮板轉(zhuǎn)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(jié)果分析

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

根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，填裝器上的左右導(dǎo)軌以及導(dǎo)軌上方螺栓位置應(yīng)力較大。根據(jù)圖6～圖9所示的仿真結(jié)果，不考慮應(yīng)力集中的情況下，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌上的應(yīng)力分布較明顯，如圖6、圖7所示，填裝器左右兩側(cè)導(dǎo)軌最大應(yīng)力分別為174 MPa、169 MPa，最大應(yīng)力位置均在滑塊所在位置導(dǎo)軌上方。

同時，通過圖8可以看出，導(dǎo)軌上側(cè)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(yīng)力與應(yīng)變云圖分析結(jié)果可知，填裝器導(dǎo)軌在局部區(qū)域存在著應(yīng)力過大的問題，可能會出現(xiàn)斷裂、變形等問題，故而導(dǎo)軌是填裝器各部件中的薄弱部件，需要對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，來增強導(dǎo)軌的剛度。通過實際調(diào)研，填裝器產(chǎn)生問題的區(qū)域與計算結(jié)果基本符合。

5 優(yōu)化方案設(shè)計與分析

根據(jù)導(dǎo)軌上應(yīng)力較大的位置，對其進行優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮結(jié)構(gòu)可靠性原則與控制成本的原則，最終選定優(yōu)化方案為在填裝器兩側(cè)導(dǎo)軌應(yīng)力較大的區(qū)域加上加強板[6-7]，如圖10所示。

將優(yōu)化之后的填裝器模型導(dǎo)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(xù)對填裝器進行有限元分析，填裝器左右兩側(cè)導(dǎo)軌有限元仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

通過對優(yōu)化后的填裝器模型進行有限元仿真分析，不考慮應(yīng)力集中的影響，左右兩側(cè)加了加強板的導(dǎo)軌高應(yīng)力區(qū)均有所降低，左右導(dǎo)軌上方的應(yīng)力分別為77 MPa、68 MPa，同時兩側(cè)導(dǎo)軌的位移也有所降低，兩側(cè)導(dǎo)軌最大位移為09 mm。較之優(yōu)化前的填裝器仿真分析結(jié)果，應(yīng)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(dǎo)軌的應(yīng)力云圖分析可知，改進后的填裝器結(jié)構(gòu)在理論上滿足了強度要求[8]，能較好地適應(yīng)工作需求。

6 結(jié)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(fā)生損壞的位置，并對影響壓縮式垃圾車填裝器工作的關(guān)鍵位置進行優(yōu)化，增大填裝器的使用壽命，提高填裝器結(jié)構(gòu)的可靠性。通過仿真分析表明，填裝器導(dǎo)軌是其薄弱部位，對導(dǎo)軌進行優(yōu)化，優(yōu)化后的填裝器導(dǎo)軌強度獲得了提升，穩(wěn)定性大大提高。

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作者簡介：

蔡卿，男，1987年生，工程師，研究方向為環(huán)衛(wèi)設(shè)備、農(nóng)業(yè)機械。