苗淑杰,李榮智,段成燕,王 金

(1.黑龍江工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

后裝壓縮式垃圾車壓實板的有限元分析

苗淑杰1,李榮智2,段成燕1,王 金1

(1.黑龍江工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

后裝壓縮式垃圾車壓實板在工作過程中易出現(xiàn)強度和剛度不足，從而造成作業(yè)效果不佳、使用壽命降低等，為驗證所設(shè)計壓實板是否滿足使用要求，運用三維設(shè)計軟件CATIA的Product模塊和Analysis & Simulation /Generative Structural模塊建立壓實板的有限元模型，進(jìn)而計算和分析在正常工況下壓實板的強度和剛度。分析結(jié)果表明，壓實板的最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，滿足強度和剛度的工作要求。

后裝壓縮式垃圾車;壓實板;有限元分析

壓實板作為后裝壓縮式垃圾車的核心部件，在作業(yè)過程中起到掃刮、破碎和壓縮垃圾的作用[1]。工作過程中，若壓實板出現(xiàn)較大變形則會導(dǎo)致垃圾掃刮不清潔，影響作業(yè)質(zhì)量，嚴(yán)重時會使作業(yè)無法正常進(jìn)行。因此，本文運用CATIA對壓實板在正常工況下進(jìn)行有限元分析，找出危險區(qū)域并檢驗此處是否滿足工作要求，從而推動后裝壓縮式垃圾車的應(yīng)用。

1 壓縮機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 壓縮機構(gòu)

后裝壓縮式垃圾車壓縮機構(gòu)在作業(yè)過程中將松散的垃圾壓實并輸送到車廂里，是垃圾車整車的關(guān)鍵部件，其由滑道、滑板油缸、壓實油缸、滑板及壓實板等零部件組成，如圖1所示。

圖1 壓縮機構(gòu)

1.2 壓縮機構(gòu)的工作原理

圖2為壓縮機構(gòu)的工作原理。其中，圖2(a)為壓縮機構(gòu)的初始位置；圖2(b)為壓實油缸回縮，使壓實板繞鉸鏈逆時針旋轉(zhuǎn)，做好插入垃圾的準(zhǔn)備，圖2(c)為滑板油缸伸長，滑板沿滑道斜向下運動，帶動壓實板插入松散的垃圾中，圖2(d)為壓實油缸伸長，迫使壓實板繞鉸鏈順時針旋轉(zhuǎn)，對松散的垃圾進(jìn)行一次壓縮，圖2(e)為滑板油缸回縮，滑板沿滑道斜向上運動，帶動壓實板進(jìn)一步壓縮垃圾并裝到車廂上。至此完成了壓縮垃圾的一次循環(huán)。

圖2 壓縮機構(gòu)工作原理

1.3 壓實板結(jié)構(gòu)

壓實板由中間板、左支板和右支板組成，其中，左右兩支板由鋼板焊接而成，進(jìn)而與中間板焊接，其三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。壓實板的材質(zhì)均采用Q235B鋼板。

圖3 壓實板結(jié)構(gòu)

2 壓實板有限元模型的建立

2.1 模型的建立

為了避免因不同軟件轉(zhuǎn)換接口出現(xiàn)異常狀況導(dǎo)致零部件有限元分析失敗，壓實板的實體模型在CATIA環(huán)境中建立并直接導(dǎo)入CATIA的Generative Structural Analysis模塊中進(jìn)行分析。為了方便分析，左右兩支板各作為一個整體與中間板焊接且焊接處為理想焊接[2-3]。

2.2 定義材料屬性

在CATIA環(huán)境中對材料屬性的定義有兩種途徑：1)建立實體模型后直接在零部件設(shè)計模塊中定義；2)建立實體模型后導(dǎo)入Generative Structural Analysis模塊中定義。本文采用第一種方式，運用CATIA提供的應(yīng)用材料指令定義壓實板的材料屬性。壓實板的材料采用Q235B鋼板，是因其具有良好的塑性、焊接性能和一定的強度，其材料屬性如表1所示。

表1 壓實板材料屬性

2.3 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)，其中網(wǎng)格數(shù)量對最終計算量和計算精度均產(chǎn)生直接影響[4]。若網(wǎng)格數(shù)量過少，則影響所建模型的計算精度；若網(wǎng)格過多，計算精度有所提高，但會增大模型的計算量[5-7]。因此，在劃分網(wǎng)格時，應(yīng)綜合考慮兩個因素的影響。本文在CATIA分析模塊環(huán)境中對壓實板自動劃分成空間四面體的單元，網(wǎng)格劃分如表2所示。壓實板的網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

