基于Solidworks 的農村廁所糞污處理機全掛車車架設計及仿真

摘 要： 針對農村廁所糞污處理機全掛車車架在移動過程中容易開裂的現象，設計了一款可靠、安全的全掛車車架。利用Solidworks 軟件對載質量8 t 的全掛車車架的縱梁、橫梁及副支撐梁進行設計并通過三維建模進行仿真分析。同時，對簡化的全掛車車架縱梁進行車架危險截面確定及強度校核，對全掛車車架進行位移及應力校核。根據受力分析和計算結果再進行結構優化完善，確保整車車架參數在安全范圍內，最終完成整體車架結構設計。開展了農村廁所糞污處理機試驗， 試驗處理量3.1 m3/h， 處理后糞水pH 值6.55、BOD 降低91%、COD 降低75.9%、氨氮降低79.57% 和懸浮物降低99.65%，實現了農村廁所糞污就近、就地機械化處理，為資源化利用奠定基礎。

關鍵詞：農村廁所；糞污處理機；全掛車車架；結構設計；強度校核

中圖分類號：S220 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0083-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411312

0 引言

人糞中70%～80% 為水分，20% 為纖維素、半纖維素、蛋白質及其分解物等有機質，5% 為硅酸鹽、磷酸鹽和氯化物等灰分，新鮮人糞呈中性[1]。人尿中95% 為水分，其他為尿素、尿酸等有機物，以及氯化鈉、磷酸鹽、銨鹽等無機鹽。鮮尿呈微酸性，腐熟后呈堿性，易被作物吸收利用，肥效快，可作基肥、追肥[2-3]。我國糞污處理系統的發展大致分為4 個階段：20 世紀50 年代，公廁衛生改造及糞污收集設施初步建設；60—70 年代，加大了糞污清運基礎設施的建設和機械化糞污清運；80 年代以后，水沖式廁所普及率迅速提高，糞污進入無害化處理階段；90 年代中期以來，越來越多的城市采用糞污經預處理后，與城市污水處理廠或垃圾衛生填埋場合并處理的方式。但是針對農村旱廁的人糞處理技術仍處于較傳統階段，處理方法主要包括農業利用、衛生填埋和好氧堆肥等[4-6]。我國大部分地區處理的方法有建立沼氣發酵法、三格糞池法和通風改良法[7-11]。三格式化糞池雖然能夠滿足糞污的無害化處理要求，但不能滿足環境保護及就近就地機械化處理、資源化利用的要求[12-13]。

近年來，隨著相關技術的不斷進步，有關人糞處理的設施裝備也不斷地被生產制造出來。如宜興華都琥珀環保機械制造有限公司生產的糞污污水處理裝備用于城市糞污的處理，采用先將糞污進行預處理[14-16]。山東曲阜潤豐機械有限公司生產的無害化處理機，采用泥漿泵將原糞水送至主機內，通過擠壓分離出固態物質，液體則通過篩網從機體下部的出液口流出實現處理。深圳市九九八科技有限公司生產的干濕分離吸糞車，通過對干濕分離裝置整合，實現對污水、污泥、糞污的無害化處理。中科博聯科技集團生產的CTB 一體化智能好氧發酵裝備通過密閉處理方式對糞污進行處理[17-18]。

針對農村廁所糞污處理無機可用、無好機用的現狀，在全掛車車架設計、計算、應力和位移校核，以及仿真應力分析的基礎上，對農村廁所處理機及車架進行加工制作，研制開發形成了FWCL-3 型農村廁所糞污處理機樣機，通過抽吸、過濾和固液分離，實現對農村廁所三格式化糞池內的糞污移動式機械化處理。該機操作方便，轉運靈活，無故障發生，作業效率、處理效果達到設計要求，實現了農村廁所糞污就近、就地機械化處理，源頭減排，為資源化利用提供機械化解決方案，促進農村人居環境改善。

1 農村廁所糞污處理機結構及工作原理

1.1 基本結構

農村廁所糞污處理機主要由車架、抽吸裝置、粗濾裝置、存儲裝置、配藥裝置、固液分離裝置、柴油機和控制裝置等組成，結構如圖1 所示，主要設計參數如表1 所示。車架是農村廁所糞污處理機的重要組成部分，主要由軸、輪胎、制動系統、支腿、轉向盤、牽引架和管路等組成，車架的強度、鋼度、安全性和可靠性是該機穩定行駛的保障，因此，對車架建模仿真分析、危險截面校核、應力校核等十分必要。

