基于有限元的壓縮式垃圾車填裝器仿真分析及優(yōu)化

摘要：壓縮式垃圾車填裝器通過(guò)軸銷連接懸掛在車廂后部，通過(guò)刮板的擺動(dòng)、滑板的直線拉動(dòng)、舉升油缸的驅(qū)動(dòng)等機(jī)構(gòu)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，完成垃圾的收集和卸載。對(duì)極限工況下的填裝器做了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，再對(duì)優(yōu)化后的填裝器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。通過(guò)云圖對(duì)兩個(gè)導(dǎo)軌方案的分析結(jié)果對(duì)比得出：優(yōu)化改進(jìn)后的導(dǎo)軌整體位移變化和所受最大應(yīng)力減小，提高了填裝器的整體強(qiáng)度，保證了填裝器整體強(qiáng)度符合使用要求。

關(guān)鍵詞：有限元分析；填裝器；導(dǎo)軌；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469? 收稿日期：2024-03-27

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406017

1 前言

目前我國(guó)在收集垃圾時(shí)使用的車型主要是以下幾種： 集裝箱式垃圾車、擺臂式垃圾車、側(cè)裝式密封垃圾車、后裝壓縮式垃圾車。集裝箱式垃圾車有著垃圾泄露等問(wèn)題，不符合目前國(guó)家環(huán)保方面的相關(guān)法律規(guī)范，并且集裝箱式垃圾車無(wú)法對(duì)垃圾進(jìn)行壓縮、裝載效率低下增加了運(yùn)輸成本，該車型已經(jīng)逐漸開(kāi)始淘汰。擺臂式垃圾車和側(cè)裝式垃圾車同樣也有類似問(wèn)題，比如壓縮性能差、裝載垃圾的車廂體積小，在運(yùn)輸過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生泄漏造成二次污染。

相比于上述幾種類型的垃圾車，后裝壓縮式垃圾車有如下優(yōu)勢(shì)：a.裝載垃圾的車廂容量大、自動(dòng)化程度較高、垃圾能夠被充分的壓縮；b.后裝壓縮式垃圾車行駛過(guò)程中車廂處于密封狀態(tài)，可以較好地避免以往垃圾車運(yùn)輸過(guò)程中垃圾被風(fēng)吹散、二次污染環(huán)境等問(wèn)題；c.運(yùn)輸機(jī)動(dòng)性好，壓縮式垃圾車可以作為一個(gè)移動(dòng)垃圾站，去有垃圾的地方進(jìn)行收集。因此，壓縮式垃圾車的應(yīng)用前景越來(lái)越好，市場(chǎng)占有量逐漸增加，成為目前城市里垃圾收集和轉(zhuǎn)運(yùn)的主要作業(yè)車輛[1]。

填裝器是壓縮式垃圾車的重要部件，它通過(guò)軸銷連接懸掛在車廂后部，是用于填裝壓縮垃圾的工作裝置，由料斗、后蓋、刮板、滑板及配套油缸等機(jī)構(gòu)組成。收集工作時(shí)通過(guò)刮板的擺動(dòng)和滑板的直線拉動(dòng)將垃圾壓縮進(jìn)箱體中，卸料時(shí)填裝器通過(guò)舉升油缸的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。根據(jù)環(huán)衛(wèi)工人的實(shí)際操作情況和設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，填裝器的設(shè)計(jì)可靠性會(huì)直接影響到壓縮裝置的使用壽命及正常工作的進(jìn)行，因此必須對(duì)設(shè)計(jì)的填裝器進(jìn)行充分的計(jì)算與仿真。為了使填裝器盡可能輕量化，同時(shí)又能保證設(shè)備生命周期內(nèi)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，本文利用有限元分析的功能，對(duì)填裝器進(jìn)行了極限工況分析，得到了在此工況下優(yōu)化前填裝器的應(yīng)力、位移和應(yīng)變?cè)茍D，以此來(lái)發(fā)現(xiàn)填裝器結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題與缺陷，并且結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使填裝器符合設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)和要求，有效提升填裝器設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可靠性，縮短工廠研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。

2 有限元模型的建立

對(duì)壓縮式垃圾車填裝器進(jìn)行建模時(shí)，為了減小建模和有限元分析的工作量，避免小的結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格時(shí)產(chǎn)生大量的有限元單元會(huì)造成整體網(wǎng)格質(zhì)量的下降，從而影響結(jié)構(gòu)的分析精度，我們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，將結(jié)構(gòu)中的小圓孔、倒角、螺栓孔等不會(huì)影響仿真結(jié)果的小結(jié)構(gòu)去除[2]。簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

該裝置上結(jié)構(gòu)鋼材料參數(shù)如表1所示。

通過(guò)對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以將其離散化為由單元（Element）和節(jié)點(diǎn)（Node）組成的有限元模型。在這個(gè)過(guò)程中，網(wǎng)格劃分與所定義的材料屬性相結(jié)合，用以表示有限元模型中的剛度和質(zhì)量分布情況。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要控制單元的數(shù)量，以確保其在一定范圍內(nèi)，以滿足求解的需求。這樣做不僅能有效地將模型轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的有限元形式，還能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[3]。網(wǎng)格劃分后模型如圖2所示。

