龐小蘭 姚嘉寧
摘要:在選定的二類汽車底盤參數(shù)基礎(chǔ)上,確定了后裝壓縮式垃圾車箱體的結(jié)構(gòu)形式,然后進行了車廂主要參數(shù)的設(shè)計。同時,完成了對推板的設(shè)計校核,從而得出當(dāng)增加車箱容積時,需要重新對車箱和推板設(shè)計進行計算分析,以提高垃圾車的承載能力。
關(guān)鍵詞:垃圾車;車廂設(shè)計;推板設(shè)計與校核
中圖分類號:U463? 收稿日期:2023-01-15
DOI:10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.013
1 研究背景和意義
據(jù)統(tǒng)計,國內(nèi)的年總垃圾的產(chǎn)生量已經(jīng)達到18億t以上。在人們生活水平不斷提高的同時,每年的垃圾產(chǎn)生量在不斷大量增長,近年的垃圾年增長率達10%~15%。由于城市規(guī)模的發(fā)展,城市建設(shè)的不斷擴大發(fā)展,使得城市垃圾成了城市建設(shè)中的問題。這些垃圾需要被及時清理,否則將會嚴(yán)重影響我們的生產(chǎn)生活,因此垃圾車是城市垃圾清運的發(fā)展方向。
本文設(shè)計了一種后裝式垃圾車,該車能對垃圾進行壓縮和裝載,更好地降低運輸成本,提高工作效率[1]。
2 總體方案設(shè)計
2.1 垃圾車類型確定
第一種方案選擇側(cè)裝式垃圾車。在進行清運垃圾的時候,垃圾是在側(cè)面進行裝運的,這樣比較方便,但不對垃圾進行壓縮。這種垃圾車使用于特定垃圾處理中,一般運用人工處理,操作簡單,制造成本比較低。設(shè)計缺點是不能實現(xiàn)全自動的側(cè)裝,實現(xiàn)的裝載量比較小,無法在轉(zhuǎn)運中進行污水處理。
如圖1所示,側(cè)裝壓縮式垃圾車主要由箱體、推料機構(gòu)、起升機構(gòu)和液壓后門組成。起升機構(gòu)將垃圾倒入箱體后,推板油缸將推板向后推送,將垃圾壓實并產(chǎn)生一定的背壓。當(dāng)箱體中裝滿垃圾需要傾倒時,后門打開,推板油缸推動推板將垃圾推出車外,之后油缸收縮并回到原位。這種垃圾車在對垃圾進行壓縮的時候,采用的方式是推板推出[2]。這種壓縮方式非常好用,比傳統(tǒng)依靠重力的方式好用很多,且不容易造成堵塞,并且能使垃圾車的重心保持在垃圾車中部的位置,使得垃圾車運行更為穩(wěn)定。
第二個方案是后裝式垃圾車。后裝式垃圾車在應(yīng)用場景上有別于側(cè)裝式垃圾車,其工作原理是填料器結(jié)構(gòu),填料器有下放和上揚的兩個傳動結(jié)構(gòu)形式,下放后的結(jié)構(gòu)如圖2所示,整個結(jié)構(gòu)通過底部的連接實現(xiàn)傳動,廂體自動實現(xiàn)密封,這樣的結(jié)構(gòu)在使用上能夠達到平穩(wěn)和駕駛便捷的特點。
在工作過程中,當(dāng)填料器裝置上揚布置時,整個的填料器結(jié)構(gòu)可以在傳動系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)油缸的工作傳動 ,環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)上揚到90°,如圖3所示,這樣的結(jié)構(gòu)形式可以對垃圾進行全部的排出,同時整車重心后移,所以不利之處表現(xiàn)為爬坡能力降低。因此,在不影響裝載的情況下,設(shè)計時回轉(zhuǎn)支撐應(yīng)該前移。
2.2 技術(shù)要求確定
根據(jù)前期的調(diào)研結(jié)果,本次設(shè)計選取垃圾車車廂的空間為12 m3,且在設(shè)計時遵循GB/T 7258-2017《機動車安全技術(shù)條件》。
本文以某公司生產(chǎn)的ZJV5160ZYSHBE型壓縮車作為對標(biāo)產(chǎn)品進行參考,選用EQ1168KJ型自卸車底盤,然后根據(jù)此底盤參數(shù)設(shè)計車廂,主要技術(shù)見表1。
2.3 總體方案確定
側(cè)裝壓縮式垃圾車主要由箱體、推料機構(gòu)、起升機構(gòu)和液壓后門組成。其中,箱體裝載垃圾,箱體側(cè)面安裝起升機,由油缸給力提升,可將垃圾桶吊上、放下、上下升降,上下一次工作循環(huán)時間為50 s。
如圖4所示,后裝壓縮式垃圾車的工作流程為:起升機構(gòu)將垃圾倒入箱體后,推板油缸將推板向后推送,將垃圾壓實并產(chǎn)生一定的背壓。當(dāng)箱體中裝滿垃圾需要傾倒時,后門打開,推板油缸推動推板將垃圾推出車外,之后油缸收縮并回到原位。采用推板推出的方式,和傳統(tǒng)車箱上舉靠重力卸料的方式相比,可以避免由于過分壓縮的垃圾膨脹堵塞在車廂內(nèi),同時還可以防止卸料時重心過于后移而翻車。
