基于ANSYS 的垃圾壓塊機(jī)自卸箱鉸鏈軸的分析*

王 鵬 王守城

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展、進(jìn)步，人民物質(zhì)生活需求得到了極大的提高，因此導(dǎo)致產(chǎn)生的生活垃圾也日益增多，過多的垃圾如果不進(jìn)行及時(shí)、有效并正確的處理，將直接影響到人們的生活與工作環(huán)境［1］。而無論最終人類對生活垃圾如何處理，都需要對垃圾進(jìn)行收集與運(yùn)輸?shù)戎虚g過程。垃圾在傳統(tǒng)收集過程中會(huì)占用大量土地資源，對周邊的環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生巨大的危害，為此，有人提出一種地埋式垃圾壓塊機(jī)的裝置，可以先將垃圾在地下進(jìn)行壓縮，然后輸送到地面再轉(zhuǎn)運(yùn)［2］?，F(xiàn)有的對地埋式垃圾壓塊機(jī)的設(shè)計(jì)在對箱體進(jìn)行舉升時(shí)，會(huì)同時(shí)將部分壓縮裝置也同步舉升，這就導(dǎo)致舉升能量浪費(fèi)，且垃圾處理效率低，因此設(shè)計(jì)一種地埋式垃圾壓塊機(jī)自卸箱體裝置，有效提升舉升效率，運(yùn)輸便攜，成本低，節(jié)約能源，而鉸鏈軸作為其中的關(guān)鍵零部件之一［3］，對自卸箱體起到連接與支撐的作用，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行靜力學(xué)分析驗(yàn)證其作業(yè)過程中所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的的可靠性非常重要。

2 地埋式垃圾壓塊機(jī)的自卸箱體機(jī)構(gòu)

2.1 自卸箱體機(jī)構(gòu)簡介

地埋式垃圾壓塊機(jī)自卸箱體機(jī)構(gòu)包括自卸箱、液壓缸、支撐底板、支座以及鉸鏈軸。自卸箱體機(jī)構(gòu)隨裝置整體置于地下，當(dāng)箱體內(nèi)垃圾達(dá)到一定量時(shí)，舉升機(jī)構(gòu)將自卸箱體機(jī)構(gòu)舉升至地上，通過液壓缸工作將自卸箱傾倒并使其內(nèi)的垃圾塊倒出至轉(zhuǎn)移車上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自卸箱體機(jī)構(gòu)示意圖

在這一機(jī)構(gòu)的作業(yè)過程中，鉸鏈軸將自卸箱與支撐地板通過支座連接在一起，起著十分重要的作用。由于箱體內(nèi)所含垃圾塊重量大，對于鉸鏈軸的作用力很大，所以鉸鏈軸要滿足一定剛度、強(qiáng)度條件，確保其不會(huì)發(fā)生較大的變形甚至斷裂［4］。

2.2 自卸箱體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.2.1 自卸箱的設(shè)計(jì)及參數(shù)

為保證自卸箱具有一定的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，箱體由槽鋼焊接的框架以及鋼板一同焊接而成，材料為Q235鋼［5］。

表1 自卸箱體機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)

通過查找資料可知q235 鋼的密度ρ=7.8g/cm3，自卸箱所用鋼板的體積為

由此可得自卸箱的質(zhì)量為

自卸箱底部一側(cè)有一對支座，通過鉸鏈軸與支撐底板上的支座相連接。

2.2.2 鉸鏈軸的設(shè)計(jì)及參數(shù)

鉸鏈軸的材料設(shè)計(jì)為經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45 號(hào)鋼［6］，相應(yīng)的屈 服強(qiáng)度σS=355MPa ，抗剪切強(qiáng)度取系數(shù)0.7，取安全系數(shù)S=2.5［7］。可以計(jì)算出彎曲。

