移動式垃圾壓縮站結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化研究

移動式垃圾壓縮站可獨立完成垃圾的裝填與壓縮，垃圾壓縮性能極佳，實現(xiàn)了高度的機械化、自動化。移動式垃圾壓縮站的應(yīng)用大大提高了垃圾轉(zhuǎn)運的工作效率，降低了人工成本。移動式垃圾壓縮站集裝填、壓縮、存儲等多種功能于一體，靈活性高，對場地幾乎沒有特殊要求，且完成垃圾裝填后入口封閉，不會對環(huán)境造成二次污染，因此移動式垃圾壓縮站在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。本文以移動式垃圾壓縮站處于壓縮工況狀態(tài)時為例進行結(jié)構(gòu)分析，并提出具體的優(yōu)化措施。

移動式垃圾壓縮站是一種多功能專用環(huán)衛(wèi)車輛，其主要功能包括垃圾壓縮、存儲、轉(zhuǎn)運等，實現(xiàn)了垃圾處理的高效運行。在垃圾壓縮站設(shè)計制造過程中，箱體結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計是一項重要內(nèi)容。移動式垃圾壓縮站有著多種不同的工作狀態(tài)，在不同的工作狀態(tài)條件下會形成對應(yīng)的邊界條件，因此對移動式垃圾壓縮站進行科學(xué)的結(jié)構(gòu)分析是保證工況選擇正確性的重要前提[1]。

1? ? 移動式垃圾壓縮站工作過程

移動式垃圾壓縮站包括以下幾個部分：首先，垃圾舉升結(jié)構(gòu)模塊。舉升結(jié)構(gòu)包括收料斗、提料液壓缸等，垃圾舉升結(jié)構(gòu)主要負責(zé)上料，通過舉升油缸、舉升臂、連桿、料斗等部件的共同作用收集、舉升垃圾。其次，垃圾壓縮結(jié)構(gòu)。壓縮結(jié)構(gòu)包括推壓液壓缸、推壓板、尾門液壓缸等。在壓縮垃圾過程中，壓縮結(jié)構(gòu)中的壓縮垃圾前推頭、壓縮油缸收縮，舉升結(jié)構(gòu)將垃圾倒進垃圾箱體，壓縮油缸與壓縮推頭就開始合作進行垃圾壓縮，壓縮推板為雙曲線外形，可獲得更好的垃圾破碎效果及壓縮效果;壓縮推頭與壓縮腔體之間有著非常小的間隙，可以保證垃圾壓縮體積更小，且可避免垃圾殘留;壓縮腔出口有固定抓鉤，其主要作用是防止箱體內(nèi)垃圾回彈。最后，拉箱運輸及傾倒結(jié)構(gòu)。移動式垃圾壓縮站由地面裝載到自裝卸載的過程為拉箱過程，拉箱前料斗在壓縮腔上處保持閉合狀態(tài)，電源開關(guān)關(guān)閉，壓縮腔下方的排污管路也處于密封狀態(tài)[2]。其主要結(jié)構(gòu)包括垃圾箱體、控制面板、液壓泵站等。移動垃圾站工作時，拉箱自卸裝置鉤體鉤住吊環(huán)，垃圾箱體升起，后輪前移，接觸到車架后箱體被完全裝載到車架上;垃圾移動站的控制系統(tǒng)設(shè)置于駕駛室中，操作人員通過駕駛室的控制面板控制箱體后門的開閉，由于箱體側(cè)面設(shè)置有一定錐度，因此傾倒垃圾更徹底。各個組成部分在工作時，垃圾車將垃圾傾倒于移動垃圾壓縮站的收料斗中，操作人員控制收料斗收集垃圾，再伸出提料液壓缸把收料斗提至垃圾收集箱上方傾倒垃圾，注意需要傾倒于收集箱的前半部分，便于液壓缸推動推壓板壓縮垃圾。推壓板推壓垃圾至少要反復(fù)推壓3次，壓縮完畢后注意復(fù)位。垃圾箱內(nèi)裝滿后尾門液壓缸將垃圾箱體密封好，再用專用的垃圾轉(zhuǎn)運車運送至專門的垃圾處理場地。傾倒垃圾時通過駕駛室的控制面板啟動尾門開關(guān)，伸出尾門液壓缸開啟尾門倒出垃圾，全部完成后再復(fù)位尾門液壓缸鎖緊后門。

