后裝壓縮式垃圾車刮板的輕量化設(shè)計研究

鄒震 鄭文標

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司 福建龍巖 364000

1 前言

隨著城市化建設(shè)的不斷加快和全球資源的日益緊張，對后裝壓縮式垃圾車的輕量化設(shè)計提出了更高的設(shè)計要求[1]。

輕量化設(shè)計是指在滿足結(jié)構(gòu)性能的前提下，盡可能地減輕質(zhì)量，從而減少制作材料，降低生產(chǎn)成本。后裝壓縮式垃圾車集垃圾上料、壓縮、轉(zhuǎn)運、自卸為一體，刮板工作頻繁、受力集中且結(jié)構(gòu)笨重，其動、靜態(tài)性能的好壞直接影響到整車的壓裝性能，如何在確保刮板具有良好的動、靜態(tài)性能的基礎(chǔ)上進行輕量化設(shè)計是設(shè)計人員面臨的主要技術(shù)難題之一[2]。

本文以輕量化設(shè)計為目標，利用ANSYS Workbench軟件對刮板進行動、靜態(tài)分析和關(guān)鍵設(shè)計尺寸的靈敏度分析，在保證強度的前提下，對刮板性能影響較大的尺寸進行優(yōu)化取值，篩選出最優(yōu)方案，能夠最大限度地減輕刮板質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，基于此方法，可復(fù)制推廣到后裝壓縮式垃圾車的其他零部件，具有重要的指導(dǎo)意義。

2 建立刮板有限元模型

2.1 刮板工作原理簡介

壓縮機構(gòu)總成如圖1所示，在孔1處，刮板通過銷軸與油缸相連，在孔2處通過銷軸與滑板相連；當壓縮垃圾時，油缸伸出，推動刮板繞孔2旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刮板壓下的動作，刮板壓下到位后，滑板上行，將垃圾壓入箱體；經(jīng)多次循環(huán)后，將垃圾壓實壓滿。

圖1 壓縮機構(gòu)總成圖

2.2 刮板的建模與網(wǎng)格劃分

利用Inventor軟件對刮板進行參數(shù)化建模，Inventor軟件與ANSYS Workbench可很好地實現(xiàn)無縫連接，這為刮板有限元模型的建立和修改提供了很好的基礎(chǔ)。由于刮板內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且含有許多細小的螺栓孔、倒角、圓角，如果不對模型做適當簡化，網(wǎng)格劃分時容易生成畸變網(wǎng)格，畸變網(wǎng)格極有可能會導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)虛假的局部應(yīng)力集中，同時也增加了不必要的計算工作量和復(fù)雜度，為此有必要對刮板做如下處理：

a. 去除小的倒角、圓角；

b. 忽略對結(jié)構(gòu)無影響的小螺栓孔[3]。

簡化后，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中，泊松比設(shè)置為0.3，彈性模型設(shè)置為210 GPa，選擇四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小為10 mm，設(shè)置好相關(guān)物理參數(shù)后，即可對刮板進行網(wǎng)格劃分，最終得到模型的節(jié)點數(shù)為110 001,單元數(shù)為56 066，刮板的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

2.3 刮板載荷計算

圖2 刮板有限元網(wǎng)格模型

刮板在作業(yè)過程中，主要受到垃圾的壓力、刮板與面板間的摩擦力、油缸的推力F1、刮板與滑板的鉸點力F2，為便于加載，本文用等效力F代替垃圾對刮板的壓力和刮板與面板之間的摩擦力[4]。當刮板壓下，滑板上行到位時，刮板處于極限工況，此時，刮板的位置和受力如圖3所示，其中：α=29°， α1=51°，L=435 mm，L12=221 mm。對鉸點O2，由力矩平衡和力平衡可列如下方程：

把相關(guān)參數(shù)帶入式(1)～(3)，計算可得：F1=70 817 N，F(xiàn)2X= 66 194 N，F(xiàn)2y=63 425 N。

圖3 刮板受力分析示意圖

3 刮板靜力學(xué)分析

在刮板的孔2處限制其3個平動自由度和2個旋轉(zhuǎn)自由度，以此來模擬實際約束[5]。由于本文主要考慮輕量化后對強度、剛度、模態(tài)頻率的影響，因此在ANSYS靜力學(xué)分析中選擇位移和應(yīng)力進行求解，刮板的位移、應(yīng)力云圖如圖4、5所示。

分析可知，在極限工況下，刮板的最大變形為1.055 mm，位于刮板的底端位置；最大應(yīng)力為172.6 MPa，小于Q235A材料的屈極限235 MPa，剛度和強度均滿足設(shè)計要求。

4 刮板的模態(tài)分析

圖4 刮板位移云圖

圖5 刮板應(yīng)力云圖

模態(tài)分析是確定機械零部件薄弱環(huán)節(jié)和故障診斷的重要手段[6]，由于低階頻率對結(jié)構(gòu)的影響較大，所以本文只取刮板的前3階模態(tài)頻率和振型進行分析，刮板的前3階模態(tài)頻率和振型如圖6(a)～(c)所示。