許用應(yīng)力

許用切應(yīng)力

其受力情況為

當(dāng)自卸箱水平時(shí)，鉸鏈軸不受力，此時(shí)只有支撐底板受到垂直作用力；當(dāng)液壓缸開始工作，從而使得自卸箱傾倒工程中，其受力情況隨著舉升角的變化而變化。鉸鏈軸逐漸承受徑向作用力，并隨著舉升角的增大而逐漸變大；當(dāng)舉升角達(dá)到30°時(shí)，自卸箱內(nèi)的部分垃圾塊會(huì)被卸載，鉸鏈軸承受的力還會(huì)增加，但是增加速度逐漸減緩；當(dāng)垃圾塊卸載一定量時(shí)，鉸鏈軸承受的力達(dá)到最大，之后，鉸鏈軸承受的力隨舉升角的增大而減小。圖2 為自卸箱舉升角度α為30°時(shí)對其進(jìn)行的受力分析。

圖2 自卸箱舉升角度α為30°時(shí)的受力分析

根據(jù)力矩平衡方程可得：

其中：

式中：

PQ=404mm；BQ=846mm；BR=733mm，由此可得液壓缸對自卸箱的舉升力：

舉升力F 分解到X，Y 軸的分力分別為Fx，F(xiàn)y；對自卸箱受到的由鉸鏈軸作用給它的支承反力N 進(jìn)行X，Y 軸方向的分解可得兩個(gè)分力分別為Nx，Ny［8］，列出力的平衡方程可得

根據(jù)勾股定理可得鉸鏈軸對自卸箱的支撐反力N，即

考慮到自卸箱體的其它外載以及自卸過程中力的變化情況，為了使設(shè)計(jì)的鉸鏈軸更加安全，計(jì)算時(shí)可以使其所受的力大一些，故其所受的力N取8.5×104N。

因?yàn)橛袃蓚€(gè)鉸鏈軸，所以每一個(gè)鉸鏈軸上的力

所以選取直徑d為46mm。

3 鉸鏈軸的靜力學(xué)分析

3.1 導(dǎo)入鉸鏈軸模型并劃分網(wǎng)格

打開ANSYS Workbench15.0，雙擊Static Structural，右側(cè)空白區(qū)出現(xiàn)Static Structural塊A，雙擊A2欄engineering Date，輸入45#鋼的材料屬性，點(diǎn)擊project，返回工程流程圖的Workbench界面，右鍵點(diǎn)擊A3 欄導(dǎo)入在Solid works 中創(chuàng)建的幾何模型，雙擊A4欄進(jìn)入Mechanical中［10］。

劃分網(wǎng)格。鼠標(biāo)右鍵單擊Mesh，左擊Generate Mesh 初步劃分網(wǎng)格［11］，為了得到比較精確的分析，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為4mm，采用三角區(qū)域單元?jiǎng)澐帧?/p>

3.2 施加約束與載荷

根據(jù)鉸鏈軸實(shí)際受力情況，在鉸鏈軸與支座的連接部分添加圓柱面約束，只保留繞軸旋轉(zhuǎn)的自由度，在鉸鏈中間部分施加不同的載荷。

3.3 靜力學(xué)分析結(jié)果

添加求解選項(xiàng)并求解。左鍵單擊導(dǎo)航欄中Solution（A6），添加總變形結(jié)果和等效應(yīng)力結(jié)果，單擊Solve得到總變形圖圖3和等效應(yīng)力圖圖4［12～13］。

圖3 鉸鏈軸總變形圖

圖4 鉸鏈軸等效應(yīng)力圖

從圖中可以看出，鉸鏈軸徑向幾乎不產(chǎn)生位移，其所受到的最大應(yīng)力值顯示為38.609MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于45#鋼的許用應(yīng)力［σ］=142MPa。還可以觀察到，無論是位移還是應(yīng)力分布，鉸鏈軸兩端支撐軸部分變化相對明顯，所以在鉸鏈軸的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對該部位進(jìn)行高強(qiáng)度處理，保證其可靠性［14］。

4 結(jié)語

根據(jù)地埋式垃圾壓塊機(jī)自卸箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對自卸箱及其鉸鏈軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其滿足最大彎曲應(yīng)力的強(qiáng)度條件和最大切應(yīng)力的強(qiáng)度條件，并利用ANSYS Workbench對鉸鏈軸進(jìn)行靜力學(xué)分析［15］，確保設(shè)計(jì)的鉸鏈軸滿足要求，保證了它的的安全可靠。同時(shí)也為地埋式垃圾壓塊機(jī)今后的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了相關(guān)資料。