3 后裝式垃圾車車箱的設(shè)計
3.1 確定車箱結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,垃圾車車身的比例必須符合實用功能,車輛在道路行駛過程中要帶給人視覺上的舒服感,這就要求車身的比例協(xié)調(diào)[2]。部分垃圾車主要是采用流線型的結(jié)構(gòu)樣式(圖5),這種結(jié)構(gòu)比較美觀,可以實現(xiàn)承受更大的膨脹力。
還有一種方形結(jié)構(gòu)形式,如圖6所示,這種設(shè)計采用在提高整體框架剛度的同時增加了產(chǎn)品美觀性,因此本次設(shè)計采用方形結(jié)構(gòu)箱體。
3.2 車箱設(shè)計
3.2.1 車箱前圍板設(shè)計
車箱前圍板設(shè)計如圖7所示,尺寸和質(zhì)量分別如下:
前板尺寸:2 270 mm×1 520 mm×4 mm。
鋼板質(zhì)量:N1=7.85×103×2.2×0.8×4×10-3 kg=55.26 kg
加強肋質(zhì)量:N2=68.05 kg
前板總質(zhì)量:m=N1+N2=123.31 kg
3.2.2 車箱左右欄板設(shè)計
車箱側(cè)板設(shè)計如圖8所示,各參數(shù)設(shè)計如下:
側(cè)板尺寸:3 920 mm×1 670 mm×4 mm
鋼板質(zhì)量:N1=102.99 kg
加強肋質(zhì)量:N2=177.14 kg
雙側(cè)板總質(zhì)量:m=(N1+N2)×2=560.25 kg
3.2.3 車箱后部設(shè)計
車箱后框架設(shè)計如圖9所示,各參數(shù)設(shè)計如下:
后板尺寸:2 270 mm×1 520 mm×5 mm
鋼板質(zhì)量:N1=7.85×103×2.2×0.8×5×10-3 kg=69.08 kg
加強肋質(zhì)量:N2=10.007×6.8 kg=68.05 kg
后部總質(zhì)量:m=N1+N2=137.33 kg
3.2.4 車箱頂部設(shè)計
車箱頂板設(shè)計如圖10所示,主要參數(shù)如下:
頂板尺寸:3 197 mm×1 970 mm×8 mm
鋼板質(zhì)量:N1=7.85×103×4.1×2.2×5×8×10-3 kg=566.46 kg
兩根長梁的質(zhì)量:N2=16.981×8.2 kg=139.24 kg
兩根長梁之間的加強肋質(zhì)量:N3=29.56 kg
兩邊矩形管的質(zhì)量:N4=5.658×8.2 kg=46.04 kg
其余加強肋的質(zhì)量:N5=59.04 kg
車箱頂部的總質(zhì)量:m=840.74 kg
3.2.5 車箱總裝配圖
根據(jù)某專用汽車公司生產(chǎn)的壓縮式垃圾車觀察,所設(shè)計的垃圾車車箱容積為12 m3,所以確定車箱形狀和尺寸參見圖11和圖12。
3.3 車箱材料選取
車箱材料的選擇非常重要,需要根據(jù)實際的需求和條件,來選擇最為合適的材料,同時也要考慮性價比。
垃圾車箱體主要分為底板、側(cè)板、前板和后板,不同部位的板所受到的作用力是不一樣的,根據(jù)其受到的作用力的區(qū)別決定其板材的選擇。其中底板所受到的作用力最大,為了滿足承重的需求,鋼板需要選擇較厚的鋼板,側(cè)板和前板由于承受的作用比不是很大,所以其鋼板的選擇不要太厚,能夠滿足正常的使用需求就行,而對于后板,雖然和側(cè)板、前板的情況差不多,但是它在車箱后面還能夠起到防撞的作用,為了安全起見,后板鋼材的厚度要比側(cè)板和前板要厚。
綜合以上因素考慮:車箱鋼板全部選用選Q235鋼板(GB/T 33963-2017《載重汽車車廂廂體用鋼板和鋼帶》),頂板厚度為4.0 mm,車箱側(cè)板和前板厚度為4.0 mm。
車箱底部主要受到貨物的重力和作用力,盡量避免拉掛貨物以及合理解決外觀問題,因此選擇結(jié)構(gòu)用矩形冷彎空心型鋼,其結(jié)構(gòu)如圖13所示。其中,H為長邊;B為短邊;t為壁厚;R為外圓弧半徑。
在側(cè)箱板和后箱板上加裝用熱軋槽鋼做的加強肋,其結(jié)構(gòu)如圖14所示,其中,h為高度;r1為腿端圓弧半徑;b為腿寬度;I為慣性矩;d為腰厚度;W為截面系數(shù);t為平均腿厚度;i為慣性半徑;r為內(nèi)圓弧半徑;Zo--Y-Y軸與YrY軸間距離。所選的熱軋槽鋼的尺寸規(guī)格如表2所示。
4 推板結(jié)構(gòu)
4.1 推板機構(gòu)總體方案確定