1.2 工作原理

把化糞池里的污水和不能分解的垃圾抽至設備，通過設備的固液分離器進行分離，把長期集留在化糞池內的固體垃圾（石塊、紙巾、塑料袋等）雜質分離出去，產生粗渣，這些粗渣當作生活廢棄物處理；剩余液體可直接排入原化糞池井內。這樣可快速地減輕化糞池內負荷，回歸設計容積，接入化糞池的污水管道也不會堵塞，分離出的固體可以作為有機肥堆肥原料。

2 全掛車車架建模分析

2.1 車架縱梁和橫梁設計

全掛車對于縱梁強度和剛度要求較高。全掛車的縱梁材料一般選用碳素結構鋼Q235A 型（屈服強度235 MPa，質量等級A 級），以保證縱梁具有很強的抗彎曲性能。平板式車架縱梁長度4 200 mm，采用熱軋槽鋼14b 型（GB/T706—2016），高度140 mm、腿寬度60 mm、腰厚度8 mm。車架的前懸長度800 mm、后懸長度800 mm。車架縱梁主截面是槽鋼型，具體結構如圖2a 所示。

橫梁主要作用是連接左右縱梁，橫梁位置合理布置可以大大改善車架所受內應力，提高車架工作可靠性。為了防止整個車架抗扭轉剛度的減弱，設計了3種不同結構的橫梁，即前橫梁、內置橫梁和副支撐梁。全掛車車架橫梁均采用沖壓的方法加工完成，3 種橫梁的材料均選用碳素結構鋼Q235A 型。3 種橫梁的三維建模如圖2b、圖2c 和圖2d 所示。

2.2 車架縱梁和橫梁連接設計

選擇合理的縱橫梁連接方式對車架本身剛度至關重要。本研究選取的車架由2 根槽型的主縱梁為基體，縱梁間的約束距離950 mm。以截面形狀為槽型的前置梁為基礎，每隔1 000 mm 布置剩余橫梁，最后裝配副支承梁。

橫梁與縱梁上下翼緣連接，如圖3a 和圖3c 所示，此種結構有利于提高車架的扭轉剛度，但在受扭嚴重的情況下，易產生約束扭轉，因而在縱梁翼緣處會出現較大的內應力，應用在全掛車車架后懸架支撐處、支撐裝置處。橫梁和縱梁的腹板連接，如圖3b 所示，此種連接方式結構剛度較差，允許縱梁截面產生自由翹曲，不形成約束扭轉，多用在扭轉變形較小的車架中部橫梁上，全掛車車架未使用此種連接方式。橫梁與縱梁上翼緣和腹板，如圖3 d 所示，這種結構兼有以上兩種結構的特點，故應用在全掛車車架中部橫梁。

農村廁所糞污處理機車架各部分的建模過程大致如上所述，將縱梁、前橫梁、內置橫梁和副支撐梁4部分裝配后，車架經過Solidworks 三維模型的創建，全掛車車架三維結構如圖4 所示。

3 全掛車車架強度計算

3.1 車架縱梁強度

車體各個部分的質量：車架質量590 kg、轉向架質量112 kg、牽引架質量68 kg、梯子與護網總質量40 kg、無心轉盤質量80 kg、兩根車軸總質量320 kg 及輪胎總質量410 kg。軸荷分布，由于縱梁承載了車輛載貨過程中絕大多數載荷，將全掛車車架縱梁簡化為支承在前軸和后軸上的簡支梁計算，并完成強度分析計算。簡支梁的受力分析如圖5 所示。圖中，FA 為后軸中心處受力，N；FB 為前軸中心處受力，N；L 為軸距，mm；LK 為前軸中心到車架頭部的距離，mm；qa為車輛滿載時整個車架承受的縱向單位長度均勻載荷，N/m；La 為車架長度，mm。

