后裝壓縮式垃圾車壓實(shí)板的有限元分析

苗淑杰,李榮智,段成燕,王 金

(1.黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

后裝壓縮式垃圾車壓實(shí)板的有限元分析

苗淑杰1,李榮智2,段成燕1,王 金1

(1.黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

后裝壓縮式垃圾車壓實(shí)板在工作過(guò)程中易出現(xiàn)強(qiáng)度和剛度不足，從而造成作業(yè)效果不佳、使用壽命降低等，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)壓實(shí)板是否滿足使用要求，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA的Product模塊和Analysis & Simulation /Generative Structural模塊建立壓實(shí)板的有限元模型，進(jìn)而計(jì)算和分析在正常工況下壓實(shí)板的強(qiáng)度和剛度。分析結(jié)果表明，壓實(shí)板的最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度和剛度的工作要求。

后裝壓縮式垃圾車;壓實(shí)板;有限元分析

壓實(shí)板作為后裝壓縮式垃圾車的核心部件，在作業(yè)過(guò)程中起到掃刮、破碎和壓縮垃圾的作用[1]。工作過(guò)程中，若壓實(shí)板出現(xiàn)較大變形則會(huì)導(dǎo)致垃圾掃刮不清潔，影響作業(yè)質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行。因此，本文運(yùn)用CATIA對(duì)壓實(shí)板在正常工況下進(jìn)行有限元分析，找出危險(xiǎn)區(qū)域并檢驗(yàn)此處是否滿足工作要求，從而推動(dòng)后裝壓縮式垃圾車的應(yīng)用。

1 壓縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 壓縮機(jī)構(gòu)

后裝壓縮式垃圾車壓縮機(jī)構(gòu)在作業(yè)過(guò)程中將松散的垃圾壓實(shí)并輸送到車廂里，是垃圾車整車的關(guān)鍵部件，其由滑道、滑板油缸、壓實(shí)油缸、滑板及壓實(shí)板等零部件組成，如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)構(gòu)

1.2 壓縮機(jī)構(gòu)的工作原理

圖2為壓縮機(jī)構(gòu)的工作原理。其中，圖2(a)為壓縮機(jī)構(gòu)的初始位置；圖2(b)為壓實(shí)油缸回縮，使壓實(shí)板繞鉸鏈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，做好插入垃圾的準(zhǔn)備，圖2(c)為滑板油缸伸長(zhǎng)，滑板沿滑道斜向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)壓實(shí)板插入松散的垃圾中，圖2(d)為壓實(shí)油缸伸長(zhǎng)，迫使壓實(shí)板繞鉸鏈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對(duì)松散的垃圾進(jìn)行一次壓縮，圖2(e)為滑板油缸回縮，滑板沿滑道斜向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)壓實(shí)板進(jìn)一步壓縮垃圾并裝到車廂上。至此完成了壓縮垃圾的一次循環(huán)。

圖2 壓縮機(jī)構(gòu)工作原理

1.3 壓實(shí)板結(jié)構(gòu)

壓實(shí)板由中間板、左支板和右支板組成，其中，左右兩支板由鋼板焊接而成，進(jìn)而與中間板焊接，其三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。壓實(shí)板的材質(zhì)均采用Q235B鋼板。

圖3 壓實(shí)板結(jié)構(gòu)

2 壓實(shí)板有限元模型的建立

2.1 模型的建立

為了避免因不同軟件轉(zhuǎn)換接口出現(xiàn)異常狀況導(dǎo)致零部件有限元分析失敗，壓實(shí)板的實(shí)體模型在CATIA環(huán)境中建立并直接導(dǎo)入CATIA的Generative Structural Analysis模塊中進(jìn)行分析。為了方便分析，左右兩支板各作為一個(gè)整體與中間板焊接且焊接處為理想焊接[2-3]。

2.2 定義材料屬性

在CATIA環(huán)境中對(duì)材料屬性的定義有兩種途徑：1)建立實(shí)體模型后直接在零部件設(shè)計(jì)模塊中定義；2)建立實(shí)體模型后導(dǎo)入Generative Structural Analysis模塊中定義。本文采用第一種方式，運(yùn)用CATIA提供的應(yīng)用材料指令定義壓實(shí)板的材料屬性。壓實(shí)板的材料采用Q235B鋼板，是因其具有良好的塑性、焊接性能和一定的強(qiáng)度，其材料屬性如表1所示。