對于傳統(tǒng)推板,當(dāng)箱體容積為8.5 m3時,除去推板占用的空間,實際有效容積只有6.5 m3,垃圾的壓實率約0.6 t/m3。針對傳統(tǒng)推板存在的缺陷,本文設(shè)計一種連桿式推板機構(gòu),該機構(gòu)主要由連桿、推板、推桿油缸所組成,如圖15所示。
4.2 推板方案確定
根據(jù)現(xiàn)有后裝壓縮車的箱體截面,設(shè)計相應(yīng)的推板結(jié)構(gòu),設(shè)計的推板外形尺寸為:長900 mm,寬1 970 mm,高1 270 mm,卸料角為42°,推板結(jié)構(gòu)如圖16所示。
5 三維建模及仿真分析
在此次設(shè)計中運用的三維的設(shè)計軟件為Solidworks,運用該軟件進行三維建模,設(shè)計出該后裝垃圾車的外觀以及結(jié)構(gòu)。在這次的設(shè)計中,關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計有傳動機構(gòu)設(shè)計和推板機構(gòu)設(shè)計。三維建模完成后主要對垃圾車進行仿真分析、校核以及判斷方案能否達到預(yù)期效果。
5.1 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真
車廂采用鈑金折彎焊接,整個車廂是封閉的,如圖17所示,該車廂擁有足夠的強度。推板裝置采用液壓驅(qū)動,如圖18所示,整個液壓缸都是鉸鏈連接而成??傃b建模如圖19、圖20所示,后裝垃圾車是以普通垃圾車改造的,使其實現(xiàn)倒垃圾的自動化功能。
5.2 推板的靜力學(xué)有限元分析
此次有限元分析軟件使用的是ANSYS19.0。為防止推板變形應(yīng)力過大,預(yù)設(shè)有加強筋的推板,如圖21所示。
a.將三維模型導(dǎo)入分析模塊中,如圖22所示。
b.材料屬性設(shè)置,如圖23所示。新增算例并且選擇車架的材料為Q235鋼的密度7 890 kg/m3,泊松比0.269,楊氏模量209 GPa,屈服強度為235 MPa。
c.網(wǎng)格劃分。進入Mesh劃分步驟,插入Body Size,選擇所有實體,然后在Element Size中輸入網(wǎng)格尺寸為50 mm,同時插入網(wǎng)格劃分方法Method,選擇四面體網(wǎng)格Tehrahedrons劃分,設(shè)置完成之后單擊Mesh選擇Generate Mesh生成網(wǎng)格,如圖24所示。
d.載荷及約束設(shè)置。對支撐推板機構(gòu)的鉸鏈座進行固定。在工具欄中選擇Supports→Fixed Support,在彈出的詳細(xì)設(shè)置窗口選擇底部兩個面并確定,如圖25所示。施加外載荷。右鍵單擊Static Structure,選擇Insert→Force,如圖26所示。此車設(shè)計的載重垃圾約為1 t,因此需要在推板施加載荷10 000 N。選擇受力外表面,方向向后。
e.模型求解。右鍵單擊Solution,選擇Insert,分別插入Equivalent Stress、Tatal Deformation和Directional Deformation,最后進行結(jié)果分析,具體內(nèi)容如圖27、圖28和圖29所示。
此板受力可以滿足施加載荷10 000 N;可見是藍色的受力很多,看不到紅色受力集中,設(shè)計三維安全。由分析結(jié)果可知,推板主要變形部位為上部,最大變形量為0.312 mm,因此可撤銷加強筋的設(shè)計。撤銷加強筋設(shè)計推板,如圖30所示。
將推板導(dǎo)入ANSYS軟件進行仿真,操作方法同上,具體步驟不再贅述,最后生成的結(jié)果如圖31、圖32和圖33所示。從結(jié)果圖可以看出,推板受到的最大應(yīng)力為10.722 MPa,不超過限定屈服強度,其余地方最大值小于材料的許用應(yīng)力,推板安全,校核完成。
6 結(jié)語
在垃圾車整體的設(shè)計基礎(chǔ)之上,需要對其進行三維建模。建模是一種非常好的方法,能夠在沒有實物的時候利用仿真技術(shù),對垃圾車的各個零件進行測試,判斷其是否能夠達到預(yù)設(shè)的要求,還能夠從整體的角度進行測試,判斷各個關(guān)鍵部件以及組合是否達到預(yù)期。本文設(shè)計的垃圾車并不是那種大型的垃圾清理車,這種垃圾車整體尺寸不大,適合在小區(qū)內(nèi)部使用。
參考文獻:
[1]田亞忠弧型廂壓縮式垃圾車車廂改進設(shè)計研究[D]青島:青島理工大學(xué),2019.
[2]趙婉兵,劉壯基于城市垃圾分類處理的小型分類垃圾車設(shè)計研究[J]美與時代(上),2020(12):106-109.
作者簡介:
龐小蘭,女,1982年生,副教授,研究方向為汽車電子控制技術(shù)。