經計算得車輛滿載時整個車架所承受的縱向單位長度均勻載荷按式（2）計算。

G= （g1+g2）k （1）

qa =G／La（2）

式中 g1——車架總質量，kg

g2——設計載荷總質量，kg

G——掛車承受重力，N

k——比例系數，k=9.8

經計算得，G=94 276 N，qa=22 450 N/m。

3.2 車架支反力

全掛車車架為兩根主縱梁，滿載時進行單根縱梁強度檢核。車輛滿載時單根縱梁承受的縱向單位長度均勻載荷q 為

q =G／2La（3）

經計算得，q=11 225 N/m。

由平衡力矩方程，計算前、后軸受力。

式中 L2——軸距，m

L1——后懸長度，m

L3——前懸長度，m

RB——前軸受力，N

RA——后軸受力，N

經計算得，RB=RA=23 600 N。

3.3 車架剪力計算

CA段： f （x） = -qx （0 ? x ? 0.8） （7）

AB段： f （x） = RA -qx （0.8＜x ? 3.4） （8）

BD段： f （x） = q（La - x） （3.4＜x ? 4.2） （9）

由上述3 式可計算出各剪力最大的點為：Qa=0 N，Qb=?qL1=?8 980 N，Qc=RA?qL1=14 620 N，Qf=qL3=8 980 N，Qe=RB+qL3=14 620 N，Qd=0 N。

3.4 車架彎矩計算

CA段：MCA （x） = - qx2／2（0 ? x＜0.8） （10）

AB段：MAB （x） = RA （x-0.8）- qx2／2（0.8 ? x＜3.4）（11）

BD段：MBD （x） = - q（La - x）2／2（3.4 ? x＜4.2） （12）

由上述3 式可計算出各彎矩最大的點為：A 點的最大彎矩MA=?qx2/2=?3 592 N/m； B 點的最大彎矩MB=?q（La?x）2/2=?3 592 N/m；B 間的最大彎矩位于距離C 點x 處， 此處剪力等于0， x=RA/q=2.1 m， Mx，max=RA（x?0.8）?qx2/2=5 930 N/m。

通過計算，可以畫出車架縱梁的支反力、剪力、彎矩圖如圖6 所示。

3.5 車架危險截面計算

由經驗可知，縱梁的危險截面一般為變截面處和最大彎矩處， 通過結構圖和計算可知是距離車尾2.1 m 處，現對此處截面進行強度校核，如圖7 所示。

由彎矩應力式（13）計算出截面彎矩應力σx

σx =Mx，max／Wx（13）

通過查表可知，14b 槽鋼抗彎截面系數Wx=87.1 cm3。經計算得σx=68.1 MPa。

對于槽鋼截面，其平面上的剪切應力可看成均布的，所以其剪切應力τ 可由式（14）計算。

τ"=FS/σ2h（14）

式中 FS——最大剪切應力，N，FS=14 620 N

σ2h——腹板截面面積，查表可知14b 槽鋼腰厚6 mm，高度140 mm，平均腿厚度9.5 mm

經計算截面剪切應力τ=20.14 MPa。

本車架縱梁采用碳素結構鋼Q235A 材質，其屈服極限σs=235 MPa，其許用屈服應力按式（15）計算、許用剪切應力按式（16）計算。

[σ] =σs/n1n2（15）

[τ] = 0.6[σ] （16）

式中 [σ]——材料許用屈服應力，MPa

σs——材料屈服極限，MPa

n1——疲勞系數，n1=1.2～1.4，取n1=1.3

n2——動載系數，n2=1.8～2.2，取n2=2.0

[τ]——材料許用剪切應力，MPa

經計算得，[σ] =90.38 MPa，[τ]=54.228 MPa。

由于縱梁同時承受剪力和彎矩，由第4 強度理論，校核截面強度，按式（17）計算。

經計算得，σ=70.965 MPalt; [σ]=90.38 MPa。

通過上述計算，縱梁強度符合要求。此次全掛車采用硬連接，無懸掛系統，不進行分析。全掛車車軸是非驅動軸，可看作是剛性橫梁，支點位于輪胎中心，載荷作用在軸座上，如圖8 所示，圖中la 為安裝距、lb為輪距。