表1 壓實(shí)板材料屬性

2.3 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)，其中網(wǎng)格數(shù)量對(duì)最終計(jì)算量和計(jì)算精度均產(chǎn)生直接影響[4]。若網(wǎng)格數(shù)量過(guò)少，則影響所建模型的計(jì)算精度；若網(wǎng)格過(guò)多，計(jì)算精度有所提高，但會(huì)增大模型的計(jì)算量[5-7]。因此，在劃分網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)綜合考慮兩個(gè)因素的影響。本文在CATIA分析模塊環(huán)境中對(duì)壓實(shí)板自動(dòng)劃分成空間四面體的單元，網(wǎng)格劃分如表2所示。壓實(shí)板的網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

表2 壓實(shí)板網(wǎng)格劃分

圖4 壓實(shí)板網(wǎng)格劃分模型

2.4 創(chuàng)建連接關(guān)系及定義連接特性

壓實(shí)板的左右兩支板分別與中間板焊接，因此，將各零件的連接關(guān)系定義為線連接。圖5中白色線即為左右兩支板與中間板的連接關(guān)系。在創(chuàng)建連接關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)壓實(shí)板進(jìn)行定義連接特性，如圖6的焊縫連接所示。

圖5 壓實(shí)板的連接關(guān)系

圖6 壓實(shí)板連接特性

2.5 施加約束和載荷

2.5.1 施加約束

壓實(shí)板通過(guò)鉸鏈與壓實(shí)油缸和滑板油缸連接，在鉸鏈孔對(duì)壓實(shí)板施加約束，如圖7所示。

圖7 壓實(shí)板約束

2.5.2 施加載荷

壓實(shí)板在工作過(guò)程中常出現(xiàn)三種狀況，即正常工作狀況、偏載工作狀況和特殊工作狀況。本文對(duì)此三種狀況中的正常工作狀況進(jìn)行分析。此時(shí)，垃圾對(duì)推板的壓力均勻分布，由文獻(xiàn)和相關(guān)有限元分析資料可知壓實(shí)板受力為70 kN[8]。

3 模型檢查與靜態(tài)分析

3.1 模型檢查

為了檢驗(yàn)網(wǎng)格劃分質(zhì)量、是否創(chuàng)建連接關(guān)系及定義的連接特性是否正確，利用CATIA分析模塊中Model Checker命令選項(xiàng)，檢查前處理是否存在問(wèn)題。模型檢查的結(jié)果在彈出的對(duì)話框上顯示，OK代表正確；KO代表錯(cuò)誤。圖8為壓實(shí)板模型檢查結(jié)果。

(a)

(b)圖8 壓實(shí)板模型檢查結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力分析

利用Von Mises屈服準(zhǔn)則[9-10]，等效應(yīng)力值為

式中:σ1,σ2,σ3為主應(yīng)力，當(dāng)σq>[σ]時(shí)材料失效。應(yīng)用CATIA對(duì)壓實(shí)板的有限元模型進(jìn)行求解和處理，得到如圖9所示的應(yīng)力云圖。

圖9 壓實(shí)板的應(yīng)力云圖

3.2.2 位移分析

圖10是運(yùn)用軟件處理后得到的壓實(shí)板位移變形圖。

圖10 壓實(shí)板位移變形

由圖9和圖10可知，壓實(shí)板的最大應(yīng)力和最大位移均在距鉸鏈較遠(yuǎn)的一端，其最大應(yīng)力值為48.63MPa，小于材料Q235B的許用應(yīng)力，最大位移為0.227mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)運(yùn)用CATIA建立了后裝壓縮式垃圾車壓實(shí)板的有限元分析模型。

2)從分析結(jié)果可知，壓實(shí)板的最大應(yīng)力小于所用材料Q235B的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度和剛度的工作要求。

3)分析結(jié)果表明，壓實(shí)板最大應(yīng)力和最大位移均位于距鉸鏈較遠(yuǎn)的一端，此結(jié)果與實(shí)際分析情況相符合。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Finite element analysis of compression unit of back-loaded compaction garbage handler

MIAO Shu-jie1, LI Rong-zhi2, DUAN Cheng-yan1, WANG Jun1

(1.Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050，China; 2.North Hua’an Industral Group Co., Ltd., Qiqihar 161046, China)

In the working process, compression unit of back-loaded compaction garbage handler lacks in strength and rigidity, which leads to inefficiency of working effect, useful life reduction and so on. In order to check the strength and rigidity of compression unit, the finite element model of compression unit is built by using Product module and Analysis & Simulation /Generative Structural module of 3D design software CATIA. And then the strength and rigidity of compression unit in the normal working condition are calculated and analyzed. The analysis results show that the maximum stress is less than allowable stress of the material used, which will meet the requirements of strength and stiffness, providing theoretical basis for design and study of back-loaded compaction garbage handler.

back-loaded compaction garbage handler;compression unit;finite element analysis

2014-11-17

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12521460)

苗淑杰(1963-)，女，教授，研究方向：工程機(jī)械.

U469.6+91

A

1671-4679(2015)02-0001-04