2? ? 移動式垃圾壓縮站結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析主要是利用力學(xué)方法對結(jié)構(gòu)的剛度、強度、穩(wěn)定性進行分析、計算，靜力分析是結(jié)構(gòu)分析的重要組成部分，即分析結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定邊界狀態(tài)下其強度、剛度、穩(wěn)定性等存在的問題。移動式垃圾壓縮站在工程過程中存在多種工作狀態(tài)，不同工作狀態(tài)會形成不同的邊界條件，因此要進行結(jié)構(gòu)分析，就要選擇正確的工況。本研究以移動垃圾壓縮站箱體結(jié)構(gòu)在壓縮過程中滿載且推頭推力最大時的工況為例進行結(jié)構(gòu)分析，即翻轉(zhuǎn)料斗放下置于地面，且推頭處于全伸壓縮狀態(tài)[3-4]。工況分析采用有限元建模的方法正確施加模型所具有的邊界條件，以保證結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性。注意如果按照絕對真實的情況施加邊界條件可能會存在一些現(xiàn)實困難，因此要在不影響結(jié)構(gòu)分析準(zhǔn)確性的條件下，根據(jù)實際情況合理施加邊界條件，在簡化結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上保證結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性。

有限元概念中邊界條件可以分為位移邊界條件與載荷邊界條件兩種。

2.1 位移邊界條件分析

位移邊界條件也叫作位移約束，其主要作用是限制有限元模型的自由度。本研究中主要分析移動垃圾壓縮站箱體結(jié)構(gòu)處于壓縮作業(yè)工況條件下的結(jié)構(gòu)作用，設(shè)定在該工況中垃圾箱滿載，且推頭推力處于最大的條件下進行分析，此時位移邊界條件的主要作用是限制整機的剛體位移。在壓縮工況下，整機在地面翻轉(zhuǎn)料斗放下，移動站的后滾輪、前導(dǎo)軌、翻轉(zhuǎn)料斗等部位與地面形成接觸約束，分析整機的受力角度可知，所有載荷均為內(nèi)力，整機前后方向、后滾輪軸方向受力處于平衡狀態(tài)，因此該工況下這兩個方向不需要約束。然而在有限元模型靜力結(jié)構(gòu)計算過程中存在加載不對稱、網(wǎng)格質(zhì)量等問題，因此整機前后方向、后滾輪軸向會存在較小的不平衡，需要約束兩個后滾輪在整機前后方向的位移及其中一個后滾輪軸向方向的位移，以避免出現(xiàn)計算約束不足的問題。

2.2 載荷邊界條件

所謂的載荷邊界條件包括箱體載荷模型、推頭的拄力、整機的自身重力等，是指移動垃圾壓縮站各結(jié)構(gòu)在壓縮工作狀態(tài)下受到的載荷，受篇幅影響此處主要針對壓縮過程中推頭產(chǎn)生的推力載荷及整機自重進行詳細分析。在壓縮工作狀態(tài)下推頭全部推出去，此時推力處于最高水平，需要兩個液壓缸共同作用才能滿足這一條件，此時移動垃圾站結(jié)構(gòu)受力處于最大的水平，推頭的最大推力可通過下式計算出來：

F=n1*π/4D2Pcosɑ

上式中F即表示最大壓縮力，單位N;n1表示液壓缸數(shù)量;D表示液壓缸直徑，單位mm;P表示液壓缸最大工作壓強，單位MPa，ɑ表示最大推頭壓縮力方向與液壓缸中心線之間的夾角。

