后裝式餐廚垃圾車上料機構(gòu)強度分析及測試

閆澤雙 孫國明 孫照成 張桂昌

1.煙臺海德專用汽車有限公司 山東煙臺 264000

2.中國民航大學(xué) 天津 300000

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于物質(zhì)文化環(huán)境的需求日益提高，以政府職能的轉(zhuǎn)變、環(huán)衛(wèi)市場逐步釋放為背景，環(huán)衛(wèi)市場容量在2020年達(dá)到2 000億元，上海、深圳等地率先實施垃圾分類，餐廚垃圾和濕垃圾作為單獨的垃圾分類存在數(shù)量巨大、含水率高、易腐敗產(chǎn)生毒素和惡臭氣體等特點，其運輸過程中的“跑冒滴漏”成為影響城市市容市貌的重要因素，傳統(tǒng)的側(cè)裝式餐廚垃圾車以及后裝式垃圾車已無法滿足需求，后裝式餐廚垃圾車應(yīng)運而生，并逐漸受到市場的青睞。

后裝式垃圾車的上料機構(gòu)作為該車的主要功能實現(xiàn)機構(gòu)，使用頻繁，是設(shè)計過程中最主要的關(guān)注點。本文針對上料結(jié)構(gòu)上料過程做了動力學(xué)計算模型，得到相應(yīng)的載荷曲線，選取其中受力最大的四個位置進行了靜力學(xué)分析，并應(yīng)用動靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變儀對應(yīng)力較大區(qū)域進行了應(yīng)力應(yīng)變測試，印證了計算模型的準(zhǔn)確性，以計算模型中的最大應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)校核的最終應(yīng)力，為后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工作過程分析

后裝式垃圾車的上料機構(gòu)為一個平行四連桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，分別由舉升桿、翻轉(zhuǎn)桿、舉升油缸、翻轉(zhuǎn)油缸、垃圾桶固定支架等結(jié)構(gòu)組成，其主要運動副包括：舉升桿與箱體轉(zhuǎn)動副、舉升缸活塞桿與舉升桿轉(zhuǎn)動副、舉升缸與箱體轉(zhuǎn)動副、舉升桿與垃圾桶固定支架轉(zhuǎn)動副、翻轉(zhuǎn)油缸與箱體轉(zhuǎn)動副、翻轉(zhuǎn)桿與垃圾桶固定支架固定副、舉升缸與翻轉(zhuǎn)缸各自活塞缸和油缸之間滑動副。左右兩側(cè)共建立7個固定副、12個轉(zhuǎn)動副、4個滑動副，動力學(xué)模型如圖2所示。

圖1 上料機構(gòu)簡圖

圖2 機構(gòu)動力學(xué)模型

對油缸與活塞桿的4個滑動副施加運動驅(qū)動，提升機構(gòu)提升垃圾桶和翻轉(zhuǎn)垃圾桶，以速度的形式驅(qū)動，經(jīng)過測量，垃圾桶提升總共需要12.4 s，活塞桿伸出233 mm，垃圾桶翻轉(zhuǎn)總共需要9 s，活塞桿伸出549 mm，將其運動速度簡化為加速-勻速-減速的過程，使用STEP函數(shù)定義驅(qū)動速度，函數(shù)如下：

舉升缸的速度驅(qū)動函數(shù)：

step(time,0,0,2,0)+step(time,2,0,4,21.6)+step(ti me,4,0,13.2,0)+step(time,13.2,0,14.4,-21.6)

翻轉(zhuǎn)缸的速度驅(qū)動函數(shù)：

step(time,0,0,14.4,0)+step(time,14.4,0,16.4,78)+step(time,16.4,0,20.4,0)+step(time,20.4,0,23.4,-78)

該模型中結(jié)構(gòu)件密度為7 800 kg/m3，垃圾桶密度為900 kg/m3，垃圾桶中的垃圾密度為1 000 kg/m3，假設(shè)提升垃圾桶和翻轉(zhuǎn)垃圾桶時，桶內(nèi)的垃圾不撒漏，不減少。仿真計算后提取ABCD載荷曲線如圖3～圖6所示（ABCD四個位置詳見圖1）。