通過模態(tài)分析可知，刮板的前2階模態(tài)頻率均高于100 Hz，振型均為單一的擺動和扭動，但在第3階的時候，刮板的左右兩端出現(xiàn)擺動和扭動的復(fù)合振型，說明刮板的左右兩端是相對薄弱的部位，可通過改變筋板的結(jié)構(gòu)和尺寸來提高刮板動態(tài)性能。

5 刮板的輕量化設(shè)計

刮板輕量化設(shè)計的主要目標是保證強度、剛度、動態(tài)性能良好的前提下，盡可能地使質(zhì)量減輕；而靈敏度分析可準確地判定關(guān)鍵設(shè)計尺寸對目標函數(shù)（質(zhì)量、應(yīng)力、變形、模態(tài)頻率）的影響[7]，從而對影響較大的尺寸進行優(yōu)化取值，選取最優(yōu)方案。

5.1 關(guān)鍵尺寸參數(shù)的靈敏度分析

刮板的內(nèi)部布有2根橫向筋板，外側(cè)布有4根縱向筋板，根據(jù)動、靜態(tài)分析結(jié)果和刮板的結(jié)構(gòu)特點，可對刮板的壁厚和筋板厚度進行尺寸優(yōu)化[8]，關(guān)鍵設(shè)計尺寸如圖7所示，初始值和優(yōu)化區(qū)間如表1所示。其中，P1為上面板的壁厚，P2為縱向加強筋的厚度，P3為支座的壁厚，P4為下面板的壁厚。

圖6 刮板前3階模態(tài)振型

圖7 刮板關(guān)鍵設(shè)計尺寸

設(shè)置好刮板關(guān)鍵尺寸的初值和優(yōu)化區(qū)間后，在ANSYS Workbench中進行靈敏度分析，判定它們對質(zhì)量、應(yīng)力和模態(tài)頻率的影響程度[9]，分析結(jié)果如圖8(a)～(c)所示。

從靈敏度分析結(jié)果可知，上面板的壁厚P1與下面板的壁厚P4對質(zhì)量、應(yīng)力以及模態(tài)頻率均有較大的影響，在輕量化設(shè)計時應(yīng)重點優(yōu)化，P2對質(zhì)量、應(yīng)力以及模態(tài)頻率的影響較小，在輕量化設(shè)計時，也可作為優(yōu)化對象，支座的壁厚P3對質(zhì)量影響最小，但對應(yīng)力和模態(tài)頻率有一定的影響，因此保留這個優(yōu)化尺寸。

表1 設(shè)計尺寸的初值與優(yōu)化區(qū)間

圖8 關(guān)鍵尺寸靈敏度分析圖

5.2 刮板輕量設(shè)計及結(jié)果分析

由于優(yōu)化的主要目標是對刮板進行減重，同時保證刮板的強度、剛度以及動態(tài)性能，因此在ANSYS Workbench中需對目標函數(shù)設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)先級，將刮板的質(zhì)量設(shè)置為“High”，應(yīng)力設(shè)置為“Default”，模態(tài)頻率設(shè)置為“Lower”，經(jīng)過相應(yīng)的迭代計算，基于優(yōu)先級的高低刷選出一組以輕量化為主要目標的最優(yōu)解[10]，并進行圓整，如表2所示。

根據(jù)輕量化設(shè)計后的尺寸結(jié)果對刮板進行重新建模，并在相同的極限工況下對刮板進行靜力學(xué)和模態(tài)分析，刮板輕量化后的應(yīng)力云圖和1階振型如圖9、10所示。刮板優(yōu)化前后的結(jié)果比較如表3所示。

表2 設(shè)計尺寸優(yōu)化前后比較

圖9 優(yōu)化后刮板應(yīng)力云圖

圖10 優(yōu)化后刮板1階振型（107.48 HZ）

表3 刮板優(yōu)化前后對比

由刮板優(yōu)化前后對比表可知，刮板的質(zhì)量減輕了17 kg（9.5%），應(yīng)力減小了3.6%，最大變形減小了2.7%，總體來說，刮板輕量化設(shè)計后，除了第三階模態(tài)頻率有一定降低，刮板的強度、剛度、以及前2階模態(tài)頻率均有不同程度的提高，實現(xiàn)了輕量化設(shè)計的目標。

刮板輕量化后，每臺車降低成本約17 kg×6.3元/kg=107.1元，按年產(chǎn)量1 000臺計算，企業(yè)每年可降低生產(chǎn)成本約10.7 萬元。

6 結(jié)語

a. 由于垃圾成分的不同，其力學(xué)性質(zhì)難以確定，目前尚未找到關(guān)于壓縮式垃圾車結(jié)構(gòu)載荷的系統(tǒng)資料；本文采用等效力的方法，很好地處理了刮板所受的外界載荷，保證了有限元分析的準確性；

b. 通過對刮板的靜力學(xué)、模態(tài)以及靈敏度分析，找出了刮板的薄弱環(huán)節(jié)和可優(yōu)化空間，為輕量化設(shè)計提供了依據(jù)；

c. 利用高效實用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對刮板進行輕量化設(shè)計，減重達17 kg（9.5%），其強度、剛度、以及前2階模態(tài)頻率均有不同程度的提高?；诖朔椒ǎ髽I(yè)每年可降低生產(chǎn)成本約10.7萬元，并可推廣到壓縮式垃圾車的其他零部件，為整車的優(yōu)化提供指導(dǎo)。