分析整機部分自重載荷可按照實際材料屬性合理選擇密度確定自重載荷，移動垃圾站整機材料大部分為鋼材，取鋼材密度即可，再合理取值重力加速度即可計算出移動垃圾站的整機自重載荷。本研究經(jīng)過計算，移動垃圾壓縮站的推頭整體強度能夠滿足實際需求，且安全性較高。但經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析可知，移動垃圾站整機大部分區(qū)域等效應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，即使有小部分區(qū)域超出材料許用應(yīng)力，也未超過材料屈服極限，這說明垃圾站整體材料作用率還有很大的改善空間，因此有必要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以提高材料的利用率，降低垃圾站的投資成本、使用成本。

3? ? 移動式垃圾壓縮站的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計變量

以壓縮工況分析為例，優(yōu)化移動式垃圾壓縮站的主要目的是提高整機材料的利用率，實現(xiàn)整體的輕量化，因此在確定設(shè)計變量時需要選擇各部件的板厚參數(shù);上文中提到，本研究主要分析垃圾壓縮站的壓縮工況，因此主要針對參與壓縮工況的相關(guān)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，包括移動站箱體主體部分、箱體后門部分、推頭等。

優(yōu)化移動式垃圾壓縮站的結(jié)構(gòu)設(shè)計變量首先要分析其狀態(tài)變量，所謂狀態(tài)變量是指根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算出的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能約束條件、設(shè)計變量本身具有的幾何約束條件、各設(shè)計變化之間存在的設(shè)計變量約束條件等，即結(jié)構(gòu)在運動過程中受到的各種約束條件。本研究中移動垃圾站各部分結(jié)構(gòu)所受最大等效應(yīng)力不超過各部分材料的許用應(yīng)力是主要性能約束條件，其算式表達如下：

max（σ）≤[σ]

式中，max（σ）表示各部分結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力，單位MPa;[σ]表示各部分結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力，單位MPa。幾何約束條件主要以各設(shè)計變量取值范圍為主，采用下通用算式表達：

XiL≤Xi≤XiU

式中，XiL為設(shè)計變量Xi的下限;XiU為設(shè)計變量Xi的上限，i=1，2，…，n。由于各設(shè)計變量均為互相獨立的關(guān)系，故不存在設(shè)計變量之間的約束條件。

3.2 移動垃圾壓縮站結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)變量

優(yōu)化移動垃圾壓縮站的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要目的是為了實現(xiàn)整機重量最小化的目標(biāo)，以減輕投資成本，因此取移動垃圾壓縮站整機重量為目標(biāo)變量，可用下式表達：

式中，為移動站各部分結(jié)構(gòu)材料密度，Vi為移動站有限元模型中第i個單元的體積，i取值1，2，…N。

3.3 移動站結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型

本研究采用函數(shù)逼近法對整個移動垃圾壓縮站進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，可以簡化運算過程，保證優(yōu)化計算高效、順利地完成。具體數(shù)學(xué)模型如下：

4? ? 結(jié)語

綜上所述，隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，我國在垃圾壓縮設(shè)備的設(shè)計研發(fā)及生產(chǎn)過程中都取得了明顯的技術(shù)進步，然而與起步更早的國外相同類型產(chǎn)品相比，我國的垃圾壓縮設(shè)備無論是功能還是性能與世界先進水平還存在較大差異[5]。移動式垃圾壓縮站是一種包含了垃圾壓縮、存儲及轉(zhuǎn)運等諸多功能的專用環(huán)衛(wèi)車輛，其箱體的結(jié)構(gòu)性能是整車設(shè)計的重要內(nèi)容，本研究以其處于壓縮工況狀態(tài)時為例進行結(jié)構(gòu)分析，并提出具體的優(yōu)化措施，以提高產(chǎn)品的競爭力。

（本文作者：汪騰英? ?工作單位：新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

參考文獻

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