3 邊界條件及載荷的施加

圖3為某公司提供的填裝器工作原理圖。a.車輛處于起始位置，填裝斗裝滿垃圾；b.當(dāng)填裝斗裝滿垃圾后，刮板隨之打開(kāi)，準(zhǔn)備將其插入垃圾中進(jìn)行下一步作業(yè)；c.壓縮式垃圾車滑板帶動(dòng)刮板一起向下移動(dòng)，將刮板插入垃圾中開(kāi)始進(jìn)行收集和初步壓縮；d.壓縮式垃圾車刮板進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將垃圾進(jìn)一步壓縮；e.垃圾車刮板到位后隨滑板向上移動(dòng)，將垃圾裝填到垃圾箱中并壓實(shí)，然后回到起始位置。在這連續(xù)不斷的裝填過(guò)程中，車廂中的垃圾在擠壓力的作用下進(jìn)一步壓縮，確保垃圾箱充滿而不浪費(fèi)空間。

當(dāng)垃圾收集車抵達(dá)處理場(chǎng)或填埋場(chǎng)時(shí)，需要卸載垃圾。此時(shí)，舉升油缸舉起填裝器，滑板向后移動(dòng)，刮板打開(kāi)，垃圾得以卸出。根據(jù)原理圖以及市場(chǎng)反饋的實(shí)際使用情況選擇刮板轉(zhuǎn)動(dòng)到最底部90°時(shí)為極限工況，即填裝器工作進(jìn)行到第4個(gè)步驟（圖3），此時(shí)在車輛滿載的情況下，填裝器受到60 000 N的力，以此來(lái)施加載荷，分別在刮板和液壓缸上施加力，具體載荷施加和約束固定如圖4、圖5所示[4-5]。對(duì)填裝器施加固定約束和兩個(gè)大小為60 000 N的力。

4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

將簡(jiǎn)化后的填裝器模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，施加邊界條件及載荷，分析得到應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D。仿真結(jié)果中應(yīng)力與應(yīng)變較大的位置如圖6～圖9所示。

根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，填裝器上的左右導(dǎo)軌以及導(dǎo)軌上方螺栓位置應(yīng)力較大。根據(jù)圖6～圖9所示的仿真結(jié)果，不考慮應(yīng)力集中的情況下，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌上的應(yīng)力分布較明顯，如圖6、圖7所示，填裝器左右兩側(cè)導(dǎo)軌最大應(yīng)力分別為174 MPa、169 MPa，最大應(yīng)力位置均在滑塊所在位置導(dǎo)軌上方。

同時(shí)，通過(guò)圖8可以看出，導(dǎo)軌上側(cè)位移也較大，為13 mm。壓縮式垃圾車填裝器在進(jìn)行垃圾壓縮裝填工作時(shí)需要承受較大的壓力，必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度才能正常完成工作[5]。

由填裝器的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D分析結(jié)果可知，填裝器導(dǎo)軌在局部區(qū)域存在著應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，可能會(huì)出現(xiàn)斷裂、變形等問(wèn)題，故而導(dǎo)軌是填裝器各部件中的薄弱部件，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)軌的剛度。通過(guò)實(shí)際調(diào)研，填裝器產(chǎn)生問(wèn)題的區(qū)域與計(jì)算結(jié)果基本符合。

5 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)導(dǎo)軌上應(yīng)力較大的位置，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮結(jié)構(gòu)可靠性原則與控制成本的原則，最終選定優(yōu)化方案為在填裝器兩側(cè)導(dǎo)軌應(yīng)力較大的區(qū)域加上加強(qiáng)板[6-7]，如圖10所示。

將優(yōu)化之后的填裝器模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，施加同樣的固定約束與大小一致的載荷，繼續(xù)對(duì)填裝器進(jìn)行有限元分析，填裝器左右兩側(cè)導(dǎo)軌有限元仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的填裝器模型進(jìn)行有限元仿真分析，不考慮應(yīng)力集中的影響，左右兩側(cè)加了加強(qiáng)板的導(dǎo)軌高應(yīng)力區(qū)均有所降低，左右導(dǎo)軌上方的應(yīng)力分別為77 MPa、68 MPa，同時(shí)兩側(cè)導(dǎo)軌的位移也有所降低，兩側(cè)導(dǎo)軌最大位移為09 mm。較之優(yōu)化前的填裝器仿真分析結(jié)果，應(yīng)力大小分別下降了97 MPa、101 MPa，位移下降了04 mm。由改進(jìn)后填裝器導(dǎo)軌的應(yīng)力云圖分析可知，改進(jìn)后的填裝器結(jié)構(gòu)在理論上滿足了強(qiáng)度要求[8]，能較好地適應(yīng)工作需求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文的研究目的是對(duì)壓縮式垃圾車填裝器進(jìn)行有限元仿真，分析壓縮式垃圾車填裝器易發(fā)生損壞的位置，并對(duì)影響壓縮式垃圾車填裝器工作的關(guān)鍵位置進(jìn)行優(yōu)化，增大填裝器的使用壽命，提高填裝器結(jié)構(gòu)的可靠性。通過(guò)仿真分析表明，填裝器導(dǎo)軌是其薄弱部位，對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的填裝器導(dǎo)軌強(qiáng)度獲得了提升，穩(wěn)定性大大提高。

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作者簡(jiǎn)介：

蔡卿，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)衛(wèi)設(shè)備、農(nóng)業(yè)機(jī)械。