一款洗掃車箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

摘要：洗掃車箱體作為車身上裝的重要結(jié)構(gòu)，需要具備耐用的高可靠性。但在實(shí)際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)水箱泄露，造成車輛作業(yè)里程縮短，地面二次污染等問題。據(jù)此，通過對(duì)洗掃車優(yōu)化后的箱體水箱流固耦合及箱體焊合強(qiáng)度校核分析，提出優(yōu)化改善建議。

關(guān)鍵詞：洗掃車；水箱；泄露；防波板；流固耦合

中圖分類號(hào)：U462 收稿日期：2024-07-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.016

1 前言

洗掃車為使用頻率最高、平均作業(yè)時(shí)間最長的環(huán)衛(wèi)車輛之一，客戶對(duì)其性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)可靠性等都有較高的要求。洗掃車水箱為車身上裝的重要部件，需要具備有高度的耐用性，但在長期的實(shí)際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)泄露等問題，不僅造成車輛作業(yè)里程縮短，而且使地面產(chǎn)生二次污染等問題，嚴(yán)重影響了洗掃車的使用。

2 箱體漏水問題現(xiàn)狀

洗掃車一般通過隔板等結(jié)構(gòu)將箱體分為垃圾箱和水箱兩部分，水箱位于下方，垃圾箱位于上方。水箱內(nèi)部設(shè)置防波板（圖1），起到支撐和承受沖擊的作用。因防波板與箱體底板直接焊接，在實(shí)際使用過程中，箱體經(jīng)常出現(xiàn)焊接點(diǎn)部位漏水的現(xiàn)象，而整體采用不銹鋼焊接的箱體則在出現(xiàn)漏水時(shí)維修比一般的材料更加困難[1]。

合理的防波板結(jié)構(gòu)和數(shù)量能夠減少液體對(duì)箱體的沖擊，增強(qiáng)箱體的強(qiáng)度[2]。現(xiàn)對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)如圖2所示。優(yōu)化后的箱體對(duì)防波板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，在防波板上設(shè)計(jì)折彎以增加強(qiáng)度，增加防波板的面積，同時(shí)對(duì)防波板與底板的連接方式也進(jìn)行了調(diào)整，設(shè)計(jì)幾字形支撐座結(jié)構(gòu)（圖3），增加緩沖，降低防波板受力后拉扯底板造成的底板泄露風(fēng)險(xiǎn)。

3 箱體校核分析

箱體采用殼單元描述，單元尺寸10 mm；箱體各部件之間焊縫采用共節(jié)點(diǎn)方式連接，底框焊合及頂部框架焊接采用rbe2連接。整個(gè)水域各部件全部共節(jié)點(diǎn)，保證水域空間是封閉的，不允許遺漏焊縫面。

通過流體分析獲取整個(gè)水域的壓強(qiáng)載荷，映射到箱體模型上進(jìn)行加載[3]，箱體上面的垃圾區(qū)域抓取rbe3單元，垃圾（4 t）通過集中力方式加在rbe3中心處，模型如圖4所示。根據(jù)洗掃車的實(shí)際作業(yè)場景，選取沖擊工況、加速工況、制動(dòng)工況、轉(zhuǎn)彎工況四種工況進(jìn)行分析，如表1所示。

3.1 流場分析

本文采用的分析技術(shù)路線是首先進(jìn)行流體分析獲取水域壓強(qiáng)載荷，然后將獲取的壓強(qiáng)載荷映射到箱體有限元模型，在箱體有限元模型中施加約束及載荷，最后進(jìn)行靜力學(xué)分析。對(duì)高水位下的流場進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5～圖8所示。

3.2 強(qiáng)度剛度分析

對(duì)箱體的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析[4]，得到四種工況下的最大應(yīng)力和最大位移。各分析工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在制動(dòng)工況，最大應(yīng)力463.6 MPa，最大位移8.706 mm；制動(dòng)時(shí)水瞬間向前沖擊，對(duì)箱體前側(cè)板造成較大壓力，因此箱體前側(cè)板與后板焊接處應(yīng)力較大，分析應(yīng)力圖如圖9所示。

3.3 模態(tài)分析

因箱體與風(fēng)機(jī)風(fēng)口通過橡膠墊連接，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)箱體的性能產(chǎn)生一定影響，同時(shí)因風(fēng)機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)也會(huì)對(duì)箱體的性能產(chǎn)生一定影響[5]。通過模態(tài)分析可以了解箱體在特定頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性評(píng)估提供依據(jù)[6]。

模態(tài)分析中的一階到六階模態(tài)代表了結(jié)構(gòu)在不同固有頻率下的振動(dòng)特性，從一階到六階逐漸深入揭示了結(jié)構(gòu)的整體和局部振動(dòng)行為，通過模態(tài)分析中的前六階模態(tài)可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，并進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可以看出，側(cè)板頂部在第二階23.6 Hz和四階32.5 Hz固有頻率處振動(dòng)時(shí)振動(dòng)幅度較大，水箱防波板連接位置在第五階固有頻率處振動(dòng)時(shí)振動(dòng)幅度較大，如圖10所示。

3.4 基于頻響的振動(dòng)分析

X方向激勵(lì)時(shí)，在24 Hz下，防波板頻響應(yīng)力出現(xiàn)峰值。頻響應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域，如圖11所示。Y方向激勵(lì)時(shí)，在12 Hz下，箱體側(cè)板頻響應(yīng)力出現(xiàn)峰值。頻響應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域，如圖12所示。Z方向激勵(lì)時(shí)，在12 Hz下，箱體側(cè)板頻響應(yīng)力出現(xiàn)峰值。頻響應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域，如圖13所示。從分析結(jié)果可知，危險(xiǎn)頻率主要出現(xiàn)在12 Hz（縱向與垂向）與24 Hz（橫向）上，12 Hz容易與路面激勵(lì)耦合，24 Hz容易與怠速下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率耦合。同時(shí)，在振動(dòng)工況下，危險(xiǎn)點(diǎn)多出現(xiàn)在防波板、底板與縱梁的交叉焊接位置，這些位置需要在縱梁焊接時(shí)避開交叉位置的焊接。

4 結(jié)語

本文分析了洗掃車箱體在各工況基于流體作用與垃圾重量耦合作用的強(qiáng)度與剛度，制動(dòng)工況下最大應(yīng)力超出了材料的屈服強(qiáng)度，需要進(jìn)行改進(jìn)；同時(shí)對(duì)箱體的模態(tài)頻率和模態(tài)振型等進(jìn)行了校核分析，指出其薄弱點(diǎn)，整車共振振動(dòng)頻率需要避開12 Hz和24 Hz。以上工作為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒思路。

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作者簡介：

王寧，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ密嚨难邪l(fā)設(shè)計(jì)。