基于UG的压缩式垃圾车刮板有限元分析.pdf

2023.04 建设机械技术与管理 55产品结构基于 UG 的压缩式垃圾车刮板有限元分析Finite Element Analysis of Garbage Truck Scraper Based on UG周楚健 张萧笛(长沙中联重科环境产业有限公司，湖南 长沙 410100)摘要：刮板作为压缩式垃圾车收集垃圾的主要结构部件，它的强度和刚度情况影响压缩式垃圾车的正常使用，本文首先根据理论分析确定刮板结构的受力情况和典型工况，然后通过仿真得到刮板的应力和变形云图，并且仿真结果通过试验结果验证，以此确定刮板结构的薄弱位置，后续可指导刮板结构的设计。关键词：压缩式垃圾车；刮板；典型工况；有限元分析中图分类号：TH123+.4 文献标识码：A0 引 言随着城市化的进程和环保要求，对垃圾车要求越来越高，压缩式垃圾车集垃圾收转运、压缩和卸载等功能于一体，同时其装载能力强、密封效果好、二次污染少、自动化程度高等，成为现代城市生活垃圾收集、运输的主要工具1。刮板是后装压缩式垃圾车垃圾收集的主要工作部件，压缩式垃圾车填装工作时，刮板打开，滑板滑动带着刮板一起向上移动，重复以上的操作，刮板会进一步压实垃圾，垃圾会均匀地填满在垃圾箱内2。垃圾车工作时，刮板与滑板通过销轴连接，刮板油缸提供动力，长时间的工作会使刮板出现受力变形的现象，影响垃圾车的工作性能，所以研究刮板的受力性能非常有必要3。UG 是一款功能非常齐全的集成化的 CAD/CAE/CAM系统软件，它整合了一系列的工具，包括建模、分析、优化、可视化、流程自动化和数据管理等解决方案4。UG 软件支持结构分析、流体分析、多物理场分析等功能，用户可以进行庞大且复杂的有限元模型创建操作。本文基于 UG 对某型号压缩式垃圾车刮板的受力性能进行有限元分析，后续为压缩式垃圾车的优化设计提供借鉴。1 刮板工作受力分析根据刮板结构的工作原理，刮板有以下三个工况：(1)工况 1：滑板带刮板上行挤入垃圾工况5；如图 1 所示，刮板对垃圾的压力 P可认为是沿 Y 方向递减，P 合力大小保守认为等于滑板油缸最大拉力 F1，且其沿 Y 向递减规律可由刮板所受外载对铰点 O 的力矩平衡计算确定。(2)工况2：滑板带刮板下行剪切垃圾工况；如图2所示，滑板下行刮板剪切垃圾时，刮板前端受到垃圾反作用力，F合力的大小可根据刮板油缸和滑板油缸的平衡方程确定。(3)工况 3：刮板转动破碎垃圾工况。如图 3 所示，可考虑刮板初始转动时刻，假设垃圾阻力集中在刮板前端，可根据刮板油缸主动作用时最大压力计算推力 F，再根据刮板铰点的力矩平衡计算确定 P 大小。2 刮板的有限元计算2.1 有限元模型建立利用 HyperWorks 对刮板进行有限元建模，对刮板内部结构进行简化，包括倒边、倒角、小螺丝孔等；然后对刮板进行材料参数设置，刮板材料为 Q355，屈服强度 355MPa，图 1 刮板上行工况图 2 刮板下行工况图 3 刮板转动工况56建设机械技术与管理 2023.04 产品结构泊松比设置为 0.3，弹性模量设置为 210GPa，选择四边形网格类型，网格大小为 10mm，有限元模型如图 4 所示。2.2 载荷和约束刮板在压缩式垃圾车作业的过程中，主要受到垃圾的压力、油缸的推力的作用，根据文章第一部分的计算结果，同时参考试验测试数据，刮板上行工况为刮板工作时的最恶劣工况。2.3 有限元结果本文主要考虑校核结构的强度和刚度，刮板的应力和变形云图如图 5、6 所示，在极限工况下，刮板结构的最大变形 17mm，位于刮板中间位置，刮板的最大应力为314MPa，小于 Q355 材料的屈服强度 355MPa，刮板结构的刚度和强度均满足要求；3 试验设计与验证本文采用 18 吨后装式垃圾压缩车进行压缩垃圾试验，验证刮板模型有限结元分析的准确性。在如图 7 所示的刮板粘贴应变片进行应力测试，三个测点根据仿真结果选取刮板应力集中位置，标号分别为 G4、G6、G7,为了最真实的模拟刮板的压缩垃圾的过程，试验采用刚从城市收集的日常垃圾进行模型垃圾压缩试验。试验总共进行了三次，整个试验过程为：从空车到满载，到超载直至滑板油缸溢流为止，以此来实现刮板最大载荷工况，图 8 为应力测试现场。通过对三次试验的相关数据进行统计，总刮压次数、箱满提醒次数、压缩垃圾质量、平均刮一次装载量箱满提示装载量、箱满后超载比率如表 1 所示。