表2 壓實板網(wǎng)格劃分

圖4 壓實板網(wǎng)格劃分模型

2.4 創(chuàng)建連接關(guān)系及定義連接特性

壓實板的左右兩支板分別與中間板焊接，因此，將各零件的連接關(guān)系定義為線連接。圖5中白色線即為左右兩支板與中間板的連接關(guān)系。在創(chuàng)建連接關(guān)系的基礎(chǔ)上，對壓實板進(jìn)行定義連接特性，如圖6的焊縫連接所示。

圖5 壓實板的連接關(guān)系

圖6 壓實板連接特性

2.5 施加約束和載荷

2.5.1 施加約束

壓實板通過鉸鏈與壓實油缸和滑板油缸連接，在鉸鏈孔對壓實板施加約束，如圖7所示。

圖7 壓實板約束

2.5.2 施加載荷

壓實板在工作過程中常出現(xiàn)三種狀況，即正常工作狀況、偏載工作狀況和特殊工作狀況。本文對此三種狀況中的正常工作狀況進(jìn)行分析。此時，垃圾對推板的壓力均勻分布，由文獻(xiàn)和相關(guān)有限元分析資料可知壓實板受力為70 kN[8]。

3 模型檢查與靜態(tài)分析

3.1 模型檢查

為了檢驗網(wǎng)格劃分質(zhì)量、是否創(chuàng)建連接關(guān)系及定義的連接特性是否正確，利用CATIA分析模塊中Model Checker命令選項，檢查前處理是否存在問題。模型檢查的結(jié)果在彈出的對話框上顯示，OK代表正確；KO代表錯誤。圖8為壓實板模型檢查結(jié)果。

(a)

(b)圖8 壓實板模型檢查結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力分析

利用Von Mises屈服準(zhǔn)則[9-10]，等效應(yīng)力值為

式中:σ1,σ2,σ3為主應(yīng)力，當(dāng)σq>[σ]時材料失效。應(yīng)用CATIA對壓實板的有限元模型進(jìn)行求解和處理，得到如圖9所示的應(yīng)力云圖。

圖9 壓實板的應(yīng)力云圖

3.2.2 位移分析

圖10是運用軟件處理后得到的壓實板位移變形圖。

圖10 壓實板位移變形

由圖9和圖10可知，壓實板的最大應(yīng)力和最大位移均在距鉸鏈較遠(yuǎn)的一端，其最大應(yīng)力值為48.63MPa，小于材料Q235B的許用應(yīng)力，最大位移為0.227mm。

4 結(jié)束語

1)運用CATIA建立了后裝壓縮式垃圾車壓實板的有限元分析模型。

2)從分析結(jié)果可知，壓實板的最大應(yīng)力小于所用材料Q235B的許用應(yīng)力，滿足強度和剛度的工作要求。

3)分析結(jié)果表明，壓實板最大應(yīng)力和最大位移均位于距鉸鏈較遠(yuǎn)的一端，此結(jié)果與實際分析情況相符合。

[1] 崔弘，萬淑敏，徐曉寬，等. 后裝壓縮式垃圾車壓縮板有限元分析及改進(jìn)設(shè)計[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程，2004，12(3)：175-177．

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Finite element analysis of compression unit of back-loaded compaction garbage handler

MIAO Shu-jie1, LI Rong-zhi2, DUAN Cheng-yan1, WANG Jun1

(1.Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050，China; 2.North Hua’an Industral Group Co., Ltd., Qiqihar 161046, China)

In the working process, compression unit of back-loaded compaction garbage handler lacks in strength and rigidity, which leads to inefficiency of working effect, useful life reduction and so on. In order to check the strength and rigidity of compression unit, the finite element model of compression unit is built by using Product module and Analysis & Simulation /Generative Structural module of 3D design software CATIA. And then the strength and rigidity of compression unit in the normal working condition are calculated and analyzed. The analysis results show that the maximum stress is less than allowable stress of the material used, which will meet the requirements of strength and stiffness, providing theoretical basis for design and study of back-loaded compaction garbage handler.

back-loaded compaction garbage handler;compression unit;finite element analysis

2014-11-17

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12521460)

苗淑杰(1963-)，女，教授，研究方向：工程機械.

U469.6+91

A

1671-4679(2015)02-0001-04