圖3 A位置載荷曲線

圖4 B位置載荷曲線

圖5 C位置載荷曲線

圖6 D位置載荷曲線

從各運動副之間的載荷曲線可以看出，A位置載荷最大的點位于18.06 s，載荷大小為22 036 N，其中X方向為1 003 N，Y方向為-21 669 N；B位置載荷最大的點位于18.06 s，載荷大小為23 454 N，其中X方向為-4 693 N；Y方向為22 980 N；C位置載荷與B位置相同，大小相同，方向相反；D位置載荷最大點出現(xiàn)在14.77 s，載荷大小為5 089 N，其中X方向為4 199 N，Y方向為2 874 N；D位置在18.06 s時，載荷大小為4 223 N，其中X方向為3 652 N，Y方向為2 120 N，載荷相差較小，且ABC三個位置與D位置相互影響比較小，因此計算時不考慮最大載荷出現(xiàn)在不同時刻的問題，將各位置最大載荷同時作用在箱體相對應(yīng)位置。

2 靜力學(xué)分析

2.1 箱體靜力學(xué)分析

簡化箱體模型中的小結(jié)構(gòu)，去除非重要部分的圓角、小孔等特征，將數(shù)模導(dǎo)入至Workbench。對各零部件設(shè)置材料屬性，各零部件均采用Q235B制作，其密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa，抗拉強度不低于375 MPa，許用應(yīng)力按235 MPa計算，薄壁零部件簡化為殼體，建立實體之間的接觸、殼體與殼體之間的接觸、殼體與實體之間的接觸。殼體文件劃分面網(wǎng)格，實體零部件劃分以六面體網(wǎng)格為主的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對重點應(yīng)力考察區(qū)域的零部件設(shè)置網(wǎng)格尺度為2 mm，對非重點考察區(qū)域的零部件設(shè)置網(wǎng)格尺度5 mm，共形成681881個網(wǎng)格，33 343 279個節(jié)點。約束結(jié)構(gòu)的上下底面，并對相應(yīng)位置施加第1節(jié)得到的載荷。計算后得到應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 箱體A C D三位置應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖分析，除去應(yīng)力奇點440.77 MPa，A區(qū)域最大應(yīng)力為129.93 MPa，安全系數(shù)為1.8，D區(qū)域最大應(yīng)力為85.003 MPa，安全系數(shù)為2.7，C區(qū)域最大應(yīng)力為136.99 MPa，安全系數(shù)為1.71。

2.2 舉升桿靜力學(xué)分析

與2.1節(jié)方法相同，建立舉升桿應(yīng)力計算模型，網(wǎng)格尺度設(shè)置為2 mm，共形成47 581個網(wǎng)格，48 539個節(jié)點，施加第1節(jié)得到的載荷，計算后得到應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 舉升桿 B位置應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖分析，B區(qū)域最大應(yīng)力為40.52 MPa，安全系數(shù)為5.8。

3 應(yīng)力應(yīng)變測試

根據(jù)第2節(jié)中得出的應(yīng)力計算結(jié)果，選取對應(yīng)位置進行應(yīng)力應(yīng)變測試，主要采用設(shè)備為動靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變儀、應(yīng)變花等，選取ABCD四個位置周邊應(yīng)力較為均勻區(qū)域進行測試，應(yīng)變片粘貼位置如圖9所示。

圖9 應(yīng)變測試位置

將垃圾桶內(nèi)裝滿水，測試整個垃圾桶提升過程及垃圾桶翻轉(zhuǎn)過程中的X、Y、45°三個方向的應(yīng)變，并依據(jù)二向胡克定律計算得出最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力，再依據(jù)第四強度理論計算得到米塞斯應(yīng)力。對比同一時間同一位置處的測試應(yīng)力與計算應(yīng)力，誤差在5%以內(nèi)，證明了靜力學(xué)計算的模型的準(zhǔn)確性，測試位置對應(yīng)計算應(yīng)力圖及測試應(yīng)力與計算應(yīng)力對比如圖10、圖11所示。

圖10 ABCD測試點對應(yīng)計算應(yīng)力

圖11 測試與計算應(yīng)力對比圖

4 結(jié)語

本文應(yīng)用Adams及Workbench完成了后裝式無泄漏餐廚垃圾車?yán)疤嵘龣C構(gòu)的動力學(xué)模型載荷提取和靜力學(xué)強度計算，對比應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果與計算結(jié)果，印證了計算模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)靜力學(xué)計算的結(jié)果可知，目前該機構(gòu)強度滿足使用要求，安全系數(shù)分別為A區(qū)域1.8，B區(qū)域5.8，C區(qū)域1.71，D區(qū)域2.7，B區(qū)域與D區(qū)域存在輕量化的空間。