在实测现场垃圾车控制台有箱满提示灯，此时推铲已经无法再继续向后移动，刮板也无法完成刮压到位，不能装载更多的垃圾；结合表 1 和图 9 中的数据可以发现，超载压缩后，刮板应力的每一周期压缩的峰值在不断提升，直至滑板油缸出现最大力时达到最大值，仿真计算也同样按照滑板油缸出最大力进行计算，在此极限工况时，仿真值和试验值对比发现，误差在 10%以内，说明刮板有限元计算方法已具备较高的准确度。图 4 刮板有限元模型图 5 刮板应力云图图 6 刮板变形云图图 7 刮板应力标点图 8 实测现场图 9 三次压缩全程 G4G6G7 的应力状态试验次数总刮压次数箱满提醒次数压入垃圾质量/kg平均刮一次装载量/kg箱满提示装载量/kg箱满后超载比率时长/min145308640192576050.0%532493410140207703644.1%403503410540211716747.1%46表 1 3 次试验数据表（下转第 70 页）70建设机械技术与管理 2023.04 产品结构尘效率更高。混合器采用双层管设计，内层气路，外层水路，水流和压缩空气在喷嘴段，通过高压气流强力吹外侧周边的水流，达到雾化的效果，并根据选用不同喷嘴口的形状形成不同的雾化喷射形状。实现方法：根据不同是工作环境中尘土颗粒密度情况，调节含水量形成轻水雾，水雾和重水雾 3 种模式。根据尘土扩散范围和挖机的工作角度，通过调整压缩空气压力，形成近程，中程和远程 3 种模式。使用时首先根据场地情况，确定是否需要开启除尘系统；再根据工作内容和扬尘情况，确定水雾模式和射程模式。工作分为 5 种情况：a.作业环境比较潮湿，无扬尘。连通阀（3）开启，空压机进出管直接短接，系统无压缩空气输入，除尘系统关闭；b.轻尘状况。可采用轻水雾远程模式，通过连续不间断的除尘，减少对人体的危害；c.常规作业一般采用水雾和中程模式，维持良好的作业环境。d.间断性扬尘，破碎工况下。重水雾模式远程模式，可以压制施工中的尘土；e.土方作业环境干燥，扬尘大，颗粒细。开启轻水雾，近程模式，同时适当加大水量，雾化颗粒小，含水量高，喷射覆盖范围大，达到快速除尘效果。5 结 论本文设计了一种挖掘机用细水雾除尘系统，在机身发动机上搭载空气压缩机，并根据实际需要通过压缩机短接的方式实现关闭压缩机；利用压缩空气加压水路，同时使用气路提供雾化的动力，使得雾化颗粒更细，射程更远；整个系统简洁实用，控制方式简单，可靠。同时根据实际需要调节雾化颗粒的大小和密度，实现不同的雾化效果，根据实际需要可以通过对气流和水流的压力和流量等参数控制，达到对雾化颗粒大小，喷射范围进行精准控制。该装置简单易行，装拆方便，应用广泛，适用性强；也可根据实际应用需要，通过智能化升级改进提高喷射精度。整个系统高效，可靠和耐用，预留进一步升级优化空间。参考文献1 钱丽娟.雾化射流场中粒子运动和传热特性研究 D.杭州：浙江大学，20102 曾卓雄.喷嘴雾化颗粒径的实验研究 J.西安交通大学学报，2000(4)：75-77.3 李广军.燃油喷嘴气液两相流雾化特性研究 J.热能动力工程，1999(4)：253.4 蔡斌，李磊，王照林.液滴在气流中破碎的数值分析 J.工程热物理学报，2003(4)：613-616.收稿日期：2023-05-22作者简介：牛晓钦，硕士，工程师，主要从事小型燃油，新能源挖掘机整机设计开发工作。上接第 56 页3 结 语（1)由于垃圾成分的比较复杂，很难确定他的力学特性，故本文采用理论计算的方法求解垃圾对刮板结构的作用力，保证有限元计算的准确性；（2)通过对垃圾车刮板简化模型的有限元分析，得到刮板的应力和变形云图，可以找到刮板结构的板的薄弱位置，提前进行结构加强，同时还可以发现结构的可优化空间，为后续结构轻量化设计提供重要的依据6；（3)在滑板油缸出满力的刮板极限工况下，仿真结果和试验结果对比，误差在 10%以内，说明刮板有限元计算方法已具备较高的准确度。参考文献1 伍希志，钟懿，任会礼压缩式垃圾车滑板结构的载荷模型与结构优化 J机械设计，2015(7):47-512 左朝永.后装压缩式垃圾车压缩装置设计研究与仿真分析 D.南宁：广西大学，2008.3 王铁成，高洪一.压缩式垃圾车压缩装置挤压力的确定J.农机使用与维修，2014(12):35-36.4 胡爱闽,龙铭.UG NX 12 中文版动力学与有限元分析自学手册 M.北京：人民邮电出版社,2019.5 章正刚后装压缩式垃圾车设计与分析研究 D.长沙：长沙理工大学，2012.6 李崇明，万淑敏，崔弘等.压缩式垃圾车推板有限元分析 J.环境卫生工程，2005（4）：43-45.收稿日期：2023-04-06作者简介：周楚健，硕士，工程师，主要从事压缩式垃圾车结构仿真。