車軸總成主要由輪胎、車軸、制動器和輪轂等組成。全掛車可根據用戶要求選裝性質優良的車軸總成，亦可采用外購總成件或零部件組裝，其軸頭和軸體均為優質鋼材制造，軸體為整體式圓鋼截面。全掛車車軸的質量屬于非懸掛質量，對車輛行駛的平順性不利，所以在設計車軸時，應盡量減少結構質量。

前后軸體采用45#材質，直徑Φ85 mm 圓鋼，按照公式（18）計算抗彎截面系數；按式（19）和（20）計算軸處受力；軸體的最大彎矩在兩軸支撐中心位置，彎矩值Ml，max 按式（21）計算，彎矩截面應力σl 按式（22）計算。

經計算得，Wl=60 307.1 mm3， FA=FB=47 145 N，Ml， max=9170 N/m，σl=152 MPa。全掛車前后軸體采用45#材質，其屈服極限σs=355 MPa，按式（15）計算出許用應力[σ]=164.35 MPa，其中，疲勞系數n1=1.2、動載系數n2=1.8。σl=152 MPalt;[σ]，表明車軸強度滿足要求。

4 全掛車車架位移及應力校核

農村廁所糞污處理機一般在較為平坦公路路面上行駛，采用Solidworks 軟件分別對全掛車車架結構、半掛車車架結構進行應力分析。由圖9 可知，全掛車車架位移變形量2.62 mm，半掛底盤車車架位移變形量10.29 mm，全掛車車架結構位移變形量比半掛車小7.67 mm，采用全掛車車架結構鋼度優于半掛車車架結構。

車架選材屈服極限2.350e+02 MPa，由圖10a 可知，全掛車車架結構應力最小值0 MPa、最大值1.967e+02MPa，1.967e+02 MPalt;2.350e+02 MPa，可以確定車架結構強度和穩定性滿足車架結構的設計要求。

由圖10b 可知，半掛車車架結構應力最小值0 MPa、最大值5.615e+02 MPa，5.615e+02 MPagt;2.350e+02 MPa，確定在相同材料下半掛車車架局部位置結構強度和穩定性不滿足農村廁所糞污處理機車架結構設計要求。因此，全掛車車架結構鋼度優于半掛車車架結構鋼度，并且總體高度低，支撐結構穩定性更好，最終確定農村廁所糞污處理機采用全掛車車架結構。在車架設計孔時注意在應力小的部位處，這樣可提高車架使用壽命。

5 試驗驗證

2022 年9 月，在北京市平谷區大華山鎮大裕子村開展農村廁所糞污處理機試驗。農村廁所糞污處理機如圖11 所示。結果表明，農村廁所糞污處理機處理量3.1 m3/h，滿足3 m3/h 處理量的設計要求。處理后糞污pH 值調整為6.55，BOD 降低91%、COD 降低75.9%、氨氮降低79.57% 及懸浮物降低99.65%，達到了農田灌溉水質標準中pH 值、BOD、COD、氨氮和懸浮物指標要求，為農村廁所糞污就近、就地處理機械裝備研制開發，資源化利用奠定基礎。

6 結束語

（1）根據農村廁所糞污處理工藝要求及移動作業過程中車架容易開裂的現象，設計了一款載質量8 t 的全掛車車架，為農村廁所糞污處理機推廣應用提供移動式底盤。通過 Solidworks 軟件對簡化的載質量8 t 的全掛車車架的縱梁、橫梁及副支撐梁進行三維建模仿真分析。對全掛車車架縱梁進行車架危險截面確定及強度校核，對全掛車車架進行位移及應力校核，根據受力分析和計算結果再進行結構優化完善，確保整車車架參數在安全范圍內，完成車架結構設計。

（2）針對研制的農村廁所糞污處理機開展試驗，經試驗該機處理量3.1 m3/h，處理后糞污pH 值6.55，BOD 降低91%、COD 降低75.9%、氨氮降低79.57%及懸浮物降低99.65%，實現了農村廁所糞污就近、就地機械化處理，為資源化利用奠定基礎。

（3）設計的全掛車車架能夠為FWCL-3 型農村廁所糞污處理機提供穩定、可靠的行走底盤車架，達到設計要求，設備無故障發生，為不同型號農村廁所糞污處理機的研制開發提供借鑒。

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基金項目： 北京市鄉村振興科技項目（20221128）